疏浚尾水懸浮物沉降理論分析及控制措施

黃彬陽 中交廣州航道局有限公司

1.引言

近年隨著航運(yùn)事業(yè)及港口建設(shè)的蓬勃發(fā)展，靠港船舶噸位日趨大型化，加大港口建設(shè)疏浚及港池、進(jìn)港航道疏浚加深及維護(hù)的要求；而疏浚作業(yè)是港口正常運(yùn)行及航道維護(hù)的重要手段。航道疏浚及陸域吹填，由于挖泥船對海底的機(jī)械擾動(dòng)及絞吸船離心泵作用下，造成局部的水域的總固體懸浮物（total suspended solids）的急劇增加，并隨著風(fēng)流作用下擴(kuò)散到施工區(qū)附近環(huán)境敏感海域（濕地及海豚、生蠔養(yǎng)殖場）；本文以對某項(xiàng)目的絞吸船施工前后的水質(zhì)監(jiān)測為時(shí)間根據(jù)，利用水質(zhì)濁度無線監(jiān)測系統(tǒng)及便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀等科技監(jiān)測手段對周圍水質(zhì)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，得出疏浚吹填期間的水質(zhì)濁度數(shù)據(jù)，同時(shí)依據(jù)相關(guān)濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出對吹填尾水處理控制措施并落實(shí)，并對控制措施的成果進(jìn)行印證，確定尾水處理后總懸浮物的逸散范圍。

2.濁度數(shù)據(jù)分析

濁度是指水中懸浮物對光線透過時(shí)所發(fā)生的阻礙程度。利用濁度計(jì)發(fā)出光線，穿過水樣樣品，從入射方向的90°方向檢測有多少光被水中的懸浮物的顆粒物所散射，從計(jì)算得出水樣的濁度值。中國1976年頒布的生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，濁度不超過1度。中國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對水中懸浮物以渾濁度為指標(biāo)作了規(guī)定。

某項(xiàng)目以未完全閉合的圍埝作為絞吸船疏浚吹填的蓄沙區(qū)，利用絞吸船對海底的機(jī)械擾動(dòng)及絞吸船離心泵作用下，將混合高濃度疏浚料輸送蓄沙區(qū)。為了對吹填的尾水對當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境的影響進(jìn)行評估分析，前期未對吹填尾水處理控制，直接以直排方式回流至海洋里，同時(shí)由于吹填回流水的水流流速達(dá)到一定程度，帶動(dòng)已沉淀的泥沙形成二次攪動(dòng)，加劇吹填回流水的懸浮物濃度?；谠擁?xiàng)目環(huán)境管理方案對水質(zhì)濁度的要求，該項(xiàng)目在吹填回流水周圍水域設(shè)置水質(zhì)濁度監(jiān)測，選擇其中兩個(gè)（T1 T2）垂直方向的監(jiān)測點(diǎn)（見圖1、圖2），逐點(diǎn)接近尾水回流區(qū),收集兩點(diǎn)的實(shí)時(shí)水質(zhì)濁度監(jiān)測數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析；)

通過T1,T2（見圖1、圖2）的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖標(biāo)曲線的分析，在潮差一定的環(huán)境下（藍(lán)色曲線），吹填回流水中懸浮物濃度（橙色曲線），隨著時(shí)間與距離的推移，吹填尾水中混合泥沙的懸浮物，經(jīng)水流絮動(dòng)擴(kuò)散后，懸浮物中泥沙及顆粒較大的有機(jī)物等逐漸開始發(fā)生沉降，吹填尾水懸浮物的濃度逐漸被稀釋，同時(shí)由于海洋的自動(dòng)凈化功能以及洋流的運(yùn)動(dòng)，使吹填尾水懸浮物的濃度再次被稀釋，直至當(dāng)?shù)睾Ｋ臐岫日Ｖ?。因此我們可以分析推測出，吹填尾水中懸浮物濃度與水流絮動(dòng)擴(kuò)散功能、吹填尾水懸浮物里的泥沙顆粒大小等有關(guān)。

2.1 懸浮物擴(kuò)散理論分析

根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水中的懸浮物的擴(kuò)散，源于水流的絮動(dòng)；引入希爾茲曲線分析，尾水中懸浮物中懸浮顆粒由絞吸船排泥管排出后，具備了一定的初速度，隨著水流向前擴(kuò)散，同時(shí)由于在吹填尾水的水流力作用下，促使已沉淀的泥沙等其他懸浮顆粒揚(yáng)動(dòng)并懸浮于水中，隨著尾水流向浮游擴(kuò)散。通過增加尾水流徑以及阻力，抑制吹填尾水在蓄沙區(qū)內(nèi)的水流速度，從而控制尾水中懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)尾水中的懸浮顆粒流速達(dá)到泥沙顆粒的止動(dòng)流速，泥沙顆粒由運(yùn)動(dòng)狀體轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)。

圖1 （T1 垂直方向的監(jiān)測點(diǎn)）

圖2 （T2 垂直方向的監(jiān)測點(diǎn))

圖3 （水質(zhì)取樣數(shù)據(jù)）

圖4 （圍堰標(biāo)高圖）

圖5 （浮動(dòng)防污簾布設(shè)圖）

2.2 顆粒的沉淀效果理論分析

為理論印證吹填尾水懸浮物中含有的顆粒大小，決定沉淀速度與效果，引入斯托克斯公式印證：

U 懸浮顆的沉降末速度，m/s

Ps-Py 分別表示懸浮物顆粒及水的密度，kg/m3

μ 海水的粘度，pa?s

g 重力加速度,m/s2

d 懸浮顆粒粒徑，m

由斯托克斯定律對懸浮物中顆粒大小進(jìn)行理論印證，假設(shè)其他條件都基于恒定狀態(tài)，當(dāng)懸浮顆粒的粒徑越大，它的沉淀速度及效果更加明顯，理論印證了懸浮顆粒的大小影響懸浮物的沉降效果。

2.3 懸浮擴(kuò)散范圍分析

以某項(xiàng)目的吹填施工過程中的濁度監(jiān)測為例，為了取得疏浚吹填過程中尾水懸浮物逸散范圍，以及驗(yàn)證該項(xiàng)目對吹填尾水防控措施落實(shí)的有效性。該項(xiàng)目基于封閉的圍埝后的吹填尾水的溢流區(qū)為擴(kuò)散點(diǎn)，分析封閉圍埝完成后對某地區(qū)水文的影響以及水流方向的改變，利用RTK定點(diǎn)控制500米（P1）、1000米（P2）、2000米（P3）的水質(zhì)取樣點(diǎn)，考慮到該項(xiàng)目濁度監(jiān)測過程中已額外在遠(yuǎn)離疏浚吹填區(qū)且區(qū)域內(nèi)水質(zhì)受影響較小設(shè)置校正點(diǎn)，因此本次取樣監(jiān)測未設(shè)有相應(yīng)的校正點(diǎn)；由于在實(shí)際取樣過程中，取樣的檢測結(jié)果受某地區(qū)潮汐及洋流流向的影響以及水質(zhì)取樣的深度的影響。（見圖3）水質(zhì)取樣數(shù)據(jù)采集基于潮差為20cm,忽略水流影響，取樣深度為50CM。利用便攜式水質(zhì)渾濁度的監(jiān)測儀，實(shí)行階段性取樣檢測，分別為疏浚前（水樣S1）、疏浚前期（水樣S2-S5）、疏浚后期（水樣S6-S8）三個(gè)階段，分布分析水質(zhì)濁度變化情況。在實(shí)際疏浚過程中，距溢流堰500M的取樣點(diǎn)P1,水質(zhì)渾濁度有較明顯變化，但渾濁度濃度較低，符合項(xiàng)目環(huán)保安全管理要求，P2水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的渾濁度明顯低于P1點(diǎn)，因此，疏浚吹填尾水的高濃度的渾濁度主要居中于500m區(qū)域內(nèi)，尾水逸散范圍小于1000米，基本對某項(xiàng)目業(yè)主環(huán)境影響評估里面指定的水質(zhì)敏感區(qū)域不產(chǎn)生負(fù)面環(huán)境影響。

3.吹填尾水排放的控制措施

結(jié)合上述對懸浮物逸散理論分析以及印證疏浚吹填尾水處理防控措施的有效性，我們可以對吹填尾水排放出高濃度懸浮物制定相應(yīng)的防控措施，同時(shí)需要考慮項(xiàng)目疏浚吹填的水文環(huán)境等條件的影響，制定相應(yīng)的調(diào)整方案。對于疏浚吹填尾水排放中懸浮物濃度控制，依據(jù)以上理論疏浚分析，制定并落實(shí)以下相應(yīng)的防控措施：

（1）合理考慮項(xiàng)目實(shí)施，依據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)的天氣情況以及疏浚區(qū)的潮汐情況，合理設(shè)計(jì)圍埝標(biāo)高；

（2）在疏浚作業(yè)前，切實(shí)利用圍埝對整個(gè)設(shè)計(jì)吹填區(qū)進(jìn)行圍閉，形成一個(gè)封閉納沙區(qū)，降低并控制懸浮物的逸散范圍的區(qū)域，減少疏浚吹填過程中的尾水懸浮泥沙濃度對周圍敏感海域的影響；

（3）依據(jù)懸浮顆粒沉淀效果分析，合理選擇疏浚吹填料，以粒徑較大的吹填料，沉降效果俱佳，同時(shí)分段設(shè)置單個(gè)或多個(gè)沉淀池，使吹填尾水在圍埝內(nèi)有足夠的沉淀時(shí)間，從而降低外排吹填尾水的濃度值。

（4）根據(jù)吹填區(qū)的吹填標(biāo)高以及圍埝高度，適當(dāng)調(diào)整溢流口的高度，增加吹填尾水在沉淀池的沉淀時(shí)間，進(jìn)一步控制外排尾水懸浮物的濃度值（見圖4）。

（5）合理設(shè)置輸泥管頭位置，降低絞吸船含泥沙濃度排放到蓄沙區(qū)后流速，加速泥沙等懸浮物的沉淀；

（6）吹填區(qū)溢流口流入海洋的吹填尾水區(qū)域設(shè)立浮動(dòng)防污簾（見圖5）,依據(jù)當(dāng)?shù)爻辈罴耙缌骺谕鈬鷧^(qū)域的水深，設(shè)置相應(yīng)長度的浮動(dòng)防污簾，實(shí)現(xiàn)對溢流口排出的吹填尾水圍閉過濾，減少高濃度的泥沙懸浮顆?；亓魅牒?，降低水質(zhì)渾濁度超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

（7）疏浚吹填過程中，實(shí)行人員巡查瞭望值班制度，對排水口區(qū)域的圍埝進(jìn)行不間斷巡查，降低尾水溢出風(fēng)險(xiǎn)，保證周圍海域不受疏浚吹填影響，滿足相關(guān)環(huán)境管理要求。

（8）根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境管理需要，選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域或者業(yè)主指定區(qū)域設(shè)立水質(zhì)濁度監(jiān)測點(diǎn)，對疏浚區(qū)域或可能受影響區(qū)域進(jìn)行不間斷監(jiān)測，建立水質(zhì)濁度應(yīng)急超限應(yīng)急機(jī)制，確保疏浚過程中，對吹填尾水中懸浮物處理措施的有效性以及監(jiān)測準(zhǔn)確性。

4.結(jié)語

結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)施的水質(zhì)濁度監(jiān)測為實(shí)踐監(jiān)測印證依據(jù)，引入希爾茲曲線及斯托克斯公式對尾水懸浮物中的懸浮顆粒（主要以泥沙為主）啟動(dòng)及沉降運(yùn)動(dòng)的理論分析。基于對懸浮物的沉降理論分析結(jié)果，制定并落實(shí)對疏浚吹填的尾水渾濁度控制措施，滿足項(xiàng)目的環(huán)保方案對水質(zhì)濁度的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)環(huán)保疏浚的目標(biāo)；除了上述理論分析對懸浮物的影響外，探究疏浚料的選擇以及海水溫度等方面對懸浮物監(jiān)測的準(zhǔn)確性影響也極其必要的。