李照宇，王文淵，郭子堅(jiān)，張 祺

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連116024）

爆破擠淤施工中近岸水生生物損失率分布及影響研究

李照宇，王文淵，郭子堅(jiān)，張 祺

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連116024）

爆破擠淤是在填海造地、防波堤、護(hù)岸和碼頭等水工工程施工中常用的地基處理方法。爆破過程中，海底泥沙懸浮，產(chǎn)生懸浮物，并伴隨著潮汐、波浪等因素向周圍海域進(jìn)行擴(kuò)散，對施工周圍水域生態(tài)環(huán)境有較大影響。目前有關(guān)懸浮物對近岸水生生物的影響研究，多為水產(chǎn)科學(xué)領(lǐng)域的離散數(shù)據(jù)，未與近岸水工工程施工相結(jié)合，無法解析工程施工對水生生物的影響。文章針對懸浮物對水生生物的損失量建立理論方程，并使用MIKE 21軟件的水動(dòng)力模塊和泥沙輸運(yùn)模塊，對爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物的擴(kuò)散進(jìn)行模擬，得到研究區(qū)域內(nèi)的生物損失率分布。

爆破擠淤；近岸水域；懸浮物；生物損失

爆破擠淤作為地基處理的一種常用方法，具有后期沉降小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但是爆破瞬間會產(chǎn)生大量懸浮物，對近岸水生生物產(chǎn)生影響。隨著人們環(huán)保意識日益增強(qiáng)，政府部門制定了相關(guān)的規(guī)范對近岸工程建筑物的建設(shè)進(jìn)行環(huán)境評價(jià)，我國研究者也做了多方面的研究，但是關(guān)于施工產(chǎn)生的懸浮物對水生生物影響的研究還正在起步。主要表現(xiàn)在：交通運(yùn)輸部門和農(nóng)業(yè)部門均有懸浮物對水域影響的相關(guān)文件［1-2］，但是缺乏具體的、規(guī)范的計(jì)算方法；國內(nèi)外的研究集中在懸浮物濃度對某個(gè)種群或個(gè)體的影響［3-5］，沒有考慮到種群之間的生物因素，而且多為漁業(yè)和環(huán)境科學(xué)方面的研究，無法直接判斷港口施工對水生生物的影響；現(xiàn)有的生物量損失的計(jì)算方法多為離散型，只對大致濃度范圍的生物損失量進(jìn)行了估算，已有的連續(xù)型方程缺乏生物涵義［6］。本文針對懸浮物對水生生物的損失量建立理論方程，使用Mike 21軟件，對爆破擠淤的兩種施工方案進(jìn)行模擬，由懸浮物的分布得出近岸施工對周圍水域水生生物的損害情況。

1 研究對象及方法

水體中懸浮濃度增加時(shí)，浮游生物及自游生物的幼體會受到較大影響。浮游生物對水體中的懸浮物濃度非常敏感［7］，并且作為自游生物幼體的魚餌，其生物量也影響著自游生物幼體的數(shù)量。所以，浮游生物是研究懸浮物濃度對生物損失量的最為重要的生物之一。由于自游生物中成魚對懸浮物濃度的上升有著較高的回避率［8］，活動(dòng)范圍較大，成魚的致死濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他物種，其不同物種之間對懸浮物濃度的敏感度差異亦很大，同時(shí)，在遠(yuǎn)離施工地點(diǎn)的水域很難出現(xiàn)高濃度的懸浮物［9］。幼魚作為重要的漁業(yè)資源，對懸浮物濃度的敏感度遠(yuǎn)高于成魚。浮游生物發(fā)生損失時(shí)，由于捕食關(guān)系，幼魚也是直接受到影響的生物［10］，所以本文選取幼魚作為研究對象。

海洋生態(tài)系統(tǒng)中生物因素和非生物因素相互影響復(fù)雜［11］，無法針對個(gè)體進(jìn)行微觀研究。本文采用建立微分方程的方法對懸浮物濃度與生物損失的關(guān)系進(jìn)行宏觀描述。通過建立懸浮物濃度和生物損失之間的微分方程確定兩者關(guān)系，利用海洋生態(tài)學(xué)及水產(chǎn)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對具有生物含義的微分方程的參數(shù)進(jìn)行控制，以得到懸浮物濃度與生物損失率的關(guān)系曲線。

2 爆破擠淤對近岸生物的影響

2.1 爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)

水下爆破產(chǎn)生大量的懸浮物，對周圍水域造成污染［12-13］。爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)等于每次爆破所置換的淤泥量乘以泥沙的起懸比。爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)的計(jì)算見式（1）

式中：γ為懸浮物源強(qiáng)；V為單次置換泥量；ρ為淤泥干密度；α為起懸比。

實(shí)際工程中一般選用5%作為起懸比［14］。單次置換泥量、淤泥干密度以及源強(qiáng)持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選取。

2.2 懸浮物濃度與生物損失率的關(guān)系曲線

2.2.1 關(guān)系曲線的建立

在微分方程中，確立自變量為懸浮物的濃度，因變量為生物的損失量。記懸浮物的濃度為C，生物損失量為S。當(dāng)水體中的懸浮物濃度上升時(shí)，生物開始發(fā)生損失。損失的生物殘骸會在一定程度上繼續(xù)影響存活的生物，其影響因數(shù)記為a。然而受到生物總數(shù)量的限制，生物損失量不會隨時(shí)間無限增加。剩余的生物量對生物損失量的增長起到阻滯作用，故將阻滯因素加入到微分方程中。最后構(gòu)造的微分方程見式（2）

式中：S為生物損失量；C為懸浮物濃度；a為自身污染系數(shù)；K為自然狀態(tài)下的生物量。

式中等號右邊為剩余生物的數(shù)量，作為阻滯生物損失的因素，以保證生物損失不會無限制的增長。

2.2.2 關(guān)系曲線的修正

目前，針對懸浮物濃度對不同生物的影響已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)研究，但這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅僅是對單個(gè)物種的研究［15-17］。顯然，施工產(chǎn)生的懸浮物不可能只是對單個(gè)生物種群產(chǎn)生影響，由于捕食者與被捕食者對于懸浮物濃度敏感性的差異，懸浮物濃度的上升導(dǎo)致某種生物的損失量增加。同時(shí)，爆破擠淤施工期較長，且易使近岸區(qū)域懸浮物濃度較大，會對生物產(chǎn)生長期作用，被捕食者的損失量會對捕食者產(chǎn)生區(qū)域性影響。對于生活在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的某個(gè)種群來說，需要對其自身的生物損失量——懸浮物濃度方程增加一個(gè)參數(shù)，更好反映兩者的關(guān)系。除去生物損失量的限制因素（K-S），增加系數(shù)b表示由于食物短缺造成的生物損失。

修正后的生物損失量——懸浮物濃度的關(guān)系見式（3）。

式中：b為生物間相互作用系數(shù)（食物短缺導(dǎo)致的生物量損失）。

其余符號含義同上。

對該微分方程進(jìn)行求解，可以得到

式中：若懸浮物濃度C趨近于正無窮，則S趨近于K，即生物全部死亡。將公式中的K改寫為1，上式變?yōu)?/p>

若懸浮物濃度C趨近于正無窮，則S趨近于1。此時(shí)，可將S定義為生物損失率，上式則成為具有捕食因素的懸浮物濃度與生物損失率之間的關(guān)系式。

2.2.3 關(guān)系方程求解

利用懸浮物對浮游生物及幼魚影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［3，18-19］，擬合得到無捕食參數(shù)時(shí)浮游生物和幼魚的損失率——懸浮物濃度關(guān)系方程，分別見式（6）和（7）。若需對研究區(qū)域特定種類幼魚進(jìn)行分析，尚應(yīng)進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)研究確定其損失。

由于浮游生物對懸浮物的敏感性要大于幼魚，浮游生物的損失率高于幼魚，故懸浮物濃度增加時(shí)，部分幼魚會因?yàn)槭澄锶笔Ф劳觥８∮紊飺p失率與幼魚損失率之差是幼魚因食物短缺而進(jìn)一步損失的原因，幼魚損失率的增加又會使浮游生物數(shù)量增加。由于捕食關(guān)系，假定隨著幼魚損失不斷增加，浮游生物損失同比率減少，最終得到帶有捕食參數(shù)的幼魚損失率方程見式（8）。

生物損失率——懸浮物濃度關(guān)系曲線如圖1所示。由求解所得的關(guān)系曲線可得，當(dāng)懸浮物濃度較小時(shí)，生物損失的增長較為平緩，隨著懸浮物濃度的增加，浮游生物對懸浮物越來越敏感，生物損失率開始大幅增大。當(dāng)生物損失率增加到一定程度時(shí)，由于生物總數(shù)量的限制，生物損失率的增加開始變緩，最終變化速率趨于平緩。

圖1 生物損失率—懸浮物濃度關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve for the suspended solids to the loss of aquatic organisms

3 案例分析

3.1 爆破擠淤方案選取

對于爆破擠淤，本工程源強(qiáng)每次持續(xù)時(shí)間為300 s，單次置換泥量為5 000 m3，淤泥干密度取1 500kg/m3，由式（1）可得一次爆破的源強(qiáng)為1 250 kg/s。

水下爆破工程的時(shí)刻選擇應(yīng)利于懸浮泥沙向外海擴(kuò)散以減少對近岸漁業(yè)的影響。遵循這一原則，假定有兩種施工方案。第一種是每天十點(diǎn)進(jìn)行一次爆破；第二種是每天上午十點(diǎn)、下午四點(diǎn)分別進(jìn)行一次爆破。點(diǎn)源的位置如圖2所示。

根據(jù)旅順新港的水文地質(zhì)條件確定模型參數(shù)，使用MIKE 21中的水動(dòng)力模塊和泥沙運(yùn)輸模塊進(jìn)行模擬仿真。由于近岸地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖的漁業(yè)資源豐富，現(xiàn)選取圖3的近岸地區(qū)作為模擬仿真之后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域。

圖3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域Fig.3 Data statistics area

3.2 模擬數(shù)據(jù)處理

將第一種施工方案（每天上午10點(diǎn)進(jìn)行一次爆破）所選區(qū)域內(nèi)的懸浮物濃度進(jìn)行輸出。將所選區(qū)域內(nèi)懸浮物濃度的所有數(shù)據(jù)代入生物損失率——懸浮物濃度計(jì)算公式中，求取平均值，得到所選區(qū)域內(nèi)生物損失率的歷時(shí)變化曲線，如圖4所示。由于仿真過程中的步長是五分鐘，圖中橫軸一個(gè)點(diǎn)代表五分鐘，一條總共有288個(gè)點(diǎn)。生物損失率的部分?jǐn)?shù)據(jù)（峰值周圍）如表1所示。

圖4 生物損失率歷時(shí)變化曲線Fig.4 Diachronic curve of biomass loss rate

表1 生物損失率峰值附近數(shù)據(jù)Tab.1 Data near the peak value of biomass loss rate

由于研究區(qū)域內(nèi)懸浮物濃度變化，生物損失出現(xiàn)兩個(gè)峰值，取生物損失率最大點(diǎn)作為模擬過程中最危險(xiǎn)的狀況。由上表可得，爆破擠淤的最后一天中生物損失率最大值為0.449.將該時(shí)刻數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的生物損失率的數(shù)據(jù)點(diǎn)提取出來，做出生物損失率在該區(qū)域的平面分布圖，如圖5所示。

同理可得第二種施工方案（每天兩次爆破）的生物損失率分布圖（見圖6）。

3.3 結(jié)果分析

將以上的仿真結(jié)果歸納如表2所示。

爆破擠淤時(shí)，爆炸瞬間產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)很大，但是由于潮汐和水流的作用，懸浮物迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)的懸浮物濃度降低，從而使得生物損失率較低。當(dāng)爆破擠淤的頻率增加到一天兩次時(shí)，在本次模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，研究區(qū)域內(nèi)的生物損失率與一天一次爆破相比增加了近一倍。由懸浮物擴(kuò)散的模擬過程可知，增加爆破頻率使得懸浮物在研究區(qū)域內(nèi)得到累計(jì)，難以達(dá)到擴(kuò)散所需的水文、時(shí)間條件。所以對于爆破擠淤來說，控制每天的爆破次數(shù)對于降低施工附近水域的生物損失十分重要。

圖5 爆破擠淤（一天一次）生物損失率分布圖Fig.5 Map of biomass loss rate（blasting once a day）

圖6 爆破擠淤（一天兩次）生物損失率分布圖Fig.6 Map of biomass loss rate（blasting twice a day）

表2 不同施工方案對生物損失率的影響Tab.2 Biomass loss rate in different construction scheme

4 結(jié)語

本文建立了懸浮物濃度與生物損失量的關(guān)系方程，并加入了捕食參數(shù)對關(guān)系曲線進(jìn)行修正。對于爆破擠淤，使用MIKE 21軟件分別對不同施工方案產(chǎn)生的懸浮物的擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，使用懸浮物濃度—幼魚損失率曲線對該區(qū)域幼魚的損失率進(jìn)行計(jì)算。在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度來說，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破頻率，合理安排施工計(jì)劃，使得施工產(chǎn)生的懸浮物有充分時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，從而降低施工附近水域的懸浮物濃度，減少懸浮物對水生生物的影響。

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Study on loss of biomass using the method of squeezing silt by blasting

LI Zhao-yu,WANG Wen-yuan,GUO Zi-jian,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China）

Underwater explosion is widely used in the construction of offshore hydraulic structures.The sediment suspension caused by blasting underwater has a great influence on the ecological environment.At present,the related research is mostly confined to the field of fishery and it is lack of scientific calculation method.The equation for the suspended solids to the loss of aquatic organisms was established and sediment transport module of MIKE 21 was used to simulate the dispersion of the suspended solids generated by different construction schemes.According to the simulation results of suspended matter concentration in the study area,the map of the loss of biomass in the study area was given.

underwater explosion;nearshore waters;suspended solids;biological loss

X 52

A

1005-8443（2017）01-0084-05

2016-04-25；

2016-11-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279026）

李照宇（1993-），男，山東省德州市人，碩士研究生，主要從事港口規(guī)劃方面研究。

Biography：LI Zhao-yu（1993-），male，master student.