海洋傾倒區(qū)分小區(qū)傾倒管理方案數(shù)值研究＊

王海棠，劉有剛，周劍波

（國家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青島 266033）

海洋傾倒區(qū)的設(shè)立為海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)，例如，天津港某海洋傾倒區(qū)從20世紀(jì)50年代啟用至今，歷年來為多項(xiàng)疏浚工程進(jìn)行服務(wù)，極大地促進(jìn)了天津港的建設(shè)。然而，經(jīng)過長期的傾倒，尤其是2000年以來天津港的大規(guī)模開發(fā)引起的傾倒強(qiáng)度的加大，使該區(qū)的水深和海底地形發(fā)生了很大變化，由于傾倒不均勻，該區(qū)目前最淺處水深不足3m，最深處約7.5m，海底地形起伏不平。受其最淺處水深太淺的制約，海洋管理部門出于安全考慮，目前已暫停使用該傾倒區(qū)。

該傾倒區(qū)暫停使用的原因?yàn)榭臻g容量不足，導(dǎo)致其空間容量不足的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：① 傾倒強(qiáng)度加大；② 傾倒方式的影響（不均勻傾倒）。那么，一個(gè)海洋傾倒區(qū)的傾倒強(qiáng)度究竟應(yīng)該控制在多大范圍之內(nèi)？換言之，如何控制傾倒區(qū)的年傾倒量？采用怎樣的傾倒方式更有助于延長傾倒區(qū)的使用壽命？這些問題值得海洋主管部門和我們海洋傾倒區(qū)選劃工作者深思。

本研究擬以營口疏浚物海洋傾倒區(qū)為研究對象，對疏浚物傾倒后海底地形的變化進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)計(jì)不同的分小區(qū)傾倒管理方案，通過比選確定最有利于傾倒區(qū)使用的傾倒管理方案。使海域資源得到合理有效的開發(fā)利用，并為管理部門進(jìn)行海洋傾倒區(qū)管理提供決策依據(jù)。

1 營口海域海洋傾倒區(qū)介紹

營口海域曾經(jīng)使用及在用的海洋傾倒區(qū)主要有A區(qū)、C區(qū)和營口疏浚物海洋傾倒區(qū)。

營口港臨時(shí)海洋傾倒區(qū)A區(qū)，中心點(diǎn)位于121°59′12″E、40°22′48″N， 傾 倒 區(qū) 半 徑 為0.5km，面 積 為 0.785km2， 水 深 11m［1］，2002年經(jīng)國家海洋局批復(fù)同意使用，2008年3月關(guān)閉。主要用于營口港擴(kuò)建5萬噸級航道工程及港區(qū)日常維護(hù)性疏浚，累計(jì)傾倒量大約為445萬m3，歷年來承納的疏浚物均為清潔疏浚物（I類）。

營口港臨時(shí)海洋傾倒區(qū)C區(qū)，中心點(diǎn)位于121°47′00″E、40°20′00″N，傾倒區(qū)半徑為1km，面積為3.14km2，水深18m［2］，2005年經(jīng)國家海洋局批復(fù)同意使用，主要用于營口港建設(shè)15萬噸級航道工程及港區(qū)日常維護(hù)性疏浚，累計(jì)傾倒量約775萬m3，歷年來承納的疏浚物均為清潔疏浚物（I類）。目前該傾倒區(qū)已關(guān)閉。

營口疏浚物海洋傾倒區(qū)，中心點(diǎn)位于121°33′00″E、40°18′10″N，傾倒區(qū)半徑為1km，面積為3.14km2，水深17.5～17.9m［3］，是2010年經(jīng)國家海洋局批復(fù)同意確立的正式海洋傾倒區(qū)。年傾倒量控制為200萬m3，用于營口港工程建設(shè)及周邊海洋產(chǎn)業(yè)的日常維護(hù)性疏浚。

2 數(shù)值模型設(shè)置及驗(yàn)證

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的三維數(shù)值模型MIKE3FM來模擬工程海域的潮流場運(yùn)動(dòng)及泥沙輸運(yùn)、底床沖淤變化。

根據(jù)營口海域的基本特點(diǎn)和研究需要，模型計(jì)算范圍為40km×55km。水深資料采用航保部海圖（編號：11500）和營口臨時(shí)海洋傾倒區(qū)A區(qū)、C區(qū)、營口疏浚物海洋傾倒區(qū)實(shí)測水深圖。采用三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域（圖1），相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為3200m，在營口臨時(shí)海洋傾倒區(qū)A區(qū)、C區(qū)及營口疏浚物海洋傾倒區(qū)附近水域進(jìn)行局部加密，最小間距為100m。

圖1 數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格布置圖（加密區(qū)從左至右依次為營口疏浚物海洋傾倒區(qū)、C區(qū)、A區(qū)）

水動(dòng)力設(shè)零初始場，開邊界采用預(yù)報(bào)潮位（M2、S2、K1、O14個(gè)主要分潮）進(jìn)行控制。

泥沙輸運(yùn)、底床沖淤變化模擬設(shè)初始厚度為0，邊界輸入懸沙濃度設(shè)為0。沉積物類型輸入包括粉砂質(zhì)砂／砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)砂、粉砂質(zhì)黏土，但砂為主要粒度組分［1－3］。目前疏浚物傾倒多采用5000m3耙吸式挖泥船進(jìn)行底開傾倒。因此，考慮5000m3的耙吸式挖泥船拋泥作業(yè)，進(jìn)行泥沙擴(kuò)散及底床厚度變化模擬，拋泥船所載泥水混合物中泥沙占30%，傾倒方式為底開門一次性傾倒，每次傾倒約需5min。泥土干容重2650kg／m3，疏浚物產(chǎn)生懸沙比例取10%，由此計(jì)算得到：5000m3挖泥船單船傾倒源強(qiáng)為1325kg／s。

受所收集到資料的限制，模式潮汐潮流模擬結(jié)果使用C區(qū)實(shí)測潮位和海流資料進(jìn)行驗(yàn)證，海底地形變化模擬結(jié)果使用A區(qū)開始使用前及使用結(jié)束關(guān)閉前的實(shí)測水深資料進(jìn)行驗(yàn)證。由于文章主要關(guān)注海底地形變化以及受文章篇幅所限，僅給出海底地形變化模擬驗(yàn)證情況（圖2和圖3）。驗(yàn)證結(jié)果表明，Mike3FM模型能夠較好地再現(xiàn)營口海域潮汐潮流及泥沙輸運(yùn)、底床沖淤變化情況。

3 營口疏浚物海洋傾倒區(qū)海底地形變化的數(shù)值研究

為確定疏浚物傾倒后，傾倒區(qū)海底地形的變化情況，設(shè)計(jì)了兩組數(shù)值試驗(yàn)，每組試驗(yàn)采用不同的傾倒方式，設(shè)置不同的傾倒源強(qiáng)，預(yù)測在不同的傾倒方式作用下傾倒區(qū)海底地形的變化程度。每組數(shù)值試驗(yàn)具體設(shè)置如下。

數(shù)值試驗(yàn)1 單船定點(diǎn)連續(xù)傾倒。在傾倒區(qū)內(nèi)固定一點(diǎn)（如中心點(diǎn)）傾倒，每2h傾倒一次，每次傾倒5min，連續(xù)作用12h。這種傾倒方式下的傾倒源強(qiáng)可表示為：

式中：A0為輸入源強(qiáng)的等效振幅，由平均輸入源強(qiáng)計(jì)算求得（本研究為5000m3挖泥船單船傾倒源強(qiáng)1325kg／s）；T為傾倒頻率，即平均兩船傾倒時(shí)間間隔，取2h；TD為單船傾倒時(shí)間，取5min；連續(xù)作用12h，則n＝0，1，2，3，4，5，t為模型模擬時(shí)間。

數(shù)值試驗(yàn)2 單船換點(diǎn)連續(xù)傾倒。在傾倒區(qū)內(nèi)均勻選擇24個(gè)點(diǎn)傾倒，每2h傾倒一次，每次按順序選其中一點(diǎn)傾倒，每次傾倒5min，每天作業(yè)12h，連續(xù)作業(yè)24d。每天的傾倒源強(qiáng)設(shè)置與數(shù)值試驗(yàn)1相同。

對數(shù)值試驗(yàn)1模擬結(jié)果進(jìn)行簡單換算，折算出與數(shù)值試驗(yàn)2相同傾倒量下海底泥沙的擴(kuò)散面積、擴(kuò)散距離和泥沙沉積厚度，并從兩個(gè)角度對模擬結(jié)果（圖4、圖5和表1）進(jìn)行比較分析。

圖4 數(shù)值試驗(yàn)1所得營口疏浚物海洋傾倒區(qū)海底地形變化圖

從沉積海底的泥沙擴(kuò)散來分析，由于模擬區(qū)域的海流主要是潮流，且以NE－SW向往復(fù)流為主，因此，疏浚物傾倒后，沉積到海底的泥沙主要呈現(xiàn)NE－SW向的橢圓形向周圍擴(kuò)散。在相同的傾倒量下，數(shù)值試驗(yàn)2所得泥沙總擴(kuò)散面積和擴(kuò)散距離均大于數(shù)值試驗(yàn)1?？梢?，換點(diǎn)均勻傾倒比定點(diǎn)傾倒更有利于沉積于海底的泥沙向四周擴(kuò)散。

圖5 數(shù)值試驗(yàn)2所得營口疏浚物海洋傾倒區(qū)海底地形變化圖

從泥沙的沉積厚度來分析，在相同的傾倒量下，數(shù)值試驗(yàn)1所得局部泥沙堆積最大厚度為0.868m，數(shù)值試驗(yàn)2為0.215m。由于進(jìn)出營口港的船舶及過往該海域的船舶都沿相應(yīng)的航道或習(xí)慣航線行駛，且營口疏浚物海洋傾倒區(qū)距離相關(guān)航道及習(xí)慣航線距離較遠(yuǎn)（7km以上），因此，若不考慮這些船舶的通行，只考慮拋泥施工船舶的通航安全的話，目前通用的5000m3耙吸式挖泥船的最大吃水約為8m，而營口疏浚物海洋傾倒區(qū)平均水深按照17.7m考慮，也即該區(qū)最大有9.7m的空間可用于傾倒。因此，若達(dá)到單點(diǎn)堆高9.7m，數(shù)值試驗(yàn)1累計(jì)傾倒量最大約為805萬m3，數(shù)值試驗(yàn)2累計(jì)傾倒量最大約為3248萬m3。若按照10年使用壽命進(jìn)行考慮，在數(shù)值試驗(yàn)1的傾倒方式下，該區(qū)的年傾倒量最大約為80.5萬m3；而在數(shù)值試驗(yàn)2的傾倒方式下，該區(qū)的年傾倒量最大約為324.8萬 m3。

數(shù)值試驗(yàn)1和數(shù)值試驗(yàn)2分別模擬了兩種極端情況。數(shù)值試驗(yàn)1一直在一點(diǎn)連續(xù)傾倒，這比較接近于目前傾倒區(qū)使用的實(shí)際情況，實(shí)際的傾倒區(qū)是一個(gè)范圍而非一個(gè)點(diǎn)，但是施工人員往往出于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，一旦到達(dá)傾倒區(qū)范圍的邊緣，即實(shí)施傾倒，造成嚴(yán)重的不均勻傾倒現(xiàn)象，使傾倒區(qū)局部范圍泥沙堆積較高，不利于傾倒區(qū)的進(jìn)一步使用。數(shù)值試驗(yàn)2在傾倒區(qū)范圍內(nèi)連續(xù)換點(diǎn)傾倒，這種傾倒方式使海底地形變化較均勻，不會(huì)造成嚴(yán)重的局部堆高現(xiàn)象。但這種傾倒方式不便于施工，是一種理想狀況。

表1 數(shù)值試驗(yàn)1和數(shù)值試驗(yàn)2模擬結(jié)果比較

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：海洋傾倒區(qū)的傾倒容量與傾倒方式是相互聯(lián)系的，不均勻的傾倒方式減少傾倒區(qū)的傾倒容量。均勻的傾倒方式更有利于延長傾倒區(qū)使用壽命，但不便于施工，也不利于管理部門進(jìn)行管理監(jiān)督，因此，有必要探尋一些分小區(qū)傾倒管理的方案，既能使傾倒施工相對簡單，又能使管理部門易于管理和監(jiān)督。

4 營口疏浚物海洋傾倒區(qū)分小區(qū)傾倒管理方案比較分析

關(guān)于傾倒區(qū)分小區(qū)進(jìn)行傾倒管理，目前國內(nèi)也有過一些成功的經(jīng)驗(yàn)，例如連云港30萬噸級航道一期工程疏浚物臨時(shí)海洋傾倒區(qū)將2＃傾倒區(qū)再細(xì)分為5個(gè)區(qū)塊，將3＃傾倒區(qū)再細(xì)分為2個(gè)區(qū)塊，采用輪拋制。輪換時(shí)間，根據(jù)跟蹤監(jiān)測結(jié)果，由主管部門適時(shí)調(diào)整［4］。

影響傾倒區(qū)劃分小區(qū)的因素較多，比如工程區(qū)與傾倒區(qū)的位置關(guān)系、傾倒區(qū)域與周邊敏感區(qū)的位置關(guān)系等等。對營口疏浚物海洋傾倒區(qū)而言，周邊主要敏感區(qū)域距離傾倒區(qū)都在7km以上，因此，該區(qū)的小區(qū)劃分應(yīng)主要考慮工程區(qū)與傾倒區(qū)的位置關(guān)系。該區(qū)主要是為營口港的發(fā)展而選劃的，其承納的疏浚物多來自于營口港鲅魚圈港區(qū)及仙人島港區(qū)，因此可將該區(qū)按a、b兩點(diǎn)連線劃分為圖6所示的兩個(gè)小區(qū)，其中a、b兩點(diǎn)連線大致平行于營口港鲅魚圈港區(qū)及仙人島港區(qū)連線，這樣形成I區(qū)和II區(qū)兩個(gè)小區(qū)，其中I區(qū)距離工程區(qū)較近，II區(qū)距離工程區(qū)較遠(yuǎn)。為避免在I區(qū)就近傾倒，現(xiàn)設(shè)計(jì)如下兩種分小區(qū)傾倒管理方案進(jìn)行比較分析，看哪一種傾倒方式更有利于傾倒區(qū)的使用。

圖6 營口疏浚物海洋傾倒區(qū)小區(qū)劃分方案

分小區(qū)傾倒管理方案1：I區(qū)和II區(qū)實(shí)行輪拋制，時(shí)間間隔為6個(gè)月，也即先在I區(qū)連續(xù)傾倒6個(gè)月后，再在II區(qū)傾倒6個(gè)月，然后再在I區(qū)傾倒，如此往復(fù)。

分小區(qū)傾倒管理方案2：I區(qū)和II區(qū)實(shí)行輪拋制，時(shí)間間隔為1個(gè)月，也即先在I區(qū)連續(xù)傾倒1個(gè)月后，再在II區(qū)傾倒1個(gè)月，然后再在I區(qū)傾倒，如此往復(fù)。

為此，我們根據(jù)上述兩方案結(jié)合前文連續(xù)傾倒24d、折算總量為72萬m3傾倒量的數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值簡化，設(shè)計(jì)了兩組分小區(qū)傾倒管理數(shù)值試驗(yàn)。模擬結(jié)果（圖7、圖8和表2）表明：

圖7 方案1模擬所得營口疏浚物海洋傾倒區(qū)海底地形變化

圖8 方案2模擬所得營口疏浚物海洋傾倒區(qū)海底地形變化

表2 方案1和方案2模擬結(jié)果比較

在相同的傾倒量下，方案2所得泥沙總擴(kuò)散面積和擴(kuò)散距離均大于方案1。按方案1的傾倒方式進(jìn)行傾倒后，在海底會(huì)形成兩個(gè)明顯的局部堆高區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域局部堆積最大厚度為0.416m，另一個(gè)區(qū)域局部堆積最大厚度為0.595m。按方案2的傾倒方式進(jìn)行傾倒后，只會(huì)形成一個(gè)局部堆高區(qū)域，局部單點(diǎn)堆積最大厚度小于方案1，為0.242m。若只考慮前述施工船型，且傾倒區(qū)使用壽命按10年計(jì)算，則方案1折算累計(jì)傾倒量約為1150萬m3，年傾倒量約為115萬m3；方案2折算累計(jì)傾倒量約為2826萬m3，年傾倒量約為283萬m3。

因此，在傾倒區(qū)采用分小區(qū)輪拋制的情況下，輪拋的時(shí)間間隔越短，越不易形成顯著的泥沙局部堆積，越有利于延長傾倒區(qū)的使用壽命，且管理部門進(jìn)行管理監(jiān)督也相對簡單易行。

5 小結(jié)

通過前面的分析得知，均勻的傾倒方式不會(huì)造成明顯的傾倒區(qū)泥沙局部堆積，然而在傾倒管理實(shí)踐中，均勻的傾倒方式不便于施工，也不便于管理部門進(jìn)行管理監(jiān)督。在傾倒區(qū)采用分小區(qū)輪拋制的情況下，原則上，劃分的小區(qū)越多，輪拋的時(shí)間間隔越短，越有利于延長傾倒區(qū)的使用壽命，且管理部門進(jìn)行管理監(jiān)督也相對簡單易行。而劃分的小區(qū)數(shù)量及輪拋時(shí)間間隔需根據(jù)不同傾倒區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)考慮，不能一概而論。

［1］青島環(huán)海海洋工程勘察研究院，國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 .營口港海洋傾倒區(qū)評估報(bào)告［R］.2004.

［2］國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 .營口港臨時(shí)海洋傾倒區(qū)C區(qū)評估報(bào)告［R］.2009.

［3］國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 .營口疏浚物海洋傾倒區(qū)選劃報(bào)告［R］.2010.

［4］上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院 .連云港港30萬噸級航道一期工程疏浚物海洋臨時(shí)傾倒區(qū)選劃報(bào)告［R］.2009.