鏈斗式挖泥船疏浚引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律

陳 杰，蔣昌波，張紹華，胡保安

疏浚業(yè)是與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。挖泥船在疏浚施工過程中不可避免地引起懸浮物，并在潮流等動(dòng)力因素作用下發(fā)生擴(kuò)散，嚴(yán)重地影響了海洋水環(huán)境的質(zhì)量，威脅著水生動(dòng)、植物的生存，影響了海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康［1］。

由于其對(duì)環(huán)境的危害性，許多學(xué)者對(duì)疏浚引起的懸浮物擴(kuò)散開展了大量的研究工作，主要集中在疏浚拋泥引起的懸浮物擴(kuò)散研究［2－4］、挖泥船鉸刀頭引起的底部懸浮物研究［5］、疏浚懸浮物擴(kuò)散規(guī)律的研究［6］及懸浮物對(duì)海洋環(huán)境影響的研究［1］等，研究方法以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)［4］、實(shí)驗(yàn)研究［2］和數(shù)值模擬研究［1，3，5－6］為主。現(xiàn)階段，針對(duì)挖泥船疏浚引起的懸浮物及其擴(kuò)散規(guī)律開展相應(yīng)的研究工作較為少見。因此，為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，作者選取鏈斗式挖泥船為研究對(duì)象，擬開展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析研究，探求鏈斗式挖泥船疏浚引起的懸浮物及其擴(kuò)散規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究

選取某型鏈斗式挖泥船為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)象，對(duì)疏浚區(qū)附近海水的渾濁度開展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。該挖泥船的生產(chǎn)量為500m3／h。觀測(cè)地點(diǎn)為天津港東突提前航道邊緣，海區(qū)底泥的平均中值粒徑為1.7×10－3mm。

圖1 鏈斗式挖泥船引起的懸浮物監(jiān)測(cè)站位及水深情況Fig.1 Position and water depth of field observation for the bucket dredger

現(xiàn)場(chǎng)采樣布點(diǎn)時(shí)，沿挖泥船周圍順潮流下方布設(shè)觀測(cè)含沙量，各測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。為便于結(jié)果描述，建立平面二維直角坐標(biāo)系，以挖泥船左下角點(diǎn)為原點(diǎn)，船寬方向?yàn)閤軸，船長(zhǎng)方向?yàn)閥軸，共布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，分表、中及底3層采集水樣?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用瓶式采樣器，共采得40多個(gè)水樣，用重量法測(cè)得含沙量。觀測(cè)區(qū)域水深情況如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間同步進(jìn)行潮流流速和流向的測(cè)量。觀測(cè)選擇在潮流的流速和流向比較穩(wěn)定、且挖泥船處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)，懸浮物擴(kuò)散范圍較為穩(wěn)定。

表層、中層和底層懸浮物濃度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果以及潮流流向如圖2所示。觀測(cè)期間，表層、中層和底層的流速平均值均為0.10m／s。從圖2中可以看出鏈斗式挖泥船施工時(shí)引起的懸浮物分布情況。由于鏈斗式挖泥船操作中的劇烈動(dòng)作，使得相當(dāng)多的細(xì)顆粒沉積物攪動(dòng)和再懸浮，并沿潮流作用方向擴(kuò)散。

從底層混濁度來(lái)看，挖泥船施工時(shí)，泥沙的懸浮比較嚴(yán)重，距鏈斗式挖泥船20m處的懸浮物濃度達(dá)280mg／L。在潮流下方向，底層懸浮物濃度100mg／L的范圍約100m；底層懸浮物濃度10 mg／L的范圍約170m；距鏈斗式挖泥船約200m處，底層懸浮物濃度與海水含沙量的背景值相同。

中層海水混濁度迅速降低，平面分布呈現(xiàn)由鏈斗式挖泥船向外遞減趨勢(shì)，距挖泥船20m處懸浮物濃度仍高達(dá)200mg／L。除了底層泥沙懸浮量比較大的因素外，與泥斗提升過程中表層的軟質(zhì)及細(xì)顆粒物質(zhì)灑漏也有一定的關(guān)系。在潮流下方向，中層懸浮物濃度100mg／L的范圍約20m；中層懸浮物濃度10mg／L的范圍約160m；距鏈斗式挖泥船約190m處，中層懸浮物濃度與海水含沙量的背景值相同。

表層水體中懸浮物濃度較低，距挖泥船20m處懸浮物濃度仍達(dá)108mg／L。表層混濁度增加的主要原因是底層泥沙的懸浮以及泥斗提升橫移過程中和向泥駁倒過程中的灑漏。在潮流下方向，表層懸浮物濃度100mg／L的范圍約75m；表層懸浮物濃度10mg／L的范圍約150m；距鏈斗式挖泥船約160m處，表層懸浮物濃度與海水含沙量的背景值相同。

2 擴(kuò)散規(guī)律分析

圖2 鏈斗式挖泥船引起的懸浮物擴(kuò)散分布Fig.2 Field observation results of suspended solids diffusion induced by the bucket dredger

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得出該型鏈斗式挖泥船在平均水深為7m、流向穩(wěn)定平均流速為0.10m／s的潮流作用下懸浮物擴(kuò)散情況。通過進(jìn)一步分析，推求出該型鏈斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情況下疏浚施工引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律。

懸浮物在水體中的擴(kuò)散可以用三維泥沙對(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)進(jìn)行描述：

式中：x，y，z分別為坐標(biāo)系中3個(gè)軸所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；c為懸浮物濃度；t為時(shí)間；u，v，w 分別為流速在x，y，z方向上的分量；ws為懸浮物沉降速度；εx，εy，εz分別為x，y，z 方向上的擴(kuò)散系數(shù)；S 為懸浮物源項(xiàng)。

鏈斗式挖泥船作業(yè)時(shí)，其位置固定。當(dāng)它長(zhǎng)期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，將其概化為一個(gè)固定的連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散?？紤]水深平均的平面二維情況，并考慮到潮流是懸浮物擴(kuò)散的主要因素，則式（1）可簡(jiǎn)化為：

式中：C為水深平均懸浮物濃度。

根據(jù)Socolofsky［7］等人研究成果，可推求出式（2）的時(shí)間連續(xù)、源強(qiáng)恒定狀態(tài)的分析解為：

式中：ε為平均擴(kuò)散系數(shù)；m 為懸浮物源項(xiàng)；h為平均水深。

式（3）中，流速u與x方向一致。式（3）為該型鏈斗式挖泥船正常疏浚作業(yè)時(shí)引起懸浮物擴(kuò)散的水深平均表達(dá)式。

圖3 天津港淤泥沉降速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of sediment settling velocity in Tianjin Port

孫連成［8］等人通過環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)天津港淤泥沉降速度進(jìn)行研究，如圖3所示，得到在海水含鹽度為30時(shí)的不同流速、不同含沙量的沉速結(jié)果。因此本研究中懸浮物沉降速度ws可根據(jù)流速u的大小參照?qǐng)D3進(jìn)行取值。

考慮不同兩點(diǎn)（x1，y1）和（x2，y2）處水深平均懸浮物濃度分別為：

將式（4）除以式（5），得：

因此，式（6）中消去懸浮物源項(xiàng)m，只剩下擴(kuò)散系數(shù)ε。觀測(cè)期間，潮流平均流速為0.10m／s，水域平均水深為7m。根據(jù)圖3，泥沙沉降速度ws取4.1×10－4m／s。基于圖2（d）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，選取兩點(diǎn)的水深平均懸浮物濃度，代入式（6），即可求得擴(kuò)散系數(shù)。通過多次推求，最終得到平均擴(kuò)散系數(shù)ε為1.46×104cm2／s。再將ε和ws代入式（3），可求得懸浮物源項(xiàng)m 為6.23kg／s。最終得到該型鏈斗式挖泥船正常疏浚作業(yè)時(shí)引起的懸浮物擴(kuò)散水深平均表達(dá)式為：

根據(jù)式（7），可推求該型鏈斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情況下疏浚施工引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律。將式（7）理論計(jì)算結(jié)果與圖2（d）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水深平均結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以得出：在距挖泥船100m以內(nèi)，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，誤差在5%之內(nèi)。在距挖泥船100m以外，懸浮物濃度擴(kuò)散范圍理論計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大。理論計(jì)算時(shí)，考慮的是恒定流的情況。但在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，潮流流速是非恒定的，表層流速在0.07～0.14m／s之間變化，中層流速在0.06～0.12m／s之間變化，底層流速在0.05～0.13m／s之間變化。同時(shí)，觀測(cè)水域地形也存在高低起伏，這些都是造成理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異的原因。從總體上看，理論計(jì)算結(jié)果較為滿意，滿足工程使用要求。

最后，討論該型鏈斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情況下疏浚施工引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律。采用天津港2007年11～12月水文全潮潮段平均流速現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果［8］?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)于2007.11.26～2007.11.27和2007.12.04～2007.12.05，在天津港附近海域進(jìn)行，共布設(shè)了8條垂線進(jìn)行大、小潮的水文全潮觀測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)全潮資料統(tǒng)計(jì)分析，得到了天津港海區(qū)潮流主要特征值，見表1。

表1 天津港2007年11～12月水文全潮潮段平均流速Table 1 Average current velocity during tidal wave period from November to December 2007in Tianjin Port

該型鏈斗式挖泥船在天津港疏浚作業(yè)引起的懸浮物沿潮流作用擴(kuò)散距離理論計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，距離鏈斗式挖泥船越遠(yuǎn)，垂線平均懸浮物濃度越小。隨著擴(kuò)散距離的增大，垂線平均懸浮物濃度的減少較為緩慢，這與天津港細(xì)顆粒泥沙難于沉降有關(guān)。潮落潮期間，由于流速相差不大，因此漲落潮對(duì)疏浚時(shí)懸浮物擴(kuò)散影響較小。水深對(duì)懸浮物擴(kuò)散影響較大，水深越淺，懸浮物擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。

采用三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（懸浮物濃度100mg／L）和二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（懸浮物濃度10mg／L）來(lái)評(píng)價(jià)懸浮物是否對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。大潮時(shí)，5m水深情況下，垂線平均懸浮物濃度100mg／L的范圍約為10m，垂線平均懸浮物濃度10mg／L的范圍約750m；10m水深情況下，垂線平均懸浮物濃度均小于100mg／L，垂線平均懸浮物濃度10mg／L的范圍約220m。小潮時(shí)，5m水深情況下，垂線平均懸浮物濃度100mg／L的范圍約14m，垂線平均懸浮物濃度10mg／L的范圍約800m；10m水深情況下，垂線平均懸浮物濃度均小于100mg／L，垂線平均懸浮物濃度10mg／L的范圍約290m。

圖4 鏈斗式挖泥船在天津港疏浚作業(yè)引起的懸浮物擴(kuò)散理論計(jì)算結(jié)果Fig.4 The oretical results of suspended solids diffusion induced by bucket dredger in Tianjin Port

3 結(jié)論

選取某型鏈斗式挖泥船為研究對(duì)象，開展疏浚作業(yè)時(shí)引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律研究。開展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得到了挖泥船正常作業(yè)時(shí)在流向、流速穩(wěn)定的潮流作用下懸浮物擴(kuò)散情況，發(fā)現(xiàn)由于斗輪挖泥時(shí)對(duì)底泥擾動(dòng)幅度較大，因而使得底泥懸浮，對(duì)周圍水域環(huán)境的影響很大。基于對(duì)流擴(kuò)散方程開展理論推導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，得到了該型鏈斗式挖泥船正常疏浚作業(yè)時(shí)引起的懸浮物擴(kuò)散水深平均表達(dá)式，可方便、快捷地進(jìn)行懸浮物擴(kuò)散范圍及其濃度的估算，為最大限度地減少環(huán)境污染、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù)。對(duì)該型鏈斗式挖泥船在天津港施工可能引起的懸浮物擴(kuò)散范圍進(jìn)行了討論。分析結(jié)果表明：距離鏈斗式挖泥船越遠(yuǎn)，平均懸浮物濃度越小。隨著擴(kuò)散距離的增大，平均懸浮物濃度的減少較為緩慢。水深對(duì)懸浮物擴(kuò)散的影響較大。水深越淺，懸浮物擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。

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