懸浮物對(duì)海洋環(huán)境影響的研究
——以董家口港油品碼頭建設(shè)工程為例

趙迎春,王海棠

(國家海洋局北海海洋勘察研究院 青島 266033)

懸浮物對(duì)海洋環(huán)境影響的研究
——以董家口港油品碼頭建設(shè)工程為例

趙迎春,王海棠

(國家海洋局北海海洋勘察研究院 青島 266033)

文章利用MIKE21FM水動(dòng)力模型,對(duì)董家口港油品碼頭工程海域進(jìn)行潮流數(shù)值模擬,在潮流模擬驗(yàn)證吻合的基礎(chǔ)上,建立了懸浮物輸移、擴(kuò)散預(yù)測模型,預(yù)測了工程在基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚過程中引起的懸浮物濃度,給出了懸浮泥沙的最大擴(kuò)散范圍,以及各類水質(zhì)的超標(biāo)面積,分析了工程對(duì)海洋水質(zhì)環(huán)境的影響。

董家口港;數(shù)值模擬;懸浮物;環(huán)境影響

董家口港區(qū)是國家樞紐港——青島港的重要組成部分,是以大宗散貨、液體化工品及雜貨運(yùn)輸為主,逐步發(fā)展成為服務(wù)腹地物資運(yùn)輸和臨港產(chǎn)業(yè)開發(fā)的大型綜合性港區(qū),是青島市“環(huán)灣保護(hù)、擁灣發(fā)展”戰(zhàn)略實(shí)施的核心組成部分。作為青島港優(yōu)化港口布局和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要依托,董家口港在油品碼頭的建設(shè)中,港池疏浚、吹填和基槽開挖引起的懸浮物輸移擴(kuò)散,對(duì)海域的水質(zhì)產(chǎn)生影響,其程度不但與工程區(qū)底質(zhì)有關(guān),而且與海域水動(dòng)力狀況、疏浚方式等密切相關(guān)[1]。本研究采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21FM,預(yù)測工程施工產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散對(duì)海洋環(huán)境的影響。

1 潮流數(shù)值模型

1.1 模型控制方程

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量方程

式中:ζ為水位;h為靜水深;H為總水深,H=h+ζ;u、v分別為x、y方向垂向平均流速;g為重力加速度;f為科氏力參數(shù)(f= 2ωsinφ,φ為計(jì)算海域所處地理緯度);CZ為謝才系數(shù),,n為曼寧系數(shù);εx、εy為x、y方向水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)。

1.2 定解條件

初始條件:

邊界條件:

固定邊界取法向流速為0,即→v·→n=0;在潮灘區(qū)采用動(dòng)邊界處理;水邊界采用預(yù)報(bào)潮位控制:

式中:A0為平均海面;Fi、(v0+u)i為天文要素;Hi、gi為某分潮調(diào)和常數(shù),即振幅與遲角。

1.3 計(jì)算域和網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算域范圍[2]為由灌河口、嶗山灣兩點(diǎn)及岸線圍成的海域,模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格。坐標(biāo)范圍為34°17′50″N～36°16′11″N, 119°05′42″E～120°33′52″E。為了清楚了解和研究海域潮流場特征,對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。加密區(qū)域?yàn)橛?5°30′N線、120°01′E線及岸線圍成的海域。整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由2 681個(gè)節(jié)點(diǎn)和4 620個(gè)三角單元組成,最小空間步長約為10 m(圖1)。

圖1 擬建油品碼頭及引橋周邊網(wǎng)格分布

1.3.1 大海域模型水邊界輸入

開邊界:引用灌河口、嶗山灣的M2、S2、K1和O14個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù),采用下述公式進(jìn)行預(yù)報(bào)潮位,以預(yù)報(bào)潮位值輸入計(jì)算。

式中:fi、i為第i個(gè)分潮(這里共取4個(gè)分潮:M2、S2、O1和K1)的交點(diǎn)因子和角速度;Hi和Gi是調(diào)和常數(shù),分別為分潮的振幅和遲角;V0i+Vi是分潮的幅角。

閉邊界:以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

1.3.2 計(jì)算時(shí)間步長和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行,最小時(shí)間步長

0.1 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進(jìn)行控制,曼寧系數(shù)n取32～45 m1/3/s。

1.3.3 水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)[3]

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky (1963)公式計(jì)算水平渦黏系數(shù),表達(dá)式如下:

式中:Cs為常數(shù);l為特征混合長度,由Sij=計(jì)算得到。

1.4 潮流數(shù)值模型及驗(yàn)證

利用2008年12月14日—15日國家海洋局北海海洋工程勘察研究院于大潮期在工程海域進(jìn)行的兩個(gè)站位潮流和潮位觀測資料,繪制了實(shí)測和計(jì)算的潮流潮位驗(yàn)證曲線 (圖2和圖3)。由圖2可以看出,計(jì)算值和實(shí)測值符合良好,能較好地反映工程周邊海域潮流狀況。

圖2 潮位驗(yàn)證曲線

圖3 03站流速、流向驗(yàn)證曲線

1.5 潮流場預(yù)測結(jié)果

根據(jù)工程給出的油品碼頭及引橋位置和竣工后的水深,預(yù)測了工程建成后的海域流場,由計(jì)算知海域整體流場與工程前流場相比,變化不大,只在工程附近海域,流場有較大的變化(圖4和圖5)。圖6為工程前后潮流場比對(duì)點(diǎn),表1為各點(diǎn)比對(duì)結(jié)果。

結(jié)果顯示,油品碼頭及引橋西側(cè)1 500 m以外海域流速變化小于15%,南側(cè)各點(diǎn)流速變化小于3%,東側(cè)代表點(diǎn)流速變幅小于6%,因此,本工程建設(shè)對(duì)潮流場的影響位于項(xiàng)目用海區(qū)1 500 m范圍內(nèi)。

圖4 工程海域預(yù)測潮流場 (漲潮中間時(shí))

圖5 工程海域預(yù)測潮流場 (落潮中間時(shí))

圖6 流速、流向?qū)Ρ赛c(diǎn)位置

2 懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)環(huán)境的影響

2.1 水質(zhì)預(yù)測模型

潮流是海域污染物進(jìn)行稀釋擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿σ蛩?在獲得可靠的潮流場的基礎(chǔ)上,通過添加水質(zhì)預(yù)測模塊 (平面二維非恒定的對(duì)流—擴(kuò)散模型),可進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測計(jì)算。

2.1.1 二維水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散控制方程

式中:Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù);c為污染物濃度;F為衰減系數(shù),模型中取F=0;s為污染物源強(qiáng),s=QS×CS,其中QS為排放量,CS為濃度。

2.1.2 邊界條件

岸邊界條件:濃度通量為零;

開邊界條件:

入流

式中:Γ為水邊界;P0為邊界濃度,模型僅計(jì)算增量影響,取P0=0。

出流

式中:Un邊界法向流速;n為法向。

2.1.3 初始條件

2.2 入海懸浮泥沙源強(qiáng)分析

2.2.1 基槽開挖

采用容量為8 m3的抓斗式抓泥船,每小時(shí)按挖泥12斗計(jì),工作能力為96 m3/h,泥水比為2∶3,懸浮泥沙發(fā)生量一般為抓泥量的3%～55%[4],分析采用懸浮泥沙的最大發(fā)生率5%計(jì),懸浮物發(fā)生量為1.41 kg/s。

2.2.2 塊石拋填

拋石一方面由于細(xì)顆粒泥沙帶入水中增加水體懸浮物濃度;另一方面拋石擠出的泥沙清除過程也產(chǎn)生顆粒懸浮物。對(duì)于前者工程填海采用拋大塊石擠淤,細(xì)顆粒泥沙含量極小,當(dāng)填筑高程高于地面時(shí),填筑料對(duì)水體影響更小,故這里不計(jì)拋石直接帶入水中的泥沙。拋石擠淤形成的顆粒物懸浮源強(qiáng)按下式計(jì)算:

式中:S1為拋石擠淤的懸浮物源強(qiáng)(kg/s);θ1為沉積物天然含水率 (%);ρ1為淤泥中顆粒物濕密度(g/cm3);α1為泥沙中懸浮物顆粒所占百分率(%);P為平均擠淤強(qiáng)度,根據(jù)施工方案,P取0.007 5 m3/s。因此,拋石點(diǎn)源的懸浮 泥沙平均源強(qiáng)約為3.80 kg/s。

表1 距工程不同距離處最大流速、流向?qū)Ρ?/p>

2.2.3 回填溢流

根據(jù)溢流口位置,回填區(qū)的泥漿水流經(jīng)分隔圍堰、多道防污屏沉隔、布設(shè)雙層土工布,最后經(jīng)排水口排出。根據(jù) 《山東半島流域水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),SS濃度應(yīng)小于70 mg/L,根據(jù)施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),溢流口懸浮泥沙濃度很難控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),實(shí)際最大濃度可達(dá)2 500 mg/L?；靥钊坎捎藐懹蛲铺?裝載車載重量為20 m3,每小時(shí)卸車30車,則溢流口泥沙溢流速度為600 m3/h。由此計(jì)算,溢流口懸浮泥沙源強(qiáng)可達(dá)0.42 kg/s。

2.2.4 港池疏浚[5]

采用1 500 m3/h自航耙吸式挖泥船挖泥,耙吸式挖泥船挖泥過程攪動(dòng)水體產(chǎn)生的懸浮泥沙量與挖泥船類型與大小、耙頭種類、水力吸入能力的大小、作業(yè)現(xiàn)場的波浪與水流、現(xiàn)場水鹽度、底質(zhì)粒徑分布有關(guān);一般距耙頭10～15 m距離處水中SS濃度增加值不超過50 mg/L。疏浚滿艙溢流泥沙量(Q值)最大為15 t/h,懸浮泥沙源強(qiáng)為4.2 kg/s。

2.3 入海懸浮泥沙發(fā)生點(diǎn)位置

為了獲得懸浮泥沙擴(kuò)散最大外包絡(luò)線,基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚泥沙發(fā)生點(diǎn)均設(shè)置在相應(yīng)位置的外邊緣線處。

2.4 預(yù)測懸浮泥沙濃度增量分布

本工程大潮期間基槽開挖、塊石拋填、回填溢流和港池疏浚施工環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的懸浮泥沙擴(kuò)散范圍[6]如表2所示。將以上施工過程產(chǎn)生的懸浮泥沙擴(kuò)散范圍疊加后,可知大潮期間施工產(chǎn)生懸浮泥沙的最大擴(kuò)散范圍 (圖7)。施工期間產(chǎn)生的懸浮泥沙10 mg/L等值線向北最大擴(kuò)散距離約為1.7 km,向東最大擴(kuò)散距離約為2.1 km,向南最大擴(kuò)散距離約為3.4 km,向西最大擴(kuò)散距離約為3.0 km。10 mg/L等值線最大影響范圍包絡(luò)線所圍面積約為25.656 km2。

表2 工程施工各環(huán)節(jié)產(chǎn)生懸浮泥沙擴(kuò)散最大范圍 km2

圖7 工程施工產(chǎn)生懸浮泥沙最大擴(kuò)散范圍

3 環(huán)境影響分析

根據(jù)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3097—1997可知,港池疏浚對(duì)海水影響面積最大,超一 (二)類水質(zhì)面積達(dá)24.546 km2;劣四類水質(zhì)面積為0.837 km2。其次為基槽開挖,影響范圍最小的是回填溢流。工程施工所產(chǎn)生的懸浮泥沙對(duì)水質(zhì)環(huán)境的影響主要位于工程用海區(qū)南側(cè),北側(cè)由于現(xiàn)有壩體的阻隔對(duì)水質(zhì)基本無影響,在此小范圍內(nèi),會(huì)對(duì)浮游生物的生長和繁殖造成一定影響;但施工結(jié)束后,水體中懸浮物含量會(huì)很快恢復(fù)到施工前的本底水平。魚類對(duì)懸浮體污染的耐受性較強(qiáng),一般而言,當(dāng)懸浮體濃度不超過200 mg/L,而且影響時(shí)間較短時(shí),不會(huì)直接導(dǎo)致魚類死亡,而且魚類具有游泳能力,可以逃避到周圍無害的海域;從圖8中可以看出,在距工程西南向5 km2處有日照市西施舌海洋保護(hù)區(qū),根據(jù)施工期懸浮泥沙擴(kuò)散數(shù)值模擬,施工期間產(chǎn)生的懸浮泥沙10 mg/L等值線向西最大擴(kuò)散距離約為3.0 km,因此本工程不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。另外,因港口的規(guī)劃建設(shè)已對(duì)周邊的養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行了搬遷和補(bǔ)償,工程用海范圍已經(jīng)沒有養(yǎng)殖業(yè)戶,懸浮泥沙的污染擴(kuò)散也將隨工程的結(jié)束而停止,所以對(duì)養(yǎng)殖業(yè)不產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21FM,建立的懸浮物輸移、擴(kuò)散模式,適用于碼頭基槽開挖、港池疏浚等產(chǎn)生的懸浮物的輸運(yùn)擴(kuò)散,根據(jù)工程情況采用間斷源計(jì)算更加符合實(shí)際。懸浮物輸運(yùn)擴(kuò)散計(jì)算表明,在正常作業(yè)情況下,懸浮物只對(duì)海區(qū)碼頭西、南側(cè)3.0 km范圍內(nèi)有影響,對(duì)其他水域不構(gòu)成威脅?；坶_挖期間不會(huì)對(duì)海區(qū)生物的生長和生存造成明顯影響;港池疏浚作業(yè)過程中,在局部小范圍內(nèi)對(duì)少數(shù)漁業(yè)種類的幼體生存造成影響。

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