江山港河道清淤工程水環(huán)境影響預(yù)測(cè)分析

夏冬梅，趙 坤

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 300020）

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)，隨著“五水共治”工作的深入推進(jìn)，浙江省整體水環(huán)境得到顯著改善。河道清淤工程作為“五水共治”工作的重要工程手段，在提高河道行洪排澇能力的同時(shí)，大大改善了河道水生態(tài)環(huán)境。圍繞河道清淤的技術(shù)和效益等方面國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行大量的相關(guān)研究，但針對(duì)清淤施工前、施工后以及施工過(guò)程中河道水體水質(zhì)變化情況的研究較少[1-3]。因此，以江山港河道清淤工程為例，構(gòu)建MIKE 21模型，選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)該工程在施工前、施工后以及施工期內(nèi)河道及上下游水體污染物變化過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究結(jié)果可為清淤工程施工方案的制定、施工期的選取提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)及工程概況

江山港是錢塘江上游衢江右岸的第一條支流，屬山溪性河流，水位暴漲暴落，洪水時(shí)水流挾沙較多。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，每年主要雨季發(fā)生在4 — 7 月，降水量占全年降水量的50%以上，且流域降水量空間分布不均，降水量高值區(qū)域與低值區(qū)域的差異達(dá)436 mm。

江山港清淤工程是江山港綜合整治的一部分，清淤范圍為城中大橋下約175 m至雙塔電站處，長(zhǎng)約2.55 km（見(jiàn)圖1），該河段平均淤積厚度0.68 m，超挖深度0.30 m，清淤總量約為28.10萬(wàn)m3，采用1臺(tái)4010型環(huán)保絞吸式挖泥船，每天作業(yè)16 ～ 20 h進(jìn)行清淤。通過(guò)清淤增加河道過(guò)水面積，改善河道水環(huán)境，改善江山港地區(qū)的防洪排澇條件，從而提高河道行洪及調(diào)蓄能力，改善和恢復(fù)人 — 水 — 動(dòng)植物間物質(zhì)和能量的有機(jī)循環(huán)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)灌溉用水提供有力保障。

圖1 江山港清淤工程地理位置示意圖

3 研究方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是研究水體隨時(shí)間和空間運(yùn)動(dòng)和變化的重要手段之一，特別是近十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，為數(shù)學(xué)模型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本次計(jì)算模型采用丹麥水力學(xué)研究所新近研制的無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維MIKE 21FM模型。該模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)布設(shè)靈活，便于局部加密，能精確地?cái)M合彎曲河道邊界，具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點(diǎn)，已在世界上多個(gè)國(guó)家得到成功應(yīng)用[4]。

水動(dòng)力模型包括一個(gè)連續(xù)性方程和二個(gè)動(dòng)量方程:

（1）連續(xù)性方程:

式中:h為水深（m），即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；t為時(shí)間（s）；η為水位（m）；u、v為x、y方向上的流速分量（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；f為柯氏力參數(shù)；ρ為水密度（kg/m3）；ρ0為水的參照密度；Sxx、Sxy、Syy為波浪輻射應(yīng)力分量；Pa為大氣壓力（kPa）；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy為粘性項(xiàng)分量；S為源匯項(xiàng)。

水質(zhì)模型包括一個(gè)對(duì)流擴(kuò)散方程:

式中:C為污染物濃度（mg/L）；Cs為源項(xiàng)濃度（mg/L）；Kp為降解系數(shù)（1/ d）；Dh為x和y方向污染物擴(kuò)散系數(shù)（1/d）。

3.2 污染源的確定

從清淤施工引起局部水域相關(guān)污染物濃度增加的影響因素來(lái)看，清淤作業(yè)引起的底泥污染物釋放取決于2個(gè)關(guān)鍵過(guò)程:①清淤施工引起的泥沙再懸浮強(qiáng)度；②懸浮泥沙污染物釋放。

清淤施工引起的泥沙再懸浮強(qiáng)度:底泥清淤作業(yè)導(dǎo)致河床底泥在移除的過(guò)程中向水體中懸浮和擴(kuò)散，懸浮強(qiáng)度與沉積物特性、現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)特征以及施工情況有關(guān)。根據(jù)Collins模型計(jì)算分析絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)引起的泥沙再懸浮的強(qiáng)度公式[5-7]，認(rèn)為底泥再懸浮與泥沙特性、挖泥船類型、施工特征及參數(shù)密切相關(guān)，公式如下:

式中:Rs為泥沙再懸浮率（kg/s）；ρ為泥沙干密度（kg/m3）；FF、FD分別為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得的回歸參數(shù)，F(xiàn)F與鉸刀尺寸和泥沙中值粒徑相關(guān)，F(xiàn)D與鉸刀尺寸和鉸刀切割厚度有關(guān)；Vs為鉸刀擺動(dòng)速度（m/s）；Vi為吸泥管吸泥速度（m/s）；Vt為鉸刀刀鋒速度（m/s）；Dch為鉸刀直徑（m）；Lch為鉸刀長(zhǎng)度（m）；Kch、K ′ch分別為鉸刀直徑和鉸刀長(zhǎng)度的尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，小于等于1.5。

懸浮泥沙污染物釋放:根據(jù)專門為此次清淤工程水環(huán)境影響預(yù)測(cè)工作檢測(cè)的河道底泥污染物含量數(shù)據(jù)設(shè)定。泥沙中污染物釋放存在釋放和吸附的平衡態(tài)過(guò)程，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)成果，影響泥沙中污染物釋放和吸附的因素較多，一般而言，河床底泥擾動(dòng)引起的懸浮泥沙中的污染物在水體中釋放量為底泥中污染物含量的35% ～ 60%，為安全起見(jiàn)，模型中源強(qiáng)濃度按照被擾動(dòng)的懸浮泥沙污染物含量60%釋放設(shè)置。

4 模型構(gòu)建

4.1 計(jì)算區(qū)域選取

計(jì)算范圍的選取主要考慮2個(gè)因素，一是計(jì)算水邊界應(yīng)取在容易給定邊界條件的地方；二是計(jì)算水邊界應(yīng)離工程區(qū)域足夠遠(yuǎn)，以避免工程實(shí)施對(duì)邊界條件的影響。根據(jù)以上原則，本次計(jì)算范圍取為:上邊界為江山站水文站斷面，下邊界為衢州水文站斷面，模型內(nèi)支流常山港邊界選取在常山水文站，模型計(jì)算范圍見(jiàn)圖1。計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮水流、地形梯度的差異，對(duì)工程區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作進(jìn)一步加密，最小網(wǎng)格為15 m，網(wǎng)格總數(shù)為16 629，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 473。

4.2 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證計(jì)算主要是對(duì)模型的適用性進(jìn)行分析，河道的走向形態(tài)、河道比降、斷面形式等屬性都會(huì)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。為了能使計(jì)算結(jié)果較好地反映河道實(shí)際情況，需對(duì)模型計(jì)算選擇的參數(shù)例如阻力系數(shù)等進(jìn)行率定驗(yàn)證。

清淤工程位于江山港中下游段，上下游共3座水文站:江山站、雙塔底和衢州站。江山站、衢州站資料分別作為本次模型構(gòu)建的上下游水動(dòng)力邊界，利用雙塔底站的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水動(dòng)力模型驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖2。流量平均率定誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明所構(gòu)建的模型能夠基本反映河道實(shí)際情況，滿足計(jì)算精度要求。

圖2 水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果圖

4.3 污染源參數(shù)的確定

本次評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇為高錳酸鹽指數(shù)，氨氮、總磷。根據(jù)前文中污染源確定的方法，由于泥沙再懸浮強(qiáng)度公式中FF、FD等參數(shù)無(wú)法獲取，類比采用此方法研究的天津?yàn)I海旅游區(qū)清淤疏浚工程中源強(qiáng)設(shè)定參數(shù)，根據(jù)清淤施工強(qiáng)度、作業(yè)方式確定本次清淤工程底泥在水體中的擴(kuò)散量。即:1臺(tái)環(huán)保絞吸式挖泥船，施工強(qiáng)度為200 m3/h，每天輪班作業(yè)16 ～ 20 h，懸浮物源強(qiáng) 1.875 kg/s。

為確定底泥中污染物濃度大小，在清淤河段上中下游選取3個(gè)取樣點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。取樣位置:1號(hào)點(diǎn)在河道左1/3處，2號(hào)點(diǎn)在河道中間，3號(hào)點(diǎn)在河道右1/3處，分上層和下層進(jìn)行采集，采集深度為淤泥平均淤積厚度，并對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)底泥中評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染物濃度確定源強(qiáng)。由于1號(hào)點(diǎn)下層有大量碎石，1號(hào)點(diǎn)只采集表層泥樣，故共采集5份底泥樣品。

經(jīng)過(guò)檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)的底泥污染物含量見(jiàn)表1。底泥樣品中沉積物-TOC對(duì)應(yīng)于水體中CODMn指標(biāo)，兩者之間的數(shù)值關(guān)系根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[8-9]，CODMn與TOC 之比的變化范圍為0.54 ～ 1.01，根據(jù)偏安全考慮原則兩者比例確定為1:1。

表 1 底泥中污染物含量表

水質(zhì)模型計(jì)算中需要確定的計(jì)算參數(shù)主要有2個(gè):擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)。目前，確定河流縱向擴(kuò)散系數(shù)的主要方法有經(jīng)驗(yàn)公式法和示蹤試驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)表明，縱向擴(kuò)散系數(shù)和橫向擴(kuò)散系數(shù)有相同的量級(jí)。綜合考慮江山港河流特征以及國(guó)內(nèi)外橫向擴(kuò)散系數(shù)研究成果（見(jiàn)表2），確定此次計(jì)算綜合擴(kuò)散系數(shù)為0.1 m2/s。

表2 國(guó)內(nèi)外部分河流橫向擴(kuò)散系數(shù)研究數(shù)據(jù)表

污染物的生物降解、沉降和其他物化過(guò)程，可概括為污染物綜合降解系數(shù)，主要通過(guò)水團(tuán)追蹤試驗(yàn)、實(shí)測(cè)資料反推、類比法、分析借用等方法確定。根據(jù)《全國(guó)地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點(diǎn)》提出的水質(zhì)降解系數(shù)參考值（見(jiàn)表3），按偏不利情況考慮，擬定本次模型計(jì)算中，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷降解系數(shù)分別為0.1/d、0.1/d、0.1/d。

表3 一般河道水質(zhì)降解系數(shù)參考值表

4.4 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

本次計(jì)算水動(dòng)力工況設(shè)計(jì)方面考慮清淤工程施工工期和時(shí)間跨度的不確定性，模型計(jì)算時(shí)考慮枯水期、平水期、豐水期3種不同保證率的設(shè)計(jì)工況，采取恒定流計(jì)算。水質(zhì)工況設(shè)計(jì)方面考慮污染源單增量和疊加水體污染物濃度背景值2種工況進(jìn)行計(jì)算，分別反應(yīng)清淤工程單獨(dú)對(duì)后溪和雙塔底水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的影響和清淤工程施工時(shí)后溪和雙塔底水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況。模型水動(dòng)力、水質(zhì)邊界設(shè)置分別見(jiàn)表4 ～ 5。

表4 模型各工況水動(dòng)力邊界條件設(shè)置表

表 5 模型各工況水質(zhì)邊界條件設(shè)置表

5 水環(huán)境影響預(yù)測(cè)分析

5.1 單增量影響分析

清淤工程實(shí)施后，后溪斷面和雙塔底斷面水質(zhì)濃度增加變化見(jiàn)表6和圖5。相比較而言，枯水期濃度增加量最大，平水期次之，豐水期最小，相同濃度的污染帶范圍，枯水期最大，平水期次之，豐水期最小。

圖 5 污染物濃度增量分布圖

表 6 清淤工程引起的污染物濃度增量表 mg/L

5.2 水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)影響分析

后溪和雙塔底水質(zhì)斷面所處水環(huán)境功能區(qū)為III類水功能區(qū)，III類水功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值及疊加本底污染物濃度時(shí)，后溪和雙塔底水質(zhì)斷面各工況下水質(zhì)濃度見(jiàn)表7。

表 7 疊加本底后的污染物濃度值表 mg/L

疊加本底后清淤工程施工引起的后溪和雙塔底斷面水質(zhì)濃度與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比后可知，豐水期和平水期施工時(shí)CODMn、NH3- N和TP均能達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)值，枯水期施工時(shí)CODMn和NH3- N能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但TP不能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié) 論

（1）構(gòu)建江山港清淤工程對(duì)下游水質(zhì)控制斷面影響預(yù)測(cè)的平面二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，總體而言模擬效果良好，且計(jì)算結(jié)果可視化程度高。

（2）考慮清淤工程引起的水質(zhì)濃度變化，豐水期水質(zhì)濃度增加量最小，污染帶影響范圍也最小，平水期次之，枯水期最大。

（3）考慮水體本底污染物濃度后，清淤工程施工引起的后溪和雙塔底斷面水質(zhì)濃度達(dá)標(biāo)情況，豐水期和平水期施工均能達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)值，枯水期施工TP不能達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，此次研究的江山港清淤工程工期選取在豐水期最為適宜，可最大程度降低其對(duì)河道水環(huán)境的影響。此次研究是一次二維水動(dòng)力、水質(zhì)耦合模型在河道清淤工程對(duì)河道水環(huán)境影響分析中的成功應(yīng)用，可為清淤工程施工方案的制定、工期的選取提供可靠的技術(shù)支撐。