河海直達(dá)航道工程懸浮泥沙擴(kuò)散的環(huán)境影響研究
——以大蘆線東延伸航道整治工程為例

夏愛(ài)梅

（上海達(dá)恩貝環(huán)境科技發(fā)展有限公司，上海 200127）

0 引言

根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》(國(guó)發(fā)〔2021〕27 號(hào))[1]，“十四五”時(shí)期將深入推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)大宗貨物和中長(zhǎng)途貨物運(yùn)輸“公轉(zhuǎn)鐵”“公轉(zhuǎn)水”。

隨著運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃的實(shí)施，將有一批航道建設(shè)或維護(hù)工程開(kāi)工建設(shè)，涉水工程施工作業(yè)劇增，對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響將日益加劇。因此，對(duì)此類涉水工程施工對(duì)水域環(huán)境的影響機(jī)理、范圍、程度及減緩措施的研究尤為迫切。

本文以河海直達(dá)-大蘆線東延伸航道整治工程為例，該工程位于內(nèi)河與海洋交匯處，潮汐、淡水徑流、波浪、風(fēng)等多樣化水文動(dòng)力構(gòu)成了入?？趶?fù)雜的動(dòng)力場(chǎng)系統(tǒng)，同時(shí)邊界條件差異大且多變，使得此區(qū)域的懸沙擴(kuò)散、輸移、沉積過(guò)程復(fù)雜。定量分析河海交界處不同水動(dòng)力條件下，懸沙輸運(yùn)的影響范圍和程度，為相似區(qū)域、同類工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐和科學(xué)預(yù)判，并為航道疏浚作業(yè)方式、時(shí)間、疏浚工具的選擇提供依據(jù)。

同時(shí)，利用該工程地理位置特點(diǎn)，通過(guò)情景設(shè)置，比較內(nèi)河航道和外海航道疏浚作業(yè)過(guò)程中懸沙擴(kuò)散影響的動(dòng)力差異，闡述長(zhǎng)江入?？趨^(qū)域懸沙擴(kuò)散的主要影響因素，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐，進(jìn)而提高涉水工程的施工質(zhì)量。

1 大蘆線東延伸航道工程概況

大蘆線東延伸航道整治工程西起大治河（內(nèi)河航道），東至長(zhǎng)江口南槽南支航道（外海航道），呈東西走向，航道總里程約19.6km。見(jiàn)圖1。

圖1 工程地理位置分布圖

2 懸浮泥沙擴(kuò)散不同預(yù)測(cè)情景及后果分析

2.1 懸浮泥沙擴(kuò)散模型構(gòu)建及水動(dòng)力條件選取

此次采用耦合平面二維非恒定流和懸浮泥沙擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型來(lái)描述懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

平面二維懸浮泥沙擴(kuò)散方程如下：

式（1）中：S為懸浮物濃度，在此代表懸沙增量；Dx、Dy為x、y向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；M為懸浮物釋放源強(qiáng)，-kS為沉降項(xiàng)。

此次懸浮泥沙擴(kuò)散模型采用近年來(lái)最不利的2020 年8 月洪水季大小潮時(shí)潮差、最大流速等水文動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 懸浮泥沙源強(qiáng)計(jì)算

根據(jù)《水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)指南》[2]，航道疏浚過(guò)程產(chǎn)生懸浮泥沙（SS），按下面公式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中：Q 為疏浚時(shí)懸浮物發(fā)生量（t/h）；W0為懸浮物發(fā)生系數(shù)（t/m3）；R0為W0時(shí)的懸浮物粒徑累積百分比（%）；R 為現(xiàn)場(chǎng)流速懸浮物臨界顆粒粒徑累積百分比（%）；T 為疏浚效率（m3/h）。

此次選擇4m3、8m3抓斗挖泥船和2400m3小型耙吸船三種挖泥機(jī)具，泥沙排放時(shí)間均為10h/d，懸浮物懸浮臨界流速按Camp 公式進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，4m3、8m3抓斗式挖泥船、2400m3小型耙吸船的疏浚源強(qiáng)分別為2.2kg/s、4.4kg/s、24kg/s。

2.3 模擬情景設(shè)置

為探索懸沙擴(kuò)散范圍和程度的關(guān)鍵影響因素，本文根據(jù)挖泥機(jī)具種類和規(guī)格，分別單點(diǎn)、集中及不同位置進(jìn)行數(shù)值模擬，均設(shè)置為固定連續(xù)點(diǎn)源，釋放時(shí)間10h。

2.3.1 單點(diǎn)施工

根據(jù)工程區(qū)域的實(shí)際工況條件，三種挖泥機(jī)具單點(diǎn)挖泥模擬情景如下：

情景1：內(nèi)河段1#，1 艘4m3抓斗挖泥船。

情景2：內(nèi)河段2#，1 艘4m3抓斗挖泥船。

情景3：外海段3#，1 艘8m3抓斗挖泥船。

情景4：外海段4#，1 艘艙容2400m3小型耙吸船。

情景5：外海段5#，1 艘艙容2400m3小型耙吸船。

單點(diǎn)模擬情景位置見(jiàn)圖2。

圖2 單點(diǎn)模擬情景設(shè)置點(diǎn)位分布圖

2.3.2 集中施工

3 種集中數(shù)值模擬情景如下：

情景6：13 艘4m3抓斗式挖泥船在內(nèi)河段6#作業(yè)區(qū)疏浚。

一個(gè)男人走了進(jìn)來(lái)，他五十來(lái)歲，蓄著小胡子，棕色的頭發(fā)梳向后腦勺，一雙眼睛如鷹眼一般銳利。他身上穿著一套海藍(lán)色的西服，深色的鹿皮皮鞋。后來(lái)有幾次，我曾夢(mèng)見(jiàn)他推門(mén)走進(jìn)來(lái)，頭發(fā)依舊像二十多歲的年輕人那樣烏黑。

情景7：13 艘4m3抓斗式挖泥船在內(nèi)河段7#作業(yè)區(qū)疏浚。

情景8：3 艘8m3抓斗式挖泥船在外海段8#作業(yè)區(qū)疏浚。

集中模擬情景位置見(jiàn)圖3。

圖3 集中模擬情景設(shè)置點(diǎn)位分布圖

2.4 懸浮物擴(kuò)散預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)2.3 章節(jié)，本文設(shè)置了8 種疏浚作業(yè)模擬情景，其中5 種單點(diǎn)疏浚施工情景（1#～5#），3 種集中疏浚施工情景（6#～8#）。通過(guò)集成各施工點(diǎn)的懸沙包絡(luò)線圖，得到工程區(qū)域施工的懸沙包絡(luò)線范圍。見(jiàn)表1、圖4。

圖4 懸沙包絡(luò)線范圍圖

表1 懸沙包絡(luò)線范圍統(tǒng)計(jì)單位：km2

從懸沙包絡(luò)線范圍可知，雖然內(nèi)河段疏浚量為外海段的4 倍，但高濃度（＞100mg/L）懸沙增量區(qū)域范圍基本相似，低濃度（＜50mg/L）懸沙增量區(qū)域范圍成反比，且大潮期基本為小潮期的2 倍。主要原因?yàn)閮?nèi)河段徑流流速比潮流小，且內(nèi)河段航道兩側(cè)均為閉邊界。

為探索懸沙擴(kuò)散范圍和程度的關(guān)鍵影響因素，該報(bào)告根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算單位源強(qiáng)、單位疏浚量懸沙增量范圍和程度，分析影響懸沙擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。單位源強(qiáng)、單位疏浚量懸沙增量范圍和程度見(jiàn)表2、表3。

表2 單位源強(qiáng)懸浮物增量值最大影響面積統(tǒng)計(jì)單位：km2

由表2、表3 可知：

表3 單位疏浚量懸浮物增量值最大影響面積統(tǒng)計(jì)單位：km2

第一，內(nèi)河及入?？谔幩鲃?dòng)力較弱，單點(diǎn)施工高濃度（＞100mg/L）懸沙增量擴(kuò)散范圍大、小潮基本一致，隨著濃度降低，大、小潮導(dǎo)致的擴(kuò)散范圍差異劇增；

第二，外海段潮流動(dòng)力較強(qiáng)，單點(diǎn)施工懸沙各濃度增量區(qū)擴(kuò)散范圍大、小潮差異較小，小潮期略小于大潮期；

第三，內(nèi)河段集中施工高濃度（＞100mg/L）懸沙增量擴(kuò)散范圍比單點(diǎn)施工大，低濃度（＞10mg/L）懸沙增量擴(kuò)散范圍比單點(diǎn)施工小0.2～0.5 倍，且內(nèi)河段大潮期擴(kuò)散范圍是小潮期的2～10 倍；

第四，外海段集中施工懸沙各濃度增量區(qū)擴(kuò)散范圍及大、小潮差異與單點(diǎn)施工基本一致。

其二，單位疏浚量懸沙擴(kuò)散范圍分析結(jié)果：

第一，內(nèi)河段大潮期隨懸沙濃度遞增，擴(kuò)散范圍呈現(xiàn)等量梯度遞減；小潮期擴(kuò)散范圍變化較??；

第二，外海段隨懸沙濃度遞增，擴(kuò)散范圍呈現(xiàn)等量梯度遞減，大、小潮變化規(guī)律一致，且各濃度增量擴(kuò)散范圍高濃度區(qū)（＞100mg/L）基本一致，低濃度區(qū)（＜50mg/L）大潮期為小潮期的2 倍。

2.5 懸沙擴(kuò)散影響因素分析

根據(jù)分析結(jié)果可知：

第一，懸沙擴(kuò)散范圍受疏浚作業(yè)方式影響較大，集中疏浚導(dǎo)致施工區(qū)域產(chǎn)生高濃度懸沙增量，但懸沙增量整體擴(kuò)散范圍比零星、流水線式作業(yè)倍數(shù)減小。此結(jié)論與陳翔、王義剛等對(duì)《海域環(huán)境對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散影響的敏感性分析》的研究結(jié)論“本底含沙量越大，同一源強(qiáng)下，懸浮泥沙擴(kuò)散范圍越??；本底含沙量對(duì)低濃度增長(zhǎng)區(qū)的影響大于高濃度增長(zhǎng)區(qū)”一致。

第二，懸沙主要受潮流、徑流水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)而擴(kuò)散，低濃度懸沙增量區(qū)域范圍大潮期比小潮期大，高濃度懸沙增量區(qū)域范圍大、小潮基本一致。

因此，建議疏浚作業(yè)選擇枯（平）水期、盡可能集中區(qū)域快速施工。

2.6 疏浚懸沙環(huán)境影響及措施建議

根據(jù)數(shù)模計(jì)算，施工懸浮物影響區(qū)域主要集中在施工區(qū)域及其附近水域。內(nèi)河航道疏浚引起的懸浮泥沙影響主要集中在船閘口門(mén)以內(nèi)，航道兩側(cè)位置，懸沙增量10mg/L 以上的最大范圍為5.73km2。外海航道疏浚引起的懸浮泥沙影響主要集中在航道兩側(cè)區(qū)域，懸沙增量10mg/L 以上的最大范圍為13.23km2。

根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐，施工引起的懸浮物擴(kuò)散主要限于施工時(shí)，施工結(jié)束后數(shù)小時(shí)內(nèi)（與源強(qiáng)、施工結(jié)束的時(shí)刻有關(guān)），人為增加的懸浮物濃度迅速衰減至10mg/L 以下。

基于影響分析結(jié)果，除了前述疏浚作業(yè)選擇枯（平）水期、盡可能集中區(qū)域快速施工外，還應(yīng)盡量采用耙吸船疏浚，可以縮短施工時(shí)間。此外，通過(guò)減少挖泥船溢流、精準(zhǔn)定位疏浚點(diǎn)，也可以有效控制懸沙影響范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

疏浚等工程建設(shè)擾動(dòng)水體引起懸浮物濃度增加，對(duì)周邊海洋生態(tài)環(huán)境造成一定影響。但施工活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)和漁業(yè)資源影響主要集中在工程區(qū)域，不會(huì)對(duì)周邊區(qū)域生物多樣性帶來(lái)較大影響，通過(guò)增殖放流等措施可以減緩對(duì)海洋生態(tài)損失的影響。