半封闭港湾内水体输运时间分布规律及其对水质的反馈影响机制研究

Since the layout of many large domestic harbors have a common characteristic of semi-enclosed form, a typical semi-enclosed harbor is selected in this study. On the basis of the sufficient in-situ monitoring data analysis, the numerical simulation combined with theoretical analysis methods are used to study the water transport time and water quality evolution in the semi-enclosed harbor. Through the established three-dimensional wave-current coupled model, the multiple factors that affect the spatial-temporal distribution of the water transport time are studied. Meanwhile, the impact of circumfluence flow structure on the water transport time are investigated. Through the on-site monitoring and numerical water quality study, the water quality distribution and variation as well as their connection to the water transport time are studied. Besides, the influences of the environmental dynamics include the extreme weather on the water quality evolutions are discussed. Through this study, the characters and variation of water transport time and their effects on the water quality in the semi-enclosed harbor are revealed. This research will provide technical support for the scientific development of the port, and to provide a theoretical basis for similar semi-closed harbor construction and management decisions.

基于国内许多大型港口在平面布置上具有较大共性-采用半封闭的布置形式，选取典型的半封闭港湾作为研究实例，在充分分析现场监测资料的基础上，采用以数值模拟为主、结合理论分析的研究方法，开展半封闭港湾内水体输运时间及水质演变过程研究。通过建立三维水流、波浪双向耦合模型，研究多重因素影响下半封闭港湾内的水体输运时间在时间及空间上的分布规律，探讨港湾内复杂水流结构对水体输运时间时空分布的影响机制。结合现场监测资料与数学模型研究半封闭港湾内水质分布及随时间的演变过程，分析其与水体输运时间的内在联系，研究海洋动力因素包括极端天气过程对水质变化过程的影响，通过本项目研究将揭示多重因素影响下半封闭港湾内水体输运时间的时空变化规律及其对水质的反馈影响机制，为港口科学发展提供技术支撑，并对类似半封闭港口建设及管理决策提供理论依据。

半封闭的港湾内风浪条件相对较弱，是港口建港的优良选址区域，然而这一类的条件优良的海湾相对稀少，国内外许多大型港口往往结合当地的地形地貌特征，通过修建港工建筑物将原本开敞的海域围成半封闭的水域，最终形成一个人工港湾，一方面改善了港内的风浪条件、增加了港内船舶的作业天数，而且还增加了港口的可利用岸线，国内如连云港港、天津港、曹妃甸、深圳港等许多大型港区均采用此种布置形式。半封闭港湾的另一个特性是，港湾末端的水体流动缓慢，港湾内外水体交换能力较弱；此外港内的近岸污染源排放、港内船舶排污等都将对港湾内的水环境造成影响，而海洋生态环境和环境保护是我国海洋开发和经济建设中关注的关键问题之一，国家中长期科学和技术发展规划将其列入重点发展领域的优先主题。研究选取典型的半封闭港湾作为研究实例，采用以数值模拟为主、结合理论分析的研究方法，开展半封闭港湾内水体输运时间及水质演变过程研究，针对半封闭港湾建立了三维水流、波浪双向耦合模型；开展了半封闭港湾内水体交换时空变化规律及其对水环境影响，以连云港为例，分析了港口形态对港区内水交换的影响，羊窝头防波堤及旗台作业区建设后主港区的半交换周期从约5天增加至12天；徐圩一期方案平面布置下，港池平均半交换周期约5.0天，10天后港池平均浓度小于0.2，前期港池内浓度下降较快。远期方案平面布置下，港池的半交换周期增加了接近1倍变为11天，且浓度下降过程较为缓慢；并以切萨皮克湾为例，研究了半封闭港湾水交换时间对水环境影响机制，对在半封闭海湾中引起缺氧的颗粒有机物的来源和途径进行了定量的分析。通过本项目研究揭示了多重因素影响下半封闭港湾内水体输运时间的时空变化规律及其对水质的反馈影响机制，研究成果可为港口科学发展提供技术支撑，并对类似半封闭港口建设及管理决策提供理论依据。