爆破挤淤施工中近岸水生生物损失率分布及影响研究

李照宇，王文渊，郭子坚，张 祺

（大连理工大学建设工程学部，大连116024）

爆破挤淤施工中近岸水生生物损失率分布及影响研究

李照宇，王文渊，郭子坚，张 祺

（大连理工大学建设工程学部，大连116024）

爆破挤淤是在填海造地、防波堤、护岸和码头等水工工程施工中常用的地基处理方法。爆破过程中，海底泥沙悬浮，产生悬浮物，并伴随着潮汐、波浪等因素向周围海域进行扩散，对施工周围水域生态环境有较大影响。目前有关悬浮物对近岸水生生物的影响研究，多为水产科学领域的离散数据，未与近岸水工工程施工相结合，无法解析工程施工对水生生物的影响。文章针对悬浮物对水生生物的损失量建立理论方程，并使用MIKE 21软件的水动力模块和泥沙输运模块，对爆破挤淤产生的悬浮物的扩散进行模拟，得到研究区域内的生物损失率分布。

爆破挤淤；近岸水域；悬浮物；生物损失

爆破挤淤作为地基处理的一种常用方法，具有后期沉降小、造价低等优点，但是爆破瞬间会产生大量悬浮物，对近岸水生生物产生影响。随着人们环保意识日益增强，政府部门制定了相关的规范对近岸工程建筑物的建设进行环境评价，我国研究者也做了多方面的研究，但是关于施工产生的悬浮物对水生生物影响的研究还正在起步。主要表现在：交通运输部门和农业部门均有悬浮物对水域影响的相关文件［1-2］，但是缺乏具体的、规范的计算方法；国内外的研究集中在悬浮物浓度对某个种群或个体的影响［3-5］，没有考虑到种群之间的生物因素，而且多为渔业和环境科学方面的研究，无法直接判断港口施工对水生生物的影响；现有的生物量损失的计算方法多为离散型，只对大致浓度范围的生物损失量进行了估算，已有的连续型方程缺乏生物涵义［6］。本文针对悬浮物对水生生物的损失量建立理论方程，使用Mike 21软件，对爆破挤淤的两种施工方案进行模拟，由悬浮物的分布得出近岸施工对周围水域水生生物的损害情况。

1 研究对象及方法

水体中悬浮浓度增加时，浮游生物及自游生物的幼体会受到较大影响。浮游生物对水体中的悬浮物浓度非常敏感［7］，并且作为自游生物幼体的鱼饵，其生物量也影响着自游生物幼体的数量。所以，浮游生物是研究悬浮物浓度对生物损失量的最为重要的生物之一。由于自游生物中成鱼对悬浮物浓度的上升有着较高的回避率［8］，活动范围较大，成鱼的致死浓度远远高于其他物种，其不同物种之间对悬浮物浓度的敏感度差异亦很大，同时，在远离施工地点的水域很难出现高浓度的悬浮物［9］。幼鱼作为重要的渔业资源，对悬浮物浓度的敏感度远高于成鱼。浮游生物发生损失时，由于捕食关系，幼鱼也是直接受到影响的生物［10］，所以本文选取幼鱼作为研究对象。

海洋生态系统中生物因素和非生物因素相互影响复杂［11］，无法针对个体进行微观研究。本文采用建立微分方程的方法对悬浮物浓度与生物损失的关系进行宏观描述。通过建立悬浮物浓度和生物损失之间的微分方程确定两者关系，利用海洋生态学及水产科学的实验数据，对具有生物含义的微分方程的参数进行控制，以得到悬浮物浓度与生物损失率的关系曲线。

2 爆破挤淤对近岸生物的影响

2.1 爆破挤淤产生的悬浮物源强

水下爆破产生大量的悬浮物，对周围水域造成污染［12-13］。爆破挤淤产生的悬浮物源强等于每次爆破所置换的淤泥量乘以泥沙的起悬比。爆破挤淤产生的悬浮物源强的计算见式（1）

式中：γ为悬浮物源强；V为单次置换泥量；ρ为淤泥干密度；α为起悬比。

实际工程中一般选用5%作为起悬比［14］。单次置换泥量、淤泥干密度以及源强持续时间应根据工程实际情况进行选取。

2.2 悬浮物浓度与生物损失率的关系曲线

2.2.1 关系曲线的建立

在微分方程中，确立自变量为悬浮物的浓度，因变量为生物的损失量。记悬浮物的浓度为C，生物损失量为S。当水体中的悬浮物浓度上升时，生物开始发生损失。损失的生物残骸会在一定程度上继续影响存活的生物，其影响因数记为a。然而受到生物总数量的限制，生物损失量不会随时间无限增加。剩余的生物量对生物损失量的增长起到阻滞作用，故将阻滞因素加入到微分方程中。最后构造的微分方程见式（2）

式中：S为生物损失量；C为悬浮物浓度；a为自身污染系数；K为自然状态下的生物量。

式中等号右边为剩余生物的数量，作为阻滞生物损失的因素，以保证生物损失不会无限制的增长。

2.2.2 关系曲线的修正

目前，针对悬浮物浓度对不同生物的影响已经有一些实验研究，但这些实验数据仅仅是对单个物种的研究［15-17］。显然，施工产生的悬浮物不可能只是对单个生物种群产生影响，由于捕食者与被捕食者对于悬浮物浓度敏感性的差异，悬浮物浓度的上升导致某种生物的损失量增加。同时，爆破挤淤施工期较长，且易使近岸区域悬浮物浓度较大，会对生物产生长期作用，被捕食者的损失量会对捕食者产生区域性影响。对于生活在海洋生态系统中的某个种群来说，需要对其自身的生物损失量——悬浮物浓度方程增加一个参数，更好反映两者的关系。除去生物损失量的限制因素（K-S），增加系数b表示由于食物短缺造成的生物损失。

修正后的生物损失量——悬浮物浓度的关系见式（3）。

式中：b为生物间相互作用系数（食物短缺导致的生物量损失）。

其余符号含义同上。

对该微分方程进行求解，可以得到

式中：若悬浮物浓度C趋近于正无穷，则S趋近于K，即生物全部死亡。将公式中的K改写为1，上式变为

若悬浮物浓度C趋近于正无穷，则S趋近于1。此时，可将S定义为生物损失率，上式则成为具有捕食因素的悬浮物浓度与生物损失率之间的关系式。

2.2.3 关系方程求解

利用悬浮物对浮游生物及幼鱼影响的实验数据［3，18-19］，拟合得到无捕食参数时浮游生物和幼鱼的损失率——悬浮物浓度关系方程，分别见式（6）和（7）。若需对研究区域特定种类幼鱼进行分析，尚应进行生物实验研究确定其损失。

由于浮游生物对悬浮物的敏感性要大于幼鱼，浮游生物的损失率高于幼鱼，故悬浮物浓度增加时，部分幼鱼会因为食物缺失而死亡。浮游生物损失率与幼鱼损失率之差是幼鱼因食物短缺而进一步损失的原因，幼鱼损失率的增加又会使浮游生物数量增加。由于捕食关系，假定随着幼鱼损失不断增加，浮游生物损失同比率减少，最终得到带有捕食参数的幼鱼损失率方程见式（8）。

生物损失率——悬浮物浓度关系曲线如图1所示。由求解所得的关系曲线可得，当悬浮物浓度较小时，生物损失的增长较为平缓，随着悬浮物浓度的增加，浮游生物对悬浮物越来越敏感，生物损失率开始大幅增大。当生物损失率增加到一定程度时，由于生物总数量的限制，生物损失率的增加开始变缓，最终变化速率趋于平缓。

图1 生物损失率—悬浮物浓度关系曲线Fig.1 Relation curve for the suspended solids to the loss of aquatic organisms

3 案例分析

3.1 爆破挤淤方案选取

对于爆破挤淤，本工程源强每次持续时间为300 s，单次置换泥量为5 000 m3，淤泥干密度取1 500kg/m3，由式（1）可得一次爆破的源强为1 250 kg/s。

水下爆破工程的时刻选择应利于悬浮泥沙向外海扩散以减少对近岸渔业的影响。遵循这一原则，假定有两种施工方案。第一种是每天十点进行一次爆破；第二种是每天上午十点、下午四点分别进行一次爆破。点源的位置如图2所示。

根据旅顺新港的水文地质条件确定模型参数，使用MIKE 21中的水动力模块和泥沙运输模块进行模拟仿真。由于近岸地区水产养殖的渔业资源丰富，现选取图3的近岸地区作为模拟仿真之后的数据统计区域。

图3 数据统计区域Fig.3 Data statistics area

3.2 模拟数据处理

将第一种施工方案（每天上午10点进行一次爆破）所选区域内的悬浮物浓度进行输出。将所选区域内悬浮物浓度的所有数据代入生物损失率——悬浮物浓度计算公式中，求取平均值，得到所选区域内生物损失率的历时变化曲线，如图4所示。由于仿真过程中的步长是五分钟，图中横轴一个点代表五分钟，一条总共有288个点。生物损失率的部分数据（峰值周围）如表1所示。

图4 生物损失率历时变化曲线Fig.4 Diachronic curve of biomass loss rate

表1 生物损失率峰值附近数据Tab.1 Data near the peak value of biomass loss rate

由于研究区域内悬浮物浓度变化，生物损失出现两个峰值，取生物损失率最大点作为模拟过程中最危险的状况。由上表可得，爆破挤淤的最后一天中生物损失率最大值为0.449.将该时刻数据统计区域内的生物损失率的数据点提取出来，做出生物损失率在该区域的平面分布图，如图5所示。

同理可得第二种施工方案（每天两次爆破）的生物损失率分布图（见图6）。

3.3 结果分析

将以上的仿真结果归纳如表2所示。

爆破挤淤时，爆炸瞬间产生的悬浮物源强很大，但是由于潮汐和水流的作用，悬浮物迅速扩散，导致研究区域内的悬浮物浓度降低，从而使得生物损失率较低。当爆破挤淤的频率增加到一天两次时，在本次模拟实验的结果中，研究区域内的生物损失率与一天一次爆破相比增加了近一倍。由悬浮物扩散的模拟过程可知，增加爆破频率使得悬浮物在研究区域内得到累计，难以达到扩散所需的水文、时间条件。所以对于爆破挤淤来说，控制每天的爆破次数对于降低施工附近水域的生物损失十分重要。

图5 爆破挤淤（一天一次）生物损失率分布图Fig.5 Map of biomass loss rate（blasting once a day）

图6 爆破挤淤（一天两次）生物损失率分布图Fig.6 Map of biomass loss rate（blasting twice a day）

表2 不同施工方案对生物损失率的影响Tab.2 Biomass loss rate in different construction scheme

4 结语

本文建立了悬浮物浓度与生物损失量的关系方程，并加入了捕食参数对关系曲线进行修正。对于爆破挤淤，使用MIKE 21软件分别对不同施工方案产生的悬浮物的扩散进行了模拟，使用悬浮物浓度—幼鱼损失率曲线对该区域幼鱼的损失率进行计算。在海洋生态环境保护的角度来说，施工过程中应严格控制爆破频率，合理安排施工计划，使得施工产生的悬浮物有充分时间进行扩散，从而降低施工附近水域的悬浮物浓度，减少悬浮物对水生生物的影响。

［1］JTS 105-1-2011，港口建设项目环境影响评价规范［S］.

［2］GB/T 21678-2008，渔业污染事故经济损失计算方法［S］.

［3］宋伦，杨国军，王年斌，等.悬浮物对海洋生物生态的影响［J］.水产科学，2012，31（7）：444-448. SONG L，YANG G J，WANG N B，et al.Effects of Suspended Matter on Marine Bio-ecology［J］.Fisheries Science，2012，31（7）：444-448.

［4］Van Nieuwenhuyse E E，LaPerriere J D.Effects of placer gold mining on primary production in subarctic streams of Alaska［J］.Water Resources Bulletin，1986，22（1）：91-99.

［5］Shaw E A，Richardson J S.Direct and indirect effects of sediment pulse duration on stream invertebrate assemblages and rainbow trout（Oncorhynchus mykiss）growth and survival［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，2001，58（11）：2 213-2 221.

［6］李骏旻，黄平，李毅能，等.填海工程水生生物量损失计算方法的探讨［J］.热带海洋学报，2009，28（2）：92-97. LI J M，HUANG P，LI Y N，et al.A method for calculating biomass loss due to reclamation［J］.Journal of Tropical Oceanography，2009，28（2）：92-97.

［7］白雪梅，徐兆礼.底泥悬浮物对水生生物的影响［J］.上海水产大学学报，2000，9（1）：65-68. BAI X M，XU Z L.The effects of suspended sediment on aquatic organisms［J］.Journal of Shanghai Ocean University，2000，9（1）：65-68.

［8］Sigler D W.Effects of chronic turbidity on density and growth of Steelheads and Coho Salmo.Tran Am FishSoc，1984（113）：142-150.

［9］Victoria L G Todd1，Ian B Todd1.A review of impacts of marine dredging activities on marine mammals［J］.ICES Journal of Marine Science，2015，72（2）：328-340.

［10］郑重，李少菁，许振祖.海洋浮游生物学［M］.北京：海洋出版社，1984．

［11］沈国英，黄凌风，郭丰，等.海洋生态学［M］.北京：科学出版社，2010．

［12］周福田，蔡宁生，肖士者.水运工程施工［M］.大连：大连海事学院出版社，1998．

［13］Yan H K，Wang N，Yu T L，et al.Comparing effects of land reclamation techniques on water pollution and fishery loss for a largescale offshore airport island in Jinzhou Bay，Bohai Sea，China［J］.Marine pollution bulletin，2013，71（1）：29-40.

［14］娄海峰．爆破挤淤产生的悬浮物在潮流作用下的输移扩散研究［J］.浙江水利科技，2010（5）：9-12. LOU H F.Current-affected Transport and Diffusion of Suspended Sediment Resulting from Mud Displacement by Blasting［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2010（5）：9-12.

［15］Jagielo T H，Ross B D，Stober Q J，et al.Effects of suspended volcanic sediment on coho and chinook salmon in the Toutle and Cowlitz rivers［J］.Mycoses，2014，57（12）：765-770.

［16］Michael J Redding，Carl B Schreck，Fred H Everest.Physiological Effects on Coho Salmon and Steelhead of Exposure to Suspended Solids［J］.Transactions of the American Fisheries Society，1987，116（5）：737-744.

［17］Doeg T J，Milledge G A.Effect of experimentally increasing concentration of suspended sediment on macroinvertebrate drift［J］. Marine&Freshwater Research，1991，42（5）：519-526.

［18］Bilotta G S，Brazier R E.Understanding the influence of suspended solids on water quality and aquatic biota［J］.Water research，2008，42（12）：2 849-2 861.

［19］曹伟，李涛.水运工程对海洋生态系统的影响［J］.中国资源综合利用，2009，27（11）：26-30. CAO W，LI T.Analysis on The Impact of Waterway Engineering on Marine Ecosystem［J］.China Resources Comprehensive Utilization，2009，27（11）：26-30.

Study on loss of biomass using the method of squeezing silt by blasting

LI Zhao-yu,WANG Wen-yuan,GUO Zi-jian,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China）

Underwater explosion is widely used in the construction of offshore hydraulic structures.The sediment suspension caused by blasting underwater has a great influence on the ecological environment.At present,the related research is mostly confined to the field of fishery and it is lack of scientific calculation method.The equation for the suspended solids to the loss of aquatic organisms was established and sediment transport module of MIKE 21 was used to simulate the dispersion of the suspended solids generated by different construction schemes.According to the simulation results of suspended matter concentration in the study area,the map of the loss of biomass in the study area was given.

underwater explosion;nearshore waters;suspended solids;biological loss

X 52

A

1005-8443（2017）01-0084-05

2016-04-25；

2016-11-07

国家自然科学基金项目（51279026）

李照宇（1993-），男，山东省德州市人，硕士研究生，主要从事港口规划方面研究。

Biography：LI Zhao-yu（1993-），male，master student.