河道疏浚工程对污染物颗粒运移影响模拟

张旭义

(招远市金都水利勘测设计有限公司，山东 招远 265400)

1 概 述

水是城市发展过程中至关重要的资源，然而随着人口的增加、经济的发展，目前城市水环境面临着严重的威胁，如沿岸的生活污水和工业污水超标排放、外来物种的入侵和湿地的围垦等[1-4]。当前处理污染物排放的措施包括疏浚作业、排水口的巩固和重新安置、扩散器的重新配置或这些措施的任何组合，其中疏浚工程是中小型流域使用范围最广、污染治理效率较为理想的一种方式[5]。然而，由于流域面积广、污染物运移不确定性高，通常很难对进行疏浚后的区域水环境污染程度进行预测，为工程评价带来不便，而数值模拟方法的兴起为水环境污染程度提供了可靠的预测手段。

方明仪等[6]基于水动力-水质模型，在风暴潮及上游来水减少的情况下开展南渡江河口污染物分布研究，分析了不同环境下污染物变化情况；张侃[7]以深圳梧桐山河为研究对象,针对其流域水环境问题进行建模分析,深入了解其污染物迁移扩散的规律；俞晓祥[8]采用平面二维的紊流扩散模型模拟研究河道断面突变对污染物对流扩散的影响；吴二雷等[9]利用数值模拟方法研究了河流流场以及污染物浓度分布情况；此外还有学者基于DHI MIKE 3等研究了污染物扩散过程[10-11]。本文通过对以上文献进行调研分析，采用二维流体力学有限元模型和拉格朗日粒子模块，建立垂直平均水动力模型，研究了两种河道(DS1和DS2)疏浚方案对污染物运移稀释的效果，研究成果可为相关工程提供参考。

2 疏浚工程概况

界河发源于招远城西南尖尖山西麓，经齐山镇、张星镇、辛庄镇，从东良村东北注入渤海。全长45km，流域面积576.8km2，主要支流有罗山河、钟离河、单家河等，为招远境内第二长河。多年来，受工业废水超标排放、生活污水直排、垃圾乱堆乱倒等污染问题影响，流域污染较为严重,为改善河道环境状况，多地开始推进河道清淤疏浚工程。

本次研究的疏浚工程的疏浚方式为：将河水抽干, 待疏浚物自然风干含水量降到一定数值后, 采用陆上施工机械进行土方开挖施工,即利用土方开挖机械将已固化的疏浚物挖装到自卸汽车上,通过自卸汽车将疏浚物运送到指定地点堆放。疏浚施工前, 先在河道施工区域外设拦河围栏截断来水, 将围栏内积水导排入储水池，进行分组分段同步作业。本次研究区域地形图见图1。

图1 研究区域地形图

3 数值模型及疏浚方案

3.1 数值模型

该研究区域水污染物主要以颗粒性悬浮物为主，扩散方式为面扩散，污染物源头位于A2处，根据对A3～A5中3个典型断面污染物浓度进行的监测分析，疏浚前平均浓度分别为3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg。

3.2 疏浚方案

第一种疏浚方案(DS1)见图2，由一条疏浚河道组成，疏浚深度约为2.33m，疏浚后河底低于平均低水位约为1.50m。河道底部宽度为6.00m，两侧坡度为1∶3，总疏浚宽度为20.00m。在疏浚河道的宽度方向上有大约7～10个计算节点。生成的计算网格(图2为现有排水口附近的一部分)包含55548个元素，特征长度范围为1.11～41.72m，平均为7.10m。由于细化过程使河流上半部分的网格分辨率显著提高，模型时间步长减少到11.178s(相当于4阶RK粒子跟踪最小时间步长约为5.600s)，以满足疏浚河道中的拉格朗日条件。

图2 第一种疏浚方案

第二种疏浚方案(DS2)是在第一种方案的疏浚河头增加一个泊池，深度设定为2.33m，两侧的坡度为1∶3，网格逐渐变细。由于网格在水池区域已经具有必要的分辨率，因此第二种疏浚方案与第一次疏浚方案保持一致。模型时间步长也与第一次疏浚相同。在每个模型时间步有4个污染物颗粒从排放口释放。

4 数值结果分析

4.1 稀释改善率计算

为了计算污染物的稀释改善率，根据式(1)计算模拟中每个网格的平均颗粒浓度：

(1)

式中：Ce为单元的深度平均浓度，粒子数/m2;NPe为单元中的粒子数；Ae为元素e的面积,m2。

一旦所有情况的浓度场都已知，则根据式(2)计算稀释率，即(基本情况或DS1以及DS1或DS2)

(2)

在DS1和DS2模拟的特定时间点不包含粒子。值得注意的是，稀释度计算与水深无关。

4.2 DS1工况

图3为4个不同阶段下，DS1工况下获得的稀释改善率De。在涨潮时，排水口周围模拟的稀释率约为0.5∶1，说明DS1颗粒浓度高于或等于该区域疏浚之前预测的浓度。在最大落潮时也有同样的结果。图3(b)显示，由于大量的未污染的颗粒从上游部分向下输送，稀释度大大增加。然后，由于经历了更高的落潮速度，颗粒从排水口区域排走，并且在排水口周围的低潮处稀释度降低。图3(d)包含粒子云中部的一个稀释减少区以及向海端和向陆端的两个稀释增加区，向海端的稀释增加区主要包含来自前一次落潮的基壳颗粒；而向陆端稀释区，由于速度较高，基壳颗粒在上游方向平流得更远；中间的稀释减少区主要包含来自当前洪水和之前退潮阶段的颗粒。

图3 DS1工况计算结果(单位：km)

4.3 DS2工况

本次计算观察到DS2模拟的颗粒浓度与DS1模拟的颗粒浓度非常相似。这是因为疏浚泊池在某种程度上是一种局部干扰，其对整个系统洋流的影响相对较小。由于DS1和DS2颗粒浓度场之间的全域差异非常小，视觉上很难相互区分，因此，本文采用更简单且简洁的等高线图呈现结果，其中稀释度定义为从左到右依次增加。计算结果见图4。

图4 DS2工况计算结果 (单位:km)

由图4可知，在涨潮时，随着在DS1中添加泊池，总体稀释度增加，疏浚渠道排水口周围稀释度的降低是两种疏浚方案之间排水口重新定位的直接影响的结果。由于颗粒直接释放到DS2中的疏浚航道中，因此模拟显示该区域的浓度增加。最大落潮时显示稀释度总体上呈增加趋势，稀释区分散减少。在低潮时，当水流和颗粒物都被限制在疏浚河道内时，即使在拟建排水口周围，稀释度增加仍占主导地位。在最大洪水时,观察到同样的趋势。

此外，根据对DS1和DS2疏浚后的污染物浓度指标进行分析得出，采用DS1方案后A3～A5中3个典型断面的污染物浓度由原来的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3个典型断面的污染物浓度由原来的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg。因此采用DS2方案可明显减小河流污染物浓度。

5 2种疏浚方案前后流场分析

根据两种方案的流速大小变化模拟结果，工程实施后的影响范围包括A3～A5节点及工程回旋水域等。其中A5节点附近的影响最大，该区域周边流速在实施疏浚方案DS1、DS2时分别减小16.57%、42.94%，这是由于疏浚前后区域水深变化剧烈，加深了近6m, 从而造成流速减小。此外，根据工程实施前后大潮的涨急、落急流场对比分析可知，工程实施后主要影响了A4和A5节点附近的潮流，原因是该区水深较浅，工程前来自东侧通道的潮流被工程陆域阻挡，迫使通道内涨潮流受工程区域影响向北方偏转进入该海区。A4节点前沿尤其是西侧码头前沿潮流更趋于和码头走向平行，流向更有利于靠离泊作业。特征点A3～A5在2种疏浚工程前后流速变化率见表1。

表1 特征点A3～A5在2种疏浚工程前后流速变化率

6 结 论

本文利用拉格朗日方法，采用垂直平均水动力模型，研究了两种河道疏浚方案(DS1和DS2)对污染物运移稀释的效果以及流态的影响。研究结果表明，DS1工况下在涨潮时，排水口周围模拟的稀释率约为0.5∶1，DS1工况污染物颗粒浓度高于或等于该区域疏浚之前预测的浓度，而当在DS1中添加泊池形成DS2方案后，总体稀释度增加，疏浚渠道排水口周围稀释度的降低是两种疏浚方案之间排水口重新定位直接影响的结果。此外，采用DS1方案后A3～A5中3个典型断面的污染物浓度由原来的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.84mg/kg、1.21mg/kg、0.93mg/kg,而采用DS2方案后A3～A5中3个典型断面的污染物浓度由原来的3.92mg/kg、4.12mg/kg、3.82mg/kg降低至0.63mg/kg、0.71mg/kg、0.53mg/kg，因此采用DS2方案可明显减小河流污染物浓度。因此可以得出，在没有河流流入和风的情况下，将排水口重新安置到主要疏浚河道中，能够明显缩小污染物的运移。