航道工程疏浚影响研究及应用

文章以柳江红花枢纽至石龙三江口Ⅱ级航道工程为例，选取典型河段，利用MIKE21软件建立河道流场模型，分析疏浚对水生生态、饮用水取水的影响，并对所采取的措施进行阐述，为广西的内河航道建设施工提供参考和借鉴。

内河航道；疏浚施工；MIKE21软件

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基金项目：

广西重点研发计划项目“公路跨敏感水环境保护和风险防控关键技术研究”（自筹）（编号：桂科AB22080021）；广西交科集团有限公司自主立项科技计划项目“新型仿生湿地在南方地区黑臭水体生态修复中的研究及应用”［编号：KJ2019-ZXM（HB）-26］

作者简介：

林" 宇（1989—），工程师，研究方向：建设规划与生态保护。

0" 引言

西江黄金水道促进了珠江-西江经济带的繁荣和发展，随着西部陆海新通道重点工程平陆运河项目的开工建设，广西将建设西南中南区域面向东盟、连接全球的北部湾国际枢纽海港。未来一段时间，广西内河航运持续建设必将给西江多个支流带来量级提升。在内河航道施工过程中，疏浚所造成的环境影响、生态影响是最明显和持久的［1-3］，因此本文以柳江红花枢纽至石龙三江口Ⅱ级航道工程为例，选取典型河段，利用MIKE21软件建立河道流场模型（图1），分析疏浚对水生生态、饮用水取水的影响，就采取的措施进行简要阐述，并为广西的内河航道建设施工提供参考和借鉴。

1" 项目概况

柳江红花枢纽至石龙三江口Ⅱ级航道工程整治河段为柳江、红水河、黔江三江汇流口上溯至柳江红花枢纽下引航道口门，航道长度为101.2 km。其中小赖滩险整治水域面积为150 008 m2、长度为1 984 m、疏浚量为16 983 m3。小赖滩现有鱼类产卵场长3 km，主要产卵鱼类为青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼四大家鱼及赤眼鳟；同时下游2 195 m为柳州市鱼峰区里雍镇水源地取水口。

2" 二维水文动力-悬浮物扩散模型

2.1" 模型简介

利用MIKE21软件的水动力模块（FM模块）建立平面二维“二维水文动力-悬浮物扩散”模型，二维水动力条件计算采用ADI法对水动力方程组进行离散求解。平面二维水流模型基本方程可表示成如式（1）所示通用微分方程式，即：

（CηHuΦ）ζ+（CζHvΦ）η=ζΓΦＨCηΦCζη+

ηΓΦHCζΦCηη+SΦ（1）

疏浚产生的悬浮物对水环境影响预测采用上述水力数学模型计算成果，结合悬浮物扩散方程耦合计算［4］，扩散方程如下：

t（Hs）+x（Hvs）+y（Hvs）=Ex2x2（Hs）+Ey2y2（Hs）-αω（S-S*）（2）

式中：S——悬浮物浓度（g/m3）；

Ex、Ey——x、y方向的扩散系数；Ex=5.93guH/C；Ey=5.93gvH/C；

α——系数；

ω——泥沙沉速（cm/s）；

S*——悬浮物本底值（mg/L）。

2.2" 水动力计算条件

2.2.1" 范围

根据评价河段已有的水文资料及整治工程施工时间（枯水期），采用二维模型，对拟整治航段按流场特征选择整治工程量较大且涉及集中式饮用水取水口、鱼类“三场”等环境敏感保护目标进行水动力条件计算，确定为柳江小赖滩-里雍航段（航程约7.5 km）。

2.2.2" 参数选取

2.2.2.1" 河道地形

河道地形采用2017年10～11月对项目航道地形的测量成果资料。

2.2.2.2" 模型预测参数的选定

中心部分网格边长为35～50 m，最大单元面积为1 500 m2，三角网格最小允许角度为26°，岸边部分网格边长为15～30 m，最大单元面积为600 m2，三角网格最小允许角度为26°，时间步长为30 s，河底糙率为0.02～0.055，不考虑风速、潮汐、降雨、蒸发等影响。

在整治河道全段共布置了79个断面，对枯水期水位、流量进行实测，结合工程河段内的象州水位站、上游柳江柳州（二）站有效历史资料，根据流量水位来反推河段综合糙率并进行了验证。水文参数采用推演的各个航道段施工流量、水位以及河段糙率。各航段预测参数：流量528 m3/s，糙率0.025，起点水位60.37 m，终点水位59.21 m［5］。

2.2.2.3" 起悬泥沙参数

作业点源强与作业船功率及效率有关，由于起悬泥沙主要是工程废弃物中较小比例的极细颗粒，计算中根据河道的实际情况确定扩散系数（Diffusion Coefficient）为0.02～0.03。

航道工程疏浚影响研究及应用/林" 宇，刘陈鸿，刘国亮

3" 对水文情势的影响分析

3.1" 初始场和边界的确定

为了确定初始水位场，在横向比降影响的前提下，可以使用线性插值方法基于计算域上下游的水位和断面间距，然后进行分段插值推导出指定的某个断面水位。对于初始速度场，垂直方向上的速度为0，而水平方向上的速度可通过曼宁公式进行计算，并进行断面总流量的校正。

边界确定的困难点在于河滩以及江心洲等易受水位变化而影响的区域。可对相关区域进行纵向的调整，将河滩以及江心洲高出水面的部分调整至水面下，并将这部分区域增加至非常大的糙率，导致水位无法产生改变，以代替成为原有的河滩以及江心洲［6］。

3.2" 河段流量计算条件

河段流量主要受上游红花枢纽、下游大藤峡枢纽运行调度影响。因此设置了4种工况，如表1所示。

3.3" 水位变化分析

对评价河段水位影响较大的不利工况下工程前后沿程水位变化图，如图2所示，航道整治工程实施后，工况1、工况2、工况3、工况4条件下红花枢纽坝下近坝段的小赖滩尾水位有较明显的下降，分别下降3.52 m、2.96 m、2.47 m、1.71 m。

3.4" 比降变化分析

航道整治工程后，工况1、工况2、工况3、工况4条件下柳江至石龙三江口河段沿程比降如图3所示。由图3

可见航道整治工程后，4种工况条件下，该河段沿程比降变化特征基本一致。以工况1为例来看，小赖滩至石龙三江口全河段水位落差为8.21 m，平均比降0.086‰，流速最大减少0.22 m/s。

4" 疏浚对水环境的影响预测

疏浚产生的悬浮物对水环境影响预测采用上述水力数学模型计算成果，选用最不利情况的工况4，结合悬浮物扩散方程耦合计算。疏浚作业地点由于水流速度不同及水深、河道走向的差异，疏浚作业中产生的悬浮物扩散距离和范围也各不相同。滩险水急的河段悬浮物扩散的范围要大于水流平缓的河段。根据对柳江河道二维水动力条件计算的结果：小赖滩、碧廖滩疏浚施工产生悬浮物影响范围（浓度gt;30 mg/L）为400～450 m，从开始疏浚作业大约经过60 min，悬浮物扩散达到最大范围。小赖滩疏浚河段中弘线沿程悬沙浓度及扩散影响范围详见图4、图5。

5" 结果分析

（1）疏浚、炸礁施工区面积占产卵场面积的11.53%，汛期典型流量情况下，工程实施后产卵场所在河段水位降低1.71～3.52 m，流速最大减少0.22 m/s。

四大家鱼中，青鱼、草鱼属于温水性鱼类，鲢鱼、鳙鱼属于冷水性鱼类，一般在春季或初夏产卵。鲢鱼倾向于选择水质清澈、水流缓慢或停滞的湖泊、河流或池塘产卵，产卵方式是散卵。水位下降可能暴露更多的产卵场所，例如浅滩、岩石或沉积物上的洼地，这为家鱼提供了更多的选择。增加产卵场所的数量和多样性可能有助于提高家鱼的繁殖成功率；暴露更多的底栖生物、浮游生物和水生植物，这为家鱼提供了更多的食物资源。另外，流速的略微下降为家鱼提供了更为稳定的产卵环境，减少卵子被冲走的风险；减少水流对卵子的冲击和摩擦力，从而减少卵子被物理损害的风险。工程实施对产卵场的水文情势影响不大，对产卵场功能影响不大。工程开工建设前，应尽量做好施工规划前期工作，对鱼类资源影响大的炸礁、疏浚、抛填等施工行为应避开鱼类的繁殖高峰期，减轻工程建设对沿线鱼类产卵、索饵、栖息场所的影响。小赖滩整治施工应避开4～7月鱼类的集中繁殖季节。

（2）采取本文同样的方法进行计算，在柳州市鱼峰区里雍镇水源地取水口上游约2.8 km对开水域范围内的疏浚炸礁整治工程将导致取水水域附近悬浮物浓度值增加10～200 mg/L，同时导致取水口附近悬浮物浓度明显增大。经调研，水厂日均取水3～4次、每日取水时长为1～2 h，净水工艺为水源→水泵提水→絮凝→沉淀→过滤→消毒→高位水池→供水管网→用户，通过絮凝沉淀可降低取水水源中的悬浮泥沙影响。整治作业期间应在该取水口周边设置防污屏，可有80%以上的悬沙去除率，同时在该取水口每日取水时段应暂停施工。通过落实以上措施，可有效降低施工悬浮泥沙对取水口水质的影响，施工产生的影响在可接受范围。

6" 结语

（1）通过分析河道滩涂挖掘清理将在短时间内对水质造成不同程度的影响，浮游生物、底栖动物等鱼类饵料生物量在短时间内将出现一定程度的减少；疏浚和抛填改变了原有的地形条件，原有鱼类的生存、生长和繁衍条件将会发生改变。根据预测，在汛期鱼类的集中繁殖期，航道整治后流速gt;1.50 m/s，能满足四大家鱼等繁殖所需的流速要求，未造成产卵场毁灭性的影响。在今后的类似工程中可通过优化施工方案，并采取人工增殖放流、生境修复等生态补偿措施后，施工对评价河段鱼类种群的影响可接受。

（2）对于下游有饮用水取水口的疏浚点，应充分调研水厂的工艺，采取设置防污屏可有效降低施工悬浮泥沙对取水口水质的影响。

［1］郑志华，徐碧华.航道疏浚中悬浮泥沙对海水水质和海洋生物影响的数值研究［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2008，31（2）：105-110.

［2］钱" 宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京：科学出版社，1983.

［3］谢森扬，王金坑，王" 翠，等.九龙江口-厦门湾悬沙浓度及多岔口潮汐汊道泥沙输运的数值模拟［J］.水动力学研究与进展A辑，2016（2）：188-201.

［4］胡秋萍，曾" 武.航道疏浚工程影响水环境分析及应急对策［J］.中国水运（下半月），2014（14）：150-151.

［5］冯桃辉.长江航道疏浚悬浮物扩散数值模拟研究［J］.绿色科技，2017（8）：47-51.

［6］普晓刚，张" 明，冯小香.湘江长沙综合枢纽水库淹没范围控制研究［J］.资源与水工程学报，2015，26（3）：165-168.

20240320