河海直达航道工程悬浮泥沙扩散的环境影响研究——以大芦线东延伸航道整治工程为例

夏爱梅

（上海达恩贝环境科技发展有限公司，上海 200127）

0 引言

根据《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》(国发〔2021〕27 号)[1]，“十四五”时期将深入推进运输结构调整，推动大宗货物和中长途货物运输“公转铁”“公转水”。

随着运输结构调整规划的实施，将有一批航道建设或维护工程开工建设，涉水工程施工作业剧增，对区域水环境的影响将日益加剧。因此，对此类涉水工程施工对水域环境的影响机理、范围、程度及减缓措施的研究尤为迫切。

本文以河海直达-大芦线东延伸航道整治工程为例，该工程位于内河与海洋交汇处，潮汐、淡水径流、波浪、风等多样化水文动力构成了入海口复杂的动力场系统，同时边界条件差异大且多变，使得此区域的悬沙扩散、输移、沉积过程复杂。定量分析河海交界处不同水动力条件下，悬沙输运的影响范围和程度，为相似区域、同类工程环境影响评价提供技术支撑和科学预判，并为航道疏浚作业方式、时间、疏浚工具的选择提供依据。

同时，利用该工程地理位置特点，通过情景设置，比较内河航道和外海航道疏浚作业过程中悬沙扩散影响的动力差异，阐述长江入海口区域悬沙扩散的主要影响因素，为区域生态环境保护提供技术支撑，进而提高涉水工程的施工质量。

1 大芦线东延伸航道工程概况

大芦线东延伸航道整治工程西起大治河（内河航道），东至长江口南槽南支航道（外海航道），呈东西走向，航道总里程约19.6km。见图1。

图1 工程地理位置分布图

2 悬浮泥沙扩散不同预测情景及后果分析

2.1 悬浮泥沙扩散模型构建及水动力条件选取

此次采用耦合平面二维非恒定流和悬浮泥沙扩散数学模型来描述悬浮泥沙的运动形态。

平面二维悬浮泥沙扩散方程如下：

式（1）中：S为悬浮物浓度，在此代表悬沙增量；Dx、Dy为x、y向紊动扩散系数；M为悬浮物释放源强，-kS为沉降项。

此次悬浮泥沙扩散模型采用近年来最不利的2020 年8 月洪水季大小潮时潮差、最大流速等水文动力参数进行预测。

2.2 悬浮泥沙源强计算

根据《水运工程建设项目环境影响评价指南》[2]，航道疏浚过程产生悬浮泥沙（SS），按下面公式进行计算：

式（2）中：Q 为疏浚时悬浮物发生量（t/h）；W0为悬浮物发生系数（t/m3）；R0为W0时的悬浮物粒径累积百分比（%）；R 为现场流速悬浮物临界颗粒粒径累积百分比（%）；T 为疏浚效率（m3/h）。

此次选择4m3、8m3抓斗挖泥船和2400m3小型耙吸船三种挖泥机具，泥沙排放时间均为10h/d，悬浮物悬浮临界流速按Camp 公式进行计算。经计算，4m3、8m3抓斗式挖泥船、2400m3小型耙吸船的疏浚源强分别为2.2kg/s、4.4kg/s、24kg/s。

2.3 模拟情景设置

为探索悬沙扩散范围和程度的关键影响因素，本文根据挖泥机具种类和规格，分别单点、集中及不同位置进行数值模拟，均设置为固定连续点源，释放时间10h。

2.3.1 单点施工

根据工程区域的实际工况条件，三种挖泥机具单点挖泥模拟情景如下：

情景1：内河段1#，1 艘4m3抓斗挖泥船。

情景2：内河段2#，1 艘4m3抓斗挖泥船。

情景3：外海段3#，1 艘8m3抓斗挖泥船。

情景4：外海段4#，1 艘舱容2400m3小型耙吸船。

情景5：外海段5#，1 艘舱容2400m3小型耙吸船。

单点模拟情景位置见图2。

图2 单点模拟情景设置点位分布图

2.3.2 集中施工

3 种集中数值模拟情景如下：

情景6：13 艘4m3抓斗式挖泥船在内河段6#作业区疏浚。

一个男人走了进来，他五十来岁，蓄着小胡子，棕色的头发梳向后脑勺，一双眼睛如鹰眼一般锐利。他身上穿着一套海蓝色的西服，深色的鹿皮皮鞋。后来有几次，我曾梦见他推门走进来，头发依旧像二十多岁的年轻人那样乌黑。

情景7：13 艘4m3抓斗式挖泥船在内河段7#作业区疏浚。

情景8：3 艘8m3抓斗式挖泥船在外海段8#作业区疏浚。

集中模拟情景位置见图3。

图3 集中模拟情景设置点位分布图

2.4 悬浮物扩散预测结果

根据2.3 章节，本文设置了8 种疏浚作业模拟情景，其中5 种单点疏浚施工情景（1#～5#），3 种集中疏浚施工情景（6#～8#）。通过集成各施工点的悬沙包络线图，得到工程区域施工的悬沙包络线范围。见表1、图4。

图4 悬沙包络线范围图

表1 悬沙包络线范围统计单位：km2

从悬沙包络线范围可知，虽然内河段疏浚量为外海段的4 倍，但高浓度（＞100mg/L）悬沙增量区域范围基本相似，低浓度（＜50mg/L）悬沙增量区域范围成反比，且大潮期基本为小潮期的2 倍。主要原因为内河段径流流速比潮流小，且内河段航道两侧均为闭边界。

为探索悬沙扩散范围和程度的关键影响因素，该报告根据预测结果，计算单位源强、单位疏浚量悬沙增量范围和程度，分析影响悬沙扩散的关键因素。单位源强、单位疏浚量悬沙增量范围和程度见表2、表3。

表2 单位源强悬浮物增量值最大影响面积统计单位：km2

由表2、表3 可知：

表3 单位疏浚量悬浮物增量值最大影响面积统计单位：km2

第一，内河及入海口处水流动力较弱，单点施工高浓度（＞100mg/L）悬沙增量扩散范围大、小潮基本一致，随着浓度降低，大、小潮导致的扩散范围差异剧增；

第二，外海段潮流动力较强，单点施工悬沙各浓度增量区扩散范围大、小潮差异较小，小潮期略小于大潮期；

第三，内河段集中施工高浓度（＞100mg/L）悬沙增量扩散范围比单点施工大，低浓度（＞10mg/L）悬沙增量扩散范围比单点施工小0.2～0.5 倍，且内河段大潮期扩散范围是小潮期的2～10 倍；

第四，外海段集中施工悬沙各浓度增量区扩散范围及大、小潮差异与单点施工基本一致。

其二，单位疏浚量悬沙扩散范围分析结果：

第一，内河段大潮期随悬沙浓度递增，扩散范围呈现等量梯度递减；小潮期扩散范围变化较小；

第二，外海段随悬沙浓度递增，扩散范围呈现等量梯度递减，大、小潮变化规律一致，且各浓度增量扩散范围高浓度区（＞100mg/L）基本一致，低浓度区（＜50mg/L）大潮期为小潮期的2 倍。

2.5 悬沙扩散影响因素分析

根据分析结果可知：

第一，悬沙扩散范围受疏浚作业方式影响较大，集中疏浚导致施工区域产生高浓度悬沙增量，但悬沙增量整体扩散范围比零星、流水线式作业倍数减小。此结论与陈翔、王义刚等对《海域环境对悬浮泥沙扩散影响的敏感性分析》的研究结论“本底含沙量越大，同一源强下，悬浮泥沙扩散范围越小；本底含沙量对低浓度增长区的影响大于高浓度增长区”一致。

第二，悬沙主要受潮流、径流水动力驱动而扩散，低浓度悬沙增量区域范围大潮期比小潮期大，高浓度悬沙增量区域范围大、小潮基本一致。

因此，建议疏浚作业选择枯（平）水期、尽可能集中区域快速施工。

2.6 疏浚悬沙环境影响及措施建议

根据数模计算，施工悬浮物影响区域主要集中在施工区域及其附近水域。内河航道疏浚引起的悬浮泥沙影响主要集中在船闸口门以内，航道两侧位置，悬沙增量10mg/L 以上的最大范围为5.73km2。外海航道疏浚引起的悬浮泥沙影响主要集中在航道两侧区域，悬沙增量10mg/L 以上的最大范围为13.23km2。

根据相关工程实践，施工引起的悬浮物扩散主要限于施工时，施工结束后数小时内（与源强、施工结束的时刻有关），人为增加的悬浮物浓度迅速衰减至10mg/L 以下。

基于影响分析结果，除了前述疏浚作业选择枯（平）水期、尽可能集中区域快速施工外，还应尽量采用耙吸船疏浚，可以缩短施工时间。此外，通过减少挖泥船溢流、精准定位疏浚点，也可以有效控制悬沙影响范围。

3 结语

疏浚等工程建设扰动水体引起悬浮物浓度增加，对周边海洋生态环境造成一定影响。但施工活动对海洋生态和渔业资源影响主要集中在工程区域，不会对周边区域生物多样性带来较大影响，通过增殖放流等措施可以减缓对海洋生态损失的影响。