內(nèi)河隔擋式環(huán)保疏浚輔助設(shè)施減污效果研究

陳廣云，單丹

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

內(nèi)河航道是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。疏浚是改善其通航條件、提高行洪能力的重要措施，且通常要求實(shí)施環(huán)保疏浚。目前用于環(huán)保疏浚的設(shè)備主要有2 類(lèi)：專(zhuān)用設(shè)備和由各類(lèi)常見(jiàn)挖泥船改造的設(shè)備。具有代表性的專(zhuān)用設(shè)備主要有螺旋式疏浚設(shè)備和密閉旋轉(zhuǎn)斗輪疏浚設(shè)備[1]。而常見(jiàn)挖泥船的環(huán)保改造一般依據(jù)船的類(lèi)型具體確定，常規(guī)方法分別為：絞吸式挖泥船，采用專(zhuān)用環(huán)保鉸刀并配備罩殼；耙吸式挖泥船，將普通耙頭改為帶罩式環(huán)保耙頭；斗輪式挖泥船，主要對(duì)斗輪架進(jìn)行改造，使其上部封閉，并在斗輪上裝設(shè)排氣閥；抓斗式和鏟斗式挖泥船，主要把泥斗改為封閉式，使得斗中污泥不易泄出[2]。

以上疏浚設(shè)備大部分體型較大[3]，在內(nèi)河狹小區(qū)域施工時(shí)抑制底泥污染二次擴(kuò)散的環(huán)保效果受到限制，底泥重新懸浮入水中，伴隨著底泥進(jìn)入水體的還包括聚集在底泥中污染物質(zhì)，對(duì)航道的環(huán)境會(huì)產(chǎn)生影響，與航道疏浚相關(guān)的生態(tài)保護(hù)矛盾逐漸凸顯[4]。同時(shí)抓斗式和鏟斗式挖泥船改造的封閉泥斗也會(huì)一定程度影響施工效率。除此之外，內(nèi)河航道作為重要的水運(yùn)通道，航道疏浚的同時(shí)必須保持船舶的正常通行[5]。

因此，需研發(fā)一套適用于內(nèi)河狹小區(qū)域的環(huán)保疏浚輔助裝置?；舅悸窞椴捎脫醢甯魯嗍┕^(qū)水體與航道內(nèi)活水之間的開(kāi)敞性流通，僅在上部預(yù)留孔隙保持內(nèi)外水壓相等，疏浚船舶在隔檔形成的內(nèi)部相對(duì)靜水區(qū)施工，疏浚完成后采用技術(shù)手段促使施工區(qū)泥沙及污染物快速沉降，此方案為近封閉方案；或者采用半淹沒(méi)擋板在下游形成緩流區(qū)以減小擋板下游挖泥船施工區(qū)水流速度，進(jìn)而減小施工區(qū)水體中污染物的擴(kuò)散，此方案為半封閉方案。

本文以京杭運(yùn)河棗莊段（馬蘭大橋以下）二級(jí)航道整治工程為例，通過(guò)FLOW-3D 軟件建立航道概化的三維數(shù)值模型[6]。根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案對(duì)污染擴(kuò)散的不同抑制效果，選擇最佳方案。

1 方案制定

限制性航道為過(guò)水?dāng)嗝妾M窄、對(duì)船舶（隊(duì)）航行有限制作用的人工航道，例如人工開(kāi)挖的運(yùn)河、通航的灌溉、排水、供水等輸水渠道。京杭運(yùn)河棗莊段（馬蘭大橋以下）為二級(jí)航道，根據(jù)GB50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[7]可知，二級(jí)航道船舶噸級(jí)為2 000 t，代表船型最大駁船長(zhǎng)×寬×吃水為75 m×14.0 m×2.6 m。該航段疏浚時(shí)選用0.75 m3、1 m3抓斗式挖泥船挖泥，90 kW 拖輪＋30 kW 機(jī)艇＋60 m3、80 m3泥駁運(yùn)輸，機(jī)械卸船上岸，再由汽車(chē)運(yùn)至棄土區(qū)，一般挖泥船長(zhǎng)度為30 m 左右[8]。考慮到疏浚時(shí)不影響船舶通行以及現(xiàn)有航道地形資料等因素，制定不同半封閉方案和近封閉方案并建立三維數(shù)值模型。

1.1 半封閉方案

半封閉方案中擋板內(nèi)的水流與河道的水流是相互流通的，但是擋板的上下游長(zhǎng)度影響著流通的效果。為了得出上下游擋板不同長(zhǎng)度對(duì)底泥污染物擴(kuò)散的影響效果，制定擋板長(zhǎng)度為20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 等方案研究下游特定點(diǎn)位置的污染物濃度。圖1 為半封閉方案，擋板長(zhǎng)度為20 m 的模型。

圖1 半封閉方案示意圖（dm）Fig.1 Schematic diagram of a semi-closed dredging auxiliary device（dm）

1.2 近封閉方案

近封閉方案的水流由于擋板的阻隔作用，內(nèi)部水體的流動(dòng)性受到了束縛。為了避免擋板內(nèi)外產(chǎn)生水位差，即產(chǎn)生壓力差對(duì)擋板造成結(jié)構(gòu)性破壞，在擋板上游留有1 個(gè)豎狀的矩形縫隙，使其與河道內(nèi)水位相一致。與此同時(shí)，由于孔隙的存在以及河道上游來(lái)水的影響，挖出的底泥會(huì)通過(guò)孔隙隨著水流的流動(dòng)而擴(kuò)散。本文在確定所圍區(qū)域一定的情況下，研究不同孔隙對(duì)底泥污染物的擴(kuò)散的影響。假定孔隙寬度為0.3 m、0.5 m、1 m等方案研究下游特定點(diǎn)位置的污染物濃度。圖2為近封閉方案，孔隙寬度為1 m 的模型。

圖2 近封閉方案示意圖（dm）Fig.2 Schematic diagram of a near-enclosed dredging auxiliary device（dm）

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 控制方程

軟件將N-S 方程作為控制方程，運(yùn)用雷諾平均法進(jìn)行求解[9]。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：i、j=1、2、3，分別表示x、y、z方向；ui、uj為i、j方向速度；t為時(shí)間；Aj為計(jì)算單元j方向的面積；VF為各計(jì)算單元水的體積分?jǐn)?shù)；ρ為水的密度；P為壓強(qiáng)；gi為i方向重力加速度；xi、xj分別為i方向和j方向坐標(biāo)分量；fi為i方向雷諾應(yīng)力[10-11]。

湍流模型：

RNG k-ε 模型能夠高效求解流線彎曲大的流動(dòng)[12-13]。其中：

湍動(dòng)能方程：

湍動(dòng)能耗散率方程：

式中：k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε 為湍動(dòng)能耗散率，kg·m2/s2；μ 為流體動(dòng)力黏滯系數(shù)，N·s/m2；μt為流體湍動(dòng)黏度，μt=ρCμk2/ε，N·s/m2；αε，αk，C1ε和C2ε是常數(shù)，αε=αk=1.39；C*1ε=C1ε-η（1-η/η0）/（1+βη3），其中η=（2EijEij）0.5k/ε，Eij=1/2（?ui/?xj+?uj/?xi），η0=4.337，β=0.012，C1ε=1.42；C2ε=1.68；Gk為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，由Gk=μt（?ui/?uj+?uj/?ui）?ui/?uj定義[14]。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格的劃分質(zhì)量影響著模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)模型采用非均一性網(wǎng)格進(jìn)行劃分。因擋板處區(qū)域?yàn)榈啄辔廴疚飻U(kuò)散的重要觀察區(qū)域，為了能夠準(zhǔn)確模擬出擴(kuò)散的過(guò)程，對(duì)擋板處區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格嵌套處理。整體進(jìn)行長(zhǎng)×寬×高均為0.8 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，嵌套區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)×寬×高均為0.1 m 的網(wǎng)格劃分。

2.3 模型邊界條件及初始條件設(shè)置

1） 邊界條件：根據(jù)所概化河段最低通航水位，設(shè)置模型邊界條件。模型上游進(jìn)口邊界條件設(shè)置為流量邊界，給定上游水流量100 m3/s；模型下游出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界，給定對(duì)應(yīng)的水深8 m；左、右岸以及模型底部給定壁面邊界；模型頂部給定壓力出口，其中fluid fraction設(shè)置為0，即模型頂部為大氣壓。擋板內(nèi)污染物擴(kuò)散速率為一定值，考慮到挖斗的大小等實(shí)際情況，給定污染物擴(kuò)散速率為1 m3/s。

2） 初始條件設(shè)置：模型單位設(shè)置為SI 國(guó)際單位制，流體選定為20 ℃水，重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2。為了能夠更加清楚和準(zhǔn)確地知道模型計(jì)算穩(wěn)定情況，在進(jìn)出口上下游位置設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，可以觀測(cè)特定斷面的流量、流速變化，當(dāng)流量瞬時(shí)變化相差很小時(shí)，即可認(rèn)為模型計(jì)算穩(wěn)定[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 半封閉方案

從半封閉方案模擬結(jié)果中定性分析可知：邊界條件設(shè)置一樣的情況下，只改變擋板長(zhǎng)度，底泥污染物的擴(kuò)散是受到影響的。從擴(kuò)散云圖中可知，當(dāng)擋板較短時(shí)，底泥污染物到達(dá)擋板尾端時(shí)會(huì)迅速往河道兩岸擴(kuò)散，并且擴(kuò)散范圍較大，污染物隨水流向下游移動(dòng)時(shí)，污染物濃度仍然較大。

隨著擋板的加長(zhǎng)，底泥污染物在擋板尾端會(huì)向兩岸及下游擴(kuò)散，但是較擋板短的模型，擋板長(zhǎng)的模型底泥污染物往兩岸擴(kuò)散的范圍有著明顯的減??；污染物濃度較大的區(qū)域在擋板內(nèi)部并且隨著擋板的增長(zhǎng)擋板內(nèi)污染物濃度也增大，向擋板外擴(kuò)散的污染物會(huì)減少；擋板對(duì)污染物擴(kuò)散有減弱作用，隨著擋板的加長(zhǎng)效果有逐漸變好的趨勢(shì)。半封閉方案污染物擴(kuò)散云圖如圖3 所示。

圖3 半封閉方案污染物擴(kuò)散Fig.3 Pollutant dispersion with a semi-closed dredging auxiliary device

為了更加清楚地表明不同擋板長(zhǎng)度對(duì)污染物擴(kuò)散的阻礙效果，對(duì)各個(gè)擋板長(zhǎng)度的結(jié)果進(jìn)行污染物濃度分析。因?yàn)槲廴疚锞请S著水流往下游擴(kuò)散沒(méi)有逆流而上的情況出現(xiàn)，本文選取下游特定點(diǎn)位置的污染物濃度的變化進(jìn)行分析從而判定半封閉模型下?lián)醢宓淖顑?yōu)長(zhǎng)度。選取輔助裝置左岸L1、L2、L3，右 岸R1、R2、R3，中 間M1、M2、M39 個(gè)點(diǎn)，提取各個(gè)擋板長(zhǎng)度的污染物瞬時(shí)濃度，如圖4 所示。擋板長(zhǎng)度為20 m、30 m 時(shí)位置點(diǎn)M1 處污染物濃度較大，為3%，隨著擋板長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，污染物濃度減小降為1.5%。分析下游各個(gè)位置污染物濃度的結(jié)果可知，40 m、50 m、60 m時(shí)擋板效果較好并且三者無(wú)太大差別，從經(jīng)濟(jì)和效益上考慮，長(zhǎng)度為40 m 時(shí)效果較優(yōu)。

圖4 半封閉模型各位置點(diǎn)污染物濃度Fig.4 Concentration of pollutant at various locations in the semi-closed model

3.2 近封閉方案

近封閉方案模擬的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)孔隙寬度為0.3 m、0.5 m 時(shí)，在污染物擴(kuò)散云圖（圖5）中顯示污染物從擋板內(nèi)區(qū)域通過(guò)孔隙往河道內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域和速率較為一致，沒(méi)有看到較大的區(qū)別。當(dāng)孔隙變?yōu)? m 時(shí)，擋板內(nèi)的污染物會(huì)大量往外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍和速率均有較大增加。

圖5 近封閉方案污染物擴(kuò)散Fig.5 Pollutant dispersion with a near-closed dredging auxiliary device

同樣提取下游各點(diǎn)處的污染物濃度，如圖6所示。近封閉污染物擴(kuò)散主要集中在有空隙的右側(cè)；孔隙寬度為1 m 和0.3 m 時(shí)右側(cè)位置點(diǎn)R1污染物濃度為0.7%，孔隙寬度為0.5 m 時(shí)點(diǎn)R1污染物濃度為0.2%，寬度1 m 和0.3 m 較寬度0.5 m污染物濃度有明顯的增加。右側(cè)點(diǎn)R2、R3污染物濃度相比較，不同孔隙寬度R2點(diǎn)污染物濃度為0.3%，不同孔隙寬度R3點(diǎn)污染物濃度為0.2%，表明不同孔隙寬度的污染物抑制擴(kuò)散效果相同。

孔隙寬度為0.5 m 時(shí)距離擋板位置較近點(diǎn)R1處污染物濃度較低、其他位置點(diǎn)不同孔隙寬度對(duì)污染物抑制擴(kuò)散效果相似，阻礙污染物擴(kuò)散效果較優(yōu)。

3.3 最優(yōu)方案選取

通過(guò)3.1 節(jié)、3.2 節(jié)分析可知，孔隙為0.5 m為近封閉最優(yōu)方案，擋板長(zhǎng)度為40 m 時(shí)為半封閉最優(yōu)方案。為了確定環(huán)保疏浚輔助設(shè)施的最優(yōu)方案，選取兩者的最優(yōu)方案對(duì)污染物濃度進(jìn)行比較，如圖7—圖9 所示。近封閉方案的各點(diǎn)污染物濃度均明顯小于半封閉方案。2 種方案對(duì)比，0.5 m的近封閉方案減小污染效果更佳。

圖7 右岸點(diǎn)近封閉與半封閉方案污染物濃度對(duì)比Fig.7 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at right bank point

圖8 中間點(diǎn)近封閉與半封閉方案污染物濃度對(duì)比Fig.8 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices in the middle point

圖9 左岸點(diǎn)近封閉與半封閉方案污染物濃度對(duì)比Fig.9 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at left bank point

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)挖泥船底泥污染物擴(kuò)散進(jìn)行三維模擬研究，得到以下結(jié)論：

1） 半封閉方案，隨著擋板的加長(zhǎng)，模型底泥污染物往兩岸擴(kuò)散的范圍明顯減??；污染物濃度較大的區(qū)域在擋板內(nèi)部并且隨著擋板的增長(zhǎng)而增大，向外擴(kuò)散的污染物減少；擋板大于40 m 時(shí)減小污染濃度的效果差別不大。

2） 近封閉方案，污染物擴(kuò)散主要集中在空隙的右側(cè)；當(dāng)孔隙寬度小于0.5 m 時(shí)，污染物從擋板內(nèi)區(qū)域通過(guò)孔隙往河道內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域和速率較為一致。當(dāng)孔隙大于1 m 時(shí)，擋板內(nèi)污染物會(huì)大量往外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍和速率均有較大增加。

3） 半封閉和近封閉方案，均能使污染物影響范圍減小，河道內(nèi)污染物濃度降低，擋板內(nèi)污染物擴(kuò)散速率降慢。當(dāng)選用半封閉方案時(shí)，擋板長(zhǎng)度為40 m 時(shí)效果最優(yōu)；當(dāng)選用近封閉方案時(shí)，孔隙為0.5 m 時(shí)效果最優(yōu)。2 種方案對(duì)比，孔隙為0.5 m 的近封閉方案減小污染效果更佳。