海洋倾倒区分小区倾倒管理方案数值研究＊

王海棠，刘有刚，周剑波

（国家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青岛 266033）

海洋倾倒区的设立为海洋经济的发展做出了积极贡献，例如，天津港某海洋倾倒区从20世纪50年代启用至今，历年来为多项疏浚工程进行服务，极大地促进了天津港的建设。然而，经过长期的倾倒，尤其是2000年以来天津港的大规模开发引起的倾倒强度的加大，使该区的水深和海底地形发生了很大变化，由于倾倒不均匀，该区目前最浅处水深不足3m，最深处约7.5m，海底地形起伏不平。受其最浅处水深太浅的制约，海洋管理部门出于安全考虑，目前已暂停使用该倾倒区。

该倾倒区暂停使用的原因为空间容量不足，导致其空间容量不足的关键因素有两个：① 倾倒强度加大；② 倾倒方式的影响（不均匀倾倒）。那么，一个海洋倾倒区的倾倒强度究竟应该控制在多大范围之内？换言之，如何控制倾倒区的年倾倒量？采用怎样的倾倒方式更有助于延长倾倒区的使用寿命？这些问题值得海洋主管部门和我们海洋倾倒区选划工作者深思。

本研究拟以营口疏浚物海洋倾倒区为研究对象，对疏浚物倾倒后海底地形的变化进行数值模拟。设计不同的分小区倾倒管理方案，通过比选确定最有利于倾倒区使用的倾倒管理方案。使海域资源得到合理有效的开发利用，并为管理部门进行海洋倾倒区管理提供决策依据。

1 营口海域海洋倾倒区介绍

营口海域曾经使用及在用的海洋倾倒区主要有A区、C区和营口疏浚物海洋倾倒区。

营口港临时海洋倾倒区A区，中心点位于121°59′12″E、40°22′48″N， 倾 倒 区 半 径 为0.5km，面 积 为 0.785km2， 水 深 11m［1］，2002年经国家海洋局批复同意使用，2008年3月关闭。主要用于营口港扩建5万吨级航道工程及港区日常维护性疏浚，累计倾倒量大约为445万m3，历年来承纳的疏浚物均为清洁疏浚物（I类）。

营口港临时海洋倾倒区C区，中心点位于121°47′00″E、40°20′00″N，倾倒区半径为1km，面积为3.14km2，水深18m［2］，2005年经国家海洋局批复同意使用，主要用于营口港建设15万吨级航道工程及港区日常维护性疏浚，累计倾倒量约775万m3，历年来承纳的疏浚物均为清洁疏浚物（I类）。目前该倾倒区已关闭。

营口疏浚物海洋倾倒区，中心点位于121°33′00″E、40°18′10″N，倾倒区半径为1km，面积为3.14km2，水深17.5～17.9m［3］，是2010年经国家海洋局批复同意确立的正式海洋倾倒区。年倾倒量控制为200万m3，用于营口港工程建设及周边海洋产业的日常维护性疏浚。

2 数值模型设置及验证

采用丹麦水力学研究所研制的三维数值模型MIKE3FM来模拟工程海域的潮流场运动及泥沙输运、底床冲淤变化。

根据营口海域的基本特点和研究需要，模型计算范围为40km×55km。水深资料采用航保部海图（编号：11500）和营口临时海洋倾倒区A区、C区、营口疏浚物海洋倾倒区实测水深图。采用三角形网格剖分计算域（图1），相邻网格节点最大间距为3200m，在营口临时海洋倾倒区A区、C区及营口疏浚物海洋倾倒区附近水域进行局部加密，最小间距为100m。

图1 数学模型网格布置图（加密区从左至右依次为营口疏浚物海洋倾倒区、C区、A区）

水动力设零初始场，开边界采用预报潮位（M2、S2、K1、O14个主要分潮）进行控制。

泥沙输运、底床冲淤变化模拟设初始厚度为0，边界输入悬沙浓度设为0。沉积物类型输入包括粉砂质砂／砂质粉砂、黏土质砂、粉砂质黏土，但砂为主要粒度组分［1－3］。目前疏浚物倾倒多采用5000m3耙吸式挖泥船进行底开倾倒。因此，考虑5000m3的耙吸式挖泥船抛泥作业，进行泥沙扩散及底床厚度变化模拟，抛泥船所载泥水混合物中泥沙占30%，倾倒方式为底开门一次性倾倒，每次倾倒约需5min。泥土干容重2650kg／m3，疏浚物产生悬沙比例取10%，由此计算得到：5000m3挖泥船单船倾倒源强为1325kg／s。

受所收集到资料的限制，模式潮汐潮流模拟结果使用C区实测潮位和海流资料进行验证，海底地形变化模拟结果使用A区开始使用前及使用结束关闭前的实测水深资料进行验证。由于文章主要关注海底地形变化以及受文章篇幅所限，仅给出海底地形变化模拟验证情况（图2和图3）。验证结果表明，Mike3FM模型能够较好地再现营口海域潮汐潮流及泥沙输运、底床冲淤变化情况。

3 营口疏浚物海洋倾倒区海底地形变化的数值研究

为确定疏浚物倾倒后，倾倒区海底地形的变化情况，设计了两组数值试验，每组试验采用不同的倾倒方式，设置不同的倾倒源强，预测在不同的倾倒方式作用下倾倒区海底地形的变化程度。每组数值试验具体设置如下。

数值试验1 单船定点连续倾倒。在倾倒区内固定一点（如中心点）倾倒，每2h倾倒一次，每次倾倒5min，连续作用12h。这种倾倒方式下的倾倒源强可表示为：

式中：A0为输入源强的等效振幅，由平均输入源强计算求得（本研究为5000m3挖泥船单船倾倒源强1325kg／s）；T为倾倒频率，即平均两船倾倒时间间隔，取2h；TD为单船倾倒时间，取5min；连续作用12h，则n＝0，1，2，3，4，5，t为模型模拟时间。

数值试验2 单船换点连续倾倒。在倾倒区内均匀选择24个点倾倒，每2h倾倒一次，每次按顺序选其中一点倾倒，每次倾倒5min，每天作业12h，连续作业24d。每天的倾倒源强设置与数值试验1相同。

对数值试验1模拟结果进行简单换算，折算出与数值试验2相同倾倒量下海底泥沙的扩散面积、扩散距离和泥沙沉积厚度，并从两个角度对模拟结果（图4、图5和表1）进行比较分析。

图4 数值试验1所得营口疏浚物海洋倾倒区海底地形变化图

从沉积海底的泥沙扩散来分析，由于模拟区域的海流主要是潮流，且以NE－SW向往复流为主，因此，疏浚物倾倒后，沉积到海底的泥沙主要呈现NE－SW向的椭圆形向周围扩散。在相同的倾倒量下，数值试验2所得泥沙总扩散面积和扩散距离均大于数值试验1。可见，换点均匀倾倒比定点倾倒更有利于沉积于海底的泥沙向四周扩散。

图5 数值试验2所得营口疏浚物海洋倾倒区海底地形变化图

从泥沙的沉积厚度来分析，在相同的倾倒量下，数值试验1所得局部泥沙堆积最大厚度为0.868m，数值试验2为0.215m。由于进出营口港的船舶及过往该海域的船舶都沿相应的航道或习惯航线行驶，且营口疏浚物海洋倾倒区距离相关航道及习惯航线距离较远（7km以上），因此，若不考虑这些船舶的通行，只考虑抛泥施工船舶的通航安全的话，目前通用的5000m3耙吸式挖泥船的最大吃水约为8m，而营口疏浚物海洋倾倒区平均水深按照17.7m考虑，也即该区最大有9.7m的空间可用于倾倒。因此，若达到单点堆高9.7m，数值试验1累计倾倒量最大约为805万m3，数值试验2累计倾倒量最大约为3248万m3。若按照10年使用寿命进行考虑，在数值试验1的倾倒方式下，该区的年倾倒量最大约为80.5万m3；而在数值试验2的倾倒方式下，该区的年倾倒量最大约为324.8万 m3。

数值试验1和数值试验2分别模拟了两种极端情况。数值试验1一直在一点连续倾倒，这比较接近于目前倾倒区使用的实际情况，实际的倾倒区是一个范围而非一个点，但是施工人员往往出于经济因素的考虑，一旦到达倾倒区范围的边缘，即实施倾倒，造成严重的不均匀倾倒现象，使倾倒区局部范围泥沙堆积较高，不利于倾倒区的进一步使用。数值试验2在倾倒区范围内连续换点倾倒，这种倾倒方式使海底地形变化较均匀，不会造成严重的局部堆高现象。但这种倾倒方式不便于施工，是一种理想状况。

表1 数值试验1和数值试验2模拟结果比较

上述试验结果表明：海洋倾倒区的倾倒容量与倾倒方式是相互联系的，不均匀的倾倒方式减少倾倒区的倾倒容量。均匀的倾倒方式更有利于延长倾倒区使用寿命，但不便于施工，也不利于管理部门进行管理监督，因此，有必要探寻一些分小区倾倒管理的方案，既能使倾倒施工相对简单，又能使管理部门易于管理和监督。

4 营口疏浚物海洋倾倒区分小区倾倒管理方案比较分析

关于倾倒区分小区进行倾倒管理，目前国内也有过一些成功的经验，例如连云港30万吨级航道一期工程疏浚物临时海洋倾倒区将2＃倾倒区再细分为5个区块，将3＃倾倒区再细分为2个区块，采用轮抛制。轮换时间，根据跟踪监测结果，由主管部门适时调整［4］。

影响倾倒区划分小区的因素较多，比如工程区与倾倒区的位置关系、倾倒区域与周边敏感区的位置关系等等。对营口疏浚物海洋倾倒区而言，周边主要敏感区域距离倾倒区都在7km以上，因此，该区的小区划分应主要考虑工程区与倾倒区的位置关系。该区主要是为营口港的发展而选划的，其承纳的疏浚物多来自于营口港鲅鱼圈港区及仙人岛港区，因此可将该区按a、b两点连线划分为图6所示的两个小区，其中a、b两点连线大致平行于营口港鲅鱼圈港区及仙人岛港区连线，这样形成I区和II区两个小区，其中I区距离工程区较近，II区距离工程区较远。为避免在I区就近倾倒，现设计如下两种分小区倾倒管理方案进行比较分析，看哪一种倾倒方式更有利于倾倒区的使用。

图6 营口疏浚物海洋倾倒区小区划分方案

分小区倾倒管理方案1：I区和II区实行轮抛制，时间间隔为6个月，也即先在I区连续倾倒6个月后，再在II区倾倒6个月，然后再在I区倾倒，如此往复。

分小区倾倒管理方案2：I区和II区实行轮抛制，时间间隔为1个月，也即先在I区连续倾倒1个月后，再在II区倾倒1个月，然后再在I区倾倒，如此往复。

为此，我们根据上述两方案结合前文连续倾倒24d、折算总量为72万m3倾倒量的数值试验进行了数值简化，设计了两组分小区倾倒管理数值试验。模拟结果（图7、图8和表2）表明：

图7 方案1模拟所得营口疏浚物海洋倾倒区海底地形变化

图8 方案2模拟所得营口疏浚物海洋倾倒区海底地形变化

表2 方案1和方案2模拟结果比较

在相同的倾倒量下，方案2所得泥沙总扩散面积和扩散距离均大于方案1。按方案1的倾倒方式进行倾倒后，在海底会形成两个明显的局部堆高区域，其中一个区域局部堆积最大厚度为0.416m，另一个区域局部堆积最大厚度为0.595m。按方案2的倾倒方式进行倾倒后，只会形成一个局部堆高区域，局部单点堆积最大厚度小于方案1，为0.242m。若只考虑前述施工船型，且倾倒区使用寿命按10年计算，则方案1折算累计倾倒量约为1150万m3，年倾倒量约为115万m3；方案2折算累计倾倒量约为2826万m3，年倾倒量约为283万m3。

因此，在倾倒区采用分小区轮抛制的情况下，轮抛的时间间隔越短，越不易形成显著的泥沙局部堆积，越有利于延长倾倒区的使用寿命，且管理部门进行管理监督也相对简单易行。

5 小结

通过前面的分析得知，均匀的倾倒方式不会造成明显的倾倒区泥沙局部堆积，然而在倾倒管理实践中，均匀的倾倒方式不便于施工，也不便于管理部门进行管理监督。在倾倒区采用分小区轮抛制的情况下，原则上，划分的小区越多，轮抛的时间间隔越短，越有利于延长倾倒区的使用寿命，且管理部门进行管理监督也相对简单易行。而划分的小区数量及轮抛时间间隔需根据不同倾倒区的实际情况进行单独考虑，不能一概而论。

［1］青岛环海海洋工程勘察研究院，国家海洋局大连海洋环境监测中心站 .营口港海洋倾倒区评估报告［R］.2004.

［2］国家海洋局大连海洋环境监测中心站 .营口港临时海洋倾倒区C区评估报告［R］.2009.

［3］国家海洋局大连海洋环境监测中心站 .营口疏浚物海洋倾倒区选划报告［R］.2010.

［4］上海东海海洋工程勘察设计研究院 .连云港港30万吨级航道一期工程疏浚物海洋临时倾倒区选划报告［R］.2009.