陳濤靜

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，大宗物資的水運(yùn)需求日趨旺盛。船舶大型化和基礎(chǔ)設(shè)施的提級(jí)改造已經(jīng)成為水運(yùn)交通發(fā)展的重要趨勢(shì)，港口、航道、船閘、錨地等水運(yùn)基本設(shè)施正在不斷向正規(guī)化、規(guī)?；⑸钏较虬l(fā)展。航道擴(kuò)能升級(jí)和港池浚深維護(hù)工程主要通過(guò)疏浚來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，在施工過(guò)程中，河床挖泥船攪動(dòng)下產(chǎn)生懸浮泥沙，并受水流作用而擴(kuò)散，致疏浚區(qū)域周邊及下游水域懸浮物濃度增加，惡化水體環(huán)境，威脅水生生態(tài)環(huán)境健康，影響水體使用功能[2，3]。因此，開(kāi)展疏浚過(guò)程中懸浮泥沙擴(kuò)散規(guī)律對(duì)河道水質(zhì)影響的研究對(duì)于港口及航道建設(shè)、水體保護(hù)具有重要的意義[4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)海域和入海河口疏浚已開(kāi)展了大量研究，數(shù)值模擬已成為一種研究泥沙擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)機(jī)制的高效手段。早在2006年，褚裕良等[5]將一維河網(wǎng)非恒定流及懸沙數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于珠江三角洲流域河網(wǎng)水流及懸沙的數(shù)值計(jì)算。陳衛(wèi)東[6]對(duì)馬鑾灣海堤開(kāi)口改造和清淤護(hù)岸造地等工程對(duì)周邊海域環(huán)境的影響及防治措施做出了有益的探索。朱靜等[7]通過(guò)建立二維潮流數(shù)學(xué)模型分析擬建大豐港二期工程建設(shè)前后海域水動(dòng)力條件變化情況,以及建立二維懸浮物擴(kuò)散模型分析施工過(guò)程產(chǎn)生的懸浮物擴(kuò)散情況。魯俊等[8]采用sigma坐標(biāo)下三維水流和懸移質(zhì)泥沙數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)長(zhǎng)江口感潮河段河道疏浚工程所產(chǎn)生的懸浮物遷移過(guò)程。對(duì)內(nèi)河、湖區(qū)的研究則多側(cè)重于水利水電工程建設(shè)方面的環(huán)保研究，如三峽工程等[9]，對(duì)于我國(guó)工程建設(shè)跨越生態(tài)敏感區(qū)域、水源保護(hù)區(qū)的研究也較少，因此必須科學(xué)回答工程建設(shè)對(duì)生態(tài)敏感水域的影響程度，才能最大程度地避免環(huán)境事故，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[10]。

本文以澧水流域中疏浚作業(yè)較為集中的某錨地為典型代表，結(jié)合洞庭湖區(qū)錨地疏浚的自身特點(diǎn)，基于平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)疏浚懸浮物擴(kuò)散對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響，并判斷對(duì)施工區(qū)域附近重要環(huán)境敏感點(diǎn)(如取水口)的影響程度。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江一級(jí)支流澧水常德市津市段，涉及水域?yàn)棰箢愃w。其中，澧水津市段過(guò)境總長(zhǎng)47 km，自西向東橫貫市區(qū)，至小渡口南折，沿市境東部邊緣注入洞庭湖，將津市市區(qū)分為南北兩部分。年平均水位為33.71 m，極端最高水位可達(dá)42.56 m。澧水下游自石門(mén)至津市窯坡渡，水道長(zhǎng)71 km，兩岸山勢(shì)低遠(yuǎn)，為平原地形，河道平均坡降為0.2%。

現(xiàn)有已建成的某千噸級(jí)碼頭，港口基礎(chǔ)設(shè)施略顯落后，為保證到港船舶和進(jìn)港安全航行要求，擬建錨地預(yù)計(jì)水深2 m，面積5.6萬(wàn)m2，通過(guò)開(kāi)挖沙洲形成水域，疏浚區(qū)域距離取水口約4.5 km，分布有某農(nóng)村飲用水水源保護(hù)區(qū)。

3 研究方法

根據(jù)地形、邊界條件等建立平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，采用解析法對(duì)懸浮物產(chǎn)生位置、范圍及濃度等進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并評(píng)價(jià)該錨地疏浚施工所產(chǎn)生的懸浮物的影響。

3.1 疏浚源強(qiáng)

港口開(kāi)挖和疏浚作業(yè)產(chǎn)生量根據(jù)《港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTS105-1-2011)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[11]：

(1)

式(1)中：Q為疏浚時(shí)懸浮物發(fā)生量，t/h；W為懸浮物發(fā)生系數(shù)，t/m3；R為發(fā)生系數(shù)W0時(shí)的懸浮物粒徑累計(jì)百分比；R0為現(xiàn)場(chǎng)流速懸浮物臨界粒子累計(jì)百分比；T為挖泥船疏浚效率m3/h。

懸浮物的發(fā)生系數(shù)不是一個(gè)定數(shù)，它與取沙的粒徑級(jí)配有關(guān)。污染源強(qiáng)還取決于挖泥船的作業(yè)方式和效率，習(xí)慣參數(shù)參照表1選取[12]。

表1 疏浚懸浮物粒徑分布參考值

懸浮物含量的高低與工程施工方式、工程規(guī)模以及底質(zhì)情況有關(guān)。施工機(jī)械不同，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生懸浮物的濃度不同。參考同類型項(xiàng)目，疏浚作業(yè)點(diǎn)附近低層水體中懸浮物的濃度約300～400 mg/L，表層水體中懸浮物的濃度約100～180 mg/L。作業(yè)船疏浚效率為120 m3/h，則疏浚泥沙源強(qiáng)為5.07 t/h(折合1.41 kg/s)。

3.2 疏浚模型

模型的基本方程

挖泥船施工時(shí)基本上是定點(diǎn)作業(yè)，懸浮疏浚物的擴(kuò)散機(jī)理類似于連續(xù)源。本次預(yù)測(cè)將河段概化為矩形、平直河段，采用平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中：u，v分別為對(duì)應(yīng)于x，y軸的平均流量分量，m/s;Zb為河底高程，m；f為科式系數(shù);Cz為謝才系數(shù)，m1/2/s;τsx、τsy分別為水面上的風(fēng)應(yīng)力，γ2為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，ρa(bǔ)為空氣密度，ω為風(fēng)速，m/s，α風(fēng)方向角;Am為水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s；S為源(匯)項(xiàng)，s-1。

在不考慮岸邊反射情況下，采用解析解的方式對(duì)模型進(jìn)行合理的概化，預(yù)測(cè)模式公式如下：

(5)

3.3 參數(shù)取值

(1)結(jié)合當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)采集，選擇區(qū)域澧水枯水期水文參數(shù)。

烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀及煙葉質(zhì)量，不同生物質(zhì)能燃燒機(jī)及常規(guī)燃煤烤房(CK)的烤后煙葉中，單葉重、上等煙比例、上中等煙比例和均價(jià)均存在一定的差異，各處理依次為T(mén)2>T1>T3>CK>T4。上等煙比例，T2最高，T1其次，T4和CK較低且接近。均價(jià)，其變化趨勢(shì)與上等煙比例一致，T2最高，T3其次T4最低；T1、T2和T3相互之間差異不顯著，但其與T4和CK間差異顯著?？傮w上看，不同生物質(zhì)能燃燒機(jī)烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀，以T2最好，T1其次，T4最差；T4與常規(guī)燃煤烤房(CK)烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀接近。表明，生物質(zhì)能設(shè)備烘烤的煙葉較CK好，與韋忠等[5]的研究結(jié)果一致。

(2)橫向混合系數(shù)My，采用泰勒法估算。

(3)綜合衰減系數(shù)K選定。 根據(jù)馮濤輝等[13]的研究，衰減系數(shù)k=α×ω′/h, 其中，沉速采用Stocks球體沉速公式計(jì)算：

(6)

式(6)中，v為水流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，取10-6m2/s；d為沉降的泥沙顆粒直徑，γs和γ分別為水的重度和泥沙的重度。

考慮到該水域泥沙含量較低，泥沙在懸浮狀態(tài)下，沉降速率可近似看做0。

4 預(yù)測(cè)結(jié)果

在預(yù)測(cè)錨地疏浚對(duì)水環(huán)境的影響時(shí)，以懸浮泥沙增加量作為主要指標(biāo)，根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB11607-89)“人為增加的量不得超過(guò)10 mg/L”，取10 mg/L作為懸浮物泥沙安全影響的臨界濃度。

挖泥船疏浚對(duì)下游懸浮物增量的預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 疏浚引起的SS濃度增量預(yù)測(cè)值 mg/L

經(jīng)預(yù)測(cè)，疏浚后懸浮泥沙呈帶狀向下游及旁側(cè)擴(kuò)散。近源處濃度最大，約為56.42mg/L，泥漿在遠(yuǎn)場(chǎng)的沉降過(guò)程很快，遠(yuǎn)源處濃度不斷減小直至近似為0。施工造成懸浮物濃度增加值超過(guò)10 mg/L 的范圍為沿水流方向長(zhǎng)約700～800 m，垂直岸邊寬約20～30 m，影響范圍較小。

疏浚區(qū)域下游有某農(nóng)村飲用水水源保護(hù)區(qū)，疏浚區(qū)域距離取水口約4.5 km，疏浚泥沙擴(kuò)散至取水口處的濃度幾乎可忽略不計(jì)，對(duì)飲用水的影響較小。

5 結(jié)果與討論

本文以內(nèi)湖湖區(qū)流域疏浚為研究對(duì)象，利用平面二維水動(dòng)力模型對(duì)洞庭湖區(qū)澧水流域某錨地疏浚施工產(chǎn)生的懸浮物擴(kuò)散特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論。

(1)施工造成懸浮物濃度增加值超過(guò)10 mg/L的范圍為沿水流方向長(zhǎng)約700～800 m，垂直岸邊寬約20～30 m，影響范圍較小。建議施工區(qū)域應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離環(huán)境敏感性水域或增加環(huán)保裝置。

(2)施工導(dǎo)致的懸浮物隨工程的結(jié)束而結(jié)束，根據(jù)本地區(qū)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在合理選擇施工方式，注重施工期懸浮物防控的前提下，懸浮物產(chǎn)生的環(huán)境影響較小。

(3)在該模型應(yīng)用中，因缺乏懸浮物濃度實(shí)測(cè)資料，部分參數(shù)采用的是經(jīng)驗(yàn)值；同時(shí)本研究?jī)H針對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中懸浮物的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行探究，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮實(shí)際擴(kuò)散中泥沙懸浮物顆粒粒徑分布、風(fēng)場(chǎng)等影響及疏浚設(shè)備造成的擾動(dòng)，如采用耙吸式挖泥船在作業(yè)過(guò)程中因溢流作用將在水域內(nèi)形成濁度羽流，從而也會(huì)對(duì)環(huán)境水域產(chǎn)生負(fù)面影響[14]，因此預(yù)測(cè)結(jié)果將與實(shí)際情況產(chǎn)生一定的偏差。

(4)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)關(guān)于疏浚懸浮物擴(kuò)散的研究廣度會(huì)進(jìn)一步拓寬，數(shù)值模擬將更加全面地描述泥沙懸浮物的輸移過(guò)程，但由于其涉及泥沙的淤積、沉降和臨界起動(dòng)等復(fù)雜物理過(guò)程[15]，建議在以后的研究中，根據(jù)實(shí)測(cè)情況對(duì)相關(guān)參數(shù)和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校核，使數(shù)值模擬結(jié)果具有更強(qiáng)的應(yīng)用性，以更好地指導(dǎo)實(shí)際。