长江航道疏浚悬浮物扩散数值模拟研究

冯桃辉

摘要：指出了长江航道疏浚产生的高浓度悬浮物对水域環境具有危害性，因此对悬浮物扩散的模拟是航道整治环境影响评价重要内容之一。以长江中游太平口水道为例，以MIKE 21模型为基础建立了二维“水动力-水质”数学模型，模拟悬浮物扩散输移情况，为评价航道疏浚施工环境影响、采取有效的环境管理和保护措施、减少环境危害提供科学依据。

关键词：航道疏浚；悬浮物扩散；数值模拟；环境影响评价

中图分类号：U616

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8004704

1引言

“十二五”期间以来，国务院把加快建设长江“黄金水道”上升为国家战略。疏浚是长江航道整治工程主要的建设内容之一。在施工过程中，河床在挖泥船搅动下产生悬浮泥沙，并受水流作用而扩散，导致疏浚区域周边及下游水域悬浮物浓度增加，恶化水体环境质量，威胁水生生态环境健康，影响水体使用功能[1]。

太平口水道位于长江中游荆江河段荆州市城区，上起陈家湾，下至玉和坪，全长20 km，江中三八滩将河道分为左右两汊。其中北汊淤积明显，水深不足，需采取疏浚切滩措施，尽快较大幅度的恢复北汊过流能力，见图1。采用1艘1600 m3/h绞吸挖泥船对三八滩左汊低滩进行疏浚切滩，超深为0.5 m，超宽为5 m，两侧边坡为1∶5，抛投区设置在水道出口的深槽内。该水道及下游河段共计分布4个长江取水口，其中三个县级以上取水口已完成集中式生活饮用水源地保护区区划，其中水源地保护区一级保护区内水环境工程为Ⅱ类水体，其余水域为Ⅲ类。

2二维“水动力-水质”模型

2.1模型的基本方程

利用MIKE21水动力模块（FM模块）和对流扩散模块（AD模块），建立平面二维“水动力-水质”模型，MIKE21污染物对流扩散模块控制方程由描述水流运动的纳维—斯托克斯方程组（包括水流连续性方程、x和y方向运动方程）和描述污染物物质浓度对流扩散方程组成。

2.2模型定解条件

（1）边界条件。开边界在进口处给定流量和浓度值；出口给定水位和浓度值。闭边界沿垂向方向的流速与浓度分量等于零。动边界以0.005 m为临界水深。

（2）初始条件。初始水动力条件即是指的初始水位条件及初始流速条件，初始水位是在出口水位的基础上假定一比降赋值得到；初始流速则是由给定的初始水位以及初始的流量值计算得到。初始水质条件即为给定计算开始时刻污染物的浓度值。

2.3计算网格布置

二维计算网格由MIKE软件绘制，并使用三角形的网格形式。计算网格最大面积为5000 m2，三角形网格允许最小角度为30°（图2）。

2.4参数取值

（1）糙率系数通过沙市水文测站的2015年1月实测资料进行反求率定，为0.012。

（2）紊动粘性系数采用Smagorinsky公式计算，为0.28。

（3）降解系数kp=αω/h （5）

式中：kp为物质线性降解系数，s-1；α为恢复饱和系数，取0.25；ω为泥沙沉速，m/s；h为水深，m。应注意不同水流计算条件下h取值不同。其中，沉速采用Stocks球体沉速公式计算：

ω=118γs-γγgd2/υ （6）

式中：υ为水流运动粘性系数，取10-6m2/s；d为沉降的泥沙颗粒直径；γ为水的重度，γS=9800×2.65=25970 N/m3和泥沙的重度。

计算参数选取结果见表1。

3模型的验证

2015年1月在太平口水道5个水文断面进行观测（从上至下分别为：1-1#、2-1#、SW3#、NSW5#、3#），并利用同步地形数据的基础上分别对这个流量级进行了模型验证，测时流量为7042 m3/s，出口水位为29.21 m。整体上来看，流态符合实测地形布置，水位的计算值与实测值吻合也较好，大部分测点的水位误差都在0.10 m以内，流速分布与实测流速分布吻合较好，平均误差约0.37 m/s。模型计算值与实测值吻合好，精度较高，通过验证确定水道糙率为0.012较为合理。所以，该数学模型能较好的实现对本河段的模拟。验证见图3～5。

4计算预测结果

4.1计算条件

（1）水流条件。根据施工安排，该水道施工期安排在平水期和枯水期，根据2014年沙市水文站实测数据，平水期流量及出口水位为12800 m3/s、35.47 m，枯水期流量及出口水位为7500 m3/s、30.69 m。

（2）疏浚源强。根据于天津港现场模拟试验中1600 m3/h绞吸式挖泥船的实测作业结果，推算本项目于太平口水道疏浚源强为2.5 kg/s，持续时间3 h。

4.2预测结果

在预测航道疏浚对水环境的影响时，以悬浮泥沙增加量作为主要指标，根据《渔业水质标准》（GB11607-89）“人为增加的量不得超过10 mg/L”，取10 mg/L作为悬浮泥沙安全影响的临界浓度。在关注悬浮泥沙最大浓度值，超出10 mg/L范围的长度、最大宽度及面积情况下预测河段悬浮泥沙扩散过程并绘制悬浮泥沙扩散范围包络线。

（1）平水期。疏浚后悬浮泥沙呈带状向下游及旁侧扩散，纵向扩散速度明显大于横向扩散速度，近源处浓度最大，约210 mg/L；远源处浓度不断减小直至达到0浓度。前1 h 10 min悬浮泥沙扩散较快，之后直至3 h扩散范围几乎保持不变，疏浚完成后，泥沙贴近左岸向下游飘移且悬浮泥沙浓度迅速降低，约50 min河段悬浮泥沙浓度便均降至10 mg/L以下，工程河段几乎恢复初始状态。疏浚悬浮泥沙扩散范围最大长度不超过3.3 km，宽度不超过470 m，面积不超过1.07 km2。见表2及图6。

（2）枯水期。根据预测，疏浚后悬浮泥沙呈带状向下游及旁侧扩散，纵向扩散速度明显大于横向扩散速度，近源处浓度最大，约222 mg/L；远源处浓度不断减小直至达到0。前50 min悬浮泥沙扩散较快，之后直至3h扩散范围几乎保持不变，疏浚完成后，泥沙贴近左岸向下游飘移且悬浮泥沙浓度迅速降低，约35 min河段悬浮泥沙浓度便均降至10 mg/L以下，工程河段几乎恢复初始状态。疏浚中悬浮泥沙最大扩散范围的长度不超过2.9 km，宽度不超过493 m，面积不超过1 km2。见表3及图7。

5结果分析

本文利用利用MIKE21水动力模块（FM模块）和对流扩散模块（AD模块），建立平面二维“水动力-水质”模型，针对施工期（平水期和枯水期）发生疏浚泥沙扩散进行了预测，结果表明在以下几个方面。

（1）根据预测结果，疏浚悬浮泥沙在水流的作用下呈带状向下游及旁侧扩散，纵向扩散速度明显大于横向扩散速度。平水期最大浓度约210 mg/L，悬浮物浓度增量大于10 mg/L最大扩散范围的长度不超过2.9 km，宽度不超过493 m，面积不超过1 km2。枯水期最大浓度约222 mg/L，悬浮物浓度增量大于10 mg/L最大扩散范围的长度不超过2.9 km，宽度不超过493 m，面积不超过1 km2。

（2）由于疏浚区域在南湖水厂取水口及水源地保护区内，疏浚作业对南湖水厂取水水质和保护区水质造成影响，疏浚泥沙扩散范围不涉及其它取水口及水源地保护区范围。因此，南湖水厂在疏浚作业期间应停止取水，平水期在疏浚作业停止50 min后可取水，枯水期则在疏浚作业停止31 min后可取水。

（3）根据相关的研究表明[2～4]，悬浮泥沙对水中透明度、营养盐释放或吸附、浮游植物及浮游动物产生影响，浮游植物初级生产力是水体生物生产力基础，是河流生态系统食物网的结构和功能的基础环节，浮游动物是中上层水域中鱼类和其他经济动物的重要饵料，因此疏浚高浓度悬浮泥沙将干扰鱼类摄食，对渔业造成巨大损失。

（4）须优化疏浚施工作业时间，避开南湖水厂早、中、晚取水高峰期，加强施工期环境管理及实施环境监测计划，控制疏浚作业强度，并采取在取水口设置防污帘或向水中添加沉淀剂等环保措施，减缓高浓度悬浮物带来的不利影响。

参考文献：

[1]

郑志华，徐碧华. 航道疏浚中悬浮泥沙对海水水质和海洋生物影响的数值研究[J].上海船舶運输科学研究所学报，2008，31（2）：105～110.

[2]Ogilvie BG， Mitchell SF. Does sediment resuspension have persistent effects on phytoplankton[J]. Experimental studies in three shallow lakes Freshwater Biology， 1998， 40 （1）：51～63.

[3]Lind OT， Doyle R， Vodopich DS， et al. Clay turbidity： regulation of phytoplankton production in a large， nutrient-rich tropical lake[J]. Linnology and Oceanography， 1992， 37（3） ： 549～565.

[4] Lind OT. Suspended clays effect on lake and reservoir limnology[J]. Arch Hydrobiol Suppl Monogr Stud， 2003， 139（3）：327～360.