圍海造陸工程泄水口懸浮物擴(kuò)散規(guī)律分析

陳 杰 , 蔣昌波 , 張紹華, 胡保安

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南長沙 410114; 3.中交天津航道局有限公司, 天津 300461)

近年來伴隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展, 土地資源短缺矛盾日益突出, 沿海許多地區(qū)開展大規(guī)模的圍海造陸工程, 例如上海洋山、河北曹妃甸、天津臨港等。在圍海造陸過程中泄水口普遍存在懸浮物流失問題。懸浮物通過泄水口流入外海并發(fā)生擴(kuò)散, 嚴(yán)重影響海洋水環(huán)境質(zhì)量, 威脅水生動(dòng)植物生存, 影響水生態(tài)系統(tǒng)健康, 因而許多學(xué)者更加關(guān)注生態(tài)環(huán)境影響研究[1-2]。目前對(duì)泄水口懸浮物擴(kuò)散的研究均采用數(shù)學(xué)模型, 分別對(duì)連云港海州灣[3]、青島市黃島前灣[4]、秦皇島港[5]、膠州灣泛亞碼頭[6]等的泄水口懸浮物擴(kuò)散開展數(shù)值模擬分析?，F(xiàn)階段對(duì)圍海造陸工程泄水口懸浮物流失濃度的現(xiàn)場觀測, 以及懸浮物擴(kuò)散理論分析工作尚未見報(bào)道。

因此, 為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究不足, 本文對(duì)圍海造陸工程泄水口懸浮物流失濃度開展現(xiàn)場觀測, 在此基礎(chǔ)上, 對(duì)懸浮物擴(kuò)散開展理論分析工作。

1 理論分析

懸浮物在水體中擴(kuò)散過程可用水深平均的平面二維泥沙對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行描述[7]:

其中x,y為坐標(biāo)系;C為垂向平均泥沙濃度;t為時(shí)間;u,v分別為流速在x,y方向上分量;ws為泥沙沉降速度;h為平均水深;εx,εy分別為x,y方向上泥沙擴(kuò)散系數(shù);S為泥沙源項(xiàng)。

理想的圍海造陸工程泄水口懸浮物擴(kuò)散如圖1所示, 設(shè)水流方向?yàn)閤軸正方向, 水流垂直方向?yàn)閥軸方向, 泄水口所在位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)。泄水口懸浮物的流出可概化為一個(gè)固定的連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散?？紤]x方向?qū)α髯饔? 忽略x方向擴(kuò)散作用, 則懸浮物在x-y平面擴(kuò)散可以用如下方程進(jìn)行描述:

圖1 圍海造陸工程泄水口懸浮物擴(kuò)散圖示Fig.1 Sketch of suspended solids diffusion from drain opening of land reclamation project

對(duì)于平面x-y上的二維擴(kuò)散的時(shí)間連續(xù)源恒定狀態(tài)的分析解為[8]:

其中:Q為泄水口流失的懸浮物源強(qiáng)(kg/s)。可以看出式(3)主要未知參數(shù)為泄水口流失的懸浮物源強(qiáng)Q,y方向擴(kuò)散系數(shù)εy, 以及泥沙沉降速度ws。因此接下來討論這三個(gè)參數(shù)的變化對(duì)泄水口懸浮物擴(kuò)散的影響。

圖2給出泄水口流失懸浮物源強(qiáng)Q變化對(duì)懸浮物擴(kuò)散影響。其中: 泥沙沉速ws取 0.03 cm/s; 擴(kuò)散系數(shù)取1.585 m2/s; 平均水深h取7 m; 取u→0忽略流速的影響?？煽闯鲈磸?qiáng)對(duì)泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度及其擴(kuò)散距離影響較大, 源強(qiáng)越大, 懸浮物質(zhì)量濃度越大, 擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。

圖2 泄水口源強(qiáng)、泥沙沉降速度、擴(kuò)散系數(shù)對(duì)懸浮物質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Influence of source strength, sediment settling velocity and diffusion coefficient on suspended solids concentration

圖2給出泥沙沉降速度變化對(duì)懸浮物擴(kuò)散的影響。其中: 泄水口流失懸浮物的源強(qiáng)取100 kg/s; 擴(kuò)散系數(shù)取1.585 m2/s; 其余參數(shù)與之前相同?？梢钥闯瞿嗌吵两邓俣茸兓瘜?duì)泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度及其擴(kuò)散距離影響較大, 沉降速度越小, 懸浮物濃度越大, 擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。

圖2給出擴(kuò)散系數(shù)的變化對(duì)懸浮物擴(kuò)散的影響。其中: 泥沙沉降速度ws取 0.03 cm/s; 泄水口流失懸浮物的源強(qiáng)取100 kg/s; 其余參數(shù)與之前相同?？梢钥闯鰯U(kuò)散系數(shù)的變化對(duì)泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度及其擴(kuò)散距離影響較小,y方向擴(kuò)散系數(shù)εy越小, 在x方向(沿水流方向)懸浮物濃度越大, 且擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。

2 現(xiàn)場觀測

為確定泄水口流失的懸浮物源強(qiáng)Q, 選取天津某圍海造陸工程為現(xiàn)場觀測對(duì)象, 對(duì)泄水口懸浮物強(qiáng)度進(jìn)行觀測。如圖3所示, 吹填區(qū)域位于獨(dú)流堿河入?？谀蟼?cè), 西港池東側(cè), 分為一區(qū)和三區(qū)兩個(gè)吹填區(qū)域。取泥區(qū)位于獨(dú)流堿河河口, 土質(zhì)以淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主, 平均密度1.86 g/cm3, 平均含水量36.7%, 平均干密度1.37 g/cm3。吹填管口位于西側(cè)圍堰邊緣。泄水口位于東側(cè), 采用埋管閘箱式泄水口?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn), 大量的懸浮物流失主要發(fā)生在吹填施工的中后期, 因此現(xiàn)場觀測主要集中在吹填施工中后期。

圖3 圍海造陸工程示意圖Fig.3 Sketch map of land reclamation project

現(xiàn)場觀測內(nèi)容主要包括泄水口的流速、過水?dāng)嗝婷娣e、濃度以及流失量。使用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院 DPJ-Ⅲ型流速儀, 進(jìn)行泄水口流速和過水?dāng)嗝婷娣e測量。濃度和流失量通過泄水口水樣采集得到, 每次輪流間隔2~3根泄水管采取一個(gè)水樣, 并及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)固體含量、密度及顆粒分析試驗(yàn)。泥漿密度試驗(yàn)采用量筒法測得, 固體含量試驗(yàn)采用重量法, 顆粒分析試驗(yàn)采用比重計(jì)法。

圖4給出一區(qū)和三區(qū)泄水口懸浮物流失強(qiáng)度觀測結(jié)果。其中, 一區(qū)開展現(xiàn)場觀測時(shí)間為2011年1月至3月, 平均每3天開展一次觀測, 共計(jì)19次。三區(qū)開展現(xiàn)場觀測時(shí)間為2011年3月至9月, 平均每3~4天開展一次觀測, 共計(jì)40次。圖4中一區(qū)結(jié)果取觀測開始日2011年1月18日為時(shí)間零點(diǎn), 三區(qū)結(jié)果取觀測開始日2011年3月23日為時(shí)間零點(diǎn)?？梢钥闯鰢Ｔ礻懝こ淌┕ず笃? 泄水口懸浮物流失非常嚴(yán)重。觀測到一區(qū)泄水口懸浮物流失最大達(dá)3 621 kg/s, 平均值為617 kg/s; 三區(qū)泄水口懸浮物流失最大達(dá)3 796 kg/s, 平均值為1 137 kg/s。

圖4 泄水口瞬時(shí)懸浮物濃度觀測結(jié)果Fig.4 Field results of concentration of suspended solids from drain opening

3 分析與討論

對(duì)一區(qū)和三區(qū)泄水口懸浮物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析。如圖3所示, 由于泄水口排放區(qū)域?yàn)榉忾]水域,不受外海潮汐、潮流等水動(dòng)力因素影響, 因此取流速u→ 0 。排放區(qū)域平均水深h為7 m。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果, 一區(qū)泄水口源強(qiáng)Q取平均值為617 kg/s, 三區(qū)泄水口源強(qiáng)Q取平均值為1 137 kg/s。孫連成[9]等通過環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn), 對(duì)天津港泥沙沉降速度進(jìn)行研究,如圖5所示, 得到在海水含鹽度為30時(shí)不同流速、不同含沙量的沉速結(jié)果。本研究泥沙沉降速度ws可根據(jù)圖5進(jìn)行取值。擴(kuò)散系數(shù)依據(jù)孫連成[9]等研究成果, 取值1.585 m2/s。

圖5 天津港泥沙沉降速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of sediment settling velocity in Port of Tianjin

如圖6所示, 依據(jù)式(3)分別求得一區(qū)和三區(qū)泄水口懸浮物擴(kuò)散規(guī)律, 懸浮物呈扇形擴(kuò)散, 泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度非常大, 10 m范圍內(nèi)懸浮物質(zhì)量濃度值超過1 000 mg/L。在擴(kuò)散作用下, 懸浮物濃度向周圍擴(kuò)散, 在重力作用下, 懸浮物逐漸沉降。吹填一區(qū)垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為13.4 m, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度10 mg/L范圍約16.7 m, 最大影響范圍約為20.2 m。吹填三區(qū)垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為14.3 m,垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度10 mg/L范圍約17.7 m, 最大影響范圍約為 21 m?？梢钥闯? 雖然泄水口附近水域出現(xiàn)了很大的懸浮物質(zhì)量濃度, 但是由于沒有水流作用, 因此懸浮物影響范圍很小。

圖6 泄水口懸浮物擴(kuò)散理論計(jì)算結(jié)果Fig.6 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening

下面討論水流作用的影響。2007年11月26~27日和12月4~5日在天津港附近海域進(jìn)行大、小潮水文全潮觀測, 根據(jù)實(shí)測全潮資料統(tǒng)計(jì)分析, 天津港海區(qū)潮流主要特征值如表1所示[9]。根據(jù)表1天津港海區(qū)潮流主要特征值觀測結(jié)果, 依據(jù)式(3)分別得出吹填一區(qū)和三區(qū)泄水口向外海排放懸浮物擴(kuò)散情況, 結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢钥闯? 若吹填區(qū)泄水口向外海排放時(shí), 泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度非常大, 一區(qū)泄水口10 m范圍懸浮物質(zhì)量濃度值約10 000 mg/L, 三區(qū)泄水口10 m范圍懸浮物質(zhì)量濃度值超過10 000mg/L。

表1 天津港2007年11~12月水文全潮潮段平均流速Tab.1 Average current velocity during tidal wave period from November to December 2007 in Port of Tianjin

采用三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(懸浮物質(zhì)量濃度 100 mg/L)和二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(懸浮物質(zhì)量濃度10 mg/L)來評(píng)價(jià)泄水口懸浮物是否對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

如圖7所示, 在吹填一區(qū), 大潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為8 500 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約15 800 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為11 400 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約26 400 m。小潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約7 000 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約12 800 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為10 200 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約23 000 m。

圖7 吹填一區(qū)泄水口外海排放懸浮物擴(kuò)散規(guī)律計(jì)算結(jié)果Fig.7 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain openingⅠ

如圖8所示, 在吹填三區(qū), 大潮情況, 5m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為5 400 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約9 500 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為8 100 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約17 000m。小潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約5 200 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約9 000 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度100 mg/L擴(kuò)散范圍約為7 800 m, 10 mg/L擴(kuò)散范圍約16 000 m。

圖8 吹填三區(qū)泄水口外海排放懸浮物擴(kuò)散規(guī)律計(jì)算結(jié)果Fig.8 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening Ⅲ

綜上所述, 在天津港2007年11月至12月水文全潮潮段平均流速作用下, 懸浮物發(fā)生擴(kuò)散, 且擴(kuò)散距離較大, 垂線平均懸浮物質(zhì)量濃度減少較為緩慢, 對(duì)周圍水域環(huán)境產(chǎn)生極大影響。泄水口附近水域出現(xiàn)的最大懸浮物質(zhì)量濃度主要由源強(qiáng)的大小來決定, 懸浮物擴(kuò)散范圍主要由流速的大小來控制。因此對(duì)于圍海造陸工程要重點(diǎn)控制泄水口懸浮物流失,盡可能減小流失量。同時(shí)將泄水口設(shè)置在潮汐、潮流等水動(dòng)力因素較弱的地方, 有利于減小對(duì)周邊海域水環(huán)境影響。

4 結(jié)論

開展圍海造陸工程泄水口懸浮物擴(kuò)散研究。基于泥沙對(duì)流擴(kuò)散方程, 將泄水口懸浮物的流出概化為一個(gè)固定的連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散, 推求出泄水口懸浮物擴(kuò)散平面二維的分析解表達(dá)式。分析得出泄水口源強(qiáng)和泥沙沉降速度對(duì)泄水口附近懸浮物質(zhì)量濃度及其擴(kuò)散距離影響較大, 擴(kuò)散系數(shù)影響相對(duì)較小。源強(qiáng)越大, 沉降速度越小, 懸浮物質(zhì)量濃度越大, 擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。開展現(xiàn)場觀測, 確定泄水口源強(qiáng)取值。結(jié)果顯示圍海造陸工程施工后期泄水口懸浮物流失非常嚴(yán)重。對(duì)某工程一區(qū)和三區(qū)泄水口懸浮物擴(kuò)散進(jìn)行理論計(jì)算, 結(jié)果表明泄水口附近水域出現(xiàn)的最大懸浮物濃度主要由源強(qiáng)的大小來決定, 懸浮物擴(kuò)散范圍主要由流速的大小來控制。

[1] 孟偉慶, 王秀明, 李洪遠(yuǎn), 等.天津?yàn)I海新區(qū)圍海造地的生態(tài)環(huán)境影響分析[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2012, 31(1): 83-87.

[2] 許士國, 許翼.填海造陸區(qū)水環(huán)境演變與對(duì)策研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展.2013, 24(1): 149-156.

[3] 李褆來, 高祥宇, 楊紅, 等.陳家港電廠航道疏浚懸浮物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型研究[C]//左其華, 竇希萍.第十三屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京: 海洋出版社, 2007: 446-453.

[4] 郭珊.疏浚施工對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響及防治對(duì)策研究[D].長沙: 長沙理工大學(xué), 2006.

[5] 王逸晨.碼頭附近潮流場及工程泥沙問題的數(shù)值模擬[D].青島: 中國海洋大學(xué), 2005.

[6] 李鐵軍, 孫英蘭, 劉偉峰, 等.膠州灣泛亞碼頭疏浚方案優(yōu)選及懸浮物影響預(yù)測[J].海洋湖沼通報(bào), 2007, 4: 144-150.

[7] 錢寧, 萬兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[8] Scott A Socolofsky, Gerhard H Jirka.Environmental Fluid Mechanics Part I: Mass Transfer and Diffusion[M].76128-Karlsruhe, Germany: Institut fur Hydromechanik, Universit at Karlsruhe, 2002.

[9] 孫連成, 張娜, 陳純.淤泥質(zhì)海岸天津港泥沙研究[M].北京: 海洋出版社, 2010.