悬浮物对海洋环境影响的研究——以董家口港油品码头建设工程为例

赵迎春,王海棠

(国家海洋局北海海洋勘察研究院 青岛 266033)

悬浮物对海洋环境影响的研究
——以董家口港油品码头建设工程为例

赵迎春,王海棠

(国家海洋局北海海洋勘察研究院 青岛 266033)

文章利用MIKE21FM水动力模型,对董家口港油品码头工程海域进行潮流数值模拟,在潮流模拟验证吻合的基础上,建立了悬浮物输移、扩散预测模型,预测了工程在基槽开挖、块石抛填、回填溢流和港池疏浚过程中引起的悬浮物浓度,给出了悬浮泥沙的最大扩散范围,以及各类水质的超标面积,分析了工程对海洋水质环境的影响。

董家口港;数值模拟;悬浮物;环境影响

董家口港区是国家枢纽港——青岛港的重要组成部分,是以大宗散货、液体化工品及杂货运输为主,逐步发展成为服务腹地物资运输和临港产业开发的大型综合性港区,是青岛市“环湾保护、拥湾发展”战略实施的核心组成部分。作为青岛港优化港口布局和实现可持续发展的重要依托,董家口港在油品码头的建设中,港池疏浚、吹填和基槽开挖引起的悬浮物输移扩散,对海域的水质产生影响,其程度不但与工程区底质有关,而且与海域水动力状况、疏浚方式等密切相关[1]。本研究采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型MIKE21FM,预测工程施工产生的悬浮泥沙输移扩散对海洋环境的影响。

1 潮流数值模型

1.1 模型控制方程

质量守恒方程

动量方程

式中:ζ为水位;h为静水深;H为总水深,H=h+ζ;u、v分别为x、y方向垂向平均流速;g为重力加速度;f为科氏力参数(f= 2ωsinφ,φ为计算海域所处地理纬度);CZ为谢才系数,,n为曼宁系数;εx、εy为x、y方向水平涡动黏滞系数。

1.2 定解条件

初始条件:

边界条件:

固定边界取法向流速为0,即→v·→n=0;在潮滩区采用动边界处理;水边界采用预报潮位控制:

式中:A0为平均海面;Fi、(v0+u)i为天文要素;Hi、gi为某分潮调和常数,即振幅与迟角。

1.3 计算域和网格设置

计算域范围[2]为由灌河口、崂山湾两点及岸线围成的海域,模拟采用非结构三角网格。坐标范围为34°17′50″N～36°16′11″N, 119°05′42″E～120°33′52″E。为了清楚了解和研究海域潮流场特征,对计算网格进行局部加密。加密区域为由35°30′N线、120°01′E线及岸线围成的海域。整个模拟区域内由2 681个节点和4 620个三角单元组成,最小空间步长约为10 m(图1)。

图1 拟建油品码头及引桥周边网格分布

1.3.1 大海域模型水边界输入

开边界:引用灌河口、崂山湾的M2、S2、K1和O14个主要分潮调和常数,采用下述公式进行预报潮位,以预报潮位值输入计算。

式中:fi、i为第i个分潮(这里共取4个分潮:M2、S2、O1和K1)的交点因子和角速度;Hi和Gi是调和常数,分别为分潮的振幅和迟角;V0i+Vi是分潮的幅角。

闭边界:以大海域和工程周边岸线作为闭边界。

1.3.2 计算时间步长和底床糙率

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整,确保模型计算稳定进行,最小时间步长

0.1 s。底床糙率通过曼宁系数进行控制,曼宁系数n取32～45 m1/3/s。

1.3.3 水平涡动黏滞系数[3]

采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky (1963)公式计算水平涡黏系数,表达式如下:

式中:Cs为常数;l为特征混合长度,由Sij=计算得到。

1.4 潮流数值模型及验证

利用2008年12月14日—15日国家海洋局北海海洋工程勘察研究院于大潮期在工程海域进行的两个站位潮流和潮位观测资料,绘制了实测和计算的潮流潮位验证曲线 (图2和图3)。由图2可以看出,计算值和实测值符合良好,能较好地反映工程周边海域潮流状况。

图2 潮位验证曲线

图3 03站流速、流向验证曲线

1.5 潮流场预测结果

根据工程给出的油品码头及引桥位置和竣工后的水深,预测了工程建成后的海域流场,由计算知海域整体流场与工程前流场相比,变化不大,只在工程附近海域,流场有较大的变化(图4和图5)。图6为工程前后潮流场比对点,表1为各点比对结果。

结果显示,油品码头及引桥西侧1 500 m以外海域流速变化小于15%,南侧各点流速变化小于3%,东侧代表点流速变幅小于6%,因此,本工程建设对潮流场的影响位于项目用海区1 500 m范围内。

图4 工程海域预测潮流场 (涨潮中间时)

图5 工程海域预测潮流场 (落潮中间时)

图6 流速、流向对比点位置

2 悬浮泥沙扩散对环境的影响

2.1 水质预测模型

潮流是海域污染物进行稀释扩散的主要动力因素,在获得可靠的潮流场的基础上,通过添加水质预测模块 (平面二维非恒定的对流—扩散模型),可进行水质预测计算。

2.1.1 二维水质对流扩散控制方程

式中:Dx、Dy为x、y方向的扩散系数;c为污染物浓度;F为衰减系数,模型中取F=0;s为污染物源强,s=QS×CS,其中QS为排放量,CS为浓度。

2.1.2 边界条件

岸边界条件:浓度通量为零;

开边界条件:

入流

式中:Γ为水边界;P0为边界浓度,模型仅计算增量影响,取P0=0。

出流

式中:Un边界法向流速;n为法向。

2.1.3 初始条件

2.2 入海悬浮泥沙源强分析

2.2.1 基槽开挖

采用容量为8 m3的抓斗式抓泥船,每小时按挖泥12斗计,工作能力为96 m3/h,泥水比为2∶3,悬浮泥沙发生量一般为抓泥量的3%～55%[4],分析采用悬浮泥沙的最大发生率5%计,悬浮物发生量为1.41 kg/s。

2.2.2 块石抛填

抛石一方面由于细颗粒泥沙带入水中增加水体悬浮物浓度;另一方面抛石挤出的泥沙清除过程也产生颗粒悬浮物。对于前者工程填海采用抛大块石挤淤,细颗粒泥沙含量极小,当填筑高程高于地面时,填筑料对水体影响更小,故这里不计抛石直接带入水中的泥沙。抛石挤淤形成的颗粒物悬浮源强按下式计算:

式中:S1为抛石挤淤的悬浮物源强(kg/s);θ1为沉积物天然含水率 (%);ρ1为淤泥中颗粒物湿密度(g/cm3);α1为泥沙中悬浮物颗粒所占百分率(%);P为平均挤淤强度,根据施工方案,P取0.007 5 m3/s。因此,抛石点源的悬浮 泥沙平均源强约为3.80 kg/s。

表1 距工程不同距离处最大流速、流向对比

2.2.3 回填溢流

根据溢流口位置,回填区的泥浆水流经分隔围堰、多道防污屏沉隔、布设双层土工布,最后经排水口排出。根据 《山东半岛流域水污染综合排放标准》中一级标准,SS浓度应小于70 mg/L,根据施工现场经验,溢流口悬浮泥沙浓度很难控制在标准要求范围内,实际最大浓度可达2 500 mg/L。回填全部采用陆域推填,装载车载重量为20 m3,每小时卸车30车,则溢流口泥沙溢流速度为600 m3/h。由此计算,溢流口悬浮泥沙源强可达0.42 kg/s。

2.2.4 港池疏浚[5]

采用1 500 m3/h自航耙吸式挖泥船挖泥,耙吸式挖泥船挖泥过程搅动水体产生的悬浮泥沙量与挖泥船类型与大小、耙头种类、水力吸入能力的大小、作业现场的波浪与水流、现场水盐度、底质粒径分布有关;一般距耙头10～15 m距离处水中SS浓度增加值不超过50 mg/L。疏浚满舱溢流泥沙量(Q值)最大为15 t/h,悬浮泥沙源强为4.2 kg/s。

2.3 入海悬浮泥沙发生点位置

为了获得悬浮泥沙扩散最大外包络线,基槽开挖、块石抛填、回填溢流和港池疏浚泥沙发生点均设置在相应位置的外边缘线处。

2.4 预测悬浮泥沙浓度增量分布

本工程大潮期间基槽开挖、块石抛填、回填溢流和港池疏浚施工环节中产生的悬浮泥沙扩散范围[6]如表2所示。将以上施工过程产生的悬浮泥沙扩散范围叠加后,可知大潮期间施工产生悬浮泥沙的最大扩散范围 (图7)。施工期间产生的悬浮泥沙10 mg/L等值线向北最大扩散距离约为1.7 km,向东最大扩散距离约为2.1 km,向南最大扩散距离约为3.4 km,向西最大扩散距离约为3.0 km。10 mg/L等值线最大影响范围包络线所围面积约为25.656 km2。

表2 工程施工各环节产生悬浮泥沙扩散最大范围 km2

图7 工程施工产生悬浮泥沙最大扩散范围

3 环境影响分析

根据海水水质标准GB 3097—1997可知,港池疏浚对海水影响面积最大,超一 (二)类水质面积达24.546 km2;劣四类水质面积为0.837 km2。其次为基槽开挖,影响范围最小的是回填溢流。工程施工所产生的悬浮泥沙对水质环境的影响主要位于工程用海区南侧,北侧由于现有坝体的阻隔对水质基本无影响,在此小范围内,会对浮游生物的生长和繁殖造成一定影响;但施工结束后,水体中悬浮物含量会很快恢复到施工前的本底水平。鱼类对悬浮体污染的耐受性较强,一般而言,当悬浮体浓度不超过200 mg/L,而且影响时间较短时,不会直接导致鱼类死亡,而且鱼类具有游泳能力,可以逃避到周围无害的海域;从图8中可以看出,在距工程西南向5 km2处有日照市西施舌海洋保护区,根据施工期悬浮泥沙扩散数值模拟,施工期间产生的悬浮泥沙10 mg/L等值线向西最大扩散距离约为3.0 km,因此本工程不会对其产生影响。另外,因港口的规划建设已对周边的养殖业进行了搬迁和补偿,工程用海范围已经没有养殖业户,悬浮泥沙的污染扩散也将随工程的结束而停止,所以对养殖业不产生影响。

4 结束语

采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型MIKE21FM,建立的悬浮物输移、扩散模式,适用于码头基槽开挖、港池疏浚等产生的悬浮物的输运扩散,根据工程情况采用间断源计算更加符合实际。悬浮物输运扩散计算表明,在正常作业情况下,悬浮物只对海区码头西、南侧3.0 km范围内有影响,对其他水域不构成威胁。基槽开挖期间不会对海区生物的生长和生存造成明显影响;港池疏浚作业过程中,在局部小范围内对少数渔业种类的幼体生存造成影响。

[1] 徐明德,娄安刚.Study on prediction for transportand diffusion of dredged matter in Jiaozhou Bay, China[J].海洋与湖沼,2001,19(3).

[2] 陈国珍,钮因义,文圣常,等.渤海、黄海、东海海洋图集.水文[M].北京:海洋出版社,1992.

[3] SMAGORINSKY J.General circulation experiment with the primitive equations[J].Monthly Weather Review,1963,91(3)99-164.

[4] GALAPPATTI G.A depth-integrated model forsuspended sediment transport[J].Journal of Hydraulic Research,1985,23(4).

[5] 匡良,娄安刚,杨毅,等.海阳港码头扩建工程悬浮物对海洋环境影响预测研究[J].中国水运,2007,7 (2):67-70.

[6] 唐军,沈永明,邱大洪.近岸沿岸流及污染物运动的数值模拟[J].海洋学报,2008,30(1):148-155.