夏冬梅，趙 坤

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 300020）

1 問題的提出

近年來，隨著“五水共治”工作的深入推進(jìn)，浙江省整體水環(huán)境得到顯著改善。河道清淤工程作為“五水共治”工作的重要工程手段，在提高河道行洪排澇能力的同時，大大改善了河道水生態(tài)環(huán)境。圍繞河道清淤的技術(shù)和效益等方面國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行大量的相關(guān)研究，但針對清淤施工前、施工后以及施工過程中河道水體水質(zhì)變化情況的研究較少[1-3]。因此，以江山港河道清淤工程為例，構(gòu)建MIKE 21模型，選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3項指標(biāo)對該工程在施工前、施工后以及施工期內(nèi)河道及上下游水體污染物變化過程進(jìn)行模擬計算，研究結(jié)果可為清淤工程施工方案的制定、施工期的選取提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)及工程概況

江山港是錢塘江上游衢江右岸的第一條支流，屬山溪性河流，水位暴漲暴落，洪水時水流挾沙較多。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，每年主要雨季發(fā)生在4 — 7 月，降水量占全年降水量的50%以上，且流域降水量空間分布不均，降水量高值區(qū)域與低值區(qū)域的差異達(dá)436 mm。

江山港清淤工程是江山港綜合整治的一部分，清淤范圍為城中大橋下約175 m至雙塔電站處，長約2.55 km（見圖1），該河段平均淤積厚度0.68 m，超挖深度0.30 m，清淤總量約為28.10萬m3，采用1臺4010型環(huán)保絞吸式挖泥船，每天作業(yè)16 ～ 20 h進(jìn)行清淤。通過清淤增加河道過水面積，改善河道水環(huán)境，改善江山港地區(qū)的防洪排澇條件，從而提高河道行洪及調(diào)蓄能力，改善和恢復(fù)人 — 水 — 動植物間物質(zhì)和能量的有機(jī)循環(huán)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)灌溉用水提供有力保障。

圖1 江山港清淤工程地理位置示意圖

3 研究方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是研究水體隨時間和空間運(yùn)動和變化的重要手段之一，特別是近十幾年來，隨著計算機(jī)的高速發(fā)展，為數(shù)學(xué)模型奠定了堅實的基礎(chǔ)。本次計算模型采用丹麥水力學(xué)研究所新近研制的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維MIKE 21FM模型。該模型網(wǎng)格節(jié)點布設(shè)靈活，便于局部加密，能精確地擬合彎曲河道邊界，具有算法可靠、計算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點，已在世界上多個國家得到成功應(yīng)用[4]。

水動力模型包括一個連續(xù)性方程和二個動量方程:

（1）連續(xù)性方程:

式中:h為水深（m），即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；t為時間（s）；η為水位（m）；u、v為x、y方向上的流速分量（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；f為柯氏力參數(shù)；ρ為水密度（kg/m3）；ρ0為水的參照密度；Sxx、Sxy、Syy為波浪輻射應(yīng)力分量；Pa為大氣壓力（kPa）；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy為粘性項分量；S為源匯項。

水質(zhì)模型包括一個對流擴(kuò)散方程:

式中:C為污染物濃度（mg/L）；Cs為源項濃度（mg/L）；Kp為降解系數(shù)（1/ d）；Dh為x和y方向污染物擴(kuò)散系數(shù)（1/d）。

3.2 污染源的確定

從清淤施工引起局部水域相關(guān)污染物濃度增加的影響因素來看，清淤作業(yè)引起的底泥污染物釋放取決于2個關(guān)鍵過程:①清淤施工引起的泥沙再懸浮強(qiáng)度；②懸浮泥沙污染物釋放。

清淤施工引起的泥沙再懸浮強(qiáng)度:底泥清淤作業(yè)導(dǎo)致河床底泥在移除的過程中向水體中懸浮和擴(kuò)散，懸浮強(qiáng)度與沉積物特性、現(xiàn)場水文地質(zhì)特征以及施工情況有關(guān)。根據(jù)Collins模型計算分析絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)引起的泥沙再懸浮的強(qiáng)度公式[5-7]，認(rèn)為底泥再懸浮與泥沙特性、挖泥船類型、施工特征及參數(shù)密切相關(guān)，公式如下:

式中:Rs為泥沙再懸浮率（kg/s）；ρ為泥沙干密度（kg/m3）；FF、FD分別為根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)所得的回歸參數(shù)，F(xiàn)F與鉸刀尺寸和泥沙中值粒徑相關(guān)，F(xiàn)D與鉸刀尺寸和鉸刀切割厚度有關(guān)；Vs為鉸刀擺動速度（m/s）；Vi為吸泥管吸泥速度（m/s）；Vt為鉸刀刀鋒速度（m/s）；Dch為鉸刀直徑（m）；Lch為鉸刀長度（m）；Kch、K ′ch分別為鉸刀直徑和鉸刀長度的尺寸經(jīng)驗系數(shù)，小于等于1.5。

懸浮泥沙污染物釋放:根據(jù)專門為此次清淤工程水環(huán)境影響預(yù)測工作檢測的河道底泥污染物含量數(shù)據(jù)設(shè)定。泥沙中污染物釋放存在釋放和吸附的平衡態(tài)過程，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)成果，影響泥沙中污染物釋放和吸附的因素較多，一般而言，河床底泥擾動引起的懸浮泥沙中的污染物在水體中釋放量為底泥中污染物含量的35% ～ 60%，為安全起見，模型中源強(qiáng)濃度按照被擾動的懸浮泥沙污染物含量60%釋放設(shè)置。

4 模型構(gòu)建

4.1 計算區(qū)域選取

計算范圍的選取主要考慮2個因素，一是計算水邊界應(yīng)取在容易給定邊界條件的地方；二是計算水邊界應(yīng)離工程區(qū)域足夠遠(yuǎn)，以避免工程實施對邊界條件的影響。根據(jù)以上原則，本次計算范圍取為:上邊界為江山站水文站斷面，下邊界為衢州水文站斷面，模型內(nèi)支流常山港邊界選取在常山水文站，模型計算范圍見圖1。計算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮水流、地形梯度的差異，對工程區(qū)域的計算網(wǎng)格作進(jìn)一步加密，最小網(wǎng)格為15 m，網(wǎng)格總數(shù)為16 629，節(jié)點數(shù)為9 473。

4.2 水動力模型驗證

模型驗證計算主要是對模型的適用性進(jìn)行分析，河道的走向形態(tài)、河道比降、斷面形式等屬性都會對模型計算結(jié)果產(chǎn)生影響。為了能使計算結(jié)果較好地反映河道實際情況，需對模型計算選擇的參數(shù)例如阻力系數(shù)等進(jìn)行率定驗證。

清淤工程位于江山港中下游段，上下游共3座水文站:江山站、雙塔底和衢州站。江山站、衢州站資料分別作為本次模型構(gòu)建的上下游水動力邊界，利用雙塔底站的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水動力模型驗證，結(jié)果見圖2。流量平均率定誤差在10%以內(nèi)，說明所構(gòu)建的模型能夠基本反映河道實際情況，滿足計算精度要求。

圖2 水動力模型驗證結(jié)果圖

4.3 污染源參數(shù)的確定

本次評價指標(biāo)選擇為高錳酸鹽指數(shù)，氨氮、總磷。根據(jù)前文中污染源確定的方法，由于泥沙再懸浮強(qiáng)度公式中FF、FD等參數(shù)無法獲取，類比采用此方法研究的天津濱海旅游區(qū)清淤疏浚工程中源強(qiáng)設(shè)定參數(shù)，根據(jù)清淤施工強(qiáng)度、作業(yè)方式確定本次清淤工程底泥在水體中的擴(kuò)散量。即:1臺環(huán)保絞吸式挖泥船，施工強(qiáng)度為200 m3/h，每天輪班作業(yè)16 ～ 20 h，懸浮物源強(qiáng) 1.875 kg/s。

為確定底泥中污染物濃度大小，在清淤河段上中下游選取3個取樣點（見圖1）。取樣位置:1號點在河道左1/3處，2號點在河道中間，3號點在河道右1/3處，分上層和下層進(jìn)行采集，采集深度為淤泥平均淤積厚度，并對樣品進(jìn)行檢測，根據(jù)底泥中評價指標(biāo)的污染物濃度確定源強(qiáng)。由于1號點下層有大量碎石，1號點只采集表層泥樣，故共采集5份底泥樣品。

經(jīng)過檢測相應(yīng)指標(biāo)的底泥污染物含量見表1。底泥樣品中沉積物-TOC對應(yīng)于水體中CODMn指標(biāo)，兩者之間的數(shù)值關(guān)系根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[8-9]，CODMn與TOC 之比的變化范圍為0.54 ～ 1.01，根據(jù)偏安全考慮原則兩者比例確定為1:1。

表 1 底泥中污染物含量表

水質(zhì)模型計算中需要確定的計算參數(shù)主要有2個:擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)。目前，確定河流縱向擴(kuò)散系數(shù)的主要方法有經(jīng)驗公式法和示蹤試驗法，實驗表明，縱向擴(kuò)散系數(shù)和橫向擴(kuò)散系數(shù)有相同的量級。綜合考慮江山港河流特征以及國內(nèi)外橫向擴(kuò)散系數(shù)研究成果（見表2），確定此次計算綜合擴(kuò)散系數(shù)為0.1 m2/s。

表2 國內(nèi)外部分河流橫向擴(kuò)散系數(shù)研究數(shù)據(jù)表

污染物的生物降解、沉降和其他物化過程，可概括為污染物綜合降解系數(shù)，主要通過水團(tuán)追蹤試驗、實測資料反推、類比法、分析借用等方法確定。根據(jù)《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點》提出的水質(zhì)降解系數(shù)參考值（見表3），按偏不利情況考慮，擬定本次模型計算中，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷降解系數(shù)分別為0.1/d、0.1/d、0.1/d。

表3 一般河道水質(zhì)降解系數(shù)參考值表

4.4 計算工況設(shè)計

本次計算水動力工況設(shè)計方面考慮清淤工程施工工期和時間跨度的不確定性，模型計算時考慮枯水期、平水期、豐水期3種不同保證率的設(shè)計工況，采取恒定流計算。水質(zhì)工況設(shè)計方面考慮污染源單增量和疊加水體污染物濃度背景值2種工況進(jìn)行計算，分別反應(yīng)清淤工程單獨(dú)對后溪和雙塔底水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)的影響和清淤工程施工時后溪和雙塔底水質(zhì)監(jiān)測斷面水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況。模型水動力、水質(zhì)邊界設(shè)置分別見表4 ～ 5。

表4 模型各工況水動力邊界條件設(shè)置表

表 5 模型各工況水質(zhì)邊界條件設(shè)置表

5 水環(huán)境影響預(yù)測分析

5.1 單增量影響分析

清淤工程實施后，后溪斷面和雙塔底斷面水質(zhì)濃度增加變化見表6和圖5。相比較而言，枯水期濃度增加量最大，平水期次之，豐水期最小，相同濃度的污染帶范圍，枯水期最大，平水期次之，豐水期最小。

圖 5 污染物濃度增量分布圖

表 6 清淤工程引起的污染物濃度增量表 mg/L

5.2 水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)影響分析

后溪和雙塔底水質(zhì)斷面所處水環(huán)境功能區(qū)為III類水功能區(qū)，III類水功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值及疊加本底污染物濃度時，后溪和雙塔底水質(zhì)斷面各工況下水質(zhì)濃度見表7。

表 7 疊加本底后的污染物濃度值表 mg/L

疊加本底后清淤工程施工引起的后溪和雙塔底斷面水質(zhì)濃度與標(biāo)準(zhǔn)值對比后可知，豐水期和平水期施工時CODMn、NH3- N和TP均能達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)值，枯水期施工時CODMn和NH3- N能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但TP不能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié) 論

（1）構(gòu)建江山港清淤工程對下游水質(zhì)控制斷面影響預(yù)測的平面二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，總體而言模擬效果良好，且計算結(jié)果可視化程度高。

（2）考慮清淤工程引起的水質(zhì)濃度變化，豐水期水質(zhì)濃度增加量最小，污染帶影響范圍也最小，平水期次之，枯水期最大。

（3）考慮水體本底污染物濃度后，清淤工程施工引起的后溪和雙塔底斷面水質(zhì)濃度達(dá)標(biāo)情況，豐水期和平水期施工均能達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)值，枯水期施工TP不能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，此次研究的江山港清淤工程工期選取在豐水期最為適宜，可最大程度降低其對河道水環(huán)境的影響。此次研究是一次二維水動力、水質(zhì)耦合模型在河道清淤工程對河道水環(huán)境影響分析中的成功應(yīng)用，可為清淤工程施工方案的制定、工期的選取提供可靠的技術(shù)支撐。