航道工程疏浚影響研究及應用

文章以柳江紅花樞紐至石龍三江口Ⅱ級航道工程為例，選取典型河段，利用MIKE21軟件建立河道流場模型，分析疏浚對水生生態、飲用水取水的影響，并對所采取的措施進行闡述，為廣西的內河航道建設施工提供參考和借鑒。

內河航道；疏浚施工；MIKE21軟件

U616+.1A632153

基金項目：

廣西重點研發計劃項目“公路跨敏感水環境保護和風險防控關鍵技術研究”（自籌）（編號：桂科AB22080021）；廣西交科集團有限公司自主立項科技計劃項目“新型仿生濕地在南方地區黑臭水體生態修復中的研究及應用”［編號：KJ2019-ZXM（HB）-26］

作者簡介：

林" 宇（1989—），工程師，研究方向：建設規劃與生態保護。

0" 引言

西江黃金水道促進了珠江-西江經濟帶的繁榮和發展，隨著西部陸海新通道重點工程平陸運河項目的開工建設，廣西將建設西南中南區域面向東盟、連接全球的北部灣國際樞紐海港。未來一段時間，廣西內河航運持續建設必將給西江多個支流帶來量級提升。在內河航道施工過程中，疏浚所造成的環境影響、生態影響是最明顯和持久的［1-3］，因此本文以柳江紅花樞紐至石龍三江口Ⅱ級航道工程為例，選取典型河段，利用MIKE21軟件建立河道流場模型（圖1），分析疏浚對水生生態、飲用水取水的影響，就采取的措施進行簡要闡述，并為廣西的內河航道建設施工提供參考和借鑒。

1" 項目概況

柳江紅花樞紐至石龍三江口Ⅱ級航道工程整治河段為柳江、紅水河、黔江三江匯流口上溯至柳江紅花樞紐下引航道口門，航道長度為101.2 km。其中小賴灘險整治水域面積為150 008 m2、長度為1 984 m、疏浚量為16 983 m3。小賴灘現有魚類產卵場長3 km，主要產卵魚類為青魚、草魚、鰱魚、鳙魚四大家魚及赤眼鱒；同時下游2 195 m為柳州市魚峰區里雍鎮水源地取水口。

2" 二維水文動力-懸浮物擴散模型

2.1" 模型簡介

利用MIKE21軟件的水動力模塊（FM模塊）建立平面二維“二維水文動力-懸浮物擴散”模型，二維水動力條件計算采用ADI法對水動力方程組進行離散求解。平面二維水流模型基本方程可表示成如式（1）所示通用微分方程式，即：

（CηHuΦ）ζ+（CζHvΦ）η=ζΓΦＨCηΦCζη+

ηΓΦHCζΦCηη+SΦ（1）

疏浚產生的懸浮物對水環境影響預測采用上述水力數學模型計算成果，結合懸浮物擴散方程耦合計算［4］，擴散方程如下：

t（Hs）+x（Hvs）+y（Hvs）=Ex2x2（Hs）+Ey2y2（Hs）-αω（S-S*）（2）

式中：S——懸浮物濃度（g/m3）；

Ex、Ey——x、y方向的擴散系數；Ex=5.93guH/C；Ey=5.93gvH/C；

α——系數；

ω——泥沙沉速（cm/s）；

S*——懸浮物本底值（mg/L）。

2.2" 水動力計算條件

2.2.1" 范圍

根據評價河段已有的水文資料及整治工程施工時間（枯水期），采用二維模型，對擬整治航段按流場特征選擇整治工程量較大且涉及集中式飲用水取水口、魚類“三場”等環境敏感保護目標進行水動力條件計算，確定為柳江小賴灘-里雍航段（航程約7.5 km）。

2.2.2" 參數選取

2.2.2.1" 河道地形

河道地形采用2017年10～11月對項目航道地形的測量成果資料。

2.2.2.2" 模型預測參數的選定

中心部分網格邊長為35～50 m，最大單元面積為1 500 m2，三角網格最小允許角度為26°，岸邊部分網格邊長為15～30 m，最大單元面積為600 m2，三角網格最小允許角度為26°，時間步長為30 s，河底糙率為0.02～0.055，不考慮風速、潮汐、降雨、蒸發等影響。

在整治河道全段共布置了79個斷面，對枯水期水位、流量進行實測，結合工程河段內的象州水位站、上游柳江柳州（二）站有效歷史資料，根據流量水位來反推河段綜合糙率并進行了驗證。水文參數采用推演的各個航道段施工流量、水位以及河段糙率。各航段預測參數：流量528 m3/s，糙率0.025，起點水位60.37 m，終點水位59.21 m［5］。

2.2.2.3" 起懸泥沙參數

作業點源強與作業船功率及效率有關，由于起懸泥沙主要是工程廢棄物中較小比例的極細顆粒，計算中根據河道的實際情況確定擴散系數（Diffusion Coefficient）為0.02～0.03。

航道工程疏浚影響研究及應用/林" 宇，劉陳鴻，劉國亮

3" 對水文情勢的影響分析

3.1" 初始場和邊界的確定

為了確定初始水位場，在橫向比降影響的前提下，可以使用線性插值方法基于計算域上下游的水位和斷面間距，然后進行分段插值推導出指定的某個斷面水位。對于初始速度場，垂直方向上的速度為0，而水平方向上的速度可通過曼寧公式進行計算，并進行斷面總流量的校正。

邊界確定的困難點在于河灘以及江心洲等易受水位變化而影響的區域。可對相關區域進行縱向的調整，將河灘以及江心洲高出水面的部分調整至水面下，并將這部分區域增加至非常大的糙率，導致水位無法產生改變，以代替成為原有的河灘以及江心洲［6］。

3.2" 河段流量計算條件

河段流量主要受上游紅花樞紐、下游大藤峽樞紐運行調度影響。因此設置了4種工況，如表1所示。

3.3" 水位變化分析

對評價河段水位影響較大的不利工況下工程前后沿程水位變化圖，如圖2所示，航道整治工程實施后，工況1、工況2、工況3、工況4條件下紅花樞紐壩下近壩段的小賴灘尾水位有較明顯的下降，分別下降3.52 m、2.96 m、2.47 m、1.71 m。

3.4" 比降變化分析

航道整治工程后，工況1、工況2、工況3、工況4條件下柳江至石龍三江口河段沿程比降如圖3所示。由圖3

可見航道整治工程后，4種工況條件下，該河段沿程比降變化特征基本一致。以工況1為例來看，小賴灘至石龍三江口全河段水位落差為8.21 m，平均比降0.086‰，流速最大減少0.22 m/s。

4" 疏浚對水環境的影響預測

疏浚產生的懸浮物對水環境影響預測采用上述水力數學模型計算成果，選用最不利情況的工況4，結合懸浮物擴散方程耦合計算。疏浚作業地點由于水流速度不同及水深、河道走向的差異，疏浚作業中產生的懸浮物擴散距離和范圍也各不相同。灘險水急的河段懸浮物擴散的范圍要大于水流平緩的河段。根據對柳江河道二維水動力條件計算的結果：小賴灘、碧廖灘疏浚施工產生懸浮物影響范圍（濃度gt;30 mg/L）為400～450 m，從開始疏浚作業大約經過60 min，懸浮物擴散達到最大范圍。小賴灘疏浚河段中弘線沿程懸沙濃度及擴散影響范圍詳見圖4、圖5。

5" 結果分析

（1）疏浚、炸礁施工區面積占產卵場面積的11.53%，汛期典型流量情況下，工程實施后產卵場所在河段水位降低1.71～3.52 m，流速最大減少0.22 m/s。

四大家魚中，青魚、草魚屬于溫水性魚類，鰱魚、鳙魚屬于冷水性魚類，一般在春季或初夏產卵。鰱魚傾向于選擇水質清澈、水流緩慢或停滯的湖泊、河流或池塘產卵，產卵方式是散卵。水位下降可能暴露更多的產卵場所，例如淺灘、巖石或沉積物上的洼地，這為家魚提供了更多的選擇。增加產卵場所的數量和多樣性可能有助于提高家魚的繁殖成功率；暴露更多的底棲生物、浮游生物和水生植物，這為家魚提供了更多的食物資源。另外，流速的略微下降為家魚提供了更為穩定的產卵環境，減少卵子被沖走的風險；減少水流對卵子的沖擊和摩擦力，從而減少卵子被物理損害的風險。工程實施對產卵場的水文情勢影響不大，對產卵場功能影響不大。工程開工建設前，應盡量做好施工規劃前期工作，對魚類資源影響大的炸礁、疏浚、拋填等施工行為應避開魚類的繁殖高峰期，減輕工程建設對沿線魚類產卵、索餌、棲息場所的影響。小賴灘整治施工應避開4～7月魚類的集中繁殖季節。

（2）采取本文同樣的方法進行計算，在柳州市魚峰區里雍鎮水源地取水口上游約2.8 km對開水域范圍內的疏浚炸礁整治工程將導致取水水域附近懸浮物濃度值增加10～200 mg/L，同時導致取水口附近懸浮物濃度明顯增大。經調研，水廠日均取水3～4次、每日取水時長為1～2 h，凈水工藝為水源→水泵提水→絮凝→沉淀→過濾→消毒→高位水池→供水管網→用戶，通過絮凝沉淀可降低取水水源中的懸浮泥沙影響。整治作業期間應在該取水口周邊設置防污屏，可有80%以上的懸沙去除率，同時在該取水口每日取水時段應暫停施工。通過落實以上措施，可有效降低施工懸浮泥沙對取水口水質的影響，施工產生的影響在可接受范圍。

6" 結語

（1）通過分析河道灘涂挖掘清理將在短時間內對水質造成不同程度的影響，浮游生物、底棲動物等魚類餌料生物量在短時間內將出現一定程度的減少；疏浚和拋填改變了原有的地形條件，原有魚類的生存、生長和繁衍條件將會發生改變。根據預測，在汛期魚類的集中繁殖期，航道整治后流速gt;1.50 m/s，能滿足四大家魚等繁殖所需的流速要求，未造成產卵場毀滅性的影響。在今后的類似工程中可通過優化施工方案，并采取人工增殖放流、生境修復等生態補償措施后，施工對評價河段魚類種群的影響可接受。

（2）對于下游有飲用水取水口的疏浚點，應充分調研水廠的工藝，采取設置防污屏可有效降低施工懸浮泥沙對取水口水質的影響。

［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］錢" 寧，萬兆惠.泥沙運動力學［M］.北京：科學出版社，1983.

［3］謝森揚，王金坑，王" 翠，等.九龍江口-廈門灣懸沙濃度及多岔口潮汐汊道泥沙輸運的數值模擬［J］.水動力學研究與進展A輯，2016（2）：188-201.

［4］胡秋萍，曾" 武.航道疏浚工程影響水環境分析及應急對策［J］.中國水運（下半月），2014（14）：150-151.

［5］馮桃輝.長江航道疏浚懸浮物擴散數值模擬研究［J］.綠色科技，2017（8）：47-51.

［6］普曉剛，張" 明，馮小香.湘江長沙綜合樞紐水庫淹沒范圍控制研究［J］.資源與水工程學報，2015，26（3）：165-168.

20240320