施逸辰，高 飞，张长宽

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

在港口规划建设中，尤其是在江苏省沿岸建港，由于具有滩涂宽广、坡缓水浅、泥沙运动活跃的特点，为了使港池内有良好的泊稳度并阻止泥沙的流入，采用环抱式港池已成为主要形式。环抱式港池一方面具有泊稳度高，泊位多、作业岸线长的优点；另一方面伴随港口码头的生产活动，大量污染物质流入港池，港池单位面积水域的污染负荷较大，加之港池水域的封闭性强，水体流动性差，港池水体不能够与港池外水体进行充分交换，因而导致港池水域内的污染物质难以被排出，港池内水质易恶化。

针对环抱式港池水质易于恶化的问题，就如何促进和提升港池内外的水体交换，国内外众多的学者和工程技术人员都已开展了大量的研究和工程技术开发工作。本文将对以往研究成果以及各种工程技术进行整理和比较，在通过对影响港池水交换能力的基本要素进行理论分析的基础上，就今后如何提升港池水体交换能力和改善港湾水质环境问题进行探讨。

1 关于港池水体交换能力的研究进展

关于改善港池内水质，提升港池水体交换能力的研究，经过发展和完善，已逐步形成了一套比较完整的体系。研究方法最初多是通过物理模型实验来观察模型中示踪剂浓度在潮汐过程中的移流扩散分布的变化。近年，随着计算技术的提高和计算设备的进步，通过数值模拟的方法建立水流中污染物质移流扩散的数学模型已成为主要手段。判断水交换能力好坏或工程技术效果有无的主要指标是采用港池内保守污染物质初始浓度减衰为半值时所需要的时间，亦就是所谓半交换周期。半交换周期长表明水交换能力低，反之则高。

海外发达国家进行该领域的研究工作相对较早，自上个世纪末就展开了大量的工作。以日本为例，主要工程技术研究包括三种方式。(1)在港池顶端位置引入河渠水体注入港池，将污染水体从港池口门带出；(2)在港区各港池之间设置水流通道促进港池之间的水体流动，避免污染水体在死水域的停滞；(3)最多的研究则是通过海水交换型防波堤形成港池向内或向外的单向水流，将污染水体带出港池来提升港池内外水体交换能力[1-3]。

我国开展关于港池水体交换能力的研究主要始于本世纪初。杜伊[4]得出封闭性海域水交换能力的强弱与纳潮量的大小成正比。韩西军等[5]通过分析流体运动指出环抱式港池水体运动特点是从口门进入到港池内的水体仅在口门附近的区域内运动。对策研究的方法之一是设置水体交换通道来促进港池内外的水体流动来提高港池水体交换能力。比如何杰等[6-7]以浙江台州温岭港、珠江口南沙港区挖入式港池为例，通过数模得出：增加港池内外水体交换量最直接有效的办法就是增加港池与外海的水体交换通道。例如，通过在港池顶端设置人工水渠可以提高港池顶端水体的交换速率。张玮等[8-9]以连云港的徐圩港区与连云港港区为例，采用对流扩散数学模型，探讨了包括水体交换通道等多种工程措施对提升港池水体交换能力的效果，得出设置水体交换通道的进潮量是提高港区水体交换能力的决定因素。方法二是通过向港池注水或抽水来提升港池水体交换能力。张玮等[10]以连云港的徐圩港区为例，认为如果水量充分，利用排涝向港池注水的方式亦是比较合适的选择。何梦云[11]等以深圳前海湾水廊道为例，采用物理模型试验方法，观察了通过对水廊道注水可加快水廊道内的水体交换，显著改善水廊内水质。此外，刘锦采用在防波堤上设置水体交换通道的方案来加强港内外水体交换，通过数模比对工程措施前后港池水体交换能力，验证了该工程措施的有效性。

近年随着对海洋环境保护的重视和遵循建设绿色港口的方针，港口规划设计中的环境评价体系正在得到进一步完善，近年在新建港口及对已建港口的扩改建规划设计阶段均增加了对港池水交换能力的研讨，以及对港池和周边水域水质的环境评价工作[12]。因此，继续开展提升港池水体交换能力的研究，开发更有效更经济的提升港池水体交换的工程技术是具有重要的工程和战略上的意义。

2 提升港池水体交换能力的各种工程技术

关于如何有效提升环抱式港池水体交换能力，众多学者及工程技术人员都已做了多种尝试和努力。本文收集了各种工程技术，整理分类如下。

表1 提升港池水体交换能力的工程技术措施Tab.1 Engineering and technical measures to enhance the exchange capacity of harbor basin water

表1是按水流特点分类的。分类Ⅰ是利用喷流发生装置等促进港池局部水体的垂向混合，防止深层水体缺氧等引起的水质恶化。因其机理与本文讨论的内容略有不同，后文中将不再提及。在一个潮汐过程中，分类Ⅱ的水体通道和港池口门处的水流运动基本属于往复流动。若忽略口门与水体通道位置的潮汐相位差，在每一次潮汐过程后，口门和通道处的净流量基本为零。该类的水体交换量等于潮汐过程的纳潮总量。机理是依靠水体混合稀释，通过洁净水体流入港池与港池内污染物质混合稀释后流出港池的方式，来降低港池水体污染浓度。由于在一个往复流的过程后水质点基本回到原有位置，因此分类Ⅱ的效果通常是有限的。分类Ⅲ则通过向港池注水(抽水)使得包括口门处的港池水体在一个潮汐过程里发生向口门外(内)的单方向流动。该分类的机理是除了依靠水体混合稀释，更主要的是使水体向港池外移动，将污染水体直接带出港池，因此效果较好。好比在炎热夏天里，如果房间对向门窗打开形成“穿堂风”，房间的温湿度将会很快下降感到凉爽一样。本文不妨将这种单方向水流称之为“穿港流”。该类技术中注入水体的量愈多，“穿港流”愈强，其降低水体污染浓度的效果则愈显著。以下简单介绍各种工程技术措施的特点。

(1)水体通道。单口门的环抱式港池内的水流运动仅仅依靠口门处涨落潮流的往复流动。其流速随口门向港池内纵向距离的增加而递减，港池顶端流速基本接近于零。因此，靠近港池顶端水域的水交换率通常最低。港池顶端往往是污染发生量最大位置，水交换率低就等同于水污染浓度高。若能在水交换率低下即水体污染浓度较高的位置处设置与港外互通的水体通道，洁净水体就可以在流入港池后与污染浓度高的水体进行混合稀释，再流出港池。这样就使得每一次潮汐过程的水交换效率得到提高。

尽管设置水体通道后，港池的一个潮汐过程的总纳潮量将会有所增加，但因为一部分纳潮量通过新设水体通道流进流出，口门处或其他通道处的纳潮量会相应减少。因此，在新设水体通道附近局部水域的水体交换能力得到提高的同时，口门或其他通道附近水域的水体交换能力却会相应有所下降。设置水体通道时，除了要考虑所在位置的水体污染浓度外，港内外潮位差、港外侧的水源条件、泥沙、水动力环境，以及通道的通水面积等都是必须考虑的要素。此外，设置多通道将使得港池内水体交换情况变得复杂，各个口门(通道)涨落潮存在差异，将在港池内形成复杂的水流系统，产生许多附加影响。这是采用多通道方式必须要注意的方面。

图1 利用水泵抽(灌)水促进港池水体交换示意图Fig.1 Pumping (watering) with a water pump to promote the exchange of water in the basin

(2)抽(灌)水。如图1所示，通过机械的方法利用水泵从港池向外抽水或向港池内灌水。抽水是将港池中被污染水体抽出港池外；灌水是将洁净水体注入港池，稀释污染水体并使港池水体向港池口门外移动，以此来达到降低港池水体污染浓度的目的。

取水的水源可以是外海也可以是附近河流的洁净水。根据港池水域大小可以调整水泵的容量和增减台数。该方法除了初期投入，还需考虑运行后的能源和管理维护。

(3)引入河渠水。引河水或农渠水注入港池，将污染水体排出港池口门外的方法。该方法在日本得到普遍的采用。小型河流或农渠水在泥沙沉淀后直接注入港池；大型河流或距离较远的一些河流可以经取水路取水至港池。该方法的最大优点是经济性好和提升港池水交换能力的效率高。

但是，该方法必须在港池周边具备这样的河流或农渠的条件。并且，水源水质、含沙量等都必须满足一定的要求。再则，干旱、河流缺水的季节常存在着水源短缺的问题，比如夏季，此时也正是水质容易恶化的季节。

(4)海水交换型防波堤。日本在本世纪初对海水交换型防波堤的研究开展的比较多，技术比较成熟，并在多数港湾得以应用，如图2所示。

2-a 原理图(图片引自日本电力技术研究所Techno-report 2011) 2-b 应用例(日本三重县)

图2 海水交换型防波堤 Fig.2 Seawater exchange breakwater

该种方法根据目的的不同，有港池内外双向流动，也有由港池内向港池外或由港池外向港池内的单方向流动的类型。就提升港池内水体交换的效果而言，采用向港池内单方向流动最佳，而且还可以减少由港池口门流入的泥沙量。我国目前鲜有对海水交换型防波堤的研究和应用，除了刘锦采用在防波堤上设置双向水体交换通道外，对单方向流动的海水交换型防波堤的研究尚不曾见到报道。

该方法的最大优点是天然波浪能源的利用。初期投入后，后期的维持管理费用低。尽管该方法在利用时会受到潮位、波浪、泥沙因素的影响，但已经可通过多种对策得到较好的解决。

除了以上列举的提升港池水体交换的工程技术措施外，在港池之间、港湾之间开通水体通道亦是目前国内外普遍采用的技术。通过这些通道，可以促进港湾之间、港池之间水体的相互交换，减少死水域，避免水域水质的下降。当然，采用何种工程技术要视港池所在位置周边的具体情况，再根据工程效果、施工难易以及经济性等综合判断。

3 降低港池水体污染浓度的理论分析

3.1 半交换周期

半交换周期反映了港池的水交换能力。为了研究半交换周期主要取决于哪些因素,本文做了如下的理论分析。假设港池水体积为Qg和每日水体交换量为Qt，令

(1)

式中：q为浓度衰减率。若港池内水体初始污染浓度为Co，同时假设每次水体交换过程中都能够充分混合稀释。则第n天后的港池水体污染浓度Cn为

Cn=Co×qn

(2)

设Cn的值降低到初始值Co的一半时，可导出半交换周期N(日)

(3)

由公式(3)可见，半交换周期由浓度衰减率q决定。q是水体交换量与港池水体积的函数。水体交换量愈大q愈小，半交换周期则愈短。

3.2 港池水体的污染浓度

公式(2)描述的是一次性排污后港池水体污染浓度的衰减变化，而现实工程中，伴随着码头的生产活动，每天都会有污染物质排放到港池内。假设每日都向港池内排放污染物，假设港池水体积为Qg，每日水体交换量为Qt，港池内水体初始污染浓度为Co，每日向港池内排污量为Sd，同时假设每次水体交换过程中都能够充分混合稀释。则第n天后的港池水体污染浓度Cn为

(4)

当n→∞，港池水体浓度

(5)

将公式(1)代入到上式，得

(6)

公式(6)所表示的浓度值是基于港池外水体污染浓度为零时的浓度。如果港池外水体也是有污染的，设其污染浓度为Cs，则可将公式(6)改写成如下

(7)

由公式(7)可得每日进入港池的污染物由每日水体交换量带出港池而达成港池内污染物交换的平衡。港池水体污染浓度是基于港池外水体的污染浓度上的，其浓度高低由向港池排污量和港池的水体交换量决定。与排污量成正比，与水体交换量成反比。

3.3 窄长港池在穿港流作用下的污染浓度

假设港池端部有港外水体注入，穿越港池后从口门流出，图3中由绿色箭头表示。每日注入水体体积为Qt，除以港池断面面积得Δx为每日向口门位移长度。图中红色箭头表示每日排入港池污染物量和排放位置。若不考虑净化降解以及潮流的混合扩散作用，则自左端起第n个Δx棱柱体里被排放的污染量为上游所有排污总量。在口门位置上，污染浓度可以用公式(7)来表示。以图3为例，式中Sd=Sd1+Sd2+Sd3+Sd4。

图3 穿港流情况下的港池水体污染物浓度分布示意图Fig.3 Concentration distribution of pollutants in harbor basin water under the condition of flow through the harbor

由上可见，如果在港池顶端注入水体形成了穿港流，则港池内水体污染浓度分布由港池顶端向口门逐渐升高。在图3中用颜色的深浅来表示每个Δx棱柱体内污染浓度的高低。

(8)

注入水量与改善港池水体交换的关系可经简单的公式推导得到公式(8)。由公式(8)可见，港池容积Vh与注入水量的比值为港池水体全部被交换所需要的天数D。也就是说注入水量越大港池水交换能力越强。但是，设计注入水量的多少时要考虑港池内水流是否会影响到船舶的泊稳度等。

3.4 降低港池水体浓度的方法

图4 港池顶端至口门水体污染物浓度分布示意图Fig.4 Concentration distribution of pollutants in the water from the top of the basin to the mouth

图4中的水平坐标表示港池顶端至口门的距离，纵坐标表示水体污染浓度值，虚线为公式(7)充分混合稀释假设的浓度分布，蓝色实线为具有穿港流情况下的浓度分布示意。而实际中单口门环抱式港池水体得不到充分混合稀释，由物质守恒的观点在口门处的水体污染浓度可由公式(7)表示，自口门向港池内随着距离增大而逐渐升高。为了便于讨论在此用红色实线示意性地表示实际中的浓度分布。

图5 港池顶端海水交换型防波堤设置前后浓度对比[2]Fig.5 Comparison of the concentration before and after the seawater exchange type breakwater at the top of the pool

由图4可以看出降低港池水体污染浓度有三种方法：(1)使虚线平移下降，也就是减少向港池的排污量或增大港池的水体交换量；(2)使红线向虚线靠近，也就是改善港池内水体流动来提高混合稀释的程度；(3)在港池造成由港池顶端向口门的穿港流动。

如图所示，第三种造成港池内穿港流动的方法的港池内水污染浓度为最低。图5是向港内方向的海水交换型防波堤设置前(左图)、后(右图)的初始、第2个和第4个潮汐周期后的水体污染浓度分布对比。设置单方向海水交换型防波堤后造成港池内向口门的穿港流动，污染水体在4个潮汐周期后已大部分被排出口门。可见第三种方法的提升水交换能力的效果是显著的。

4 对港池水体交换提升技术的若干建议

4.1 掌握港池水体交换的物理机制

在以往关于如何提升港池水体交换的研究中，尚存在着未能掌握港池内水体交换的物理机制，带有盲目性的工作。例如为了提高港池内外水体交换能力，在口门外布置了不同长度的导流堤。口门两侧增设导流堤相当于加深了港池的纵向深度，其结果反而不利于提升水体交换能力。通过前述我们明白：提升港池水体交换的措施一方面是在于如何增大水交换量、改善港池内水流；另一方面是在于如何促使港池水体向港外流动。研究工作应该围绕这样的物理机制来开展。

4.2 港池平面布局要考虑港池内的水流状况

形成港池内水体的流动是防止港池水质恶化的一个重要举措，而在早期建设的一些港口布局中没有足够认识到这一点。例如连云港港区的徐圩港的“主”字型的平面布局中，六个窄长港池仅通过中间的一竖沟通，各个港池的顶端水域都将可能成为死水域。如果能将“主”字型改成“由”字型的布局，则可能改变各个港池顶端水域的水流状况。因此，在规划环抱式港池平面布局时不能仅侧重于码头泊位数量、作业的效率等，忽略港池内水流的运动。否则，会在港池中形成死水域，导致港池内水体污染水质恶化问题。

4.3 阻止泥沙流入港池

无论是开通潮汐通道还是通过河、渠或海水交换型防波堤引水注入港池都应该考虑泥沙对策问题。因为环抱式港池外侧通常水深浅、泥沙运动活跃，河渠水中尤其是洪水时水中泥沙含量丰富。利用沉砂池等技术阻止泥沙流入港池也是这些工程对策中一个重要的组成部分。但目前在国内同时考虑泥沙对策的研究工作还鲜有报道。

针对港池口门处航道常常存在泥沙淤积的问题，可以在通过河、渠或海水交换型防波堤引水注入的方式来提高港池水体交换能力的同时，引水注入使得港池口门处发生向海的净流量，亦即港池口门处的落潮流大于涨潮流，这将可以减轻港池口门处航道的泥沙淤积量。

4.4 对港池水体污染浓度的直接评价

目前的研究中大多数均是假设港池初始水体污染浓度为一个单位，而后随着日时的增加观察水体浓度的时空变化，采用半交换周期来进行评价。本文认为，采用半交换周期的评价不能够反映出实际的水体污染浓度以及最高浓度发生的位置。有时候，根据半交换周期作出的评价是水体交换得到了改善，而从浓度的角度来看，最大浓度可能升高。比如在连云港港池纵向最深部西大堤设潮汐通道的研究中[9]，作为旅游风景区水质相对良好，靠近西大堤附近水域的半交换周期明显短缩，然而码头作业集中水域及靠近口门水域的半交换周期不但没有明显的改善反而有恶化的倾向。这意味着在这些污染发生比较严重的水域的污染浓度可能会上升，而仅从半交换周期的分布无法作出准确判断。

在计算技术软硬件已得到足够进步的当今，模拟较长时间、接近于实际的港池水体交换过程已非难事。可以按照日常污染物排放规律，直接模拟港池污染浓度的变化和分布，通过工程措施前后水体污染浓度的对比来评价工程措施的有效性。

4.5 要考虑港湾整体水域全面减控排污量

港池水体交换的工程措施可促进港池水体交换能力，改善港池内的水质环境，但对包含该港池周边的整体水域而言，并没有改善效果。因为污染物质仅是由港池内被移至港池外，污染物的总量并未发生变化。如果港池周边有相邻港池，或所在位置处于相对封闭、水深浅的海域，就港湾整体来讲同样存在着水质污染问题。

对包括港池在内的较大范围水域的水质环境问题而言，任何工程措施都是收效甚微。最好的措施就是通过行政手段减少公式(7)中右端的向港池内的排污量Sd。因此，提高排污标准和港口利用者的环境保护意识也是一项非常重要的工作。

5 结语

随着我国经济建设的发展和“一带一路”国家战略的推进，在加快沿海地区港口建设向海洋寻求更多发展空间的同时，必须重视生态环境保护，坚持走可持续发展之路，做好海岸带生态环境资源的保护工作。提升环抱式港池水体交换能力的工程技术研究也是其中的重要一环。本文通过比较肯定了造成港池内的穿港流动对提升港池水体交换能力的效果，今后将就如何解决注水方法、注水水源以及其经济性开展进一步工作。此外，经本文归纳整理出的各种工程技术特点以及通过理论分析得到的影响水体交换能力的物理机制和提出的若干建议，希望能在今后的研究工作中起到参考作用。