鏈斗式挖泥船疏浚引起的懸浮物擴散規律

陳 杰，蔣昌波，張紹華，胡保安

疏浚業是與國民經濟發展息息相關的基礎產業。挖泥船在疏浚施工過程中不可避免地引起懸浮物，并在潮流等動力因素作用下發生擴散，嚴重地影響了海洋水環境的質量，威脅著水生動、植物的生存，影響了海洋生態系統的健康［1］。

由于其對環境的危害性，許多學者對疏浚引起的懸浮物擴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］、疏浚懸浮物擴散規律的研究［6］及懸浮物對海洋環境影響的研究［1］等，研究方法以現場觀測［4］、實驗研究［2］和數值模擬研究［1，3，5－6］為主。現階段，針對挖泥船疏浚引起的懸浮物及其擴散規律開展相應的研究工作較為少見。因此，為彌補現有研究的不足，作者選取鏈斗式挖泥船為研究對象，擬開展現場觀測與分析研究，探求鏈斗式挖泥船疏浚引起的懸浮物及其擴散規律。

1 現場觀測研究

選取某型鏈斗式挖泥船為現場觀測對象，對疏浚區附近海水的渾濁度開展現場觀測。該挖泥船的生產量為500m3／h。觀測地點為天津港東突提前航道邊緣，海區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測站位及水深情況Fig.1 Position and water depth of field observation for the bucket dredger

現場采樣布點時，沿挖泥船周圍順潮流下方布設觀測含沙量，各測點位置如圖1所示。為便于結果描述，建立平面二維直角坐標系，以挖泥船左下角點為原點，船寬方向為x軸，船長方向為y軸，共布置11個測點，分表、中及底3層采集水樣。現場觀測采用瓶式采樣器，共采得40多個水樣，用重量法測得含沙量。觀測區域水深情況如圖1所示。現場觀測期間同步進行潮流流速和流向的測量。觀測選擇在潮流的流速和流向比較穩定、且挖泥船處于正常穩定工作狀態，懸浮物擴散范圍較為穩定。

表層、中層和底層懸浮物濃度現場觀測結果以及潮流流向如圖2所示。觀測期間，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作，使得相當多的細顆粒沉積物攪動和再懸浮，并沿潮流作用方向擴散。

從底層混濁度來看，挖泥船施工時，泥沙的懸浮比較嚴重，距鏈斗式挖泥船20m處的懸浮物濃度達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，平面分布呈現由鏈斗式挖泥船向外遞減趨勢，距挖泥船20m處懸浮物濃度仍高達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及細顆粒物質灑漏也有一定的關系。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 擴散規律分析

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

通過現場觀測，得出該型鏈斗式挖泥船在平均水深為7m、流向穩定平均流速為0.10m／s的潮流作用下懸浮物擴散情況。通過進一步分析，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散規律。

懸浮物在水體中的擴散可以用三維泥沙對流擴散方程來進行描述：

式中：x，y，z分別為坐標系中3個軸所對應的坐標；c為懸浮物濃度；t為時間；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 方向上的擴散系數；S 為懸浮物源項。

鏈斗式挖泥船作業時，其位置固定。當它長期處于穩定工作狀態時，將其概化為一個固定的連續點源擴散。考慮水深平均的平面二維情況，并考慮到潮流是懸浮物擴散的主要因素，則式（1）可簡化為：

式中：C為水深平均懸浮物濃度。

根據Socolofsky［7］等人研究成果，可推求出式（2）的時間連續、源強恒定狀態的分析解為：

式中：ε為平均擴散系數；m 為懸浮物源項；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時引起懸浮物擴散的水深平均表達式。

圖3 天津港淤泥沉降速度實驗結果Fig.3 Experimental results of sediment settling velocity in Tianjin Port

孫連成［8］等人通過環形水槽實驗，對天津港淤泥沉降速度進行研究，如圖3所示，得到在海水含鹽度為30時的不同流速、不同含沙量的沉速結果。因此本研究中懸浮物沉降速度ws可根據流速u的大小參照圖3進行取值。

考慮不同兩點（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m，只剩下擴散系數ε。觀測期間，潮流平均流速為0.10m／s，水域平均水深為7m。根據圖3，泥沙沉降速度ws取4.1×10－4m／s。基于圖2（d）現場觀測結果，選取兩點的水深平均懸浮物濃度，代入式（6），即可求得擴散系數。通過多次推求，最終得到平均擴散系數ε為1.46×104cm2／s。再將ε和ws代入式（3），可求得懸浮物源項m 為6.23kg／s。最終得到該型鏈斗式挖泥船正常疏浚作業時引起的懸浮物擴散水深平均表達式為：

根據式（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散規律。將式（7）理論計算結果與圖2（d）現場觀測水深平均結果進行對比，可以得出：在距挖泥船100m以內，理論計算結果與實測結果比較接近，誤差在5%之內。在距挖泥船100m以外，懸浮物濃度擴散范圍理論計算值較實測值偏大。理論計算時，考慮的是恒定流的情況。但在現場觀測期間，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，觀測水域地形也存在高低起伏，這些都是造成理論計算結果與實測結果差異的原因。從總體上看，理論計算結果較為滿意，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散規律。采用天津港2007年11～12月水文全潮潮段平均流速現場觀測結果［8］。現場觀測于2007.11.26～2007.11.27和2007.12.04～2007.12.05，在天津港附近海域進行，共布設了8條垂線進行大、小潮的水文全潮觀測。根據實測全潮資料統計分析，得到了天津港海區潮流主要特征值，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引起的懸浮物沿潮流作用擴散距離理論計算結果如圖4所示。從圖4中可以看出，距離鏈斗式挖泥船越遠，垂線平均懸浮物濃度越小。隨著擴散距離的增大，垂線平均懸浮物濃度的減少較為緩慢，這與天津港細顆粒泥沙難于沉降有關。潮落潮期間，由于流速相差不大，因此漲落潮對疏浚時懸浮物擴散影響較小。水深對懸浮物擴散影響較大，水深越淺，懸浮物擴散距離越遠。

采用三類水質標準（懸浮物濃度100mg／L）和二類水質標準（懸浮物濃度10mg／L）來評價懸浮物是否對生態環境產生影響。大潮時，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，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引起的懸浮物擴散理論計算結果Fig.4 The oretical results of suspended solids diffusion induced by bucket dredger in Tianjin Port

3 結論

選取某型鏈斗式挖泥船為研究對象，開展疏浚作業時引起的懸浮物擴散規律研究。開展現場觀測，得到了挖泥船正常作業時在流向、流速穩定的潮流作用下懸浮物擴散情況，發現由于斗輪挖泥時對底泥擾動幅度較大，因而使得底泥懸浮，對周圍水域環境的影響很大。基于對流擴散方程開展理論推導，結合現場觀測結果，得到了該型鏈斗式挖泥船正常疏浚作業時引起的懸浮物擴散水深平均表達式，可方便、快捷地進行懸浮物擴散范圍及其濃度的估算，為最大限度地減少環境污染、保護海洋生態環境提供了科學依據。對該型鏈斗式挖泥船在天津港施工可能引起的懸浮物擴散范圍進行了討論。分析結果表明：距離鏈斗式挖泥船越遠，平均懸浮物濃度越小。隨著擴散距離的增大，平均懸浮物濃度的減少較為緩慢。水深對懸浮物擴散的影響較大。水深越淺，懸浮物擴散距離越遠。

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