疏浚工程中不同类型挖泥船施工对海洋水环境影响分析——以厦门某海域清淤工程为例

张祥娟

（自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005）

近年来，许多沿海城市大力实施“蓝色海湾”工程，积极推进海洋生态建设和整治修复，加快“美丽海洋”建设[1]。清淤疏浚工程作为“蓝色海湾”整治工程措施之一，可在一定程度上恢复和增加海湾纳潮量。在疏浚施工过程中不可避免地引起悬浮泥沙，并在潮流等动力因素作用下发生扩散，对海洋环境质量和生态系统健康产生一定的影响。郭珊、王超等、雷晓玲等在悬浮物对海洋环境及海洋生态的影响方面进行了深入的分析；王帅等、郑志华等在疏浚悬浮物扩散的数值模拟及扩散规律方面进行了研究；曾建军对不同挖泥船疏浚产生的悬浮物源强进行了比较分析。虽然国内外学者在此问题上开展了许多相关研究，但是针对不同类型挖泥船在疏浚施工过程产生的悬浮泥沙迁移规律和水环境影响程度定量对比研究较少，因此，本文以厦门某海域清淤工程为例，选取常用的挖泥船作为研究对象，对其悬浮泥沙源强及污染扩散规律进行数值模拟并开展综合分析，为海洋疏浚工程环境影响评价和施工方案的选择等提供理论参考依据[2]。

1 工程概况

环东海域新城下后滨外侧海域清淤工程位于福建省厦门市同安湾海域东侧，工程总清淤面积为655.5万m2，总清淤量为1582.8万m3，清淤底高程-4.24 m。一般海域疏浚的施工方案包括抓斗式挖泥船、耙吸式挖泥船和绞吸式挖泥船三种，绞吸式挖泥船一般在疏浚配合吹填造地时使用，由于本工程疏浚物不用于吹填造地，因此绞吸式挖泥船的施工方案不予考虑。本次研究以抓斗式挖泥船和耙吸式挖泥船为例，分析疏浚施工对海洋水环境的影响，具体施工方案如下：

方案一：采用1艘16 m³抓斗船+自航泥驳进行疏浚施工。

方案二：采用1艘2 400 m³自航耙吸船进行疏浚施工。

2 不同类型挖泥船疏浚施工的悬浮泥沙迁移扩散数值模拟

施工时悬浮泥沙迁移扩散数值模拟分两步：第一建立工程海域的潮流场数学模型；第二进行悬浮泥沙扩散的数值模拟。

2.1 数学模型

2.1.1 潮流场数学模型

采用正交曲线坐标系下的平面二维潮流数学模型进行数值模拟研究。

①沿水深平均的平面二维潮流方程为：

水平向的动量方程：

式中：

（1）～（3）式中，D为总水深，D=ζ+h，ζ为水位，h为水深；ξ、η分别为正交贴体坐标的纵横向计算网格方向；u、v分别为沿ξ、η方向的水流速度分量；ξC、ηC为拉梅系数；f=2ωsinφ为科氏力系数（ω为地球自转角速度）；E为水平涡粘扩散系数；C为谢才系数n为曼宁系数（海底粗糙度）；g为重力加速度。

②边界条件：本次计算时，外海开边界条件采用水位边界，由东中国海潮波模型系统提供潮位过程。闭边界cΓ 采用不可入条件，即Vn=0，法向流速为0，n为边界的外法向。水位边界式中：ua、va、ζa均是根据现场观测资料确定已知量，分别用流速过程或潮位过程式控制。

③初始条件：初始流速为0（即冷启动），初始水位根据外海开边界潮位确定。

④计算域及网格设置

计算域为石码以东、围头以西、流会以北，包括整个厦门海域在内的区域。模型采用100 m×100 m正方形网格。

2.1.2 悬浮泥沙输移扩散数学模型

泥沙在海水中的沉降、迁移、扩散过程，可由二维对流扩散方程表示：

式中：①S为含沙量；Q为悬浮泥沙输入源强；α为泥沙沉降概率；其他符号同前。

②初始条件：疏浚施工期不考虑本底值，均置为0，仅考虑悬沙增量。

2.2 不同类型挖泥船施工泥沙入海源强

2.2.1 16 m³抓斗式挖泥船施工泥沙入海源强

抓斗式挖泥船在疏浚过程中悬浮泥沙主要来自挖泥船抓斗的机械搅动作用以及抓斗在提升过程中泄漏的少量淤泥。施工悬浮泥沙发生量按《港口建设项目环境影响评价规范》（JTS105-1-2011）中提出的公式进行估算：

式中：Q－施工作业悬浮物发生量（t/h）；W0－悬浮物发生系数（t/m3），取0.02 t/m3；R－发生系数W0时的悬浮物粒经累计百分比（%）；RO－现场流速悬浮物临界粒子累计百分比（%）；T－挖泥船疏浚效率（m3/h），取640 m3/h。

保守估算，按R：R0=1：1，16 m3抓斗式挖泥船进行清淤时的悬浮泥沙源强为3.56 kg/s。

2.2.2 2 400 m3耙吸式挖泥船施工泥沙入海源强

耙吸式挖泥船疏浚过程中悬浮泥沙主要来自耙头扰动底泥和吸泥过程、耙吸船泥舱满舱溢流过程。

根据相关资料，保守考虑，耙吸式挖泥船清淤的耙头扰动底泥和吸泥过程产生的悬浮泥沙源强取18.75 kg/s[3]。耙吸式挖泥船清淤的悬浮泥沙入海主要发生在满舱溢流后，按疏浚作业规范要求，满舱溢流时间控制在0.5 h内，参照《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS181-5-2012），2 400 m3耙吸船的装舱泥泵排量取6 000 m3/h，R：R0=1.44，W0取0.05 t/m3，由（5）式计算出满舱溢流悬浮泥沙源强为120 kg/s。因此，2 400 m3耙吸式挖泥船施工悬浮泥沙源强为138.8 kg/s[4]。

2.3 不同类型挖泥船施工入海泥沙模拟预测

2.3.1 工程所在海域潮流场模拟

工程海域潮流实测资料利用2016年3月26～27日（大潮）、2016年3月28～29日（中潮）、2016年3月31～4月1日（小潮），同安湾及湾口取6个测站。根据工程资料，工程所在海域整体上各站计算流速流向基本吻合于实测值，从大、中、小潮流向看，各站均属往复流，大潮实测与计算流速大于中、小潮，从趋势上看，模拟的潮流场基本上反映计算域的水动力特征。厦门海域大潮典型时刻潮流场如图1所示。

图1 厦门海域大潮典型时刻潮流场

2.3.2 不同类型挖泥船施工入海泥沙浓度增量预测

根据项目所在海域周边环境分析，同安湾内主要是二类、三类和四类近岸海域环境功能区，执行第二类海水水质标准；同安湾口为一类区，执行第一类海水水质标准。考虑到不同海域受入海径流、流体等因素的影响，悬浮泥沙的本底浓度有差异，在预测疏浚施工对海水水质影响时，以入海悬浮泥沙增量为10 mg为安全影响的临界值（《海水水质标准》（GB3097-1997）中第一和二类海水水质允许悬浮泥沙人为增量≤10 mg/L，也是《渔业水质标准》（GB11607-89）中“人为增加的量不得超过10 mg/L”）[5]。本次主要预测全潮入海悬浮泥沙浓度增量150 mg/L、100 mg/L、50 mg/L、20 mg/L、10 mg/L影响最大的包络面积。不同类型挖泥船疏浚施工全潮入海悬浮泥沙质量浓度增量影响详见表1和图2。

图2 不同类型挖泥船清淤施工引起的悬浮泥沙增量全潮总影响包络面积图

3 不同类型挖泥船施工入海泥沙对海洋水环境影响的对比分析

3.1 从源强上进行对比分析

抓斗式挖泥船在疏浚过程中的悬浮泥沙主要来自挖泥船抓斗的机械搅动作用以及抓斗在提升过程中泄漏的少量淤泥，16 m3抓斗式挖泥船清淤时悬浮泥沙源强为3.56 kg/s。耙吸式挖泥船疏浚过程中悬浮泥沙来自耙头扰动底泥和吸泥过程、耙吸船泥舱满舱溢流过程，2 400 m3耙吸式挖泥船施工悬浮泥沙源强为138.8 kg/s。因此，耙吸式挖泥船施工悬浮泥沙源强大于抓斗式挖泥船。

3.2 从悬浮泥沙迁移扩散规律进行对比分析

两种类型挖泥船施工入海泥沙对海洋水质环境影响对比见图3。由表1、图2和图3可知，环东海域新城下后滨外侧海域疏浚施工入海悬浮泥沙的增量主要随潮流方向扩散，水体中悬浮泥沙增量浓度趋势为距疏浚点越远浓度增量越小的变化；不同类型挖泥船源强越大，悬浮泥沙增量大于10 mg/L的影响范围就越大；耙吸式挖泥船的源强较大，高浓度增量的范围也较大（悬浮泥沙增量>150 mg/L的面积为11.35 km2），抓斗式挖泥船的源强小，高浓度增量的范围很小（悬浮泥沙增量>150 mg/L的面积仅为0.61 km2），两者悬浮泥沙增量>150 mg/L的面积差为10.74 km2；耙吸式挖泥船与抓斗式挖泥船施工产生的悬浮泥沙浓度增量从高浓度到低浓度，面积差先增大，悬浮泥沙浓度增量到50 mg/L时面积差为13.42 km2达到最大，随着悬浮泥沙的扩散，悬浮泥沙浓度增量面积差逐渐减小，最后趋于零即海水环境恢复本底浓度。

图3 不同类型挖泥船施工入海泥沙对海洋水质环境影响的对比分析图

综上所述，以环东海域新城下后滨外侧海域清淤工程施工为例，经分析，耙吸式挖泥船施工产生的悬浮泥沙对海洋水环境影响比抓斗式挖泥船大，但挖泥船疏浚施工悬浮泥沙对海洋水质影响都是暂时的，随着施工的结束逐渐消失，不会产生长期不利的影响。

4 结语

本研究以厦门某海域清淤工程施工为例，通过对比不同类

型挖泥船施工产生的悬浮泥沙源强，以及通过数值模拟较客观地了解不同类型挖泥船在疏浚作业过程中悬浮泥沙的输移扩散规律研究，为海洋疏浚工程环境影响评价和施工方案的选择等提供理论参考依据。