感潮河段疏浚對懸浮物的變化影響模擬探究

張 舟，陳莉蘋，吳利橋

(1.珠江水資源保護科學研究所，廣州 510611；2.安徽職業技術學院，合肥 230011)

1 概述

西江為珠江流域的重要干流，干流水質狀況較好，自思賢滘西滘口至西海水道段均可維持Ⅱ類水質標準，分布有多個水源保護區。根據《珠江—西江經濟帶發展規劃》，西江作為珠江流域重要的通航航道，承擔著3 000 t級船舶的通航任務，通航碼頭的建設需要對干流河道進行疏浚，疏?？赡軐λh境造成一定影響[1]，主要為施工期疏浚船舶挖泥作業可能引起水體局部懸浮物增加[2]，對其他水環境因子影響不大[3]，因此本文主要以懸浮物(SS)作為特征評價因子。

本研究的感潮河段為西江干流河段，主要是馬口水文站到下游天河、南華水文站河段，其水文條件十分特殊，全年的水資源量呈現季節性分布，其中豐水期(4—8月份)占到全年水資源量的約80%[4-5]。豐水期因上游來水量較大，漲潮作用通常小于豐水期上游來水，因此在豐水期該河段整體呈現正向流量與流速[6]；而枯水期因上游來水量不足，下游磨刀門口岸漲潮頂托作用，使得這一河段呈現漲潮落潮，即季節性感潮的現象[7]。而河道及港口的疏浚通常避開豐水期，因此不僅對下游也可能對上游保護區造成影響。因此本研究的展開具有較大的現實意義。

本文研究對象為新建的2 000 t級集裝箱碼頭，位于廣東省佛山市境內，上下游分別有西江干流高明水廠水源保護區與鶴山市西江東坡水源保護區，碼頭與保護區位置關系示意見圖1。疏浚范圍包括停泊水域、部分回旋水域，水域疏浚無炸礁，水域疏浚量約為21萬m3。

圖1 本研究疏浚點與上下游水源保護區位置關系示意

西江中下游因受磨刀門水道枯水期海水上溯的影響，枯水期會出現漲潮落潮的往復流[8]，為典型的感潮河段，為保障安全工程施工通常避開豐水期。疏浚工藝主要采用抓斗式挖泥船進行水下疏浚作業，作業時間為枯水期(12月—次年2月，水下施工約3個月)。受感潮河段的影響，枯水期往復流疏浚期間可能對上下游水源保護區造成不利影響，因此，對疏浚產生的懸浮物進行水環境影響模擬預測是十分必要的，可為水文自然條件相似的感潮河段河道疏浚造成的環境影響預測與飲用水源區保護提供科學技術參考。

2 研究方法

2.1 模型原理

本文利用二維非穩態模型，針對西江干流河段進行水動力與水質環境影響模擬，分析河道疏浚對西江干流水質的影響程度與范圍；本次分析計算采用的模型為二維非恒定流河網模型，主要模型原理[9-10]采用卡迪爾坐標系，其控制方程如下：

1)連續性方程

(1)

2)動量方程

(2)

(3)

其中，

(4)

(5)

式中：

t——時間；

u、v——分別為流速在x、y方向上的分量；

η——相對于未擾動水面的高度；

d——靜止水深；

h——總水深，h=η+d；

ρ——水密度；

ρ0——參考水密度；

f——Coriolis參量，f=2Ωsinφ；

Ω——地球自轉角速度；

φ——地理緯度；

Txx、Txy、Tyy——水平粘滯應力；

S——源匯項，源時為正，匯時為負；

us、vs——分別為源匯項在x，y方向上的流速。

3)泥沙模型

泥沙輸移擴散方程為：

(6)

式中：

C——濃度，mg/L；

S——沉積項，g/m3·s；其他符號說明同前文。

其中S為沉積項，可表達為：

(7)

式中：

ws——沉降速率，m/s；詳見3.3節。

cb——含沙量，kg/m3；0.009～0.012 kg/m3；

τb——河床切應力，N/m2；0.032 N/m2；

τcd——臨界沉積切應力，N/m2；0.04 N/m2；

2.2 計算方案

1)模擬范圍

西江干流河面寬闊，縱向河道寬400～1 000 m，河勢為WN-ES向，航道沿線水深則呈上淺下深的分布格局[11]。模擬區域范圍為西江干流中游河段，即馬口站至磨刀門水道以上河段。上游邊界為馬口水文站，距離疏浚區上游約30 km，下游邊界為甘竹、南華、百頃、大敖站，距離疏浚區分別約18 km、26 km、54 km與58 km。本研究的模擬范圍見圖2。

圖2 本研究模擬范圍與驗證點位示意

2)水文數據

碼頭疏浚施工的主要工藝采用抓斗式挖泥船進行挖泥，時間集中在枯水期(12月—次年2月)。在此期間，西江干流的潮流特征為枯水期水文條件，呈現感潮現象。模型的水文條件數據包括：水利部門實測的2015年枯水期西江干流與下游水文站同步水文資料。上邊界為流量數據，下邊界為水位數據，采用2015年1月2—16日一個完整的大、小潮位過程，此時為枯水期中潮差最大的階段，潮位過程具有代表性。

3)地形數據

本次建立模型時，河道地形采用2005年在珠江三角洲河網測量的1∶5 000河道地形資料，該地形的投影坐標系統采用1954北京坐標系，國家1985高程系統。

4)模型網格

本文模擬區域采用非結構化三角形網格，在碼頭附近河道進行局部網格加密，模型區域總計12 813個不規則三角形網格，7 794個節點。不規則網格對復雜地形的適應性更好，網格的邊可以更好地貼合彎曲河道，地形概化更接近實際情況。本文模擬研究的網格如圖3所示。

圖3 本研究模擬范圍計算網格示意

3 模型驗證

3.1 模型主要參數的選取

根據二維非恒定流河網模型的基本原理，在模型中需對以下主要參數進行設置[12-13]。

1)渦粘系數。渦粘系數采用Smagorinsky公式估算，相應Smagorinsky系數取值為0.28 m2/s。

2)時間步長。根據模型網格大小、水深條件動態調整模型計算時間步長，使CFL數小于0.8，滿足模型穩定的要求，本文時間步長設置為60 s。

3)干濕邊界。對計算區域內灘地干濕過程，采用網格凍結方法處理。當某點水深小于0.005 m時，令該網格點為干點，灘地干出，不參與水動力計算；當某點水深大于0.005 m但小于0.05 m時，令該處流速為零，該網格點僅參與水流連續方程的計算；當該處水深大于0.1 m時，該網格點參與計算，河水上灘。

3.2 糙率的選取

根據河網的水流特點，采用模擬計算與實測資料率定[14]，參考前人對珠江三角洲網河區已完成的工作來率定糙率系數，珠江網河區糙率分布大致介于0.014～0.036之間，三角洲上游河段糙率較大，口門段較小，糙率分布合理[15]，可用于工程計算。根據河道的水流特點，采用模擬計算與實測資料率定，本研究曼寧系數取值0.024，曼寧系數分布合理，可用于工程計算。

3.3 泥沙相關參數的選取

疏浚段為砂質河床，根據當地水文地質勘查的測驗成果，懸沙中值粒徑為0.075～0.25 mm，平均值為0.15 mm。泥沙的沉降速率參照同類項目，采用武漢水利電力學院公式[15]計算：

(8)

式中：

ω——沉降速率，cm/s；

v——水體運動粘滯系數，ν=0.0114 6 cm2/s；

a——重率系數，a=1.65；

d——泥沙粒徑，疏浚中懸浮泥沙顆粒粒徑，取中值粒徑0.15 mm。

D——平均水深，計算得出泥沙沉降速率為1.85 cm/s，即0.0185 m/s。

懸浮物原理公式并不因感潮河段而有變化，其擴散范圍主要由水文條件所決定，因感潮河段不同流態會出現不同的流速，例如漲急流速向上達到最大，落急流速向下達到最大，因此懸浮物會出現向上游與下游擴散范圍最大的情況[16]。

3.4 模型驗證

本研究采用2015年1月2—16日實測數據進行模型驗證，模型對模擬范圍內的天河站潮位、潮流過程進行了驗證，水位、流量與泥沙驗證結果見圖4。

a 水位驗證

從圖4可以看出模型率定結果較好，驗證站點水位平均絕對誤差均在0.05 m以下，流量、泥沙的計算值與實測值的平均誤差在10%以內，均滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程(JTST231-2-2010)》與《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》(JTS/T 231-4—2018)中模型驗證精度的要求(水位與流量的誤差在±10%以內，平均含沙量誤差在±30%以內)，可以用于懸浮物或其他水環境要素的影響模擬計算。

4 模擬結果與討論

4.1 對水源保護區的影響分析

本研究上游分布有高明水廠取水口及其飲用水源保護區，下游分布有鶴山市西江東坡飲用水水源保護區。高明水廠飲用水源二級保護區下邊界位于工程上游約4.0 km處，取水口位于工程上游9.9 km處。鶴山市西江東坡飲用水源二級保護區上邊界位于工程下游約2.0 km處，取水口位于工程下游5.7 km處。由上文可知懸浮物擴散范圍主要由水文條件所決定，因感潮河段呈現出周期性不同流態，例如初漲流態為停止落潮開始漲潮，漲急流態流速向上達到最大，初落流態為停止漲潮開始落潮，落急流態流速向下達到最大，因此懸浮物會隨不同水文流態呈現不同濃度分布，在漲急與落急呈現出向上游與下游擴散范圍最大的情況。根據模擬預測，在不同流態下(初漲、漲急、初落、落急)對懸浮物影響濃度場范圍如圖5所示。

圖5 漲落潮時期本研究疏浚作業懸浮物影響范圍示意

圖6 漲落潮疏浚作業懸浮物最大影響包絡線范圍示意

根據預測結果，疏浚作業對上下游的懸浮物影響較小。下游準保護區最大影響濃度為5.0 mg/L；其中距離疏浚位置較近的保護區，上游二級保護區邊界SS濃度最大增量為1.21 mg/L，一級保護區邊界SS濃度最大增量為0.49 mg/L，上游取水口SS濃度最大增量為0.38 mg/L；下游二級保護區邊界最大增量為0.74 mg/L，一級保護區邊界SS濃度最大增量為0.37 mg/L，取水口SS最大增量為0.28 mg/L。疊加背景濃度4 mg/L后SS預測值均小于10.0 mg/L，符合《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2005)中水旱田作物的標準(100 mg/L)與《地表水環境質量標準》；因此疏浚作業不會對上下游水源保護區造成明顯影響。

4.2 最大影響范圍

根據水動力學模型計算結果，疏浚擾動引起的懸浮物在施工地附近濃度較大，特別是在縱深50 m范圍內，施工場地懸浮物濃度較高；超過100 mg/L的范圍為上游50 m到下游90 m，最大影響包絡線面積約為0.005 m2。隨著對流擴散，濃度衰減速度較快，到下游為270 m范圍，影響降至25 mg/L，到下游1 km處已經衰減到5 mg/L以下；25 mg/L濃度線向河道上游擴散的最遠距離為150 m，向下游擴散的最遠距離為270 m，最大影響的包絡線面積約為0.06 km2。10 mg/L濃度線向河道上游擴散的最遠距離為450 m，向下游擴散的最遠距離為580 m，最大影響的包絡線面積約為0.18 km2。污染物最遠上溯距離為2.3 km，最大約1.5 mg/L。

綜上所述，最大影響包絡線范圍與影響范圍見表1所示。

表1 本研究不同濃度包絡線影響范圍

5 結語

1)感潮河段西江干流全年的水資源量呈現季節性分布，其中豐水期(4—8月)約占全年水資源量的80%?？菟谝蛏嫌蝸硭坎蛔?，下游磨刀門口岸漲潮頂托作用，使得這一河段呈現季節性感潮的現象。模擬結果顯示，在枯水期一個潮周期內研究河段呈現較為明顯的初漲-漲急-初落-落急的周期性流態現象。

2)本文利用二維非穩態模型針對研究區域進行水動力與懸浮物影響模擬，模型采用實測水文資料進行參數率定與模型驗證，驗證站點水位平均絕對誤差均在0.05 m以下，流量、泥沙的計算值與實測值的平均誤差在10%以內，滿足有關規范的要求，模型精度符合要求，可以用于懸浮物或其他水環境要素的影響模擬計算。

3)根據影響預測分析河道疏浚的影響程度與范圍；超過100 mg/L的范圍為上游50 m到下游90 m，最大影響包絡線面積約為0.005 m2。到下游270 m范圍，影響降至25 mg/L，到下游1 km處已經衰減到5 mg/L以下。10 mg/L濃度線向河道上游擴散的最遠距離為450 m，向下游擴散的最遠距離為580 m，最大影響的包絡線面積約為0.18 km2。針對保護區，下游準保護區最大影響濃度為5.0 mg/L；上游二級保護區邊界SS濃度最大增量為1.21 mg/L，疊加背景濃度4 mg/L后SS預測值均小于10.0 mg/L，因此正常疏浚作業對上下游保護區無明顯影響。

4)懸浮物原理公式并不因感潮河段而有變化，其擴散范圍主要由水文條件所決定，因感潮河段不同流態會出現不同的流速，例如漲急流速向上達到最大，落急流速向下達到最大，因此懸浮物會出現向上游與下游擴散范圍最大的情景。感潮河段水文條件特殊，為避免航道或港池疏浚對水環境的影響，應嚴格落實疏浚期的環保措施，如采用涉水施工局部圍堰、防泥幕簾等防護措施，通過人為方式制作圍擋，有效限制擴散范圍，可減少疏浚懸浮物的影響；疏浚挖泥船上可配備先進的定位系統、航行記錄器和溢流門自控裝置，進一步保障航道與港池疏浚作業不會對上下游保護區產生影響。