海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响

李醒; 丁磊; 王刚; 王娜

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506431

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7479-7485 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506431

交通运输

海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响

李醒 ¹ ,
丁磊 ² ,
王刚 ¹ ,
王娜 ¹^,^*

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Effects of Structural Parameters on Water Exchange in Seawater Exchange Breakwater

LI Xing ¹ ,
DING Lei ² ,
WANG Gang ¹ ,
WANG Na ¹^,^*

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摘要

为提升渔港港内外水体交换能力以改善其水质环境,通过建立平面二维水动力与水交换数学模型,研究了海水交换型防波堤结构参数(包括导水管间距、布置范围、底高程和管径)对水体交换效果的影响。结果表明:导水管可从港内浓度差异较明显区域开始布置,口门附近可不布置;导水管管径增大可显著提升水体交换效果,其影响大于其他结构参数;海水交换型防波堤对港内外水体交换的促进效果在首个潮周期最为显著,后续周期中的贡献率逐渐降低。可见,海水交换型防波堤可有效促进港内外水体交换,在实际工程中应结合结构参数优化、港内泊稳与投资效益进行综合设计。

Abstract

In order to enhance the water exchange capacity and improve the water quality environment inside fishing ports, a two-dimensional hydrodynamic and water exchange mathematical model was established to investigate the influence of structural parameters of seawater exchange breakwaters, including the spacing, layout range, bottom elevation, and diameter of pipe culverts. The results show that the pipe culverts can be arranged starting from areas with significant concentration differences inside the port, and their installation near the entrance can be omitted. An increase in the diameter of the pipe culverts significantly enhances water exchange, and its influence is greater than that of other structural parameters. The promoting effect of the seawater exchange breakwater on water exchange is most significant in the first tidal cycle, while its contribution rate gradually decreases in subsequent cycles. It is concluded that seawater exchange breakwaters can effectively enhance water exchange inside the port, and comprehensive design considering the optimization of structural parameters, berthing stability and investment benefits should be applied in practical engineering.

Graphical abstract

关键词

海水交换型防波堤 / 水体交换 / 导水管 / 数值模拟 / 排浦中心渔港

Key words

seawater exchange breakwater / water exchange / pipe culvert / numerical simulation / Paipu central fishing port

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李醒, 丁磊, 王刚, 王娜. 海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7479-7485 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506431

LI Xing, DING Lei, WANG Gang, WANG Na. Effects of Structural Parameters on Water Exchange in Seawater Exchange Breakwater[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7479-7485 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506431

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传统渔港建设中,常常采取近乎封闭式的掩护措施,从而导致港内局部水交换不畅,水质环境持续恶化,伴随着绿色渔港建设要求的提出,需要提升港内外水体交换能力。国内外相关的主要工程技术如下^[1-2]:向港内注入水体^[3-4],将污染水体从口门带出;在港内各港池之间^[5]或港池与外海之间^[6-7]设置换水通道促进水体交换,避免污染水体在死水域的停滞;通过海水交换型防波堤将港外水体引入港内,将污染水体稀释并带出港池来提升港池内外水体交换能力^[8]。海水交换型防波堤是一种创新的港口结构设计,旨在兼顾防浪和提升港内外水体交换的双重功能,目前已发展出多种结构型式^[9]。冈本博等^[10]采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法研究了多种因素对开孔防波堤水交换量和交换效率的影响,结果表明,水交换量与管的数量成正比。山本正昭等^[11]针对传统直立堤开口式水体交换方法存在小波高时水体交换效果差、大波浪时影响港内泊稳等问题,提出在直立堤外侧设置潜堤,通过物理模型试验研究水交换量及直立堤开口处的波况。柳濑知之等^[12]通过数值模拟、物理模型试验与现场观测,系统探讨含有导水管防波堤的海水交换功能,分析其影响因素。结果表明,海水交换效率受波浪周期、导水管开口形状及管底高程影响较大。猿川弦等^[13]聚焦于消波块覆盖型含有导水管防波堤,通过数值模拟、物理模型试验与现场观测,系统分析其海水交换特性。结果表明,波高越大、周期越短,导水管内流速幅值越大,并随着管内阻力系数的增大而减小。佐藤仁等^[14]提出在含有导水管的防波堤前设置储水部,通过提升平均水位形成单向流,强化海水交换能力。导水管平均流速随导水管开口面积与储水部底面积比值的增大而降低,而流量则与面积比正相关。与上述在水下布置导水管不同,小田一纪等^[15]在堤体水面附近水平布置导水管,利用波浪引起的水面附近流动增强单向流,促进海水交换。水面附近流速幅值随管道间距减小而增大,平均流量随波高线性增大,受周期影响较小。宍户雄太等^[9]以北海道乙部渔港设置潮汐型海水交换设施和大沢朝日渔港设置泵式波浪型海水交换设施并进行底泥清淤工程为例,采用数值模拟方法比较工程前后港内溶解氧(dissolved oxygen,DO)含量,结果表明,工程前DO最小值不达标,工程后DO平均和最小值均达标。除此之外,不同结构形式的海水交换型防波堤还应用于日本鹿儿岛县的今和泉渔港^[8]、岛根县的滨田渔港^[8]以及神奈川县的三崎渔港^[16]等。目前海水交换型防波堤在中国实际工程中的应用还鲜有报道,相关研究还处在实验室尺度下,例如Lü等^[17]通过理论分析、数值模拟和物理模型试验方法研究了水下布置倾斜导水管的直立堤在波浪作用下的水动力特性。杨立鹏等^[18]通过物理模型试验对透空管式防波堤的消浪效果进行了研究。陈悦^[19]对透空式防波堤的消浪理论和结构进行了探索。然而,该类研究侧重于结构形式的水力性能,或仅对个别参数(如管径)进行分析,关于海水交换型防波堤对港内外水体交换特性的影响研究尚不多见,且缺乏对结构参数(如导水管间距、布置范围、底高程与管径)影响效果的系统性认识。此外,由于缺乏对实际渔港复杂地形与流场环境的考虑,现有研究成果难以直接用于指导工程实践,导致其在设计优化和工程适用性方面存在局限。因此,现结合实际渔港规划建设项目,利用平面二维水动力和水交换数学模型,探究海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响,以期为海水交换型防波堤在中国渔港建设中的设计优化与推广应用提供参考依据。

1 项目概况

排浦中心渔港建设项目位于海南省儋州市西部沿海排浦江出海口处,西临北部湾,毗邻海花岛,掩护条件较好,为建设多功能现代渔港、打造儋州渔港经济区打下坚实的基础。图1所示为规划方案的平面布置,其中包括建设3 000 t、1 000 t、600 hp和400 hp(1 hp = 0.746 kW)等不同等级渔船泊位。同时,为增加港内外水体交换,在长约2 160 m的西侧防波堤中设置导水管结构,使其成为海水交换型防波堤。

2 计算方法

2.1 水动力模型

二维潮流数学模型控制方程组可分别表示为

(1)$\frac{\partial h}{\partial t}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{hu}}{\partial x}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{hv}}{\partial y}$=0

(2)$\frac{\partial \stackrel{-}{hu}}{\partial t}$+$\frac{\partial {\stackrel{-}{hu}}^{2}}{\partial x}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{hu}\stackrel{-}{v}}{\partial y}$=$\stackrel{-}{fhv}$-gh$\frac{\partial \eta }{\partial x}$-$\frac{h}{{\rho }_{0}}\frac{\partial {p}_{\mathrm{a}}}{\partial x}$-$\frac{g{h}^{2}}{2{\rho }_{0}}\frac{\partial \rho }{\partial x}$+$\frac{{\tau }_{\mathrm{s}x}}{{\rho }_{0}}$-$\frac{{\tau }_{\mathrm{b}x}}{{\rho }_{0}}$+$\frac{\partial h{T}_{xx}}{\partial x}$+$\frac{\partial h{T}_{xy}}{\partial y}$

(3)$\frac{\partial \stackrel{-}{hv}}{\partial t}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{hv}\stackrel{-}{u}}{\partial x}$+$\frac{\partial {\stackrel{-}{hv}}^{2}}{\partial y}$=-$\stackrel{-}{fhu}$-gh$\frac{\partial \eta }{\partial y}$-$\frac{h}{{\rho }_{0}}\frac{\partial {p}_{\mathrm{a}}}{\partial y}$-$\frac{g{h}^{2}}{2{\rho }_{0}}\frac{\partial \rho }{\partial y}$+$\frac{{\tau }_{\mathrm{s}y}}{{\rho }_{0}}$-$\frac{{\tau }_{\mathrm{b}y}}{{\rho }_{0}}$+$\frac{\partial h{T}_{xy}}{\partial x}$+$\frac{\partial h{T}_{yy}}{\partial y}$

式中:t为时间;x、y为笛卡尔坐标系坐标;η为水面高程(水面到平均海平面的距离);d为水深;h为总水深,且h=η+d;$\stackrel{-}{u}$、$\stackrel{-}{v}$分别为垂向平均流速在x、y方向上的分量;f为科氏力系数;g为重力加速度;ρ为水体密度;ρ₀为水体参考密度;p_a为表面大气压强;T_xx、T_xy、T_yy分别为水体内部切应力在x、y方向上的分量;(τ_s_x,τ_s_y)和(τ_b_x,τ_b_y)分别为水面和底床切应力在x、y方向上的分量。

2.2 水交换模型

水交换采用示踪剂扩散模拟方法进行研究,在潮流数学模型基础上,采用对流扩散数学模型进行模拟计算,其控制方程为

(4)$\frac{\partial hC}{\partial t}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{u}hC}{\partial x}$+$\frac{\partial \stackrel{-}{v}hC}{\partial y}$=$\frac{\partial }{\partial x}\left(h{D}_{x}\frac{\partial C}{\partial x}\right)$+$\frac{\partial }{\partial y}\left(h{D}_{y}\frac{\partial C}{\partial y}\right)$-FhC+S

式(4)中:C为示踪剂浓度;D_x、D_y分别为x、y方向上的扩散系数;F为衰减系数;S为源项函数。

2.3 模型验证

潮流模型采用大、小两重模型嵌套计算,大模型为小模型提供开边界条件。大模型包括整个海南岛和部分南海海域(105.66°~118.99°E, 12°~24.88°N),近岸和水深变化剧烈处网格较密,最小网格尺度约为500 m,外海区域网格较疏,开边界处最大网格尺度约为50 km。小模型东西方向长约32 km,南北方向长约55 km,采用工程海域加密的非结构三角形网格对计算域进行划分,工程区域最小网格尺度约为15 m,外海区域网格尺度较大,在开边界约为5 000 m,其网格如图2所示。模型验证采用2021年7月10日10∶00—11日11∶00实测大潮潮位和流速数据。结果表明^[5],计算值与实测值整体上吻合较好,能够反映工程海域潮流场的时空分布,可用于后续水交换的计算。

3 水交换结果

从设计和施工便利性的角度,考虑在海水交换型防波堤上布置单排导水管,主要研究导水管间距、布置范围、底高程和管径对水交换的影响。根据常规的导水管产品尺寸,设定其管径分别为0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 m;单排导水管间距设定为2.5 m和3.6 m;导水管底高程在设计低水位(-0.69 m,采用1985国家高程基准,下同)和设计高水位(2.27 m)之间设定,选择0、1.2和2.27 m;导水管的布置范围由自防波堤堤根沿中轴线的距离表示,为避开防波堤建设后岸线变化的影响区域,于是距防波堤堤根200 m处开始布置导水管。水交换模型采用与潮流小模型相同的网格,初始时刻向港内水域一次性释放浓度为1.0 kg/m³的面源示踪剂,计算域中其他水体示踪剂浓度设置为0 kg/m³。计算潮位过程采用当地全日潮大潮的全潮周期^[20]重复进行,各计算方案如表1所示。需要说明的是,表1中JH1表示防波堤无海水交换功能。同时,后文所示示踪剂浓度均为通过初始浓度无量纲化后的结果。

图3给出了各计算方案港内平均浓度变化过程,其中0时刻表示示踪剂释放初始时刻。在首个潮周期,示踪剂释放的前6 h内,各计算方案港内平均浓度变化过程一致,均由1降至0.7,说明该阶段平均浓度的降低主要由口门进入的新鲜海水的稀释造成的,而由导水管进入的新鲜海水的影响尚未显现。之后其影响效果逐渐开始显现,至14 h,JH1的港内平均浓度最大,为0.66,JH10最小,为0.50,两者的平均浓度差为0.16。在后续重复潮周期中,两者的平均浓度差最大值由第2潮周期的0.13逐渐降低至第5潮周期的0.05以下,各计算方案港内平均浓度再次趋向一致。为了显示各计算方案的平均半交换周期,图3中还给出了平均浓度为0.5的线,可见JH10的平均半交换周期最小,为14 h,JH1的最大,为26 h,可见海水交换型防波堤对港内外水体交换的促进作用。为了量化其对水体交换的影响,根据式(5)计算有效贡献率I_e。

(5)I_e=$\frac{{C}_{\mathrm{t}}^{\mathrm{*}}-{C}_{\mathrm{w}}^{\mathrm{*}}}{1-{C}_{\mathrm{w}}^{\mathrm{*}}}$×100%

式(5)中:${C}_{\mathrm{w}}^{\mathrm{*}}$和${C}_{\mathrm{t}}^{\mathrm{*}}$分别为有、无海水交换功能防波堤计算方案对应的无量纲示踪剂浓度。图4显示了各计算方案由导水管进入的新鲜海水对港内外水体交换的平均有效贡献率变化过程,可见其与港内平均浓度变化过程一致,每个潮周期中各计算方案平均有效贡献率取得最大值的时间段与港内平均浓度差最大值出现的时间段相同。在首个潮周期,示踪剂释放的最初6 h内,各计算方案由导水管进入的新鲜海水对港内外水体交换的平均有效贡献率均未超过5%,至15 h,JH10的平均有效贡献率最大,为22%,JH6最小,为5%,两者相差17%。在后续重复潮周期中,各计算方案对应的平均有效贡献率均逐渐降低,JH10的最大值由第2潮周期的15%逐渐降低至第5潮周期的4%,而JH6的最大值则由5%逐渐降低至1%,两者的差值由10%减至3%。综合以上港内平均浓度变化过程、平均半交换周期以及平均有效贡献率变化过程的结果可以看出,由导水管进入的新鲜海水对港内外水体交换较为明显的影响体现在前2个潮周期时段内,其中尤以首个潮周期的影响效果最为显著,因此在后文讨论海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响时将选择首个潮周期的结果进行分析。

3.1 导水管间距的影响

当导水管间距分别取2.5 m和3.6 m(分别对应JH2和JH3)时,至14 h,JH2和JH3的港内平均浓度分别为0.59和0.60,两者的平均浓度差为0.01。两者的平均半交换周期分别为24 h和25 h,平均有效贡献率的最大值分别为11%和9%,两者相差2%。图5分别给出了首个潮周期内JH2和JH3与JH1的时均浓度差分布,其中负值表示海水交换功能防波堤较无此功能情况下对应位置示踪剂浓度降低,正值则表示升高。同时,两个绿色三角形之间的防波堤范围为导水管布置范围。由图5可见,JH2和JH3时均浓度差等值线分布总体一致,在口门附近,导水管的影响范围局限在紧邻防波堤的水域,示踪剂浓度降幅较明显的0.5等值线与降幅为0.1的等值线间距较小,变化梯度较大。而自距口门630 m开始,导水管的影响范围开始向港内扩展,特别是在堤根附近水域已延伸至休闲渔船泊位。同时,JH2不同示踪剂浓度降幅范围较JH3对应幅度的范围稍大,因此后续计算方案中将导水管间距设置为2.5 m。

3.2 导水管布置范围的影响

从3.1节的结果可以看到,口门附近防波堤段尽管布置了导水管,但较未布置时差异较小,可见此处水体交换主要受口门进入的新鲜海水影响,因此可以缩短导水管布置范围,从浓度差异较明显处开始布置,于是在JH2基础上将导水管布置范围的一端由堤头位置缩回630 m,即为JH4。至14 h,JH2和JH4的港内平均浓度分别为0.59和0.57,两者的平均浓度差为0.02。两者的平均半交换周期分别为24 h和23 h,平均有效贡献率的最大值分别为11%和13%,两者相差2%。图6分别给出了首个潮周期内JH2和JH4与JH1的时均浓度差分布,其中黑色三角形表示JH4导水管布置范围的终端。

JH4与JH2的时均浓度差分布整体上较为相似,两者降幅为0.5的等值线在临近防波堤水域较为贴合,而JH4降幅为0.3和0.1的等值线范围在休闲渔船泊位附近略大于JH2,而在两者导水管布置范围的差异区域尽管JH2降幅为0.3和0.1的等值线范围较JH4大,但其分布紧邻防波堤水域,影响范围有限。可见JH4在缩小导水管布置范围的同时尚能保持与JH2相当的对港内外水体交换的促进能力,因此后续计算方案的导水管布置范围按照JH4进行设置。

3.3 导水管底高程的影响

JH4~JH6分别对应导水管底高程为0、1.2和2.27 m的计算方案。至14 h,JH4~JH6的港内平均浓度分别为0.57、0.59和0.63,JH5和JH6与JH4的平均浓度差分别为0.02和0.06。三者的平均半交换周期分别为23、25和26 h,平均有效贡献率的最大值分别为13%、11%和5%,JH5和JH6与JH4相比降幅分别为2%和8%。图7分别给出了首个潮周期内JH4~JH6与JH1的时均浓度差分布。JH6不同示踪剂浓度降幅范围较JH4和JH5对应范围缩小明显,其中降幅为0.5的等值线范围仅局限在紧邻防波堤转折处很小的区域内,而在导水管布置范围靠近口门一侧,JH6降幅为0.1的等值线范围已缩至JH4和JH5降幅为0.5的等值线范围以内,靠近堤根一侧,尽管JH6降幅分别为0.3和0.1的等值线也呈现出向港内扩展,但其范围也明显小于JH4和JH5的对应范围,例如JH6降幅为0.1的等值线范围在JH4和JH5降幅为0.3的范围之内。由此可见,随着导水管底高程的增加,示踪剂浓度降幅范围逐渐减小,这主要是由于每个潮周期中有效过水时间减少,从而影响由导水管进入港内的新鲜海水量。同时,从JH4到JH5,两者等值线分布总体一致,差异尚不显著,继续提高导水管底高程至JH6时,与JH4和JH5的区别较为明显,于是后续计算方案的导水管底高程按照位于1.2 m的JH5进行设置。

3.4 导水管管径的影响

JH5以及JH7~JH10分别对应导水管管径为0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 m的计算方案。至14 h,各计算方案的港内平均浓度分别为0.59、0.56、0.54、0.51和0.50,JH7~JH10与JH5的平均浓度差异分别为0.03、0.05、0.08和0.09。各计算方案的平均半交换周期分别为25、23、22、20和14 h,平均有效贡献率的最大值分别为11%、13%、16%、20%和22%。分别将JH7~JH10的平均有效贡献率最大值(I_emax)和导水管管径(d_g)与JH5的对应值(I_emaxJH5、d_gJH5)作比值,两者之间呈现如图8所示的关系,可见随着管径的增加,平均有效贡献率最大值近线性增加。图9分别给出了首个潮周期内JH5、JH7~JH10与JH1的时均浓度差分布。随着管径的增加,导水管影响范围的增加逐渐显著,例如,堤根附近JH9和JH10降幅为0.3的等值线范围已由JH5时的休闲渔船泊位附近扩展至其东侧的3 000 t渔船泊位附近,而JH9和JH10降幅为0.1的等值线范围更是拓展至靠近口门水域。综上所述,导水管管径的增加有效增大了过水面积,从而使得相同时间内流入的新鲜海水增加,比较图4中各计算方案平均有效贡献率以及图5~图7和图9中导水管的影响范围可见,导水管管径对港内外水体交换的影响比其间距、布置范围和底高程的影响更显著。

4 结论

结合实际渔港规划建设项目,通过建立平面二维水动力和水交换数学模型,系统研究了海水交换型防波堤结构参数(包括导水管间距、布置范围、底高程和管径)对港内外水体交换特性的影响,得到以下结论。

(1)防波堤口门附近水体交换主要受口门进入的新鲜海水影响,导水管在此区域的作用不明显。因此,可不在此处布置导水管,而应从港内浓度差异较明显区域开始布置。

(2)导水管管径对港内外水体交换的影响比其间距、布置范围和底高程的影响更为显著,随着管径的增大,平均有效贡献率最大值近线性增长,港内水体半交换周期明显缩短。

(3) 海水交换型防波堤对港内外水体交换的促进作用主要体现在前两个潮周期内,尤其是首个潮周期效果最为显著,后续周期中的贡献率逐渐降低。

(4)从技术的角度探究了海水交换型防波堤结构参数对水体交换的影响,在最终方案的选择中,还需综合考虑港内泊稳、工程造价、港内水质标准要求以及结构安全性与施工可行性等因素。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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