耙吸船疏浚施工懸浮物擴(kuò)散的數(shù)值模擬

崔鑫 中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司

自航耙吸船艙容大，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)；單船作業(yè)，輔助設(shè)備少；在行進(jìn)中挖泥，調(diào)頭靈活方便，對(duì)周圍航行的船舶影響小。不但適合在沿海港口、航道、寬闊的江面和船舶錨地作業(yè)，而且適應(yīng)多種土質(zhì)的浚挖，生產(chǎn)效率高。耙吸船以其多種優(yōu)點(diǎn)已成為疏浚作業(yè)的主力軍。

但自航耙吸船施工作業(yè)時(shí)，由于耙頭對(duì)土質(zhì)的擾動(dòng)和裝艙溢流等因素，不可避免地使部分海（河）底床沉積物再次懸浮于水中，形成瞬時(shí)的高含沙線源并隨水流輸移、擴(kuò)散。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)到耙吸船下耙施工時(shí)其船體兩側(cè)形成帶狀懸移質(zhì)混濁區(qū)，導(dǎo)致施工區(qū)附近水域局部水體出現(xiàn)間歇性的混濁度增加，水的透明度下降，對(duì)施工區(qū)附近海域環(huán)境造成一定影響。本文采用三維水沙數(shù)值模型，以廈門港航道疏浚工程為例，對(duì)耙吸船疏浚施工引起的懸浮物擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值分析。

1.數(shù)學(xué)模型

1.1 基本方程

通過(guò)流體靜力平衡和Boussinesq近似求解N-S方程，其控制方程如下：

動(dòng)量方程：

連續(xù)性方程：

輸運(yùn)方程：

狀態(tài)方程：

1.2 推算條件設(shè)置

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格

表1 泥沙模塊參數(shù)設(shè)置表

圖2 潮位過(guò)程驗(yàn)證圖（紅線：計(jì)算值，藍(lán)點(diǎn)：實(shí)測(cè)值）

圖3 流速過(guò)程驗(yàn)證圖（紅線：疊加風(fēng)場(chǎng)后的計(jì)算值，藍(lán)點(diǎn)：實(shí)測(cè)值，黑線：未疊加風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算值）

圖4 含沙量驗(yàn)證過(guò)程圖（紅線：模型，藍(lán)點(diǎn)：實(shí)測(cè)）

考慮外海海流的作用，并為盡量消除邊界效應(yīng)，模型區(qū)域選定在23.9°～24.7°N、117.9°～119°E之間。平面網(wǎng)格使用SMS（Surface-water Modeling System）建立高精度非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格（圖1），共28655個(gè)節(jié)點(diǎn)、55356個(gè)網(wǎng)格單元，灣內(nèi)網(wǎng)距均在50m左右，外海最大網(wǎng)距為500m。垂向網(wǎng)格采用S-Z levels，共31層。水深數(shù)據(jù)由最新海圖數(shù)字化得來(lái)（海圖編號(hào)：14240、14265），水深測(cè)量年份2009年，基面為理論深度基面，計(jì)算區(qū)域水深分布見(jiàn)圖2。外海邊界考慮Q1、O1、P1、K1、M2、N2、K2、S2八個(gè)常用天文分潮及近岸SA淺水分潮，各分潮振幅和遲角由潮汐預(yù)報(bào)程序Chinatide預(yù)測(cè)得到；上游河流邊界僅考慮九龍江來(lái)水，流量邊界取多年平均流量471m3/s；海表氣候驅(qū)動(dòng)場(chǎng)采用NECP Reanalysis 2數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、長(zhǎng)短波輻射等。模型預(yù)運(yùn)行11天，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為150s。

1.3 推算方法中泥沙模塊主要參數(shù)的確定

研究區(qū)域底床沉積物以粉砂和細(xì)砂成分為主，其平均粒徑分別為0.03mm（占66%）和0.12mm（占34%），且底質(zhì)粒徑分布相對(duì)集中，呈單峰分布，變化范圍小，經(jīng)模型多次調(diào)試，模型底床糙率給定無(wú)量綱拖曳系數(shù)Cd 0.022，能較為真實(shí)準(zhǔn)確地?cái)M合實(shí)際海域情況，泥沙模塊主要參數(shù)設(shè)置如表1。

泥沙沉速主要采用Van Rijn公式（5～7）計(jì)算得到，由于粘性細(xì)顆粒泥沙存在絮凝現(xiàn)象，實(shí)際中泥沙沉速應(yīng)略大于計(jì)算得到的沉速。泥沙侵蝕速率、臨界起動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)與底質(zhì)特性有關(guān)，同時(shí)受物理、化學(xué)、生物過(guò)程的影響，目前為止難以用數(shù)學(xué)公式準(zhǔn)確地表達(dá)，一般根據(jù)實(shí)測(cè)含沙量率定以確定參數(shù)的量值。

2.模型驗(yàn)證與計(jì)算結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)2016年6月3-4日期間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文資料對(duì)潮汐潮流場(chǎng)及懸沙場(chǎng)的模擬進(jìn)行率定和驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2至圖4。由圖2可知，兩測(cè)點(diǎn)的計(jì)算潮位過(guò)程線與實(shí)測(cè)值基本一致，絕對(duì)平均誤差分別為0.3m和0.2m。圖3為根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果繪制的2個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)期間表、中、底層的流速、流向?qū)Ρ惹€，由圖可知，模型計(jì)算的流速量值和流向與實(shí)測(cè)流速過(guò)程基本吻合。懸沙場(chǎng)方面，觀測(cè)期間研究區(qū)域水體含沙量小于0.050kg/m3，表底層差異不大。由圖4可知，含沙量計(jì)算結(jié)果在量級(jí)上能夠較好地反映實(shí)際情況，且在底層能反映出懸浮泥沙起動(dòng)導(dǎo)致含沙量增大的現(xiàn)象。

表2 施工區(qū)域表、底層平均懸沙隨時(shí)間擴(kuò)散范圍表

圖5 施工區(qū)域水體表層懸沙平面擴(kuò)散范圍圖

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明本次建立的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，能夠反映研究區(qū)域的實(shí)際水沙情況，可以用于推算耙吸船在研究區(qū)域施工引起的懸浮物擴(kuò)散規(guī)律。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

本次數(shù)模計(jì)算考慮了耙吸船疏浚施工過(guò)程中同時(shí)存在底部耙頭擾動(dòng)以及裝倉(cāng)溢流施工的工況，為更好地研究懸浮物擴(kuò)散的影響范圍，選取的時(shí)段為落急時(shí)刻，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和圖5～圖7，研究表明：

（1）耙吸船施工區(qū)域由于耙頭工作且同步進(jìn)行裝艙溢流，導(dǎo)致表、底層水體含沙量驟增，最大接近0.20kg/m3。

（2）表層懸沙擴(kuò)散：表層高含沙量水體隨落潮流向SE擴(kuò)散，含沙量>0.05kg/m3包絡(luò)線的面積最大為10.16km2，含沙量>0.10kg/m3包絡(luò)線的面積最大為2.31km2，含沙量>0.20kg/m3包絡(luò)線的面積最大為0.33km2。第5和第6個(gè)小時(shí)處于轉(zhuǎn)流階段，水動(dòng)力條件弱，懸浮泥沙大部分落淤，含沙量恢復(fù)至本底值。

（3）底層懸沙擴(kuò)散：由于底層流速較小，懸沙擴(kuò)散范圍也較表層小。含沙量>0.05kg/m3包絡(luò)線的面積最大為2.27km2；含沙量>0.10kg/m3包絡(luò)線的面積最大為1.06km2；含沙量>0.20kg/m3包絡(luò)線面積最大為0.43km2。第5和第6個(gè)小時(shí)水動(dòng)力條件弱，懸浮泥沙大部分落淤，含沙量恢復(fù)至本底值。

（4）在垂向變化上，懸沙的影響范圍主要集中在0.2H以表及0.8H至底，中間各層含沙量很小。

綜上所述，耙吸船疏浚施工過(guò)程中，耙頭擾動(dòng)引起的再懸浮泥沙不易擴(kuò)散至水體中層，其影響主要集中在海域底層水體，其他各層含沙量很小，而底層大部分懸浮泥沙在水流作用下輸運(yùn)擴(kuò)散，對(duì)施工區(qū)域的影響較小。裝艙溢流產(chǎn)生的懸沙羽在流速大的情況下能快速平流擴(kuò)散，但主要集中在表層，中、底層水體含沙量基本上沒(méi)有增大。耙吸船施工引起的懸浮物擴(kuò)散影響范圍在施工后前3個(gè)小時(shí)不斷增大，之后不斷減小，至第6個(gè)小時(shí)影響基本消除。

圖6 施工區(qū)域水體底層懸沙平面擴(kuò)散范圍圖

圖7 施工區(qū)域含沙量垂向變化圖

3.結(jié)論

本文以廈門港主航道擴(kuò)建四期I標(biāo)段耙吸船施工工程為例，建立了三維水沙數(shù)值模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示該模型能較好反映懸浮物實(shí)際擴(kuò)散規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明耙吸船疏浚施工過(guò)程中導(dǎo)致表、底層水體含沙量驟增，最大接近0.20kg/m3，其中耙頭擾動(dòng)引起的再懸浮泥沙不易擴(kuò)散至水體中層，其影響主要集中在海域底層水體，而裝艙溢流產(chǎn)生的懸沙羽在流速大的情況下能快速平流擴(kuò)散，但主要集中在表層，中、底層水體含沙量基本上沒(méi)有增大。耙吸船施工引起的懸浮物擴(kuò)散影響范圍在施工后前3個(gè)小時(shí)不斷增大，之后不斷減小，至第6個(gè)小時(shí)影響基本消除。