懸浮物對海洋環境影響的研究
——以董家口港油品碼頭建設工程為例

趙迎春,王海棠

(國家海洋局北海海洋勘察研究院 青島 266033)

懸浮物對海洋環境影響的研究
——以董家口港油品碼頭建設工程為例

趙迎春,王海棠

(國家海洋局北海海洋勘察研究院 青島 266033)

文章利用MIKE21FM水動力模型,對董家口港油品碼頭工程海域進行潮流數值模擬,在潮流模擬驗證吻合的基礎上,建立了懸浮物輸移、擴散預測模型,預測了工程在基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚過程中引起的懸浮物濃度,給出了懸浮泥沙的最大擴散范圍,以及各類水質的超標面積,分析了工程對海洋水質環境的影響。

董家口港;數值模擬;懸浮物;環境影響

董家口港區是國家樞紐港——青島港的重要組成部分,是以大宗散貨、液體化工品及雜貨運輸為主,逐步發展成為服務腹地物資運輸和臨港產業開發的大型綜合性港區,是青島市“環灣保護、擁灣發展”戰略實施的核心組成部分。作為青島港優化港口布局和實現可持續發展的重要依托,董家口港在油品碼頭的建設中,港池疏浚、吹填和基槽開挖引起的懸浮物輸移擴散,對海域的水質產生影響,其程度不但與工程區底質有關,而且與海域水動力狀況、疏浚方式等密切相關[1]。本研究采用丹麥水力學研究所研制的平面二維數值模型MIKE21FM,預測工程施工產生的懸浮泥沙輸移擴散對海洋環境的影響。

1 潮流數值模型

1.1 模型控制方程

質量守恒方程

動量方程

式中:ζ為水位;h為靜水深;H為總水深,H=h+ζ;u、v分別為x、y方向垂向平均流速;g為重力加速度;f為科氏力參數(f= 2ωsinφ,φ為計算海域所處地理緯度);CZ為謝才系數,,n為曼寧系數;εx、εy為x、y方向水平渦動黏滯系數。

1.2 定解條件

初始條件:

邊界條件:

固定邊界取法向流速為0,即→v·→n=0;在潮灘區采用動邊界處理;水邊界采用預報潮位控制:

式中:A0為平均海面;Fi、(v0+u)i為天文要素;Hi、gi為某分潮調和常數,即振幅與遲角。

1.3 計算域和網格設置

計算域范圍[2]為由灌河口、嶗山灣兩點及岸線圍成的海域,模擬采用非結構三角網格。坐標范圍為34°17′50″N～36°16′11″N, 119°05′42″E～120°33′52″E。為了清楚了解和研究海域潮流場特征,對計算網格進行局部加密。加密區域為由35°30′N線、120°01′E線及岸線圍成的海域。整個模擬區域內由2 681個節點和4 620個三角單元組成,最小空間步長約為10 m(圖1)。

圖1 擬建油品碼頭及引橋周邊網格分布

1.3.1 大海域模型水邊界輸入

開邊界:引用灌河口、嶗山灣的M2、S2、K1和O14個主要分潮調和常數,采用下述公式進行預報潮位,以預報潮位值輸入計算。

式中:fi、i為第i個分潮(這里共取4個分潮:M2、S2、O1和K1)的交點因子和角速度;Hi和Gi是調和常數,分別為分潮的振幅和遲角;V0i+Vi是分潮的幅角。

閉邊界:以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

1.3.2 計算時間步長和底床糙率

模型計算時間步長根據CFL條件進行動態調整,確保模型計算穩定進行,最小時間步長

0.1 s。底床糙率通過曼寧系數進行控制,曼寧系數n取32～45 m1/3/s。

1.3.3 水平渦動黏滯系數[3]

采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky (1963)公式計算水平渦黏系數,表達式如下:

式中:Cs為常數;l為特征混合長度,由Sij=計算得到。

1.4 潮流數值模型及驗證

利用2008年12月14日—15日國家海洋局北海海洋工程勘察研究院于大潮期在工程海域進行的兩個站位潮流和潮位觀測資料,繪制了實測和計算的潮流潮位驗證曲線 (圖2和圖3)。由圖2可以看出,計算值和實測值符合良好,能較好地反映工程周邊海域潮流狀況。

圖2 潮位驗證曲線

圖3 03站流速、流向驗證曲線

1.5 潮流場預測結果

根據工程給出的油品碼頭及引橋位置和竣工后的水深,預測了工程建成后的海域流場,由計算知海域整體流場與工程前流場相比,變化不大,只在工程附近海域,流場有較大的變化(圖4和圖5)。圖6為工程前后潮流場比對點,表1為各點比對結果。

結果顯示,油品碼頭及引橋西側1 500 m以外海域流速變化小于15%,南側各點流速變化小于3%,東側代表點流速變幅小于6%,因此,本工程建設對潮流場的影響位于項目用海區1 500 m范圍內。

圖4 工程海域預測潮流場 (漲潮中間時)

圖5 工程海域預測潮流場 (落潮中間時)

圖6 流速、流向對比點位置

2 懸浮泥沙擴散對環境的影響

2.1 水質預測模型

潮流是海域污染物進行稀釋擴散的主要動力因素,在獲得可靠的潮流場的基礎上,通過添加水質預測模塊 (平面二維非恒定的對流—擴散模型),可進行水質預測計算。

2.1.1 二維水質對流擴散控制方程

式中:Dx、Dy為x、y方向的擴散系數;c為污染物濃度;F為衰減系數,模型中取F=0;s為污染物源強,s=QS×CS,其中QS為排放量,CS為濃度。

2.1.2 邊界條件

岸邊界條件:濃度通量為零;

開邊界條件:

入流

式中:Γ為水邊界;P0為邊界濃度,模型僅計算增量影響,取P0=0。

出流

式中:Un邊界法向流速;n為法向。

2.1.3 初始條件

2.2 入海懸浮泥沙源強分析

2.2.1 基槽開挖

采用容量為8 m3的抓斗式抓泥船,每小時按挖泥12斗計,工作能力為96 m3/h,泥水比為2∶3,懸浮泥沙發生量一般為抓泥量的3%～55%[4],分析采用懸浮泥沙的最大發生率5%計,懸浮物發生量為1.41 kg/s。

2.2.2 塊石拋填

拋石一方面由于細顆粒泥沙帶入水中增加水體懸浮物濃度;另一方面拋石擠出的泥沙清除過程也產生顆粒懸浮物。對于前者工程填海采用拋大塊石擠淤,細顆粒泥沙含量極小,當填筑高程高于地面時,填筑料對水體影響更小,故這里不計拋石直接帶入水中的泥沙。拋石擠淤形成的顆粒物懸浮源強按下式計算:

式中:S1為拋石擠淤的懸浮物源強(kg/s);θ1為沉積物天然含水率 (%);ρ1為淤泥中顆粒物濕密度(g/cm3);α1為泥沙中懸浮物顆粒所占百分率(%);P為平均擠淤強度,根據施工方案,P取0.007 5 m3/s。因此,拋石點源的懸浮 泥沙平均源強約為3.80 kg/s。

表1 距工程不同距離處最大流速、流向對比

2.2.3 回填溢流

根據溢流口位置,回填區的泥漿水流經分隔圍堰、多道防污屏沉隔、布設雙層土工布,最后經排水口排出。根據 《山東半島流域水污染綜合排放標準》中一級標準,SS濃度應小于70 mg/L,根據施工現場經驗,溢流口懸浮泥沙濃度很難控制在標準要求范圍內,實際最大濃度可達2 500 mg/L。回填全部采用陸域推填,裝載車載重量為20 m3,每小時卸車30車,則溢流口泥沙溢流速度為600 m3/h。由此計算,溢流口懸浮泥沙源強可達0.42 kg/s。

2.2.4 港池疏浚[5]

采用1 500 m3/h自航耙吸式挖泥船挖泥,耙吸式挖泥船挖泥過程攪動水體產生的懸浮泥沙量與挖泥船類型與大小、耙頭種類、水力吸入能力的大小、作業現場的波浪與水流、現場水鹽度、底質粒徑分布有關;一般距耙頭10～15 m距離處水中SS濃度增加值不超過50 mg/L。疏浚滿艙溢流泥沙量(Q值)最大為15 t/h,懸浮泥沙源強為4.2 kg/s。

2.3 入海懸浮泥沙發生點位置

為了獲得懸浮泥沙擴散最大外包絡線,基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚泥沙發生點均設置在相應位置的外邊緣線處。

2.4 預測懸浮泥沙濃度增量分布

本工程大潮期間基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚施工環節中產生的懸浮泥沙擴散范圍[6]如表2所示。將以上施工過程產生的懸浮泥沙擴散范圍疊加后,可知大潮期間施工產生懸浮泥沙的最大擴散范圍 (圖7)。施工期間產生的懸浮泥沙10 mg/L等值線向北最大擴散距離約為1.7 km,向東最大擴散距離約為2.1 km,向南最大擴散距離約為3.4 km,向西最大擴散距離約為3.0 km。10 mg/L等值線最大影響范圍包絡線所圍面積約為25.656 km2。

表2 工程施工各環節產生懸浮泥沙擴散最大范圍 km2

圖7 工程施工產生懸浮泥沙最大擴散范圍

3 環境影響分析

根據海水水質標準GB 3097—1997可知,港池疏浚對海水影響面積最大,超一 (二)類水質面積達24.546 km2;劣四類水質面積為0.837 km2。其次為基槽開挖,影響范圍最小的是回填溢流。工程施工所產生的懸浮泥沙對水質環境的影響主要位于工程用海區南側,北側由于現有壩體的阻隔對水質基本無影響,在此小范圍內,會對浮游生物的生長和繁殖造成一定影響;但施工結束后,水體中懸浮物含量會很快恢復到施工前的本底水平。魚類對懸浮體污染的耐受性較強,一般而言,當懸浮體濃度不超過200 mg/L,而且影響時間較短時,不會直接導致魚類死亡,而且魚類具有游泳能力,可以逃避到周圍無害的海域;從圖8中可以看出,在距工程西南向5 km2處有日照市西施舌海洋保護區,根據施工期懸浮泥沙擴散數值模擬,施工期間產生的懸浮泥沙10 mg/L等值線向西最大擴散距離約為3.0 km,因此本工程不會對其產生影響。另外,因港口的規劃建設已對周邊的養殖業進行了搬遷和補償,工程用海范圍已經沒有養殖業戶,懸浮泥沙的污染擴散也將隨工程的結束而停止,所以對養殖業不產生影響。

4 結束語

采用丹麥水力學研究所研制的平面二維數值模型MIKE21FM,建立的懸浮物輸移、擴散模式,適用于碼頭基槽開挖、港池疏浚等產生的懸浮物的輸運擴散,根據工程情況采用間斷源計算更加符合實際。懸浮物輸運擴散計算表明,在正常作業情況下,懸浮物只對海區碼頭西、南側3.0 km范圍內有影響,對其他水域不構成威脅。基槽開挖期間不會對海區生物的生長和生存造成明顯影響;港池疏浚作業過程中,在局部小范圍內對少數漁業種類的幼體生存造成影響。

[1] 徐明德,婁安剛.Study on prediction for transportand diffusion of dredged matter in Jiaozhou Bay, China[J].海洋與湖沼,2001,19(3).

[2] 陳國珍,鈕因義,文圣常,等.渤海、黃海、東海海洋圖集.水文[M].北京:海洋出版社,1992.

[3] SMAGORINSKY J.General circulation experiment with the primitive equations[J].Monthly Weather Review,1963,91(3)99-164.

[4] GALAPPATTI G.A depth-integrated model forsuspended sediment transport[J].Journal of Hydraulic Research,1985,23(4).

[5] 匡良,婁安剛,楊毅,等.海陽港碼頭擴建工程懸浮物對海洋環境影響預測研究[J].中國水運,2007,7 (2):67-70.

[6] 唐軍,沈永明,邱大洪.近岸沿岸流及污染物運動的數值模擬[J].海洋學報,2008,30(1):148-155.