許 鵬 ,唐曉峰,李 陽 ,張正龍 ,李志恩

(1.國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心，上海 201206； 2.自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201206；3.交通運(yùn)輸部長江口航道管理局，上海 200003)

上海長江口航道是關(guān)系長江流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的運(yùn)輸通道，位于“長江經(jīng)濟(jì)帶”和“海上絲綢之路”的黃金交叉點(diǎn)，可以發(fā)揮通江達(dá)海的優(yōu)勢，戰(zhàn)略地位十分重要。但由于長江口是長江流域下泄泥沙的匯集之地，長江口深水航道和南槽航道等部分航段處于最大渾濁帶區(qū)域，因而長江口航道每年都會(huì)出現(xiàn)航道淤積現(xiàn)象。為盡可能地發(fā)揮上海國際航運(yùn)中心的作用，保持深水航道等通航能力，長江口航道每年都必須不斷進(jìn)行航道疏浚[1-2]。

目前長江口周邊海域的疏浚物處置方式有兩種，一是通過耙吸式挖泥船或自航泥駁將疏浚物拋入傾倒區(qū)，二是通過耙吸式挖泥船或自航泥駁將疏浚物拋入吹泥站，再用絞吸式挖泥船將吹泥站內(nèi)的疏浚物吹泥上橫沙東灘成陸。現(xiàn)橫沙東灘吹泥上灘工作已接近尾聲，橫沙東灘成陸后，原7個(gè)長江口吹泥站可能都將關(guān)閉，上海市長江口周邊海域維護(hù)疏浚的疏浚物及時(shí)消納將成為一個(gè)難題?？紤]到2020年后長江口現(xiàn)有7個(gè)在用吹泥站將無法繼續(xù)使用，需及時(shí)開展海洋傾倒區(qū)的選劃工作，數(shù)值模擬分析可為選劃工作提供重要技術(shù)支撐[3-5]。

1 傾倒區(qū)選劃

目前，長江口海域有1#、2#、3#、4#共4座傾倒區(qū)和C1至C6、C1-1等7座吹泥站用于長江口航道疏浚維護(hù)。近年來，長江口深水航道年維護(hù)疏浚量均在6 000×104m3左右。另外，2019—2020年南槽航道治理一期工程疏浚工程開工，2020年南槽一期疏浚工程新增處置疏浚物約1 000×104m3。

2020年，上海市黃浦江、長江口沿岸碼頭、長江口北槽航道和南槽航道疏浚物年疏?？偭考s7 000×104m3，7座吹泥站停用后，長江口傾倒區(qū)傾倒容量僅剩約3 000×104m3，疏浚物處置缺口約為4 000×104m3。

選劃傾倒區(qū)的海域是利用海域水動(dòng)力條件和環(huán)境容量較好、有利于疏浚物向外海遷移擴(kuò)散的特征來處置疏浚物。根據(jù)已有和現(xiàn)有傾倒區(qū)的分布，考慮長江口北槽航道和南槽航道周邊自然保護(hù)區(qū)、引航作業(yè)區(qū)、潮位站和航道錨地等分布，并根據(jù)長江口航道船舶航行習(xí)慣、航跡線分布和潮時(shí)，初步將預(yù)選傾倒區(qū)確定在長江口深水航道南、北導(dǎo)堤以東的海域，即北槽航道的外航道南、北兩側(cè)水域。

初步確定預(yù)選傾倒區(qū)分布在4個(gè)區(qū)域，即預(yù)選傾倒區(qū)A、B、C、D；其中，預(yù)選傾倒區(qū)A和B在北槽航道北側(cè)，C和D在北槽航道南側(cè)及南槽航道北側(cè)之間的區(qū)域。傾倒區(qū)的范圍則參照長江口在用的3#和4#傾倒區(qū)面積，將預(yù)選傾倒區(qū)都設(shè)置為長4 km，寬3 km，共12 km2的矩形海域，如圖1中矩形所示。

圖1 預(yù)選傾倒區(qū)位置Fig. 1 Location of candidate dumping areas

2 水動(dòng)力數(shù)值模擬

2.1 模型簡介

FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)模型由陳長勝博士領(lǐng)導(dǎo)的馬薩諸塞州達(dá)特茅斯大學(xué)海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)室與伍茲霍爾海洋學(xué)協(xié)會(huì)的比爾茲利博士合作開發(fā)，是三維自由網(wǎng)格、自由表面、原始方程、有限體積海岸大洋數(shù)值模型，主要包括水質(zhì)模塊、生態(tài)模塊、泥沙輸運(yùn)模塊、流場-波浪-泥沙耦合模塊等。模型結(jié)合了有限元法和有限差分法的優(yōu)點(diǎn)，適合模擬淺海復(fù)雜邊界[6]。

2.2 模型設(shè)置

模型計(jì)算區(qū)域包括了長江口、杭州灣及鄰近海域(28.5°～34.5°N，120.0°～124.5°E)，長江上游至潮流界以上200 km，杭州灣上游至錢塘江區(qū)界。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示，該網(wǎng)格精細(xì)刻畫了長江口深水航道整治工程，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共有94 345個(gè)三角單元，50 098個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

圖2 長江口模型網(wǎng)格示意圖Fig. 2 Model grid used for the simulation

模型外海開邊界由潮位驅(qū)動(dòng)，本計(jì)算考慮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1和Q1共8個(gè)主要分潮。上游的徑流由長江水文網(wǎng)(http://www.cjh.com.cn/)上發(fā)布的大通水文站資料獲得，風(fēng)場由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站(http://apps.ecmwf.int/datasets/)獲得。潮位驗(yàn)證計(jì)算時(shí)間為2018年8月1日—30日、2019年1月1日—30日，流場驗(yàn)證及擴(kuò)散模型計(jì)算時(shí)間為2018年8月1日—30日、2019年1月1日—30日，計(jì)算結(jié)果1個(gè)小時(shí)輸出1次，計(jì)算時(shí)間步長為10 s，由于水位和流速對于邊界驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)較快，因此采用冷啟動(dòng)，初始取0值。模型糙率取值約為0.000 1～0.000 5。

2.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證潮位所采用數(shù)據(jù)為長江口正在使用的潮位站觀測數(shù)據(jù)，潮位站分別為北槽中站(31°14′N，122°01′E)、牛皮礁(31°08′N，122°25′E)、雞骨礁(31°11′N，122°23′E)和南槽東站(31°02′N，122°20′E)，基面為1985國家高程，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，潮位數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果的主要分潮(O1、K1、M2、S2)振幅絕對誤差小于1 cm，相對誤差小于3%。雖然調(diào)和常數(shù)的計(jì)算值與觀測值之間的絕對誤差較小，但水位曲線的計(jì)算值和觀測值之間仍然存在一定的差異?？傮w來看，潮位模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果趨勢一致，誤差較小。

圖3 2018年8月潮位驗(yàn)證Fig. 3 Tide level verification in August, 2018

表1 所有測站主要分潮調(diào)和常數(shù)平均模擬誤差

潮流驗(yàn)證數(shù)據(jù)為長江口航道管理局2018年8月和2019年1月觀測數(shù)據(jù)，從流速、流向驗(yàn)證的結(jié)果來看，計(jì)算的流速、流向與測站觀測值吻合良好，流速、流向變化趨勢均吻合較好，能夠較好地刻畫傾倒區(qū)附近水流條件，可以用于該區(qū)域的流場模擬以及進(jìn)一步的拋泥擴(kuò)散模擬。由于篇幅有限，本研究僅展示預(yù)選傾倒區(qū)附近CS4SD(31°08′N，122°14′E )和CS10SD(31°11′N，122°22′E)站位的驗(yàn)證結(jié)果(圖4)。

為了解預(yù)選傾倒區(qū)海域水質(zhì)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況以及調(diào)整數(shù)模參數(shù)，于2019年8月28日—30日(農(nóng)歷七月二十八至八月初一)進(jìn)行了漲落潮標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)拉格朗日漂流跟蹤試驗(yàn)。利用數(shù)模結(jié)果，與實(shí)測的漂流結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，與漂流試驗(yàn)情況基本吻合(圖5)，每個(gè)預(yù)選區(qū)均分別在高潮位和低潮位時(shí)投放漂流浮標(biāo)。

圖4 2018年8月流速、流向驗(yàn)證Fig. 4 Verification of velocity and current direction data in August, 2018

圖5 預(yù)選傾倒區(qū)質(zhì)點(diǎn)漂移驗(yàn)證Fig. 5 Particle drift verification in candidate dumping areas

2.4 模型計(jì)算

落潮時(shí)刻，長江口北港水流在導(dǎo)堤丁壩魚嘴處出現(xiàn)明顯分流，北槽和南槽航道形成顯著主流區(qū)，吹泥站附近靠近深水航道處水流基本沿航道方向，主要受徑流影響。落急時(shí)刻，深水航道流速較大，達(dá)到2.5 m/s以上，最大可至3.0 m/s左右，吹泥站靠近壩田一側(cè)則水流較小，均在0.5 m/s以下，流向以壩田區(qū)順時(shí)針環(huán)流為主，吹泥站處流速最大約為1.5 m/s，且流向基本與主流方向一致，為東南方向；落憩時(shí)刻，吹泥站附近流速均較小，深水航道流速小于1.0 m/s，壩田區(qū)流速穩(wěn)定且流速基本小于0.5 m/s。漲潮時(shí)刻，受外海潮汐作用，口門外為典型順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)流，且流速較大，最大約為2.5 m/s，進(jìn)入北槽后，主流流向基本沿深水航道方向，指向西北，傾倒區(qū)附近最大流速達(dá)到1.5 m/s左右，壩田區(qū)流速仍然較小，最大不超過1 m/s，到漲憩時(shí)刻流速均較小，吹泥站附近流速接近于零，流向較為混亂。

3 拋泥擴(kuò)散模擬

3.1 拋泥方式

針對長江口水域開闊、施工現(xiàn)場風(fēng)大、流急、霧多，交通繁忙，疏浚土質(zhì)為顆粒細(xì)、流動(dòng)性強(qiáng)、不易沉淀的松散細(xì)砂和軟弱淤泥等特點(diǎn)，疏浚單位定制了大型專用耙吸挖泥船，如長江口01船(圖6)等，具有挖、運(yùn)、拋、吹、裝駁功能，專門用于長江口深水航道的疏浚作業(yè)。自航耙吸挖泥船用疏浚裝艙法開挖航道，滿艙后，駛往指定的拋泥區(qū)，在拋泥區(qū)內(nèi)把艙內(nèi)疏浚泥卸入水中，然后返回航道。

圖6 長江口01自航耙吸式挖泥船現(xiàn)場Fig. 6 Photo of Chang Jiang Kou 01 dredger(self navigation trailing suction) at worksite

根據(jù)調(diào)查，2019年在長江口航道管理局申請航道疏浚工程的持證船舶包括長江口01、長江口02、長江口駁1、長江口駁2、航浚4001、海神浚2、航浚9001、浙?？?、新海龍、神華浚2和新海虎4等，這些船舶是傾倒區(qū)拋泥的主要船舶，艙容量都在4 500～13 500 m3之間，其中北槽深水航道船舶艙容較大，主要艙容約為12 000 m3；南槽航道船舶艙容較小，主要艙容為4 500～6 500 m3。長江口01等自航耙吸式挖泥船進(jìn)行挖運(yùn)拋泥作業(yè)，拋泥平均運(yùn)距約為30 km。每挖一船泥，包括往返運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間約1～3 h，按兩船作業(yè)，按最不利的間隔時(shí)間，取每小時(shí)傾倒約1船疏浚物。根據(jù)實(shí)際情況，按最不利情形，取單船艙容12 000 m3計(jì)算。

3.2 拋泥源強(qiáng)

通常的拋泥漂流擴(kuò)散過程：挖泥船到達(dá)傾倒區(qū)后，打開泥艙門拋泥，大部分泥沙直接沉積于傾倒區(qū)，有少部分細(xì)顆粒泥沙(約占傾倒量的1%～5%)在傾倒點(diǎn)附近形成一泥沙污水團(tuán)，而后隨潮流漂移擴(kuò)散[7-8]。水體中的懸移質(zhì)泥沙的增量受傾倒方式、粒徑、成分含量、下落水深及海上水動(dòng)力條件等的影響，一般情況在5%以下[9]。從環(huán)境安全角度出發(fā)，取最大值5%作為拋泥后懸移質(zhì)比例。拋泥源強(qiáng)計(jì)算參照徐宏明(2000)疏浚土擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型中的公式[10]：

s0=M·P·T-1×[∑(αi·Ai·Hi)]-1

(1)

式(1)中：s0為單位源強(qiáng)[kg/(m3·s)]，M為單船拋泥量(kg)，T為拋泥時(shí)間(s)，P為拋泥后懸移質(zhì)的占比(%)，αi為網(wǎng)格點(diǎn)源強(qiáng)權(quán)系數(shù)，Ai為網(wǎng)格點(diǎn)代表的面積(m2)，Hi為網(wǎng)格點(diǎn)水深(m)。

參照相關(guān)報(bào)告，實(shí)測的疏浚段沉積物中值粒徑d50基本為0.007 m，泥沙沉速采用0.000 5 m/s，泥沙干容重λ(kg/m3)根據(jù)曹祖德公式[11]：

λ=1 750exp(-0.421gd50)=1.311 t/m3

(2)

實(shí)際傾倒疏浚物按艙容40%計(jì)算，艙容12 000 m3的疏浚船每1小時(shí)拋一船泥產(chǎn)生的源強(qiáng)為：

12 000 m3/船×40%×1船/h×

1.311 t/m3×5%=315 t/次

3.3 拋泥模擬

單船(12 000 m3艙容)連續(xù)15 d傾倒時(shí)，在模型中輸入拋泥的開始和結(jié)束時(shí)間，具體為2018年8月15日—30日，其中每小時(shí)每次拋泥時(shí)間為5 min。全潮最大影響范圍如表2、圖7所示。4個(gè)預(yù)選傾倒區(qū)懸浮物擴(kuò)散影響的外緣線(懸浮物濃度增量為10 mg/L)全潮最大距離在9.1～11.6 km之間，最大影響范圍在23.536 ～34.913 km2之間。懸浮物增量150 mg/L范圍較小，且僅在拋泥中心處。從擴(kuò)散的影響范圍來看，落急時(shí)刻傾倒，懸浮物沿主流方向迅速往下游輸移，30 min之后懸浮物增量大于100 mg/L區(qū)域已完全消失。深水航道南側(cè)預(yù)選傾倒區(qū)拋泥懸浮物往東南方向擴(kuò)散，懸浮物增量10 mg/L包絡(luò)線最大影響范圍均達(dá)到深水航道；深水航道北側(cè)預(yù)選傾倒區(qū)拋泥懸浮物均往東南方向擴(kuò)散，懸浮物增量10 mg/L包絡(luò)線最大影響范圍達(dá)到南槽航道。漲急時(shí)刻傾倒，懸浮物沿主流方向迅速往上游西北方向運(yùn)動(dòng)，30 min之后懸浮物增量大于100 mg/L區(qū)域已完全消失，與落急時(shí)刻傾倒不同，所有傾倒區(qū)拋泥懸浮物增量10 mg/L包絡(luò)線最大影響范圍均未達(dá)到主航道。

表2 拋泥作業(yè)懸浮物影響范圍

圖7 預(yù)選傾倒區(qū)全潮最大擴(kuò)散范圍Fig. 7 Maximum diffusion range during whole tide

4 結(jié)論

(1)從拋泥擴(kuò)散模擬結(jié)果來看，擴(kuò)散的形態(tài)上，拋泥懸浮物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)基本分為兩部分，一部分是中心高濃度區(qū)隨水流運(yùn)動(dòng)，另外一部分是中心周圍區(qū)域隨水流擴(kuò)散。懸浮物增量10 mg/L包絡(luò)線整體形態(tài)從均勻圓形逐漸運(yùn)動(dòng)成橢圓形最終成狹長條形或螺旋紡錘形，橢圓長軸方向基本與主流方向一致。

(2)拋泥懸浮物輸移擴(kuò)散影響范圍與潮型、流速、漲落潮歷時(shí)、傾倒量強(qiáng)弱等均有關(guān)。由于4個(gè)預(yù)選傾倒區(qū)位于長江口外側(cè)開闊海域，自然條件相近，均受順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流控制，水流通暢，有利于懸浮物輸移、擴(kuò)散、消亡。因此，拋泥懸浮物對該海域的影響有限。

(3)所有4個(gè)預(yù)選傾倒區(qū)拋泥懸浮物擴(kuò)散時(shí)，落潮擴(kuò)散距離、擴(kuò)散范圍均顯著大于漲潮。所有4個(gè)預(yù)選傾倒區(qū)拋泥懸浮物擴(kuò)散時(shí)，其10 mg/L包絡(luò)線均基本不會(huì)影響到附近環(huán)境敏感區(qū)。所有預(yù)選傾倒區(qū)拋泥懸浮物擴(kuò)散時(shí)，其10 mg/L包絡(luò)線均不會(huì)顯著影響到附近主航道，但從動(dòng)力角度分析，長江口深水航道北側(cè)兩個(gè)預(yù)選傾倒區(qū)傾倒擴(kuò)散時(shí)，對南側(cè)深水航道造成回淤的概率更大。

(4)預(yù)選傾倒區(qū)D擴(kuò)散影響范圍最大，預(yù)選傾倒區(qū)C次之，預(yù)選傾倒區(qū)A和預(yù)選傾倒區(qū)B擴(kuò)散影響范圍最小。從動(dòng)力條件來看，深水航道南側(cè)水動(dòng)力條件優(yōu)于北側(cè)，從傾倒區(qū)拋泥懸浮物擴(kuò)散的角度來看，預(yù)選傾倒區(qū)C影響最小，動(dòng)力條件較好，綜合來看最為合適。