蘇北大豐港海域航道臨時(shí)拋泥區(qū)懸沙擴(kuò)散影響研究

羅小峰，路川藤，張功瑾，丁 偉

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029; 2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

大豐港位于鹽城市南部，港口東側(cè)有小陰沙、飄兒沙掩護(hù)，南側(cè)有蘇北輻射沙洲，受此特殊地理?xiàng)l件的影響，大豐港的長棧橋式碼頭為蘇北淤泥質(zhì)海岸建港提供了示范作用。目前碼頭三期工程已完成(如圖1所示)，同時(shí)，15萬噸級航道工程亦在建設(shè)。碼頭或航道在維護(hù)建設(shè)中，常常涉及疏浚土的處理問題，當(dāng)前疏浚土多被二次再利用，但仍有相當(dāng)多的疏浚土以外拋方式重新進(jìn)入海洋[1]。

圖1 大豐港區(qū)工程現(xiàn)狀Fig. 1 The engineering of Dafeng Port

疏浚船拋泥產(chǎn)生的懸浮泥沙，其擴(kuò)散輸移范圍和濃度變化會(huì)對海洋環(huán)境產(chǎn)生不利影響，懸浮泥沙引起的水質(zhì)環(huán)境改變對海洋生態(tài)系統(tǒng)和水生生物亦會(huì)產(chǎn)生不利影響。關(guān)于疏浚拋泥擴(kuò)散的研究比較多，主要分為以下二個(gè)方向：一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料或者實(shí)測資料，探究施工期間懸浮物的擴(kuò)散與輸移機(jī)理，分析和歸納其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。孫連成[2]分別采用了現(xiàn)場水文測驗(yàn)、拋泥追測實(shí)驗(yàn)以及中子活化示蹤等多種測試手段對珠江口伶仃洋拋泥區(qū)的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對航道的影響進(jìn)行了分析研究。馮俊[3]采用多固定斷面法對長江口耙吸船作業(yè)過程的溢流疏浚土及北槽內(nèi)貯泥坑、拋泥區(qū)的疏浚土擴(kuò)散情況進(jìn)行了觀測，深化了對長江口疏浚土擴(kuò)散特性的認(rèn)識，并改進(jìn)了疏浚溢流和疏浚土處理的時(shí)間控制措施。二是通過運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，將實(shí)際情況概化到模型中去，計(jì)算并預(yù)測施工過程中產(chǎn)生的懸浮物影響范圍。郭玉臣等[4]建立羅源灣傾倒區(qū)二維潮流和懸浮泥沙輸移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，預(yù)測傾倒區(qū)疏浚泥傾倒過程中含沙量增量及影響范圍。丁琦等[5]認(rèn)為擬設(shè)拋泥點(diǎn)的流向偏向航道一側(cè)時(shí)進(jìn)行拋泥作業(yè)，所產(chǎn)生的懸浮泥沙能較快地沿水流方向擴(kuò)散，高含沙水體的存在時(shí)間及擴(kuò)散距離均較短，對臨近航道含沙量的影響很小。

由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，關(guān)于懸浮泥沙擴(kuò)散的研究目前以數(shù)學(xué)模型為主，部分學(xué)者對懸浮泥沙輸移擴(kuò)散的影響因子進(jìn)行了量化和探討。李思遠(yuǎn)等[6]通過研究，認(rèn)為風(fēng)對懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍非常敏感，實(shí)際計(jì)算中應(yīng)考慮風(fēng)場作用。陳翔等[7]研究了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，認(rèn)為水深對懸浮泥沙擴(kuò)散的影響更大。張世民等[8]通過三維數(shù)值模型研究，認(rèn)為潮流和風(fēng)場主要改變增量范圍，拋泥點(diǎn)位置即水深會(huì)導(dǎo)致增量最大值出現(xiàn)較大的差異。

近年來，隨著港口規(guī)模的發(fā)展，大豐港開展了15萬噸級航道的工程建設(shè)，由于地理?xiàng)l件的特殊性以及節(jié)省拋泥成本的需要，航道疏浚土以外拋形式為主。這里以大豐港拋泥區(qū)拋泥為研究對象，探討在蘇北輻射沙洲海域的水動(dòng)力條件下，拋泥區(qū)拋泥的懸沙輸移擴(kuò)散特征，為大豐港碼頭及航道的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 大豐港海域水動(dòng)力特征

大豐港水域離輻射沙洲頂點(diǎn)較近，處于潮差大的強(qiáng)潮區(qū)，潮汐性質(zhì)屬規(guī)則半日潮。大豐港海域?yàn)閺?qiáng)海流區(qū)，主流向與岸線大致平行，近似呈南北向往復(fù)流，漲潮流向偏南，落潮流向偏北，向岸一側(cè)的灘地潮流表現(xiàn)出與主流較大角度的漫灘歸槽流，漲潮動(dòng)力強(qiáng)于落潮，大潮動(dòng)力大于小潮，如圖2所示。據(jù)實(shí)測資料可知，最大流速靠近中潮位，屬于駐波為主的混合波，如圖3所示。

圖2 垂線平均流速矢量圖(2017年夏季水文測驗(yàn)，下同)Fig. 2 Vertical average velocity vector

圖3 大豐港海域潮位與潮流相位關(guān)系Fig. 3 The relationship between tide level and current phase

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，根據(jù)靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維潮流泥沙控制方程可表述為：

(1)

(2)

(3)

(4)

采用有限體積法對水動(dòng)力泥沙方程進(jìn)行離散，其具體離散方法參考文獻(xiàn)[9]。

2.2 模型范圍與參數(shù)

數(shù)學(xué)模型北邊界至射陽河口北約30 km，南邊界至竹港南32 km，模型總長約150 km，總寬度約65 km。數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)119 557個(gè)，最小網(wǎng)格邊長53 m，最大邊長約為2 820 m。時(shí)間步長取10 s，糙率取0.013+0.012/H，紊動(dòng)黏性系數(shù)取k1HU*(k1=0.8，U*為摩阻流速)，動(dòng)邊界水深0.02 m，懸沙擴(kuò)散系數(shù)取k2HU*(k2=2.0)。模型邊界采用潮位控制，由潮汐預(yù)報(bào)軟件Naotest模型提供，并通過數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證對邊界控制潮位進(jìn)行修正。

2.3 水動(dòng)力驗(yàn)證

采用2017年6—7月大潮和小潮資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖4。潮位驗(yàn)證的相似性良好，個(gè)別計(jì)算值偏差相對較大，大部分潮位誤差小于0.1 m，見圖5；潮流流速偏差基本在10%之內(nèi)，流向?qū)崪y值與計(jì)算值基本一致，見圖6；含沙量計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，見圖7。說明建立的數(shù)學(xué)模型能夠反應(yīng)蘇北輻射沙洲海域的潮流泥沙運(yùn)動(dòng)特征。

圖4 數(shù)學(xué)模型范圍與網(wǎng)格示意Fig. 4 The range and grids of mathematical model

圖5 潮位驗(yàn)證 Fig. 5 Tidal level verification

圖6 潮流驗(yàn)證Fig. 6 Tidal current verification

圖7 含沙量驗(yàn)證Fig. 7 Sediment concentration verification

3 拋泥區(qū)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

圖8為臨時(shí)拋泥區(qū)大潮漲落潮期間水質(zhì)點(diǎn)24 h的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡代表了通量的輸移方向，通過分析水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑，可增強(qiáng)對懸浮泥沙輸移方向及范圍的判斷。水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)均為南北向運(yùn)動(dòng)，往復(fù)流特征明顯。漲潮時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)軌跡較為集中，1個(gè)大潮過程水質(zhì)點(diǎn)最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)到4#錨地；而落潮時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)軌跡較為分散，且水質(zhì)點(diǎn)軌跡逐漸向東偏移，1個(gè)大潮過程水質(zhì)點(diǎn)最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)到拋泥區(qū)北側(cè)約18 km。圖9為臨時(shí)拋泥區(qū)小潮漲落潮期間水質(zhì)點(diǎn)24 h的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。由圖9可知，小潮期間水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡路徑相對集中，相比大潮，運(yùn)動(dòng)范圍明顯較小。

圖8 臨時(shí)拋泥區(qū)大潮落初和漲初水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡(24 h)Fig. 8 Trajectory of water points in spring (24 h)

圖9 臨時(shí)拋泥區(qū)小潮落初和漲初水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡(24 h)Fig. 9 Trajectory of water points in neap (24 h)

4 拋泥區(qū)懸沙擴(kuò)散影響研究

4.1 源強(qiáng)確定方法

單次拋泥懸沙增加濃度由下式計(jì)算：

式中：Sc為單次拋泥懸沙濃度增加值，kg/m3；Q為單次拋泥疏竣土方量，由年拋泥控制總量除年拋泥次數(shù)得到，本文疏浚船為萬方大耙，Q取10 000方；γ0為泥沙干容重，kg/m3；P為疏竣泥沙產(chǎn)生的懸沙比例，按照經(jīng)驗(yàn)，P取值10%，由于本次拋泥區(qū)處于開闊海域，參考長江口北槽疏浚船拋泥流失率，P值適當(dāng)提高至15%[10]；Vc為拋泥時(shí)刻計(jì)算單元的水體體積。

經(jīng)計(jì)算，萬方大耙一次拋泥形成的單個(gè)計(jì)算單元源強(qiáng)約為5 kg/m3，考慮到航道或碼頭疏浚期間，拋泥區(qū)每天會(huì)有若干次拋泥，使拋泥區(qū)長時(shí)間保持高含沙濃度狀態(tài)，因此假設(shè)整個(gè)拋泥區(qū)含沙量為5 kg/m3。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究，在懸浮泥沙擴(kuò)散的計(jì)算中，本底含沙量對泥沙增量大于0.05 kg/m3的包絡(luò)線面積影響相對較小，因此，在懸浮泥沙擴(kuò)散的計(jì)算中，不考慮本底含沙量，僅計(jì)算懸浮泥沙增量。

4.2 不同潮流時(shí)刻拋泥擴(kuò)散影響

為模擬臨時(shí)拋泥區(qū)拋泥懸沙擴(kuò)散特征，計(jì)算潮型選取大—中—小和小—中—大兩種，分別見圖10和圖11，連續(xù)計(jì)算7天。大—中—小潮型，拋泥時(shí)間分別選擇漲憩(落初)、落急、落憩(漲初)、漲急四個(gè)時(shí)刻，如圖10；小—中—大潮型，拋泥時(shí)間分別選取落憩和漲憩，見圖11。

圖10 大豐站大—中—小潮型Fig. 10 Spring-middle-neap tide

圖11 大豐站小—中—大潮型Fig. 11 Neap-middle-spring tide

圖12分別為大潮漲初、漲急、落初、落急7天后的泥沙輸移擴(kuò)散包絡(luò)線范圍。

圖12 大潮型泥沙輸移擴(kuò)散范圍包絡(luò)線Fig. 12 Envelope of sediment transport and diffusion range in spring tide

大潮漲初拋泥后，高濃度含沙水體呈南北條狀形態(tài)，軸線與航道基本平行，主要影響拋泥區(qū)南部水域。4#錨地北側(cè)，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3，1#、2#、3#錨地西側(cè)含沙量增幅大于東側(cè)，幅度超過1.5 kg/m3。一期碼頭東側(cè)航道處，含沙量有所增大。大潮漲急拋泥后，高濃度含沙水體呈南北條狀形態(tài)，軸線與航道存在一定的夾角，影響拋泥區(qū)南北側(cè)水域，其中南側(cè)影響范圍大于北側(cè)，基本不改變現(xiàn)有航道的含沙量，3#錨地中北側(cè)，含沙量有所增大，幅度小于0.2 kg/m3，4#錨地含沙量不變。落初拋泥后，主要影響拋泥區(qū)北部水域，1#錨地，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3，2#、3#、4#錨地含沙量基本不變，航道拐彎以北處，含沙量有所增大。落急拋泥后，含沙量增幅范圍包括拋泥區(qū)南、北側(cè)水域，高含沙水體主要聚集在拋泥區(qū)北側(cè)，1#錨地，含沙量增加幅度超過1.5 kg/m3，2#、3#錨地，含沙量增幅約為0.2～0.5 kg/m3，4#錨地含沙量基本不變，現(xiàn)有航道處，含沙量基本不變。

通過不同時(shí)刻拋泥的包絡(luò)線范圍分析，漲憩時(shí)刻拋泥懸浮泥沙包絡(luò)線范圍最大，其次為漲急，落憩時(shí)最小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，漲憩時(shí)泥沙增量大于1.5 kg/m3的包絡(luò)線面積比落憩時(shí)大38%左右，增量大于0.3 kg/m3的包絡(luò)線面積大46%左右。

圖13為小潮漲初、落初時(shí)刻拋泥7天后的泥沙輸移擴(kuò)散包絡(luò)線范圍。

圖13 小潮型泥沙輸移擴(kuò)散范圍包絡(luò)線Fig. 13 Envelope of sediment transport and diffusion range in neap tide

小潮漲初拋泥后，高濃度含沙水體呈南北條狀形態(tài)，主要影響拋泥區(qū)南部水域。4#錨地北側(cè)，含沙量有所增大，幅度小于1 kg/m3；1#、2#、3#錨地含沙量最大增幅超過1.5 kg/m3；一期至三期碼頭東側(cè)航道處，含沙量有所增大，幅度小于0.3 kg/m3。落初拋泥后，主要影響拋泥區(qū)北部水域。1#錨地，含沙量有所增大，幅度小于0.5 kg/m3，現(xiàn)有航道處，含沙量基本不變。與大潮拋泥相比，小潮漲初泥沙增量大于1.5 kg/m3的包絡(luò)線面積減小約3.5%，增量大于0.3 kg/m3的包絡(luò)線面積減小約25%；小潮落初泥沙增量大于1.5 kg/m3的包絡(luò)線面積減小約1.2%，增量大于0.3 kg/m3的包絡(luò)線面積減小約31%。

5 結(jié) 語

建立蘇北輻射沙洲大豐港海域二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，研究了航道臨時(shí)拋泥區(qū)拋泥對周邊水域的影響，主要結(jié)論如下：

1) 臨時(shí)拋泥區(qū)水質(zhì)點(diǎn)軌跡呈明顯的往復(fù)流形態(tài)，大潮漲落潮水質(zhì)點(diǎn)流路存在一定分歧，小潮漲落潮流路分歧較小。

2) 拋泥區(qū)拋泥后，高濃度含沙水體呈南北條狀形態(tài)，軸線與航道基本平行，主要影響拋泥區(qū)南、北側(cè)水域。漲急和漲憩兩個(gè)時(shí)刻拋泥，對航道略有影響，落急和落憩拋泥對現(xiàn)有錨地影響較大，對航道基本沒有影響。

3) 拋泥區(qū)漲憩時(shí)刻拋泥，懸浮泥沙包絡(luò)線范圍最大，其次為漲急，落憩時(shí)最小。漲憩時(shí)泥沙增量大于1.5 kg/m3的包絡(luò)線面積比落憩時(shí)大38%左右，增量大于0.3 kg/m3的包絡(luò)線面積大46%左右。