長江航道疏浚懸浮物擴散數值模擬研究

馮桃輝

摘要：指出了長江航道疏浚產生的高濃度懸浮物對水域環境具有危害性，因此對懸浮物擴散的模擬是航道整治環境影響評價重要內容之一。以長江中游太平口水道為例，以MIKE 21模型為基礎建立了二維“水動力-水質”數學模型，模擬懸浮物擴散輸移情況，為評價航道疏浚施工環境影響、采取有效的環境管理和保護措施、減少環境危害提供科學依據。

關鍵詞：航道疏浚；懸浮物擴散；數值模擬；環境影響評價

中圖分類號：U616

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8004704

1引言

“十二五”期間以來，國務院把加快建設長江“黃金水道”上升為國家戰略。疏浚是長江航道整治工程主要的建設內容之一。在施工過程中，河床在挖泥船攪動下產生懸浮泥沙，并受水流作用而擴散，導致疏浚區域周邊及下游水域懸浮物濃度增加，惡化水體環境質量，威脅水生生態環境健康，影響水體使用功能[1]。

太平口水道位于長江中游荊江河段荊州市城區，上起陳家灣，下至玉和坪，全長20 km，江中三八灘將河道分為左右兩汊。其中北汊淤積明顯，水深不足，需采取疏浚切灘措施，盡快較大幅度的恢復北汊過流能力，見圖1。采用1艘1600 m3/h絞吸挖泥船對三八灘左汊低灘進行疏浚切灘，超深為0.5 m，超寬為5 m，兩側邊坡為1∶5，拋投區設置在水道出口的深槽內。該水道及下游河段共計分布4個長江取水口，其中三個縣級以上取水口已完成集中式生活飲用水源地保護區區劃，其中水源地保護區一級保護區內水環境工程為Ⅱ類水體，其余水域為Ⅲ類。

2二維“水動力-水質”模型

2.1模型的基本方程

利用MIKE21水動力模塊（FM模塊）和對流擴散模塊（AD模塊），建立平面二維“水動力-水質”模型，MIKE21污染物對流擴散模塊控制方程由描述水流運動的納維—斯托克斯方程組（包括水流連續性方程、x和y方向運動方程）和描述污染物物質濃度對流擴散方程組成。

2.2模型定解條件

（1）邊界條件。開邊界在進口處給定流量和濃度值；出口給定水位和濃度值。閉邊界沿垂向方向的流速與濃度分量等于零。動邊界以0.005 m為臨界水深。

（2）初始條件。初始水動力條件即是指的初始水位條件及初始流速條件，初始水位是在出口水位的基礎上假定一比降賦值得到；初始流速則是由給定的初始水位以及初始的流量值計算得到。初始水質條件即為給定計算開始時刻污染物的濃度值。

2.3計算網格布置

二維計算網格由MIKE軟件繪制，并使用三角形的網格形式。計算網格最大面積為5000 m2，三角形網格允許最小角度為30°（圖2）。

2.4參數取值

（1）糙率系數通過沙市水文測站的2015年1月實測資料進行反求率定，為0.012。

（2）紊動粘性系數采用Smagorinsky公式計算，為0.28。

（3）降解系數kp=αω/h （5）

式中：kp為物質線性降解系數，s-1；α為恢復飽和系數，取0.25；ω為泥沙沉速，m/s；h為水深，m。應注意不同水流計算條件下h取值不同。其中，沉速采用Stocks球體沉速公式計算：

ω=118γs-γγgd2/υ （6）

式中：υ為水流運動粘性系數，取10-6m2/s；d為沉降的泥沙顆粒直徑；γ為水的重度，γS=9800×2.65=25970 N/m3和泥沙的重度。

計算參數選取結果見表1。

3模型的驗證

2015年1月在太平口水道5個水文斷面進行觀測（從上至下分別為：1-1#、2-1#、SW3#、NSW5#、3#），并利用同步地形數據的基礎上分別對這個流量級進行了模型驗證，測時流量為7042 m3/s，出口水位為29.21 m。整體上來看，流態符合實測地形布置，水位的計算值與實測值吻合也較好，大部分測點的水位誤差都在0.10 m以內，流速分布與實測流速分布吻合較好，平均誤差約0.37 m/s。模型計算值與實測值吻合好，精度較高，通過驗證確定水道糙率為0.012較為合理。所以，該數學模型能較好的實現對本河段的模擬。驗證見圖3～5。

4計算預測結果

4.1計算條件

（1）水流條件。根據施工安排，該水道施工期安排在平水期和枯水期，根據2014年沙市水文站實測數據，平水期流量及出口水位為12800 m3/s、35.47 m，枯水期流量及出口水位為7500 m3/s、30.69 m。

（2）疏浚源強。根據于天津港現場模擬試驗中1600 m3/h絞吸式挖泥船的實測作業結果，推算本項目于太平口水道疏浚源強為2.5 kg/s，持續時間3 h。

4.2預測結果

在預測航道疏浚對水環境的影響時，以懸浮泥沙增加量作為主要指標，根據《漁業水質標準》（GB11607-89）“人為增加的量不得超過10 mg/L”，取10 mg/L作為懸浮泥沙安全影響的臨界濃度。在關注懸浮泥沙最大濃度值，超出10 mg/L范圍的長度、最大寬度及面積情況下預測河段懸浮泥沙擴散過程并繪制懸浮泥沙擴散范圍包絡線。

（1）平水期。疏浚后懸浮泥沙呈帶狀向下游及旁側擴散，縱向擴散速度明顯大于橫向擴散速度，近源處濃度最大，約210 mg/L；遠源處濃度不斷減小直至達到0濃度。前1 h 10 min懸浮泥沙擴散較快，之后直至3 h擴散范圍幾乎保持不變，疏浚完成后，泥沙貼近左岸向下游飄移且懸浮泥沙濃度迅速降低，約50 min河段懸浮泥沙濃度便均降至10 mg/L以下，工程河段幾乎恢復初始狀態。疏浚懸浮泥沙擴散范圍最大長度不超過3.3 km，寬度不超過470 m，面積不超過1.07 km2。見表2及圖6。

（2）枯水期。根據預測，疏浚后懸浮泥沙呈帶狀向下游及旁側擴散，縱向擴散速度明顯大于橫向擴散速度，近源處濃度最大，約222 mg/L；遠源處濃度不斷減小直至達到0。前50 min懸浮泥沙擴散較快，之后直至3h擴散范圍幾乎保持不變，疏浚完成后，泥沙貼近左岸向下游飄移且懸浮泥沙濃度迅速降低，約35 min河段懸浮泥沙濃度便均降至10 mg/L以下，工程河段幾乎恢復初始狀態。疏浚中懸浮泥沙最大擴散范圍的長度不超過2.9 km，寬度不超過493 m，面積不超過1 km2。見表3及圖7。

5結果分析

本文利用利用MIKE21水動力模塊（FM模塊）和對流擴散模塊（AD模塊），建立平面二維“水動力-水質”模型，針對施工期（平水期和枯水期）發生疏浚泥沙擴散進行了預測，結果表明在以下幾個方面。

（1）根據預測結果，疏浚懸浮泥沙在水流的作用下呈帶狀向下游及旁側擴散，縱向擴散速度明顯大于橫向擴散速度。平水期最大濃度約210 mg/L，懸浮物濃度增量大于10 mg/L最大擴散范圍的長度不超過2.9 km，寬度不超過493 m，面積不超過1 km2。枯水期最大濃度約222 mg/L，懸浮物濃度增量大于10 mg/L最大擴散范圍的長度不超過2.9 km，寬度不超過493 m，面積不超過1 km2。

（2）由于疏浚區域在南湖水廠取水口及水源地保護區內，疏浚作業對南湖水廠取水水質和保護區水質造成影響，疏浚泥沙擴散范圍不涉及其它取水口及水源地保護區范圍。因此，南湖水廠在疏浚作業期間應停止取水，平水期在疏浚作業停止50 min后可取水，枯水期則在疏浚作業停止31 min后可取水。

（3）根據相關的研究表明[2～4]，懸浮泥沙對水中透明度、營養鹽釋放或吸附、浮游植物及浮游動物產生影響，浮游植物初級生產力是水體生物生產力基礎，是河流生態系統食物網的結構和功能的基礎環節，浮游動物是中上層水域中魚類和其他經濟動物的重要餌料，因此疏浚高濃度懸浮泥沙將干擾魚類攝食，對漁業造成巨大損失。

（4）須優化疏浚施工作業時間，避開南湖水廠早、中、晚取水高峰期，加強施工期環境管理及實施環境監測計劃，控制疏浚作業強度，并采取在取水口設置防污簾或向水中添加沉淀劑等環保措施，減緩高濃度懸浮物帶來的不利影響。

參考文獻：

[1]

鄭志華，徐碧華. 航道疏浚中懸浮泥沙對海水水質和海洋生物影響的數值研究[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2008，31（2）：105～110.

[2]Ogilvie BG， Mitchell SF. Does sediment resuspension have persistent effects on phytoplankton[J]. Experimental studies in three shallow lakes Freshwater Biology， 1998， 40 （1）：51～63.

[3]Lind OT， Doyle R， Vodopich DS， et al. Clay turbidity： regulation of phytoplankton production in a large， nutrient-rich tropical lake[J]. Linnology and Oceanography， 1992， 37（3） ： 549～565.

[4] Lind OT. Suspended clays effect on lake and reservoir limnology[J]. Arch Hydrobiol Suppl Monogr Stud， 2003， 139（3）：327～360.