江山港河道清淤工程水环境影响预测分析

夏冬梅，赵 坤

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 300020）

1 问题的提出

近年来，随着“五水共治”工作的深入推进，浙江省整体水环境得到显著改善。河道清淤工程作为“五水共治”工作的重要工程手段，在提高河道行洪排涝能力的同时，大大改善了河道水生态环境。围绕河道清淤的技术和效益等方面国内外已经进行大量的相关研究，但针对清淤施工前、施工后以及施工过程中河道水体水质变化情况的研究较少[1-3]。因此，以江山港河道清淤工程为例，构建MIKE 21模型，选取高锰酸盐指数、氨氮、总磷3项指标对该工程在施工前、施工后以及施工期内河道及上下游水体污染物变化过程进行模拟计算，研究结果可为清淤工程施工方案的制定、施工期的选取提供技术支撑。

2 研究区及工程概况

江山港是钱塘江上游衢江右岸的第一条支流，属山溪性河流，水位暴涨暴落，洪水时水流挟沙较多。该区域属亚热带季风区，每年主要雨季发生在4 — 7 月，降水量占全年降水量的50%以上，且流域降水量空间分布不均，降水量高值区域与低值区域的差异达436 mm。

江山港清淤工程是江山港综合整治的一部分，清淤范围为城中大桥下约175 m至双塔电站处，长约2.55 km（见图1），该河段平均淤积厚度0.68 m，超挖深度0.30 m，清淤总量约为28.10万m3，采用1台4010型环保绞吸式挖泥船，每天作业16 ～ 20 h进行清淤。通过清淤增加河道过水面积，改善河道水环境，改善江山港地区的防洪排涝条件，从而提高河道行洪及调蓄能力，改善和恢复人 — 水 — 动植物间物质和能量的有机循环，为经济发展和农业灌溉用水提供有力保障。

图1 江山港清淤工程地理位置示意图

3 研究方法

3.1 数学模型

数学模型是研究水体随时间和空间运动和变化的重要手段之一，特别是近十几年来，随着计算机的高速发展，为数学模型奠定了坚实的基础。本次计算模型采用丹麦水力学研究所新近研制的无结构网格的平面二维MIKE 21FM模型。该模型网格节点布设灵活，便于局部加密，能精确地拟合弯曲河道边界，具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理方便等突出优点，已在世界上多个国家得到成功应用[4]。

水动力模型包括一个连续性方程和二个动量方程:

（1）连续性方程:

式中:h为水深（m），即水面到某一基准面的距离；t为时间（s）；η为水位（m）；u、v为x、y方向上的流速分量（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；f为柯氏力参数；ρ为水密度（kg/m3）；ρ0为水的参照密度；Sxx、Sxy、Syy为波浪辐射应力分量；Pa为大气压力（kPa）；τsx、τsy为风应力分量；τbx、τby底部摩擦应力分量；Txx、Txy、Tyy为粘性项分量；S为源汇项。

水质模型包括一个对流扩散方程:

式中:C为污染物浓度（mg/L）；Cs为源项浓度（mg/L）；Kp为降解系数（1/ d）；Dh为x和y方向污染物扩散系数（1/d）。

3.2 污染源的确定

从清淤施工引起局部水域相关污染物浓度增加的影响因素来看，清淤作业引起的底泥污染物释放取决于2个关键过程:①清淤施工引起的泥沙再悬浮强度；②悬浮泥沙污染物释放。

清淤施工引起的泥沙再悬浮强度:底泥清淤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有关。根据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公式[5-7]，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，公式如下:

式中:Rs为泥沙再悬浮率（kg/s）；ρ为泥沙干密度（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有关；Vs为铰刀摆动速度（m/s）；Vi为吸泥管吸泥速度（m/s）；Vt为铰刀刀锋速度（m/s）；Dch为铰刀直径（m）；Lch为铰刀长度（m）；Kch、K ′ch分别为铰刀直径和铰刀长度的尺寸经验系数，小于等于1.5。

悬浮泥沙污染物释放:根据专门为此次清淤工程水环境影响预测工作检测的河道底泥污染物含量数据设定。泥沙中污染物释放存在释放和吸附的平衡态过程，根据相关文献成果，影响泥沙中污染物释放和吸附的因素较多，一般而言，河床底泥扰动引起的悬浮泥沙中的污染物在水体中释放量为底泥中污染物含量的35% ～ 60%，为安全起见，模型中源强浓度按照被扰动的悬浮泥沙污染物含量60%释放设置。

4 模型构建

4.1 计算区域选取

计算范围的选取主要考虑2个因素，一是计算水边界应取在容易给定边界条件的地方；二是计算水边界应离工程区域足够远，以避免工程实施对边界条件的影响。根据以上原则，本次计算范围取为:上边界为江山站水文站断面，下边界为衢州水文站断面，模型内支流常山港边界选取在常山水文站，模型计算范围见图1。计算域内的网格布设考虑水流、地形梯度的差异，对工程区域的计算网格作进一步加密，最小网格为15 m，网格总数为16 629，节点数为9 473。

4.2 水动力模型验证

模型验证计算主要是对模型的适用性进行分析，河道的走向形态、河道比降、断面形式等属性都会对模型计算结果产生影响。为了能使计算结果较好地反映河道实际情况，需对模型计算选择的参数例如阻力系数等进行率定验证。

清淤工程位于江山港中下游段，上下游共3座水文站:江山站、双塔底和衢州站。江山站、衢州站资料分别作为本次模型构建的上下游水动力边界，利用双塔底站的流量数据进行水动力模型验证，结果见图2。流量平均率定误差在10%以内，说明所构建的模型能够基本反映河道实际情况，满足计算精度要求。

图2 水动力模型验证结果图

4.3 污染源参数的确定

本次评价指标选择为高锰酸盐指数，氨氮、总磷。根据前文中污染源确定的方法，由于泥沙再悬浮强度公式中FF、FD等参数无法获取，类比采用此方法研究的天津滨海旅游区清淤疏浚工程中源强设定参数，根据清淤施工强度、作业方式确定本次清淤工程底泥在水体中的扩散量。即:1台环保绞吸式挖泥船，施工强度为200 m3/h，每天轮班作业16 ～ 20 h，悬浮物源强 1.875 kg/s。

为确定底泥中污染物浓度大小，在清淤河段上中下游选取3个取样点（见图1）。取样位置:1号点在河道左1/3处，2号点在河道中间，3号点在河道右1/3处，分上层和下层进行采集，采集深度为淤泥平均淤积厚度，并对样品进行检测，根据底泥中评价指标的污染物浓度确定源强。由于1号点下层有大量碎石，1号点只采集表层泥样，故共采集5份底泥样品。

经过检测相应指标的底泥污染物含量见表1。底泥样品中沉积物-TOC对应于水体中CODMn指标，两者之间的数值关系根据查阅相关文献资料[8-9]，CODMn与TOC 之比的变化范围为0.54 ～ 1.01，根据偏安全考虑原则两者比例确定为1:1。

表 1 底泥中污染物含量表

水质模型计算中需要确定的计算参数主要有2个:扩散系数和降解系数。目前，确定河流纵向扩散系数的主要方法有经验公式法和示踪试验法，实验表明，纵向扩散系数和横向扩散系数有相同的量级。综合考虑江山港河流特征以及国内外横向扩散系数研究成果（见表2），确定此次计算综合扩散系数为0.1 m2/s。

表2 国内外部分河流横向扩散系数研究数据表

污染物的生物降解、沉降和其他物化过程，可概括为污染物综合降解系数，主要通过水团追踪试验、实测资料反推、类比法、分析借用等方法确定。根据《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》提出的水质降解系数参考值（见表3），按偏不利情况考虑，拟定本次模型计算中，高锰酸盐指数、氨氮、总磷降解系数分别为0.1/d、0.1/d、0.1/d。

表3 一般河道水质降解系数参考值表

4.4 计算工况设计

本次计算水动力工况设计方面考虑清淤工程施工工期和时间跨度的不确定性，模型计算时考虑枯水期、平水期、丰水期3种不同保证率的设计工况，采取恒定流计算。水质工况设计方面考虑污染源单增量和叠加水体污染物浓度背景值2种工况进行计算，分别反应清淤工程单独对后溪和双塔底水质监测断面水质的影响和清淤工程施工时后溪和双塔底水质监测断面水环境功能区达标情况。模型水动力、水质边界设置分别见表4 ～ 5。

表4 模型各工况水动力边界条件设置表

表 5 模型各工况水质边界条件设置表

5 水环境影响预测分析

5.1 单增量影响分析

清淤工程实施后，后溪断面和双塔底断面水质浓度增加变化见表6和图5。相比较而言，枯水期浓度增加量最大，平水期次之，丰水期最小，相同浓度的污染带范围，枯水期最大，平水期次之，丰水期最小。

图 5 污染物浓度增量分布图

表 6 清淤工程引起的污染物浓度增量表 mg/L

5.2 水环境功能区达标影响分析

后溪和双塔底水质断面所处水环境功能区为III类水功能区，III类水功能区水质标准浓度值及叠加本底污染物浓度时，后溪和双塔底水质断面各工况下水质浓度见表7。

表 7 叠加本底后的污染物浓度值表 mg/L

叠加本底后清淤工程施工引起的后溪和双塔底断面水质浓度与标准值对比后可知，丰水期和平水期施工时CODMn、NH3- N和TP均能达到III类水标准值，枯水期施工时CODMn和NH3- N能达到III类水质标准，但TP不能达到III类水质标准。

6 结 论

（1）构建江山港清淤工程对下游水质控制断面影响预测的平面二维水动力水质数学模型，总体而言模拟效果良好，且计算结果可视化程度高。

（2）考虑清淤工程引起的水质浓度变化，丰水期水质浓度增加量最小，污染带影响范围也最小，平水期次之，枯水期最大。

（3）考虑水体本底污染物浓度后，清淤工程施工引起的后溪和双塔底断面水质浓度达标情况，丰水期和平水期施工均能达到III类水标准值，枯水期施工TP不能达到III类水质标准。

综上所述，此次研究的江山港清淤工程工期选取在丰水期最为适宜，可最大程度降低其对河道水环境的影响。此次研究是一次二维水动力、水质耦合模型在河道清淤工程对河道水环境影响分析中的成功应用，可为清淤工程施工方案的制定、工期的选取提供可靠的技术支撑。