閩江口B6區(qū)塊采砂懸浮泥沙擴散數(shù)值模擬研究

余欽明

(福州市海洋與漁業(yè)技術(shù)中心，福建 福州 350026)

1 研究區(qū)域與方法

閩江是福建省最大的河流，徑流量豐富，根據(jù)竹岐水文站1934—2003年實測資料，閩江多年平均年徑流量為548.7億m3，最大年徑流量為858.7億m3(1998年)，最小年徑流量為268億m3(1971年)。徑流量年內(nèi)分配不均勻，洪枯季徑流量相差巨大，洪水期徑流量占全年總量的50%以上，枯水期徑流量僅占全年14%。從分析閩江河口區(qū)實測潮位資料可知，閩江河口潮汐類型為正規(guī)半日潮，潮波性質(zhì)接近駐波；最大潮差5.35～7.04 m，最小潮差0.75～1.18 m，平均潮差3.78～4.46 m，屬于強潮河口。

閩江口B6區(qū)塊采砂位置位于福州市閩江口川石島東側(cè)海域，距離最近的川石島東側(cè)海岸線約4.98 km，如圖1所示。用海面積為300.00 hm2，均為海砂等礦產(chǎn)開采用海。

1.1 采砂數(shù)值方案

本文共選用了3種方案進行數(shù)模研究，而后根據(jù)不同方案產(chǎn)生的懸浮泥沙源強，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對不同的采砂方案進行評估。采砂方案如下：

1)方案一

投入16艘采砂船，均為1 000 t船型；各安裝吸砂泵(3 250 m3/h)1臺。

2)方案二

投入4艘采砂船，其中，3艘為4 500 t船型，1艘為2 285 t船型；各安裝吸砂泵(3 250 m3/h)1臺。

3)方案三

投入7艘采砂船，其中1艘為1 000 t船型，2艘為1 980 t船型，3艘為2 285 t船型，1艘4 500 t船型；各安裝吸砂泵(3 250 m3/h)1臺。

1.2 海洋環(huán)境敏感保護目標

為了對不同方案采砂產(chǎn)生的環(huán)境影響進行分析，文章對采砂區(qū)域周邊海洋環(huán)境敏感保護目標[1-2]進行了調(diào)查，懸浮泥沙主要對海洋保護目標產(chǎn)生影響。采砂區(qū)域附近的海洋環(huán)境敏感目標見表1和圖1。

表1 評價區(qū)環(huán)境保護敏感點一覽表

Serial numberNameRelative orientation to the project/kmDistanceProtected object1-《》(GB3097—1997)2-、3-4WN5.945N5.316W4.967S5.948WS8.329WS5.3210S5.4411N2.9012WN7.7113WS7.0314W4.9815WS4.76

1.3 懸浮泥沙擴散數(shù)值模擬

許多學者采用數(shù)學模型對懸浮泥沙運動進行了模擬研究[3-4]，因此研究采用數(shù)學模型模擬采砂施工期間周邊海域懸浮泥沙濃度。施工過程中懸浮泥沙入海后，在海洋水動力的作用下擴散、輸運和沉降，形成懸浮泥沙濃度場，對海域環(huán)境產(chǎn)生影響。通過模擬求得懸浮泥沙的濃度場后，即可依據(jù)海水水質(zhì)標準，評價其對周圍環(huán)境的影響程度。

FVCOM模型(The Finite-Volume Coastal Ocean Numerical Model)是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法海洋模式[5]。模型采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行剖分，網(wǎng)格可以較好地擬合復雜不規(guī)則海岸邊界。

這里簡要給出水平二維連續(xù)方程和動量方程：

(2)

(3)

本次懸浮泥沙數(shù)值模擬研究根據(jù)曹祖德等[8]的二維泥沙輸運方程對FVCOM模型進行了修改。二維泥沙輸運方程：

(4)

式(4)中：P為懸浮物濃度；S為源強項；Q為沉降項，Q=αωP，α=0.35，ω=0.000 4；空間步長40 m；時間步長20 s；開邊界條件：P=0。

根據(jù)相關(guān)理論研究，粒徑小于0.03 mm的泥沙統(tǒng)稱淤泥質(zhì)，其沉降速度取0.000 4 m/s。為保守起見，散落泥沙也全部按淤泥質(zhì)計算。

圖2為模擬海域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖，模型模擬閩江口海域北至馬祖列島西北西引島附近，南至平潭島北部海域，閩江由福州上游竹岐開始計算。網(wǎng)格在閩江口采砂工程區(qū)附近海域進行加密，最大網(wǎng)格邊長約1 000 m，最小網(wǎng)格邊長約30 m，全海域網(wǎng)格結(jié)點約35 000個，網(wǎng)格數(shù)約65 000個。

數(shù)模驗證資料為2014年實測資料。海流觀測共設4個站位，即P1～P4，采用聲學多普勒海流剖面儀進行觀測，潮位觀測設1個站位，即T1潮位站，采用RBR水位計進行觀測。站位分布如圖3所示。圖4為潮流觀測站P1～P4的驗證結(jié)果。圖5是T1潮位站的驗證過程曲線。由潮流驗證結(jié)果可知，潮流驗證點的計算流速、流向過程和實測過程基本吻合，流速流向的變化趨勢與觀測結(jié)果較為一致；潮位驗證可知，潮位觀測點的計算潮位與實測值吻合得較好，變化過程曲線兩者亦較為一致。以上模型的驗證計算結(jié)果表明：模型采用的物理參數(shù)和計算參數(shù)基本合理，計算方法可靠，能夠模擬工程區(qū)海域潮波運動特性。

圖6給出了閩江口及附近海域典型潮時(落急和漲急潮)流場。從圖6可看出，落潮時，徑流與落潮流共同作用，除由瑯岐島北支和南支流入閩江口外，閩江口外潮流向東北方向流動，擬采砂工程區(qū)流速較大。漲潮時，閩江口外潮流流動方向與落潮時相反，漲潮流由瑯岐島外南北口門流入閩江，與閩江下溯的徑流相互作用。

1.4 懸浮泥沙擴散源強分析和計算方案

1.4.1 單艘采砂船的懸浮泥沙源強分析

1)抽吸過程懸浮泥沙產(chǎn)生情況

抽吸過程水下挖泥懸浮泥沙發(fā)生量按《港口建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中提出的公式進行估算：

Q=R/R0×T×W0

(5)

式(5)中：Q為抽吸作業(yè)過程中懸浮顆粒物的發(fā)生量(t/h)；R在發(fā)生系數(shù)W0時的懸浮顆粒物累計百分比(%)；R0為現(xiàn)場流速下懸浮顆粒物臨界粒子累計百分比(%)；T為采砂船抽吸效率(m3/h，砂水混合物體積)。

采砂船吸砂泵最大吸砂速率定為3 250 m3/h，抽吸作業(yè)過程中懸浮物發(fā)生系數(shù)定為0.002 t/m3，R值取50%，據(jù)此估算，采用3 250 m3抽吸式采砂船進行施工作業(yè)時，水下挖泥懸浮泥沙發(fā)生量約為0.90 kg/s。此源強與漏斗過濾產(chǎn)生的源強相比小很多，其影響范圍也很小。

2)漏斗過濾泥沙產(chǎn)生情況

采砂船采砂時，泥沙入海主要發(fā)生在漏斗過濾過程中。類比相關(guān)類型采砂工藝，可知泥漿泵的最大吸泥速度接近3 250 m3/h，吸入的泥漿比重一般控制在1.2～1.3之間(視泥沙質(zhì)不同會有所變化，本處取平均值1.25)，采砂效率最好。此時過濾的泥漿體積百分比在5%以內(nèi)，其含泥量約6.8 kg/m3。據(jù)此計算當采用3 250 m3/h自吸式采砂船進行施工作業(yè)，最大溢流泥沙量(Q值)為22.1 t/h，即6.14 kg/s。

綜上，一艘吸砂效率為3 250 m3/h的采砂船施工時，懸浮泥沙入海源強為7.04 kg/s。

1.4.2 懸浮泥沙數(shù)模計算方案

采砂3個方案的懸浮泥沙源強、采砂船舶數(shù)量、計算點位置及數(shù)模計算的啟動時刻等信息見表2。

表2 懸浮泥沙預測方案一覽表

2 結(jié)果分析與討論

2.1 研究方案一

圖8(a)為方案一在漲潮施工過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖8(a)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為26.52 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約8.7 km，垂直漲落潮方向約4.4 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為10.61 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為1.160 7 km2。

圖8(b)為方案一在落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖8(b)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為27.49 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約8.9 km，垂直漲落潮方向約4.6 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為10.99 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為1.107 4 km2。

圖8(c)為方案一在漲、落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的最大影響范圍圖。由圖8(c)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為27.49 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約9.0 km，垂直漲落潮方向約4.6 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為11.00 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為1.301 0 km2。

2.2 研究方案二

圖9(a)為方案二在漲潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖9(a)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為14.91 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約7.1 km，垂直漲落潮方向約3.4 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為0.143 0 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.0259 km2。

圖9(b)為方案二在落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖9(b)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為14.72 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約6.9 km，垂直漲落潮方向約3.4 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為0.143 0 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.0259 km2。

圖9(c)為方案二在漲、落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的最大影響范圍圖。由圖9(c)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為15.07 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約7.1 km，垂直漲落潮方向約3.4 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為0.143 0 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.025 9 km2。

2.3 研究方案三

圖10(a)為方案三在漲潮施工過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖10(a)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為19.62 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約7.8 km，垂直漲落潮方向約3.5 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為0.989 6 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.105 2 km2。

圖10(b)為方案三在落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的影響范圍圖。由圖10(b)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為19.87 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約7.8 km，垂直漲落潮方向約3.6 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為0.904 4 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.087 7 km2。

圖10(c)為方案三在漲、落潮采砂過程引起的水體懸沙濃度增量的最大影響范圍圖。由圖10(c)可見，在潮流場的作用下，懸浮物擴散濃度增量主要分布在采砂區(qū)所在位置附近海域，濃度增量為10 mg/L(二類海水水質(zhì)標準)的影響范圍為20.18 km2(含采砂區(qū)的范圍)，主要分布在漲落潮方向約7.9 km，垂直漲落潮方向約3.6 km。濃度增量為50 mg/L的影響范圍為1.067 0 km2，濃度增量為100 mg/L的影響范圍為0.115 6 km2。

在各個方案采砂過程引起的水體懸沙濃度增量在10、50與100 mg/L的最大影響范圍見表3，各研究方案引起的懸浮泥沙大于周邊海域敏感保護目標的影響情況見圖11。由表3、圖11結(jié)果可知，選擇方案二作為采砂實施方案對海域的環(huán)境影響最小。另外，根據(jù)預測結(jié)果，采用不同研究方案時，懸浮泥沙入海大于10 mg/L的包絡范圍與周邊的養(yǎng)殖區(qū)、保護區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)及休閑娛樂區(qū)等尚有一定的距離，因而其對這些海洋敏感保護目標影響較小。

3 結(jié)論

本文基于FVCOM模型，結(jié)合曹祖德等學者提出的懸浮泥沙擴散方程，應用閩江口實測資料對模型進行了驗證，驗證結(jié)果表明模型可以較好地模擬閩江口潮汐潮流運動特征，可以用于開展B6區(qū)塊海域采砂懸浮泥沙擴散的模擬研究工作。

通過計算在各個方案采砂過程引起的水體懸沙濃度增量在10、50與100 mg/L的最大影響范圍可知，選擇方案二作為采砂實施方案對海域的環(huán)境影響最小。另外，根據(jù)預測結(jié)果，采用不同研究方案時，懸浮泥沙入海大于10 mg/L的包絡范圍與周邊的養(yǎng)殖區(qū)、保護區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)及休閑娛樂區(qū)等尚有一定的距離，因而其對這些海洋敏感保護目標影響較小。