一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法与流程

本发明涉及港口航道工程领域，特别是一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法。

背景技术：

在沿海港口建设中，尤其是在水浅坡缓、泥沙运动比较活跃的海岸建港，为了使港池或港湾内有良好的泊稳条件、并能够阻止泥沙的流入，采用环抱式港池或港湾已成为主流形式。环抱式港池或港湾具有泊稳度高、泊位多、作业岸线长等优点。但是，伴随港口码头的生产活动，将有污染物质排入港池或港湾，加之港池或港湾水域的封闭性强、水体流动性差等特点，因此，大多环抱式港池或港湾存在港池或港湾内外水体交换能力不足、港池或港湾水域水质易于恶化的问题。

为了提升环抱式港池或港湾的水体交换能力，目前，国内外常采用的方法主要可分为两类：一是开通港池或港湾内外水体通道促进内外水域的水体交换；二是通过抽(灌)水、引入河渠水、或采用透水式海水交换型防波堤，使港池或港湾内形成穿港(湾)流，将污染水体带出港池或港湾。然而，第一类方法中，其水流特点一般为随着潮汐涨落的往复性运动，水质点在一个潮周期后又将回到原来位置，水体交换除了水体混合和向周围水域扩散效应外，其提升港池或港湾水体交换能力的效果有时并不是很理想。而第二类方法中，则常受到水泵能力、周边有无合适的可引水河渠、港区周边波浪和泥沙运动是否活跃等条件的制约，通常也无法形成足够的穿港(湾)流，难以获得较好的水体交换效果。因此，如何引入足够的水量至港池或港湾，并形成足够的穿港(湾)流是提升环抱式港池或港湾水体交换能力的关键技术问题。

近年来，为了沿海经济发展，对海洋资源过度开发利用已使得海洋及海岸带环境遭到严重破坏，包括水体污染、渔业耗竭、沿海栖息地的丧失等。为此，2015年9月，联合国可持续发展峰会上正式制定了保护和可持续利用海洋及海洋资源以促进可持续发展的行动目标。因此，在海洋资源开发利用的同时，如何积极提升海洋资源利用和环境保护措施已成为海洋资源可持续开发利用过程中亟待解决的重要课题。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法，在港池附近建设蓄水水域，蓄水水域与海水连通并在该侧设置闸门，蓄水水域与港池之间设置水体通道；

涨潮时，闸门打开，海水流入蓄水水域；落潮时，闸门关闭，蓄水水域里的水体经由水体通道流入港池形成穿港流，流出港池。

本发明中，为了防止港池流出的污染水体回流进蓄水水域，根据港池所在海域的海流或潮流余流的方向，建议蓄水水域设置在港池的上游位置。

本发明中，所述蓄水水域在沿岸海域时可用堤防围筑建成。

本发明中，所述蓄水水域在沿岸陆域时可开挖建成。

本发明中，所述蓄水水域的有效蓄水量为高潮位和低水位之间的容积，蓄水水域的水底高程不高于低水位即可。因此，本发明中的蓄水水域可用于创造生态湿地环境，供水生动植物、鸟类等生物栖息，且可打造成亲水空间，符合建设绿色港口、海港资源可持续开发利用的宗旨。

本发明中通过蓄水注入港池或港湾，可根据蓄水面积、潮差和水体通道的设计来调整注入港池或港湾水量，形成合适的穿港(湾)流。穿港(湾)流将使污染水体向港池或港湾外移动并直接带出港池或港湾，因而可以显著改善环抱式港池或港湾水体交换能力不足的问题。

本发明中的蓄水水域相对于闸门宽度而言面积宽广，具有沉积水体中泥沙的功能。在挟沙水流通过闸门流入蓄水水域并流经水体通道的过程中，潮水所携带的大部分泥沙将沉积在蓄水水域，不会导致大量泥沙流入港池或港湾。而蓄水水域由于水深浅，沉积泥沙易于疏浚，与流入港池或港湾泥沙的疏浚相比，其工期短、费用相对较低，亦不会影响港口码头的生产运营。

本发明将增大港池或港湾内的落潮流、减小其涨潮流，从而产生向口门方向的余流，这将减少港池或港湾、口门和航道内的泥沙落淤。

本发明中在蓄水水域与港池或港湾之间连接的水体通道处可根据水体通道两侧的水位差和水体通道流量多寡考虑开发小水电事业。

有益效果：本发明中采用自然能源，利用潮汐涨落的天然动力，涨潮时在蓄水水域蓄水，落潮时蓄水水域内水体经由水体通道流入港池或港湾，并形成穿港(湾)流，有效经济地解决了形成穿港流的水源和水量这一关键技术问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明技术原理平面图(沿岸海域围筑蓄水)；

图2是图1a-a’剖面断面图(涨潮)；

图3是图1a-a’剖面断面图(落潮)；

图4是本发明技术原理平面图(沿岸陆域挖入蓄水)；

图5是规划后t港区地形图；

图6是规划后t港区开设水体通道位置示意图；

图7是规划后t港区采用本发明技术蓄水和开设水体通道位置示意图；

图8是规划后t港区内湾及港池初始污染物质分布设定图；

图9是无提升措施方案污染物质的移流扩散图；

图10是水体通道方案污染物质的移流扩散图；

图11是本发明技术方案污染物质的移流扩散图。

其中，1-港池(湾)，2-蓄水水域，3–闸门，4-水体通道，5-高潮位，6-低潮位，7-蓄水水域内水位，8-港池(湾)口门，9-蓄水堤防，10-挖入式蓄水水域，11-南港池，12-北港池，13-新建码头，14-水体通道，15-蓄水水域，16-蓄水堤防，17-闸门，18-t港区内湾，19-t港区内湾初始浓度设定区域，20-南港池初始浓度设定区域，21-北港池初始浓度设定区域，22-环抱式港湾。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

本发明提供了一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法，在港池附近建设蓄水水域，蓄水水域与海水连通并在该侧设置闸门，蓄水水域与港池之间设置水体通道；

涨潮时，闸门打开，海水流入蓄水水域；落潮时，闸门关闭，蓄水水域的水体经由水体通道流入港池或港湾形成穿港(湾)流，带同污染水体流出港池或港湾。

本发明中，为了防止从港池或港湾流出的污染水体回流进蓄水水域，根据港池所在海域的海流或潮流余流的方向，建议蓄水水域设置在港池或港湾的上游位置。

本发明中，所述蓄水水域在沿岸海域时可用堤防围筑建成。

本发明中，所述蓄水水域在沿岸陆域时可开挖建成。

具体地：

如图1，在港池(湾)1附近建设蓄水水域2，并在蓄水水域2向海侧设置闸门3，蓄水水域近港池(湾)一侧设置水体通道4与港池(湾)1相连接。蓄水水域闸门3随着蓄水水域与外海的水位差实现自动开闭。涨潮时如图2，蓄水水域的闸门3打开，潮水流入蓄水水域2；落潮时如图3，外侧水位6低于蓄水水域的水位7，蓄水水域的闸门3关闭，阻止蓄水水域2里的水体通过闸门3流向外海。当港池(湾)水位低于蓄水水域水位时，蓄水水域2的水体通过水体通道4流入港池(湾)1。港池(湾)1形成较强的单向流动的穿港(湾)流，使水体向港池(湾)1外流动，将污染水体从港池(湾)口门8直接带出。

蓄水水域2不仅可以在沿岸海域用堤防9围筑建成如图1，也可在陆域开挖成蓄水水域10如图4。蓄水水域在选址设置时需考虑港池或港湾所在海域的海流或潮流余流的方向，通常建议设置在港池或港湾的上游，避免从港池或港湾排出的污染水体迂回到蓄水水域。

港池的容积愈大希望蓄水水域的面积愈大，这样可以引入愈多的洁净海水冲洗港池。倘若每日引入海水量是港池体积的1/n的话，大约n天可以将港池水体全部交换一遍。当然，并非引入水量愈多愈好，因为港池是用于船舶停靠的水域，引入水量太大将导致港池内水流强劲，不利于船舶的泊稳条件。因此，水体通道的设计流量要满足船舶泊稳的要求，也就是由港内允许最大流速来确定。设计流量确定后，由水力学的管渠设计计算公式等来决定水体通道的断面形状等。

从泥沙的运动特性及工程的便利性考虑，通常采用开挖明渠的形式开通水道。渠道不需挖很深，以表层取水为佳。渠道断面结构可采用u字形混凝土构造，基础不良时可考虑加桩基础，渠道上面采用钢筋混凝土面板铺设而成。

实施例：

以下将以本发明提出的技术应用于江苏省某t港区规划方案为例，通过数学模型模拟，验证本发明技术的有效性。规划后t港区将增加南港池11，水深-13m，水域面积约10.5km²、和北港池12，水深-13m，水域面积约22.2km²两个环抱式港池，由于新建码头13向东方向延伸约20km，使得在t港区湾顶部也形成了仅有东面开口的环抱式港湾22，水域面积大约为208km²，详见图5。

以往研究成果已经表明如果能够形成具有足够大的和稳定的穿港流，将对提升港池水体交换能力带来良好的效果。然而在t港区，由于内湾水域面积宽广水体容积大、周边地点没有合适的可供引水的河渠及港区外侧水浅及泥沙运动活跃等原因，现有的抽(灌)水、引入河渠水、采用透水式海水交换型防波堤的技术均难以被采用。因此，以下通过潮流污染扩散的数值模拟，对比t港区规划的无措施方案、开通水体通道方案和本发明技术方案，共三种情况下的污染物质在港区移流扩散的过程和分布。通过比较来考察本发明技术在提升港池或港湾水体交换能力的效果。其中，水体通道方案如图6，是用水体通道14将t港区内湾18水域与新建码头13北侧水域、港池顶部与外海开通，共设置两条南港池水体通道14b，通道宽200m，底部高程-7m、两条北港池水体通道14c，通道宽200m，底部高程-5m、七条新建码头南北侧水体通道14a，通道宽200m，底部高程-3m。

本发明技术方案如图7，是将新规划港区北侧沿岸水域设定为蓄水水域15，水域面积约76km²，采用堤防16(高程≥高潮位)围筑并设置五个闸门17，闸门口宽1.0km。蓄水水域15的南侧采用与水体通道方案相同的水体通道14的形式连通新规划南港池11和通州湾内湾18。蓄水水域与北港池12之间采用一条宽为200m，底部高程-5m的水体通道14d。通常涨潮时闸门17开启，使潮水流入蓄水水域15；落潮时关闭闸门17，阻止蓄水水域15里的水体通过闸门17流向外海。随着落潮，当南港池11、北港池12和t港区内湾18的水位低于蓄水水域的水位时，蓄水水域15的水体分别通过水体通道14d和14a流入北港池12和t港区内湾18。

三种方案均采用同一的潮流污染物质移流扩散的数学模型模拟该海域保守性污染物质在潮流作用下移流扩散的变化过程和分布情况。潮汐过程采用的是具有实测水位和潮流资料，并且通过了数学模型良好验证的2012/2/19零点-2012/3/10零点，包括了大、中、小潮一共20日的潮汐过程。由于初始计算时包含有初始条件的误差，所以计算中舍去第一日的计算结果，于2012/2/20零点在t港区内湾初始浓度设定区域19、新增的南港池11初始浓度设定区域20、以及北港池12初始浓度设定区域21内投放初始污染物质示踪剂(浓度为1个单位)进行数值模拟如图8。模拟结果得出投放19日后的三种方案的污染物质的移流扩散分布如图9、图10、图11所示。

如图9，由于新建码头13的阻隔，污染水体没有向北侧的移流扩散，t港区内湾水域的污染浓度相对较高。这表明如果不采用促进水体交换措施，在规划后t港区内湾水域的水质有可能进一步恶化。此外南港池11、北港池12内的水体交换能力也是非常低下，尤其是北港池12深度较长，水体交换能力最为低下。

如图10，与图9相比，开通水体通道14后污染物质可以通过潮汐通道向北移流扩散到码头北部，内湾水域的污染浓度有所下降。港池内部水体通过水体通道14可以与港池外水体进行交换，使得港池内水体的污染浓度也有比较明显的下降。但是，就t港区水域整体而言，污染物质浓度的整体分布除了向北有些微扩展外基本上没有太明显的变化，改善水体交换的效果仍显不足。这是因为第一，港池内的污染物质仅仅是被移流至港池外，对包括港池的海湾而言污染物质的量并没有变化；第二，规划港区位于潮流辐聚辐散的焦点，除了极其微弱的东南走向的余流外，潮流的往复流动实质上无法形成移流运动将污染物质带离该水域，水体中的污染物质仅能够凭借潮流引起的水体混合稀释向周围扩散。

如图11，采用本发明技术方案后无论是t港区内湾18还是南港池11、北港池12的污染水体基本均被排出，与水体通道技术相比大幅提升了水体交换能力。这是由于采用新技术后改变了t港区内湾及南、北港池的流场，在港池和内湾形成的向外海的东南向的净流动将污染水体带出港池和港湾。

将以上三种方案的在投放19日后的初始浓度设定区域范围内的污染浓度进行平均，比较于表1。

表1投放19日后初始浓度设定区域范围内的污染浓度平均值

如表1所示：采用水体通道方案19日后的北、南港池和t港区内湾的污染浓度分别降低为无措施方案的9.57％、14.15％和36.73％；采用本发明技术方案19日后的北、南港池和t港区内湾的污染浓度分别降低为无措施方案的0.52％、0.68％和0.75％。即采用本发明技术方案相比于采用水体通道方案，在北港池、南港池和t港区内湾的水体交换能力分别提升了19倍、21倍和49倍。

由上结果表明，本发明的形成穿港(湾)流的新技术对提升t港区港池和港湾的水体交换能力具有显著效果。

本发明提供了一种创造生态湿地促进环抱式港池或港湾水体交换的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。