內(nèi)河隔擋式環(huán)保疏浚輔助設(shè)施減污效果研究

陳廣云，單丹

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

內(nèi)河航道是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。疏浚是改善其通航條件、提高行洪能力的重要措施，且通常要求實施環(huán)保疏浚。目前用于環(huán)保疏浚的設(shè)備主要有2 類：專用設(shè)備和由各類常見挖泥船改造的設(shè)備。具有代表性的專用設(shè)備主要有螺旋式疏浚設(shè)備和密閉旋轉(zhuǎn)斗輪疏浚設(shè)備[1]。而常見挖泥船的環(huán)保改造一般依據(jù)船的類型具體確定，常規(guī)方法分別為：絞吸式挖泥船，采用專用環(huán)保鉸刀并配備罩殼；耙吸式挖泥船，將普通耙頭改為帶罩式環(huán)保耙頭；斗輪式挖泥船，主要對斗輪架進(jìn)行改造，使其上部封閉，并在斗輪上裝設(shè)排氣閥；抓斗式和鏟斗式挖泥船，主要把泥斗改為封閉式，使得斗中污泥不易泄出[2]。

以上疏浚設(shè)備大部分體型較大[3]，在內(nèi)河狹小區(qū)域施工時抑制底泥污染二次擴(kuò)散的環(huán)保效果受到限制，底泥重新懸浮入水中，伴隨著底泥進(jìn)入水體的還包括聚集在底泥中污染物質(zhì)，對航道的環(huán)境會產(chǎn)生影響，與航道疏浚相關(guān)的生態(tài)保護(hù)矛盾逐漸凸顯[4]。同時抓斗式和鏟斗式挖泥船改造的封閉泥斗也會一定程度影響施工效率。除此之外，內(nèi)河航道作為重要的水運通道，航道疏浚的同時必須保持船舶的正常通行[5]。

因此，需研發(fā)一套適用于內(nèi)河狹小區(qū)域的環(huán)保疏浚輔助裝置。基本思路為采用擋板隔斷施工區(qū)水體與航道內(nèi)活水之間的開敞性流通，僅在上部預(yù)留孔隙保持內(nèi)外水壓相等，疏浚船舶在隔檔形成的內(nèi)部相對靜水區(qū)施工，疏浚完成后采用技術(shù)手段促使施工區(qū)泥沙及污染物快速沉降，此方案為近封閉方案；或者采用半淹沒擋板在下游形成緩流區(qū)以減小擋板下游挖泥船施工區(qū)水流速度，進(jìn)而減小施工區(qū)水體中污染物的擴(kuò)散，此方案為半封閉方案。

本文以京杭運河棗莊段（馬蘭大橋以下）二級航道整治工程為例，通過FLOW-3D 軟件建立航道概化的三維數(shù)值模型[6]。根據(jù)不同設(shè)計方案對污染擴(kuò)散的不同抑制效果，選擇最佳方案。

1 方案制定

限制性航道為過水?dāng)嗝妾M窄、對船舶（隊）航行有限制作用的人工航道，例如人工開挖的運河、通航的灌溉、排水、供水等輸水渠道。京杭運河棗莊段（馬蘭大橋以下）為二級航道，根據(jù)GB50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[7]可知，二級航道船舶噸級為2 000 t，代表船型最大駁船長×寬×吃水為75 m×14.0 m×2.6 m。該航段疏浚時選用0.75 m3、1 m3抓斗式挖泥船挖泥，90 kW 拖輪＋30 kW 機(jī)艇＋60 m3、80 m3泥駁運輸，機(jī)械卸船上岸，再由汽車運至棄土區(qū)，一般挖泥船長度為30 m 左右[8]。考慮到疏浚時不影響船舶通行以及現(xiàn)有航道地形資料等因素，制定不同半封閉方案和近封閉方案并建立三維數(shù)值模型。

1.1 半封閉方案

半封閉方案中擋板內(nèi)的水流與河道的水流是相互流通的，但是擋板的上下游長度影響著流通的效果。為了得出上下游擋板不同長度對底泥污染物擴(kuò)散的影響效果，制定擋板長度為20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 等方案研究下游特定點位置的污染物濃度。圖1 為半封閉方案，擋板長度為20 m 的模型。

圖1 半封閉方案示意圖（dm）Fig.1 Schematic diagram of a semi-closed dredging auxiliary device（dm）

1.2 近封閉方案

近封閉方案的水流由于擋板的阻隔作用，內(nèi)部水體的流動性受到了束縛。為了避免擋板內(nèi)外產(chǎn)生水位差，即產(chǎn)生壓力差對擋板造成結(jié)構(gòu)性破壞，在擋板上游留有1 個豎狀的矩形縫隙，使其與河道內(nèi)水位相一致。與此同時，由于孔隙的存在以及河道上游來水的影響，挖出的底泥會通過孔隙隨著水流的流動而擴(kuò)散。本文在確定所圍區(qū)域一定的情況下，研究不同孔隙對底泥污染物的擴(kuò)散的影響。假定孔隙寬度為0.3 m、0.5 m、1 m等方案研究下游特定點位置的污染物濃度。圖2為近封閉方案，孔隙寬度為1 m 的模型。

圖2 近封閉方案示意圖（dm）Fig.2 Schematic diagram of a near-enclosed dredging auxiliary device（dm）

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 控制方程

軟件將N-S 方程作為控制方程，運用雷諾平均法進(jìn)行求解[9]。

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：i、j=1、2、3，分別表示x、y、z方向；ui、uj為i、j方向速度；t為時間；Aj為計算單元j方向的面積；VF為各計算單元水的體積分?jǐn)?shù)；ρ為水的密度；P為壓強(qiáng)；gi為i方向重力加速度；xi、xj分別為i方向和j方向坐標(biāo)分量；fi為i方向雷諾應(yīng)力[10-11]。

湍流模型：

RNG k-ε 模型能夠高效求解流線彎曲大的流動[12-13]。其中：

湍動能方程：

湍動能耗散率方程：

式中：k為湍動能，m2/s2；ε 為湍動能耗散率，kg·m2/s2；μ 為流體動力黏滯系數(shù)，N·s/m2；μt為流體湍動黏度，μt=ρCμk2/ε，N·s/m2；αε，αk，C1ε和C2ε是常數(shù)，αε=αk=1.39；C*1ε=C1ε-η（1-η/η0）/（1+βη3），其中η=（2EijEij）0.5k/ε，Eij=1/2（?ui/?xj+?uj/?xi），η0=4.337，β=0.012，C1ε=1.42；C2ε=1.68；Gk為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項，由Gk=μt（?ui/?uj+?uj/?ui）?ui/?uj定義[14]。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格的劃分質(zhì)量影響著模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對模型采用非均一性網(wǎng)格進(jìn)行劃分。因擋板處區(qū)域為底泥污染物擴(kuò)散的重要觀察區(qū)域，為了能夠準(zhǔn)確模擬出擴(kuò)散的過程，對擋板處區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格嵌套處理。整體進(jìn)行長×寬×高均為0.8 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，嵌套區(qū)域進(jìn)行長×寬×高均為0.1 m 的網(wǎng)格劃分。

2.3 模型邊界條件及初始條件設(shè)置

1） 邊界條件：根據(jù)所概化河段最低通航水位，設(shè)置模型邊界條件。模型上游進(jìn)口邊界條件設(shè)置為流量邊界，給定上游水流量100 m3/s；模型下游出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界，給定對應(yīng)的水深8 m；左、右岸以及模型底部給定壁面邊界；模型頂部給定壓力出口，其中fluid fraction設(shè)置為0，即模型頂部為大氣壓。擋板內(nèi)污染物擴(kuò)散速率為一定值，考慮到挖斗的大小等實際情況，給定污染物擴(kuò)散速率為1 m3/s。

2） 初始條件設(shè)置：模型單位設(shè)置為SI 國際單位制，流體選定為20 ℃水，重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2。為了能夠更加清楚和準(zhǔn)確地知道模型計算穩(wěn)定情況，在進(jìn)出口上下游位置設(shè)置監(jiān)測斷面，可以觀測特定斷面的流量、流速變化，當(dāng)流量瞬時變化相差很小時，即可認(rèn)為模型計算穩(wěn)定[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 半封閉方案

從半封閉方案模擬結(jié)果中定性分析可知：邊界條件設(shè)置一樣的情況下，只改變擋板長度，底泥污染物的擴(kuò)散是受到影響的。從擴(kuò)散云圖中可知，當(dāng)擋板較短時，底泥污染物到達(dá)擋板尾端時會迅速往河道兩岸擴(kuò)散，并且擴(kuò)散范圍較大，污染物隨水流向下游移動時，污染物濃度仍然較大。

隨著擋板的加長，底泥污染物在擋板尾端會向兩岸及下游擴(kuò)散，但是較擋板短的模型，擋板長的模型底泥污染物往兩岸擴(kuò)散的范圍有著明顯的減小；污染物濃度較大的區(qū)域在擋板內(nèi)部并且隨著擋板的增長擋板內(nèi)污染物濃度也增大，向擋板外擴(kuò)散的污染物會減少；擋板對污染物擴(kuò)散有減弱作用，隨著擋板的加長效果有逐漸變好的趨勢。半封閉方案污染物擴(kuò)散云圖如圖3 所示。

圖3 半封閉方案污染物擴(kuò)散Fig.3 Pollutant dispersion with a semi-closed dredging auxiliary device

為了更加清楚地表明不同擋板長度對污染物擴(kuò)散的阻礙效果，對各個擋板長度的結(jié)果進(jìn)行污染物濃度分析。因為污染物均是隨著水流往下游擴(kuò)散沒有逆流而上的情況出現(xiàn)，本文選取下游特定點位置的污染物濃度的變化進(jìn)行分析從而判定半封閉模型下?lián)醢宓淖顑?yōu)長度。選取輔助裝置左岸L1、L2、L3，右 岸R1、R2、R3，中 間M1、M2、M39 個點，提取各個擋板長度的污染物瞬時濃度，如圖4 所示。擋板長度為20 m、30 m 時位置點M1 處污染物濃度較大，為3%，隨著擋板長度的增長，污染物濃度減小降為1.5%。分析下游各個位置污染物濃度的結(jié)果可知，40 m、50 m、60 m時擋板效果較好并且三者無太大差別，從經(jīng)濟(jì)和效益上考慮，長度為40 m 時效果較優(yōu)。

圖4 半封閉模型各位置點污染物濃度Fig.4 Concentration of pollutant at various locations in the semi-closed model

3.2 近封閉方案

近封閉方案模擬的計算結(jié)果可知，當(dāng)孔隙寬度為0.3 m、0.5 m 時，在污染物擴(kuò)散云圖（圖5）中顯示污染物從擋板內(nèi)區(qū)域通過孔隙往河道內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域和速率較為一致，沒有看到較大的區(qū)別。當(dāng)孔隙變?yōu)? m 時，擋板內(nèi)的污染物會大量往外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍和速率均有較大增加。

圖5 近封閉方案污染物擴(kuò)散Fig.5 Pollutant dispersion with a near-closed dredging auxiliary device

同樣提取下游各點處的污染物濃度，如圖6所示。近封閉污染物擴(kuò)散主要集中在有空隙的右側(cè)；孔隙寬度為1 m 和0.3 m 時右側(cè)位置點R1污染物濃度為0.7%，孔隙寬度為0.5 m 時點R1污染物濃度為0.2%，寬度1 m 和0.3 m 較寬度0.5 m污染物濃度有明顯的增加。右側(cè)點R2、R3污染物濃度相比較，不同孔隙寬度R2點污染物濃度為0.3%，不同孔隙寬度R3點污染物濃度為0.2%，表明不同孔隙寬度的污染物抑制擴(kuò)散效果相同。

孔隙寬度為0.5 m 時距離擋板位置較近點R1處污染物濃度較低、其他位置點不同孔隙寬度對污染物抑制擴(kuò)散效果相似，阻礙污染物擴(kuò)散效果較優(yōu)。

3.3 最優(yōu)方案選取

通過3.1 節(jié)、3.2 節(jié)分析可知，孔隙為0.5 m為近封閉最優(yōu)方案，擋板長度為40 m 時為半封閉最優(yōu)方案。為了確定環(huán)保疏浚輔助設(shè)施的最優(yōu)方案，選取兩者的最優(yōu)方案對污染物濃度進(jìn)行比較，如圖7—圖9 所示。近封閉方案的各點污染物濃度均明顯小于半封閉方案。2 種方案對比，0.5 m的近封閉方案減小污染效果更佳。

圖7 右岸點近封閉與半封閉方案污染物濃度對比Fig.7 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at right bank point

圖8 中間點近封閉與半封閉方案污染物濃度對比Fig.8 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices in the middle point

圖9 左岸點近封閉與半封閉方案污染物濃度對比Fig.9 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at left bank point

4 結(jié)語

本文通過對挖泥船底泥污染物擴(kuò)散進(jìn)行三維模擬研究，得到以下結(jié)論：

1） 半封閉方案，隨著擋板的加長，模型底泥污染物往兩岸擴(kuò)散的范圍明顯減小；污染物濃度較大的區(qū)域在擋板內(nèi)部并且隨著擋板的增長而增大，向外擴(kuò)散的污染物減少；擋板大于40 m 時減小污染濃度的效果差別不大。

2） 近封閉方案，污染物擴(kuò)散主要集中在空隙的右側(cè)；當(dāng)孔隙寬度小于0.5 m 時，污染物從擋板內(nèi)區(qū)域通過孔隙往河道內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)域和速率較為一致。當(dāng)孔隙大于1 m 時，擋板內(nèi)污染物會大量往外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍和速率均有較大增加。

3） 半封閉和近封閉方案，均能使污染物影響范圍減小，河道內(nèi)污染物濃度降低，擋板內(nèi)污染物擴(kuò)散速率降慢。當(dāng)選用半封閉方案時，擋板長度為40 m 時效果最優(yōu)；當(dāng)選用近封閉方案時，孔隙為0.5 m 時效果最優(yōu)。2 種方案對比，孔隙為0.5 m 的近封閉方案減小污染效果更佳。