海洋工程施工懸浮泥沙源強及擴散規律研究進展

張 琴

(上海勘測設計研究院有限公司， 上海 200335)

隨著人類對海洋資源的開發利用日益加劇， 各類海洋工程， 如港口碼頭、航道、海上風電、海底管道管線、填海造陸、防波堤等逐漸增多， 其涉及的拋石、爆破、疏浚、開挖或吹填溢流等作業環節會擾動水底， 由此產生的懸浮泥沙高渾濁水團由于水動力條件作用產生的輸移、擴散會加大周邊水體懸浮泥沙的濃度， 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[1-3]， 因而許多學者關注施工懸浮泥沙的擴散規律和對海洋生態環境的影響。開展并準確掌握海洋工程施工引起的懸浮泥沙擴散源強是上述工作的基礎， 對于研究懸浮泥沙擴散規律和對海洋生態環境的影響具有重要意義。對此， 國內外一些學者開展了現場觀測研究工作，如1990年Mott MacDonald[4]開展了疏浚泥沙再懸浮系數試驗， 得到絞吸式挖泥船泥沙再懸浮率， 進而可以推算出源強； 1991年戴明新[5-6]通過在天津港的大量現場實測資料推算得出鏈斗式挖泥船和絞吸式挖泥船作業時的懸浮泥沙源強， 為后續很多學者開展懸浮泥沙擴散模擬提供了類比依據； 陳杰等[7]通過開展現場觀測， 得到了圍填海工程溢流口懸浮物源強。但是總體而言， 現階段國內外針對海洋工程施工引起的懸浮泥沙擴散源強開展現場觀測較為少見，基本上采取經驗公式計算和類比分析為主， 且各類經驗公式較多， 經驗參數選取不一， 難以選擇， 因此，文章總結了目前國內施工懸浮物擴散規律研究方法和數值模型中懸浮物源強的選取方法， 針對不同類型施工方式， 推薦相適應的源強公式或者源強取值，為后續海洋工程施工過程產生的懸浮泥沙擴散的研究提供參考和依據。

1 施工懸浮物擴散規律研究方法

施工懸浮物擴散規律研究方法主要以現場觀測法和數值模擬法為主， 部分學者采用現場觀測與理論分析相結合或現場觀測與數值模擬相結合的方式開展研究。

1.1 現場觀測法

現場觀測是理論分析和數值模擬研究的基礎，分為傳統方法和現代方法。傳統的觀測方法是在海洋工程施工過程中在垂向上采集1～4個水樣， 然后采用重量法測得含沙量[8-13]。戴明新[8]通過不同類型挖泥船施工時水中懸浮物的取樣監測， 分析了幾種疏浚船舶的污染機理及對施工區域海域環境的影響，現場觀測結果表明靶吸式挖泥船造成的懸浮物影響范圍最大， 鏈斗式挖泥船次之， 絞吸式挖泥船最小。何東海等[9]通過直接采取水樣來觀測疏浚物傾倒引起的懸浮泥沙擴散濃度， 了解疏浚物傾倒后的懸浮物擴散特征， 結果表明由傾倒引起的懸浮物濃度增加而形成的云團在15～30 min后漂離傾倒點， 30～60 min后，云團基本消失， 且由傾倒引起的懸浮物增量效應也基本結束， 疏浚物傾倒造成水體懸浮物濃度增高的影響在順流方向1.5 km左右基本結束。張紹華等[10]采用取樣監測法對絞吸式挖泥船疏浚作業、耙吸式挖泥船疏浚和溢流引起的懸浮物擴散濃度開展現場觀測， 觀測結果表明底泥懸浮后邊擴散邊沉降， 水中含沙量隨離源距離的增加衰減較快， 離挖泥船距離越近， 水體中懸浮物濃度越大。當溢流發生后， 挖泥船附近水域懸浮物濃度增加， 表層懸浮物濃度增幅較大。陳杰等[7，11]采用傳統的現場觀測法和理論分析相結合的方式， 以圍填海工程溢流和鏈斗式挖泥船疏浚為例， 基于泥沙對流擴散方程， 利用懸浮物擴散現場觀測數據， 得到了圍填海工程溢流和挖泥船疏浚作業引起的懸浮物擴散水深平均表達式， 在此基礎上， 對圍填海工程溢流和挖泥船施工可能引起的懸浮物擴散范圍進行討論， 得到了懸浮物擴散的規律。郭玉臣等[12]在臨時性海洋傾倒區開展了3次傾倒實驗， 用現場采樣測得的懸浮泥沙濃度數據對泥沙輸運擴散模型中一些主要參數如紊動擴散系數、泥沙沉速進行了計算和率定， 在驗證率定良好的基礎上利用泥沙輸運模型對施工懸浮物擴散規律進行了進一步研究。傳統采樣法操作簡單、成果可靠，但能得到的樣品數有限， 主要適用于挖泥船疏浚、疏浚物傾倒和吹填溢流等定點作業時產生的懸浮物濃度觀測。

現代方法包括光學、聲學測量方法和遙感技術反演法。光學(OBS、LISST-100X等)和聲學(ABS、ADCP、ADP和ADV等)方法是采集現場水體濁度或聲強信號信息， 然后對采集的濁度和聲強信號進行標定， 只有通過標定后， 才能轉化為懸沙濃度， 因此光學、聲學儀器標定是準確研究懸沙濃度變化的關鍵環節[13-14]。經率定后的光學方法一般可達到較高的精確度， 但光學方法在測量過程中對懸沙粒徑的變化非常敏感， 水動力變化帶來觀測區域懸沙粒徑變化， 從而影響其觀測精度， 且光學方法只能進出某個層面的現場觀測， 要得到垂向水柱泥沙濃度分布， 必須使用一組設備， 由多個傳感器分布在各個水層同步觀測， 因此， 光學方法適用于現場點、線懸沙濃度觀測[14]， 基本不用于施工期懸浮泥沙濃度變化觀測。聲學方法可用于單寬和斷面懸沙顆粒物濃度觀測和通量計算， 如吳加學等[15-16]在長江口北槽拋泥過程中， 應用聲學懸浮泥沙觀測系統觀測懸沙濃度的時空分布規律， 認為通過聲學懸沙濃度定點和走航式觀測， 可以初步確定不同潮型落潮流態情況下泥沙濃度的時空變化特征及其結構類型、拋泥泥沙輸移對流場和懸沙濃度場的影響及拋泥泥沙輸移擴散方向和范圍。張華等[17]采用ADCP走航式測沙技術觀測了連云港淤泥質海岸主航道疏浚土在拋泥作業過程中產生的懸浮物濃度， 分析其擴散運動規律， 認為將ADCP走航測沙技術運用于含沙量較小的連云港淤泥質海岸是可行的， 基本可以反映含沙量的平面分布特征， 高含沙量時ADCP推算值略低。因此， 聲學方法大多應用于低濁度河口或海區，對于高濁度河口還有待進一步深入[14]。遙感技術反演法是用衛星遙感影像數據反演懸浮物濃度， 可用于反演整個研究區域大面懸沙濃度的分布， 近幾年應用較多， 但主要集中在自然狀態下近岸海域、湖泊的懸浮物濃度遙感反演方法的探索和應用， 針對施工過程中懸浮泥沙濃度反演研究較少。郁斢蘭等[18]基于現場采集水樣數據和遙感影像數據， 建立了懸浮物含量反演模型， 實現污染物的擴散預測。宋南奇等[19]通過建立填海工程施工懸浮物反演模型， 將遙感技術監測結果與數值模擬計算結果相結合， 揭示填海施工造成的大范圍懸浮物的擴散規律。遙感技術反演法的缺點是衛星過境的周期較長， 僅有表層數據， 反演的懸沙濃度相對誤差可達20%[20]。

現場觀測成果相對可靠、客觀， 但受觀測費用、儀器設備和海上作業難度大、現場自然條件制約等影響， 現階段國內對海洋工程施工引起的懸浮物擴散開展現場觀測仍然較少。大多數學者采用數字模擬計算的方法研究海洋工程施工懸浮物擴散規律。

1.2 數值模擬法

張秀云等[21]、黃蘭芳等[22]、吳松華[23]、顧恩慧等[24]、李曉燕等[25]模擬了海底輸水管道和管線敷設產生的懸浮泥沙輸移、擴散過程， 計算了懸浮泥沙的影響范圍和程度， 認為管道或電纜敷設懸浮物影響范圍僅在污染源附近海域， 懸浮物濃度可在較短時間內迅速降低， 實際影響范圍可能遠小于預測范圍[21，25]。黃惠明等[26]就防波堤地基爆破擠淤產生的懸浮泥沙在波浪、潮流共同作用下的輸移擴散過程進行了數值模擬和探討， 指出爆破擠淤對水域附近的生態環境有一定影響， 但影響范圍并不大， 且持續的時間亦不長。婁海峰[27]通過數值模擬得到爆破擠淤積6 h后懸浮泥沙濃度增量基本降至10 mg/L以下。彭輝等[28]、郭曉峰等[29]分別對岱山櫻連門促淤圍墾工程和湄洲灣峰尾圍墾工程地基爆破擠淤引起的懸沙擴散進行了模擬， 指出懸浮泥沙輸移擴散運動與潮流運動密切相關， 潮流的方向及水動力強度在一定程度上決定了懸浮泥沙的輸移擴散方向及范圍， 爆破擠淤施工中產生的懸沙對周圍的水環境雖然有一定的影響但持續時間并不長， 且影響范圍有限， 在爆破3 h后基本降至10 mg/L以下， 9 h后懸沙影響基本消失。吳修廣等[30]模擬了港池和航道疏浚過程中的懸浮泥沙擴散過程， 認為更準確的預報需要根據挖泥船底部的濃度監測結果， 應用3D模型進行計算。郭珊[31]采用二維懸沙輸移擴散模型模擬了不同源強和不同水流條件下疏浚懸浮泥沙擴散情況。李鐵軍等[32]、匡華等[33]、陳義中等[34]、吳松華等[35]、曾小輝等[36]、Capello等[37]、黃海龍等[38]也均采用了數值模擬的方法模擬了疏浚開挖過程產生的懸浮泥沙輸移擴散規律及水深、潮型等水動力條件對懸浮泥沙擴散的影響。賴永輝等[39]、吳修廣等[40]、孫毛明等[41]、李佳等[42]分別建立了平面二維懸浮泥沙輸擴散模型， 模擬傾倒區拋泥產生的懸浮物質量濃度增量分布變化過程， 指出大部分疏浚泥在重力作用下迅速沉積在傾倒區內， 少量細顆粒泥沙懸浮在水中， 在水中停留時間約2 d[39]， 為傾倒區選劃提供了依據[40-41]。張世民等[43]采用三維數值模型模擬預測了冬夏季節不同背景潮流和風場作用下疏浚泥產生的懸沙輸移規律， 模型結果顯示冬季泥沙輸移擴散范圍比夏季大， 風對高濃度懸沙擴散有利， 對懸沙輸移的作用不明顯。李思遠等[44]模擬了有風和無風條件下疏浚泥傾倒后懸浮泥沙擴散分布， 指出在重要的環境敏感目標附近開展傾倒、吹填、溢流、疏浚、鋪設水下管道或電纜等會引起懸浮泥沙的海岸工程時， 在海洋環境影響評價中進行懸浮泥沙擴散預測時必須考慮施工期不利風向和不利風速的影響。郭曉峰等[29]、陳小紅等[45]分別對深圳灣填海工程和湄洲灣峰尾圍墾工程拋石擠淤產生的懸浮物增量分布進行了模擬， 指出拋石擠淤懸沙基本在圍堤前沿2 km范圍內運動。肖千璐[46]對防波堤不同拋石位置懸浮泥沙增量影響范圍進行了對比， 指出拋石位置選定需選擇弱流區， 同時還要考慮不同施工區域同時施工對懸浮泥沙增量的相互影響。匡良等[47]、郭婷婷[48]、崔雷等[49]對圍填海通常吹填溢流產生的懸浮泥沙擴散進行了數值模擬， 指出吹填溢流產生的懸浮物局限于工程局部范圍， 大于10 mg/L懸浮物的最大影響距離不超過2 km[47-49]。

2 懸浮物源強選取方法

懸浮物源強是懸浮物擴散數值模擬中的關鍵參數， 選取合適的源強對分析海洋工程施工懸浮物擴散規律至關重要。

2.1 懸浮物源強類型及處理方式

懸浮物擴散方程的求解與污染源的存在形式密切相關[5]。目前海洋工程懸浮物源一般在空間上分為固定點源和移動點源， 根據持續時間， 又分為瞬時源和連續源。張秀云等[21]、黃蘭芳等[22]、李曉燕等[25]在模擬電纜和管道鋪設過程產生的懸浮物擴散時， 均采用連續固定點源排放的方式處理， 顧恩慧等[24]根據海底電纜鋪設作業的施工特點采用了移動點源的方式對懸浮物進行模擬， 吳松華[23]分別采用了移動點源和固定點源的處理方式對比水底管道鋪設施工引起的懸浮物擴散情況， 指出與固定點源處理方式相比， 源強采用移動點源的處理方式更貼切實際。黃惠明等[26]、婁海峰[27]、彭輝等[28]、郭曉峰等[29]在爆破擠淤產生懸浮物輸移擴散模擬中，將因爆破產生的懸浮物概化為瞬時固定源。吳修廣等[30]、郭珊[31]、匡華等[33]、吳松華等[35]、黃海龍等[38]將疏浚時產生的懸浮物采用連續固定源排放的方式處理， 李鐵軍等[32]、陳義中等[34]、曾小輝等[36]采用移動點源的方式模擬航道開挖施工中產生的懸浮物。賴永輝等[39]、吳修廣等[40]、孫毛明等[41]、張世民等[43]、李思遠等[44]在模擬拋泥引起的懸沙輸移時采用固定點源的方式模擬， 李佳等[42]在疏浚物拋卸模擬中引入了隨機函數， 用隨機序列來確定懸浮物源在計算網格中發生的節點位置。郭曉峰等[29]、陳小紅等[45]、肖千璐[46]在模擬拋石擠淤懸浮泥沙擴散時選擇按連續固定源計算， 匡良等[47]、郭婷婷[48]、崔雷等[49]在模擬吹填溢流時將每個源點視為連續固定源。

以上研究表明， 根據工程類型和施工特點的不同， 在數值模擬中對懸浮物源強的處理方式也不同。電纜管道敷設及航道開挖施工懸浮物擴散數值模擬一般采用移動點源的模擬方式更佳[23]， 但移動點源模擬方式需要確定施工的起始時刻或潮型， 在實際工作中， 由于施工時間不確定， 為保守考慮， 多采用連續固定源排放的方式進行模擬， 該方法雖然與實際過程有所偏差， 但能反映最不利影響情況； 爆破擠淤由于爆破點一般固定在幾個點， 因此模擬爆破擠淤產生的懸浮泥沙擴時一般采用瞬時固定點源的方式進行模擬； 疏浚一般需要根據施工方案確定，航道疏浚一般按移動點源計算， 小范圍疏浚一般按固定點源計算； 拋泥時由于其時間較短且一般在固定點位拋卸， 多采用瞬時固定點源的方式進行模擬；拋石擠淤及圍填海溢流由于產生的懸浮泥沙的位置固定， 一般選擇連續固定點源的處理方式進行計算。

2.2 懸浮物源強大小選取方法

現階段國內學者對海洋工程施工引起的懸浮物源強選取方法主要有現場觀測法、經驗公式法和類比分析法。

戴明新[8]通過在天津港的大量現場實測資料推算得出生產率為500 m3/h的鏈斗式挖泥船作業時的懸浮泥沙源強為6.23 kg/s， 1 600 m3/h絞吸式挖泥船作業時的懸浮泥沙源強為2.25 kg/s。陳杰等[7]通過開展現場觀測， 確定了圍填海工程溢流口懸浮物源強最高可達3 796 kg/s， 平均為617～1 137 kg/s。陳杰等[11]通過生產率為500 m3/h的鏈斗式挖泥船疏浚現場觀測， 結合泥沙對流擴散方程， 推算得到挖泥船正常作業時懸浮物源強約6.23 kg/s， 與戴明新[8]的研究結果一致。

由于現場觀測所需人力物力較大， 國內針對施工引起的懸浮物擴散現場觀測較為少見， 多數學者采用經驗公式的方法確定懸浮物源強[5]。不同施工方式產生的懸浮物源強計算公式不同， 但所有經驗公式均涉及到一個重要參數： 懸浮物起懸比， 即工程中懸沙量占泥沙總量的百分比[5]。管線埋設產生的懸沙泥沙源強由埋設橫截面積、埋設速度、沉積物干容重和起懸比相乘計算得到， 起懸比一般均采用10%～30%[22-25]，吳松華[23]、李曉燕等[25]取懸沙源強為1.89～8.32 kg/s，黃蘭芳等[22]、顧恩慧等[24]取電纜敷設源強為37.5～123.86 kg/s。爆破擠淤產生的瞬時懸浮物源強采用每次爆破擠淤的泥量與起懸比相乘計算得到， 起懸比一般均采用5%～8%[26-29]， 不同爆破量產生的懸浮泥沙源強差異較大， 彭輝等[28]在對爆破擠淤的模擬中根據單次爆破擠淤的置換量及起懸比得到各爆破點的懸沙源強為0.97～2.12 kg/s， 郭曉峰等[29]、李照宇等[50]得到各爆破點的懸沙源強分別為5 170 kg/s和1 250 kg/s。疏浚物拋卸懸浮物源強采用單位時間拋卸量與起懸比相乘計算得到， 起懸比一般取5%～10%[39-44]， 傾倒體積在3 150～12 000 m3時， 拋泥源強在472.5～2 000 kg/s[39-44]。拋石擠淤懸浮泥沙源強計算時一般認為淤泥中粒徑小于0.05 mm的顆粒全部懸浮，源強量值與拋石擠淤入海淤泥量(一般按擠淤量的5%計)、淤泥中懸浮泥沙顆粒所占百分比和顆粒物濕密度成正相關， 與淤泥天然含水率成負相關， 泥沙源強在1.39～4.11 kg/s[29，45-46]。

疏浚懸浮泥沙源強多采用類比分析得到。通過類比戴明新[5-6]的現場監測結果， 8 m3抓斗船源強一般取0.96～5.58 kg/s[33-34，51-54]， 13 m3抓斗船源強稍大， 在9 kg/s左右[34]； 1 450 m3/h絞吸式挖泥船泥沙源強一般取2.22～3.5 kg/s[33，55]， 1 500 m3/h絞吸式挖泥船泥船源強一般取2.15～2.25 kg/s[56-57]， 1 500 m3/h耙吸式挖泥船源強一般取3.83～5 kg/s[32，55]， 1 600 m3/h絞吸式挖泥船產生源強一般取2.25～3.75 kg/s[31-32，35]， 3 000～4 500 m3/h的耙吸式挖泥船源強一般取7.5～12.5 kg/s[31，36]。溢流懸浮泥沙源強一般可根據溢流口的入海懸沙濃度乘以泥沙溢流速度估算得到， 入海懸沙濃度一般按1 000 mg/L估算[49，55-57]， 也有按1 500 mg/L估算[48]， 吹填溢流源強約為0.24～2.56 kg/s[48-49，55-57]。

綜上所述， 在源強的選取方法上， 目前對于挖泥船疏浚懸浮泥沙源強研究具有現場實測數據基礎，因此疏浚工程懸浮泥沙輸移數值模擬研究中懸浮泥沙源強的選取建議采用類比分析法， 即類比相同或類似型號疏浚船的實測懸浮泥沙源強數據得到； 吹填溢流懸浮泥沙源強可采用估算法， 但缺乏更多的入海懸沙濃度現場實測數據， 對溢流口懸浮泥沙濃度爭議較大。管道或管線埋設、爆破擠淤、疏浚物拋卸、拋石擠淤等施工過程懸浮泥沙源強選取時建議采用經驗公式計算法， 根據不同的施工類型和強度選取不同的起懸比， 其中管道或管線埋設起懸比可采用10%～30%， 爆破擠淤起懸比可采用5%～8%，疏浚物拋卸起懸比可采用5%～10%， 拋石擠淤起懸比可采用5%， 實際工作中可根據施工海域流速、粒徑大小視情況調整。

在源強的取值大小上， 基本可劃分為3個等級：吹填溢流、拋石擠淤、小尺度爆破、8 m3以下抓斗式挖泥船、1 500 m3/h以下耙吸式挖泥船、1 600 m3/h以下絞吸式挖泥船等小型強度作業， 源強在0.97～5 kg/s之間；管道或管線埋設、8 m3以上抓斗式挖泥船、1 500 m3/h以上耙吸式挖泥船、1 600 m3/h以上絞吸式挖泥船等中型強度作業， 源強一般在7.16～12.5 kg/s之間， 若管道或管線埋設區域沉積物粒徑較細， 流速較大， 懸浮泥沙源強可達到37.5～123.86 kg/s； 疏浚物拋卸、大尺度爆破等大型強度作業， 源強在472.5～5 100 kg/s之間。

3 結論

上述分析表明， 現階段國內外對海洋工程施工引起的懸浮物擴散開展現場觀測較為少見， 施工懸浮泥沙擴散規律研究多采用數值模擬法， 其中數值模擬中源強的選取多采用經驗公式計算， 但對公式中涉及的重要參數尚缺乏現場觀測數據支撐， 未來可豐富此方面研究成果， 開展施工懸浮泥沙濃度觀測， 為施工懸浮泥沙源強計算和施工懸浮泥沙擴散研究提供理論依據。在海洋工程施工中， 應結合實際施工情況， 參考不同施工類型、強度及施工機械對懸浮泥沙源強進行合理設置， 以正確評估懸浮泥沙對海洋環境的影響程度。