河口围垦工程对河口动力环境、河口行洪以及地形地貌产生明显影响，已经引起工程界和相关研究人员的广泛关注。河口围垦工程倘若在口门以内，则会缩短河道过水断面，抬升洪水水位，降低径流下泄能力；倘若围垦工程在口门两侧，则会使得原喇叭状口门形成新的狭长河道，使得河道延长，挤压水流，改变河口动力环境^[1-2]。不仅如此，围垦工程在改变河口动力环境的同时，对河口水质生态环境也会带来影响，为此，已有不少专家学者进行了分析研究，如沈林杰^[3]研究发现温州围垦工程对瓯江水交换能力具有明显影响；孙长青^[4]研究发现胶州湾地区的填海工程对污染物输运影响具有显著影响；K. Gowda等^[5-6]研究发现，香港岛的填海对湿地和海洋环境具有重要影响。对于河口而言，两侧围垦工程对动力环境、排污能力的影响关系到河口的水质生态环境，是河口围垦工程环境影响评价所必须关注的问题。本文以连云港市赣榆县沙枉河为例，采用平面二维物质扩散输运模型对河口围垦工程实施前后沙枉河口污染物输运范围进行数值计算，分析河口围垦工程对河口污染物输运的影响。

连云港市赣榆沿海位于黄海海州湾中南部，为典型淤泥质海岸，岸滩平缓，高滩发育，岸边地形一般在-4 m以上(当地理论基面，下同)。沙枉河口位于赣榆中部，河道宽度较小，口门宽度约30 m。为防止咸水入侵，河口口门建有挡潮闸，沙枉河为当地排污河流，污水处理厂将处理达标后的污水，随经流定期向口外排放。在经济快速发展和沿海大开发背景下，赣榆沿海进行了多块大面积围垦(图 1)。其中，沙枉河口北侧为高滩养殖围垦，面积近4.0 km²，岸线向海凸出1.4 km，围垦前沿地形-1.5~-2.0 m左右。河口南侧为赣榆新城围垦，面积约3.3 km²，向海凸出2 km左右。两侧围垦工程之间留有通道宽度250~350 m，围垦前沿在-1.5~-2.0 m左右。

海州湾受黄海潮波控制，沿岸潮流为典型的往复流，流向基本为NE-SW向，为离向岸方向(图 1)。海域动力不强，大潮平均流速0.20 m/s左右，最大流速一般不超过0.50 m/s，由近岸向外海潮流动力呈增强趋势。海域潮波主要呈驻波特性，涨落急流速发生在中潮位附近。沙枉河径流量很小，20年一遇设计流量仅为165.5 m³/s。

1 平面二维水体扩散数学模型 1.1 控制方程

笛卡尔坐标系下守恒型平面二维浅水方程：

$ \partial \zeta /\partial t + \partial \left( {HU} \right)/\partial x + \partial \left( {HV} \right)/\partial y = 0 $

(1)

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial \left( {HU} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {HUU} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {HUV} \right)}}{{\partial y}} = fHV - gH\frac{{\partial \zeta }}{{\partial x}} - \frac{{g{n^2}U\sqrt {{U^2} + {V^2}} }}{{{H^{1/3}}}}\\ + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {{\varepsilon _x}H\frac{{\partial U}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {{\varepsilon _y}H\frac{{\partial U}}{{\partial y}}} \right) \end{array} $

(2)

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial \left( {HV} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {HUV} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {HVV} \right)}}{{\partial y}} = - fHU - gH\frac{{\partial \zeta }}{{\partial y}} - \frac{{g{n^2}V\sqrt {{U^2} + {V^2}} }}{{{H^{1/3}}}}\\ + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {{\varepsilon _y}H\frac{{\partial V}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {{\varepsilon _y}H\frac{{\partial V}}{{\partial y}}} \right) \end{array} $

(3)

二维水体扩散输运方程：

$ \frac{{\partial \left( {HC} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {HUC} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {HVC} \right)}}{{\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) + S - P $

(4)

式中：ζ为潮位；H为总水深，H=ζ+h，h为海底到参考基面的距离。$ HU \approx \int_{ - h}^\zeta {u{\rm{d}}z}, HV \approx \int_{ - h}^\zeta {v{\rm{d}}z}, U, V $分别为x，y方向垂线平均流速，u，v为分层流速；t为时间；f为科氏系数(f=2ωsinφ，ω为地球自转的角速度，φ为所在地区的纬度)；g为重力加速度；n为曼宁系数；ε_x，ε_y为x，y方向紊动黏性系数；C为污染水体因子垂线平均的浓度，D_x，D_y为紊动扩散系数；S为源项，P为衰减项。

1.2 模型范围和参数

模拟范围为35 km×40 km，计算域面积约1 400 km²。模型网格采用非均匀三角形网格，最大网格1 000 m，最小网格5 m，图 2为数学模型网格平面图。

计算以COD为例，根据调查，排放期沙汪河口排放径流为3.6万m³/d，COD含量为16.7 mg/L，总氮(TN)15 mg/L，总磷(TP)0.5 mg/L。衰减系数根据《全国地表水水环境容量核定基数复核要点》规定，一般河流COD降解系数取值范围为(0.05~0.25)/d。基于保守计算，计算中取为0.05/d。计算条件为大潮。

模型采用目前流行的Mike21商业软件进行计算，该模型采用非结构有限体积法^[7-8]，界面通量采用通量差分格式(FDS)^[9]计算。动量方程中紊动黏性系数按Smagorinsky公式计算^[10]。扩散方程中紊动扩散系数与水深和流速有关，根据雷诺分析，热量、含有物浓度等扩散过程与动量的扩散存在完全的比拟关系，其比例关系一般在1.0附近^[11]。因此，本算例中取为1。

1.3 潮位与潮流验证

潮流数学模型采用中国近海潮波数学模型提供边界条件。利用2011年1月实测大潮潮位、流速和流向对模型进行了验证，其中包括2个潮位站：秦山岛、海头镇和7条垂线流速、流向资料(站位见图 1)。图 3给出了两个潮位站的潮位过程和1#，3#垂线流速、流向过程计算值与实测结果的比较。从比较结果可见计算潮位、流速流向过程线和实测值基本一致，说明模型能够较好地模拟现场的潮流运动。

2 污染物输运计算结果

考虑到工程施工的不同阶段，以下分3种工况介绍污染物输运扩散预测结果：①从现状条件对沙汪河水影响的预测；②北侧高滩养殖围垦工程施工完成后对沙汪河排水影响的预测；③赣榆新城围垦工程和北侧高滩养殖围垦工程建成后对沙汪河排水影响的预测。参考海水水质一类标准COD浓度为^[12]：2 mg/L；二类标准为3 mg/L。计算分析中以COD影响一类水、二类水面积为例进行分析，作为数值试验，计算中不考虑本底浓度的影响，分析COD影响最大范围和最远距离。

计算结果显示(见表 1)，围垦工程实施前沙汪河COD致使海水超一类标准面积为1.34 km²，超二类标准的面积为0.75 km²；落潮方向影响最远距离分别为2.25和2.12 km。沙枉河口COD影响范围见图 4。

由表 1可见北侧高滩围垦工程和南侧滨海新城围垦工程建设以后下沙汪河排污COD致使海水超一类标准和超二类标准的面积和距离，相比现状条件均稍有增加。

3 分析与讨论

在二维扩散模型中，除污染物本身的衰减外，其扩散范围和距离主要取决于水流动力和水深地形。水流动力决定污染物的扩散方向和范围，水流流速越大，污染物将被输运越远而不容易聚集；水深及地形也影响水体浓度，水深越大，在垂向上被稀释，浓度越小。沙枉河口两侧为浅滩，河口附近通道较窄；由口门向外海，水深逐渐增加，同时水动力也逐渐增强(见图 5)。河口两侧围垦工程实施前，向两侧扩散输运的污染物被落潮流带至围垦前沿，又被较强的落潮流带至更远水域，易于稀释。工程实施后，河口附近涨落潮流只能由通道进出。与此同时，由近岸向外海，水深不断增加，污染物在深水中被稀释更加明显，其浓度也很快衰减。因此，河口围垦工程具有使河口受污水体向外输运稀释的效应，这对河口环境有利。

围垦工程对排污的影响还需要考虑围垦工程对通道及前沿水域的流速影响。本例中，由于海域水流为离向岸方向的往复流，围垦工程实施后，围垦前沿水流动力有所减弱(见图 6)，不利于污染物稀释。如果近岸以沿岸方向水流为主，一般通道内水流可能减弱，而围垦工程前沿水流则会增加，那么动力变化影响效果也可能朝有利于污染物输运的方向发展。结合图 5分析可以发现，虽然河口两侧围垦实施后前沿流速有所减弱，但没有改变流速由近岸向外海逐渐增强的分布特征。

综合以上，围垦实施前本例中的COD影响主要在口门附近，围垦工程实施以后，污染物被缩窄通道内落潮流带至围垦前沿水域，并被较强的落潮流携带至更远水域，对河口污染水体稀释扩散有利。当然，这里主要讨论针对污染水体稀释影响范围，事实上，除了稀释影响范围，污染水体扩散影响实际区域可能也是需要关心的，例如排放口附近存在环境保护区、资源保护区等要求不能被影响，此时污染物输运则需要针对具体情况进行分析，河口围垦工程对污染物排放输运是否有利需要进一步具体论证。

4 结语

河口两侧实施围垦工程，改变了河口形态和动力环境。两侧浅滩围垦工程实施后，河口过流通道缩窄，利于污染物向动力较强的深水域输运稀释，具有排放口向深水迁移的效应，有利河口环境。围垦工程实施本身使得通道及前沿区域动力改变，对污染物输运稀释的影响需要根据实际情况来分析。当两侧围垦工程前沿水流减弱时，动力变化不利于污染物输运稀释；而围垦工程促使前沿水流增加时，动力变化则有利于污染物输运稀释。