海底輸水管道敷設過程中懸浮泥沙對海洋環(huán)境影響的數(shù)值研究＊

黃蘭芳,孫志林

(浙江大學建筑工程學院,浙江 杭州 310058)

近年來,舟山市以港口、臨港工業(yè)和旅游業(yè)為主導,海洋經(jīng)濟迅速發(fā)展。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,生活和工業(yè)用水急劇增加,尤其對于六橫島、蝦峙島等人口眾多、地域狹小的海島而言,淡水資源供需矛盾日趨突出。為了緩解六橫島、蝦峙島等海島的供水壓力,使當?shù)厣鐣?jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,決定實施臨城至蝦峙島、六橫島輸配水(應急引水)工程。工程管線全長47.65 km,其中路上段管線10.32 km,跨海段管線長37.33 km,跨海段管線路由見圖1。

海底輸水管道敷設引起的高濃度懸浮泥沙對海洋環(huán)境造成的影響不可忽視。海域懸浮泥沙濃度突然升高,會造成海水水質的下降;懸浮泥沙會對水生生物的卵、稚仔和幼體造成嚴重傷害,主要表現(xiàn)為影響胚胎發(fā)育、堵塞生物的腮部造成窒息死亡德等[1]。

隨著泥沙理論、數(shù)值計算技術和計算機技術的發(fā)展,泥沙數(shù)學模型不斷完善,已經(jīng)成為研究河口海岸泥沙運動問題的重要手段[2-5]。因此,本文建立了2D懸浮泥沙輸移模型,對懸浮泥沙的影響程度和范圍進行定量分析,為進一步的海洋環(huán)境影響評價提供了依據(jù)。

2.2 計算條件

計算海域包括整個峙頭洋海域及其鄰近海域,如圖1中虛線框包含部分。網(wǎng)格采用平面正交網(wǎng)格,精度取為100m;在輸水管道路由附近海域,對網(wǎng)格進行加密,最高分辨率為10m。開邊界處的水位同時包含9個主要分潮(K1,O1,K 2,N2,S2,M 2,M4,MS4,M6)。

2.3 模型驗證

根據(jù)經(jīng)典潮汐理論,可通過調整各天文分潮的相角來改變具體的計算日期,這使應用歷史資料驗證模型成為可能。我們主要采用2006年定海、登步島和六橫3個臨時潮位站資料進行潮位驗證;采用2006年4月舟山中奧能源儲運碼頭工程實測的1個定點周日連續(xù)站(PP2),2005年8月六橫電廠工程實測的2個定點周日連續(xù)站(Z0504、Z0506)以及2005年1月螺頭海區(qū)實測的1個定點周日連續(xù)站(A 01)的資料進行流速和流向驗證。各測站的位置見圖1。

由圖2可知：模型計算所得潮位值與潮位站實測潮位值吻合較好;無論是高、低潮值,還是高、低潮位出現(xiàn)時間,計算值和實測值均吻合良好。由圖3～圖6可知：模擬所得的流場與實際情況符合較好,流速的計算值與實測值之間的相對誤差滿足要求;模擬所得的流向與實測流向也基本吻合。模型的驗證計算結果表明,采用的相關計算參數(shù)基本合理,模型基本能反映計算海域的水動力過程。

圖6 小潮時各站流向驗證Fig.6 Verification for current direction in ebb tide

3 懸浮泥沙輸移模型

3.1 懸浮泥沙輸移基本方程

式中,h=d+ζ為水深;S表示懸浮泥沙濃度;S＊為水流的懸浮泥沙挾沙力公式;u、v分別為x、y方向上的速度分量;εx、εy為懸浮泥沙在 x、y方向上的擴散系數(shù);α為恢復飽和系數(shù),α=0.15～0.4;ω為懸浮泥沙的沉降速度,根據(jù)相關資料工程海域的懸浮泥沙中值粒徑取0.000 33 mm[5],故ω為5×10-8m/s;SQ=Q/A為事故排放產(chǎn)生的懸浮泥沙的源項,其中Q為懸浮泥沙源強,A為懸浮泥沙源強所在計算節(jié)點的控制面積。

3.2 管道敷設方案

管線路由北部與海域內的螺頭水道航道等多條航道交錯,南部將穿越規(guī)劃中佛渡錨地和東白蓮北錨地等多個錨地。根據(jù)路由穿越區(qū)域的不同,將整條路由分為5段,自北向南依次編號(圖1)。本文對5個工段的管道敷設過程分別進行模擬。各工段采用連續(xù)施工的方式,每天工作時間按10 h計。由于受天氣、波浪等客觀因素的影響,實際敷設工期將較連續(xù)施工長,因而連續(xù)施工為最不利的情況。

3.3 懸浮泥沙源強計算

各段在進行施工時,隨著工程的推進,施工點慢慢向前推移,亦即源強釋放點向前移動。海底懸浮泥沙源強Q(kg/s)按照工程挖沙量的30%計,工程挖沙量根據(jù)開挖進度L、泥沙容重γs、開挖深度H和開挖橫截面寬度W 等參數(shù)計算(式5)：

施工進度L為1m/min,泥沙容重按2 000 kg/m3計算,各工段的的開挖深度和開挖截面寬度不同,故懸浮泥沙的源強也不等,詳見表1。

表1 懸浮泥沙源強Table 1 Intensity o f suspended silt source

3.4 結果分析

3號工段為砂礫區(qū),管道敷設過程中懸浮泥沙產(chǎn)生量為0,因此只對1號、2號、4號、5號工段的模擬結果進行對比分析。根據(jù)模擬計算結果,對大于2 mg/L的懸浮泥沙質量濃度增量(以下簡稱懸沙增量)影響范圍進行了統(tǒng)計分析。各工段懸沙增量的最大影響范圍的出現(xiàn)時刻、面積及分布情況分別見表2、表3和圖7。

1號和5號工段源強相同,但由于管線路由、地形、水流條件等差異,懸浮泥沙輸移差別較大。1號工段所在海區(qū)為淺灘地形,島礁眾多、流速較小,懸浮泥沙不易輸移擴散,2 mg/L以上的懸沙增量影響范圍較小,但懸沙增量大于10 mg/L的影響面積為各段中最大。5號工段位于條帚門水道,為深槽區(qū)、流速較大,懸浮泥沙在短時間內即輸移擴散,因而大部分區(qū)域的懸沙增量小于2mg/L;只在六橫島南岸淺水區(qū)出現(xiàn)懸沙增量大于2 mg/L的影響范圍,且在六橫登陸點附近懸沙增量值較大,最大值為30～35 m g/L。2號工段位于航道區(qū),水深較深、流速較大,在往復流作用下,懸浮泥沙在北部開闊海區(qū)內來回輸移擴散,懸沙增量影響范圍雖較大但增量值在10 m g/L以下。4號工段源強為各段中最大,約為1號和5號工段的3倍,懸浮泥沙隨著往復流在佛渡水道和螺頭水道的高流速區(qū)輸移擴散,2 mg/L以上的懸沙增量影響范圍為各段最大。

表2 懸浮泥沙濃度增量最大影響范圍出現(xiàn)時刻Table 2 Time occurring at themaximum ex tend in the increments of the suspended silt concentration

表3 懸浮泥沙濃度增量最大影響面積Table3 Themaximum ex tend occurring at the increments of suspended silt concentration

圖7 懸浮泥沙濃度增量最大影響范圍分布Fig.7 Themaximum cx tends corresponding to the increments of various silt concentrations

4 結 語

建立的數(shù)學模型經(jīng)實測資料驗證,吻合良好,模型基本適用于本計算海域。懸浮泥沙輸移模型模擬了連續(xù)施工情況下各工段管道敷設產(chǎn)生的懸浮泥沙的輸移、擴散過程,提供了懸浮泥沙的影響范圍和程度。根據(jù)《漁業(yè)水質標準》的人為增加的量不得超過10mg/L的規(guī)定[5],可將懸沙增量為10 mg/L作為安全影響的臨界值。因此,1號工段管道敷設對海水水質影響最大,2號工段管道敷設過程對海水水質影響最小,在5號工段六橫登陸點附近施工時對周邊小范圍水域的海水水質存在較大影響。

模型的建立為進一步的海洋環(huán)境評價和施工期環(huán)保措施的提出提供了科學依據(jù)及技術支持。但模型對懸浮泥沙沉降及再懸浮過程研究不夠深入,需在今后的研究中不斷改進和完善。

[1] 鄭志華,徐碧華.航道疏浚中懸浮泥沙對海水水質和海洋生物影響的數(shù)值研究[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2008,31(2)：105-110

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