基于FVCOM的長江口預選傾倒區拋泥擴散數值模擬

許 鵬 ,唐曉峰,李 陽 ,張正龍 ,李志恩

(1.國家海洋局東海環境監測中心，上海 201206； 2.自然資源部海洋生態監測與修復技術重點實驗室，上海 201206；3.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003)

上海長江口航道是關系長江流域經濟社會發展全局的運輸通道，位于“長江經濟帶”和“海上絲綢之路”的黃金交叉點，可以發揮通江達海的優勢，戰略地位十分重要。但由于長江口是長江流域下泄泥沙的匯集之地，長江口深水航道和南槽航道等部分航段處于最大渾濁帶區域，因而長江口航道每年都會出現航道淤積現象。為盡可能地發揮上海國際航運中心的作用，保持深水航道等通航能力，長江口航道每年都必須不斷進行航道疏浚[1-2]。

目前長江口周邊海域的疏浚物處置方式有兩種，一是通過耙吸式挖泥船或自航泥駁將疏浚物拋入傾倒區，二是通過耙吸式挖泥船或自航泥駁將疏浚物拋入吹泥站，再用絞吸式挖泥船將吹泥站內的疏浚物吹泥上橫沙東灘成陸?，F橫沙東灘吹泥上灘工作已接近尾聲，橫沙東灘成陸后，原7個長江口吹泥站可能都將關閉，上海市長江口周邊海域維護疏浚的疏浚物及時消納將成為一個難題?？紤]到2020年后長江口現有7個在用吹泥站將無法繼續使用，需及時開展海洋傾倒區的選劃工作，數值模擬分析可為選劃工作提供重要技術支撐[3-5]。

1 傾倒區選劃

目前，長江口海域有1#、2#、3#、4#共4座傾倒區和C1至C6、C1-1等7座吹泥站用于長江口航道疏浚維護。近年來，長江口深水航道年維護疏浚量均在6 000×104m3左右。另外，2019—2020年南槽航道治理一期工程疏浚工程開工，2020年南槽一期疏浚工程新增處置疏浚物約1 000×104m3。

2020年，上海市黃浦江、長江口沿岸碼頭、長江口北槽航道和南槽航道疏浚物年疏?？偭考s7 000×104m3，7座吹泥站停用后，長江口傾倒區傾倒容量僅剩約3 000×104m3，疏浚物處置缺口約為4 000×104m3。

選劃傾倒區的海域是利用海域水動力條件和環境容量較好、有利于疏浚物向外海遷移擴散的特征來處置疏浚物。根據已有和現有傾倒區的分布，考慮長江口北槽航道和南槽航道周邊自然保護區、引航作業區、潮位站和航道錨地等分布，并根據長江口航道船舶航行習慣、航跡線分布和潮時，初步將預選傾倒區確定在長江口深水航道南、北導堤以東的海域，即北槽航道的外航道南、北兩側水域。

初步確定預選傾倒區分布在4個區域，即預選傾倒區A、B、C、D；其中，預選傾倒區A和B在北槽航道北側，C和D在北槽航道南側及南槽航道北側之間的區域。傾倒區的范圍則參照長江口在用的3#和4#傾倒區面積，將預選傾倒區都設置為長4 km，寬3 km，共12 km2的矩形海域，如圖1中矩形所示。

圖1 預選傾倒區位置Fig. 1 Location of candidate dumping areas

2 水動力數值模擬

2.1 模型簡介

FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)模型由陳長勝博士領導的馬薩諸塞州達特茅斯大學海洋生態動力學模型實驗室與伍茲霍爾海洋學協會的比爾茲利博士合作開發，是三維自由網格、自由表面、原始方程、有限體積海岸大洋數值模型，主要包括水質模塊、生態模塊、泥沙輸運模塊、流場-波浪-泥沙耦合模塊等。模型結合了有限元法和有限差分法的優點，適合模擬淺海復雜邊界[6]。

2.2 模型設置

模型計算區域包括了長江口、杭州灣及鄰近海域(28.5°～34.5°N，120.0°～124.5°E)，長江上游至潮流界以上200 km，杭州灣上游至錢塘江區界。計算區域網格如圖2所示，該網格精細刻畫了長江口深水航道整治工程，整個計算區域共有94 345個三角單元，50 098個網格點。

圖2 長江口模型網格示意圖Fig. 2 Model grid used for the simulation

模型外海開邊界由潮位驅動，本計算考慮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1和Q1共8個主要分潮。上游的徑流由長江水文網(http://www.cjh.com.cn/)上發布的大通水文站資料獲得，風場由歐洲中期天氣預報中心網站(http://apps.ecmwf.int/datasets/)獲得。潮位驗證計算時間為2018年8月1日—30日、2019年1月1日—30日，流場驗證及擴散模型計算時間為2018年8月1日—30日、2019年1月1日—30日，計算結果1個小時輸出1次，計算時間步長為10 s，由于水位和流速對于邊界驅動的響應較快，因此采用冷啟動，初始取0值。模型糙率取值約為0.000 1～0.000 5。

2.3 模型驗證

模型驗證潮位所采用數據為長江口正在使用的潮位站觀測數據，潮位站分別為北槽中站(31°14′N，122°01′E)、牛皮礁(31°08′N，122°25′E)、雞骨礁(31°11′N，122°23′E)和南槽東站(31°02′N，122°20′E)，基面為1985國家高程，驗證結果如圖3所示，潮位數據驗證結果如表1所示，實測數據與模型計算結果的主要分潮(O1、K1、M2、S2)振幅絕對誤差小于1 cm，相對誤差小于3%。雖然調和常數的計算值與觀測值之間的絕對誤差較小，但水位曲線的計算值和觀測值之間仍然存在一定的差異。總體來看，潮位模擬結果與實測結果趨勢一致，誤差較小。

圖3 2018年8月潮位驗證Fig. 3 Tide level verification in August, 2018

表1 所有測站主要分潮調和常數平均模擬誤差

潮流驗證數據為長江口航道管理局2018年8月和2019年1月觀測數據，從流速、流向驗證的結果來看，計算的流速、流向與測站觀測值吻合良好，流速、流向變化趨勢均吻合較好，能夠較好地刻畫傾倒區附近水流條件，可以用于該區域的流場模擬以及進一步的拋泥擴散模擬。由于篇幅有限，本研究僅展示預選傾倒區附近CS4SD(31°08′N，122°14′E )和CS10SD(31°11′N，122°22′E)站位的驗證結果(圖4)。

為了解預選傾倒區海域水質點的實際運動狀況以及調整數模參數，于2019年8月28日—30日(農歷七月二十八至八月初一)進行了漲落潮標識質點拉格朗日漂流跟蹤試驗。利用數模結果，與實測的漂流結果進行驗證，與漂流試驗情況基本吻合(圖5)，每個預選區均分別在高潮位和低潮位時投放漂流浮標。

圖4 2018年8月流速、流向驗證Fig. 4 Verification of velocity and current direction data in August, 2018

圖5 預選傾倒區質點漂移驗證Fig. 5 Particle drift verification in candidate dumping areas

2.4 模型計算

落潮時刻，長江口北港水流在導堤丁壩魚嘴處出現明顯分流，北槽和南槽航道形成顯著主流區，吹泥站附近靠近深水航道處水流基本沿航道方向，主要受徑流影響。落急時刻，深水航道流速較大，達到2.5 m/s以上，最大可至3.0 m/s左右，吹泥站靠近壩田一側則水流較小，均在0.5 m/s以下，流向以壩田區順時針環流為主，吹泥站處流速最大約為1.5 m/s，且流向基本與主流方向一致，為東南方向；落憩時刻，吹泥站附近流速均較小，深水航道流速小于1.0 m/s，壩田區流速穩定且流速基本小于0.5 m/s。漲潮時刻，受外海潮汐作用，口門外為典型順時針方向旋轉流，且流速較大，最大約為2.5 m/s，進入北槽后，主流流向基本沿深水航道方向，指向西北，傾倒區附近最大流速達到1.5 m/s左右，壩田區流速仍然較小，最大不超過1 m/s，到漲憩時刻流速均較小，吹泥站附近流速接近于零，流向較為混亂。

3 拋泥擴散模擬

3.1 拋泥方式

針對長江口水域開闊、施工現場風大、流急、霧多，交通繁忙，疏浚土質為顆粒細、流動性強、不易沉淀的松散細砂和軟弱淤泥等特點，疏浚單位定制了大型專用耙吸挖泥船，如長江口01船(圖6)等，具有挖、運、拋、吹、裝駁功能，專門用于長江口深水航道的疏浚作業。自航耙吸挖泥船用疏浚裝艙法開挖航道，滿艙后，駛往指定的拋泥區，在拋泥區內把艙內疏浚泥卸入水中，然后返回航道。

圖6 長江口01自航耙吸式挖泥船現場Fig. 6 Photo of Chang Jiang Kou 01 dredger(self navigation trailing suction) at worksite

根據調查，2019年在長江口航道管理局申請航道疏浚工程的持證船舶包括長江口01、長江口02、長江口駁1、長江口駁2、航浚4001、海神浚2、航浚9001、浙?？?、新海龍、神華浚2和新海虎4等，這些船舶是傾倒區拋泥的主要船舶，艙容量都在4 500～13 500 m3之間，其中北槽深水航道船舶艙容較大，主要艙容約為12 000 m3；南槽航道船舶艙容較小，主要艙容為4 500～6 500 m3。長江口01等自航耙吸式挖泥船進行挖運拋泥作業，拋泥平均運距約為30 km。每挖一船泥，包括往返運輸的時間約1～3 h，按兩船作業，按最不利的間隔時間，取每小時傾倒約1船疏浚物。根據實際情況，按最不利情形，取單船艙容12 000 m3計算。

3.2 拋泥源強

通常的拋泥漂流擴散過程：挖泥船到達傾倒區后，打開泥艙門拋泥，大部分泥沙直接沉積于傾倒區，有少部分細顆粒泥沙(約占傾倒量的1%～5%)在傾倒點附近形成一泥沙污水團，而后隨潮流漂移擴散[7-8]。水體中的懸移質泥沙的增量受傾倒方式、粒徑、成分含量、下落水深及海上水動力條件等的影響，一般情況在5%以下[9]。從環境安全角度出發，取最大值5%作為拋泥后懸移質比例。拋泥源強計算參照徐宏明(2000)疏浚土擴散數學模型中的公式[10]：

s0=M·P·T-1×[∑(αi·Ai·Hi)]-1

(1)

式(1)中：s0為單位源強[kg/(m3·s)]，M為單船拋泥量(kg)，T為拋泥時間(s)，P為拋泥后懸移質的占比(%)，αi為網格點源強權系數，Ai為網格點代表的面積(m2)，Hi為網格點水深(m)。

參照相關報告，實測的疏浚段沉積物中值粒徑d50基本為0.007 m，泥沙沉速采用0.000 5 m/s，泥沙干容重λ(kg/m3)根據曹祖德公式[11]：

λ=1 750exp(-0.421gd50)=1.311 t/m3

(2)

實際傾倒疏浚物按艙容40%計算，艙容12 000 m3的疏浚船每1小時拋一船泥產生的源強為：

12 000 m3/船×40%×1船/h×

1.311 t/m3×5%=315 t/次

3.3 拋泥模擬

單船(12 000 m3艙容)連續15 d傾倒時，在模型中輸入拋泥的開始和結束時間，具體為2018年8月15日—30日，其中每小時每次拋泥時間為5 min。全潮最大影響范圍如表2、圖7所示。4個預選傾倒區懸浮物擴散影響的外緣線(懸浮物濃度增量為10 mg/L)全潮最大距離在9.1～11.6 km之間，最大影響范圍在23.536 ～34.913 km2之間。懸浮物增量150 mg/L范圍較小，且僅在拋泥中心處。從擴散的影響范圍來看，落急時刻傾倒，懸浮物沿主流方向迅速往下游輸移，30 min之后懸浮物增量大于100 mg/L區域已完全消失。深水航道南側預選傾倒區拋泥懸浮物往東南方向擴散，懸浮物增量10 mg/L包絡線最大影響范圍均達到深水航道；深水航道北側預選傾倒區拋泥懸浮物均往東南方向擴散，懸浮物增量10 mg/L包絡線最大影響范圍達到南槽航道。漲急時刻傾倒，懸浮物沿主流方向迅速往上游西北方向運動，30 min之后懸浮物增量大于100 mg/L區域已完全消失，與落急時刻傾倒不同，所有傾倒區拋泥懸浮物增量10 mg/L包絡線最大影響范圍均未達到主航道。

表2 拋泥作業懸浮物影響范圍

圖7 預選傾倒區全潮最大擴散范圍Fig. 7 Maximum diffusion range during whole tide

4 結論

(1)從拋泥擴散模擬結果來看，擴散的形態上，拋泥懸浮物擴散運動基本分為兩部分，一部分是中心高濃度區隨水流運動，另外一部分是中心周圍區域隨水流擴散。懸浮物增量10 mg/L包絡線整體形態從均勻圓形逐漸運動成橢圓形最終成狹長條形或螺旋紡錘形，橢圓長軸方向基本與主流方向一致。

(2)拋泥懸浮物輸移擴散影響范圍與潮型、流速、漲落潮歷時、傾倒量強弱等均有關。由于4個預選傾倒區位于長江口外側開闊海域，自然條件相近，均受順時針旋轉流控制，水流通暢，有利于懸浮物輸移、擴散、消亡。因此，拋泥懸浮物對該海域的影響有限。

(3)所有4個預選傾倒區拋泥懸浮物擴散時，落潮擴散距離、擴散范圍均顯著大于漲潮。所有4個預選傾倒區拋泥懸浮物擴散時，其10 mg/L包絡線均基本不會影響到附近環境敏感區。所有預選傾倒區拋泥懸浮物擴散時，其10 mg/L包絡線均不會顯著影響到附近主航道，但從動力角度分析，長江口深水航道北側兩個預選傾倒區傾倒擴散時，對南側深水航道造成回淤的概率更大。

(4)預選傾倒區D擴散影響范圍最大，預選傾倒區C次之，預選傾倒區A和預選傾倒區B擴散影響范圍最小。從動力條件來看，深水航道南側水動力條件優于北側，從傾倒區拋泥懸浮物擴散的角度來看，預選傾倒區C影響最小，動力條件較好，綜合來看最為合適。