金山海滨浴场引水水动力及水质研究

2016-07-06谢慧姣上海友为工程设计有限公司上海200333

水利规划与设计 2016年1期

谢慧姣（上海友为工程设计有限公司，上海200333）

金山海滨浴场引水水动力及水质研究

谢慧姣
（上海友为工程设计有限公司，上海200333）

金山海滨浴场为封闭式海水浴场，运营期间产生的污染物无法扩散和稀释。为维持浴场水质，需通过水闸进行换排水。本文采用Mike21中的HD和ECO模块建立浴场的水动力和水质数学模型，模拟浴场引水过程，分析在浴场水质超标后，引水可达到的水质改善效果。经计算，引水过程浴场内流场呈逆时针环流，当边滩粪大肠杆菌浓度不超过2800个/L时，引水一潮次可达到浴场使用标准；超过2800个/L时，需连续引水至达标后方可开放使用。

海滨浴场；流场；水质；粪大肠杆菌；Mike21

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.016

1 引言

根据金山新城总体规划，杭州湾沿岸规划定位为海滨景观轴。作为上海休闲旅游的时尚地标——金山城市沙滩经过多年的发展，已经形成了以沙滩休憩、夏季音乐节、沙滩排球等文体活动为主的旅游产品。随着客流量增加，需扩大城市沙滩的规模，由此在城市沙滩西侧新建一处海滨浴场，同时在浴场西侧建立生态湿地。

杭州湾由于海水含沙量高、水色混黄，区别于其他海滨地区，其沿岸的海水浴场均为封闭式，即由大堤圈围形成，海水经由水闸进入浴场区域后，经自然沉淀，呈现蓝色。由此，浴场的水体交换均需通过水闸进行。见图1。

图1 海滨浴场示意图

海水浴场是人群聚集的场所，海水直接与人体接触，海水水质状况对人体健康有着直接的影响。按照海水水质标准（GB3097-1997），海水浴场水质应达到第二类水质标准。由于金山水上活动区为封闭式海水浴场，受降雨影响和人群活动产生的污染物得不到及时的扩散和稀释，浴场水质将逐渐变差，当水质低于第二类水质标准时，浴场将无法使用。因此，需经由水闸进行换排水。

2 海水浴场水质指标

海水浴场水质指标中主要的影响因子为大肠菌群、粪大肠菌群、BOD5和DO，第二类海水相应的指标见表1。其中大肠菌群和粪大肠菌群为海水水质微生物指标菌，BOD5和DO为间接反应水中能被微生物分解的有机物总量的一个综合指标。

表1 第二类海水水质标准

由于夏季气温高、雨水多，细菌增长繁殖较快，且当日降雨量与水体中粪大肠杆菌含量呈正相关；夏季为海滨旅游旺季，人流量大，产生的污染物总量大。参考国内各浴场统计数据：6～9月份，浴场粪大肠菌群数为全年最高，受控浴场好于不受控浴场；粪大肠菌群数沙滩＞近岸点＞高密度游泳区＞远离陆地点；浴场粪大肠菌群数呈逐年增长趋势。

本文采用Mike21中的水动力模块（HD）和水质模块（ECO）建立浴场数学模型，其中ECO模型中以粪大肠杆菌为代表。采用模型试算出浴场内边滩区域粪大肠杆菌的一个浓度限值，当不大于该限值时，引一潮次水就可将浴场水质改善至二类海水标准；超出该限值时，需连续引水方可使水质达标。

3 计算模型

3.1 控制方程

（1）水流连续方程：

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；Ux、Uy为x、y方向上垂线平均速度。

（2）水流运动方程：

式中：ρ为水体密度；g为重力加速度；Ex、Ey分别为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数；τx、τy分别为波流共同作用下床面剪切应力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分别为各方向的波浪辐射应力（N/m2），可表示为：

（3）污染物分子在水体中的扩散方程：

式中：C为污染物浓度场；D为紊动扩散系数。

3.2 计算区域及网格布置

模型的计算范围包含湿地景观区域和水上休闲区，两个区域通过涵闸相连，计算采用三角形网格，最小网格尺度5m。

3.3 边界条件及计算参数

（1）初始条件

浴场换水时采用先排后引模式：浴场常水位3.00m，排水至1.85m后，再引水回3.00m。由此，HD模型计算开始时，浴场中初始水位为引水水位1.85m，初始流速均设定为0m/s；ECO模型开始计算时，设定浴场中粪大肠杆菌个数由沙滩向远离陆地区域递减。

（2）边界条件

HD模型中开边界采用闸门流量过程线控制，闭边界根据不可入原理，取法向流速为0；ECO模型中闸门外为杭州湾海水粪大肠杆菌数，取为500个/ L；杭州湾夏季常风向为SSE，平均风速5.4m/s。

（3）计算参数

二维模型采用的时间步长为30s。

3.4 率定与验证

考虑浴场区域未圈围前，属于杭州湾海域，率定与验证放在长江口杭州湾大范围模型中，本文HD模型的计算参数取值与率定验证过的大范围模型一致。

4 计算结果与分析

计算工况为：在外海潮位高于浴场内水位期间，由水闸引杭州湾海水，一潮次引水历时3～4h。经试算，当浴场内边滩区域粪大肠杆菌值不大于2800个/L时，引一潮次水体，浴场水质就可恢复至二类水标准。引水开始和结束时：流速分布见图2～图4，粪大肠杆菌分布见图5～图7。

从图2～图4可知：（1）受引水水流和SSE风向影响，浴场内流场形成逆时针环流，环流边缘流速大，中心流速小。（2）引水开始时，沿浴场沙滩侧流速较大，约为0.8～1.0m/s。（3）引水结束时，随着浴场水位的升高，沿沙滩侧流速降低，约为0.5～0.7m/s。（4）引水结束后，浴场范围内仍存在约0.1m/s的逆时针风生流。

图2 引水开始流速分布图

图4 引水结束2h后流速分布图

从图5～图7可知：（1）受引水和SSE风向影响，引水初期，引入的水体迅速将边滩粪大肠杆菌浓度较高的的区域稀释，并将部分浓度较高的水体推向离岸较远的深水区域。（2）随着引水的进行，清水量增加，大部分水体被稀释；但受逆时针环流影响，部分粪大肠杆菌浓度较高的水体集中在浴场中央流速较小位置。（3）引水结束后，随着水体紊动，中央粪大肠杆菌浓度较高区域开始向四周扩散；受风生流影响，浴场内仍有轻微的环流，浓度最终由西向东递减，为800～1800个/L。（4）部分浓度较高的水体由涵闸进入浴场西侧湿地，由于湿地自身具备净化水质功能，改善水质后，可在排水期间将较好水质回流入浴场。

图5 引水开始粪大肠杆菌分布图

图6 引水结束粪大肠杆菌分布图

图7 引水结束2h后粪大肠杆菌分布图

综上分析：换水期间，由于沙滩前沿流速较大，考虑浴场人员和设施安全，换排水应在夜间或非运营时间段进行；当边滩粪大肠杆菌浓度不大于2800个/L时，一潮次引水基本可以将浴场内粪大肠杆菌稀释至达到二类海水要求；当大于2800个/ L时，应多次换排水至水质达标，方可再运营。考虑到浴场边滩人群活动密集区粪大肠杆菌浓度较大，为及时反映浴场水质情况，应将水质监测点安置在边滩位置，超标时安排换排水。