内河隔挡式环保疏浚辅助设施减污效果研究

陈广云，单丹

（中交广州航道局有限公司，广东 广州 510220）

0 引言

内河航道是重要的交通基础设施。疏浚是改善其通航条件、提高行洪能力的重要措施，且通常要求实施环保疏浚。目前用于环保疏浚的设备主要有2 类：专用设备和由各类常见挖泥船改造的设备。具有代表性的专用设备主要有螺旋式疏浚设备和密闭旋转斗轮疏浚设备[1]。而常见挖泥船的环保改造一般依据船的类型具体确定，常规方法分别为：绞吸式挖泥船，采用专用环保铰刀并配备罩壳；耙吸式挖泥船，将普通耙头改为带罩式环保耙头；斗轮式挖泥船，主要对斗轮架进行改造，使其上部封闭，并在斗轮上装设排气阀；抓斗式和铲斗式挖泥船，主要把泥斗改为封闭式，使得斗中污泥不易泄出[2]。

以上疏浚设备大部分体型较大[3]，在内河狭小区域施工时抑制底泥污染二次扩散的环保效果受到限制，底泥重新悬浮入水中，伴随着底泥进入水体的还包括聚集在底泥中污染物质，对航道的环境会产生影响，与航道疏浚相关的生态保护矛盾逐渐凸显[4]。同时抓斗式和铲斗式挖泥船改造的封闭泥斗也会一定程度影响施工效率。除此之外，内河航道作为重要的水运通道，航道疏浚的同时必须保持船舶的正常通行[5]。

因此，需研发一套适用于内河狭小区域的环保疏浚辅助装置。基本思路为采用挡板隔断施工区水体与航道内活水之间的开敞性流通，仅在上部预留孔隙保持内外水压相等，疏浚船舶在隔档形成的内部相对静水区施工，疏浚完成后采用技术手段促使施工区泥沙及污染物快速沉降，此方案为近封闭方案；或者采用半淹没挡板在下游形成缓流区以减小挡板下游挖泥船施工区水流速度，进而减小施工区水体中污染物的扩散，此方案为半封闭方案。

本文以京杭运河枣庄段（马兰大桥以下）二级航道整治工程为例，通过FLOW-3D 软件建立航道概化的三维数值模型[6]。根据不同设计方案对污染扩散的不同抑制效果，选择最佳方案。

1 方案制定

限制性航道为过水断面狭窄、对船舶（队）航行有限制作用的人工航道，例如人工开挖的运河、通航的灌溉、排水、供水等输水渠道。京杭运河枣庄段（马兰大桥以下）为二级航道，根据GB50139—2004《内河通航标准》[7]可知，二级航道船舶吨级为2 000 t，代表船型最大驳船长×宽×吃水为75 m×14.0 m×2.6 m。该航段疏浚时选用0.75 m3、1 m3抓斗式挖泥船挖泥，90 kW 拖轮＋30 kW 机艇＋60 m3、80 m3泥驳运输，机械卸船上岸，再由汽车运至弃土区，一般挖泥船长度为30 m 左右[8]。考虑到疏浚时不影响船舶通行以及现有航道地形资料等因素，制定不同半封闭方案和近封闭方案并建立三维数值模型。

1.1 半封闭方案

半封闭方案中挡板内的水流与河道的水流是相互流通的，但是挡板的上下游长度影响着流通的效果。为了得出上下游挡板不同长度对底泥污染物扩散的影响效果，制定挡板长度为20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 等方案研究下游特定点位置的污染物浓度。图1 为半封闭方案，挡板长度为20 m 的模型。

图1 半封闭方案示意图（dm）Fig.1 Schematic diagram of a semi-closed dredging auxiliary device（dm）

1.2 近封闭方案

近封闭方案的水流由于挡板的阻隔作用，内部水体的流动性受到了束缚。为了避免挡板内外产生水位差，即产生压力差对挡板造成结构性破坏，在挡板上游留有1 个竖状的矩形缝隙，使其与河道内水位相一致。与此同时，由于孔隙的存在以及河道上游来水的影响，挖出的底泥会通过孔隙随着水流的流动而扩散。本文在确定所围区域一定的情况下，研究不同孔隙对底泥污染物的扩散的影响。假定孔隙宽度为0.3 m、0.5 m、1 m等方案研究下游特定点位置的污染物浓度。图2为近封闭方案，孔隙宽度为1 m 的模型。

图2 近封闭方案示意图（dm）Fig.2 Schematic diagram of a near-enclosed dredging auxiliary device（dm）

2 数学模型的建立

2.1 控制方程

软件将N-S 方程作为控制方程，运用雷诺平均法进行求解[9]。

连续方程：

动量方程：

式中：i、j=1、2、3，分别表示x、y、z方向；ui、uj为i、j方向速度；t为时间；Aj为计算单元j方向的面积；VF为各计算单元水的体积分数；ρ为水的密度；P为压强；gi为i方向重力加速度；xi、xj分别为i方向和j方向坐标分量；fi为i方向雷诺应力[10-11]。

湍流模型：

RNG k-ε 模型能够高效求解流线弯曲大的流动[12-13]。其中：

湍动能方程：

湍动能耗散率方程：

式中：k为湍动能，m2/s2；ε 为湍动能耗散率，kg·m2/s2；μ 为流体动力黏滞系数，N·s/m2；μt为流体湍动黏度，μt=ρCμk2/ε，N·s/m2；αε，αk，C1ε和C2ε是常数，αε=αk=1.39；C*1ε=C1ε-η（1-η/η0）/（1+βη3），其中η=（2EijEij）0.5k/ε，Eij=1/2（∂ui/∂xj+∂uj/∂xi），η0=4.337，β=0.012，C1ε=1.42；C2ε=1.68；Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项，由Gk=μt（∂ui/∂uj+∂uj/∂ui）∂ui/∂uj定义[14]。

2.2 网格划分

模型网格的划分质量影响着模型计算结果的准确性，本文对模型采用非均一性网格进行划分。因挡板处区域为底泥污染物扩散的重要观察区域，为了能够准确模拟出扩散的过程，对挡板处区域进行网格嵌套处理。整体进行长×宽×高均为0.8 m的网格进行划分，嵌套区域进行长×宽×高均为0.1 m 的网格划分。

2.3 模型边界条件及初始条件设置

1） 边界条件：根据所概化河段最低通航水位，设置模型边界条件。模型上游进口边界条件设置为流量边界，给定上游水流量100 m3/s；模型下游出口边界条件设置为压力出口边界，给定对应的水深8 m；左、右岸以及模型底部给定壁面边界；模型顶部给定压力出口，其中fluid fraction设置为0，即模型顶部为大气压。挡板内污染物扩散速率为一定值，考虑到挖斗的大小等实际情况，给定污染物扩散速率为1 m3/s。

2） 初始条件设置：模型单位设置为SI 国际单位制，流体选定为20 ℃水，重力加速度设置为9.81 m/s2。为了能够更加清楚和准确地知道模型计算稳定情况，在进出口上下游位置设置监测断面，可以观测特定断面的流量、流速变化，当流量瞬时变化相差很小时，即可认为模型计算稳定[15]。

3 结果分析

3.1 半封闭方案

从半封闭方案模拟结果中定性分析可知：边界条件设置一样的情况下，只改变挡板长度，底泥污染物的扩散是受到影响的。从扩散云图中可知，当挡板较短时，底泥污染物到达挡板尾端时会迅速往河道两岸扩散，并且扩散范围较大，污染物随水流向下游移动时，污染物浓度仍然较大。

随着挡板的加长，底泥污染物在挡板尾端会向两岸及下游扩散，但是较挡板短的模型，挡板长的模型底泥污染物往两岸扩散的范围有着明显的减小；污染物浓度较大的区域在挡板内部并且随着挡板的增长挡板内污染物浓度也增大，向挡板外扩散的污染物会减少；挡板对污染物扩散有减弱作用，随着挡板的加长效果有逐渐变好的趋势。半封闭方案污染物扩散云图如图3 所示。

图3 半封闭方案污染物扩散Fig.3 Pollutant dispersion with a semi-closed dredging auxiliary device

为了更加清楚地表明不同挡板长度对污染物扩散的阻碍效果，对各个挡板长度的结果进行污染物浓度分析。因为污染物均是随着水流往下游扩散没有逆流而上的情况出现，本文选取下游特定点位置的污染物浓度的变化进行分析从而判定半封闭模型下挡板的最优长度。选取辅助装置左岸L1、L2、L3，右 岸R1、R2、R3，中 间M1、M2、M39 个点，提取各个挡板长度的污染物瞬时浓度，如图4 所示。挡板长度为20 m、30 m 时位置点M1 处污染物浓度较大，为3%，随着挡板长度的增长，污染物浓度减小降为1.5%。分析下游各个位置污染物浓度的结果可知，40 m、50 m、60 m时挡板效果较好并且三者无太大差别，从经济和效益上考虑，长度为40 m 时效果较优。

图4 半封闭模型各位置点污染物浓度Fig.4 Concentration of pollutant at various locations in the semi-closed model

3.2 近封闭方案

近封闭方案模拟的计算结果可知，当孔隙宽度为0.3 m、0.5 m 时，在污染物扩散云图（图5）中显示污染物从挡板内区域通过孔隙往河道内扩散，扩散区域和速率较为一致，没有看到较大的区别。当孔隙变为1 m 时，挡板内的污染物会大量往外扩散，扩散范围和速率均有较大增加。

图5 近封闭方案污染物扩散Fig.5 Pollutant dispersion with a near-closed dredging auxiliary device

同样提取下游各点处的污染物浓度，如图6所示。近封闭污染物扩散主要集中在有空隙的右侧；孔隙宽度为1 m 和0.3 m 时右侧位置点R1污染物浓度为0.7%，孔隙宽度为0.5 m 时点R1污染物浓度为0.2%，宽度1 m 和0.3 m 较宽度0.5 m污染物浓度有明显的增加。右侧点R2、R3污染物浓度相比较，不同孔隙宽度R2点污染物浓度为0.3%，不同孔隙宽度R3点污染物浓度为0.2%，表明不同孔隙宽度的污染物抑制扩散效果相同。

孔隙宽度为0.5 m 时距离挡板位置较近点R1处污染物浓度较低、其他位置点不同孔隙宽度对污染物抑制扩散效果相似，阻碍污染物扩散效果较优。

3.3 最优方案选取

通过3.1 节、3.2 节分析可知，孔隙为0.5 m为近封闭最优方案，挡板长度为40 m 时为半封闭最优方案。为了确定环保疏浚辅助设施的最优方案，选取两者的最优方案对污染物浓度进行比较，如图7—图9 所示。近封闭方案的各点污染物浓度均明显小于半封闭方案。2 种方案对比，0.5 m的近封闭方案减小污染效果更佳。

图7 右岸点近封闭与半封闭方案污染物浓度对比Fig.7 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at right bank point

图8 中间点近封闭与半封闭方案污染物浓度对比Fig.8 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices in the middle point

图9 左岸点近封闭与半封闭方案污染物浓度对比Fig.9 Comparison of pollutant concentrations between near-closed and semi-closed dredging auxiliary devices at left bank point

4 结语

本文通过对挖泥船底泥污染物扩散进行三维模拟研究，得到以下结论：

1） 半封闭方案，随着挡板的加长，模型底泥污染物往两岸扩散的范围明显减小；污染物浓度较大的区域在挡板内部并且随着挡板的增长而增大，向外扩散的污染物减少；挡板大于40 m 时减小污染浓度的效果差别不大。

2） 近封闭方案，污染物扩散主要集中在空隙的右侧；当孔隙宽度小于0.5 m 时，污染物从挡板内区域通过孔隙往河道内扩散，扩散区域和速率较为一致。当孔隙大于1 m 时，挡板内污染物会大量往外扩散，扩散范围和速率均有较大增加。

3） 半封闭和近封闭方案，均能使污染物影响范围减小，河道内污染物浓度降低，挡板内污染物扩散速率降慢。当选用半封闭方案时，挡板长度为40 m 时效果最优；当选用近封闭方案时，孔隙为0.5 m 时效果最优。2 种方案对比，孔隙为0.5 m 的近封闭方案减小污染效果更佳。