張旭義

(招遠(yuǎn)市金都水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400)

1 概 述

水是城市發(fā)展過(guò)程中至關(guān)重要的資源，然而隨著人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前城市水環(huán)境面臨著嚴(yán)重的威脅，如沿岸的生活污水和工業(yè)污水超標(biāo)排放、外來(lái)物種的入侵和濕地的圍墾等[1-4]。當(dāng)前處理污染物排放的措施包括疏浚作業(yè)、排水口的鞏固和重新安置、擴(kuò)散器的重新配置或這些措施的任何組合，其中疏浚工程是中小型流域使用范圍最廣、污染治理效率較為理想的一種方式[5]。然而，由于流域面積廣、污染物運(yùn)移不確定性高，通常很難對(duì)進(jìn)行疏浚后的區(qū)域水環(huán)境污染程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工程評(píng)價(jià)帶來(lái)不便，而數(shù)值模擬方法的興起為水環(huán)境污染程度提供了可靠的預(yù)測(cè)手段。

方明儀等[6]基于水動(dòng)力-水質(zhì)模型，在風(fēng)暴潮及上游來(lái)水減少的情況下開展南渡江河口污染物分布研究，分析了不同環(huán)境下污染物變化情況；張侃[7]以深圳梧桐山河為研究對(duì)象,針對(duì)其流域水環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行建模分析,深入了解其污染物遷移擴(kuò)散的規(guī)律；俞曉祥[8]采用平面二維的紊流擴(kuò)散模型模擬研究河道斷面突變對(duì)污染物對(duì)流擴(kuò)散的影響；吳二雷等[9]利用數(shù)值模擬方法研究了河流流場(chǎng)以及污染物濃度分布情況；此外還有學(xué)者基于DHI MIKE 3等研究了污染物擴(kuò)散過(guò)程[10-11]。本文通過(guò)對(duì)以上文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研分析，采用二維流體力學(xué)有限元模型和拉格朗日粒子模塊，建立垂直平均水動(dòng)力模型，研究了兩種河道(DS1和DS2)疏浚方案對(duì)污染物運(yùn)移稀釋的效果，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 疏浚工程概況

界河發(fā)源于招遠(yuǎn)城西南尖尖山西麓，經(jīng)齊山鎮(zhèn)、張星鎮(zhèn)、辛莊鎮(zhèn)，從東良村東北注入渤海。全長(zhǎng)45km，流域面積576.8km2，主要支流有羅山河、鐘離河、單家河等，為招遠(yuǎn)境內(nèi)第二長(zhǎng)河。多年來(lái)，受工業(yè)廢水超標(biāo)排放、生活污水直排、垃圾亂堆亂倒等污染問(wèn)題影響，流域污染較為嚴(yán)重,為改善河道環(huán)境狀況，多地開始推進(jìn)河道清淤疏浚工程。

本次研究的疏浚工程的疏浚方式為：將河水抽干, 待疏浚物自然風(fēng)干含水量降到一定數(shù)值后, 采用陸上施工機(jī)械進(jìn)行土方開挖施工,即利用土方開挖機(jī)械將已固化的疏浚物挖裝到自卸汽車上,通過(guò)自卸汽車將疏浚物運(yùn)送到指定地點(diǎn)堆放。疏浚施工前, 先在河道施工區(qū)域外設(shè)攔河圍欄截?cái)鄟?lái)水, 將圍欄內(nèi)積水導(dǎo)排入儲(chǔ)水池，進(jìn)行分組分段同步作業(yè)。本次研究區(qū)域地形圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域地形圖

3 數(shù)值模型及疏浚方案

3.1 數(shù)值模型

該研究區(qū)域水污染物主要以顆粒性懸浮物為主，擴(kuò)散方式為面擴(kuò)散，污染物源頭位于A2處，根據(jù)對(duì)A3～A5中3個(gè)典型斷面污染物濃度進(jìn)行的監(jiān)測(cè)分析，疏浚前平均濃度分別為3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg。

3.2 疏浚方案

第一種疏浚方案(DS1)見(jiàn)圖2，由一條疏浚河道組成，疏浚深度約為2.33m，疏浚后河底低于平均低水位約為1.50m。河道底部寬度為6.00m，兩側(cè)坡度為1∶3，總疏浚寬度為20.00m。在疏浚河道的寬度方向上有大約7～10個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。生成的計(jì)算網(wǎng)格(圖2為現(xiàn)有排水口附近的一部分)包含55548個(gè)元素，特征長(zhǎng)度范圍為1.11～41.72m，平均為7.10m。由于細(xì)化過(guò)程使河流上半部分的網(wǎng)格分辨率顯著提高，模型時(shí)間步長(zhǎng)減少到11.178s(相當(dāng)于4階RK粒子跟蹤最小時(shí)間步長(zhǎng)約為5.600s)，以滿足疏浚河道中的拉格朗日條件。

圖2 第一種疏浚方案

第二種疏浚方案(DS2)是在第一種方案的疏浚河頭增加一個(gè)泊池，深度設(shè)定為2.33m，兩側(cè)的坡度為1∶3，網(wǎng)格逐漸變細(xì)。由于網(wǎng)格在水池區(qū)域已經(jīng)具有必要的分辨率，因此第二種疏浚方案與第一次疏浚方案保持一致。模型時(shí)間步長(zhǎng)也與第一次疏浚相同。在每個(gè)模型時(shí)間步有4個(gè)污染物顆粒從排放口釋放。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 稀釋改善率計(jì)算

為了計(jì)算污染物的稀釋改善率，根據(jù)式(1)計(jì)算模擬中每個(gè)網(wǎng)格的平均顆粒濃度：

(1)

式中：Ce為單元的深度平均濃度，粒子數(shù)/m2;NPe為單元中的粒子數(shù)；Ae為元素e的面積,m2。

一旦所有情況的濃度場(chǎng)都已知，則根據(jù)式(2)計(jì)算稀釋率，即(基本情況或DS1以及DS1或DS2)

(2)

在DS1和DS2模擬的特定時(shí)間點(diǎn)不包含粒子。值得注意的是，稀釋度計(jì)算與水深無(wú)關(guān)。

4.2 DS1工況

圖3為4個(gè)不同階段下，DS1工況下獲得的稀釋改善率De。在漲潮時(shí)，排水口周圍模擬的稀釋率約為0.5∶1，說(shuō)明DS1顆粒濃度高于或等于該區(qū)域疏浚之前預(yù)測(cè)的濃度。在最大落潮時(shí)也有同樣的結(jié)果。圖3(b)顯示，由于大量的未污染的顆粒從上游部分向下輸送，稀釋度大大增加。然后，由于經(jīng)歷了更高的落潮速度，顆粒從排水口區(qū)域排走，并且在排水口周圍的低潮處稀釋度降低。圖3(d)包含粒子云中部的一個(gè)稀釋減少區(qū)以及向海端和向陸端的兩個(gè)稀釋增加區(qū)，向海端的稀釋增加區(qū)主要包含來(lái)自前一次落潮的基殼顆粒；而向陸端稀釋區(qū)，由于速度較高，基殼顆粒在上游方向平流得更遠(yuǎn)；中間的稀釋減少區(qū)主要包含來(lái)自當(dāng)前洪水和之前退潮階段的顆粒。

圖3 DS1工況計(jì)算結(jié)果(單位：km)

4.3 DS2工況

本次計(jì)算觀察到DS2模擬的顆粒濃度與DS1模擬的顆粒濃度非常相似。這是因?yàn)槭杩２闯卦谀撤N程度上是一種局部干擾，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)洋流的影響相對(duì)較小。由于DS1和DS2顆粒濃度場(chǎng)之間的全域差異非常小，視覺(jué)上很難相互區(qū)分，因此，本文采用更簡(jiǎn)單且簡(jiǎn)潔的等高線圖呈現(xiàn)結(jié)果，其中稀釋度定義為從左到右依次增加。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 DS2工況計(jì)算結(jié)果 (單位:km)

由圖4可知，在漲潮時(shí)，隨著在DS1中添加泊池，總體稀釋度增加，疏浚渠道排水口周圍稀釋度的降低是兩種疏浚方案之間排水口重新定位的直接影響的結(jié)果。由于顆粒直接釋放到DS2中的疏浚航道中，因此模擬顯示該區(qū)域的濃度增加。最大落潮時(shí)顯示稀釋度總體上呈增加趨勢(shì)，稀釋區(qū)分散減少。在低潮時(shí)，當(dāng)水流和顆粒物都被限制在疏浚河道內(nèi)時(shí)，即使在擬建排水口周圍，稀釋度增加仍占主導(dǎo)地位。在最大洪水時(shí),觀察到同樣的趨勢(shì)。

此外，根據(jù)對(duì)DS1和DS2疏浚后的污染物濃度指標(biāo)進(jìn)行分析得出，采用DS1方案后A3～A5中3個(gè)典型斷面的污染物濃度由原來(lái)的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3個(gè)典型斷面的污染物濃度由原來(lái)的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg。因此采用DS2方案可明顯減小河流污染物濃度。

5 2種疏浚方案前后流場(chǎng)分析

根據(jù)兩種方案的流速大小變化模擬結(jié)果，工程實(shí)施后的影響范圍包括A3～A5節(jié)點(diǎn)及工程回旋水域等。其中A5節(jié)點(diǎn)附近的影響最大，該區(qū)域周邊流速在實(shí)施疏浚方案DS1、DS2時(shí)分別減小16.57%、42.94%，這是由于疏浚前后區(qū)域水深變化劇烈，加深了近6m, 從而造成流速減小。此外，根據(jù)工程實(shí)施前后大潮的漲急、落急流場(chǎng)對(duì)比分析可知，工程實(shí)施后主要影響了A4和A5節(jié)點(diǎn)附近的潮流，原因是該區(qū)水深較淺，工程前來(lái)自東側(cè)通道的潮流被工程陸域阻擋，迫使通道內(nèi)漲潮流受工程區(qū)域影響向北方偏轉(zhuǎn)進(jìn)入該海區(qū)。A4節(jié)點(diǎn)前沿尤其是西側(cè)碼頭前沿潮流更趨于和碼頭走向平行，流向更有利于靠離泊作業(yè)。特征點(diǎn)A3～A5在2種疏浚工程前后流速變化率見(jiàn)表1。

表1 特征點(diǎn)A3～A5在2種疏浚工程前后流速變化率

6 結(jié) 論

本文利用拉格朗日方法，采用垂直平均水動(dòng)力模型，研究了兩種河道疏浚方案(DS1和DS2)對(duì)污染物運(yùn)移稀釋的效果以及流態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，DS1工況下在漲潮時(shí)，排水口周圍模擬的稀釋率約為0.5∶1，DS1工況污染物顆粒濃度高于或等于該區(qū)域疏浚之前預(yù)測(cè)的濃度，而當(dāng)在DS1中添加泊池形成DS2方案后，總體稀釋度增加，疏浚渠道排水口周圍稀釋度的降低是兩種疏浚方案之間排水口重新定位直接影響的結(jié)果。此外，采用DS1方案后A3～A5中3個(gè)典型斷面的污染物濃度由原來(lái)的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3個(gè)典型斷面的污染物濃度由原來(lái)的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg，因此采用DS2方案可明顯減小河流污染物濃度。因此可以得出，在沒(méi)有河流流入和風(fēng)的情況下，將排水口重新安置到主要疏浚河道中，能夠明顯縮小污染物的運(yùn)移。