蒼南海域疏浚物傾倒懸浮物擴散特征現場試驗分析

何東海，何琴燕，吳光榮，江再壽，洪元旦

(國家海洋局 寧波海洋環境監測中心站，浙江 寧波 315012)

隨著我國海洋經濟的發展，疏浚泥傾倒需求日益突出［1］，這些疏浚泥一方面來自港口、航道、碼頭新建和標準提高所需的建設性疏浚工程，另一方面來自由于沿岸海域開發后，原海域的水動力和水下地形沖淤平衡被打破后，加速港口、碼頭、航道的淤積，由此造成的維護疏浚頻率升高，疏浚量不斷增加。隨著傾倒區的不斷增加和傾倒量的不斷增多，疏浚物的海洋傾倒對周邊海洋環境的綜合影響越來越受到人們關注［2-5］。目前我國允許海洋傾倒的主要是Ⅰ類疏浚物即清潔疏浚物［6］，清潔疏浚物由于其毒性較小，對海洋環境的影響主要體現為以下兩方面:一方面傾倒后導致傾倒海域懸浮物含量的增加，對海洋生態環境產生影響，如由于水體中懸浮物濃度的驟升導致水生生物魚鰓積聚細小顆粒物質，影響魚鰓濾水呼吸功能，導致窒息死亡［7］;另一方面則是疏浚物傾倒后在海底的堆積和遷移作用對傾倒區及周邊海域的淤積影響，從而影響對水深要求較高的海洋功能區如航道、碼頭、錨地功能的發揮［8］。掌握疏浚物傾倒后懸浮物擴散特征如擴散距離、擴散強度、擴散范圍、持續時間，對研究分析疏浚物傾倒后懸浮物擴散增量對海洋生態環境的影響及預估疏浚物沉降后在海底的遷移方向和最終歸宿具有十分重要的意義［9］。目前疏浚物傾倒引起的懸浮物擴散特征已成為海洋傾倒區選劃的重點關注內容［10-11］。

由于資金、人員和設備等的限制，目前針對疏浚物傾倒后懸浮物的擴散特征，主要通過數學模擬來實現，如邱桔斐等［12］以長江口北槽口門外傾倒區為例對疏浚拋泥后懸浮物擴散計算模式進行的探討;李佳等［13］以溫州港進港航道疏浚工程的某大型海洋傾倒區為例進行的懸浮物擴散研究。用數值模擬來實現疏浚物拋泥后懸浮物擴散特征的分析，雖然具有經濟、高效、全面等優點，但由于海洋環境的特殊性和復雜性，懸浮物擴散特征是多方面綜合作用的結果，用數值模擬來描述懸浮物擴散特征在直觀性和準確性方面存在一定的缺陷。通過現場觀測手段來進行傾倒物擴散特征研究，目前開展的還較少。吳家學［14］等利用聲學后散射(ABS)泥沙觀測系統能非擾動地遙測到高時空分辨率的泥沙濃度，應用聲學懸浮泥沙觀測系統(ACP)在長江河口北槽拋泥過程中觀測懸沙濃度的時空分布規律，并同步觀測流場的結構，探討拋泥作業狀態下懸沙輸移擴散過程。周明［15］等利用聲學追蹤方法進行堿渣海洋傾倒懸浮物顆粒云團擴散特征研究。上述研究主要是利用聲學對懸浮泥沙散射和反射原理，得出懸浮泥沙濃度。本研究則通過蒼南海域疏浚物傾倒試驗，直接采取水樣來觀測懸浮泥沙擴散濃度，目前采用該方法進行疏浚物傾倒懸浮物擴散特征研究所見甚少，本研究擬為開展同類傾倒試驗提供一些借鑒。

1 材料和方法

1.1 儀器設備

儀器:SLC9-2 直讀式海流計，產自中國海洋大學海洋儀器廠;FYF-1 型便攜式測風儀，產自上海風云氣象測風儀器廠;DGPS，產自美國Trimble 公司;LS200-AL39495 激光粒度儀，產自美國BECKMAN COULTER公司;AE163 電子天平，產自美國METTLER TOLEDO 公司。

船舶:試驗船為開底式排放的700 t 駁船1 艘，觀測船為200 t 左右漁船2 艘。

1.2 觀測方法

參考《海洋傾倒區選劃技術導則》［16］中“廢棄物海上傾倒試驗”的懸浮物擴散觀測方法。

1.2.1 疏浚物粒徑監測

取3 份疏浚物樣品，對其進行粒徑特征值分析，取其均值。

1.2.2 試驗時間

疏浚物海上傾倒試驗于2011年5月進行，均在高平潮開始落潮時進行。在兩個傾倒點(傾倒點A 和傾倒點B)進行了試驗，疏浚物傾倒點設在蒼南東南海域，具體試驗位置和跟蹤觀測軌跡見圖1。

圖1 疏浚物傾倒點和試驗海域Fig.1 The sea area of test and dumping spot

1.2.3 疏浚物裝運及傾倒方式、數量

采用挖泥船，在預疏浚處挖出疏浚物傾倒至駁船，裝載約500 t 左右，運至傾倒點，進行開底式傾倒。

1.2.4 定位方法、精度及實測航跡圖

采用美國產Trimble 信標臺實時差分DGPS 定位系統定位，定位精度優于1 m;觀測終點與傾倒點距離約為3 km，云團基本上按順流方向漂移。

1.2.5 傾倒試驗過程

1)傾倒試驗前對傾倒點做水體中懸浮物濃度和粒徑特征背景調查，分表、底2 層采集水樣。

2)傾倒試驗時傾倒船到達傾倒點，疏浚物傾倒量為500 t，傾倒歷時約為20 s，傾倒方式為瞬時底開門，同時投放鐵粉紅輔助觀測。

3)一艘觀測船錨泊固定在傾倒點(A 點、B點)，在廢棄物傾倒后觀測海流、風況，并用采水器在傾倒前，0 min(傾倒瞬時)、15 min、30 min、60 min、90 min、120 min時刻分表、底層采樣;另一艘船在疏浚物傾倒后跟蹤傾倒物“云團”運移路徑，航速為3 ～4 節，為避免船只螺旋槳轉動擾動水體，在到達云團中心之前20 ～50 m 左右，關閉引擎，利用慣性駛進云團中心，采樣設備安裝在船身中間偏前位置，當船只速度減慢，接近云團中心時，開始采集水樣，采樣時定點觀測船，同時記錄采樣位置(經緯度)。傾倒前和0 時數據采用定點觀測船數據。

4)各采樣點、采樣層次均采3 份平行樣，所采用的懸浮物濃度和懸浮物粒徑特征值分析結果均為平行樣均值。

2 試驗海域自然環境概況

1)試驗期間，A 傾倒點風速為2.9 m/s，風向為75°，海況二級;B 傾倒點風速為3.5 m/s，風向為295°，海況二～三級。

2)傾倒點A 和B 所在海域潮流性質屬于非正規半日淺海潮流，海流均以往復流為主并伴有旋轉性的混合流態，試驗海域漲潮流方向為西北、落潮流方向為東南。試驗期間，A 測站、B 測站表層流速分別為47 ～103 cm/s 和55 ～112 cm/s;A 測站、B 測站底層流速分別為61 ～88 cm/s 和75 ～93 cm/s。

3)試驗海域懸浮物濃度表層為19.0 ～53.1 mg/L，平均為36.3 mg/L，底層為26.4 ～65.8 mg/L，平均為42.5 mg/L。沉積物粒徑傾倒點A 區和傾倒點B 區沉積物類型以粉砂質粘土為主，中值粒徑為4.5 ～11.2 μm，均值為7.2 μm。

3 結果與分析

3.1 疏浚物傾倒后懸浮物擴散過程觀測結果

疏浚物在傾倒點瞬時傾倒后，根據現場目測，產生面積約0.2 ～0.5 km2的片狀云團(見圖2，現場照片)，云團隨著海流很快離開定點觀測船。云團離開定點觀測船后，慢慢形成“環帶狀”，隨著與傾倒點的距離加大，云團范圍也逐漸縮小，色度和形狀逐漸模糊，云團漂移約1 h，漂移距傾倒點1 km 左右，已較難辨認。

3.2 懸浮物粒徑分布特征

3.2.1 觀測海域懸浮物與投放物粒徑分析結果

觀測海域水體中懸浮物與疏浚物粒徑分析結果見表1。由表可知，疏浚物的中值粒徑和平均粒徑要大于傾倒點A 和B 水體中懸浮物的相應特征值。疏浚物中值粒徑分別為傾倒點A 和B 懸浮物粒徑的1.8 倍和1.3 倍，而平均粒徑則分別為傾倒點A 和B 的2.7 倍和2.3 倍。虞蘭蘭等［17］對溫州蒼南海域懸浮物中值粒徑調查結果表明，水體中表層為4 ～12 μm，底層為5 ～15 μm，傾倒點A 和B 粒徑監測結果與其相符，中值粒徑值處于其調查范圍中。

圖2 傾倒云團現場觀測照片Fig.1 The photos of the cloud formed by dumping

表1 試驗海域懸浮物和疏浚物粒度特征值分析結果Tab.1 The grain size of suspended matter in dumping spot and dredged material

3.2.2 試驗期間懸浮物粒徑變化特征

懸浮物粒徑特征值隨疏浚物傾倒時間變化情況見圖3 ～圖4，圖中“D50表”、“D50底”、“DMZ表”和“DMZ底”分別表示表層水體懸浮物中值粒徑、底層水體懸浮物中值粒徑、表層水體懸浮物平均粒徑、底層水體懸浮物平均粒徑。

1)定點觀測:由圖3 可知，傾倒0 時，中值粒徑和平均粒徑有很大的上升，增量分別可達50% ～200%和25% ～100%，而隨著時間的延長，粒徑特征值也隨之逐漸下降，到120 min 左右基本到達傾倒前的水平。而在定點觀測站特別是A 傾倒點，表層懸浮物粒徑在15 min 時中值粒徑和平均粒徑均迅速下降，下降的幅度要高于底層，主要原因一方面是表層流流速較快，傾倒引起的滯留水體表層的疏浚物較快地漂離觀測點，另一方面表層懸浮物的自然沉降，所以在傾倒后15 min，觀測點表層水體中懸浮物已基本不受傾倒影響，粒徑特征也與傾倒前相似。

2)跟蹤觀測:根據3.2.1 節分析結果，疏浚物平均粒徑和中值粒徑大于傾倒海域懸浮物，疏浚物傾倒后一段時間內，水體中的懸浮物以疏浚物為主，導致懸浮物平均粒徑和中值粒徑隨之劇增，而隨著疏浚物的擴散和沉降，疏浚物在水體中含量逐漸減小，隨著傾倒時間的延長，水中懸浮物平均粒徑和中值粒徑也變小，傾倒約120 min 后，水體中懸浮物又以該海域自身的懸浮物為主，粒徑特征值也就恢復到傾倒前的狀態(見圖4)。

圖3 不同傾倒點定點觀測懸浮物特征值Fig.3 The grain size of suspended matter at Spots A and B by fastened boat

圖4 云團追蹤測線懸浮物粒徑特征值Fig.4 The grain size of suspended matter at Spots A and B by tracking boat

3.3 懸浮物擴散

海洋中定點傾倒疏浚物的運動，一般可由三個過程描述:沉降、擴散和輸運。傾倒船底部傾卸入海的疏浚泥，一部分立即沉入海底形成浮泥，另一部分則揚起成為懸沙。浮泥在重力和海洋動力作用下，沿海底流動，懸沙在水中隨海流運動擴散運移，同時發生絮凝沉降。當風浪足以掀起浮泥時，浮泥被攪起形成懸沙，風平浪靜，懸沙落淤再形成浮泥［9］。這里主要側重于疏浚物傾倒后懸沙隨海流的擴散運移。

3.3.1 云團懸浮物濃度與傾倒時間關系

1)由表2 可知，定點觀測中，0 時懸浮物濃度增量較大，15 min 時，表層懸浮物濃度已基本恢復至傾倒前水平，但底層懸浮物濃度仍然較高。30 min、60 min 時表層懸浮物濃度的增量均不明顯，60 min 時底層懸浮物增量也不明顯，由此可見，疏浚物產生的表層懸浮物增量，在15 min 后已沉降或漂離傾倒點，底層懸浮物增量則在60 min 時已十分有限。云團跟蹤觀測過程中底層懸浮物濃度要大于定點觀測值，這是由于追蹤觀測是隨疏浚物漂移路徑而進行的，云團漂移處的懸浮物增量影響較為明顯，同時也說明懸浮物濃度增量影響與云團漂移路徑較為一致。

2)90 min、120 min 時表層和底層懸浮物濃度增量又較為明顯，根據現場觀測，主要是由于這時夾帶高濃度懸浮物的蒼南沿岸落潮流到達觀測海域所致，根據懸浮物的粒度分析結果來看(見3.2 節)，雖然這時懸浮物濃度有所上升，但是懸浮物粒徑特征與傾倒前基本保持一致，由此可見這些懸浮物增量的重要貢獻者不是傾倒物，主要是蒼南沿岸落潮流夾帶的高濃度懸浮物。而傾倒點B 由于離岸較遠，受影響的時間稍顯滯后，表現為在90 min、120 min 時，海水中懸浮物增量程度要小于傾倒點A。

3)蒼南東南海域的疏浚物傾倒試驗表明，大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團在15 ～30 min 后漂離傾倒點，且傾倒點的懸浮物濃度也基本恢復到傾倒前;而傾倒30 ～60 min 后，由傾倒引起的云團基本消失，懸浮物增量效應也基本結束。

表2 懸浮物濃度與云團漂移時間關系Tab.2 The relation between the concentration of suspended matter and the dumping time

葉慧明等［18］對洋山臨時海洋傾倒區疏浚物傾倒懸浮物動態跟蹤監測結果顯示，傾倒引起的懸浮物增量范圍為37.5 ～126.5 mg/L，傾倒1 h 后各觀測站點的懸浮物增量效應已明顯減弱。本研究疏浚物傾倒引起的懸浮物增量要高于其水平，而懸浮物增量效應持續的時間則較為接近。

3.3.2 云團懸浮物濃度與漂移路徑關系

1)由圖5 和圖6 可見，傾倒點表、底層懸浮物都顯示了較高的濃度，表層水體中懸浮物濃度在0.3 km(傾倒點A)和0.4 km(傾倒點B)處由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量已不明顯。而隨著云團追蹤距離的延長，底層水體中懸浮濃度逐漸變小，在距離傾倒點1.4 km(傾倒點A)和1.3 km(傾倒點B)處，底層水體中由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量已不明顯。根據現場觀測，在隨后的觀測距離上由于受到夾帶高濃度懸浮物落潮流的影響，2.2 km 以遠的區域均出現了表、底層水體懸浮物濃度升高的現象。

2)蒼南東南海域的疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團在順流方向距傾倒點0.3 ～0.4 km 處，表層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響已不明顯，在云團漂移至傾倒點1.3 ～1.4 km 處，底層水體受疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響也已不顯著，由此可知，在試驗工況下，疏浚物傾倒引起的對水體懸浮物濃度增高影響在順流方向1.5 km 左右基本結束。

圖5 傾倒點A 云團漂移路徑與懸浮物濃度關系Fig.5 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot A

圖6 傾倒點B 云團漂移路徑與懸浮物濃度關系Fig.6 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot B

洋山臨時海洋傾倒區疏浚物傾倒懸浮物動態觀測結果表明［18］，傾倒引起的懸浮物增量影響最大距離約在順流方向5 km。本研究結果則表明順流方向在1.5 km 左右，要小于上述研究結果。原因之一為洋山與蒼南海域流速差異不大(洋山47 ～107 cm/s，蒼南47 ～112 cm/s)，而洋山海流為典型的往復流，不伴有旋轉流，蒼南海域往復流中伴有旋轉流，所以在擴散性上洋山海域要強于蒼南海域，另一個原因為洋山海域的疏浚物粒徑要小于蒼南海域疏浚物粒徑(洋山5.4 ～7.8 μm，蒼南6.0 ～22.2 μm)，疏浚物本身的擴散性洋山試驗要大于本次試驗。

4 結 語

1)粒度隨時間變化情況:傾倒0 時，懸浮物粒徑的平均粒徑相對于傾倒前增量約為25% ～200%，中值粒徑增量約為25% ～100%;隨后，懸浮物粒徑的平均粒徑和中值粒徑都迅速下降，至傾倒后120 min，各層次懸浮物的平均粒徑和中值粒徑基本恢復到傾倒前水平。

2)懸浮物影響持續時間:蒼南東南海域疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團在15 ～30 min 后漂離傾倒點，且傾倒點的懸浮物濃度也基本恢復到傾倒前;而在傾倒30～60 min 后，由疏浚物引起的云團基本消失，且由傾倒引起的懸浮物增量效應也基本結束。

3)懸浮物影響距離:蒼南東南海域疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團在順流方向距傾倒點0.3 ～0.4 km 處，表層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響已不明顯，在云團漂移至傾倒點1.3 ～1.4 km 處，底層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響也已不顯著，在試驗工況下，疏浚物傾倒引起的對水體懸浮物濃度影響距離在順流方向約1.5 km。

對蒼南海域傾倒活動引起的懸浮物增量影響，在持續時間和擴散距離上進行了探討，但是沒有開展傾倒活動導致的云團面積范圍的觀測，同時由于時間、經費等方面的問題試驗過程沒有涵蓋不同潮次(大、小潮)和潮時(漲、落憩，漲、落急)，在往后開展疏浚物傾倒試驗時需關注上述問題，以便更全面、科學、客觀地掌握試驗海域疏浚物傾倒的懸浮物擴散特征。

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