链斗式挖泥船疏浚引起的悬浮物扩散规律

陈 杰，蒋昌波，张绍华，胡保安

疏浚业是与国民经济发展息息相关的基础产业。挖泥船在疏浚施工过程中不可避免地引起悬浮物，并在潮流等动力因素作用下发生扩散，严重地影响了海洋水环境的质量，威胁着水生动、植物的生存，影响了海洋生态系统的健康［1］。

由于其对环境的危害性，许多学者对疏浚引起的悬浮物扩散开展了大量的研究工作，主要集中在疏浚抛泥引起的悬浮物扩散研究［2－4］、挖泥船铰刀头引起的底部悬浮物研究［5］、疏浚悬浮物扩散规律的研究［6］及悬浮物对海洋环境影响的研究［1］等，研究方法以现场观测［4］、实验研究［2］和数值模拟研究［1，3，5－6］为主。现阶段，针对挖泥船疏浚引起的悬浮物及其扩散规律开展相应的研究工作较为少见。因此，为弥补现有研究的不足，作者选取链斗式挖泥船为研究对象，拟开展现场观测与分析研究，探求链斗式挖泥船疏浚引起的悬浮物及其扩散规律。

1 现场观测研究

选取某型链斗式挖泥船为现场观测对象，对疏浚区附近海水的浑浊度开展现场观测。该挖泥船的生产量为500m3／h。观测地点为天津港东突提前航道边缘，海区底泥的平均中值粒径为1.7×10－3mm。

图1 链斗式挖泥船引起的悬浮物监测站位及水深情况Fig.1 Position and water depth of field observation for the bucket dredger

现场采样布点时，沿挖泥船周围顺潮流下方布设观测含沙量，各测点位置如图1所示。为便于结果描述，建立平面二维直角坐标系，以挖泥船左下角点为原点，船宽方向为x轴，船长方向为y轴，共布置11个测点，分表、中及底3层采集水样。现场观测采用瓶式采样器，共采得40多个水样，用重量法测得含沙量。观测区域水深情况如图1所示。现场观测期间同步进行潮流流速和流向的测量。观测选择在潮流的流速和流向比较稳定、且挖泥船处于正常稳定工作状态，悬浮物扩散范围较为稳定。

表层、中层和底层悬浮物浓度现场观测结果以及潮流流向如图2所示。观测期间，表层、中层和底层的流速平均值均为0.10m／s。从图2中可以看出链斗式挖泥船施工时引起的悬浮物分布情况。由于链斗式挖泥船操作中的剧烈动作，使得相当多的细颗粒沉积物搅动和再悬浮，并沿潮流作用方向扩散。

从底层混浊度来看，挖泥船施工时，泥沙的悬浮比较严重，距链斗式挖泥船20m处的悬浮物浓度达280mg／L。在潮流下方向，底层悬浮物浓度100mg／L的范围约100m；底层悬浮物浓度10 mg／L的范围约170m；距链斗式挖泥船约200m处，底层悬浮物浓度与海水含沙量的背景值相同。

中层海水混浊度迅速降低，平面分布呈现由链斗式挖泥船向外递减趋势，距挖泥船20m处悬浮物浓度仍高达200mg／L。除了底层泥沙悬浮量比较大的因素外，与泥斗提升过程中表层的软质及细颗粒物质洒漏也有一定的关系。在潮流下方向，中层悬浮物浓度100mg／L的范围约20m；中层悬浮物浓度10mg／L的范围约160m；距链斗式挖泥船约190m处，中层悬浮物浓度与海水含沙量的背景值相同。

表层水体中悬浮物浓度较低，距挖泥船20m处悬浮物浓度仍达108mg／L。表层混浊度增加的主要原因是底层泥沙的悬浮以及泥斗提升横移过程中和向泥驳倒过程中的洒漏。在潮流下方向，表层悬浮物浓度100mg／L的范围约75m；表层悬浮物浓度10mg／L的范围约150m；距链斗式挖泥船约160m处，表层悬浮物浓度与海水含沙量的背景值相同。

2 扩散规律分析

图2 链斗式挖泥船引起的悬浮物扩散分布Fig.2 Field observation results of suspended solids diffusion induced by the bucket dredger

通过现场观测，得出该型链斗式挖泥船在平均水深为7m、流向稳定平均流速为0.10m／s的潮流作用下悬浮物扩散情况。通过进一步分析，推求出该型链斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情况下疏浚施工引起的悬浮物扩散规律。

悬浮物在水体中的扩散可以用三维泥沙对流扩散方程来进行描述：

式中：x，y，z分别为坐标系中3个轴所对应的坐标；c为悬浮物浓度；t为时间；u，v，w 分别为流速在x，y，z方向上的分量；ws为悬浮物沉降速度；εx，εy，εz分别为x，y，z 方向上的扩散系数；S 为悬浮物源项。

链斗式挖泥船作业时，其位置固定。当它长期处于稳定工作状态时，将其概化为一个固定的连续点源扩散。考虑水深平均的平面二维情况，并考虑到潮流是悬浮物扩散的主要因素，则式（1）可简化为：

式中：C为水深平均悬浮物浓度。

根据Socolofsky［7］等人研究成果，可推求出式（2）的时间连续、源强恒定状态的分析解为：

式中：ε为平均扩散系数；m 为悬浮物源项；h为平均水深。

式（3）中，流速u与x方向一致。式（3）为该型链斗式挖泥船正常疏浚作业时引起悬浮物扩散的水深平均表达式。

图3 天津港淤泥沉降速度实验结果Fig.3 Experimental results of sediment settling velocity in Tianjin Port

孙连成［8］等人通过环形水槽实验，对天津港淤泥沉降速度进行研究，如图3所示，得到在海水含盐度为30时的不同流速、不同含沙量的沉速结果。因此本研究中悬浮物沉降速度ws可根据流速u的大小参照图3进行取值。

考虑不同两点（x1，y1）和（x2，y2）处水深平均悬浮物浓度分别为：

将式（4）除以式（5），得：

因此，式（6）中消去悬浮物源项m，只剩下扩散系数ε。观测期间，潮流平均流速为0.10m／s，水域平均水深为7m。根据图3，泥沙沉降速度ws取4.1×10－4m／s。基于图2（d）现场观测结果，选取两点的水深平均悬浮物浓度，代入式（6），即可求得扩散系数。通过多次推求，最终得到平均扩散系数ε为1.46×104cm2／s。再将ε和ws代入式（3），可求得悬浮物源项m 为6.23kg／s。最终得到该型链斗式挖泥船正常疏浚作业时引起的悬浮物扩散水深平均表达式为：

根据式（7），可推求该型链斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情况下疏浚施工引起的悬浮物扩散规律。将式（7）理论计算结果与图2（d）现场观测水深平均结果进行对比，可以得出：在距挖泥船100m以内，理论计算结果与实测结果比较接近，误差在5%之内。在距挖泥船100m以外，悬浮物浓度扩散范围理论计算值较实测值偏大。理论计算时，考虑的是恒定流的情况。但在现场观测期间，潮流流速是非恒定的，表层流速在0.07～0.14m／s之间变化，中层流速在0.06～0.12m／s之间变化，底层流速在0.05～0.13m／s之间变化。同时，观测水域地形也存在高低起伏，这些都是造成理论计算结果与实测结果差异的原因。从总体上看，理论计算结果较为满意，满足工程使用要求。

最后，讨论该型链斗式挖泥船在不同水深和潮流流速情况下疏浚施工引起的悬浮物扩散规律。采用天津港2007年11～12月水文全潮潮段平均流速现场观测结果［8］。现场观测于2007.11.26～2007.11.27和2007.12.04～2007.12.05，在天津港附近海域进行，共布设了8条垂线进行大、小潮的水文全潮观测。根据实测全潮资料统计分析，得到了天津港海区潮流主要特征值，见表1。

表1 天津港2007年11～12月水文全潮潮段平均流速Table 1 Average current velocity during tidal wave period from November to December 2007in Tianjin Port

该型链斗式挖泥船在天津港疏浚作业引起的悬浮物沿潮流作用扩散距离理论计算结果如图4所示。从图4中可以看出，距离链斗式挖泥船越远，垂线平均悬浮物浓度越小。随着扩散距离的增大，垂线平均悬浮物浓度的减少较为缓慢，这与天津港细颗粒泥沙难于沉降有关。潮落潮期间，由于流速相差不大，因此涨落潮对疏浚时悬浮物扩散影响较小。水深对悬浮物扩散影响较大，水深越浅，悬浮物扩散距离越远。

采用三类水质标准（悬浮物浓度100mg／L）和二类水质标准（悬浮物浓度10mg／L）来评价悬浮物是否对生态环境产生影响。大潮时，5m水深情况下，垂线平均悬浮物浓度100mg／L的范围约为10m，垂线平均悬浮物浓度10mg／L的范围约750m；10m水深情况下，垂线平均悬浮物浓度均小于100mg／L，垂线平均悬浮物浓度10mg／L的范围约220m。小潮时，5m水深情况下，垂线平均悬浮物浓度100mg／L的范围约14m，垂线平均悬浮物浓度10mg／L的范围约800m；10m水深情况下，垂线平均悬浮物浓度均小于100mg／L，垂线平均悬浮物浓度10mg／L的范围约290m。

图4 链斗式挖泥船在天津港疏浚作业引起的悬浮物扩散理论计算结果Fig.4 The oretical results of suspended solids diffusion induced by bucket dredger in Tianjin Port

3 结论

选取某型链斗式挖泥船为研究对象，开展疏浚作业时引起的悬浮物扩散规律研究。开展现场观测，得到了挖泥船正常作业时在流向、流速稳定的潮流作用下悬浮物扩散情况，发现由于斗轮挖泥时对底泥扰动幅度较大，因而使得底泥悬浮，对周围水域环境的影响很大。基于对流扩散方程开展理论推导，结合现场观测结果，得到了该型链斗式挖泥船正常疏浚作业时引起的悬浮物扩散水深平均表达式，可方便、快捷地进行悬浮物扩散范围及其浓度的估算，为最大限度地减少环境污染、保护海洋生态环境提供了科学依据。对该型链斗式挖泥船在天津港施工可能引起的悬浮物扩散范围进行了讨论。分析结果表明：距离链斗式挖泥船越远，平均悬浮物浓度越小。随着扩散距离的增大，平均悬浮物浓度的减少较为缓慢。水深对悬浮物扩散的影响较大。水深越浅，悬浮物扩散距离越远。

（

）：

［1］ 郭珊.疏浚施工对海洋生态环境的影响及防治对策研究［D］.长沙：长沙理工大学，2006.（GUO Shan.The influence on marine ecologic environment by dredging and protection countermeasures［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2006.（in Chinese））

［2］ 张兴无，谷汉斌，李炎保.波浪作用下疏浚抛泥损失的水槽实验［J］.天津大学学报，2004，37（1）：60－64.（ZHANG Xing－wu，GU Han－bin，LI Yan－bao.Experimental study on the loss of dredging spoiling under the action of the wave－current［J］.Journal of Tianjin University，2004，37（1）：60－64.（in Chinese））

［3］ 孙毛明，吴修广，倪勇强，等.疏浚土倾倒后悬浮泥沙扩散输移的数值模拟［J］.海洋学研究，2009，27（3）：22－30.（SUN Mao－ming，WU Xiu－guang，NI Yongqiang，et al.Numerical simulation of the dispersion and transportation of the suspended sediment from the dredged soil matter［J］.Journal of the Marine Science，2009，27（3）：22－30.（in Chinese））

［4］ 何东海，何琴燕，吴光荣，等.苍南海域疏浚物倾倒悬浮物扩散特征现场试验分析［J］.海洋工程，2013，31（3）：101－106.（HE Dong－hai，HE Qin－yan，WU Guang－rong，et al.Probing on the dispersion character of dredged materials after dumping in sea area around Cangnan［J］.The Ocean Engineering，2013，31（3）：101－106.（in Chinese））

［5］ Henriksen J，Randall R，Socolofsky S.Near－Field resuspension model for a cutter suction dredge［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal and Ocean Engineering，2012，138：181－191.

［6］ Capello M，Cutroneo L，Ferranti M P，et al.Mathematical simulation of the suspended solids diffusion during dredging operations on the continental shelf off the coast of Lazio（Central Tyrrhenian Sea，Italy）［J］.Ocean Engineering，2013，72：140－148.

［7］ Socolofsky S A，Jirka G H.Environmental fluid mechanics Part I：Mass transfer and diffusion［M］.76128－Karlsruhe，Germany：Institute fur Hydromechanik，University at Karlsruhe，2002.

［8］ 孙连成，张娜，陈纯.淤泥质海岸天津港泥沙研究［M］.北 京：海 洋 出 版 社，2010.（SUN Lian－cheng，ZHANG Na，CHEN Chun.Sediment research of the muddy coast in Tianjin Port［M］.Beijing：Ocean Press，2010.（in Chinese））