張祥娟

（自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門(mén) 361005）

近年來(lái)，許多沿海城市大力實(shí)施“藍(lán)色海灣”工程，積極推進(jìn)海洋生態(tài)建設(shè)和整治修復(fù)，加快“美麗海洋”建設(shè)[1]。清淤疏浚工程作為“藍(lán)色海灣”整治工程措施之一，可在一定程度上恢復(fù)和增加海灣納潮量。在疏浚施工過(guò)程中不可避免地引起懸浮泥沙，并在潮流等動(dòng)力因素作用下發(fā)生擴(kuò)散，對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生一定的影響。郭珊、王超等、雷曉玲等在懸浮物對(duì)海洋環(huán)境及海洋生態(tài)的影響方面進(jìn)行了深入的分析；王帥等、鄭志華等在疏浚懸浮物擴(kuò)散的數(shù)值模擬及擴(kuò)散規(guī)律方面進(jìn)行了研究；曾建軍對(duì)不同挖泥船疏浚產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)進(jìn)行了比較分析。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此問(wèn)題上開(kāi)展了許多相關(guān)研究，但是針對(duì)不同類(lèi)型挖泥船在疏浚施工過(guò)程產(chǎn)生的懸浮泥沙遷移規(guī)律和水環(huán)境影響程度定量對(duì)比研究較少，因此，本文以廈門(mén)某海域清淤工程為例，選取常用的挖泥船作為研究對(duì)象，對(duì)其懸浮泥沙源強(qiáng)及污染擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬并開(kāi)展綜合分析，為海洋疏浚工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)和施工方案的選擇等提供理論參考依據(jù)[2]。

1 工程概況

環(huán)東海域新城下后濱外側(cè)海域清淤工程位于福建省廈門(mén)市同安灣海域東側(cè)，工程總清淤面積為655.5萬(wàn)m2，總清淤量為1582.8萬(wàn)m3，清淤底高程-4.24 m。一般海域疏浚的施工方案包括抓斗式挖泥船、耙吸式挖泥船和絞吸式挖泥船三種，絞吸式挖泥船一般在疏浚配合吹填造地時(shí)使用，由于本工程疏浚物不用于吹填造地，因此絞吸式挖泥船的施工方案不予考慮。本次研究以抓斗式挖泥船和耙吸式挖泥船為例，分析疏浚施工對(duì)海洋水環(huán)境的影響，具體施工方案如下：

方案一：采用1艘16 m3抓斗船+自航泥駁進(jìn)行疏浚施工。

方案二：采用1艘2 400 m3自航耙吸船進(jìn)行疏浚施工。

2 不同類(lèi)型挖泥船疏浚施工的懸浮泥沙遷移擴(kuò)散數(shù)值模擬

施工時(shí)懸浮泥沙遷移擴(kuò)散數(shù)值模擬分兩步：第一建立工程海域的潮流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型；第二進(jìn)行懸浮泥沙擴(kuò)散的數(shù)值模擬。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 潮流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

采用正交曲線坐標(biāo)系下的平面二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

①沿水深平均的平面二維潮流方程為：

水平向的動(dòng)量方程：

式中：

（1）～（3）式中，D為總水深，D=ζ+h，ζ為水位，h為水深；ξ、η分別為正交貼體坐標(biāo)的縱橫向計(jì)算網(wǎng)格方向；u、v分別為沿ξ、η方向的水流速度分量；ξC、ηC為拉梅系數(shù)；f=2ωsinφ為科氏力系數(shù)（ω為地球自轉(zhuǎn)角速度）；E為水平渦粘擴(kuò)散系數(shù)；C為謝才系數(shù)n為曼寧系數(shù)（海底粗糙度）；g為重力加速度。

②邊界條件：本次計(jì)算時(shí)，外海開(kāi)邊界條件采用水位邊界，由東中國(guó)海潮波模型系統(tǒng)提供潮位過(guò)程。閉邊界cΓ 采用不可入條件，即Vn=0，法向流速為0，n為邊界的外法向。水位邊界式中：ua、va、ζa均是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料確定已知量，分別用流速過(guò)程或潮位過(guò)程式控制。

③初始條件：初始流速為0（即冷啟動(dòng)），初始水位根據(jù)外海開(kāi)邊界潮位確定。

④計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算域?yàn)槭a以東、圍頭以西、流會(huì)以北，包括整個(gè)廈門(mén)海域在內(nèi)的區(qū)域。模型采用100 m×100 m正方形網(wǎng)格。

2.1.2 懸浮泥沙輸移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

泥沙在海水中的沉降、遷移、擴(kuò)散過(guò)程，可由二維對(duì)流擴(kuò)散方程表示：

式中：①S為含沙量；Q為懸浮泥沙輸入源強(qiáng)；α為泥沙沉降概率；其他符號(hào)同前。

②初始條件：疏浚施工期不考慮本底值，均置為0，僅考慮懸沙增量。

2.2 不同類(lèi)型挖泥船施工泥沙入海源強(qiáng)

2.2.1 16 m3抓斗式挖泥船施工泥沙入海源強(qiáng)

抓斗式挖泥船在疏浚過(guò)程中懸浮泥沙主要來(lái)自挖泥船抓斗的機(jī)械攪動(dòng)作用以及抓斗在提升過(guò)程中泄漏的少量淤泥。施工懸浮泥沙發(fā)生量按《港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTS105-1-2011）中提出的公式進(jìn)行估算：

式中：Q－施工作業(yè)懸浮物發(fā)生量（t/h）；W0－懸浮物發(fā)生系數(shù)（t/m3），取0.02 t/m3；R－發(fā)生系數(shù)W0時(shí)的懸浮物粒經(jīng)累計(jì)百分比（%）；RO－現(xiàn)場(chǎng)流速懸浮物臨界粒子累計(jì)百分比（%）；T－挖泥船疏浚效率（m3/h），取640 m3/h。

保守估算，按R：R0=1：1，16 m3抓斗式挖泥船進(jìn)行清淤時(shí)的懸浮泥沙源強(qiáng)為3.56 kg/s。

2.2.2 2 400 m3耙吸式挖泥船施工泥沙入海源強(qiáng)

耙吸式挖泥船疏浚過(guò)程中懸浮泥沙主要來(lái)自耙頭擾動(dòng)底泥和吸泥過(guò)程、耙吸船泥艙滿艙溢流過(guò)程。

根據(jù)相關(guān)資料，保守考慮，耙吸式挖泥船清淤的耙頭擾動(dòng)底泥和吸泥過(guò)程產(chǎn)生的懸浮泥沙源強(qiáng)取18.75 kg/s[3]。耙吸式挖泥船清淤的懸浮泥沙入海主要發(fā)生在滿艙溢流后，按疏浚作業(yè)規(guī)范要求，滿艙溢流時(shí)間控制在0.5 h內(nèi)，參照《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS181-5-2012），2 400 m3耙吸船的裝艙泥泵排量取6 000 m3/h，R：R0=1.44，W0取0.05 t/m3，由（5）式計(jì)算出滿艙溢流懸浮泥沙源強(qiáng)為120 kg/s。因此，2 400 m3耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強(qiáng)為138.8 kg/s[4]。

2.3 不同類(lèi)型挖泥船施工入海泥沙模擬預(yù)測(cè)

2.3.1 工程所在海域潮流場(chǎng)模擬

工程海域潮流實(shí)測(cè)資料利用2016年3月26～27日（大潮）、2016年3月28～29日（中潮）、2016年3月31～4月1日（小潮），同安灣及灣口取6個(gè)測(cè)站。根據(jù)工程資料，工程所在海域整體上各站計(jì)算流速流向基本吻合于實(shí)測(cè)值，從大、中、小潮流向看，各站均屬往復(fù)流，大潮實(shí)測(cè)與計(jì)算流速大于中、小潮，從趨勢(shì)上看，模擬的潮流場(chǎng)基本上反映計(jì)算域的水動(dòng)力特征。廈門(mén)海域大潮典型時(shí)刻潮流場(chǎng)如圖1所示。

圖1 廈門(mén)海域大潮典型時(shí)刻潮流場(chǎng)

2.3.2 不同類(lèi)型挖泥船施工入海泥沙濃度增量預(yù)測(cè)

根據(jù)項(xiàng)目所在海域周邊環(huán)境分析，同安灣內(nèi)主要是二類(lèi)、三類(lèi)和四類(lèi)近岸海域環(huán)境功能區(qū)，執(zhí)行第二類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；同安灣口為一類(lèi)區(qū)，執(zhí)行第一類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到不同海域受入海徑流、流體等因素的影響，懸浮泥沙的本底濃度有差異，在預(yù)測(cè)疏浚施工對(duì)海水水質(zhì)影響時(shí)，以入海懸浮泥沙增量為10 mg為安全影響的臨界值（《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB3097-1997）中第一和二類(lèi)海水水質(zhì)允許懸浮泥沙人為增量≤10 mg/L，也是《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607-89）中“人為增加的量不得超過(guò)10 mg/L”）[5]。本次主要預(yù)測(cè)全潮入海懸浮泥沙濃度增量150 mg/L、100 mg/L、50 mg/L、20 mg/L、10 mg/L影響最大的包絡(luò)面積。不同類(lèi)型挖泥船疏浚施工全潮入海懸浮泥沙質(zhì)量濃度增量影響詳見(jiàn)表1和圖2。

圖2 不同類(lèi)型挖泥船清淤施工引起的懸浮泥沙增量全潮總影響包絡(luò)面積圖

3 不同類(lèi)型挖泥船施工入海泥沙對(duì)海洋水環(huán)境影響的對(duì)比分析

3.1 從源強(qiáng)上進(jìn)行對(duì)比分析

抓斗式挖泥船在疏浚過(guò)程中的懸浮泥沙主要來(lái)自挖泥船抓斗的機(jī)械攪動(dòng)作用以及抓斗在提升過(guò)程中泄漏的少量淤泥，16 m3抓斗式挖泥船清淤時(shí)懸浮泥沙源強(qiáng)為3.56 kg/s。耙吸式挖泥船疏浚過(guò)程中懸浮泥沙來(lái)自耙頭擾動(dòng)底泥和吸泥過(guò)程、耙吸船泥艙滿艙溢流過(guò)程，2 400 m3耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強(qiáng)為138.8 kg/s。因此，耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強(qiáng)大于抓斗式挖泥船。

3.2 從懸浮泥沙遷移擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析

兩種類(lèi)型挖泥船施工入海泥沙對(duì)海洋水質(zhì)環(huán)境影響對(duì)比見(jiàn)圖3。由表1、圖2和圖3可知，環(huán)東海域新城下后濱外側(cè)海域疏浚施工入海懸浮泥沙的增量主要隨潮流方向擴(kuò)散，水體中懸浮泥沙增量濃度趨勢(shì)為距疏浚點(diǎn)越遠(yuǎn)濃度增量越小的變化；不同類(lèi)型挖泥船源強(qiáng)越大，懸浮泥沙增量大于10 mg/L的影響范圍就越大；耙吸式挖泥船的源強(qiáng)較大，高濃度增量的范圍也較大（懸浮泥沙增量>150 mg/L的面積為11.35 km2），抓斗式挖泥船的源強(qiáng)小，高濃度增量的范圍很?。☉腋∧嗌吃隽?150 mg/L的面積僅為0.61 km2），兩者懸浮泥沙增量>150 mg/L的面積差為10.74 km2；耙吸式挖泥船與抓斗式挖泥船施工產(chǎn)生的懸浮泥沙濃度增量從高濃度到低濃度，面積差先增大，懸浮泥沙濃度增量到50 mg/L時(shí)面積差為13.42 km2達(dá)到最大，隨著懸浮泥沙的擴(kuò)散，懸浮泥沙濃度增量面積差逐漸減小，最后趨于零即海水環(huán)境恢復(fù)本底濃度。

圖3 不同類(lèi)型挖泥船施工入海泥沙對(duì)海洋水質(zhì)環(huán)境影響的對(duì)比分析圖

綜上所述，以環(huán)東海域新城下后濱外側(cè)海域清淤工程施工為例，經(jīng)分析，耙吸式挖泥船施工產(chǎn)生的懸浮泥沙對(duì)海洋水環(huán)境影響比抓斗式挖泥船大，但挖泥船疏浚施工懸浮泥沙對(duì)海洋水質(zhì)影響都是暫時(shí)的，隨著施工的結(jié)束逐漸消失，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期不利的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以廈門(mén)某海域清淤工程施工為例，通過(guò)對(duì)比不同類(lèi)

型挖泥船施工產(chǎn)生的懸浮泥沙源強(qiáng)，以及通過(guò)數(shù)值模擬較客觀地了解不同類(lèi)型挖泥船在疏浚作業(yè)過(guò)程中懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散規(guī)律研究，為海洋疏浚工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)和施工方案的選擇等提供理論參考依據(jù)。