爆破擠淤施工中近岸水生生物損失率分布及影響研究

李照宇，王文淵，郭子堅，張 祺

（大連理工大學建設工程學部，大連116024）

爆破擠淤施工中近岸水生生物損失率分布及影響研究

李照宇，王文淵，郭子堅，張 祺

（大連理工大學建設工程學部，大連116024）

爆破擠淤是在填海造地、防波堤、護岸和碼頭等水工工程施工中常用的地基處理方法。爆破過程中，海底泥沙懸浮，產生懸浮物，并伴隨著潮汐、波浪等因素向周圍海域進行擴散，對施工周圍水域生態(tài)環(huán)境有較大影響。目前有關懸浮物對近岸水生生物的影響研究，多為水產科學領域的離散數據，未與近岸水工工程施工相結合，無法解析工程施工對水生生物的影響。文章針對懸浮物對水生生物的損失量建立理論方程，并使用MIKE 21軟件的水動力模塊和泥沙輸運模塊，對爆破擠淤產生的懸浮物的擴散進行模擬，得到研究區(qū)域內的生物損失率分布。

爆破擠淤；近岸水域；懸浮物；生物損失

爆破擠淤作為地基處理的一種常用方法，具有后期沉降小、造價低等優(yōu)點，但是爆破瞬間會產生大量懸浮物，對近岸水生生物產生影響。隨著人們環(huán)保意識日益增強，政府部門制定了相關的規(guī)范對近岸工程建筑物的建設進行環(huán)境評價，我國研究者也做了多方面的研究，但是關于施工產生的懸浮物對水生生物影響的研究還正在起步。主要表現(xiàn)在：交通運輸部門和農業(yè)部門均有懸浮物對水域影響的相關文件［1-2］，但是缺乏具體的、規(guī)范的計算方法；國內外的研究集中在懸浮物濃度對某個種群或個體的影響［3-5］，沒有考慮到種群之間的生物因素，而且多為漁業(yè)和環(huán)境科學方面的研究，無法直接判斷港口施工對水生生物的影響；現(xiàn)有的生物量損失的計算方法多為離散型，只對大致濃度范圍的生物損失量進行了估算，已有的連續(xù)型方程缺乏生物涵義［6］。本文針對懸浮物對水生生物的損失量建立理論方程，使用Mike 21軟件，對爆破擠淤的兩種施工方案進行模擬，由懸浮物的分布得出近岸施工對周圍水域水生生物的損害情況。

1 研究對象及方法

水體中懸浮濃度增加時，浮游生物及自游生物的幼體會受到較大影響。浮游生物對水體中的懸浮物濃度非常敏感［7］，并且作為自游生物幼體的魚餌，其生物量也影響著自游生物幼體的數量。所以，浮游生物是研究懸浮物濃度對生物損失量的最為重要的生物之一。由于自游生物中成魚對懸浮物濃度的上升有著較高的回避率［8］，活動范圍較大，成魚的致死濃度遠遠高于其他物種，其不同物種之間對懸浮物濃度的敏感度差異亦很大，同時，在遠離施工地點的水域很難出現(xiàn)高濃度的懸浮物［9］。幼魚作為重要的漁業(yè)資源，對懸浮物濃度的敏感度遠高于成魚。浮游生物發(fā)生損失時，由于捕食關系，幼魚也是直接受到影響的生物［10］，所以本文選取幼魚作為研究對象。

海洋生態(tài)系統(tǒng)中生物因素和非生物因素相互影響復雜［11］，無法針對個體進行微觀研究。本文采用建立微分方程的方法對懸浮物濃度與生物損失的關系進行宏觀描述。通過建立懸浮物濃度和生物損失之間的微分方程確定兩者關系，利用海洋生態(tài)學及水產科學的實驗數據，對具有生物含義的微分方程的參數進行控制，以得到懸浮物濃度與生物損失率的關系曲線。

2 爆破擠淤對近岸生物的影響

2.1 爆破擠淤產生的懸浮物源強

水下爆破產生大量的懸浮物，對周圍水域造成污染［12-13］。爆破擠淤產生的懸浮物源強等于每次爆破所置換的淤泥量乘以泥沙的起懸比。爆破擠淤產生的懸浮物源強的計算見式（1）

式中：γ為懸浮物源強；V為單次置換泥量；ρ為淤泥干密度；α為起懸比。

實際工程中一般選用5%作為起懸比［14］。單次置換泥量、淤泥干密度以及源強持續(xù)時間應根據工程實際情況進行選取。

2.2 懸浮物濃度與生物損失率的關系曲線

2.2.1 關系曲線的建立

在微分方程中，確立自變量為懸浮物的濃度，因變量為生物的損失量。記懸浮物的濃度為C，生物損失量為S。當水體中的懸浮物濃度上升時，生物開始發(fā)生損失。損失的生物殘骸會在一定程度上繼續(xù)影響存活的生物，其影響因數記為a。然而受到生物總數量的限制，生物損失量不會隨時間無限增加。剩余的生物量對生物損失量的增長起到阻滯作用，故將阻滯因素加入到微分方程中。最后構造的微分方程見式（2）

式中：S為生物損失量；C為懸浮物濃度；a為自身污染系數；K為自然狀態(tài)下的生物量。

式中等號右邊為剩余生物的數量，作為阻滯生物損失的因素，以保證生物損失不會無限制的增長。

2.2.2 關系曲線的修正

目前，針對懸浮物濃度對不同生物的影響已經有一些實驗研究，但這些實驗數據僅僅是對單個物種的研究［15-17］。顯然，施工產生的懸浮物不可能只是對單個生物種群產生影響，由于捕食者與被捕食者對于懸浮物濃度敏感性的差異，懸浮物濃度的上升導致某種生物的損失量增加。同時，爆破擠淤施工期較長，且易使近岸區(qū)域懸浮物濃度較大，會對生物產生長期作用，被捕食者的損失量會對捕食者產生區(qū)域性影響。對于生活在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的某個種群來說，需要對其自身的生物損失量——懸浮物濃度方程增加一個參數，更好反映兩者的關系。除去生物損失量的限制因素（K-S），增加系數b表示由于食物短缺造成的生物損失。

修正后的生物損失量——懸浮物濃度的關系見式（3）。

式中：b為生物間相互作用系數（食物短缺導致的生物量損失）。

其余符號含義同上。

對該微分方程進行求解，可以得到

式中：若懸浮物濃度C趨近于正無窮，則S趨近于K，即生物全部死亡。將公式中的K改寫為1，上式變?yōu)?/p>

若懸浮物濃度C趨近于正無窮，則S趨近于1。此時，可將S定義為生物損失率，上式則成為具有捕食因素的懸浮物濃度與生物損失率之間的關系式。

2.2.3 關系方程求解

利用懸浮物對浮游生物及幼魚影響的實驗數據［3，18-19］，擬合得到無捕食參數時浮游生物和幼魚的損失率——懸浮物濃度關系方程，分別見式（6）和（7）。若需對研究區(qū)域特定種類幼魚進行分析，尚應進行生物實驗研究確定其損失。

由于浮游生物對懸浮物的敏感性要大于幼魚，浮游生物的損失率高于幼魚，故懸浮物濃度增加時，部分幼魚會因為食物缺失而死亡。浮游生物損失率與幼魚損失率之差是幼魚因食物短缺而進一步損失的原因，幼魚損失率的增加又會使浮游生物數量增加。由于捕食關系，假定隨著幼魚損失不斷增加，浮游生物損失同比率減少，最終得到帶有捕食參數的幼魚損失率方程見式（8）。

生物損失率——懸浮物濃度關系曲線如圖1所示。由求解所得的關系曲線可得，當懸浮物濃度較小時，生物損失的增長較為平緩，隨著懸浮物濃度的增加，浮游生物對懸浮物越來越敏感，生物損失率開始大幅增大。當生物損失率增加到一定程度時，由于生物總數量的限制，生物損失率的增加開始變緩，最終變化速率趨于平緩。

圖1 生物損失率—懸浮物濃度關系曲線Fig.1 Relation curve for the suspended solids to the loss of aquatic organisms

3 案例分析

3.1 爆破擠淤方案選取

對于爆破擠淤，本工程源強每次持續(xù)時間為300 s，單次置換泥量為5 000 m3，淤泥干密度取1 500kg/m3，由式（1）可得一次爆破的源強為1 250 kg/s。

水下爆破工程的時刻選擇應利于懸浮泥沙向外海擴散以減少對近岸漁業(yè)的影響。遵循這一原則，假定有兩種施工方案。第一種是每天十點進行一次爆破；第二種是每天上午十點、下午四點分別進行一次爆破。點源的位置如圖2所示。

根據旅順新港的水文地質條件確定模型參數，使用MIKE 21中的水動力模塊和泥沙運輸模塊進行模擬仿真。由于近岸地區(qū)水產養(yǎng)殖的漁業(yè)資源豐富，現(xiàn)選取圖3的近岸地區(qū)作為模擬仿真之后的數據統(tǒng)計區(qū)域。

圖3 數據統(tǒng)計區(qū)域Fig.3 Data statistics area

3.2 模擬數據處理

將第一種施工方案（每天上午10點進行一次爆破）所選區(qū)域內的懸浮物濃度進行輸出。將所選區(qū)域內懸浮物濃度的所有數據代入生物損失率——懸浮物濃度計算公式中，求取平均值，得到所選區(qū)域內生物損失率的歷時變化曲線，如圖4所示。由于仿真過程中的步長是五分鐘，圖中橫軸一個點代表五分鐘，一條總共有288個點。生物損失率的部分數據（峰值周圍）如表1所示。

圖4 生物損失率歷時變化曲線Fig.4 Diachronic curve of biomass loss rate

表1 生物損失率峰值附近數據Tab.1 Data near the peak value of biomass loss rate

由于研究區(qū)域內懸浮物濃度變化，生物損失出現(xiàn)兩個峰值，取生物損失率最大點作為模擬過程中最危險的狀況。由上表可得，爆破擠淤的最后一天中生物損失率最大值為0.449.將該時刻數據統(tǒng)計區(qū)域內的生物損失率的數據點提取出來，做出生物損失率在該區(qū)域的平面分布圖，如圖5所示。

同理可得第二種施工方案（每天兩次爆破）的生物損失率分布圖（見圖6）。

3.3 結果分析

將以上的仿真結果歸納如表2所示。

爆破擠淤時，爆炸瞬間產生的懸浮物源強很大，但是由于潮汐和水流的作用，懸浮物迅速擴散，導致研究區(qū)域內的懸浮物濃度降低，從而使得生物損失率較低。當爆破擠淤的頻率增加到一天兩次時，在本次模擬實驗的結果中，研究區(qū)域內的生物損失率與一天一次爆破相比增加了近一倍。由懸浮物擴散的模擬過程可知，增加爆破頻率使得懸浮物在研究區(qū)域內得到累計，難以達到擴散所需的水文、時間條件。所以對于爆破擠淤來說，控制每天的爆破次數對于降低施工附近水域的生物損失十分重要。

圖5 爆破擠淤（一天一次）生物損失率分布圖Fig.5 Map of biomass loss rate（blasting once a day）

圖6 爆破擠淤（一天兩次）生物損失率分布圖Fig.6 Map of biomass loss rate（blasting twice a day）

表2 不同施工方案對生物損失率的影響Tab.2 Biomass loss rate in different construction scheme

4 結語

本文建立了懸浮物濃度與生物損失量的關系方程，并加入了捕食參數對關系曲線進行修正。對于爆破擠淤，使用MIKE 21軟件分別對不同施工方案產生的懸浮物的擴散進行了模擬，使用懸浮物濃度—幼魚損失率曲線對該區(qū)域幼魚的損失率進行計算。在海洋生態(tài)環(huán)境保護的角度來說，施工過程中應嚴格控制爆破頻率，合理安排施工計劃，使得施工產生的懸浮物有充分時間進行擴散，從而降低施工附近水域的懸浮物濃度，減少懸浮物對水生生物的影響。

［1］JTS 105-1-2011，港口建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范［S］.

［2］GB/T 21678-2008，漁業(yè)污染事故經濟損失計算方法［S］.

［3］宋倫，楊國軍，王年斌，等.懸浮物對海洋生物生態(tài)的影響［J］.水產科學，2012，31（7）：444-448. SONG L，YANG G J，WANG N B，et al.Effects of Suspended Matter on Marine Bio-ecology［J］.Fisheries Science，2012，31（7）：444-448.

［4］Van Nieuwenhuyse E E，LaPerriere J D.Effects of placer gold mining on primary production in subarctic streams of Alaska［J］.Water Resources Bulletin，1986，22（1）：91-99.

［5］Shaw E A，Richardson J S.Direct and indirect effects of sediment pulse duration on stream invertebrate assemblages and rainbow trout（Oncorhynchus mykiss）growth and survival［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，2001，58（11）：2 213-2 221.

［6］李駿旻，黃平，李毅能，等.填海工程水生生物量損失計算方法的探討［J］.熱帶海洋學報，2009，28（2）：92-97. LI J M，HUANG P，LI Y N，et al.A method for calculating biomass loss due to reclamation［J］.Journal of Tropical Oceanography，2009，28（2）：92-97.

［7］白雪梅，徐兆禮.底泥懸浮物對水生生物的影響［J］.上海水產大學學報，2000，9（1）：65-68. BAI X M，XU Z L.The effects of suspended sediment on aquatic organisms［J］.Journal of Shanghai Ocean University，2000，9（1）：65-68.

［8］Sigler D W.Effects of chronic turbidity on density and growth of Steelheads and Coho Salmo.Tran Am FishSoc，1984（113）：142-150.

［9］Victoria L G Todd1，Ian B Todd1.A review of impacts of marine dredging activities on marine mammals［J］.ICES Journal of Marine Science，2015，72（2）：328-340.

［10］鄭重，李少菁，許振祖.海洋浮游生物學［M］.北京：海洋出版社，1984．

［11］沈國英，黃凌風，郭豐，等.海洋生態(tài)學［M］.北京：科學出版社，2010．

［12］周福田，蔡寧生，肖士者.水運工程施工［M］.大連：大連海事學院出版社，1998．

［13］Yan H K，Wang N，Yu T L，et al.Comparing effects of land reclamation techniques on water pollution and fishery loss for a largescale offshore airport island in Jinzhou Bay，Bohai Sea，China［J］.Marine pollution bulletin，2013，71（1）：29-40.

［14］婁海峰．爆破擠淤產生的懸浮物在潮流作用下的輸移擴散研究［J］.浙江水利科技，2010（5）：9-12. LOU H F.Current-affected Transport and Diffusion of Suspended Sediment Resulting from Mud Displacement by Blasting［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2010（5）：9-12.

［15］Jagielo T H，Ross B D，Stober Q J，et al.Effects of suspended volcanic sediment on coho and chinook salmon in the Toutle and Cowlitz rivers［J］.Mycoses，2014，57（12）：765-770.

［16］Michael J Redding，Carl B Schreck，F(xiàn)red H Everest.Physiological Effects on Coho Salmon and Steelhead of Exposure to Suspended Solids［J］.Transactions of the American Fisheries Society，1987，116（5）：737-744.

［17］Doeg T J，Milledge G A.Effect of experimentally increasing concentration of suspended sediment on macroinvertebrate drift［J］. Marine&Freshwater Research，1991，42（5）：519-526.

［18］Bilotta G S，Brazier R E.Understanding the influence of suspended solids on water quality and aquatic biota［J］.Water research，2008，42（12）：2 849-2 861.

［19］曹偉，李濤.水運工程對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］.中國資源綜合利用，2009，27（11）：26-30. CAO W，LI T.Analysis on The Impact of Waterway Engineering on Marine Ecosystem［J］.China Resources Comprehensive Utilization，2009，27（11）：26-30.

Study on loss of biomass using the method of squeezing silt by blasting

LI Zhao-yu,WANG Wen-yuan,GUO Zi-jian,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China）

Underwater explosion is widely used in the construction of offshore hydraulic structures.The sediment suspension caused by blasting underwater has a great influence on the ecological environment.At present,the related research is mostly confined to the field of fishery and it is lack of scientific calculation method.The equation for the suspended solids to the loss of aquatic organisms was established and sediment transport module of MIKE 21 was used to simulate the dispersion of the suspended solids generated by different construction schemes.According to the simulation results of suspended matter concentration in the study area,the map of the loss of biomass in the study area was given.

underwater explosion;nearshore waters;suspended solids;biological loss

X 52

A

1005-8443（2017）01-0084-05

2016-04-25；

2016-11-07

國家自然科學基金項目（51279026）

李照宇（1993-），男，山東省德州市人，碩士研究生，主要從事港口規(guī)劃方面研究。

Biography：LI Zhao-yu（1993-），male，master student.