海域環(huán)境對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散影響的敏感性分析

陳翔，王義剛，黃惠明，王時(shí)悅，關(guān)許為（.河海大學(xué)　海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　0098；.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京　00088；.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，上?！?044）

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海域環(huán)境對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散影響的敏感性分析

陳翔1，王義剛1，黃惠明1，王時(shí)悅2，關(guān)許為3
（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京100088；3.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海200434）

摘要：通過(guò)建立二維潮流和懸浮泥沙擴(kuò)散輸移的數(shù)學(xué)模型，模擬恒定點(diǎn)源下，懸浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深條件下的擴(kuò)散狀況，探討懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)影響參數(shù)的敏感性。結(jié)果表明：在研究懸浮泥沙擴(kuò)散影響范圍時(shí)，無(wú)本底含沙量的擴(kuò)散影響范圍最大；本底含沙量越大，擴(kuò)散影響范圍越??；本底含沙量對(duì)擴(kuò)散低濃度增長(zhǎng)區(qū)的影響大于高濃度增長(zhǎng)區(qū)；水動(dòng)力相似條件下，水深增大，懸浮泥沙擴(kuò)散影響范圍將減小；相對(duì)于本底含沙量，水深對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的影響更大。

關(guān)鍵詞：懸浮泥沙；擴(kuò)散影響；數(shù)學(xué)模型；敏感性分析；本底含沙量；水深

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，人類對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)愈加頻繁；同時(shí)，對(duì)開(kāi)發(fā)所引起的海洋環(huán)境問(wèn)題也愈加重視。在海洋工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，懸浮泥沙擴(kuò)散及擴(kuò)散范圍對(duì)海洋水質(zhì)環(huán)境的影響是一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目前，很多學(xué)者對(duì)工程引起的懸浮泥沙擴(kuò)散進(jìn)行了研究（肖千璐，2015；張世民等，2014；郭玉臣等，2014；丁琦等，2013；吳松華等，2011；Hostache et al，2014；Guo et al，2014；Courtney et al，2001），但通常在研究懸浮泥沙擴(kuò)散時(shí)一般假定水是清澈的，不考慮本底含沙量，即只考慮懸浮泥沙在清水中的擴(kuò)散，但本底含沙量對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散范圍究竟有何影響，實(shí)際上并不清楚。并且在實(shí)際數(shù)值計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，相似水動(dòng)力條件下，水深不同，懸浮泥沙擴(kuò)散情況也不一樣，其計(jì)算結(jié)果是否可信尚缺乏系統(tǒng)性的研究。針對(duì)這些問(wèn)題，本文依據(jù)實(shí)測(cè)資料通過(guò)Mike21數(shù)模軟件建立平面二維潮流和懸浮泥沙擴(kuò)散輸移的數(shù)學(xué)模型，模擬研究了在恒定點(diǎn)源，不同源強(qiáng)、不同本底含沙量和不同水深條件下的擴(kuò)散情況，通過(guò)比較分析得出懸浮泥沙在不同條件下的擴(kuò)散規(guī)律，并對(duì)擴(kuò)散規(guī)律的機(jī)理進(jìn)行了探討。

1　數(shù)學(xué)模型

Mike21是丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型（許婷，2010），廣泛應(yīng)用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境場(chǎng)，可為工程應(yīng)用、海岸及規(guī)劃提供完備、有效的設(shè)計(jì)條件和參數(shù)，已在國(guó)內(nèi)外的一些大型工程中得到廣泛應(yīng)用。

1.1基本方程

在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，根據(jù)Bousinesq渦粘假定和靜水壓假設(shè)，沿水深平均的二維潮流泥沙基本方程的表述如下。

（1）連續(xù)方程

各式中：x、y為直角坐標(biāo)系下平面兩正交方向；H為總水深，H = h +ζ，ζ為潮位；h為靜水深；t為時(shí)間；u、v分別為x、y方向上的垂線平均流速分量；g為重力加速度；q為流量源匯項(xiàng)；us、vs為源匯項(xiàng)水流流速；f為科氏力參數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)速度，φ為緯度；εx、εy分別為水流在x、y方向上的渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；S為垂線平均含沙量；Dx、Dy分別為泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；τsx、τsy分別為風(fēng)應(yīng)力在x、y方向分量；τbx、τby分別為底部切應(yīng)力在x、y方向分量；Fs為源匯項(xiàng)，F(xiàn)s= Fs′+ Fs″。其中，F(xiàn)s′= -αωS為沉降項(xiàng)，F(xiàn)s″為點(diǎn)源項(xiàng)；α為泥沙沉降機(jī)率，一般取0.15～0.4；ω為泥沙沉速，考慮到細(xì)顆粒泥沙在海水環(huán)境的絮凝，一般取0.000 3～0.000 5 m/s。

1.2定界條件

（1）初始條件

由于潮流運(yùn)動(dòng)屬摩阻流動(dòng)，故對(duì)初始條件可不作嚴(yán)格要求，一般實(shí)行冷啟動(dòng)，即給定零流速和常水位。

懸沙模型中選取大潮平均含沙量作為初始條件，S（x，y）= 0.074 kg/m3。

（2）邊界條件

潮流模型中，閉邊界滿足流體不可入條件，開(kāi)邊界由河海大學(xué)東中國(guó)海模型提供潮位邊界。懸沙模型中閉邊界滿足閉邊界法向懸沙濃度梯度為0，開(kāi)邊界采用大潮平均含沙量。

1.3模型的范圍與網(wǎng)格

計(jì)算模型范圍選用浙江嵊泗海域（圖1）。

模型四邊為開(kāi)邊界，島嶼岸線為閉邊界。模型東西長(zhǎng)約36 km，南北長(zhǎng)約32 km。計(jì)算海域內(nèi)共劃分有52 832個(gè)三角形網(wǎng)格，26 980個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)源投放區(qū)域網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺度為40-600 m（圖2）。模型驗(yàn)證資料采用2007年5月31日0點(diǎn)至2007年6月2日0點(diǎn)大潮期間的實(shí)測(cè)資料，包括兩個(gè)潮位站資料（金雞山、李柱山）和四個(gè)潮流泥沙站（V1、V2、V3、V4）資料，計(jì)算高程統(tǒng)一采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面，測(cè)站分布及點(diǎn)源投放（S1、S2、S3）位置見(jiàn)圖3。

1.4模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型分別通過(guò)金雞山和李柱山兩個(gè)潮位站以及V1、V2、V3、V4四個(gè)潮流泥沙測(cè)站的實(shí)測(cè)大潮數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。潮位過(guò)程以及高、低潮位值的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均吻合較好，相位基本一致，對(duì)潮位的驗(yàn)證效果較為理想。流速流向方面，潮流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小，流向的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值亦較為一致，對(duì)潮流的驗(yàn)證效果亦較為理想。含沙量過(guò)程線驗(yàn)證雖不如潮流驗(yàn)證精度高，但計(jì)算值與實(shí)測(cè)值位于同一量級(jí)，總趨勢(shì)比較一致。故該水動(dòng)力泥沙模型基本能反映計(jì)算區(qū)域的水動(dòng)力變化及含沙量場(chǎng)的變化。（限于篇幅，僅列出兩個(gè)潮位站驗(yàn)證圖（圖4）、V1和V4測(cè)點(diǎn)的流速流向（圖5）及含沙量驗(yàn)證圖（圖6）。）

圖1　研究區(qū)域

圖2　模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格

圖3　測(cè)站分布及點(diǎn)源投放位置分布

圖4　潮位驗(yàn)證

2　影響參數(shù)敏感性分析

2.1源強(qiáng)選擇

不同工程引起的懸浮泥沙源強(qiáng)的類型和大小均不同，源強(qiáng)的類型在空間上可分為點(diǎn)源、線源、面源和體積源；在時(shí)間上可分為瞬時(shí)源（泥沙投放在一瞬間完成）和連續(xù)源（泥沙投放持續(xù)一段時(shí)間）。源強(qiáng)大小主要采用公式計(jì)算結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。一般工程施工中涉及的泥沙源強(qiáng)大小基本可劃分為3個(gè)等級(jí)（王時(shí)悅，2013）：

（1）0.41 kg/s（溢流或小型挖泥船作業(yè)）；

（2）2.26.23 kg/s（中型施工強(qiáng)度或挖泥船作業(yè)）；

（3）7.512.5 kg/s（較大型工程或挖泥船作業(yè)）。

本文研究區(qū)域懸浮泥沙平均中值粒徑為0.008 2 mm，在源強(qiáng)類型上選擇連續(xù)恒定點(diǎn)源，大小上選擇0.8 kg/s、5 kg/s、10 kg/s3種等級(jí)的點(diǎn)源。

2.2方案設(shè)置

本文主要研究懸浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深條件下的擴(kuò)散規(guī)律。本底含沙量分別設(shè)置為0 mg/L和比較常見(jiàn)的60 mg/L、120mg/L、240 mg/L。點(diǎn)源投放位置分別為S1、S2和S3，見(jiàn)圖3，3個(gè)位置經(jīng)比較水動(dòng)力條件相似，S1、S2和S3水深分別為3.5 m、7 m和13.8 m。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置見(jiàn)表1、表2。

圖5　潮流速、流向驗(yàn)證

圖6　含沙量驗(yàn)證

表1　同一水深，不同本底含沙量和不同源強(qiáng)組合方案

表2　同一本底含沙量，不同水深和不同源強(qiáng)組合方案

2.3本底含沙量對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的影響

對(duì)于各組方案下的數(shù)學(xué)模型，均選取計(jì)算區(qū)域含沙量場(chǎng)變化穩(wěn)定后兩個(gè)潮周期內(nèi)懸沙的擴(kuò)散輸移的模擬結(jié)果，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取各個(gè)網(wǎng)格可能產(chǎn)生的最大懸沙濃度增量值，以4個(gè)敏感值進(jìn)行分界，分別為：10 mg/L包絡(luò)線（超一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）、50 mg/L包絡(luò)線、100 mg/L包絡(luò)線（超三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）、150 mg/L包絡(luò)線（超四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），統(tǒng)計(jì)各包絡(luò)面面積。方案1-12的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7　不同本底下懸沙擴(kuò)散包絡(luò)面面積

由圖7可知：

（1）對(duì)比懸浮泥沙在無(wú)本底含沙量和有本底含沙量下的擴(kuò)散面積，可知懸浮泥沙在無(wú)本底含沙量下的擴(kuò)散范圍皆大于有本底含沙量下的擴(kuò)散范圍。

（2）由折線斜率可以得知，同一本底含沙量下，懸浮泥沙擴(kuò)散穩(wěn)定后，低濃度增長(zhǎng)區(qū)域的面積大于高濃度增長(zhǎng)區(qū)域的面積；

（3）本底含沙量增大的過(guò)程中，懸浮泥沙擴(kuò)散范圍不斷減小，但濃度增量＞50 mg/L的包絡(luò)面面積減值較小，濃度增量＞10 mg/L的包絡(luò)面面積減值較大，因而本底含沙量對(duì)低濃度增長(zhǎng)區(qū)域面積的影響大于高濃度增長(zhǎng)區(qū)域。

分析上述現(xiàn)象的產(chǎn)生的機(jī)理，從紊動(dòng)擴(kuò)散理論出發(fā)：當(dāng)某一物理量在某一方向上具有濃度梯度，該物理量將通過(guò)紊動(dòng)作用由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)泥沙源強(qiáng)引起的懸浮泥沙與周圍海域泥沙濃度梯度越大時(shí)，紊動(dòng)擴(kuò)散作用越強(qiáng)。故同一源強(qiáng)下，不考慮本底含沙量，濃度梯度最大，紊動(dòng)擴(kuò)散作用最強(qiáng)，擴(kuò)散面積最大；本底含沙量越大，濃度梯度越小，擴(kuò)散面積越小。另一方面從絮凝沉降出發(fā)：粘性細(xì)顆粒懸浮泥沙在海水中易發(fā)生絮凝，而絮凝的直接原因在于顆粒間的相互吸引碰撞。研究區(qū)域懸浮泥沙中值粒徑為0.008 2 mm，受海水影響易發(fā)生絮凝，更易沉降?？紤]本底含沙量時(shí)，泥沙源強(qiáng)引起的懸浮泥沙在擴(kuò)散過(guò)程中受本底泥沙的影響，水體中的懸浮泥沙濃度大于不考慮本底含沙量，顆粒間碰撞概率增大，絮凝作用增強(qiáng)，更易沉降，從而導(dǎo)致懸浮泥沙擴(kuò)散濃度增量減小。本底含沙量越大，擴(kuò)散濃度增量越小。對(duì)于高濃度增長(zhǎng)核心區(qū)域，雖然含沙量更大，絮凝作用更強(qiáng)，但恒定源強(qiáng)的存在，一定程度上補(bǔ)充了沉降的泥沙，故高濃度增長(zhǎng)區(qū)域所受影響相對(duì)外圍低濃度增長(zhǎng)區(qū)域較小。

2.4水深對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的影響

對(duì)不同水深條件下的數(shù)模結(jié)果按上述4個(gè)敏感值進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)，方案13-18的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8　不同水深下懸浮泥沙擴(kuò)散包絡(luò)面面積

由圖8可知，隨著水深的加大，懸浮泥沙擴(kuò)散范圍逐漸減小，具體過(guò)程可分為兩個(gè)階段：

第一階段：水深加大，高濃度增長(zhǎng)（濃度增量＞50 mg/L）區(qū)域面積迅速減小，當(dāng)水深從3.5 m增加到7 m時(shí)，基本只剩下低濃度增長(zhǎng)區(qū)；

第二階段：水深繼續(xù)加大，低濃度增長(zhǎng)（濃度增量＞10 mg/L）區(qū)域面積大幅減小，當(dāng)水深從7 m增加到13.8 m時(shí)，懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)海域環(huán)境的影響已非常小。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可解釋為：由于計(jì)算采用水深平均的二維潮流泥沙數(shù)值模型，點(diǎn)源投入模型網(wǎng)格單元后，平均擴(kuò)散到該網(wǎng)格單元的受納水體，水深越大，相同尺寸下網(wǎng)格單元受納水體的體積越大，從而懸浮泥沙的濃度降低，擴(kuò)散濃度增量也隨之減小。點(diǎn)源在淺水區(qū)，懸沙擴(kuò)散造成的水體污染既有超三、四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重度污染區(qū)，也有超一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的輕度污染區(qū)。水深從3.5 m增大到7 m，懸沙濃度增量普遍減小，點(diǎn)源中心區(qū)高濃度削減為低濃度，超三類、四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積變得很小，外圍的低濃度擴(kuò)散范圍也大幅減小，整個(gè)擴(kuò)散范圍內(nèi)濃度增量基本變?yōu)樾》仍黾樱瑧疑硵U(kuò)散對(duì)周圍水體已經(jīng)不會(huì)造成重度污染，以輕度污染為主；水深進(jìn)一步增大，懸沙濃度增量被進(jìn)一步削弱，擴(kuò)散范圍進(jìn)一步減小，懸沙擴(kuò)散對(duì)海域環(huán)境的影響會(huì)越來(lái)越小。

2.5懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)本底含沙量和水深的敏感性

本底含沙量和水深對(duì)懸浮泥沙的擴(kuò)散有很大的影響，本底含沙量越大，擴(kuò)散影響越小，水深越大，擴(kuò)散影響越?。煌瑫r(shí)，本底含沙量與水深關(guān)系密切，淺水區(qū)本底含沙量大于深水區(qū)本底含沙量，為選擇合適的源強(qiáng)位置，盡可能降低擴(kuò)散影響，需進(jìn)一步比較懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)本底含沙量和水深的敏感性。表3和表4分別反映了本底含沙量和水深增大時(shí)，懸浮泥沙擴(kuò)散范圍的變化幅度。

由表3可知：源強(qiáng)為0.8 kg/s時(shí)，本底含沙量增大一倍，懸浮泥沙擴(kuò)散使海域環(huán)境受污染的面積（指濃度增量＞10 mg/L，下同）平均減小18.98%；源強(qiáng)為5 kg/s時(shí)，本底含沙量增大一倍，海域環(huán)境受污染面積平均減小22.22%；源強(qiáng)為10 kg/s時(shí)，本底含沙量增大一倍，平均減小18.62%。

由表4可知：源強(qiáng)為5 kg/s時(shí)，水深增大一倍，懸浮泥沙擴(kuò)散使海域環(huán)境受污染的面積平均減小74.49%；源強(qiáng)為10 kg/s時(shí)，水深增大一倍，海域環(huán)境受污染的面積平均減小56.26%。可以看出，源強(qiáng)越大，水深對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的抑制作用也會(huì)相對(duì)減弱。

對(duì)比表3和表4可知：同一源強(qiáng)下，水深對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的影響大于本底含沙量，即懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)水深更加敏感，高濃度增長(zhǎng)區(qū)尤為明顯。分析其原因，在連續(xù)恒定泥沙點(diǎn)源的輸入下，點(diǎn)源附近將在短時(shí)間內(nèi)形成高濃度含沙量區(qū)，遠(yuǎn)大于本底含沙量，即使本底含沙量成倍增長(zhǎng)，懸沙濃度梯度仍減小緩慢，對(duì)擴(kuò)散的抑制作用相對(duì)較小。而當(dāng)水深增大一倍時(shí)，相同的輸入條件下，源強(qiáng)附近水體的懸沙濃度將直接減小一半，懸沙濃度梯度也隨之大幅減小，懸沙擴(kuò)散作用大幅減弱。

表3　懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)本底含沙量的敏感性

表4　懸浮泥沙擴(kuò)散對(duì)水深的敏感性

3　結(jié)論

本研究采用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型模擬恒定泥沙點(diǎn)源在不同源強(qiáng)、不同本底含沙量和不同水深條件下的擴(kuò)散輸移情況，得到以下結(jié)論：

（1）在研究懸浮泥沙擴(kuò)散時(shí)，不考慮本底含沙量的計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況偏安全；

（2）本底含沙量越大，同一源強(qiáng)下，懸浮泥沙擴(kuò)散的范圍越??；本底含沙量對(duì)低濃度增長(zhǎng)區(qū)的影響大于高濃度增長(zhǎng)區(qū)；

（3）水動(dòng)力相似條件下，水深增大，懸浮泥沙擴(kuò)散影響范圍減??；

（4）相對(duì)于本底含沙量，水深對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散的影響更大。

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（本文編輯：袁澤軼）

Sensitivity analysis of the influence of oceanic environment on the suspended sediment diffusion

CHEN Xiang1，WANG Yi-gang1，HUANG Hui-ming1，WANG Shi-yue2，GUAN Xu-wei3
（1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.China Waterborne Transport Research Institute，Beijing 100888，China；3. Shanghsi Investigation，Design &Research Institute，Shanghai 200434，China）

Abstract：A two -dimensional current -sediment numerical model is built to modify the transportation of suspended sediments supplied by a constant point source under the condition of different background concentration values and different water depths. The sensibility of suspended sediment diffusion to influence parameters is discussed. The results show that considering the influential scope of the suspended sediment diffusion，that of no background concentration has the greatest scope；the bigger the background concentration value is，the smaller the scope of diffusion is；the influence of background concentration on the high concentration increment is greater than that on the low concentration increment；with similar hydrodynamic condition，the deeper the water depth is，the smaller the scope of suspended sediment diffusion is；comparing to the background concentration，the water depth has more influence than the suspended sediment diffusion.

Keywords：suspended sediments；diffusion impact；numerical model；sensitive analysis；background concentration；water depth

中圖分類號(hào)：P753

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6932（2016）02-0194-07

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.010

收稿日期：2015-05-26；

修訂日期：2015-07-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAB03B01）。

作者簡(jiǎn)介：陳翔（1991-），男，碩士研究生，主要從事河口海岸水動(dòng)力研究，電子郵箱：541152812@qq.com。