圍海造陸工程泄水口懸浮物擴散規律分析

陳 杰 , 蔣昌波 , 張紹華, 胡保安

(1.長沙理工大學 水利工程學院, 湖南 長沙 410114; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室, 湖南長沙 410114; 3.中交天津航道局有限公司, 天津 300461)

近年來伴隨著我國經濟迅速發展, 土地資源短缺矛盾日益突出, 沿海許多地區開展大規模的圍海造陸工程, 例如上海洋山、河北曹妃甸、天津臨港等。在圍海造陸過程中泄水口普遍存在懸浮物流失問題。懸浮物通過泄水口流入外海并發生擴散, 嚴重影響海洋水環境質量, 威脅水生動植物生存, 影響水生態系統健康, 因而許多學者更加關注生態環境影響研究[1-2]。目前對泄水口懸浮物擴散的研究均采用數學模型, 分別對連云港海州灣[3]、青島市黃島前灣[4]、秦皇島港[5]、膠州灣泛亞碼頭[6]等的泄水口懸浮物擴散開展數值模擬分析。現階段對圍海造陸工程泄水口懸浮物流失濃度的現場觀測, 以及懸浮物擴散理論分析工作尚未見報道。

因此, 為彌補現有研究不足, 本文對圍海造陸工程泄水口懸浮物流失濃度開展現場觀測, 在此基礎上, 對懸浮物擴散開展理論分析工作。

1 理論分析

懸浮物在水體中擴散過程可用水深平均的平面二維泥沙對流擴散方程進行描述[7]:

其中x,y為坐標系;C為垂向平均泥沙濃度;t為時間;u,v分別為流速在x,y方向上分量;ws為泥沙沉降速度;h為平均水深;εx,εy分別為x,y方向上泥沙擴散系數;S為泥沙源項。

理想的圍海造陸工程泄水口懸浮物擴散如圖1所示, 設水流方向為x軸正方向, 水流垂直方向為y軸方向, 泄水口所在位置為坐標系原點。泄水口懸浮物的流出可概化為一個固定的連續點源擴散。考慮x方向對流作用, 忽略x方向擴散作用, 則懸浮物在x-y平面擴散可以用如下方程進行描述:

圖1 圍海造陸工程泄水口懸浮物擴散圖示Fig.1 Sketch of suspended solids diffusion from drain opening of land reclamation project

對于平面x-y上的二維擴散的時間連續源恒定狀態的分析解為[8]:

其中:Q為泄水口流失的懸浮物源強(kg/s)。可以看出式(3)主要未知參數為泄水口流失的懸浮物源強Q,y方向擴散系數εy, 以及泥沙沉降速度ws。因此接下來討論這三個參數的變化對泄水口懸浮物擴散的影響。

圖2給出泄水口流失懸浮物源強Q變化對懸浮物擴散影響。其中: 泥沙沉速ws取 0.03 cm/s; 擴散系數取1.585 m2/s; 平均水深h取7 m; 取u→0忽略流速的影響。可看出源強對泄水口附近懸浮物質量濃度及其擴散距離影響較大, 源強越大, 懸浮物質量濃度越大, 擴散距離越遠。

圖2 泄水口源強、泥沙沉降速度、擴散系數對懸浮物質量濃度的影響Fig.2 Influence of source strength, sediment settling velocity and diffusion coefficient on suspended solids concentration

圖2給出泥沙沉降速度變化對懸浮物擴散的影響。其中: 泄水口流失懸浮物的源強取100 kg/s; 擴散系數取1.585 m2/s; 其余參數與之前相同。可以看出泥沙沉降速度變化對泄水口附近懸浮物質量濃度及其擴散距離影響較大, 沉降速度越小, 懸浮物濃度越大, 擴散距離越遠。

圖2給出擴散系數的變化對懸浮物擴散的影響。其中: 泥沙沉降速度ws取 0.03 cm/s; 泄水口流失懸浮物的源強取100 kg/s; 其余參數與之前相同。可以看出擴散系數的變化對泄水口附近懸浮物質量濃度及其擴散距離影響較小,y方向擴散系數εy越小, 在x方向(沿水流方向)懸浮物濃度越大, 且擴散距離越遠。

2 現場觀測

為確定泄水口流失的懸浮物源強Q, 選取天津某圍海造陸工程為現場觀測對象, 對泄水口懸浮物強度進行觀測。如圖3所示, 吹填區域位于獨流堿河入海口南側, 西港池東側, 分為一區和三區兩個吹填區域。取泥區位于獨流堿河河口, 土質以淤泥、淤泥質土、粉質黏土為主, 平均密度1.86 g/cm3, 平均含水量36.7%, 平均干密度1.37 g/cm3。吹填管口位于西側圍堰邊緣。泄水口位于東側, 采用埋管閘箱式泄水口。現場觀測發現, 大量的懸浮物流失主要發生在吹填施工的中后期, 因此現場觀測主要集中在吹填施工中后期。

圖3 圍海造陸工程示意圖Fig.3 Sketch map of land reclamation project

現場觀測內容主要包括泄水口的流速、過水斷面面積、濃度以及流失量。使用天津水運工程科學研究院 DPJ-Ⅲ型流速儀, 進行泄水口流速和過水斷面面積測量。濃度和流失量通過泄水口水樣采集得到, 每次輪流間隔2~3根泄水管采取一個水樣, 并及時進行室內固體含量、密度及顆粒分析試驗。泥漿密度試驗采用量筒法測得, 固體含量試驗采用重量法, 顆粒分析試驗采用比重計法。

圖4給出一區和三區泄水口懸浮物流失強度觀測結果。其中, 一區開展現場觀測時間為2011年1月至3月, 平均每3天開展一次觀測, 共計19次。三區開展現場觀測時間為2011年3月至9月, 平均每3~4天開展一次觀測, 共計40次。圖4中一區結果取觀測開始日2011年1月18日為時間零點, 三區結果取觀測開始日2011年3月23日為時間零點。可以看出圍海造陸工程施工后期, 泄水口懸浮物流失非常嚴重。觀測到一區泄水口懸浮物流失最大達3 621 kg/s, 平均值為617 kg/s; 三區泄水口懸浮物流失最大達3 796 kg/s, 平均值為1 137 kg/s。

圖4 泄水口瞬時懸浮物濃度觀測結果Fig.4 Field results of concentration of suspended solids from drain opening

3 分析與討論

對一區和三區泄水口懸浮物擴散規律進行分析。如圖3所示, 由于泄水口排放區域為封閉水域,不受外海潮汐、潮流等水動力因素影響, 因此取流速u→ 0 。排放區域平均水深h為7 m。根據現場觀測結果, 一區泄水口源強Q取平均值為617 kg/s, 三區泄水口源強Q取平均值為1 137 kg/s。孫連成[9]等通過環形水槽實驗, 對天津港泥沙沉降速度進行研究,如圖5所示, 得到在海水含鹽度為30時不同流速、不同含沙量的沉速結果。本研究泥沙沉降速度ws可根據圖5進行取值。擴散系數依據孫連成[9]等研究成果, 取值1.585 m2/s。

圖5 天津港泥沙沉降速度實驗結果Fig.5 Experimental results of sediment settling velocity in Port of Tianjin

如圖6所示, 依據式(3)分別求得一區和三區泄水口懸浮物擴散規律, 懸浮物呈扇形擴散, 泄水口附近懸浮物質量濃度非常大, 10 m范圍內懸浮物質量濃度值超過1 000 mg/L。在擴散作用下, 懸浮物濃度向周圍擴散, 在重力作用下, 懸浮物逐漸沉降。吹填一區垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為13.4 m, 垂線平均懸浮物質量濃度10 mg/L范圍約16.7 m, 最大影響范圍約為20.2 m。吹填三區垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為14.3 m,垂線平均懸浮物質量濃度10 mg/L范圍約17.7 m, 最大影響范圍約為 21 m。可以看出, 雖然泄水口附近水域出現了很大的懸浮物質量濃度, 但是由于沒有水流作用, 因此懸浮物影響范圍很小。

圖6 泄水口懸浮物擴散理論計算結果Fig.6 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening

下面討論水流作用的影響。2007年11月26~27日和12月4~5日在天津港附近海域進行大、小潮水文全潮觀測, 根據實測全潮資料統計分析, 天津港海區潮流主要特征值如表1所示[9]。根據表1天津港海區潮流主要特征值觀測結果, 依據式(3)分別得出吹填一區和三區泄水口向外海排放懸浮物擴散情況, 結果如圖7和圖8所示。可以看出, 若吹填區泄水口向外海排放時, 泄水口附近懸浮物質量濃度非常大, 一區泄水口10 m范圍懸浮物質量濃度值約10 000 mg/L, 三區泄水口10 m范圍懸浮物質量濃度值超過10 000mg/L。

表1 天津港2007年11~12月水文全潮潮段平均流速Tab.1 Average current velocity during tidal wave period from November to December 2007 in Port of Tianjin

采用三類水質標準(懸浮物質量濃度 100 mg/L)和二類水質標準(懸浮物質量濃度10 mg/L)來評價泄水口懸浮物是否對生態環境產生影響。

如圖7所示, 在吹填一區, 大潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為8 500 m, 10 mg/L擴散范圍約15 800 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為11 400 m, 10 mg/L擴散范圍約26 400 m。小潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約7 000 m, 10 mg/L擴散范圍約12 800 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為10 200 m, 10 mg/L擴散范圍約23 000 m。

圖7 吹填一區泄水口外海排放懸浮物擴散規律計算結果Fig.7 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain openingⅠ

如圖8所示, 在吹填三區, 大潮情況, 5m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為5 400 m, 10 mg/L擴散范圍約9 500 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為8 100 m, 10 mg/L擴散范圍約17 000m。小潮情況, 5 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約5 200 m, 10 mg/L擴散范圍約9 000 m; 10 m水深情況下, 垂線平均懸浮物質量濃度100 mg/L擴散范圍約為7 800 m, 10 mg/L擴散范圍約16 000 m。

圖8 吹填三區泄水口外海排放懸浮物擴散規律計算結果Fig.8 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening Ⅲ

綜上所述, 在天津港2007年11月至12月水文全潮潮段平均流速作用下, 懸浮物發生擴散, 且擴散距離較大, 垂線平均懸浮物質量濃度減少較為緩慢, 對周圍水域環境產生極大影響。泄水口附近水域出現的最大懸浮物質量濃度主要由源強的大小來決定, 懸浮物擴散范圍主要由流速的大小來控制。因此對于圍海造陸工程要重點控制泄水口懸浮物流失,盡可能減小流失量。同時將泄水口設置在潮汐、潮流等水動力因素較弱的地方, 有利于減小對周邊海域水環境影響。

4 結論

開展圍海造陸工程泄水口懸浮物擴散研究。基于泥沙對流擴散方程, 將泄水口懸浮物的流出概化為一個固定的連續點源擴散, 推求出泄水口懸浮物擴散平面二維的分析解表達式。分析得出泄水口源強和泥沙沉降速度對泄水口附近懸浮物質量濃度及其擴散距離影響較大, 擴散系數影響相對較小。源強越大, 沉降速度越小, 懸浮物質量濃度越大, 擴散距離越遠。開展現場觀測, 確定泄水口源強取值。結果顯示圍海造陸工程施工后期泄水口懸浮物流失非常嚴重。對某工程一區和三區泄水口懸浮物擴散進行理論計算, 結果表明泄水口附近水域出現的最大懸浮物濃度主要由源強的大小來決定, 懸浮物擴散范圍主要由流速的大小來控制。

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