蒼南海域疏浚物傾倒懸浮物擴(kuò)散特征現(xiàn)場試驗分析

何東海，何琴燕，吳光榮，江再壽，洪元旦

(國家海洋局 寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波 315012)

隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，疏浚泥傾倒需求日益突出［1］，這些疏浚泥一方面來自港口、航道、碼頭新建和標(biāo)準(zhǔn)提高所需的建設(shè)性疏浚工程，另一方面來自由于沿岸海域開發(fā)后，原海域的水動力和水下地形沖淤平衡被打破后，加速港口、碼頭、航道的淤積，由此造成的維護(hù)疏浚頻率升高，疏浚量不斷增加。隨著傾倒區(qū)的不斷增加和傾倒量的不斷增多，疏浚物的海洋傾倒對周邊海洋環(huán)境的綜合影響越來越受到人們關(guān)注［2-5］。目前我國允許海洋傾倒的主要是Ⅰ類疏浚物即清潔疏浚物［6］，清潔疏浚物由于其毒性較小，對海洋環(huán)境的影響主要體現(xiàn)為以下兩方面:一方面傾倒后導(dǎo)致傾倒海域懸浮物含量的增加，對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，如由于水體中懸浮物濃度的驟升導(dǎo)致水生生物魚鰓積聚細(xì)小顆粒物質(zhì)，影響魚鰓濾水呼吸功能，導(dǎo)致窒息死亡［7］;另一方面則是疏浚物傾倒后在海底的堆積和遷移作用對傾倒區(qū)及周邊海域的淤積影響，從而影響對水深要求較高的海洋功能區(qū)如航道、碼頭、錨地功能的發(fā)揮［8］。掌握疏浚物傾倒后懸浮物擴(kuò)散特征如擴(kuò)散距離、擴(kuò)散強(qiáng)度、擴(kuò)散范圍、持續(xù)時間，對研究分析疏浚物傾倒后懸浮物擴(kuò)散增量對海洋生態(tài)環(huán)境的影響及預(yù)估疏浚物沉降后在海底的遷移方向和最終歸宿具有十分重要的意義［9］。目前疏浚物傾倒引起的懸浮物擴(kuò)散特征已成為海洋傾倒區(qū)選劃的重點關(guān)注內(nèi)容［10-11］。

由于資金、人員和設(shè)備等的限制，目前針對疏浚物傾倒后懸浮物的擴(kuò)散特征，主要通過數(shù)學(xué)模擬來實現(xiàn)，如邱桔斐等［12］以長江口北槽口門外傾倒區(qū)為例對疏浚拋泥后懸浮物擴(kuò)散計算模式進(jìn)行的探討;李佳等［13］以溫州港進(jìn)港航道疏浚工程的某大型海洋傾倒區(qū)為例進(jìn)行的懸浮物擴(kuò)散研究。用數(shù)值模擬來實現(xiàn)疏浚物拋泥后懸浮物擴(kuò)散特征的分析，雖然具有經(jīng)濟(jì)、高效、全面等優(yōu)點，但由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，懸浮物擴(kuò)散特征是多方面綜合作用的結(jié)果，用數(shù)值模擬來描述懸浮物擴(kuò)散特征在直觀性和準(zhǔn)確性方面存在一定的缺陷。通過現(xiàn)場觀測手段來進(jìn)行傾倒物擴(kuò)散特征研究，目前開展的還較少。吳家學(xué)［14］等利用聲學(xué)后散射(ABS)泥沙觀測系統(tǒng)能非擾動地遙測到高時空分辨率的泥沙濃度，應(yīng)用聲學(xué)懸浮泥沙觀測系統(tǒng)(ACP)在長江河口北槽拋泥過程中觀測懸沙濃度的時空分布規(guī)律，并同步觀測流場的結(jié)構(gòu)，探討拋泥作業(yè)狀態(tài)下懸沙輸移擴(kuò)散過程。周明［15］等利用聲學(xué)追蹤方法進(jìn)行堿渣海洋傾倒懸浮物顆粒云團(tuán)擴(kuò)散特征研究。上述研究主要是利用聲學(xué)對懸浮泥沙散射和反射原理，得出懸浮泥沙濃度。本研究則通過蒼南海域疏浚物傾倒試驗，直接采取水樣來觀測懸浮泥沙擴(kuò)散濃度，目前采用該方法進(jìn)行疏浚物傾倒懸浮物擴(kuò)散特征研究所見甚少，本研究擬為開展同類傾倒試驗提供一些借鑒。

1 材料和方法

1.1 儀器設(shè)備

儀器:SLC9-2 直讀式海流計，產(chǎn)自中國海洋大學(xué)海洋儀器廠;FYF-1 型便攜式測風(fēng)儀，產(chǎn)自上海風(fēng)云氣象測風(fēng)儀器廠;DGPS，產(chǎn)自美國Trimble 公司;LS200-AL39495 激光粒度儀，產(chǎn)自美國BECKMAN COULTER公司;AE163 電子天平，產(chǎn)自美國METTLER TOLEDO 公司。

船舶:試驗船為開底式排放的700 t 駁船1 艘，觀測船為200 t 左右漁船2 艘。

1.2 觀測方法

參考《海洋傾倒區(qū)選劃技術(shù)導(dǎo)則》［16］中“廢棄物海上傾倒試驗”的懸浮物擴(kuò)散觀測方法。

1.2.1 疏浚物粒徑監(jiān)測

取3 份疏浚物樣品，對其進(jìn)行粒徑特征值分析，取其均值。

1.2.2 試驗時間

疏浚物海上傾倒試驗于2011年5月進(jìn)行，均在高平潮開始落潮時進(jìn)行。在兩個傾倒點(傾倒點A 和傾倒點B)進(jìn)行了試驗，疏浚物傾倒點設(shè)在蒼南東南海域，具體試驗位置和跟蹤觀測軌跡見圖1。

圖1 疏浚物傾倒點和試驗海域Fig.1 The sea area of test and dumping spot

1.2.3 疏浚物裝運(yùn)及傾倒方式、數(shù)量

采用挖泥船，在預(yù)疏浚處挖出疏浚物傾倒至駁船，裝載約500 t 左右，運(yùn)至傾倒點，進(jìn)行開底式傾倒。

1.2.4 定位方法、精度及實測航跡圖

采用美國產(chǎn)Trimble 信標(biāo)臺實時差分DGPS 定位系統(tǒng)定位，定位精度優(yōu)于1 m;觀測終點與傾倒點距離約為3 km，云團(tuán)基本上按順流方向漂移。

1.2.5 傾倒試驗過程

1)傾倒試驗前對傾倒點做水體中懸浮物濃度和粒徑特征背景調(diào)查，分表、底2 層采集水樣。

2)傾倒試驗時傾倒船到達(dá)傾倒點，疏浚物傾倒量為500 t，傾倒歷時約為20 s，傾倒方式為瞬時底開門，同時投放鐵粉紅輔助觀測。

3)一艘觀測船錨泊固定在傾倒點(A 點、B點)，在廢棄物傾倒后觀測海流、風(fēng)況，并用采水器在傾倒前，0 min(傾倒瞬時)、15 min、30 min、60 min、90 min、120 min時刻分表、底層采樣;另一艘船在疏浚物傾倒后跟蹤傾倒物“云團(tuán)”運(yùn)移路徑，航速為3 ～4 節(jié)，為避免船只螺旋槳轉(zhuǎn)動擾動水體，在到達(dá)云團(tuán)中心之前20 ～50 m 左右，關(guān)閉引擎，利用慣性駛進(jìn)云團(tuán)中心，采樣設(shè)備安裝在船身中間偏前位置，當(dāng)船只速度減慢，接近云團(tuán)中心時，開始采集水樣，采樣時定點觀測船，同時記錄采樣位置(經(jīng)緯度)。傾倒前和0 時數(shù)據(jù)采用定點觀測船數(shù)據(jù)。

4)各采樣點、采樣層次均采3 份平行樣，所采用的懸浮物濃度和懸浮物粒徑特征值分析結(jié)果均為平行樣均值。

2 試驗海域自然環(huán)境概況

1)試驗期間，A 傾倒點風(fēng)速為2.9 m/s，風(fēng)向為75°，海況二級;B 傾倒點風(fēng)速為3.5 m/s，風(fēng)向為295°，海況二～三級。

2)傾倒點A 和B 所在海域潮流性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮流，海流均以往復(fù)流為主并伴有旋轉(zhuǎn)性的混合流態(tài)，試驗海域漲潮流方向為西北、落潮流方向為東南。試驗期間，A 測站、B 測站表層流速分別為47 ～103 cm/s 和55 ～112 cm/s;A 測站、B 測站底層流速分別為61 ～88 cm/s 和75 ～93 cm/s。

3)試驗海域懸浮物濃度表層為19.0 ～53.1 mg/L，平均為36.3 mg/L，底層為26.4 ～65.8 mg/L，平均為42.5 mg/L。沉積物粒徑傾倒點A 區(qū)和傾倒點B 區(qū)沉積物類型以粉砂質(zhì)粘土為主，中值粒徑為4.5 ～11.2 μm，均值為7.2 μm。

3 結(jié)果與分析

3.1 疏浚物傾倒后懸浮物擴(kuò)散過程觀測結(jié)果

疏浚物在傾倒點瞬時傾倒后，根據(jù)現(xiàn)場目測，產(chǎn)生面積約0.2 ～0.5 km2的片狀云團(tuán)(見圖2，現(xiàn)場照片)，云團(tuán)隨著海流很快離開定點觀測船。云團(tuán)離開定點觀測船后，慢慢形成“環(huán)帶狀”，隨著與傾倒點的距離加大，云團(tuán)范圍也逐漸縮小，色度和形狀逐漸模糊，云團(tuán)漂移約1 h，漂移距傾倒點1 km 左右，已較難辨認(rèn)。

3.2 懸浮物粒徑分布特征

3.2.1 觀測海域懸浮物與投放物粒徑分析結(jié)果

觀測海域水體中懸浮物與疏浚物粒徑分析結(jié)果見表1。由表可知，疏浚物的中值粒徑和平均粒徑要大于傾倒點A 和B 水體中懸浮物的相應(yīng)特征值。疏浚物中值粒徑分別為傾倒點A 和B 懸浮物粒徑的1.8 倍和1.3 倍，而平均粒徑則分別為傾倒點A 和B 的2.7 倍和2.3 倍。虞蘭蘭等［17］對溫州蒼南海域懸浮物中值粒徑調(diào)查結(jié)果表明，水體中表層為4 ～12 μm，底層為5 ～15 μm，傾倒點A 和B 粒徑監(jiān)測結(jié)果與其相符，中值粒徑值處于其調(diào)查范圍中。

圖2 傾倒云團(tuán)現(xiàn)場觀測照片F(xiàn)ig.1 The photos of the cloud formed by dumping

表1 試驗海域懸浮物和疏浚物粒度特征值分析結(jié)果Tab.1 The grain size of suspended matter in dumping spot and dredged material

3.2.2 試驗期間懸浮物粒徑變化特征

懸浮物粒徑特征值隨疏浚物傾倒時間變化情況見圖3 ～圖4，圖中“D50表”、“D50底”、“DMZ表”和“DMZ底”分別表示表層水體懸浮物中值粒徑、底層水體懸浮物中值粒徑、表層水體懸浮物平均粒徑、底層水體懸浮物平均粒徑。

1)定點觀測:由圖3 可知，傾倒0 時，中值粒徑和平均粒徑有很大的上升，增量分別可達(dá)50% ～200%和25% ～100%，而隨著時間的延長，粒徑特征值也隨之逐漸下降，到120 min 左右基本到達(dá)傾倒前的水平。而在定點觀測站特別是A 傾倒點，表層懸浮物粒徑在15 min 時中值粒徑和平均粒徑均迅速下降，下降的幅度要高于底層，主要原因一方面是表層流流速較快，傾倒引起的滯留水體表層的疏浚物較快地漂離觀測點，另一方面表層懸浮物的自然沉降，所以在傾倒后15 min，觀測點表層水體中懸浮物已基本不受傾倒影響，粒徑特征也與傾倒前相似。

2)跟蹤觀測:根據(jù)3.2.1 節(jié)分析結(jié)果，疏浚物平均粒徑和中值粒徑大于傾倒海域懸浮物，疏浚物傾倒后一段時間內(nèi)，水體中的懸浮物以疏浚物為主，導(dǎo)致懸浮物平均粒徑和中值粒徑隨之劇增，而隨著疏浚物的擴(kuò)散和沉降，疏浚物在水體中含量逐漸減小，隨著傾倒時間的延長，水中懸浮物平均粒徑和中值粒徑也變小，傾倒約120 min 后，水體中懸浮物又以該海域自身的懸浮物為主，粒徑特征值也就恢復(fù)到傾倒前的狀態(tài)(見圖4)。

圖3 不同傾倒點定點觀測懸浮物特征值Fig.3 The grain size of suspended matter at Spots A and B by fastened boat

圖4 云團(tuán)追蹤測線懸浮物粒徑特征值Fig.4 The grain size of suspended matter at Spots A and B by tracking boat

3.3 懸浮物擴(kuò)散

海洋中定點傾倒疏浚物的運(yùn)動，一般可由三個過程描述:沉降、擴(kuò)散和輸運(yùn)。傾倒船底部傾卸入海的疏浚泥，一部分立即沉入海底形成浮泥，另一部分則揚(yáng)起成為懸沙。浮泥在重力和海洋動力作用下，沿海底流動，懸沙在水中隨海流運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)移，同時發(fā)生絮凝沉降。當(dāng)風(fēng)浪足以掀起浮泥時，浮泥被攪起形成懸沙，風(fēng)平浪靜，懸沙落淤再形成浮泥［9］。這里主要側(cè)重于疏浚物傾倒后懸沙隨海流的擴(kuò)散運(yùn)移。

3.3.1 云團(tuán)懸浮物濃度與傾倒時間關(guān)系

1)由表2 可知，定點觀測中，0 時懸浮物濃度增量較大，15 min 時，表層懸浮物濃度已基本恢復(fù)至傾倒前水平，但底層懸浮物濃度仍然較高。30 min、60 min 時表層懸浮物濃度的增量均不明顯，60 min 時底層懸浮物增量也不明顯，由此可見，疏浚物產(chǎn)生的表層懸浮物增量，在15 min 后已沉降或漂離傾倒點，底層懸浮物增量則在60 min 時已十分有限。云團(tuán)跟蹤觀測過程中底層懸浮物濃度要大于定點觀測值，這是由于追蹤觀測是隨疏浚物漂移路徑而進(jìn)行的，云團(tuán)漂移處的懸浮物增量影響較為明顯，同時也說明懸浮物濃度增量影響與云團(tuán)漂移路徑較為一致。

2)90 min、120 min 時表層和底層懸浮物濃度增量又較為明顯，根據(jù)現(xiàn)場觀測，主要是由于這時夾帶高濃度懸浮物的蒼南沿岸落潮流到達(dá)觀測海域所致，根據(jù)懸浮物的粒度分析結(jié)果來看(見3.2 節(jié))，雖然這時懸浮物濃度有所上升，但是懸浮物粒徑特征與傾倒前基本保持一致，由此可見這些懸浮物增量的重要貢獻(xiàn)者不是傾倒物，主要是蒼南沿岸落潮流夾帶的高濃度懸浮物。而傾倒點B 由于離岸較遠(yuǎn)，受影響的時間稍顯滯后，表現(xiàn)為在90 min、120 min 時，海水中懸浮物增量程度要小于傾倒點A。

3)蒼南東南海域的疏浚物傾倒試驗表明，大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團(tuán)在15 ～30 min 后漂離傾倒點，且傾倒點的懸浮物濃度也基本恢復(fù)到傾倒前;而傾倒30 ～60 min 后，由傾倒引起的云團(tuán)基本消失，懸浮物增量效應(yīng)也基本結(jié)束。

表2 懸浮物濃度與云團(tuán)漂移時間關(guān)系Tab.2 The relation between the concentration of suspended matter and the dumping time

葉慧明等［18］對洋山臨時海洋傾倒區(qū)疏浚物傾倒懸浮物動態(tài)跟蹤監(jiān)測結(jié)果顯示，傾倒引起的懸浮物增量范圍為37.5 ～126.5 mg/L，傾倒1 h 后各觀測站點的懸浮物增量效應(yīng)已明顯減弱。本研究疏浚物傾倒引起的懸浮物增量要高于其水平，而懸浮物增量效應(yīng)持續(xù)的時間則較為接近。

3.3.2 云團(tuán)懸浮物濃度與漂移路徑關(guān)系

1)由圖5 和圖6 可見，傾倒點表、底層懸浮物都顯示了較高的濃度，表層水體中懸浮物濃度在0.3 km(傾倒點A)和0.4 km(傾倒點B)處由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量已不明顯。而隨著云團(tuán)追蹤距離的延長，底層水體中懸浮濃度逐漸變小，在距離傾倒點1.4 km(傾倒點A)和1.3 km(傾倒點B)處，底層水體中由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量已不明顯。根據(jù)現(xiàn)場觀測，在隨后的觀測距離上由于受到夾帶高濃度懸浮物落潮流的影響，2.2 km 以遠(yuǎn)的區(qū)域均出現(xiàn)了表、底層水體懸浮物濃度升高的現(xiàn)象。

2)蒼南東南海域的疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團(tuán)在順流方向距傾倒點0.3 ～0.4 km 處，表層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響已不明顯，在云團(tuán)漂移至傾倒點1.3 ～1.4 km 處，底層水體受疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響也已不顯著，由此可知，在試驗工況下，疏浚物傾倒引起的對水體懸浮物濃度增高影響在順流方向1.5 km 左右基本結(jié)束。

圖5 傾倒點A 云團(tuán)漂移路徑與懸浮物濃度關(guān)系Fig.5 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot A

圖6 傾倒點B 云團(tuán)漂移路徑與懸浮物濃度關(guān)系Fig.6 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot B

洋山臨時海洋傾倒區(qū)疏浚物傾倒懸浮物動態(tài)觀測結(jié)果表明［18］，傾倒引起的懸浮物增量影響最大距離約在順流方向5 km。本研究結(jié)果則表明順流方向在1.5 km 左右，要小于上述研究結(jié)果。原因之一為洋山與蒼南海域流速差異不大(洋山47 ～107 cm/s，蒼南47 ～112 cm/s)，而洋山海流為典型的往復(fù)流，不伴有旋轉(zhuǎn)流，蒼南海域往復(fù)流中伴有旋轉(zhuǎn)流，所以在擴(kuò)散性上洋山海域要強(qiáng)于蒼南海域，另一個原因為洋山海域的疏浚物粒徑要小于蒼南海域疏浚物粒徑(洋山5.4 ～7.8 μm，蒼南6.0 ～22.2 μm)，疏浚物本身的擴(kuò)散性洋山試驗要大于本次試驗。

4 結(jié) 語

1)粒度隨時間變化情況:傾倒0 時，懸浮物粒徑的平均粒徑相對于傾倒前增量約為25% ～200%，中值粒徑增量約為25% ～100%;隨后，懸浮物粒徑的平均粒徑和中值粒徑都迅速下降，至傾倒后120 min，各層次懸浮物的平均粒徑和中值粒徑基本恢復(fù)到傾倒前水平。

2)懸浮物影響持續(xù)時間:蒼南東南海域疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團(tuán)在15 ～30 min 后漂離傾倒點，且傾倒點的懸浮物濃度也基本恢復(fù)到傾倒前;而在傾倒30～60 min 后，由疏浚物引起的云團(tuán)基本消失，且由傾倒引起的懸浮物增量效應(yīng)也基本結(jié)束。

3)懸浮物影響距離:蒼南東南海域疏浚物傾倒試驗表明，在大潮落潮時，由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團(tuán)在順流方向距傾倒點0.3 ～0.4 km 處，表層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響已不明顯，在云團(tuán)漂移至傾倒點1.3 ～1.4 km 處，底層水體由疏浚物傾倒引起的懸浮物增量影響也已不顯著，在試驗工況下，疏浚物傾倒引起的對水體懸浮物濃度影響距離在順流方向約1.5 km。

對蒼南海域傾倒活動引起的懸浮物增量影響，在持續(xù)時間和擴(kuò)散距離上進(jìn)行了探討，但是沒有開展傾倒活動導(dǎo)致的云團(tuán)面積范圍的觀測，同時由于時間、經(jīng)費(fèi)等方面的問題試驗過程沒有涵蓋不同潮次(大、小潮)和潮時(漲、落憩，漲、落急)，在往后開展疏浚物傾倒試驗時需關(guān)注上述問題，以便更全面、科學(xué)、客觀地掌握試驗海域疏浚物傾倒的懸浮物擴(kuò)散特征。

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