河道疏浚工程對污染物顆粒運移影響模擬

張旭義

(招遠市金都水利勘測設計有限公司，山東 招遠 265400)

1 概 述

水是城市發展過程中至關重要的資源，然而隨著人口的增加、經濟的發展，目前城市水環境面臨著嚴重的威脅，如沿岸的生活污水和工業污水超標排放、外來物種的入侵和濕地的圍墾等[1-4]。當前處理污染物排放的措施包括疏浚作業、排水口的鞏固和重新安置、擴散器的重新配置或這些措施的任何組合，其中疏浚工程是中小型流域使用范圍最廣、污染治理效率較為理想的一種方式[5]。然而，由于流域面積廣、污染物運移不確定性高，通常很難對進行疏浚后的區域水環境污染程度進行預測，為工程評價帶來不便，而數值模擬方法的興起為水環境污染程度提供了可靠的預測手段。

方明儀等[6]基于水動力-水質模型，在風暴潮及上游來水減少的情況下開展南渡江河口污染物分布研究，分析了不同環境下污染物變化情況；張侃[7]以深圳梧桐山河為研究對象,針對其流域水環境問題進行建模分析,深入了解其污染物遷移擴散的規律；俞曉祥[8]采用平面二維的紊流擴散模型模擬研究河道斷面突變對污染物對流擴散的影響；吳二雷等[9]利用數值模擬方法研究了河流流場以及污染物濃度分布情況；此外還有學者基于DHI MIKE 3等研究了污染物擴散過程[10-11]。本文通過對以上文獻進行調研分析，采用二維流體力學有限元模型和拉格朗日粒子模塊，建立垂直平均水動力模型，研究了兩種河道(DS1和DS2)疏浚方案對污染物運移稀釋的效果，研究成果可為相關工程提供參考。

2 疏浚工程概況

界河發源于招遠城西南尖尖山西麓，經齊山鎮、張星鎮、辛莊鎮，從東良村東北注入渤海。全長45km，流域面積576.8km2，主要支流有羅山河、鐘離河、單家河等，為招遠境內第二長河。多年來，受工業廢水超標排放、生活污水直排、垃圾亂堆亂倒等污染問題影響，流域污染較為嚴重,為改善河道環境狀況，多地開始推進河道清淤疏浚工程。

本次研究的疏浚工程的疏浚方式為：將河水抽干, 待疏浚物自然風干含水量降到一定數值后, 采用陸上施工機械進行土方開挖施工,即利用土方開挖機械將已固化的疏浚物挖裝到自卸汽車上,通過自卸汽車將疏浚物運送到指定地點堆放。疏浚施工前, 先在河道施工區域外設攔河圍欄截斷來水, 將圍欄內積水導排入儲水池，進行分組分段同步作業。本次研究區域地形圖見圖1。

圖1 研究區域地形圖

3 數值模型及疏浚方案

3.1 數值模型

該研究區域水污染物主要以顆粒性懸浮物為主，擴散方式為面擴散，污染物源頭位于A2處，根據對A3～A5中3個典型斷面污染物濃度進行的監測分析，疏浚前平均濃度分別為3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg。

3.2 疏浚方案

第一種疏浚方案(DS1)見圖2，由一條疏浚河道組成，疏浚深度約為2.33m，疏浚后河底低于平均低水位約為1.50m。河道底部寬度為6.00m，兩側坡度為1∶3，總疏浚寬度為20.00m。在疏浚河道的寬度方向上有大約7～10個計算節點。生成的計算網格(圖2為現有排水口附近的一部分)包含55548個元素，特征長度范圍為1.11～41.72m，平均為7.10m。由于細化過程使河流上半部分的網格分辨率顯著提高，模型時間步長減少到11.178s(相當于4階RK粒子跟蹤最小時間步長約為5.600s)，以滿足疏浚河道中的拉格朗日條件。

圖2 第一種疏浚方案

第二種疏浚方案(DS2)是在第一種方案的疏浚河頭增加一個泊池，深度設定為2.33m，兩側的坡度為1∶3，網格逐漸變細。由于網格在水池區域已經具有必要的分辨率，因此第二種疏浚方案與第一次疏浚方案保持一致。模型時間步長也與第一次疏浚相同。在每個模型時間步有4個污染物顆粒從排放口釋放。

4 數值結果分析

4.1 稀釋改善率計算

為了計算污染物的稀釋改善率，根據式(1)計算模擬中每個網格的平均顆粒濃度：

(1)

式中：Ce為單元的深度平均濃度，粒子數/m2;NPe為單元中的粒子數；Ae為元素e的面積,m2。

一旦所有情況的濃度場都已知，則根據式(2)計算稀釋率，即(基本情況或DS1以及DS1或DS2)

(2)

在DS1和DS2模擬的特定時間點不包含粒子。值得注意的是，稀釋度計算與水深無關。

4.2 DS1工況

圖3為4個不同階段下，DS1工況下獲得的稀釋改善率De。在漲潮時，排水口周圍模擬的稀釋率約為0.5∶1，說明DS1顆粒濃度高于或等于該區域疏浚之前預測的濃度。在最大落潮時也有同樣的結果。圖3(b)顯示，由于大量的未污染的顆粒從上游部分向下輸送，稀釋度大大增加。然后，由于經歷了更高的落潮速度，顆粒從排水口區域排走，并且在排水口周圍的低潮處稀釋度降低。圖3(d)包含粒子云中部的一個稀釋減少區以及向海端和向陸端的兩個稀釋增加區，向海端的稀釋增加區主要包含來自前一次落潮的基殼顆粒；而向陸端稀釋區，由于速度較高，基殼顆粒在上游方向平流得更遠；中間的稀釋減少區主要包含來自當前洪水和之前退潮階段的顆粒。

圖3 DS1工況計算結果(單位：km)

4.3 DS2工況

本次計算觀察到DS2模擬的顆粒濃度與DS1模擬的顆粒濃度非常相似。這是因為疏浚泊池在某種程度上是一種局部干擾，其對整個系統洋流的影響相對較小。由于DS1和DS2顆粒濃度場之間的全域差異非常小，視覺上很難相互區分，因此，本文采用更簡單且簡潔的等高線圖呈現結果，其中稀釋度定義為從左到右依次增加。計算結果見圖4。

圖4 DS2工況計算結果 (單位:km)

由圖4可知，在漲潮時，隨著在DS1中添加泊池，總體稀釋度增加，疏浚渠道排水口周圍稀釋度的降低是兩種疏浚方案之間排水口重新定位的直接影響的結果。由于顆粒直接釋放到DS2中的疏浚航道中，因此模擬顯示該區域的濃度增加。最大落潮時顯示稀釋度總體上呈增加趨勢，稀釋區分散減少。在低潮時，當水流和顆粒物都被限制在疏浚河道內時，即使在擬建排水口周圍，稀釋度增加仍占主導地位。在最大洪水時,觀察到同樣的趨勢。

此外，根據對DS1和DS2疏浚后的污染物濃度指標進行分析得出，采用DS1方案后A3～A5中3個典型斷面的污染物濃度由原來的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3個典型斷面的污染物濃度由原來的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg。因此采用DS2方案可明顯減小河流污染物濃度。

5 2種疏浚方案前后流場分析

根據兩種方案的流速大小變化模擬結果，工程實施后的影響范圍包括A3～A5節點及工程回旋水域等。其中A5節點附近的影響最大，該區域周邊流速在實施疏浚方案DS1、DS2時分別減小16.57%、42.94%，這是由于疏浚前后區域水深變化劇烈，加深了近6m, 從而造成流速減小。此外，根據工程實施前后大潮的漲急、落急流場對比分析可知，工程實施后主要影響了A4和A5節點附近的潮流，原因是該區水深較淺，工程前來自東側通道的潮流被工程陸域阻擋，迫使通道內漲潮流受工程區域影響向北方偏轉進入該海區。A4節點前沿尤其是西側碼頭前沿潮流更趨于和碼頭走向平行，流向更有利于靠離泊作業。特征點A3～A5在2種疏浚工程前后流速變化率見表1。

表1 特征點A3～A5在2種疏浚工程前后流速變化率

6 結 論

本文利用拉格朗日方法，采用垂直平均水動力模型，研究了兩種河道疏浚方案(DS1和DS2)對污染物運移稀釋的效果以及流態的影響。研究結果表明，DS1工況下在漲潮時，排水口周圍模擬的稀釋率約為0.5∶1，DS1工況污染物顆粒濃度高于或等于該區域疏浚之前預測的濃度，而當在DS1中添加泊池形成DS2方案后，總體稀釋度增加，疏浚渠道排水口周圍稀釋度的降低是兩種疏浚方案之間排水口重新定位直接影響的結果。此外，采用DS1方案后A3～A5中3個典型斷面的污染物濃度由原來的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3個典型斷面的污染物濃度由原來的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg，因此采用DS2方案可明顯減小河流污染物濃度。因此可以得出，在沒有河流流入和風的情況下，將排水口重新安置到主要疏浚河道中，能夠明顯縮小污染物的運移。