疏浚工程中不同類型挖泥船施工對海洋水環境影響分析
——以廈門某海域清淤工程為例

張祥娟

（自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005）

近年來，許多沿海城市大力實施“藍色海灣”工程，積極推進海洋生態建設和整治修復，加快“美麗海洋”建設[1]。清淤疏浚工程作為“藍色海灣”整治工程措施之一，可在一定程度上恢復和增加海灣納潮量。在疏浚施工過程中不可避免地引起懸浮泥沙，并在潮流等動力因素作用下發生擴散，對海洋環境質量和生態系統健康產生一定的影響。郭珊、王超等、雷曉玲等在懸浮物對海洋環境及海洋生態的影響方面進行了深入的分析；王帥等、鄭志華等在疏浚懸浮物擴散的數值模擬及擴散規律方面進行了研究；曾建軍對不同挖泥船疏浚產生的懸浮物源強進行了比較分析。雖然國內外學者在此問題上開展了許多相關研究，但是針對不同類型挖泥船在疏浚施工過程產生的懸浮泥沙遷移規律和水環境影響程度定量對比研究較少，因此，本文以廈門某海域清淤工程為例，選取常用的挖泥船作為研究對象，對其懸浮泥沙源強及污染擴散規律進行數值模擬并開展綜合分析，為海洋疏浚工程環境影響評價和施工方案的選擇等提供理論參考依據[2]。

1 工程概況

環東海域新城下后濱外側海域清淤工程位于福建省廈門市同安灣海域東側，工程總清淤面積為655.5萬m2，總清淤量為1582.8萬m3，清淤底高程-4.24 m。一般海域疏浚的施工方案包括抓斗式挖泥船、耙吸式挖泥船和絞吸式挖泥船三種，絞吸式挖泥船一般在疏浚配合吹填造地時使用，由于本工程疏浚物不用于吹填造地，因此絞吸式挖泥船的施工方案不予考慮。本次研究以抓斗式挖泥船和耙吸式挖泥船為例，分析疏浚施工對海洋水環境的影響，具體施工方案如下：

方案一：采用1艘16 m3抓斗船+自航泥駁進行疏浚施工。

方案二：采用1艘2 400 m3自航耙吸船進行疏浚施工。

2 不同類型挖泥船疏浚施工的懸浮泥沙遷移擴散數值模擬

施工時懸浮泥沙遷移擴散數值模擬分兩步：第一建立工程海域的潮流場數學模型；第二進行懸浮泥沙擴散的數值模擬。

2.1 數學模型

2.1.1 潮流場數學模型

采用正交曲線坐標系下的平面二維潮流數學模型進行數值模擬研究。

①沿水深平均的平面二維潮流方程為：

水平向的動量方程：

式中：

（1）～（3）式中，D為總水深，D=ζ+h，ζ為水位，h為水深；ξ、η分別為正交貼體坐標的縱橫向計算網格方向；u、v分別為沿ξ、η方向的水流速度分量；ξC、ηC為拉梅系數；f=2ωsinφ為科氏力系數（ω為地球自轉角速度）；E為水平渦粘擴散系數；C為謝才系數n為曼寧系數（海底粗糙度）；g為重力加速度。

②邊界條件：本次計算時，外海開邊界條件采用水位邊界，由東中國海潮波模型系統提供潮位過程。閉邊界cΓ 采用不可入條件，即Vn=0，法向流速為0，n為邊界的外法向。水位邊界式中：ua、va、ζa均是根據現場觀測資料確定已知量，分別用流速過程或潮位過程式控制。

③初始條件：初始流速為0（即冷啟動），初始水位根據外海開邊界潮位確定。

④計算域及網格設置

計算域為石碼以東、圍頭以西、流會以北，包括整個廈門海域在內的區域。模型采用100 m×100 m正方形網格。

2.1.2 懸浮泥沙輸移擴散數學模型

泥沙在海水中的沉降、遷移、擴散過程，可由二維對流擴散方程表示：

式中：①S為含沙量；Q為懸浮泥沙輸入源強；α為泥沙沉降概率；其他符號同前。

②初始條件：疏浚施工期不考慮本底值，均置為0，僅考慮懸沙增量。

2.2 不同類型挖泥船施工泥沙入海源強

2.2.1 16 m3抓斗式挖泥船施工泥沙入海源強

抓斗式挖泥船在疏浚過程中懸浮泥沙主要來自挖泥船抓斗的機械攪動作用以及抓斗在提升過程中泄漏的少量淤泥。施工懸浮泥沙發生量按《港口建設項目環境影響評價規范》（JTS105-1-2011）中提出的公式進行估算：

式中：Q－施工作業懸浮物發生量（t/h）；W0－懸浮物發生系數（t/m3），取0.02 t/m3；R－發生系數W0時的懸浮物粒經累計百分比（%）；RO－現場流速懸浮物臨界粒子累計百分比（%）；T－挖泥船疏浚效率（m3/h），取640 m3/h。

保守估算，按R：R0=1：1，16 m3抓斗式挖泥船進行清淤時的懸浮泥沙源強為3.56 kg/s。

2.2.2 2 400 m3耙吸式挖泥船施工泥沙入海源強

耙吸式挖泥船疏浚過程中懸浮泥沙主要來自耙頭擾動底泥和吸泥過程、耙吸船泥艙滿艙溢流過程。

根據相關資料，保守考慮，耙吸式挖泥船清淤的耙頭擾動底泥和吸泥過程產生的懸浮泥沙源強取18.75 kg/s[3]。耙吸式挖泥船清淤的懸浮泥沙入海主要發生在滿艙溢流后，按疏浚作業規范要求，滿艙溢流時間控制在0.5 h內，參照《疏浚與吹填工程設計規范》（JTS181-5-2012），2 400 m3耙吸船的裝艙泥泵排量取6 000 m3/h，R：R0=1.44，W0取0.05 t/m3，由（5）式計算出滿艙溢流懸浮泥沙源強為120 kg/s。因此，2 400 m3耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強為138.8 kg/s[4]。

2.3 不同類型挖泥船施工入海泥沙模擬預測

2.3.1 工程所在海域潮流場模擬

工程海域潮流實測資料利用2016年3月26～27日（大潮）、2016年3月28～29日（中潮）、2016年3月31～4月1日（小潮），同安灣及灣口取6個測站。根據工程資料，工程所在海域整體上各站計算流速流向基本吻合于實測值，從大、中、小潮流向看，各站均屬往復流，大潮實測與計算流速大于中、小潮，從趨勢上看，模擬的潮流場基本上反映計算域的水動力特征。廈門海域大潮典型時刻潮流場如圖1所示。

圖1 廈門海域大潮典型時刻潮流場

2.3.2 不同類型挖泥船施工入海泥沙濃度增量預測

根據項目所在海域周邊環境分析，同安灣內主要是二類、三類和四類近岸海域環境功能區，執行第二類海水水質標準；同安灣口為一類區，執行第一類海水水質標準。考慮到不同海域受入海徑流、流體等因素的影響，懸浮泥沙的本底濃度有差異，在預測疏浚施工對海水水質影響時，以入海懸浮泥沙增量為10 mg為安全影響的臨界值（《海水水質標準》（GB3097-1997）中第一和二類海水水質允許懸浮泥沙人為增量≤10 mg/L，也是《漁業水質標準》（GB11607-89）中“人為增加的量不得超過10 mg/L”）[5]。本次主要預測全潮入海懸浮泥沙濃度增量150 mg/L、100 mg/L、50 mg/L、20 mg/L、10 mg/L影響最大的包絡面積。不同類型挖泥船疏浚施工全潮入海懸浮泥沙質量濃度增量影響詳見表1和圖2。

圖2 不同類型挖泥船清淤施工引起的懸浮泥沙增量全潮總影響包絡面積圖

3 不同類型挖泥船施工入海泥沙對海洋水環境影響的對比分析

3.1 從源強上進行對比分析

抓斗式挖泥船在疏浚過程中的懸浮泥沙主要來自挖泥船抓斗的機械攪動作用以及抓斗在提升過程中泄漏的少量淤泥，16 m3抓斗式挖泥船清淤時懸浮泥沙源強為3.56 kg/s。耙吸式挖泥船疏浚過程中懸浮泥沙來自耙頭擾動底泥和吸泥過程、耙吸船泥艙滿艙溢流過程，2 400 m3耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強為138.8 kg/s。因此，耙吸式挖泥船施工懸浮泥沙源強大于抓斗式挖泥船。

3.2 從懸浮泥沙遷移擴散規律進行對比分析

兩種類型挖泥船施工入海泥沙對海洋水質環境影響對比見圖3。由表1、圖2和圖3可知，環東海域新城下后濱外側海域疏浚施工入海懸浮泥沙的增量主要隨潮流方向擴散，水體中懸浮泥沙增量濃度趨勢為距疏浚點越遠濃度增量越小的變化；不同類型挖泥船源強越大，懸浮泥沙增量大于10 mg/L的影響范圍就越大；耙吸式挖泥船的源強較大，高濃度增量的范圍也較大（懸浮泥沙增量>150 mg/L的面積為11.35 km2），抓斗式挖泥船的源強小，高濃度增量的范圍很小（懸浮泥沙增量>150 mg/L的面積僅為0.61 km2），兩者懸浮泥沙增量>150 mg/L的面積差為10.74 km2；耙吸式挖泥船與抓斗式挖泥船施工產生的懸浮泥沙濃度增量從高濃度到低濃度，面積差先增大，懸浮泥沙濃度增量到50 mg/L時面積差為13.42 km2達到最大，隨著懸浮泥沙的擴散，懸浮泥沙濃度增量面積差逐漸減小，最后趨于零即海水環境恢復本底濃度。

圖3 不同類型挖泥船施工入海泥沙對海洋水質環境影響的對比分析圖

綜上所述，以環東海域新城下后濱外側海域清淤工程施工為例，經分析，耙吸式挖泥船施工產生的懸浮泥沙對海洋水環境影響比抓斗式挖泥船大，但挖泥船疏浚施工懸浮泥沙對海洋水質影響都是暫時的，隨著施工的結束逐漸消失，不會產生長期不利的影響。

4 結語

本研究以廈門某海域清淤工程施工為例，通過對比不同類

型挖泥船施工產生的懸浮泥沙源強，以及通過數值模擬較客觀地了解不同類型挖泥船在疏浚作業過程中懸浮泥沙的輸移擴散規律研究，為海洋疏浚工程環境影響評價和施工方案的選擇等提供理論參考依據。