考慮浮游生物量損失的疏浚船舶選型方法研究

宋向群，喬菲菲，王文淵，張 祺

（大連理工大學(xué)，大連116024）

考慮浮游生物量損失的疏浚船舶選型方法研究

宋向群，喬菲菲，王文淵，張 祺

（大連理工大學(xué)，大連116024）

疏浚工程施工產(chǎn)生的懸浮物會(huì)對(duì)周圍海域的浮游生物造成不利影響。文章通過建立近海懸浮物的二維輸移擴(kuò)散模型，研究不同類型、疏浚效率的挖泥船作業(yè)中心的懸浮物濃度，結(jié)合懸浮物濃度變化量與浮游生物量損失的關(guān)系，構(gòu)建基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型。以某一基槽疏浚工程為例，當(dāng)采用抓斗式挖泥船進(jìn)行疏浚工程施工時(shí)，研究施工期間疏浚工程對(duì)浮游生物量損失的影響，在僅考慮浮游生物量損失的條件下，為疏浚工程施工選用合理疏浚效率的挖泥船。研究結(jié)果表明，在施工工期允許的條件下應(yīng)選擇疏浚效率較小的挖泥船，以減少疏浚懸浮物對(duì)浮游生物的影響。

疏浚工程；懸浮物；挖泥船選擇；生物量損失

疏浚船舶作業(yè)時(shí)會(huì)在施工區(qū)域產(chǎn)生高濃度含沙水體，導(dǎo)致附近區(qū)域水體懸浮物濃度增大、毒害物質(zhì)增加，對(duì)附近水域的生態(tài)環(huán)境帶來影響。因此，疏浚工程產(chǎn)生的懸浮物對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響已成為港口建設(shè)者和海洋環(huán)境保護(hù)者普遍關(guān)注的問題。徐明德等［1］認(rèn)為工程在港池疏浚、吹填和基槽開挖過程中引起的懸浮物對(duì)海域水質(zhì)的污染程度，與疏浚區(qū)的底質(zhì)粒度、海域水文狀況、疏浚方式等密切相關(guān)；曾小輝等［2］采用移動(dòng)點(diǎn)源建立航道工程施工期懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散模型，分析了疏浚懸浮物對(duì)水環(huán)境的影響；李駿旻等［3］將生物量損失的計(jì)算結(jié)合到水質(zhì)模擬中，構(gòu)建了一套計(jì)算填海工程造成水生生物量損失的方法；喬世珊［4］在探討影響挖泥船選型的主要因素時(shí)簡(jiǎn)要提出了關(guān)于排泥場(chǎng)和噪音控制的環(huán)保要求。上述研究大多定性分析了不同類型挖泥船的污染機(jī)理以及懸浮物對(duì)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的直接或間接影響，重點(diǎn)從技術(shù)、工效等方面論述了挖泥船的選型方法，并未從生物量損失方面研究選擇挖泥船的方法。

疏浚工程產(chǎn)生的懸浮物對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在其對(duì)浮游生物、底棲生物和魚類等海洋生物的破壞。懸浮物濃度過高以及持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)顯著影響浮游植物和浮游動(dòng)物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響整個(gè)海區(qū)的資源狀況，因此研究懸浮物對(duì)浮游生物的影響十分有必要。由于挖泥船施工時(shí)作業(yè)中心產(chǎn)生的懸浮物濃度與挖泥船類型、疏浚效率、水文、海底底質(zhì)等因素有關(guān)，因此本文通過量化挖泥船作業(yè)中心懸浮物濃度增量，并結(jié)合懸浮物濃度變化量與浮游生物量損失的關(guān)系，構(gòu)建基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，在僅考慮浮游生物量損失的條件下，為疏浚工程選用合理的挖泥船提供理論基礎(chǔ)。

1 疏浚工程對(duì)浮游生物的影響

疏浚工程對(duì)港口海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物的影響主要表現(xiàn)在懸浮物濃度對(duì)其的影響［5］。在疏浚過程中，附近水域由于底質(zhì)表層土質(zhì)受到擾動(dòng)，將產(chǎn)生大量的疏浚懸浮物，其中的細(xì)小微粒會(huì)隨海水的運(yùn)動(dòng)而遷移，致使水中懸浮物濃度增加、海水透明度下降。

懸浮物對(duì)浮游植物的影響，主要體現(xiàn)在懸浮物阻礙浮游植物的光合作用，影響其生長(zhǎng)速率和生產(chǎn)力。測(cè)點(diǎn)的懸浮物濃度隨測(cè)點(diǎn)與施工點(diǎn)距離的增加而迅速下降［6］。因此，疏浚工程對(duì)周圍水體中浮游植物產(chǎn)生影響的范圍主要在挖泥區(qū)附近。

懸浮物對(duì)浮游動(dòng)物的影響，主要體現(xiàn)在擾亂浮游動(dòng)物的體內(nèi)系統(tǒng)，破壞其生理功能。浮游動(dòng)物受影響程度和范圍與浮游植物相似［7］。

2 基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型

2.1挖泥船疏浚效率與作業(yè)中心懸浮物濃度增量的關(guān)系

疏浚懸浮物發(fā)生量是指單位時(shí)間內(nèi)疏浚懸浮物的產(chǎn)生量。疏浚懸浮物的發(fā)生量、擴(kuò)散范圍受施工機(jī)具類型、施工工藝、水流條件和海底底質(zhì)的影響［8］。在實(shí)際工程中，疏浚作業(yè)懸浮物發(fā)生量一般采用行業(yè)相關(guān)規(guī)范［9］推薦的公式進(jìn)行估算，它與挖泥船疏浚效率有關(guān)

式中：Q為懸浮物發(fā)生量，t/h；R為發(fā)生系數(shù)為W0時(shí)的懸浮物粒徑累計(jì)百分比（％）；R0為現(xiàn)場(chǎng)流速懸浮物臨界粒徑累計(jì)百分比（％）；W0為懸浮物發(fā)生系數(shù)，t/m3；T為挖泥船疏浚效率，m3/h。參數(shù)的取值可以采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法確定，也可采用規(guī)范［9］給出的參考值，與挖泥船的類型、水流、海底底質(zhì)等因素有關(guān)。

挖泥船作業(yè)時(shí)可以假定作業(yè)中心周圍一定范圍內(nèi)存在一個(gè)恒定濃度的泥沙源，此泥沙源直接引起作業(yè)中心懸浮物濃度的增加［10］。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，泥沙源濃度可以通過公式進(jìn)行估算，式中：C為泥沙源濃度，kg/m3；q為挖泥點(diǎn)流量，m3/s。因此，懸浮物發(fā)生量和作業(yè)中心懸浮物濃度增量具有一次函數(shù)的關(guān)系

式中：ΔSmax為挖泥船作業(yè)中心懸浮物濃度增量，mg/L；α、β為與水流、海底底質(zhì)等條件相關(guān)的參數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合來確定。

根據(jù)式（1）和式（2），挖泥船疏浚效率與作業(yè)中心懸浮物濃度增量的關(guān)系可表示為

2.2挖泥船作業(yè)中心水域浮游生物死亡率

浮游生物死亡率與懸浮物濃度遵從Logistic方程［3］，根據(jù)挖泥船疏浚效率與作業(yè)中心懸浮物濃度增量關(guān)系，可得挖泥船作業(yè)中心水域浮游生物死亡率計(jì)算式如下

式中：nSmax為挖泥船作業(yè)中心水域浮游生物的死亡率；r為一個(gè)表達(dá)懸浮物毒殺增值能力的參數(shù)；LC50為懸浮物對(duì)浮游生物的半致死濃度，mg/L；S0為懸浮物本底濃度，mg/L。

2.3疏浚工程造成的浮游生物量損失

由于一類海水水質(zhì)［11］（人為造成懸浮物增加的量不得超過10 mg/L）適用于保護(hù)海洋生物資源，因此本文只考慮濃度增量超過10 mg/L的懸浮物對(duì)浮游生物量的影響。將懸浮物濃度增量按照10 mg/L的梯度進(jìn)行劃分，得到每一個(gè)梯度濃度ΔSLi（i=1，2，…，n）（mg/L），則ΔSLi=（10i～10（i+1））（i=1，2，…，n-1），ΔSLn=（10n～ ΔSmax），其中假設(shè)每一個(gè)梯度濃度ΔSLi對(duì)應(yīng)的懸浮物擴(kuò)散面積為Ai（m2）。取任一梯度濃度擴(kuò)散面積Ai內(nèi)的懸浮物濃度增量ΔSi為平均濃度（mg/L），即ΔSi=10i+5（i=1，2，…，n-1），則任一梯度濃度擴(kuò)散面積Ai內(nèi)的浮游生物死亡率為

任一梯度濃度擴(kuò)散面積Ai內(nèi)的浮游生物量預(yù)測(cè)損失為

疏浚懸浮物擴(kuò)散影響范圍內(nèi)的浮游生物量損失為

對(duì)于浮游生物而言，疏浚工程造成的生物量損失ΔLS等于生物量損失減去生物量本底損失［3］。疏浚工程造成的浮游生物量損失可表示為

在考慮生態(tài)損失的條件下，選擇挖泥船時(shí)應(yīng)使疏浚工程造成的浮游生物量損失最小。因此，本文構(gòu)建以下優(yōu)化模型。

目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

式中：t為疏浚作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，h；B為總的挖方量，m3；t0為工程要求的施工時(shí)間，h。

3 算例分析

以北方某港區(qū)的基槽疏浚工程為例，采用抓斗式挖泥船進(jìn)行基槽挖泥，挖泥疏浚量共9.8萬m3，挖泥疏浚施工期為300 h。應(yīng)用基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，分析抓斗式挖泥船疏浚效率對(duì)浮游生物量損失的影響。

圖1 懸浮物發(fā)生量-作業(yè)中心懸浮物濃度增量擬合曲線Fig.1The fitted curve between occurrence quantity of SS and concentration increment of SS in operation center

圖2 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游植物生物量損失關(guān)系曲線Fig.2The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of phytoplankton

工程區(qū)水體本身的最大懸浮物濃度S0=10 mg/L。浮游生物受影響前的平均生物量分別為：浮游植物CS=24 mg/m3，浮游動(dòng)物CS=138 mg/m3。生物量損失計(jì)算主要參數(shù)取值：r=0.065，浮游植物L(fēng)C50=100 mg/L，浮游動(dòng)物考慮基槽土質(zhì)，可供選擇的挖泥船為疏浚效率100～700 m3/h的抓斗式挖泥船。

3.1計(jì)算結(jié)果

建立近海懸浮物二維輸移擴(kuò)散模型，采用單個(gè)恒定源強(qiáng)排放，考慮該點(diǎn)源擴(kuò)散的影響。對(duì)于該港區(qū)的淤泥質(zhì)底質(zhì)而言，在懸浮物發(fā)生量不同的情況下，作業(yè)中心懸浮物濃度增量的模擬結(jié)果如圖1所示，經(jīng)曲線擬合，得到懸浮物發(fā)生量與作業(yè)中心懸浮物濃度增量的關(guān)系式，R2=0.999 9，如式（11）所示。

該擬合曲線的表達(dá)式如下

應(yīng)用基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，得到抓斗式挖泥船疏浚效率與浮游生物量損失的關(guān)系曲線如圖2～圖5所示。

圖3 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游動(dòng)物生物量損失關(guān)系曲線Fig.3The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of zooplankton

圖4 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量損失率關(guān)系曲線Fig.4The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss ratio of plankton

圖5 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量總損失關(guān)系曲線Fig.5The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass total loss of plankton

3.2結(jié)果分析

（1）由圖2～圖4可知，當(dāng)使用抓斗式挖泥船進(jìn)行基槽疏浚時(shí)，浮游植物和浮游動(dòng)物的生物量損失均隨著挖泥船疏浚效率的增加而增加，但浮游植物的生物量損失率要遠(yuǎn)小于浮游動(dòng)物。由此可知，浮游動(dòng)物受疏浚作業(yè)的影響程度比浮游植物大。

（2）由圖5可知，當(dāng)使用抓斗式挖泥船進(jìn)行基槽疏浚時(shí)，工程造成的浮游生物量總損失隨著挖泥船疏浚效率的增加而增加。為了不影響施工工期，抓斗式挖泥船的疏浚效率不應(yīng)小于327 m3/h，因此本工程宜選擇400 m3/h的抓斗式挖泥船進(jìn)行疏浚施工，以保證工程對(duì)浮游生物的影響最小。

4 結(jié)論

本文對(duì)挖泥船作業(yè)中心懸浮物濃度增量進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，并以抓斗式挖泥船為例分析了疏浚效率對(duì)浮游生物量損失的影響。若疏浚工程可以采用多種類型的挖泥船進(jìn)行施工，應(yīng)根據(jù)不同挖泥船的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型進(jìn)行比選，以選出對(duì)浮游生物影響最小的挖泥船類型及疏浚效率。算例結(jié)果表明，僅考慮浮游生物量損失時(shí)，在施工工期允許的條件下抓斗式挖泥船應(yīng)盡可能地采用較小的疏浚效率，以減少疏浚懸浮物的釋放和擴(kuò)散，有效防治疏浚工程對(duì)浮游生物的破壞。本文在研究疏浚工程對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響時(shí)僅考慮了懸浮物濃度對(duì)浮游生物的影響，懸浮物濃度對(duì)底棲生物、魚類等其他海洋生物的影響有待進(jìn)一步研究，以期此模型能在保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］XU M D，LOU A G，WANG B D.Study on prediction for transport and diffusion of dredged matter in Jiaozhou Bay，China［J］.Chi?nese Journal of Oceanology and Limnology，2001，19（3）：287-292.

［2］曾小輝，吳迪，肖筍.施工產(chǎn)生的懸浮泥沙對(duì)附近海域水質(zhì)影響的定量預(yù)測(cè)分析［J］.水運(yùn)工程，2013（9）：41-44. ZENG X H，WU D，XIAO S.Quantitative analysis and prediction of impact from suspended sediment produced during construction on inshore water quality［J］.Port&Waterway Engineering，2013（9）：41-44.

［3］李駿旻，黃平，李毅能，等.填海工程水生生物量損失計(jì)算方法的探討［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2009，28（2）：92-97. LI J M，HUANG P，LI Y N，et al.A method for calculating biomass loss due to reclamation［J］.Journal of Tropical Oceanography，2009，28（2）：92-97.

［4］喬世珊.挖泥船的選型探討［J］.水利電力施工機(jī)械，1996，18（4）：3-9. QIAO S S.The principle of dredger model selection［J］.Construction Machinery for Hydraulic Engineering&Power Station，1996，18（4）：3-9.

［5］楊虹，肖青，潘洛安.近岸工程施工期對(duì)海洋生物的影響及其減緩措施［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2012，31（4）：150-155. YANG H，XIAO Q，PAN L A.Influences of inshore project construction on marine biota and their mitigation measures［J］.Shanghai Environmental Sciences，2012，31（4）：150-155.

［6］車宏宇.營(yíng)口港擴(kuò)建工程懸浮物對(duì)海域環(huán)境影響分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22（2）：48-50. CHE H Y.Impacts of suspended substance from the expansion engineering of Yingkou port on oceanic environment［J］.Journal of Meteorology and Environment，2006，22（2）：48-50.

［7］曹偉，李濤.水運(yùn)工程對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］.中國(guó)資源綜合利用，2009，27（11）：26-30. CAO W，LI T.Analysis on the impact of waterway engineering on marine ecosystem［J］.China Resources Comprehensive Utiliza?tion，2009，27（11）：26-30.

［8］郭珊.疏浚施工對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響及防治對(duì)策研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2006.

［9］JTS 105-1-2011，港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范［S］.

［10］吳修廣，季大閏，史英標(biāo)，等.港池和航道疏浚過程中懸浮泥沙擴(kuò)散輸移的數(shù)值模擬［J］.水運(yùn)工程，2006（8）：87-91. WU X G，JI D R，SHI Y B，et al.Numerical Simulation of Suspended Sediment′s Transportation During Dredging of Harbor Basin and Channel［J］.Port&Waterway Engineering，2006（8）：87-91.

［11］GB 3097-1997，海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Research on method of dredging vessels selection based on plankton biomass loss

SONG Xiang?qun,QIAO Fei?fei,WANG Wen?yuan,ZHANG Qi
（Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

The suspended substance(SS)produced by dredging engineering construction can produce adverse influence on the aquatic organisms in the surrounding sea.Through establishing a two?dimensional model of trans?port and diffusion of SS,the concentration of SS in the operation center of different types and dredging efficiencies of dredgers were studied in this paper.According to the relationship of SS concentration variation and plankton bio?mass loss,a dredger selection model considering the plankton biomass loss was built.A foundation trench dredging engineering was taken as an example to illustrate the impact of dredging engineering on the plankton biomass loss during construction period,when carrying out dredging engineering construction by using grab dredger.Considering the plankton biomass loss,a decision support for dredger selection in dredging engineering was provided.The re?sults show that dredger with smaller dredging efficiency should be chosen under the condition of allowable construc?tion period,in order to reduce the effect of SS on plankton.

dredging engineering；suspended substance(SS);dredger selection;biomass loss

X 174；U 616

A

1005-8443（2016）02-0198-05

2015-03-30；

2015-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279026）

宋向群(1959-)，女，遼寧省人，教授，主要從事港口規(guī)劃與物流方面的研究。

Biography：SONG Xiang?qun（1959-），female，professor.