疏浚尾水悬浮物沉降理论分析及控制措施

黄彬阳 中交广州航道局有限公司

1.引言

近年随着航运事业及港口建设的蓬勃发展，靠港船舶吨位日趋大型化，加大港口建设疏浚及港池、进港航道疏浚加深及维护的要求；而疏浚作业是港口正常运行及航道维护的重要手段。航道疏浚及陆域吹填，由于挖泥船对海底的机械扰动及绞吸船离心泵作用下，造成局部的水域的总固体悬浮物（total suspended solids）的急剧增加，并随着风流作用下扩散到施工区附近环境敏感海域（湿地及海豚、生蚝养殖场）；本文以对某项目的绞吸船施工前后的水质监测为时间根据，利用水质浊度无线监测系统及便携式水质监测仪等科技监测手段对周围水质进行不间断的监测，得出疏浚吹填期间的水质浊度数据，同时依据相关浊度数据进行分析，提出对吹填尾水处理控制措施并落实，并对控制措施的成果进行印证，确定尾水处理后总悬浮物的逸散范围。

2.浊度数据分析

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。利用浊度计发出光线，穿过水样样品，从入射方向的90°方向检测有多少光被水中的悬浮物的颗粒物所散射，从计算得出水样的浊度值。中国1976年颁布的生活饮用水水质标准规定，浊度不超过1度。中国地下水质量标准和生活饮用水卫生标准对水中悬浮物以浑浊度为指标作了规定。

某项目以未完全闭合的围埝作为绞吸船疏浚吹填的蓄沙区，利用绞吸船对海底的机械扰动及绞吸船离心泵作用下，将混合高浓度疏浚料输送蓄沙区。为了对吹填的尾水对当地水文环境的影响进行评估分析，前期未对吹填尾水处理控制，直接以直排方式回流至海洋里，同时由于吹填回流水的水流流速达到一定程度，带动已沉淀的泥沙形成二次搅动，加剧吹填回流水的悬浮物浓度。基于该项目环境管理方案对水质浊度的要求，该项目在吹填回流水周围水域设置水质浊度监测，选择其中两个（T1 T2）垂直方向的监测点（见图1、图2），逐点接近尾水回流区,收集两点的实时水质浊度监测数据并对其进行分析；)

通过T1,T2（见图1、图2）的监测数据图标曲线的分析，在潮差一定的环境下（蓝色曲线），吹填回流水中悬浮物浓度（橙色曲线），随着时间与距离的推移，吹填尾水中混合泥沙的悬浮物，经水流絮动扩散后，悬浮物中泥沙及颗粒较大的有机物等逐渐开始发生沉降，吹填尾水悬浮物的浓度逐渐被稀释，同时由于海洋的自动净化功能以及洋流的运动，使吹填尾水悬浮物的浓度再次被稀释，直至当地海水的浊度正常值。因此我们可以分析推测出，吹填尾水中悬浮物浓度与水流絮动扩散功能、吹填尾水悬浮物里的泥沙颗粒大小等有关。

2.1 悬浮物扩散理论分析

根据相关调查发现，水中的悬浮物的扩散，源于水流的絮动；引入希尔兹曲线分析，尾水中悬浮物中悬浮颗粒由绞吸船排泥管排出后，具备了一定的初速度，随着水流向前扩散，同时由于在吹填尾水的水流力作用下，促使已沉淀的泥沙等其他悬浮颗粒扬动并悬浮于水中，随着尾水流向浮游扩散。通过增加尾水流径以及阻力，抑制吹填尾水在蓄沙区内的水流速度，从而控制尾水中悬浮颗粒的运动速度，当尾水中的悬浮颗粒流速达到泥沙颗粒的止动流速，泥沙颗粒由运动状体转变为静止状态。

图1 （T1 垂直方向的监测点）

图2 （T2 垂直方向的监测点)

图3 （水质取样数据）

图4 （围堰标高图）

图5 （浮动防污帘布设图）

2.2 颗粒的沉淀效果理论分析

为理论印证吹填尾水悬浮物中含有的颗粒大小，决定沉淀速度与效果，引入斯托克斯公式印证：

U 悬浮颗的沉降末速度，m/s

Ps-Py 分别表示悬浮物颗粒及水的密度，kg/m3

μ 海水的粘度，pa▪s

g 重力加速度,m/s2

d 悬浮颗粒粒径，m

由斯托克斯定律对悬浮物中颗粒大小进行理论印证，假设其他条件都基于恒定状态，当悬浮颗粒的粒径越大，它的沉淀速度及效果更加明显，理论印证了悬浮颗粒的大小影响悬浮物的沉降效果。

2.3 悬浮扩散范围分析

以某项目的吹填施工过程中的浊度监测为例，为了取得疏浚吹填过程中尾水悬浮物逸散范围，以及验证该项目对吹填尾水防控措施落实的有效性。该项目基于封闭的围埝后的吹填尾水的溢流区为扩散点，分析封闭围埝完成后对某地区水文的影响以及水流方向的改变，利用RTK定点控制500米（P1）、1000米（P2）、2000米（P3）的水质取样点，考虑到该项目浊度监测过程中已额外在远离疏浚吹填区且区域内水质受影响较小设置校正点，因此本次取样监测未设有相应的校正点；由于在实际取样过程中，取样的检测结果受某地区潮汐及洋流流向的影响以及水质取样的深度的影响。（见图3）水质取样数据采集基于潮差为20cm,忽略水流影响，取样深度为50CM。利用便携式水质浑浊度的监测仪，实行阶段性取样检测，分别为疏浚前（水样S1）、疏浚前期（水样S2-S5）、疏浚后期（水样S6-S8）三个阶段，分布分析水质浊度变化情况。在实际疏浚过程中，距溢流堰500M的取样点P1,水质浑浊度有较明显变化，但浑浊度浓度较低，符合项目环保安全管理要求，P2水质监测点的浑浊度明显低于P1点，因此，疏浚吹填尾水的高浓度的浑浊度主要居中于500m区域内，尾水逸散范围小于1000米，基本对某项目业主环境影响评估里面指定的水质敏感区域不产生负面环境影响。

3.吹填尾水排放的控制措施

结合上述对悬浮物逸散理论分析以及印证疏浚吹填尾水处理防控措施的有效性，我们可以对吹填尾水排放出高浓度悬浮物制定相应的防控措施，同时需要考虑项目疏浚吹填的水文环境等条件的影响，制定相应的调整方案。对于疏浚吹填尾水排放中悬浮物浓度控制，依据以上理论疏浚分析，制定并落实以下相应的防控措施：

（1）合理考虑项目实施，依据项目所在地区的天气情况以及疏浚区的潮汐情况，合理设计围埝标高；

（2）在疏浚作业前，切实利用围埝对整个设计吹填区进行围闭，形成一个封闭纳沙区，降低并控制悬浮物的逸散范围的区域，减少疏浚吹填过程中的尾水悬浮泥沙浓度对周围敏感海域的影响；

（3）依据悬浮颗粒沉淀效果分析，合理选择疏浚吹填料，以粒径较大的吹填料，沉降效果俱佳，同时分段设置单个或多个沉淀池，使吹填尾水在围埝内有足够的沉淀时间，从而降低外排吹填尾水的浓度值。

（4）根据吹填区的吹填标高以及围埝高度，适当调整溢流口的高度，增加吹填尾水在沉淀池的沉淀时间，进一步控制外排尾水悬浮物的浓度值（见图4）。

（5）合理设置输泥管头位置，降低绞吸船含泥沙浓度排放到蓄沙区后流速，加速泥沙等悬浮物的沉淀；

（6）吹填区溢流口流入海洋的吹填尾水区域设立浮动防污帘（见图5）,依据当地潮差及溢流口外围区域的水深，设置相应长度的浮动防污帘，实现对溢流口排出的吹填尾水围闭过滤，减少高浓度的泥沙悬浮颗粒回流入海，降低水质浑浊度超标的风险。

（7）疏浚吹填过程中，实行人员巡查瞭望值班制度，对排水口区域的围埝进行不间断巡查，降低尾水溢出风险，保证周围海域不受疏浚吹填影响，满足相关环境管理要求。

（8）根据项目环境管理需要，选择适当的区域或者业主指定区域设立水质浊度监测点，对疏浚区域或可能受影响区域进行不间断监测，建立水质浊度应急超限应急机制，确保疏浚过程中，对吹填尾水中悬浮物处理措施的有效性以及监测准确性。

4.结语

结合某项目实施的水质浊度监测为实践监测印证依据，引入希尔兹曲线及斯托克斯公式对尾水悬浮物中的悬浮颗粒（主要以泥沙为主）启动及沉降运动的理论分析。基于对悬浮物的沉降理论分析结果，制定并落实对疏浚吹填的尾水浑浊度控制措施，满足项目的环保方案对水质浊度的相关要求，实现环保疏浚的目标；除了上述理论分析对悬浮物的影响外，探究疏浚料的选择以及海水温度等方面对悬浮物监测的准确性影响也极其必要的。