海洋傾倒區(qū)容量評估研究＊——以連云港2＃傾倒區(qū)為例

孫同美，王曉亮，齊安翔，陸士良，楊畫紅，劉建國

（國家海洋局東海預(yù)報中心 上海 200081）

1 引言

港口、航道等建設(shè)產(chǎn)生的疏浚物一般采用海上傾倒、吹填和資源化利用3 種處置方式，其中海上傾倒占主體［1］。疏浚物傾倒導(dǎo)致水體分層擾亂、水中懸浮物增加、海底地形改變，對傾倒區(qū)所在海域的水質(zhì)、沉積物、生態(tài)環(huán)境以及局部海床等均有一定的影響作用［2－6］，進(jìn)而影響傾倒區(qū)的環(huán)境容量和傾倒容量。《疏浚物專項評價指南》［7］指出，在評估傾倒區(qū)容量時應(yīng)考慮：①預(yù)期的年、月、周、日傾倒量；②傾倒區(qū)域是否為擴(kuò)散型海區(qū)；③由海底可能發(fā)生的堆積而使傾倒區(qū)水深減少的容許量。故傾倒區(qū)類型、傾倒強(qiáng)度、傾倒量以及海底地形的變化是傾倒容量評估的關(guān)鍵。本研究認(rèn)為傾倒區(qū)容量應(yīng)在傾倒容量的基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋環(huán)境容量，分析傾倒容量的合理性，即傾倒區(qū)容量需綜合考慮傾倒容量和環(huán)境容量。目前，傾倒區(qū)選劃方法［8－9］、傾倒活動對海洋環(huán)境影響的研究較多，但使用中的傾倒區(qū)容量評估的研究卻較為罕見。傾倒區(qū)使用一段時間后，其水深、沖淤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境可能發(fā)生一定的變化，無法直接采用啟用時的計算方法評估容量。本研究則在選劃時計算方法的基礎(chǔ)上，引入面積有效利用系數(shù)、可繼續(xù)利用的水深等概念，設(shè)計傾倒容量公式，通過分析傾倒區(qū)沖淤環(huán)境、流失率、水深和傾倒區(qū)有效利用面積等，結(jié)合傾倒區(qū)使用期間海洋環(huán)境質(zhì)量變化情況，評估傾倒區(qū)傾倒容量，為海洋行政主管部門在傾倒區(qū)管理方面提供技術(shù)支撐。

連云港港30萬噸級航道一期工程2＃臨時傾倒區(qū)（以下簡稱“2＃傾倒區(qū)”）位于江蘇海州灣，在主航道與徐圩航道拐角東南4km 處，順航道布置，面積為8km2，分為A 區(qū)、B 區(qū) 和C 區(qū)。海州灣海域沉積物來源主要是黃河輸運的物質(zhì)［10］，屬淤泥質(zhì)岸灘，水下地形以1／1 000 坡度向外海延伸［11］；此海域泥沙供應(yīng)不足，受風(fēng)浪等影響，冬沖夏淤的特征明顯，但整體呈沖淤相對平衡、略有 沖 刷 態(tài) 勢［12］。2009 年3 月 傾 倒 區(qū) 選劃時水深范圍為9．78～14．41 m，平均水深為12．00m；水下地形由西南向東北傾斜、逐步加深［12］。2010年2月2＃傾倒區(qū)正式啟用，主要接納連云港港30萬噸級航道一期工程產(chǎn)生的疏浚物，疏浚區(qū)疏浚泥粒度由近岸向外海變粗，以粉砂和黏土為主［12－13］。

2 材料與方法

2．1 監(jiān)測分析方法

2．1．1 水深

監(jiān)測區(qū)域包括傾倒區(qū)和傾倒區(qū)周邊海域，即沿傾倒區(qū)主流方向向外延伸500m、其他方向向外延伸200m 的區(qū)域（圖1），測圖比例尺為1∶5 000。2010—2011年每年5 月、11 月各監(jiān)測1次，2012年5月、8月各監(jiān)測1次。

圖1 傾倒區(qū)位置與水深監(jiān)測范圍

水深監(jiān)測采用無錫海鷹SDH－13D 測深儀，測深范圍0．35～123m，分辨率為0．01m，測量精度小于0．4%所測深度±0．05 m，定位采用差分GPS定位儀，定位精度優(yōu)于1m。根據(jù)《海洋工程地形測量規(guī)范》［14］的要求，對水深資料進(jìn)行吃水校正和水位校正，借助Surfer軟件進(jìn)行沖淤分析。

2．1．2 生態(tài)環(huán)境

根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》［15］對傾倒區(qū)及其鄰近海域的水質(zhì)、沉積物和生物生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。2010—2012年，水質(zhì)每年5 月和8 月各監(jiān)測1次，沉積物和生物生態(tài)每年8月監(jiān)測1次，監(jiān)測站位見表1和圖2。水質(zhì)監(jiān)測要素為透明度、懸浮物、pH 值、化學(xué)需氧量、溶解氧、石油類、銅、鉛、總汞，沉積物監(jiān)測要素包括有機(jī)碳、石油類、銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞和砷，生物生態(tài)監(jiān)測要素為底棲生物。

在評價分析時，水質(zhì)、沉積物采用單因子評價法；水質(zhì)采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》［16］中一類標(biāo)準(zhǔn)；沉積物分功能區(qū)評價，傾倒區(qū)、航道功能區(qū)內(nèi)采用《沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［17］3類標(biāo)準(zhǔn)，其他站位采用一類標(biāo)準(zhǔn)。底棲生物采用優(yōu)勢度、豐富度和均勻性指數(shù)等參數(shù)進(jìn)行表征。

表1 海洋環(huán)境監(jiān)測站位

2．2 容量評估方法

傾倒容量即傾倒區(qū)所能容納的傾倒物體積。傾倒區(qū)選劃時，傾倒容量常用傾倒區(qū)面積的2／3與可接受淤積厚度的乘積，除以（1－傾倒區(qū)預(yù)測流失率）計算而得。傾倒區(qū)使用后，水深地形將發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致傾倒區(qū)可使用的面積、可接受的淤積厚度以及傾倒區(qū)的流失率等發(fā)生變化。為提升計算結(jié)果的可信度，傾倒區(qū)的流失率可根據(jù)傾倒區(qū)使用期間實際情況計算而得，減小預(yù)測值引起的誤差。本研究設(shè)計了傾倒區(qū)使用后，傾倒容量的計算公式：

式中：A為傾倒區(qū)傾倒容量，單位：m3；S為傾倒

圖2 海洋環(huán)境監(jiān)測站位

區(qū)面積，單位：m2；H為傾倒區(qū)可接受的淤積厚度，單位：m；H′為淤積厚度小于H的區(qū)域已淤積的平均厚度，單位：m；α為面積有效利用系數(shù)，即傾倒區(qū)淤積厚度小于H的區(qū)域占總面積的比例；γ為傾倒區(qū)流失率。

其中，傾倒區(qū)流失率是指傾倒區(qū)內(nèi)傾倒物流失量占傾倒總量的比例，即平均水深的理論減小值與實際減小值的差值占平均水深理論減小值的比例。計算公式為：

式中：h1為平均水深的理論減小值，單位：m；h2為平均水深的實際減小值，單位：m。

當(dāng)h2＞0時，傾倒區(qū)流失率小于100%，則海床呈淤積狀態(tài)；當(dāng)h2＜0時，傾倒區(qū)流失率大于100%，則海床呈沖刷狀態(tài)；當(dāng)h2＝0時，傾倒區(qū)流失率等于100%，則傾倒物恰好全部擴(kuò)散至傾倒區(qū)外。

在評估傾倒容量后，結(jié)合海洋環(huán)境對傾倒強(qiáng)度、傾倒方式的響應(yīng)情況，分析傾倒容量是否可接受。

3 結(jié)果與討論

3．1 沖淤環(huán)境

傾倒船舶在傾倒過程中并非在整個傾倒區(qū)內(nèi)均勻傾倒，而往往按其最方便、最經(jīng)濟(jì)、最可操作的方式傾倒，因而造成疏浚泥在傾倒區(qū)中分布不均勻，甚至出現(xiàn)局部嚴(yán)重隆起現(xiàn)象。水深是傾倒區(qū)跟蹤監(jiān)測的重要內(nèi)容，可表征傾倒活動對海床的影響，是傾倒區(qū)可否繼續(xù)使用的關(guān)鍵。2009—2012年水深監(jiān)測結(jié)果顯示，水深分布趨勢與選劃時基本一致，即水下地形由東南向西北逐漸增加，但局部區(qū)域受傾倒活動影響水深有所減?。▓D3）。據(jù)統(tǒng)計，每年冬半年月傾倒量大于夏半年月傾倒量（圖4），此種傾倒方式可充分利用本海域冬沖夏淤的自然條件，減緩傾倒活動對海床的影響。2010年上半年（根據(jù)水深監(jiān)測時間，將傾倒活動劃分成不同時期，劃分方法見表2）基本處于冬半年，且傾倒強(qiáng)度相對較小，傾倒物在海流作用下向四周輸運擴(kuò)散，平均水深不但未減小反增加0．20m（圖5）。而2010年5月至2011年5月的傾倒量雖小于2011年6月至2012年7月的傾倒量，但前者平均水深顯著減小，減幅為0．80m，而后者平均水深卻變化很小。

圖3 2＃傾倒區(qū)不同時期水下地形

圖4 2010年2月至2012年8月2＃傾倒區(qū)月傾倒量

表2 不同時期劃分方法

圖5 不同時期傾倒量與平均水深關(guān)系

經(jīng)沖淤分析可知，2010年5月至2011年5月平均水深的減小主要是由A 區(qū)和B區(qū)傾倒物淤積引起的。2010年10月的月傾倒量近300萬m3，高強(qiáng)度且相對集中的傾倒導(dǎo)致傾倒區(qū)流失率僅為49%。受殘留傾倒物影響，A、B區(qū)流速有所減小，減幅約4～6cm／s，減緩了傾倒區(qū)海床恢復(fù)［18］。在此背景下，盡管2011年上半年主要處于冬半年，冬季沖刷的自然環(huán)境有利于疏浚物的擴(kuò)散，但因高強(qiáng)度且相對集中的傾倒（傾倒總量為783．8萬m3，傾倒活動主要發(fā)生在A 區(qū)和B區(qū)）導(dǎo)致A 區(qū)和B 區(qū)淤積較嚴(yán)重，淤積最厚處可達(dá)3．80m（圖6）。

圖6 2010年5月至2011年5月2＃傾倒區(qū)沖淤情況（正值表示沖刷，負(fù)值表示淤積）

2011年6月至2012年8月初傾倒單位在獲知A 區(qū)和B 區(qū)淤積后，將疏浚物主要傾倒至C區(qū)，A 區(qū)和B 區(qū)的傾倒強(qiáng)度較小，滯留的傾倒物則在水動力作用下逐漸向傾倒區(qū)周邊輸運擴(kuò)散，淤積態(tài)勢得到緩解（圖7）。傾倒區(qū)流失率有較高提升為97%，說明這段時間傾倒的大部分傾倒物被潮流輸運擴(kuò)散走，故平均水深變化較小。可見，傾倒物的輸運擴(kuò)散不但受傾倒區(qū)所在海域泥沙自然運移環(huán)境的影響，還與傾倒強(qiáng)度和傾倒方式緊密結(jié)合。

圖7 2011年6月至2012年8月初2＃傾倒區(qū)沖淤情況（正值表示沖刷，負(fù)值表示淤積）

經(jīng)過3年的使用，傾倒區(qū)內(nèi)殘留的傾倒物在空間分布上存在較大差異（圖8）：傾倒區(qū)以淤積為主，A 區(qū)靠近航道一側(cè)淤積最為顯著（淤積厚度最大可達(dá)2．8m），其次為B 區(qū)中部，再者為C區(qū)東部。經(jīng)統(tǒng)計，2＃傾倒區(qū)淤積1 m 以上的區(qū)域面積最大，約占總面積的38．0%，其次為淤積0．5～1 m 的區(qū)域，約占總面積的25．2%。2012年8月初監(jiān)測時，2＃傾倒區(qū)水深范圍為7．53～14．73m，平均水深為11．20m。

圖8 2009年3月至2012年8月2＃傾倒區(qū)沖淤情況（正值表示沖刷，負(fù)值表示淤積）

3．2 生態(tài)環(huán)境

傾倒區(qū)的傾倒作業(yè)會因泥沙拋入海水中而引起水體渾濁度增大、懸浮物含量升高，但這種環(huán)境變化是短期的。隨著海流的攜帶和顆粒的沉降，海水將慢慢澄清。由2010—2012 年監(jiān)測結(jié)果可知，此海域的懸浮物含量較穩(wěn)定，與選劃時處于同一水平。監(jiān)測海域的溶解氧、pH 值、化學(xué)需氧量、石油類和汞基本符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，部分站位出現(xiàn)銅和鉛超一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象，超標(biāo)站位主要位于航道以北和傾倒區(qū)內(nèi)，這與選劃時結(jié)果基本一致，傾倒活動對水質(zhì)影響不顯著。

傾倒區(qū)啟用后的沉積物質(zhì)量與選劃時相比基本穩(wěn)定。其中石油類含量明顯下降，可能與航道疏浚的深度有關(guān)，隨著深度的增加石油類含量呈下降趨勢。傾倒區(qū)、吹泥站和航道功能區(qū)內(nèi)沉積物質(zhì)量符合第三類標(biāo)準(zhǔn)，傾倒區(qū)、吹泥站和航道之外的區(qū)域符合第一類標(biāo)準(zhǔn)。傾倒區(qū)的使用對監(jiān)測海域沉積物質(zhì)量的影響不顯著，各項監(jiān)測指標(biāo)仍能滿足各功能區(qū)要求。

海洋傾倒因改變傾倒區(qū)及其附近海域底棲生物的棲息環(huán)境，故對底棲生物的影響較大。絕大多數(shù)底棲動物能夠穿過32cm 的覆蓋物［19］，但隨著傾倒區(qū)淤積厚度的增加，移動能力較弱的底棲生物逐漸死亡。監(jiān)測結(jié)果顯示，傾倒區(qū)所在海域均為常見種，底棲生物種類數(shù)和生物量基本穩(wěn)定，均勻度、豐富度和多樣性指數(shù)有所降低，傾倒活動對底棲生物具有一定的影響作用。但當(dāng)傾倒活動結(jié)束后，底棲生物群落經(jīng)幾個月或更長時間便可重建；當(dāng)疏浚泥底質(zhì)與傾倒區(qū)的原底質(zhì)基本相同時，傾倒后生物群落的結(jié)構(gòu)特點相對于原生物群落變動不大［20］。2＃傾倒區(qū)接納的均是附近海域的底質(zhì)，因此底棲生物群落結(jié)構(gòu)在傾倒活動結(jié)束后可逐漸恢復(fù)。

3．3 傾倒區(qū)容量

傾倒區(qū)傾倒容量與傾倒區(qū)可接受的淤積厚度、可利用的有效面積和傾倒區(qū)的流失率有關(guān)。傾倒區(qū)選劃時，按照1m 堆積厚度進(jìn)行傾倒容量計算。2012年8月，2＃傾倒區(qū)水深范圍為7．53～14．73m，水深條件較好，若再淤積1m 仍不影響船舶航行，故本研究可接受的淤積厚度仍采用1m。經(jīng)3年使用，傾倒區(qū)堆積厚度在1m 以內(nèi)的區(qū)域占總面積的62%，平均堆積厚度為0．27m。傾倒區(qū)使用期間，傾倒區(qū)流失率跨度較大，2009年3月至2012年8月期間的流失率為85%，為降低傾倒活動對海床的影響，傾倒區(qū)流失率依然選擇選劃時較保守的80%。將流失率80%、可接受堆積厚度1 m、面積有效利用系數(shù)0．62、可繼續(xù)傾倒區(qū)域已淤積厚度0．27 m 帶入公式（1）計算，2＃傾倒區(qū)的容量為1 200萬m3。

2010—2012年每年的傾倒量分別為1 173．7萬m3、1 768．4萬m3和1 367．4萬m3，傾倒區(qū)所在海域水質(zhì)、沉積物受傾倒活動影響較小，環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)定；底棲生物受到一定程度影響，但因傾倒物與傾倒區(qū)底質(zhì)性質(zhì)相似，傾倒活動結(jié)束后底棲生物群落可逐漸恢復(fù)。因此，從海洋環(huán)境容量角度分析，2＃傾倒區(qū)年傾倒量為1 200 萬m3是可接受的。

4 結(jié)論

傾倒區(qū)容量評估的影響因素包括傾倒區(qū)流失率、有效利用面積、可利用的水深和生態(tài)環(huán)境等。通過評估連云港2＃傾倒區(qū)容量，探索了各要素的確定方法。

4．1 傾倒區(qū)流失率

因傾倒強(qiáng)度和傾倒方式不同，不同時期傾倒區(qū)的流失率存在較大的差異。在計算傾倒容量時，采用哪個時期的流失率，對傾倒容量評估結(jié)果具有較大影響。傾倒區(qū)使用時可能存在相對集中傾倒等現(xiàn)象，為降低因偶然的傾倒活動對流失率的影響，在容量評估時宜采用具有代表性的較長時期的流失率。

4．2 水深

水深是傾倒區(qū)可否繼續(xù)使用的關(guān)鍵因素。選劃時，傾倒區(qū)可利用的水深需從是否影響周邊其他海洋功能的正常發(fā)揮角度考慮。而對于使用中的傾倒區(qū)，還需考慮傾倒區(qū)使用中水深的變化，即傾倒區(qū)的沖淤現(xiàn)狀。

4．3 有效利用面積

傾倒區(qū)選劃時，考慮局部傾倒、非邊緣傾倒等情況，容量評估過程中傾倒活動可利用的面積按總面積的2／3進(jìn)行計算。傾倒區(qū)使用后，局部區(qū)域可能淤積相對嚴(yán)重，甚至部分區(qū)域淤積厚度超過可接受的堆積程度。因此，本研究在傾倒區(qū)評估過程中引入了面積校正系數(shù)。因淤積區(qū)域存在堆積厚度不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致可繼續(xù)使用的區(qū)域與不可繼續(xù)使用的區(qū)域交叉分布，因此實際可使用的容量低于評估容量。

4．4 生態(tài)環(huán)境

環(huán)境容量是傾倒區(qū)容量評估的重要因素，根據(jù)傾倒物的性質(zhì)需重點分析傾倒物對海洋環(huán)境中懸浮物和重金屬含量以及底棲生物的影響。若傾倒活動對海洋環(huán)境的影響較小，則傾倒區(qū)容量主要取決于傾倒容量；若傾倒活動引起海洋環(huán)境明顯變化時，需減小傾倒容量。

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