基于沙特红海开发项目防污围帘应用效果的研究

刘韬 中交四航局第二工程有限公司

1.防污围帘的应用及特性

1.1 防污围帘的定义：

防污围帘（Eco-barrier silt curtain）是水中固体悬浮物阻截常见的重要工具，常指的是垂直的、柔性的、从水面向下延伸到一定深度，常在疏浚回填施工中阻截固体悬浮物及降低浊度的结构。一般防污围帘主要由4个部件组成，上部浮体、用于截污的柔性编织物、下部配重链及锚块、围帘连接件。

1.2 防污围帘的分类及功能特点：

防污围帘应用的概念最早在20世纪80年代末由美国陆军工程兵团（U.S.Army Corps of Engineers(USACE)）联合当地科学企业(JBF Scientific Corporation)在芝加哥五大湖区开展水体沉淀研究中提出，其中主要根据防污效果及应用场景把防污围帘分为了四大类：

（1）Ⅰ型轻型防污围帘（TypeⅠ Light Weight）用于静水/内河水体的防护状况，一般用于静水区或不受风浪影响的短期项目。

（2）Ⅱ型中度防污围帘（TypeⅡ Medium Weight）一般用于水流较缓或内河短中期项目，一般水流速度小于1 m/s的水域，围帘较Ⅰ型更为张紧。

（3）Ⅲ型重度污染防污围帘（Type Ⅲ Near shore Heavy Duty）用于风浪影响较小（流速不超过1.5 m/s）的近岸开放水域，能够应对一定近岸、港区、码头的风浪，并能够重复设置、反复使用。

（4）Ⅳ型离岸污染防污围帘(Type Ⅳ Offshore Heavy Duty)用于离岸、环境条件较恶劣的开放水域（流速超过1.5m/s，浪高大于1.5 m），并可以重复设置使用。

基于以上四类围帘，就围帘在水体中悬浮方式又进一步分为挂式和立式防污围帘：

（1）挂式防污围帘完全悬浮于水体中，通过锚链及锚块固定在水中，围帘底部有配重链条，能够适应潮位变化较大的区域，因围帘底部存在空隙对海床扰动较小。

（2）立式防污围帘底部与海床接触，基本锚定及配重系统与挂式一致，适用于在风浪及水流速度较高的区域，但因帷幕长度固定，对潮位变化的适应能力较差，而且因底部与海床接触，若水流速度超过阈值则会对水底造成较大扰动。

在实际应用中，需根据作业水域的自然环境条件(水流速度及水深)并结合考虑使用周期及重复利用性对围帘进行选型。

2.国内外研究现状与分析

2.1 防污围帘研究的现况

最早在USACE的研究中，他们重点分析预防外海及内陆水域疏浚项目产生的固体悬浮物扩散方法，接下来近15至20年期间的研究都基于本该研究的方法及思路进行补充扩展，并一直延续至今。横向比较来看，经过大量资料查阅，因内陆航道水况复杂、就固体悬浊物对水体生态影响的研究较少，中国关于防污围帘方面的应用及研究较多关注在柔性河道载污带塑料浮体、拦油栅等水面防污措施，相当一部分关于防污围帘应用的文献都源于欧美的围帘制造商及相关水体研究。

在不同防污围帘制造商的用户手册中及海外不同项目的防污围帘应用方案中，都集中围绕基于作业自然条件的围帘选型及设置时的注意事项进行集中研究，其中关于应用方面，最常见的就是关于围帘选型、安装、使用最小防护距离的讨论。

2.2 防污围帘拦截效果的研究现况

Rajesh P.Dubey博士通过建立浅水区防污围帘在不同方向上拦污的模型，研究提升围帘拦截固体悬浮物效果的不同方法，其中主要围绕加速围帘内部悬浮物沉降、加速围帘外部悬浮物扩散、减缓围帘内液体流速三个方面进行分析并发现：通过降低围帘内侧液体流速，从而降低固体悬浮物的扩散速度和提升内部沉降效率，从而提高了围帘的截污效率。

在水质研究所H.R.Wallingford关于防污围帘在疏浚项目环保应用的研究中，首席研究员JC Ogilv ie博士通过建立流体力学模型，研究围帘后方固体悬浮物的扩散情况，研究了不同海水流速下风浪条件对围帘截污效果的影响，并指出在静水表面的理想模型下，大部分固体沉淀物因洋流扰动都通过挂式围帘的下部重新漂浮并增加了围帘外侧的浊度，最后强调围帘的有效防护重点需做好围帘的加固，防止洋流扰动对围帘的截污效果产生影响。

也有从比较特殊的角度对防污围帘截污效果进行研究：新加坡的海岸环境工程师Y.S.Wu从取水角度进行研究防污围帘的主动截污效果，并着重总结了挂式围帘底部固体悬浮物的扩散模型及悬浮物扩散流速模型，为防污围帘截污效果的研究提供具体的参考；荷兰科学家Max Radermacher就平行洋流对围帘截污效果进行研究，结果表面，当水流方向平行于洋流时防污围帘的阻截效果较差，当水流垂直于围帘时有最大的阻截效果。

3.防污围帘截污效果的案例分析

3.1 研究内容及目的

目前国内针对防污围帘的研究仍处于起步阶段，同时考虑到对于海洋生态保护的理论与实践基础较为薄弱，结合以上围帘防污效果的研究方法，通过对沙特阿拉伯红海离岸工程围帘使用过程进行总结及围帘防污效果的研究，主要有以下两个方面：

（1）采用多种水样分析手段检测生态敏感区的水质，对不同应用情景下防污围帘阻截效果进行评判，为围帘选型及安装提供额外的参考信息。

（2）分析项目实施阶段防污围帘应用的难点，总结长跨度、大范围防污围帘应用过程中的经验。

3.2 沙特红海谢巴拉项目概况

3.2.1 项目介绍

沙特红海开发项目是沙特阿拉伯王国西部红海沿岸的一个大型项目，该项目的战略目标是将沙特Tabuk省Umluj和Al Wajh地区变成一个独特的国际豪华旅游胜地，属于沙特“2030愿景”的重要组成部分，其中中交四航局第二工程有限公司沙特区域分公司在该区域含2个在建项目，主要施工内容分布在两个离岸海岛上Sheybarah岛及Ummahat岛。其中疏浚回填项目主要施工内容为近岛航道/泻湖疏浚、岛内回填、土壤收集堆存等，酒店桩基基础项目，10号酒店水上别墅、栈桥部分采用钢护筒灌注桩施工、11、12号酒店水上别墅桩基选用PHC桩施工。

3.2.2 自然环境条件及环保要求

TRSDC对Sheybarah岛及Ummahat岛聘请了额外的第三方环保团队进行调研，并形成对应的环境评价报告（以下简称ESIA），ESIA中明确指出施工岛屿附近都有丰富的物种栖息地，其中包括各类珊瑚礁、海草、红树林等海洋及潮间带物种的栖息地，其中不乏微孔、萼形柱、轴孔等品种的珊瑚。在Sheybarah岛，部分施工区域距离生态敏感区较近，项目施工生产活动对原住生态环境造成极大威胁。EISA针对如疏浚回填及水上打桩等可能引起浊度提升的作业活动，就实际操作施工过程提出以下环境预控措施：

1）为保护项目海域总悬浮物指标符合沙特当地环保法律，禁止任何疏浚料及固体废料（原地面土壤、沙滩砂石等）弃置进海洋，需堆填至指定区域或者用于原地面提升。

2）若涉及临时施工平台回填、施工水域开挖疏浚等可能引发水体浊度提升的作业，需设置连续且封闭的防污围帘（要求TypeⅢ及以上等级）并通过监测浮标对水体进行监测。

3）防污围帘的有效阻拦率需达到90%以上，如施工环境造成水体浊度异常提升（瞬时值达NTU>5，或周平均值NTU>2）。

4）从施工工艺上，回填及临时平台的土壤总流失率应控制在5%以内；若监测到浊度异常提升，则需减缓或暂时停止施工对围帘进行检查分析。

3.3 防污围帘的运用

3.3.1 防污围帘

防污围帘暂未有现行的行业标准或相关的国际化规范，并未对围帘自身拦污效果进行量化标定，而一般围帘生产厂家对于围帘各部件按照相关零部件行业标准进行执行。

结合上述现行研究，本文注重探索围帘截污后的效果状况，通过检测围帘后方生态敏感区水质状况来进行研判。水质检测方面主要按照现行主流的检测标准及沙特阿拉伯当地环保法律法规，要求水体总悬浮物标准（Total Suspend Sediment）可检测的最大极限值小于5 mg/L，自然生态保护区浊度周平均值应低于2.0，瞬时监测最大值不得高于5.0。

3.3.2 水质监测工具

本文中研究工具主要使用项目部在用的24小时水质检测浮标，并结合聘请的第三方环境监测单位进行的水质检测，对相关数据进行比对及校核。

1）水质监测浮标。24h小时水质检测浮标传感器采用的是大型水处理以及水基础设施Xylem公司旗下EXO Sondes传感器模块组，它能主要能够实时监测水体酸碱度（PH）、溶解氧值（DO）、浊度（Turbidity）等水质情况数据，并通过当地通讯运营商连接至相配套的Hydrophere系统，借在线系统可进行当前/历史读数查询及警戒值监测报警。

其中传感器有效探测深度为10 m，对于浊度的检测精度介于0.001-0.1FNU（单位换算1FTU=1NTU=0.13mg/L）且量程在0-4000FTU，符合一般自然环境检测要求，且所有传感器均完成通过官方厂家的定期的校核，所有采集的数据准确可靠。

传感器模块需要使用相应的浮标进行承载，根据监测水深情况现采用Xylem公司生产的两类浮标DP600及SB-138P以适应不同水深的检测，DP600款适用于水深1-2m的浅滩区域，SB-138P适用于水深4m以上海域，能够涵盖本次研究的所有水域。

2）水质抽检分析。项目聘请了沙特国王法哈德油矿大学（King Fahd University of Petroleum and Minerals，以下简称KFUPM）海洋与自然环境学院的海洋科学家团队，提供第三方环境监测服务，其中包括施工区域附近海水的取样抽检，他们采用IDROUNAUT公司旗下Ocean Seven 316 Plus CTD仪器对相关区域进行探测，并形成每日的水质监测报告，针对水质浊度、总悬浮物浓度等数值提供参考依据。KFUPM所有仪器都完成校核并在有效期内，所有测得数据可靠并具有参考性。

3.4 不同情景的防污围帘实施

结合项目施工内容及防污围帘设置情况，本次研究主要有以下三个情景：

（1）桩基施工中，水深1-2 m的区域选用立式防污围帘，位于Ummahat岛11号酒店C区。

（2）桩基施工，于水深3-4m的区域选用挂式防污围帘，位于Ummahat岛12号酒店G区。

（3）疏浚施工中，于水深3-4m的区域选用挂式防污围帘，位于Sheybarah岛区域。

3.5 防污围帘管控措施

3.5.1 管理机构

针对不同岛屿，项目部设立各岛得防污围帘专项管理小组，以各岛现场施工经理为小组组长，各岛潜水员及辅助工人为组员，驻岛环保员进行监督。

项目在策划阶段，根据施工作业影响区域制定了防污围帘铺设计划，要求作业施工前完成围帘铺设，并把围帘铺设视作施工前重要环保条件列入开工检查项。施工前对作业影响区进行水下环境调查，确定敏感环境生物种群及栖息地位置，并调查围帘锚点范围内海床状况，及时移植影响范围内的重要珊瑚、海草。

图1 Eco-Barrier 防污围帘部件技术标准

结合厂家产品使用手册及业主方防污围帘管理指导手册，环保经理对围帘维保潜水队进行培训，明确围帘检查、维保项目，提升围帘维保效果；驻岛环保员协助观测并督促维保队伍开展维保工作，确保围帘围蔽可控有效；并借助观测浮标及第三方水质环保单位对重点监测水域的水质进行检测，确保围帘截污效果到位；专职防污围帘维保团队日常巡检水上/水下围帘状况，并及时修补损坏围帘；定期联合工程部、维保团队、环保咨工组织围帘专项检查，确保围帘有效封闭。

3.5.2 预警及应急处置

根据沙特环保部及业主环保体系文件规定，项目部执行水质动态报警机制，根据监测浮标动态监测读数并结合考虑第三方手持工具检测每日报告结果，主要分为以下三种情况：

1）若浊度NTU大于2且小于5，持续时间超过2小时，则需减缓施工进度，分析水质变化原因，并形成事件报告汇报至业主，待检测值回落至NTU小于2则可解除警戒状态；

2）若以上情况持续2小时以上，或瞬时浊度大于5则视为重要环境事件，需暂停相关分项施工，检查相关环保预控措施的落实情况，包括施工作业点位、防污围帘的维保情况等，并形成事故报告汇报至业主方；

3）若瞬时浊度值大于10，则视为重大生态环保事故，则需整个岛屿停止作业，并由业主方把相关信息报送至沙特环保部，协调开展应急处置工作。

3.6 防污围帘管理应用分析

基于以上3种模型，通过检测监测点位置水质状况，结合浮标系统的报警频次，不同模型的截污效果如下：

相比桩基施工，疏浚作业对水体的扰动更大，围帘截污效果较不理想，需增设额外一道防污围帘以提升截污的效果；在风浪条件相同且风速、浪高较小时，浅水区的立式防污围帘在截污效果相较深水区的挂式围帘有更好的效果；在风浪条件相同且风速、浪高较大时，立式围帘因自身对海床/水底扰动较大，整体截污效果较差且损坏率较高，挂式围帘间或出现报警情况，但整体浊度取值在可控范围内。

4.总结与展望

通过对中交四航局二公司在沙特红海开发项目上围帘使用过程进行总结及围帘防污效果的研究，采用多种水样分析手段检测生态敏感区的水质，在风浪条件小的情况下，优先选用挂式围帘；在离岸、风浪条件较恶劣区域，结合围帘可循环利用及维保难度考虑，应优先采用挂式围帘。

受限于研究周期及成本，本次研究中，针对水质检测分析方面点较单一，对敏感生态栖息地的研究较少，在后续的实践过程中计划进一步细化研究。