苍南海域疏浚物倾倒悬浮物扩散特征现场试验分析

2013-11-22何东海何琴燕吴光荣江再寿洪元旦

海洋工程 2013年3期

何东海，何琴燕，吴光荣，江再寿，洪元旦

(国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315012)

随着我国海洋经济的发展，疏浚泥倾倒需求日益突出［1］，这些疏浚泥一方面来自港口、航道、码头新建和标准提高所需的建设性疏浚工程，另一方面来自由于沿岸海域开发后，原海域的水动力和水下地形冲淤平衡被打破后，加速港口、码头、航道的淤积，由此造成的维护疏浚频率升高，疏浚量不断增加。随着倾倒区的不断增加和倾倒量的不断增多，疏浚物的海洋倾倒对周边海洋环境的综合影响越来越受到人们关注［2-5］。目前我国允许海洋倾倒的主要是Ⅰ类疏浚物即清洁疏浚物［6］，清洁疏浚物由于其毒性较小，对海洋环境的影响主要体现为以下两方面:一方面倾倒后导致倾倒海域悬浮物含量的增加，对海洋生态环境产生影响，如由于水体中悬浮物浓度的骤升导致水生生物鱼鳃积聚细小颗粒物质，影响鱼鳃滤水呼吸功能，导致窒息死亡［7］;另一方面则是疏浚物倾倒后在海底的堆积和迁移作用对倾倒区及周边海域的淤积影响，从而影响对水深要求较高的海洋功能区如航道、码头、锚地功能的发挥［8］。掌握疏浚物倾倒后悬浮物扩散特征如扩散距离、扩散强度、扩散范围、持续时间，对研究分析疏浚物倾倒后悬浮物扩散增量对海洋生态环境的影响及预估疏浚物沉降后在海底的迁移方向和最终归宿具有十分重要的意义［9］。目前疏浚物倾倒引起的悬浮物扩散特征已成为海洋倾倒区选划的重点关注内容［10-11］。

由于资金、人员和设备等的限制，目前针对疏浚物倾倒后悬浮物的扩散特征，主要通过数学模拟来实现，如邱桔斐等［12］以长江口北槽口门外倾倒区为例对疏浚抛泥后悬浮物扩散计算模式进行的探讨;李佳等［13］以温州港进港航道疏浚工程的某大型海洋倾倒区为例进行的悬浮物扩散研究。用数值模拟来实现疏浚物抛泥后悬浮物扩散特征的分析，虽然具有经济、高效、全面等优点，但由于海洋环境的特殊性和复杂性，悬浮物扩散特征是多方面综合作用的结果，用数值模拟来描述悬浮物扩散特征在直观性和准确性方面存在一定的缺陷。通过现场观测手段来进行倾倒物扩散特征研究，目前开展的还较少。吴家学［14］等利用声学后散射(ABS)泥沙观测系统能非扰动地遥测到高时空分辨率的泥沙浓度，应用声学悬浮泥沙观测系统(ACP)在长江河口北槽抛泥过程中观测悬沙浓度的时空分布规律，并同步观测流场的结构，探讨抛泥作业状态下悬沙输移扩散过程。周明［15］等利用声学追踪方法进行碱渣海洋倾倒悬浮物颗粒云团扩散特征研究。上述研究主要是利用声学对悬浮泥沙散射和反射原理，得出悬浮泥沙浓度。本研究则通过苍南海域疏浚物倾倒试验，直接采取水样来观测悬浮泥沙扩散浓度，目前采用该方法进行疏浚物倾倒悬浮物扩散特征研究所见甚少，本研究拟为开展同类倾倒试验提供一些借鉴。

1 材料和方法

1.1 仪器设备

仪器:SLC9-2 直读式海流计，产自中国海洋大学海洋仪器厂;FYF-1 型便携式测风仪，产自上海风云气象测风仪器厂;DGPS，产自美国Trimble 公司;LS200-AL39495 激光粒度仪，产自美国BECKMAN COULTER公司;AE163 电子天平，产自美国METTLER TOLEDO 公司。

船舶:试验船为开底式排放的700 t 驳船1 艘，观测船为200 t 左右渔船2 艘。

1.2 观测方法

参考《海洋倾倒区选划技术导则》［16］中“废弃物海上倾倒试验”的悬浮物扩散观测方法。

1.2.1 疏浚物粒径监测

取3 份疏浚物样品，对其进行粒径特征值分析，取其均值。

1.2.2 试验时间

疏浚物海上倾倒试验于2011年5月进行，均在高平潮开始落潮时进行。在两个倾倒点(倾倒点A 和倾倒点B)进行了试验，疏浚物倾倒点设在苍南东南海域，具体试验位置和跟踪观测轨迹见图1。

图1 疏浚物倾倒点和试验海域Fig.1 The sea area of test and dumping spot

1.2.3 疏浚物装运及倾倒方式、数量

采用挖泥船，在预疏浚处挖出疏浚物倾倒至驳船，装载约500 t 左右，运至倾倒点，进行开底式倾倒。

1.2.4 定位方法、精度及实测航迹图

采用美国产Trimble 信标台实时差分DGPS 定位系统定位，定位精度优于1 m;观测终点与倾倒点距离约为3 km，云团基本上按顺流方向漂移。

1.2.5 倾倒试验过程

1)倾倒试验前对倾倒点做水体中悬浮物浓度和粒径特征背景调查，分表、底2 层采集水样。

2)倾倒试验时倾倒船到达倾倒点，疏浚物倾倒量为500 t，倾倒历时约为20 s，倾倒方式为瞬时底开门，同时投放铁粉红辅助观测。

3)一艘观测船锚泊固定在倾倒点(A 点、B点)，在废弃物倾倒后观测海流、风况，并用采水器在倾倒前，0 min(倾倒瞬时)、15 min、30 min、60 min、90 min、120 min时刻分表、底层采样;另一艘船在疏浚物倾倒后跟踪倾倒物“云团”运移路径，航速为3 ～4 节，为避免船只螺旋桨转动扰动水体，在到达云团中心之前20 ～50 m 左右，关闭引擎，利用惯性驶进云团中心，采样设备安装在船身中间偏前位置，当船只速度减慢，接近云团中心时，开始采集水样，采样时定点观测船，同时记录采样位置(经纬度)。倾倒前和0 时数据采用定点观测船数据。

4)各采样点、采样层次均采3 份平行样，所采用的悬浮物浓度和悬浮物粒径特征值分析结果均为平行样均值。

2 试验海域自然环境概况

1)试验期间，A 倾倒点风速为2.9 m/s，风向为75°，海况二级;B 倾倒点风速为3.5 m/s，风向为295°，海况二～三级。

2)倾倒点A 和B 所在海域潮流性质属于非正规半日浅海潮流，海流均以往复流为主并伴有旋转性的混合流态，试验海域涨潮流方向为西北、落潮流方向为东南。试验期间，A 测站、B 测站表层流速分别为47 ～103 cm/s 和55 ～112 cm/s;A 测站、B 测站底层流速分别为61 ～88 cm/s 和75 ～93 cm/s。

3)试验海域悬浮物浓度表层为19.0 ～53.1 mg/L，平均为36.3 mg/L，底层为26.4 ～65.8 mg/L，平均为42.5 mg/L。沉积物粒径倾倒点A 区和倾倒点B 区沉积物类型以粉砂质粘土为主，中值粒径为4.5 ～11.2 μm，均值为7.2 μm。

3 结果与分析

3.1 疏浚物倾倒后悬浮物扩散过程观测结果

疏浚物在倾倒点瞬时倾倒后，根据现场目测，产生面积约0.2 ～0.5 km2的片状云团(见图2，现场照片)，云团随着海流很快离开定点观测船。云团离开定点观测船后，慢慢形成“环带状”，随着与倾倒点的距离加大，云团范围也逐渐缩小，色度和形状逐渐模糊，云团漂移约1 h，漂移距倾倒点1 km 左右，已较难辨认。

3.2 悬浮物粒径分布特征

3.2.1 观测海域悬浮物与投放物粒径分析结果

观测海域水体中悬浮物与疏浚物粒径分析结果见表1。由表可知，疏浚物的中值粒径和平均粒径要大于倾倒点A 和B 水体中悬浮物的相应特征值。疏浚物中值粒径分别为倾倒点A 和B 悬浮物粒径的1.8 倍和1.3 倍，而平均粒径则分别为倾倒点A 和B 的2.7 倍和2.3 倍。虞兰兰等［17］对温州苍南海域悬浮物中值粒径调查结果表明，水体中表层为4 ～12 μm，底层为5 ～15 μm，倾倒点A 和B 粒径监测结果与其相符，中值粒径值处于其调查范围中。

图2 倾倒云团现场观测照片Fig.1 The photos of the cloud formed by dumping

表1 试验海域悬浮物和疏浚物粒度特征值分析结果Tab.1 The grain size of suspended matter in dumping spot and dredged material

3.2.2 试验期间悬浮物粒径变化特征

悬浮物粒径特征值随疏浚物倾倒时间变化情况见图3 ～图4，图中“D50表”、“D50底”、“DMZ表”和“DMZ底”分别表示表层水体悬浮物中值粒径、底层水体悬浮物中值粒径、表层水体悬浮物平均粒径、底层水体悬浮物平均粒径。

1)定点观测:由图3 可知，倾倒0 时，中值粒径和平均粒径有很大的上升，增量分别可达50% ～200%和25% ～100%，而随着时间的延长，粒径特征值也随之逐渐下降，到120 min 左右基本到达倾倒前的水平。而在定点观测站特别是A 倾倒点，表层悬浮物粒径在15 min 时中值粒径和平均粒径均迅速下降，下降的幅度要高于底层，主要原因一方面是表层流流速较快，倾倒引起的滞留水体表层的疏浚物较快地漂离观测点，另一方面表层悬浮物的自然沉降，所以在倾倒后15 min，观测点表层水体中悬浮物已基本不受倾倒影响，粒径特征也与倾倒前相似。

2)跟踪观测:根据3.2.1 节分析结果，疏浚物平均粒径和中值粒径大于倾倒海域悬浮物，疏浚物倾倒后一段时间内，水体中的悬浮物以疏浚物为主，导致悬浮物平均粒径和中值粒径随之剧增，而随着疏浚物的扩散和沉降，疏浚物在水体中含量逐渐减小，随着倾倒时间的延长，水中悬浮物平均粒径和中值粒径也变小，倾倒约120 min 后，水体中悬浮物又以该海域自身的悬浮物为主，粒径特征值也就恢复到倾倒前的状态(见图4)。

图3 不同倾倒点定点观测悬浮物特征值Fig.3 The grain size of suspended matter at Spots A and B by fastened boat

图4 云团追踪测线悬浮物粒径特征值Fig.4 The grain size of suspended matter at Spots A and B by tracking boat

3.3 悬浮物扩散

海洋中定点倾倒疏浚物的运动，一般可由三个过程描述:沉降、扩散和输运。倾倒船底部倾卸入海的疏浚泥，一部分立即沉入海底形成浮泥，另一部分则扬起成为悬沙。浮泥在重力和海洋动力作用下，沿海底流动，悬沙在水中随海流运动扩散运移，同时发生絮凝沉降。当风浪足以掀起浮泥时，浮泥被搅起形成悬沙，风平浪静，悬沙落淤再形成浮泥［9］。这里主要侧重于疏浚物倾倒后悬沙随海流的扩散运移。

3.3.1 云团悬浮物浓度与倾倒时间关系

1)由表2 可知，定点观测中，0 时悬浮物浓度增量较大，15 min 时，表层悬浮物浓度已基本恢复至倾倒前水平，但底层悬浮物浓度仍然较高。30 min、60 min 时表层悬浮物浓度的增量均不明显，60 min 时底层悬浮物增量也不明显，由此可见，疏浚物产生的表层悬浮物增量，在15 min 后已沉降或漂离倾倒点，底层悬浮物增量则在60 min 时已十分有限。云团跟踪观测过程中底层悬浮物浓度要大于定点观测值，这是由于追踪观测是随疏浚物漂移路径而进行的，云团漂移处的悬浮物增量影响较为明显，同时也说明悬浮物浓度增量影响与云团漂移路径较为一致。

2)90 min、120 min 时表层和底层悬浮物浓度增量又较为明显，根据现场观测，主要是由于这时夹带高浓度悬浮物的苍南沿岸落潮流到达观测海域所致，根据悬浮物的粒度分析结果来看(见3.2 节)，虽然这时悬浮物浓度有所上升，但是悬浮物粒径特征与倾倒前基本保持一致，由此可见这些悬浮物增量的重要贡献者不是倾倒物，主要是苍南沿岸落潮流夹带的高浓度悬浮物。而倾倒点B 由于离岸较远，受影响的时间稍显滞后，表现为在90 min、120 min 时，海水中悬浮物增量程度要小于倾倒点A。

3)苍南东南海域的疏浚物倾倒试验表明，大潮落潮时，由倾倒引起的悬浮物浓度增加而形成的云团在15 ～30 min 后漂离倾倒点，且倾倒点的悬浮物浓度也基本恢复到倾倒前;而倾倒30 ～60 min 后，由倾倒引起的云团基本消失，悬浮物增量效应也基本结束。

表2 悬浮物浓度与云团漂移时间关系Tab.2 The relation between the concentration of suspended matter and the dumping time

叶慧明等［18］对洋山临时海洋倾倒区疏浚物倾倒悬浮物动态跟踪监测结果显示，倾倒引起的悬浮物增量范围为37.5 ～126.5 mg/L，倾倒1 h 后各观测站点的悬浮物增量效应已明显减弱。本研究疏浚物倾倒引起的悬浮物增量要高于其水平，而悬浮物增量效应持续的时间则较为接近。

3.3.2 云团悬浮物浓度与漂移路径关系

1)由图5 和图6 可见，倾倒点表、底层悬浮物都显示了较高的浓度，表层水体中悬浮物浓度在0.3 km(倾倒点A)和0.4 km(倾倒点B)处由疏浚物倾倒引起的悬浮物增量已不明显。而随着云团追踪距离的延长，底层水体中悬浮浓度逐渐变小，在距离倾倒点1.4 km(倾倒点A)和1.3 km(倾倒点B)处，底层水体中由疏浚物倾倒引起的悬浮物增量已不明显。根据现场观测，在随后的观测距离上由于受到夹带高浓度悬浮物落潮流的影响，2.2 km 以远的区域均出现了表、底层水体悬浮物浓度升高的现象。

2)苍南东南海域的疏浚物倾倒试验表明，在大潮落潮时，由倾倒引起的悬浮物浓度增加而形成的云团在顺流方向距倾倒点0.3 ～0.4 km 处，表层水体由疏浚物倾倒引起的悬浮物增量影响已不明显，在云团漂移至倾倒点1.3 ～1.4 km 处，底层水体受疏浚物倾倒引起的悬浮物增量影响也已不显著，由此可知，在试验工况下，疏浚物倾倒引起的对水体悬浮物浓度增高影响在顺流方向1.5 km 左右基本结束。

图5 倾倒点A 云团漂移路径与悬浮物浓度关系Fig.5 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot A

图6 倾倒点B 云团漂移路径与悬浮物浓度关系Fig.6 The relation between cloud track and the concentration of suspended matter at Spot B

洋山临时海洋倾倒区疏浚物倾倒悬浮物动态观测结果表明［18］，倾倒引起的悬浮物增量影响最大距离约在顺流方向5 km。本研究结果则表明顺流方向在1.5 km 左右，要小于上述研究结果。原因之一为洋山与苍南海域流速差异不大(洋山47 ～107 cm/s，苍南47 ～112 cm/s)，而洋山海流为典型的往复流，不伴有旋转流，苍南海域往复流中伴有旋转流，所以在扩散性上洋山海域要强于苍南海域，另一个原因为洋山海域的疏浚物粒径要小于苍南海域疏浚物粒径(洋山5.4 ～7.8 μm，苍南6.0 ～22.2 μm)，疏浚物本身的扩散性洋山试验要大于本次试验。

4 结语

1)粒度随时间变化情况:倾倒0 时，悬浮物粒径的平均粒径相对于倾倒前增量约为25% ～200%，中值粒径增量约为25% ～100%;随后，悬浮物粒径的平均粒径和中值粒径都迅速下降，至倾倒后120 min，各层次悬浮物的平均粒径和中值粒径基本恢复到倾倒前水平。

2)悬浮物影响持续时间:苍南东南海域疏浚物倾倒试验表明，在大潮落潮时，由倾倒引起的悬浮物浓度增加而形成的云团在15 ～30 min 后漂离倾倒点，且倾倒点的悬浮物浓度也基本恢复到倾倒前;而在倾倒30～60 min 后，由疏浚物引起的云团基本消失，且由倾倒引起的悬浮物增量效应也基本结束。

3)悬浮物影响距离:苍南东南海域疏浚物倾倒试验表明，在大潮落潮时，由倾倒引起的悬浮物浓度增加而形成的云团在顺流方向距倾倒点0.3 ～0.4 km 处，表层水体由疏浚物倾倒引起的悬浮物增量影响已不明显，在云团漂移至倾倒点1.3 ～1.4 km 处，底层水体由疏浚物倾倒引起的悬浮物增量影响也已不显著，在试验工况下，疏浚物倾倒引起的对水体悬浮物浓度影响距离在顺流方向约1.5 km。

对苍南海域倾倒活动引起的悬浮物增量影响，在持续时间和扩散距离上进行了探讨，但是没有开展倾倒活动导致的云团面积范围的观测，同时由于时间、经费等方面的问题试验过程没有涵盖不同潮次(大、小潮)和潮时(涨、落憩，涨、落急)，在往后开展疏浚物倾倒试验时需关注上述问题，以便更全面、科学、客观地掌握试验海域疏浚物倾倒的悬浮物扩散特征。

［1］邱桔斐，王长海，曹兵，等.东海区海洋倾倒区现状与需求分析研究［J］.海洋开发与管理，2008，5:90-100.

［2］姜重臣，刘蔚秋，郑西来.临时海洋倾倒区对所在海域及其周边环境的影响［J］.中山大学学报:自然科学版，2006，45(2):88-91.

［3］郑琳，崔文林，贾永刚.青岛海洋倾倒区沉积物重金属污染及其生态风险评价［J］.海洋环境科学，2008，27(S2):45-47，59.

［4］张丽旭，任松，蔡健.东海三个倾倒区表层沉积物重金属富积特征及其潜在生态风险评价［J］.海洋通报，2005，24(2):92-96.

［5］李壮伟.汕尾电厂临时倾倒区对所在海域及其周边环境的影响［J］.广东海洋大学学报，2010，30(6):45-49.

［6］国海环字［2002］398 号，疏浚物海洋倾倒分类和评价程序［S］.国家海洋局，2003.

［7］戴明新.湛江港30 万吨级航道工程疏浚泥倾倒对海洋生态环境的影响研究［J］.交通环保，2005，26(3):9-11.

［8］张亮，宋春丽，任荣珠，等.疏浚物倾倒对岚山港临时海洋倾倒区周边海域环境影响的研究［J］.上海海洋大学学报，2011，20(6):916-922.

［9］冯士筰.疏浚物海洋倾废的物理归宿及其对环境的影响［J］.海洋通报，1995，14(5):67-94.

［10］徐基蘅，文洽裕，陈淑英.疏浚物的漂移扩散和倾倒区的选划［J］.交通环保，1990，11(1-2):84-88.

［11］邱桔斐，王瑜，王长海.开阔水域海洋倾倒区选划的初步研究－以长江口深水航道治理三期工程疏浚物临时海洋倾倒区选划为例［J］.海岸工程，2008，27(1):21-27.

［12］邱桔斐，马越，丁红，等.抛泥扩散淤积计算模式初步研究［J］.海洋通报，2007，26(6):91-95.