考慮浮游生物量損失的疏浚船舶選型方法研究

宋向群，喬菲菲，王文淵，張 祺

（大連理工大學，大連116024）

考慮浮游生物量損失的疏浚船舶選型方法研究

宋向群，喬菲菲，王文淵，張 祺

（大連理工大學，大連116024）

疏浚工程施工產生的懸浮物會對周圍海域的浮游生物造成不利影響。文章通過建立近海懸浮物的二維輸移擴散模型，研究不同類型、疏浚效率的挖泥船作業中心的懸浮物濃度，結合懸浮物濃度變化量與浮游生物量損失的關系，構建基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型。以某一基槽疏浚工程為例，當采用抓斗式挖泥船進行疏浚工程施工時，研究施工期間疏浚工程對浮游生物量損失的影響，在僅考慮浮游生物量損失的條件下，為疏浚工程施工選用合理疏浚效率的挖泥船。研究結果表明，在施工工期允許的條件下應選擇疏浚效率較小的挖泥船，以減少疏浚懸浮物對浮游生物的影響。

疏浚工程；懸浮物；挖泥船選擇；生物量損失

疏浚船舶作業時會在施工區域產生高濃度含沙水體，導致附近區域水體懸浮物濃度增大、毒害物質增加，對附近水域的生態環境帶來影響。因此，疏浚工程產生的懸浮物對海洋生態環境的影響已成為港口建設者和海洋環境保護者普遍關注的問題。徐明德等［1］認為工程在港池疏浚、吹填和基槽開挖過程中引起的懸浮物對海域水質的污染程度，與疏浚區的底質粒度、海域水文狀況、疏浚方式等密切相關；曾小輝等［2］采用移動點源建立航道工程施工期懸浮泥沙的輸移擴散模型，分析了疏浚懸浮物對水環境的影響；李駿旻等［3］將生物量損失的計算結合到水質模擬中，構建了一套計算填海工程造成水生生物量損失的方法；喬世珊［4］在探討影響挖泥船選型的主要因素時簡要提出了關于排泥場和噪音控制的環保要求。上述研究大多定性分析了不同類型挖泥船的污染機理以及懸浮物對海岸帶生態系統的直接或間接影響，重點從技術、工效等方面論述了挖泥船的選型方法，并未從生物量損失方面研究選擇挖泥船的方法。

疏浚工程產生的懸浮物對海洋生態系統的影響主要體現在其對浮游生物、底棲生物和魚類等海洋生物的破壞。懸浮物濃度過高以及持續時間過長會顯著影響浮游植物和浮游動物的生長，進而影響整個海區的資源狀況，因此研究懸浮物對浮游生物的影響十分有必要。由于挖泥船施工時作業中心產生的懸浮物濃度與挖泥船類型、疏浚效率、水文、海底底質等因素有關，因此本文通過量化挖泥船作業中心懸浮物濃度增量，并結合懸浮物濃度變化量與浮游生物量損失的關系，構建基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，在僅考慮浮游生物量損失的條件下，為疏浚工程選用合理的挖泥船提供理論基礎。

1 疏浚工程對浮游生物的影響

疏浚工程對港口海岸帶生態系統中浮游生物的影響主要表現在懸浮物濃度對其的影響［5］。在疏浚過程中，附近水域由于底質表層土質受到擾動，將產生大量的疏浚懸浮物，其中的細小微粒會隨海水的運動而遷移，致使水中懸浮物濃度增加、海水透明度下降。

懸浮物對浮游植物的影響，主要體現在懸浮物阻礙浮游植物的光合作用，影響其生長速率和生產力。測點的懸浮物濃度隨測點與施工點距離的增加而迅速下降［6］。因此，疏浚工程對周圍水體中浮游植物產生影響的范圍主要在挖泥區附近。

懸浮物對浮游動物的影響，主要體現在擾亂浮游動物的體內系統，破壞其生理功能。浮游動物受影響程度和范圍與浮游植物相似［7］。

2 基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型

2.1挖泥船疏浚效率與作業中心懸浮物濃度增量的關系

疏浚懸浮物發生量是指單位時間內疏浚懸浮物的產生量。疏浚懸浮物的發生量、擴散范圍受施工機具類型、施工工藝、水流條件和海底底質的影響［8］。在實際工程中，疏浚作業懸浮物發生量一般采用行業相關規范［9］推薦的公式進行估算，它與挖泥船疏浚效率有關

式中：Q為懸浮物發生量，t/h；R為發生系數為W0時的懸浮物粒徑累計百分比（％）；R0為現場流速懸浮物臨界粒徑累計百分比（％）；W0為懸浮物發生系數，t/m3；T為挖泥船疏浚效率，m3/h。參數的取值可以采用現場實測法確定，也可采用規范［9］給出的參考值，與挖泥船的類型、水流、海底底質等因素有關。

挖泥船作業時可以假定作業中心周圍一定范圍內存在一個恒定濃度的泥沙源，此泥沙源直接引起作業中心懸浮物濃度的增加［10］。在進行數值模擬時，泥沙源濃度可以通過公式進行估算，式中：C為泥沙源濃度，kg/m3；q為挖泥點流量，m3/s。因此，懸浮物發生量和作業中心懸浮物濃度增量具有一次函數的關系

式中：ΔSmax為挖泥船作業中心懸浮物濃度增量，mg/L；α、β為與水流、海底底質等條件相關的參數，可根據現場實測的經驗數據或數值模擬進行數據擬合來確定。

根據式（1）和式（2），挖泥船疏浚效率與作業中心懸浮物濃度增量的關系可表示為

2.2挖泥船作業中心水域浮游生物死亡率

浮游生物死亡率與懸浮物濃度遵從Logistic方程［3］，根據挖泥船疏浚效率與作業中心懸浮物濃度增量關系，可得挖泥船作業中心水域浮游生物死亡率計算式如下

式中：nSmax為挖泥船作業中心水域浮游生物的死亡率；r為一個表達懸浮物毒殺增值能力的參數；LC50為懸浮物對浮游生物的半致死濃度，mg/L；S0為懸浮物本底濃度，mg/L。

2.3疏浚工程造成的浮游生物量損失

由于一類海水水質［11］（人為造成懸浮物增加的量不得超過10 mg/L）適用于保護海洋生物資源，因此本文只考慮濃度增量超過10 mg/L的懸浮物對浮游生物量的影響。將懸浮物濃度增量按照10 mg/L的梯度進行劃分，得到每一個梯度濃度ΔSLi（i=1，2，…，n）（mg/L），則ΔSLi=（10i～10（i+1））（i=1，2，…，n-1），ΔSLn=（10n～ ΔSmax），其中假設每一個梯度濃度ΔSLi對應的懸浮物擴散面積為Ai（m2）。取任一梯度濃度擴散面積Ai內的懸浮物濃度增量ΔSi為平均濃度（mg/L），即ΔSi=10i+5（i=1，2，…，n-1），則任一梯度濃度擴散面積Ai內的浮游生物死亡率為

任一梯度濃度擴散面積Ai內的浮游生物量預測損失為

疏浚懸浮物擴散影響范圍內的浮游生物量損失為

對于浮游生物而言，疏浚工程造成的生物量損失ΔLS等于生物量損失減去生物量本底損失［3］。疏浚工程造成的浮游生物量損失可表示為

在考慮生態損失的條件下，選擇挖泥船時應使疏浚工程造成的浮游生物量損失最小。因此，本文構建以下優化模型。

目標函數為

約束條件為

式中：t為疏浚作業時長，h；B為總的挖方量，m3；t0為工程要求的施工時間，h。

3 算例分析

以北方某港區的基槽疏浚工程為例，采用抓斗式挖泥船進行基槽挖泥，挖泥疏浚量共9.8萬m3，挖泥疏浚施工期為300 h。應用基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，分析抓斗式挖泥船疏浚效率對浮游生物量損失的影響。

圖1 懸浮物發生量-作業中心懸浮物濃度增量擬合曲線Fig.1The fitted curve between occurrence quantity of SS and concentration increment of SS in operation center

圖2 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游植物生物量損失關系曲線Fig.2The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of phytoplankton

工程區水體本身的最大懸浮物濃度S0=10 mg/L。浮游生物受影響前的平均生物量分別為：浮游植物CS=24 mg/m3，浮游動物CS=138 mg/m3。生物量損失計算主要參數取值：r=0.065，浮游植物LC50=100 mg/L，浮游動物考慮基槽土質，可供選擇的挖泥船為疏浚效率100～700 m3/h的抓斗式挖泥船。

3.1計算結果

建立近海懸浮物二維輸移擴散模型，采用單個恒定源強排放，考慮該點源擴散的影響。對于該港區的淤泥質底質而言，在懸浮物發生量不同的情況下，作業中心懸浮物濃度增量的模擬結果如圖1所示，經曲線擬合，得到懸浮物發生量與作業中心懸浮物濃度增量的關系式，R2=0.999 9，如式（11）所示。

該擬合曲線的表達式如下

應用基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，得到抓斗式挖泥船疏浚效率與浮游生物量損失的關系曲線如圖2～圖5所示。

圖3 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游動物生物量損失關系曲線Fig.3The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of zooplankton

圖4 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量損失率關系曲線Fig.4The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss ratio of plankton

圖5 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量總損失關系曲線Fig.5The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass total loss of plankton

3.2結果分析

（1）由圖2～圖4可知，當使用抓斗式挖泥船進行基槽疏浚時，浮游植物和浮游動物的生物量損失均隨著挖泥船疏浚效率的增加而增加，但浮游植物的生物量損失率要遠小于浮游動物。由此可知，浮游動物受疏浚作業的影響程度比浮游植物大。

（2）由圖5可知，當使用抓斗式挖泥船進行基槽疏浚時，工程造成的浮游生物量總損失隨著挖泥船疏浚效率的增加而增加。為了不影響施工工期，抓斗式挖泥船的疏浚效率不應小于327 m3/h，因此本工程宜選擇400 m3/h的抓斗式挖泥船進行疏浚施工，以保證工程對浮游生物的影響最小。

4 結論

本文對挖泥船作業中心懸浮物濃度增量進行了研究，構建了基于浮游生物量損失的挖泥船選擇模型，并以抓斗式挖泥船為例分析了疏浚效率對浮游生物量損失的影響。若疏浚工程可以采用多種類型的挖泥船進行施工，應根據不同挖泥船的實測經驗數據建立相應的模型進行比選，以選出對浮游生物影響最小的挖泥船類型及疏浚效率。算例結果表明，僅考慮浮游生物量損失時，在施工工期允許的條件下抓斗式挖泥船應盡可能地采用較小的疏浚效率，以減少疏浚懸浮物的釋放和擴散，有效防治疏浚工程對浮游生物的破壞。本文在研究疏浚工程對海洋生態環境的影響時僅考慮了懸浮物濃度對浮游生物的影響，懸浮物濃度對底棲生物、魚類等其他海洋生物的影響有待進一步研究，以期此模型能在保護海洋生態系統中發揮更大的作用。

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Research on method of dredging vessels selection based on plankton biomass loss

SONG Xiang?qun,QIAO Fei?fei,WANG Wen?yuan,ZHANG Qi
（Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

The suspended substance(SS)produced by dredging engineering construction can produce adverse influence on the aquatic organisms in the surrounding sea.Through establishing a two?dimensional model of trans?port and diffusion of SS,the concentration of SS in the operation center of different types and dredging efficiencies of dredgers were studied in this paper.According to the relationship of SS concentration variation and plankton bio?mass loss,a dredger selection model considering the plankton biomass loss was built.A foundation trench dredging engineering was taken as an example to illustrate the impact of dredging engineering on the plankton biomass loss during construction period,when carrying out dredging engineering construction by using grab dredger.Considering the plankton biomass loss,a decision support for dredger selection in dredging engineering was provided.The re?sults show that dredger with smaller dredging efficiency should be chosen under the condition of allowable construc?tion period,in order to reduce the effect of SS on plankton.

dredging engineering；suspended substance(SS);dredger selection;biomass loss

X 174；U 616

A

1005-8443（2016）02-0198-05

2015-03-30；

2015-11-30

國家自然科學基金資助項目（51279026）

宋向群(1959-)，女，遼寧省人，教授，主要從事港口規劃與物流方面的研究。

Biography：SONG Xiang?qun（1959-），female，professor.