考虑浮游生物量损失的疏浚船舶选型方法研究

宋向群，乔菲菲，王文渊，张 祺

（大连理工大学，大连116024）

考虑浮游生物量损失的疏浚船舶选型方法研究

宋向群，乔菲菲，王文渊，张 祺

（大连理工大学，大连116024）

疏浚工程施工产生的悬浮物会对周围海域的浮游生物造成不利影响。文章通过建立近海悬浮物的二维输移扩散模型，研究不同类型、疏浚效率的挖泥船作业中心的悬浮物浓度，结合悬浮物浓度变化量与浮游生物量损失的关系，构建基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型。以某一基槽疏浚工程为例，当采用抓斗式挖泥船进行疏浚工程施工时，研究施工期间疏浚工程对浮游生物量损失的影响，在仅考虑浮游生物量损失的条件下，为疏浚工程施工选用合理疏浚效率的挖泥船。研究结果表明，在施工工期允许的条件下应选择疏浚效率较小的挖泥船，以减少疏浚悬浮物对浮游生物的影响。

疏浚工程；悬浮物；挖泥船选择；生物量损失

疏浚船舶作业时会在施工区域产生高浓度含沙水体，导致附近区域水体悬浮物浓度增大、毒害物质增加，对附近水域的生态环境带来影响。因此，疏浚工程产生的悬浮物对海洋生态环境的影响已成为港口建设者和海洋环境保护者普遍关注的问题。徐明德等［1］认为工程在港池疏浚、吹填和基槽开挖过程中引起的悬浮物对海域水质的污染程度，与疏浚区的底质粒度、海域水文状况、疏浚方式等密切相关；曾小辉等［2］采用移动点源建立航道工程施工期悬浮泥沙的输移扩散模型，分析了疏浚悬浮物对水环境的影响；李骏旻等［3］将生物量损失的计算结合到水质模拟中，构建了一套计算填海工程造成水生生物量损失的方法；乔世珊［4］在探讨影响挖泥船选型的主要因素时简要提出了关于排泥场和噪音控制的环保要求。上述研究大多定性分析了不同类型挖泥船的污染机理以及悬浮物对海岸带生态系统的直接或间接影响，重点从技术、工效等方面论述了挖泥船的选型方法，并未从生物量损失方面研究选择挖泥船的方法。

疏浚工程产生的悬浮物对海洋生态系统的影响主要体现在其对浮游生物、底栖生物和鱼类等海洋生物的破坏。悬浮物浓度过高以及持续时间过长会显著影响浮游植物和浮游动物的生长，进而影响整个海区的资源状况，因此研究悬浮物对浮游生物的影响十分有必要。由于挖泥船施工时作业中心产生的悬浮物浓度与挖泥船类型、疏浚效率、水文、海底底质等因素有关，因此本文通过量化挖泥船作业中心悬浮物浓度增量，并结合悬浮物浓度变化量与浮游生物量损失的关系，构建基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型，在仅考虑浮游生物量损失的条件下，为疏浚工程选用合理的挖泥船提供理论基础。

1 疏浚工程对浮游生物的影响

疏浚工程对港口海岸带生态系统中浮游生物的影响主要表现在悬浮物浓度对其的影响［5］。在疏浚过程中，附近水域由于底质表层土质受到扰动，将产生大量的疏浚悬浮物，其中的细小微粒会随海水的运动而迁移，致使水中悬浮物浓度增加、海水透明度下降。

悬浮物对浮游植物的影响，主要体现在悬浮物阻碍浮游植物的光合作用，影响其生长速率和生产力。测点的悬浮物浓度随测点与施工点距离的增加而迅速下降［6］。因此，疏浚工程对周围水体中浮游植物产生影响的范围主要在挖泥区附近。

悬浮物对浮游动物的影响，主要体现在扰乱浮游动物的体内系统，破坏其生理功能。浮游动物受影响程度和范围与浮游植物相似［7］。

2 基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型

2.1挖泥船疏浚效率与作业中心悬浮物浓度增量的关系

疏浚悬浮物发生量是指单位时间内疏浚悬浮物的产生量。疏浚悬浮物的发生量、扩散范围受施工机具类型、施工工艺、水流条件和海底底质的影响［8］。在实际工程中，疏浚作业悬浮物发生量一般采用行业相关规范［9］推荐的公式进行估算，它与挖泥船疏浚效率有关

式中：Q为悬浮物发生量，t/h；R为发生系数为W0时的悬浮物粒径累计百分比（％）；R0为现场流速悬浮物临界粒径累计百分比（％）；W0为悬浮物发生系数，t/m3；T为挖泥船疏浚效率，m3/h。参数的取值可以采用现场实测法确定，也可采用规范［9］给出的参考值，与挖泥船的类型、水流、海底底质等因素有关。

挖泥船作业时可以假定作业中心周围一定范围内存在一个恒定浓度的泥沙源，此泥沙源直接引起作业中心悬浮物浓度的增加［10］。在进行数值模拟时，泥沙源浓度可以通过公式进行估算，式中：C为泥沙源浓度，kg/m3；q为挖泥点流量，m3/s。因此，悬浮物发生量和作业中心悬浮物浓度增量具有一次函数的关系

式中：ΔSmax为挖泥船作业中心悬浮物浓度增量，mg/L；α、β为与水流、海底底质等条件相关的参数，可根据现场实测的经验数据或数值模拟进行数据拟合来确定。

根据式（1）和式（2），挖泥船疏浚效率与作业中心悬浮物浓度增量的关系可表示为

2.2挖泥船作业中心水域浮游生物死亡率

浮游生物死亡率与悬浮物浓度遵从Logistic方程［3］，根据挖泥船疏浚效率与作业中心悬浮物浓度增量关系，可得挖泥船作业中心水域浮游生物死亡率计算式如下

式中：nSmax为挖泥船作业中心水域浮游生物的死亡率；r为一个表达悬浮物毒杀增值能力的参数；LC50为悬浮物对浮游生物的半致死浓度，mg/L；S0为悬浮物本底浓度，mg/L。

2.3疏浚工程造成的浮游生物量损失

由于一类海水水质［11］（人为造成悬浮物增加的量不得超过10 mg/L）适用于保护海洋生物资源，因此本文只考虑浓度增量超过10 mg/L的悬浮物对浮游生物量的影响。将悬浮物浓度增量按照10 mg/L的梯度进行划分，得到每一个梯度浓度ΔSLi（i=1，2，…，n）（mg/L），则ΔSLi=（10i～10（i+1））（i=1，2，…，n-1），ΔSLn=（10n～ ΔSmax），其中假设每一个梯度浓度ΔSLi对应的悬浮物扩散面积为Ai（m2）。取任一梯度浓度扩散面积Ai内的悬浮物浓度增量ΔSi为平均浓度（mg/L），即ΔSi=10i+5（i=1，2，…，n-1），则任一梯度浓度扩散面积Ai内的浮游生物死亡率为

任一梯度浓度扩散面积Ai内的浮游生物量预测损失为

疏浚悬浮物扩散影响范围内的浮游生物量损失为

对于浮游生物而言，疏浚工程造成的生物量损失ΔLS等于生物量损失减去生物量本底损失［3］。疏浚工程造成的浮游生物量损失可表示为

在考虑生态损失的条件下，选择挖泥船时应使疏浚工程造成的浮游生物量损失最小。因此，本文构建以下优化模型。

目标函数为

约束条件为

式中：t为疏浚作业时长，h；B为总的挖方量，m3；t0为工程要求的施工时间，h。

3 算例分析

以北方某港区的基槽疏浚工程为例，采用抓斗式挖泥船进行基槽挖泥，挖泥疏浚量共9.8万m3，挖泥疏浚施工期为300 h。应用基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型，分析抓斗式挖泥船疏浚效率对浮游生物量损失的影响。

图1 悬浮物发生量-作业中心悬浮物浓度增量拟合曲线Fig.1The fitted curve between occurrence quantity of SS and concentration increment of SS in operation center

图2 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游植物生物量损失关系曲线Fig.2The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of phytoplankton

工程区水体本身的最大悬浮物浓度S0=10 mg/L。浮游生物受影响前的平均生物量分别为：浮游植物CS=24 mg/m3，浮游动物CS=138 mg/m3。生物量损失计算主要参数取值：r=0.065，浮游植物LC50=100 mg/L，浮游动物考虑基槽土质，可供选择的挖泥船为疏浚效率100～700 m3/h的抓斗式挖泥船。

3.1计算结果

建立近海悬浮物二维输移扩散模型，采用单个恒定源强排放，考虑该点源扩散的影响。对于该港区的淤泥质底质而言，在悬浮物发生量不同的情况下，作业中心悬浮物浓度增量的模拟结果如图1所示，经曲线拟合，得到悬浮物发生量与作业中心悬浮物浓度增量的关系式，R2=0.999 9，如式（11）所示。

该拟合曲线的表达式如下

应用基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型，得到抓斗式挖泥船疏浚效率与浮游生物量损失的关系曲线如图2～图5所示。

图3 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游动物生物量损失关系曲线Fig.3The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss of zooplankton

图4 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量损失率关系曲线Fig.4The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass loss ratio of plankton

图5 抓斗式挖泥船疏浚效率-浮游生物量总损失关系曲线Fig.5The relation curve between dredging efficiency of grab dredger and biomass total loss of plankton

3.2结果分析

（1）由图2～图4可知，当使用抓斗式挖泥船进行基槽疏浚时，浮游植物和浮游动物的生物量损失均随着挖泥船疏浚效率的增加而增加，但浮游植物的生物量损失率要远小于浮游动物。由此可知，浮游动物受疏浚作业的影响程度比浮游植物大。

（2）由图5可知，当使用抓斗式挖泥船进行基槽疏浚时，工程造成的浮游生物量总损失随着挖泥船疏浚效率的增加而增加。为了不影响施工工期，抓斗式挖泥船的疏浚效率不应小于327 m3/h，因此本工程宜选择400 m3/h的抓斗式挖泥船进行疏浚施工，以保证工程对浮游生物的影响最小。

4 结论

本文对挖泥船作业中心悬浮物浓度增量进行了研究，构建了基于浮游生物量损失的挖泥船选择模型，并以抓斗式挖泥船为例分析了疏浚效率对浮游生物量损失的影响。若疏浚工程可以采用多种类型的挖泥船进行施工，应根据不同挖泥船的实测经验数据建立相应的模型进行比选，以选出对浮游生物影响最小的挖泥船类型及疏浚效率。算例结果表明，仅考虑浮游生物量损失时，在施工工期允许的条件下抓斗式挖泥船应尽可能地采用较小的疏浚效率，以减少疏浚悬浮物的释放和扩散，有效防治疏浚工程对浮游生物的破坏。本文在研究疏浚工程对海洋生态环境的影响时仅考虑了悬浮物浓度对浮游生物的影响，悬浮物浓度对底栖生物、鱼类等其他海洋生物的影响有待进一步研究，以期此模型能在保护海洋生态系统中发挥更大的作用。

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Research on method of dredging vessels selection based on plankton biomass loss

SONG Xiang⁃qun,QIAO Fei⁃fei,WANG Wen⁃yuan,ZHANG Qi
（Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

The suspended substance(SS)produced by dredging engineering construction can produce adverse influence on the aquatic organisms in the surrounding sea.Through establishing a two⁃dimensional model of trans⁃port and diffusion of SS,the concentration of SS in the operation center of different types and dredging efficiencies of dredgers were studied in this paper.According to the relationship of SS concentration variation and plankton bio⁃mass loss,a dredger selection model considering the plankton biomass loss was built.A foundation trench dredging engineering was taken as an example to illustrate the impact of dredging engineering on the plankton biomass loss during construction period,when carrying out dredging engineering construction by using grab dredger.Considering the plankton biomass loss,a decision support for dredger selection in dredging engineering was provided.The re⁃sults show that dredger with smaller dredging efficiency should be chosen under the condition of allowable construc⁃tion period,in order to reduce the effect of SS on plankton.

dredging engineering；suspended substance(SS);dredger selection;biomass loss

X 174；U 616

A

1005-8443（2016）02-0198-05

2015-03-30；

2015-11-30

国家自然科学基金资助项目（51279026）

宋向群(1959-)，女，辽宁省人，教授，主要从事港口规划与物流方面的研究。

Biography：SONG Xiang⁃qun（1959-），female，professor.