绞吸式挖泥船疏浚中泥沙悬浮输送的数值模拟

夏　波，杨　刚，陈绍文，黄筱云

(1.长沙理工大学，湖南　长沙　410114；2.广东金东海集团有限公司，广东　汕头　515041)



绞吸式挖泥船疏浚中泥沙悬浮输送的数值模拟

夏波1，杨刚1，陈绍文2，黄筱云1

(1.长沙理工大学，湖南长沙410114；2.广东金东海集团有限公司，广东汕头515041)

夏波(1981—)，博士，讲师，主要从事水流泥沙运动及其环境效应研究；

杨刚(1992—)，研究生，从事水流泥沙运动数值模拟研究；

陈绍文(1964—)，高级工程师，从事疏浚工程施工与优化研究；

黄筱云(1980—)，讲师，从事波浪运动数值模拟研究。

摘要：为了合理描述绞吸式挖泥船疏浚施工对泥沙悬浮扩散的影响，文章将绞吸式挖泥船疏浚施工引起的泥沙再悬浮源强计算公式引入水流泥沙数学模型中，并将该模型应用于天津海滨旅游区临海新城吹填项目中，计算分析了疏浚施工作业过程中泥沙悬浮扩散的强度及范围，为进一步采取工程措施降低疏浚泥沙再悬浮对环境的影响提供了技术支持。

关键词：绞吸式挖泥船；疏浚；泥沙再悬浮；再悬浮源强；数值模拟

0引言

疏浚作业是港口、航道与海岸工程中最常见的工程技术手段之一，被广泛应用于改善港口及航道通航条件、防止水库河道淤塞、开采水下矿物、利用泥沙形成陆域等方面。近年来，随着经济的高速发展和工业化进程的加快，大量污

染物进入水体中，吸附在悬浮颗粒上运动迁移，并最终沉积在水底床面，形成一定厚度的污染底泥，成为影响水环境质量、威胁用水安全的又一重要污染源。因此，在增加港口、航道水深的同时，疏浚作业也会引起局部水域悬浮泥沙浓度显著增加，甚至释放出毒害物质使水体遭受污染，给水体生态环境带来不利影响。

一方面，疏浚施工使得已沉积的泥沙颗粒及絮凝体在水流作用下再次运动和扩散至水体中。在疏浚机具的切削作用下，施工地点的底泥颗粒迅速脱离床面，其中：绝大部分被疏浚设备输送转移至其他位置；部分沉速较大的粗颗粒泥沙在疏浚地点迅速沉降至床面；少部分沉速较小的细颗粒泥沙将在水体中较长时间保持悬浮状态，在水流作用下运动和扩散至较大范围。

另一方面，沉积在床面的底泥颗粒尤其是细颗粒泥沙吸附着大量的污染物，在疏浚施工过程中悬浮至水体后将解吸释放污染物至水体中，而水流作用将使得再悬浮颗粒进一步输送和扩散，在更大范围水域内造成污染物的大量释放，其影响范围及程度取决于泥沙颗粒的物理化学性质、再悬浮总量及输移运动范围。

从疏浚施工引起局部水域悬浮泥沙浓度和相关污染物浓度增加的影响因素来看，准确计算疏浚作业引起的泥沙再悬浮及污染物释放取决于如下三个关键过程：(1)疏浚施工引起的泥沙再悬浮强度；(2)悬浮泥沙解吸释放污染物；(3)悬浮泥沙及污染物在水动力作用下的迁移运动。有部分学者研究了疏浚过程中的泥沙悬浮扩散现象，但是由施工引起的泥沙悬浮强度多采用经验数据，不能反映施工工艺及参数对泥沙悬浮扩散的影响。本文基于疏浚再悬浮源强计算公式和水动力数学模型，建立了能准确描述疏浚工程中泥沙悬浮输送的平面二维数学模型，模型能合理描述不同疏浚过程中泥沙悬浮扩散的强度及范围，可为疏浚施工提供参考。

1疏浚过程中泥沙悬浮输送的数学模型

1.1控制方程

1.1.1水流运动方程

在笛卡儿直角坐标系下，平面二维水流数学模型采用沿水深积分的时均连续方程和运动方程，其表达式为：

(1)

(2)

(3)

式中：t——时间；

x、y——分别为x轴和y轴方向；

ζ——从平均海平面起算的水位高度；

U、V——分别表示x和y方向垂向平均流速；

H——总水深；

f——科氏力系数；

ps——表面大气压力；

ρ0——水密度；

g——重力加速度；

(η+γ)——牛顿潮势和固体潮作用；

τsx、τsy——风应力和波浪辐射应力的x和y向分量；

τbx和τby、Dx和Dy、Bx和By分别代表底部切应力、扩散项以及斜压梯度的x和y向分量。

1.1.2泥沙运动方程

在笛卡尔直角坐标系下，泥沙输送的二维数学模型控制方程为：

(4)

式中：h——水深；

Si——第i组分的垂线平均含沙量；

S——水动力作用下的挟沙能力；

u、v——分别为沿x方向和y方向的流速；

Dxx、Dyy——分别为x方向和y方向的扩散系数；

α——沉降几率或恢复饱和系数；

RS——疏浚工程引起的泥沙再悬浮源强。

1.1.3疏浚过程中泥沙再悬浮源强计算公式

疏浚作业导致河床底泥在移除的过程中向水体中悬浮和扩散，悬浮强度与沉积物特性、现场水文地质特征以及施工情况相关，目前，可采用的特定预测模型有中井TGU法[1]、柯林斯模型[2]、海耶斯模型[3]。

本研究采用Collins模型计算分析绞吸式挖泥船疏浚作业引起的泥沙再悬浮的强度，Collins(1995)分析整理了美国陆军工程兵团一系列疏浚项目的现场监测数据，认为底泥再悬浮与泥沙特性、挖泥船类型、施工特征及参数密切相关，针对绞吸式挖泥船提出了如下计算公式：

(5)

式中：RS——泥沙再悬浮率(kg/s)；

ρ——泥沙干密度(kg/m3)；

FF、FD——分别为根据现场实测数据所得的回归参数，FF与铰刀尺寸和泥沙中值粒径相关，FD与铰刀尺寸和铰刀切割厚度相关；

Vs——铰刀摆动速度(m/s)；

Vi——吸泥管吸泥速度(m/s)；

Vt——铰刀刀锋速度(m/s)；

Dch——铰刀直径(m)；

Lch——铰刀长度(m)；

1.2数值方法

采用有限单元法和有限差分法相结合的办法来求解，在空间上采用有限单元法，利用三角形网格进行离散，以适应复杂的边界条件，较好地描述岸线以及近岸地形变化。时间上则采用有限差分法以提高计算速度，采用半隐式法来求解方程。

2模型应用

2.1研究内容

天津滨海旅游区的临海新城是天津滨海新区的八大功能区之一，是一个典型的围海造地项目，规划陆域面积7 km2，全为疏浚吹填项目。为研究吹填疏浚作业引起局部海域泥沙浓度增加的影响范围和程度，本研究根据当地水文条件，建立了潮汐水动力学数学模型来模拟工程所在海域的流场流态，在此基础上，根据工程的施工进度安排和施工方案，建立疏浚再悬浮影响下的泥沙运动数学模型，模拟计算了不同潮动力条件下绞吸式挖泥船疏浚作业时泥沙再悬浮强度、悬浮泥沙的输移扩散范围。本研究模拟了两个不同工况：(1)工况1，摆动速度0.3 m/s，转速20 rpm，源强4.05 kg/s；(2)工况2，摆动速度0.3 m/s，转速30 rpm，源强11.44 kg/s。

2.2计算结果分析

2.2.1流场流态计算结果

为研究天津海滨旅游区临海新城附近水域的水动力特性，建立了平面二维潮流数学模型，采用2005年4月2～3日在天津港附近海域所采集的全潮水文观测数据(测点如图1所示)对模型进行验证，潮位、流速和流向验证结果如图2所示。由图2可知，数学模型计算结果与实测结果有较好的一致性，所建模型较好地反映了工程海域的潮流流动规律。

图1　2005年4月全潮水文测站布置示意图

(a)潮位计算结果与实测值

(b)1#测站流速流向计算结果

(c)2#测站流速流向计算结果与实测值

(d)3#测站流速流向计算结果与实测值

2.2.2泥沙再悬浮影响范围及程度

以泥沙浓度增幅>0.05 kg/m3作为疏浚施工的影响范围，图3为疏浚施工作业1 d引起的泥沙再悬浮影响范围及程度示意图，从计算结果来看，疏浚施工引起的泥沙再悬浮及输移扩散范围位于吹填区域围堤附近，对应工况1，影响范围沿岸线方向约1.0 km，垂直岸线方向约2.0 km，泥沙浓度最大增量约0.25 kg/m3；对应工况2，影响范围沿岸线方向约2.0 km，垂直岸线方向约3.0 km，泥沙浓度最大增量约0.48 kg/m3。

(a)工况1源强4.05 kg/s

(b)工况2，源强11.44 kg/s

3结语

为合理描述疏浚过程中不同施工方法及参数情况下泥沙悬浮的强度，本文将疏浚再悬浮源强的计算公式引入水流泥沙数学模型中，建立了能准确描述疏浚工程中泥沙悬浮输送的平面二维数学模型，计算分析了天津海滨旅游区临海新城吹填项目疏浚施工作业过程中泥沙悬浮扩散的强度及范围，为进一步采取工程措施降低疏浚泥沙再悬浮对环境的影响提供了技术支持。

参考文献

[1]Nakai，O.Turbidity generated by dredging projects，management of bottom sediments containing toxic substances[C].Proceedings of the Third U.S.-Japan Experts Meetings.1978.EPA-600/3-78-084，1-47.

[2]Collins，M.A.Dredging-induced near-field resuspended sediment concentrations and source strengths[D].Vicksburg，MS：U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station，1995.

[3]Hayes，D.F.，T.R.Crockett，T.J.Ward，and D.Averett.Sediment resuspension during cutterhead dredging operations[J].Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2000，126(3)：153-161.

Numerical Simulation of Suspended Sediment Transport During the Dredging of Cutter-suction Dredger

XIA Bo1，YANG Gang1，CHEN Shao-wen2，HUANG Xiao-yun1

(1.Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan，410114；2.Guangdong Jind-onghai Group Co.，Ltd.，Shantou，Guangdong，515041)

Abstract：In order to reasonably describe the impact of dredging construction by cutter-suction dredger on sediment suspended diffusion，this article introduced the sediment resuspension source intensity calculation formula caused by dredging construction of cutter-suction dredger into the water-flow sedi-ment mathematical model，and applied this model to the Waterfront New City reclamation project of Tianjin Seaside Tourist Area，calculated and analyzed the strength and scope of suspended sediment diffusion during the dredging operations，thereby providing the technical support for taking further engi-neering measures to reduce the environment impact by dredging sediment resuspension.

Keywords：Cutter-suction dredger；Dredging；Sediment resuspension；Resuspension source intensity；Numerical simulation

收稿日期：2016-02-03

文章编号：1673-4874(2016)02-0096-05

中图分类号：U616

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.022

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