婁海峰

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

爆破擠淤填石是淺海工程中淤泥質軟基處理中的常用施工方法,由此產生的懸浮泥沙高渾濁水團由于水動力條件作用產生的輸移、擴散和沉降作用,會影響周圍生態(tài)系統(tǒng),威協(xié)海洋生物資源。根據相關的行業(yè)標準,一般工程施工鑒于安全,均會選擇避開大風、大浪等惡劣天氣,因此,懸浮泥沙的輸移擴散主要以潮流影響為主。故研究爆破擠淤產生的懸浮泥沙輸移擴散在潮流作用下的輸移擴散過程,分析其對水環(huán)境的影響有重要意義。金塘北部連島工程魚龍山—橫檔山圍堤地基擬采用控制加載爆炸擠淤置換法處理,工程位置見圖1,本文對該圍堤處爆破擠淤產生的懸浮泥沙輸移擴散過程進行數(shù)值模擬,并對不同時刻進行爆破擠淤產生的懸浮泥沙輸移擴散對附近水域的影響進行了研究。

圖1 工程位置圖

2 懸浮物泥沙輸移擴散數(shù)學模型

爆破擠淤產生的沖擊波壓力極大,且作用時間通常為微秒級[1-2],對水體產生極大的擾動,底床泥沙在劇烈的爆破擾動作用下極易發(fā)生再懸浮,從而造成水體中泥沙含量短時間內急劇增加,水體的混濁度迅速提高,形成與周邊水體具有明顯不連續(xù)界面的高濃度含沙水團。在研究大范圍的懸浮泥沙輸移擴散過程中,爆破擠淤產生的懸浮泥沙可近似認為符合瞬時分布源的情況,此外,懸浮泥沙在水動力作用下的輸移擴散過程與懸沙輸移擴散過程相似,僅在底部通量上存在差異,即懸浮泥沙的輸移擴散過程在一定程度上可以看作是沉降占優(yōu)的懸沙輸移擴散過程。

垂線平均的二維不平衡輸沙方程(增量計算):

式中:u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);為水深(m);x,y為直角坐標;為時間。Ss為施工期排放泥沙的源強;As為排放點的流體微團面積,在數(shù)值計算中取節(jié)點的質心域面積;-α ω S為沉降項,α=0.15～0.4為泥沙沉降幾率,ω為泥沙沉速,本海域泥沙顆粒細,存在絮凝現(xiàn)象,本次計算取ω=0.000 5 m/s;S為垂線平均含沙量。

3 懸浮物泥沙輸移擴散模擬

利用2008年3月的水文測量資料,建立了金塘島附近海域的懸沙輸移數(shù)學模型,并在模型驗證取得滿意結果的基礎上,就爆破擠淤產生的懸浮泥沙輸移擴散過程進行模擬和分析。

3.1 源 強

根據爆破擠淤的施工工藝,爆破擠淤法施工主要是通過爆炸產生的沖擊作用來降低淤泥本身的結構強度,同時利用拋石堆積體的自重使爆前處于平衡狀態(tài)的拋石體向強度降低處的淤泥內滑移,達到泥石置換的目的。1次爆破擠淤循環(huán)進尺為5～7 m,按7 m計算,則預計單次爆破的拋淤量為4 628.9 m3。對于爆破擠淤產生的懸浮泥沙源強的確定一般以每次爆破擠淤的泥量與起懸比相乘計算得出瞬時懸浮物擴散源強,以上2個參數(shù)將隨著爆破時所用炸藥量以及工程所在區(qū)域的不同取值會有所區(qū)別。但爆破擠淤懸浮物源強的確定可以類比拋泥源強的確定方法。對于拋泥源強的確定,我國學者提出了各自不同的觀點,范志杰等[3-4]結合資料統(tǒng)計的研究結果認為,可選取源強為拋泥量的5%作為爆破擠淤懸浮物泥沙源強的計算因子,則單次爆破擠淤產生的懸浮物沙源強為231.45 m3。

圖2 爆破擠淤代表點位置圖

3.2 懸浮物泥沙輸移擴散模擬

考慮到大、中、小潮爆破擠淤后懸浮泥沙在潮流作用下的輸移擴散規(guī)律較為相似,因此本文僅對大潮期進行研究,工程區(qū)漲、落潮流矢見圖3。在魚龍山—橫檔山圍堤處(D3堤,見圖2)選取3個爆破擠淤位置EP1、EP2、EP3,來模擬爆破擠淤之后產生的懸浮泥沙輸移擴散過程。其中,EP1點位置靠近魚龍山,漲潮流易受阻,EP3點位置靠近橫檔山,落潮流易受阻,而EP2點處于中部位置,漲、落潮流受旁邊島嶼影響基本相當,工程海域漲、落潮流矢見圖3。爆破擠淤時間選取4個:落憩時刻、漲急時刻、漲憩時刻、落急時刻。

圖3 工程區(qū)流矢圖

3.2.1 懸浮物濃度歷時變化

爆破擠淤之后,進入水體的懸浮物除部分發(fā)生落淤之外,另一部分則在漲落潮流的作用下,在爆破擠淤點附近水域作輸移擴散運動,且隨著時間的變化,爆破擠淤產生的懸浮物的濃度將逐漸降低。其中EP2擠淤點在落憩、漲急、漲憩、落急4個時刻爆破之后,其懸浮泥沙增量濃度分布隨時間變化情況見圖4。可以看出,在落憩、漲急時刻爆破時,懸浮物高濃度渾水團在偏西北向漲潮流的作用下向偏西北方向輸移,漲憩、落急時刻爆破時,懸浮物高濃度渾水團在偏東南向落潮流的作用下向偏東南方向輸移。

繪制EP1、EP2、EP3爆破擠淤點在不同時刻爆破之后,懸浮物濃度10 mg/L(一、二類水質懸浮物質允許的人為增加量值[5])增量等值線面積歷時變化圖5,可以看到,爆破擠淤6 h后,懸浮物的增量濃度均已減至10 mg/L以下。從10 mg/L增量等值線面積來看,各擠淤點在漲、落憩時刻爆破后發(fā)生的峰值一般要小于漲、落急時刻爆破后產生的峰值,可見水動力條件越強懸浮物泥沙的擴散范圍越大。從10 mg/L增量等值線消失時間來看(面積為0):EP1點在落憩時刻爆破最佳,基本在1.5 h內消失;EP2點在漲憩時刻爆破為佳,基本在2 h內消失;EP3點漲憩時刻爆破最佳,基本在1 h內消失。可見,爆破產生的懸浮泥沙輸移擴散與工程區(qū)的潮流運動密切相關。總的來說,在轉流時段 (憩流)進行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,且隨爆破位置的不同而略有所不同。

圖4 EP2點爆破后不同時刻懸浮泥沙增量濃度分布圖(mg/L)

圖5 各爆破擠淤點懸浮泥沙濃度10 mg/L增量等值線面積歷時變化圖

3.2.2 懸浮物濃度包絡線

為了較為直觀地說明爆破后高渾濁水團的影響范圍,分別作了各爆破點在不同時刻爆破后,附近水域水體中24 h內懸沙濃度增量最大值的包絡線(見圖6、7、8),其中10 mg/L增量包絡線面積見表1。

可以看到,水體中懸沙濃度增量呈現(xiàn)出爆破點附近濃度增量最大,距離爆破點越遠濃度增量越低的變化趨勢,且變化延伸方向與爆破后潮流運動方向基本一致。從輸移擴散影響范圍(包絡線面積)來看,在轉流時段 (憩流)進行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,與歷時變化分析成果基本一致,其中靠近魚龍山的EP1位置在落憩時刻爆破對周邊水域影響最小,位于堤線中部的EP2點在漲憩時刻爆破對周邊水域影響最小,靠近橫檔山的EP3位置則是漲憩時刻爆破對周邊水域影響最小。

圖6 EP1點在不同時刻爆破擠淤后24 h內懸浮泥沙濃度增量最大值包絡線圖(mg/L)

圖7 EP2點在不同時刻爆破擠淤后24 h內懸浮泥沙濃度增量最大值包絡線圖(mg/L)

圖8 EP3點在不同時刻爆破擠淤后24 h內懸浮泥沙濃度增量最大值包絡線圖(mg/L)

表1 各爆破擠淤點在不同時刻爆破擠淤后24 h內懸浮泥沙濃度10 mg/L增量包絡線面積表km2

4 結 語

綜合上述分析表明,爆破擠淤產生的懸浮泥沙的輸移擴散運動與潮流運動密切相關,潮流的方向及水動力強度在一定程度上決定了爆破擠淤產生的懸浮泥沙的輸移擴散方向及范圍。在該水域,爆破擠淤后,水體中由此而產生的懸浮泥沙濃度由于擴散和落淤而迅速減小,爆破擠淤6 h后,懸浮泥沙濃度增量基本降至10 mg/L以下,若在轉流時段 (憩流)進行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,對周邊水域環(huán)境的影響較小,并因擠淤位置而略有差異。

[1]于亞倫.工程爆破理論與技術 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[2]孟吉復,惠鴻斌.爆破測試技術[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992.

[3]范志杰.我國巰浚物海洋傾倒狀況及其分類方法標準的探討[J].海洋環(huán)境科學,1990,9(2):88-93.

[4]范志杰.疏浚物海洋傾倒幾個問題的探討 [J].交通環(huán)保,1990,11(1-2):79-83.

[5]國家環(huán)境保護總局.GB 3097—1997,海水水質標準 [S].北京:環(huán)境科學出版社,1998.