围海造陆工程泄水口悬浮物扩散规律分析

陈 杰 , 蒋昌波 , 张绍华, 胡保安

(1.长沙理工大学 水利工程学院, 湖南 长沙 410114; 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室, 湖南长沙 410114; 3.中交天津航道局有限公司, 天津 300461)

近年来伴随着我国经济迅速发展, 土地资源短缺矛盾日益突出, 沿海许多地区开展大规模的围海造陆工程, 例如上海洋山、河北曹妃甸、天津临港等。在围海造陆过程中泄水口普遍存在悬浮物流失问题。悬浮物通过泄水口流入外海并发生扩散, 严重影响海洋水环境质量, 威胁水生动植物生存, 影响水生态系统健康, 因而许多学者更加关注生态环境影响研究[1-2]。目前对泄水口悬浮物扩散的研究均采用数学模型, 分别对连云港海州湾[3]、青岛市黄岛前湾[4]、秦皇岛港[5]、胶州湾泛亚码头[6]等的泄水口悬浮物扩散开展数值模拟分析。现阶段对围海造陆工程泄水口悬浮物流失浓度的现场观测, 以及悬浮物扩散理论分析工作尚未见报道。

因此, 为弥补现有研究不足, 本文对围海造陆工程泄水口悬浮物流失浓度开展现场观测, 在此基础上, 对悬浮物扩散开展理论分析工作。

1 理论分析

悬浮物在水体中扩散过程可用水深平均的平面二维泥沙对流扩散方程进行描述[7]:

其中x,y为坐标系;C为垂向平均泥沙浓度;t为时间;u,v分别为流速在x,y方向上分量;ws为泥沙沉降速度;h为平均水深;εx,εy分别为x,y方向上泥沙扩散系数;S为泥沙源项。

理想的围海造陆工程泄水口悬浮物扩散如图1所示, 设水流方向为x轴正方向, 水流垂直方向为y轴方向, 泄水口所在位置为坐标系原点。泄水口悬浮物的流出可概化为一个固定的连续点源扩散。考虑x方向对流作用, 忽略x方向扩散作用, 则悬浮物在x-y平面扩散可以用如下方程进行描述:

图1 围海造陆工程泄水口悬浮物扩散图示Fig.1 Sketch of suspended solids diffusion from drain opening of land reclamation project

对于平面x-y上的二维扩散的时间连续源恒定状态的分析解为[8]:

其中:Q为泄水口流失的悬浮物源强(kg/s)。可以看出式(3)主要未知参数为泄水口流失的悬浮物源强Q,y方向扩散系数εy, 以及泥沙沉降速度ws。因此接下来讨论这三个参数的变化对泄水口悬浮物扩散的影响。

图2给出泄水口流失悬浮物源强Q变化对悬浮物扩散影响。其中: 泥沙沉速ws取 0.03 cm/s; 扩散系数取1.585 m2/s; 平均水深h取7 m; 取u→0忽略流速的影响。可看出源强对泄水口附近悬浮物质量浓度及其扩散距离影响较大, 源强越大, 悬浮物质量浓度越大, 扩散距离越远。

图2 泄水口源强、泥沙沉降速度、扩散系数对悬浮物质量浓度的影响Fig.2 Influence of source strength, sediment settling velocity and diffusion coefficient on suspended solids concentration

图2给出泥沙沉降速度变化对悬浮物扩散的影响。其中: 泄水口流失悬浮物的源强取100 kg/s; 扩散系数取1.585 m2/s; 其余参数与之前相同。可以看出泥沙沉降速度变化对泄水口附近悬浮物质量浓度及其扩散距离影响较大, 沉降速度越小, 悬浮物浓度越大, 扩散距离越远。

图2给出扩散系数的变化对悬浮物扩散的影响。其中: 泥沙沉降速度ws取 0.03 cm/s; 泄水口流失悬浮物的源强取100 kg/s; 其余参数与之前相同。可以看出扩散系数的变化对泄水口附近悬浮物质量浓度及其扩散距离影响较小,y方向扩散系数εy越小, 在x方向(沿水流方向)悬浮物浓度越大, 且扩散距离越远。

2 现场观测

为确定泄水口流失的悬浮物源强Q, 选取天津某围海造陆工程为现场观测对象, 对泄水口悬浮物强度进行观测。如图3所示, 吹填区域位于独流碱河入海口南侧, 西港池东侧, 分为一区和三区两个吹填区域。取泥区位于独流碱河河口, 土质以淤泥、淤泥质土、粉质黏土为主, 平均密度1.86 g/cm3, 平均含水量36.7%, 平均干密度1.37 g/cm3。吹填管口位于西侧围堰边缘。泄水口位于东侧, 采用埋管闸箱式泄水口。现场观测发现, 大量的悬浮物流失主要发生在吹填施工的中后期, 因此现场观测主要集中在吹填施工中后期。

图3 围海造陆工程示意图Fig.3 Sketch map of land reclamation project

现场观测内容主要包括泄水口的流速、过水断面面积、浓度以及流失量。使用天津水运工程科学研究院 DPJ-Ⅲ型流速仪, 进行泄水口流速和过水断面面积测量。浓度和流失量通过泄水口水样采集得到, 每次轮流间隔2~3根泄水管采取一个水样, 并及时进行室内固体含量、密度及颗粒分析试验。泥浆密度试验采用量筒法测得, 固体含量试验采用重量法, 颗粒分析试验采用比重计法。

图4给出一区和三区泄水口悬浮物流失强度观测结果。其中, 一区开展现场观测时间为2011年1月至3月, 平均每3天开展一次观测, 共计19次。三区开展现场观测时间为2011年3月至9月, 平均每3~4天开展一次观测, 共计40次。图4中一区结果取观测开始日2011年1月18日为时间零点, 三区结果取观测开始日2011年3月23日为时间零点。可以看出围海造陆工程施工后期, 泄水口悬浮物流失非常严重。观测到一区泄水口悬浮物流失最大达3 621 kg/s, 平均值为617 kg/s; 三区泄水口悬浮物流失最大达3 796 kg/s, 平均值为1 137 kg/s。

图4 泄水口瞬时悬浮物浓度观测结果Fig.4 Field results of concentration of suspended solids from drain opening

3 分析与讨论

对一区和三区泄水口悬浮物扩散规律进行分析。如图3所示, 由于泄水口排放区域为封闭水域,不受外海潮汐、潮流等水动力因素影响, 因此取流速u→ 0 。排放区域平均水深h为7 m。根据现场观测结果, 一区泄水口源强Q取平均值为617 kg/s, 三区泄水口源强Q取平均值为1 137 kg/s。孙连成[9]等通过环形水槽实验, 对天津港泥沙沉降速度进行研究,如图5所示, 得到在海水含盐度为30时不同流速、不同含沙量的沉速结果。本研究泥沙沉降速度ws可根据图5进行取值。扩散系数依据孙连成[9]等研究成果, 取值1.585 m2/s。

图5 天津港泥沙沉降速度实验结果Fig.5 Experimental results of sediment settling velocity in Port of Tianjin

如图6所示, 依据式(3)分别求得一区和三区泄水口悬浮物扩散规律, 悬浮物呈扇形扩散, 泄水口附近悬浮物质量浓度非常大, 10 m范围内悬浮物质量浓度值超过1 000 mg/L。在扩散作用下, 悬浮物浓度向周围扩散, 在重力作用下, 悬浮物逐渐沉降。吹填一区垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为13.4 m, 垂线平均悬浮物质量浓度10 mg/L范围约16.7 m, 最大影响范围约为20.2 m。吹填三区垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为14.3 m,垂线平均悬浮物质量浓度10 mg/L范围约17.7 m, 最大影响范围约为 21 m。可以看出, 虽然泄水口附近水域出现了很大的悬浮物质量浓度, 但是由于没有水流作用, 因此悬浮物影响范围很小。

图6 泄水口悬浮物扩散理论计算结果Fig.6 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening

下面讨论水流作用的影响。2007年11月26~27日和12月4~5日在天津港附近海域进行大、小潮水文全潮观测, 根据实测全潮资料统计分析, 天津港海区潮流主要特征值如表1所示[9]。根据表1天津港海区潮流主要特征值观测结果, 依据式(3)分别得出吹填一区和三区泄水口向外海排放悬浮物扩散情况, 结果如图7和图8所示。可以看出, 若吹填区泄水口向外海排放时, 泄水口附近悬浮物质量浓度非常大, 一区泄水口10 m范围悬浮物质量浓度值约10 000 mg/L, 三区泄水口10 m范围悬浮物质量浓度值超过10 000mg/L。

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

采用三类水质标准(悬浮物质量浓度 100 mg/L)和二类水质标准(悬浮物质量浓度10 mg/L)来评价泄水口悬浮物是否对生态环境产生影响。

如图7所示, 在吹填一区, 大潮情况, 5 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为8 500 m, 10 mg/L扩散范围约15 800 m; 10 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为11 400 m, 10 mg/L扩散范围约26 400 m。小潮情况, 5 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约7 000 m, 10 mg/L扩散范围约12 800 m; 10 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为10 200 m, 10 mg/L扩散范围约23 000 m。

图7 吹填一区泄水口外海排放悬浮物扩散规律计算结果Fig.7 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain openingⅠ

如图8所示, 在吹填三区, 大潮情况, 5m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为5 400 m, 10 mg/L扩散范围约9 500 m; 10 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为8 100 m, 10 mg/L扩散范围约17 000m。小潮情况, 5 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约5 200 m, 10 mg/L扩散范围约9 000 m; 10 m水深情况下, 垂线平均悬浮物质量浓度100 mg/L扩散范围约为7 800 m, 10 mg/L扩散范围约16 000 m。

图8 吹填三区泄水口外海排放悬浮物扩散规律计算结果Fig.8 Theoretical results of suspended solids diffusion from drain opening Ⅲ

综上所述, 在天津港2007年11月至12月水文全潮潮段平均流速作用下, 悬浮物发生扩散, 且扩散距离较大, 垂线平均悬浮物质量浓度减少较为缓慢, 对周围水域环境产生极大影响。泄水口附近水域出现的最大悬浮物质量浓度主要由源强的大小来决定, 悬浮物扩散范围主要由流速的大小来控制。因此对于围海造陆工程要重点控制泄水口悬浮物流失,尽可能减小流失量。同时将泄水口设置在潮汐、潮流等水动力因素较弱的地方, 有利于减小对周边海域水环境影响。

4 结论

开展围海造陆工程泄水口悬浮物扩散研究。基于泥沙对流扩散方程, 将泄水口悬浮物的流出概化为一个固定的连续点源扩散, 推求出泄水口悬浮物扩散平面二维的分析解表达式。分析得出泄水口源强和泥沙沉降速度对泄水口附近悬浮物质量浓度及其扩散距离影响较大, 扩散系数影响相对较小。源强越大, 沉降速度越小, 悬浮物质量浓度越大, 扩散距离越远。开展现场观测, 确定泄水口源强取值。结果显示围海造陆工程施工后期泄水口悬浮物流失非常严重。对某工程一区和三区泄水口悬浮物扩散进行理论计算, 结果表明泄水口附近水域出现的最大悬浮物浓度主要由源强的大小来决定, 悬浮物扩散范围主要由流速的大小来控制。

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