海底输水管道敷设过程中悬浮泥沙对海洋环境影响的数值研究＊

黄兰芳,孙志林

(浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

近年来,舟山市以港口、临港工业和旅游业为主导,海洋经济迅速发展。随着经济的发展,生活和工业用水急剧增加,尤其对于六横岛、虾峙岛等人口众多、地域狭小的海岛而言,淡水资源供需矛盾日趋突出。为了缓解六横岛、虾峙岛等海岛的供水压力,使当地社会经济实现可持续发展,决定实施临城至虾峙岛、六横岛输配水(应急引水)工程。工程管线全长47.65 km,其中路上段管线10.32 km,跨海段管线长37.33 km,跨海段管线路由见图1。

海底输水管道敷设引起的高浓度悬浮泥沙对海洋环境造成的影响不可忽视。海域悬浮泥沙浓度突然升高,会造成海水水质的下降;悬浮泥沙会对水生生物的卵、稚仔和幼体造成严重伤害,主要表现为影响胚胎发育、堵塞生物的腮部造成窒息死亡德等[1]。

随着泥沙理论、数值计算技术和计算机技术的发展,泥沙数学模型不断完善,已经成为研究河口海岸泥沙运动问题的重要手段[2-5]。因此,本文建立了2D悬浮泥沙输移模型,对悬浮泥沙的影响程度和范围进行定量分析,为进一步的海洋环境影响评价提供了依据。

2.2 计算条件

计算海域包括整个峙头洋海域及其邻近海域,如图1中虚线框包含部分。网格采用平面正交网格,精度取为100m;在输水管道路由附近海域,对网格进行加密,最高分辨率为10m。开边界处的水位同时包含9个主要分潮(K1,O1,K 2,N2,S2,M 2,M4,MS4,M6)。

2.3 模型验证

根据经典潮汐理论,可通过调整各天文分潮的相角来改变具体的计算日期,这使应用历史资料验证模型成为可能。我们主要采用2006年定海、登步岛和六横3个临时潮位站资料进行潮位验证;采用2006年4月舟山中奥能源储运码头工程实测的1个定点周日连续站(PP2),2005年8月六横电厂工程实测的2个定点周日连续站(Z0504、Z0506)以及2005年1月螺头海区实测的1个定点周日连续站(A 01)的资料进行流速和流向验证。各测站的位置见图1。

由图2可知：模型计算所得潮位值与潮位站实测潮位值吻合较好;无论是高、低潮值,还是高、低潮位出现时间,计算值和实测值均吻合良好。由图3～图6可知：模拟所得的流场与实际情况符合较好,流速的计算值与实测值之间的相对误差满足要求;模拟所得的流向与实测流向也基本吻合。模型的验证计算结果表明,采用的相关计算参数基本合理,模型基本能反映计算海域的水动力过程。

图6 小潮时各站流向验证Fig.6 Verification for current direction in ebb tide

3 悬浮泥沙输移模型

3.1 悬浮泥沙输移基本方程

式中,h=d+ζ为水深;S表示悬浮泥沙浓度;S＊为水流的悬浮泥沙挟沙力公式;u、v分别为x、y方向上的速度分量;εx、εy为悬浮泥沙在 x、y方向上的扩散系数;α为恢复饱和系数,α=0.15～0.4;ω为悬浮泥沙的沉降速度,根据相关资料工程海域的悬浮泥沙中值粒径取0.000 33 mm[5],故ω为5×10-8m/s;SQ=Q/A为事故排放产生的悬浮泥沙的源项,其中Q为悬浮泥沙源强,A为悬浮泥沙源强所在计算节点的控制面积。

3.2 管道敷设方案

管线路由北部与海域内的螺头水道航道等多条航道交错,南部将穿越规划中佛渡锚地和东白莲北锚地等多个锚地。根据路由穿越区域的不同,将整条路由分为5段,自北向南依次编号(图1)。本文对5个工段的管道敷设过程分别进行模拟。各工段采用连续施工的方式,每天工作时间按10 h计。由于受天气、波浪等客观因素的影响,实际敷设工期将较连续施工长,因而连续施工为最不利的情况。

3.3 悬浮泥沙源强计算

各段在进行施工时,随着工程的推进,施工点慢慢向前推移,亦即源强释放点向前移动。海底悬浮泥沙源强Q(kg/s)按照工程挖沙量的30%计,工程挖沙量根据开挖进度L、泥沙容重γs、开挖深度H和开挖横截面宽度W 等参数计算(式5)：

施工进度L为1m/min,泥沙容重按2 000 kg/m3计算,各工段的的开挖深度和开挖截面宽度不同,故悬浮泥沙的源强也不等,详见表1。

表1 悬浮泥沙源强Table 1 Intensity o f suspended silt source

3.4 结果分析

3号工段为砂砾区,管道敷设过程中悬浮泥沙产生量为0,因此只对1号、2号、4号、5号工段的模拟结果进行对比分析。根据模拟计算结果,对大于2 mg/L的悬浮泥沙质量浓度增量(以下简称悬沙增量)影响范围进行了统计分析。各工段悬沙增量的最大影响范围的出现时刻、面积及分布情况分别见表2、表3和图7。

1号和5号工段源强相同,但由于管线路由、地形、水流条件等差异,悬浮泥沙输移差别较大。1号工段所在海区为浅滩地形,岛礁众多、流速较小,悬浮泥沙不易输移扩散,2 mg/L以上的悬沙增量影响范围较小,但悬沙增量大于10 mg/L的影响面积为各段中最大。5号工段位于条帚门水道,为深槽区、流速较大,悬浮泥沙在短时间内即输移扩散,因而大部分区域的悬沙增量小于2mg/L;只在六横岛南岸浅水区出现悬沙增量大于2 mg/L的影响范围,且在六横登陆点附近悬沙增量值较大,最大值为30～35 m g/L。2号工段位于航道区,水深较深、流速较大,在往复流作用下,悬浮泥沙在北部开阔海区内来回输移扩散,悬沙增量影响范围虽较大但增量值在10 m g/L以下。4号工段源强为各段中最大,约为1号和5号工段的3倍,悬浮泥沙随着往复流在佛渡水道和螺头水道的高流速区输移扩散,2 mg/L以上的悬沙增量影响范围为各段最大。

表2 悬浮泥沙浓度增量最大影响范围出现时刻Table 2 Time occurring at themaximum ex tend in the increments of the suspended silt concentration

表3 悬浮泥沙浓度增量最大影响面积Table3 Themaximum ex tend occurring at the increments of suspended silt concentration

图7 悬浮泥沙浓度增量最大影响范围分布Fig.7 Themaximum cx tends corresponding to the increments of various silt concentrations

4 结 语

建立的数学模型经实测资料验证,吻合良好,模型基本适用于本计算海域。悬浮泥沙输移模型模拟了连续施工情况下各工段管道敷设产生的悬浮泥沙的输移、扩散过程,提供了悬浮泥沙的影响范围和程度。根据《渔业水质标准》的人为增加的量不得超过10mg/L的规定[5],可将悬沙增量为10 mg/L作为安全影响的临界值。因此,1号工段管道敷设对海水水质影响最大,2号工段管道敷设过程对海水水质影响最小,在5号工段六横登陆点附近施工时对周边小范围水域的海水水质存在较大影响。

模型的建立为进一步的海洋环境评价和施工期环保措施的提出提供了科学依据及技术支持。但模型对悬浮泥沙沉降及再悬浮过程研究不够深入,需在今后的研究中不断改进和完善。

[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] 李孟国.海岸可口泥沙数学模型研究进展[J].海洋工程,2006,24(1)：139-154

[3] 李大鸣,李冰绯,吕小海.全沙数学模型在港口环境评价中的应用[J].水利学报,2003,(6)：37-42

[4] 李鹏山,谢跟踪,陈小红,等.数值模拟方法在海洋环境影响评价中的应用[J].海南师范大学学报,2008,21(2)：200-207

[5] 黄惠明,王义刚.崎头洋附近群岛水域泥沙特征及悬沙来源分析[J].海洋工程,2009,27(1)：49-54

[6] GB 11607—89渔业水质标准[S].北京：中国标准出版社,1989.