疏浚尾水懸浮物沉降理論分析及控制措施

黃彬陽 中交廣州航道局有限公司

1.引言

近年隨著航運事業及港口建設的蓬勃發展，靠港船舶噸位日趨大型化，加大港口建設疏浚及港池、進港航道疏浚加深及維護的要求；而疏浚作業是港口正常運行及航道維護的重要手段。航道疏浚及陸域吹填，由于挖泥船對海底的機械擾動及絞吸船離心泵作用下，造成局部的水域的總固體懸浮物（total suspended solids）的急劇增加，并隨著風流作用下擴散到施工區附近環境敏感海域（濕地及海豚、生蠔養殖場）；本文以對某項目的絞吸船施工前后的水質監測為時間根據，利用水質濁度無線監測系統及便攜式水質監測儀等科技監測手段對周圍水質進行不間斷的監測，得出疏浚吹填期間的水質濁度數據，同時依據相關濁度數據進行分析，提出對吹填尾水處理控制措施并落實，并對控制措施的成果進行印證，確定尾水處理后總懸浮物的逸散范圍。

2.濁度數據分析

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發生的阻礙程度。利用濁度計發出光線，穿過水樣樣品，從入射方向的90°方向檢測有多少光被水中的懸浮物的顆粒物所散射，從計算得出水樣的濁度值。中國1976年頒布的生活飲用水水質標準規定，濁度不超過1度。中國地下水質量標準和生活飲用水衛生標準對水中懸浮物以渾濁度為指標作了規定。

某項目以未完全閉合的圍埝作為絞吸船疏浚吹填的蓄沙區，利用絞吸船對海底的機械擾動及絞吸船離心泵作用下，將混合高濃度疏浚料輸送蓄沙區。為了對吹填的尾水對當地水文環境的影響進行評估分析，前期未對吹填尾水處理控制，直接以直排方式回流至海洋里，同時由于吹填回流水的水流流速達到一定程度，帶動已沉淀的泥沙形成二次攪動，加劇吹填回流水的懸浮物濃度。基于該項目環境管理方案對水質濁度的要求，該項目在吹填回流水周圍水域設置水質濁度監測，選擇其中兩個（T1 T2）垂直方向的監測點（見圖1、圖2），逐點接近尾水回流區,收集兩點的實時水質濁度監測數據并對其進行分析；)

通過T1,T2（見圖1、圖2）的監測數據圖標曲線的分析，在潮差一定的環境下（藍色曲線），吹填回流水中懸浮物濃度（橙色曲線），隨著時間與距離的推移，吹填尾水中混合泥沙的懸浮物，經水流絮動擴散后，懸浮物中泥沙及顆粒較大的有機物等逐漸開始發生沉降，吹填尾水懸浮物的濃度逐漸被稀釋，同時由于海洋的自動凈化功能以及洋流的運動，使吹填尾水懸浮物的濃度再次被稀釋，直至當地海水的濁度正常值。因此我們可以分析推測出，吹填尾水中懸浮物濃度與水流絮動擴散功能、吹填尾水懸浮物里的泥沙顆粒大小等有關。

2.1 懸浮物擴散理論分析

根據相關調查發現，水中的懸浮物的擴散，源于水流的絮動；引入希爾茲曲線分析，尾水中懸浮物中懸浮顆粒由絞吸船排泥管排出后，具備了一定的初速度，隨著水流向前擴散，同時由于在吹填尾水的水流力作用下，促使已沉淀的泥沙等其他懸浮顆粒揚動并懸浮于水中，隨著尾水流向浮游擴散。通過增加尾水流徑以及阻力，抑制吹填尾水在蓄沙區內的水流速度，從而控制尾水中懸浮顆粒的運動速度，當尾水中的懸浮顆粒流速達到泥沙顆粒的止動流速，泥沙顆粒由運動狀體轉變為靜止狀態。

圖1 （T1 垂直方向的監測點）

圖2 （T2 垂直方向的監測點)

圖3 （水質取樣數據）

圖4 （圍堰標高圖）

圖5 （浮動防污簾布設圖）

2.2 顆粒的沉淀效果理論分析

為理論印證吹填尾水懸浮物中含有的顆粒大小，決定沉淀速度與效果，引入斯托克斯公式印證：

U 懸浮顆的沉降末速度，m/s

Ps-Py 分別表示懸浮物顆粒及水的密度，kg/m3

μ 海水的粘度，pa?s

g 重力加速度,m/s2

d 懸浮顆粒粒徑，m

由斯托克斯定律對懸浮物中顆粒大小進行理論印證，假設其他條件都基于恒定狀態，當懸浮顆粒的粒徑越大，它的沉淀速度及效果更加明顯，理論印證了懸浮顆粒的大小影響懸浮物的沉降效果。

2.3 懸浮擴散范圍分析

以某項目的吹填施工過程中的濁度監測為例，為了取得疏浚吹填過程中尾水懸浮物逸散范圍，以及驗證該項目對吹填尾水防控措施落實的有效性。該項目基于封閉的圍埝后的吹填尾水的溢流區為擴散點，分析封閉圍埝完成后對某地區水文的影響以及水流方向的改變，利用RTK定點控制500米（P1）、1000米（P2）、2000米（P3）的水質取樣點，考慮到該項目濁度監測過程中已額外在遠離疏浚吹填區且區域內水質受影響較小設置校正點，因此本次取樣監測未設有相應的校正點；由于在實際取樣過程中，取樣的檢測結果受某地區潮汐及洋流流向的影響以及水質取樣的深度的影響。（見圖3）水質取樣數據采集基于潮差為20cm,忽略水流影響，取樣深度為50CM。利用便攜式水質渾濁度的監測儀，實行階段性取樣檢測，分別為疏浚前（水樣S1）、疏浚前期（水樣S2-S5）、疏浚后期（水樣S6-S8）三個階段，分布分析水質濁度變化情況。在實際疏浚過程中，距溢流堰500M的取樣點P1,水質渾濁度有較明顯變化，但渾濁度濃度較低，符合項目環保安全管理要求，P2水質監測點的渾濁度明顯低于P1點，因此，疏浚吹填尾水的高濃度的渾濁度主要居中于500m區域內，尾水逸散范圍小于1000米，基本對某項目業主環境影響評估里面指定的水質敏感區域不產生負面環境影響。

3.吹填尾水排放的控制措施

結合上述對懸浮物逸散理論分析以及印證疏浚吹填尾水處理防控措施的有效性，我們可以對吹填尾水排放出高濃度懸浮物制定相應的防控措施，同時需要考慮項目疏浚吹填的水文環境等條件的影響，制定相應的調整方案。對于疏浚吹填尾水排放中懸浮物濃度控制，依據以上理論疏浚分析，制定并落實以下相應的防控措施：

（1）合理考慮項目實施，依據項目所在地區的天氣情況以及疏浚區的潮汐情況，合理設計圍埝標高；

（2）在疏浚作業前，切實利用圍埝對整個設計吹填區進行圍閉，形成一個封閉納沙區，降低并控制懸浮物的逸散范圍的區域，減少疏浚吹填過程中的尾水懸浮泥沙濃度對周圍敏感海域的影響；

（3）依據懸浮顆粒沉淀效果分析，合理選擇疏浚吹填料，以粒徑較大的吹填料，沉降效果俱佳，同時分段設置單個或多個沉淀池，使吹填尾水在圍埝內有足夠的沉淀時間，從而降低外排吹填尾水的濃度值。

（4）根據吹填區的吹填標高以及圍埝高度，適當調整溢流口的高度，增加吹填尾水在沉淀池的沉淀時間，進一步控制外排尾水懸浮物的濃度值（見圖4）。

（5）合理設置輸泥管頭位置，降低絞吸船含泥沙濃度排放到蓄沙區后流速，加速泥沙等懸浮物的沉淀；

（6）吹填區溢流口流入海洋的吹填尾水區域設立浮動防污簾（見圖5）,依據當地潮差及溢流口外圍區域的水深，設置相應長度的浮動防污簾，實現對溢流口排出的吹填尾水圍閉過濾，減少高濃度的泥沙懸浮顆粒回流入海，降低水質渾濁度超標的風險。

（7）疏浚吹填過程中，實行人員巡查瞭望值班制度，對排水口區域的圍埝進行不間斷巡查，降低尾水溢出風險，保證周圍海域不受疏浚吹填影響，滿足相關環境管理要求。

（8）根據項目環境管理需要，選擇適當的區域或者業主指定區域設立水質濁度監測點，對疏浚區域或可能受影響區域進行不間斷監測，建立水質濁度應急超限應急機制，確保疏浚過程中，對吹填尾水中懸浮物處理措施的有效性以及監測準確性。

4.結語

結合某項目實施的水質濁度監測為實踐監測印證依據，引入希爾茲曲線及斯托克斯公式對尾水懸浮物中的懸浮顆粒（主要以泥沙為主）啟動及沉降運動的理論分析。基于對懸浮物的沉降理論分析結果，制定并落實對疏浚吹填的尾水渾濁度控制措施，滿足項目的環保方案對水質濁度的相關要求，實現環保疏浚的目標；除了上述理論分析對懸浮物的影響外，探究疏浚料的選擇以及海水溫度等方面對懸浮物監測的準確性影響也極其必要的。