感潮河段疏浚对悬浮物的变化影响模拟探究

张 舟，陈莉苹，吴利桥

(1.珠江水资源保护科学研究所，广州 510611；2.安徽职业技术学院，合肥 230011)

1 概述

西江为珠江流域的重要干流，干流水质状况较好，自思贤滘西滘口至西海水道段均可维持Ⅱ类水质标准，分布有多个水源保护区。根据《珠江—西江经济带发展规划》，西江作为珠江流域重要的通航航道，承担着3 000 t级船舶的通航任务，通航码头的建设需要对干流河道进行疏浚，疏浚可能对水环境造成一定影响[1]，主要为施工期疏浚船舶挖泥作业可能引起水体局部悬浮物增加[2]，对其他水环境因子影响不大[3]，因此本文主要以悬浮物(SS)作为特征评价因子。

本研究的感潮河段为西江干流河段，主要是马口水文站到下游天河、南华水文站河段，其水文条件十分特殊，全年的水资源量呈现季节性分布，其中丰水期(4—8月份)占到全年水资源量的约80%[4-5]。丰水期因上游来水量较大，涨潮作用通常小于丰水期上游来水，因此在丰水期该河段整体呈现正向流量与流速[6]；而枯水期因上游来水量不足，下游磨刀门口岸涨潮顶托作用，使得这一河段呈现涨潮落潮，即季节性感潮的现象[7]。而河道及港口的疏浚通常避开丰水期，因此不仅对下游也可能对上游保护区造成影响。因此本研究的展开具有较大的现实意义。

本文研究对象为新建的2 000 t级集装箱码头，位于广东省佛山市境内，上下游分别有西江干流高明水厂水源保护区与鹤山市西江东坡水源保护区，码头与保护区位置关系示意见图1。疏浚范围包括停泊水域、部分回旋水域，水域疏浚无炸礁，水域疏浚量约为21万m3。

图1 本研究疏浚点与上下游水源保护区位置关系示意

西江中下游因受磨刀门水道枯水期海水上溯的影响，枯水期会出现涨潮落潮的往复流[8]，为典型的感潮河段，为保障安全工程施工通常避开丰水期。疏浚工艺主要采用抓斗式挖泥船进行水下疏浚作业，作业时间为枯水期(12月—次年2月，水下施工约3个月)。受感潮河段的影响，枯水期往复流疏浚期间可能对上下游水源保护区造成不利影响，因此，对疏浚产生的悬浮物进行水环境影响模拟预测是十分必要的，可为水文自然条件相似的感潮河段河道疏浚造成的环境影响预测与饮用水源区保护提供科学技术参考。

2 研究方法

2.1 模型原理

本文利用二维非稳态模型，针对西江干流河段进行水动力与水质环境影响模拟，分析河道疏浚对西江干流水质的影响程度与范围；本次分析计算采用的模型为二维非恒定流河网模型，主要模型原理[9-10]采用卡迪尔坐标系，其控制方程如下：

1)连续性方程

(1)

2)动量方程

(2)

(3)

其中，

(4)

(5)

式中：

t——时间；

u、v——分别为流速在x、y方向上的分量；

η——相对于未扰动水面的高度；

d——静止水深；

h——总水深，h=η+d；

ρ——水密度；

ρ0——参考水密度；

f——Coriolis参量，f=2Ωsinφ；

Ω——地球自转角速度；

φ——地理纬度；

Txx、Txy、Tyy——水平粘滞应力；

S——源汇项，源时为正，汇时为负；

us、vs——分别为源汇项在x，y方向上的流速。

3)泥沙模型

泥沙输移扩散方程为：

(6)

式中：

C——浓度，mg/L；

S——沉积项，g/m3·s；其他符号说明同前文。

其中S为沉积项，可表达为：

(7)

式中：

ws——沉降速率，m/s；详见3.3节。

cb——含沙量，kg/m3；0.009～0.012 kg/m3；

τb——河床切应力，N/m2；0.032 N/m2；

τcd——临界沉积切应力，N/m2；0.04 N/m2；

2.2 计算方案

1)模拟范围

西江干流河面宽阔，纵向河道宽400～1 000 m，河势为WN-ES向，航道沿线水深则呈上浅下深的分布格局[11]。模拟区域范围为西江干流中游河段，即马口站至磨刀门水道以上河段。上游边界为马口水文站，距离疏浚区上游约30 km，下游边界为甘竹、南华、百顷、大敖站，距离疏浚区分别约18 km、26 km、54 km与58 km。本研究的模拟范围见图2。

图2 本研究模拟范围与验证点位示意

2)水文数据

码头疏浚施工的主要工艺采用抓斗式挖泥船进行挖泥，时间集中在枯水期(12月—次年2月)。在此期间，西江干流的潮流特征为枯水期水文条件，呈现感潮现象。模型的水文条件数据包括：水利部门实测的2015年枯水期西江干流与下游水文站同步水文资料。上边界为流量数据，下边界为水位数据，采用2015年1月2—16日一个完整的大、小潮位过程，此时为枯水期中潮差最大的阶段，潮位过程具有代表性。

3)地形数据

本次建立模型时，河道地形采用2005年在珠江三角洲河网测量的1∶5 000河道地形资料，该地形的投影坐标系统采用1954北京坐标系，国家1985高程系统。

4)模型网格

本文模拟区域采用非结构化三角形网格，在码头附近河道进行局部网格加密，模型区域总计12 813个不规则三角形网格，7 794个节点。不规则网格对复杂地形的适应性更好，网格的边可以更好地贴合弯曲河道，地形概化更接近实际情况。本文模拟研究的网格如图3所示。

图3 本研究模拟范围计算网格示意

3 模型验证

3.1 模型主要参数的选取

根据二维非恒定流河网模型的基本原理，在模型中需对以下主要参数进行设置[12-13]。

1)涡粘系数。涡粘系数采用Smagorinsky公式估算，相应Smagorinsky系数取值为0.28 m2/s。

2)时间步长。根据模型网格大小、水深条件动态调整模型计算时间步长，使CFL数小于0.8，满足模型稳定的要求，本文时间步长设置为60 s。

3)干湿边界。对计算区域内滩地干湿过程，采用网格冻结方法处理。当某点水深小于0.005 m时，令该网格点为干点，滩地干出，不参与水动力计算；当某点水深大于0.005 m但小于0.05 m时，令该处流速为零，该网格点仅参与水流连续方程的计算；当该处水深大于0.1 m时，该网格点参与计算，河水上滩。

3.2 糙率的选取

根据河网的水流特点，采用模拟计算与实测资料率定[14]，参考前人对珠江三角洲网河区已完成的工作来率定糙率系数，珠江网河区糙率分布大致介于0.014～0.036之间，三角洲上游河段糙率较大，口门段较小，糙率分布合理[15]，可用于工程计算。根据河道的水流特点，采用模拟计算与实测资料率定，本研究曼宁系数取值0.024，曼宁系数分布合理，可用于工程计算。

3.3 泥沙相关参数的选取

疏浚段为砂质河床，根据当地水文地质勘查的测验成果，悬沙中值粒径为0.075～0.25 mm，平均值为0.15 mm。泥沙的沉降速率参照同类项目，采用武汉水利电力学院公式[15]计算：

(8)

式中：

ω——沉降速率，cm/s；

v——水体运动粘滞系数，ν=0.0114 6 cm2/s；

a——重率系数，a=1.65；

d——泥沙粒径，疏浚中悬浮泥沙颗粒粒径，取中值粒径0.15 mm。

D——平均水深，计算得出泥沙沉降速率为1.85 cm/s，即0.0185 m/s。

悬浮物原理公式并不因感潮河段而有变化，其扩散范围主要由水文条件所决定，因感潮河段不同流态会出现不同的流速，例如涨急流速向上达到最大，落急流速向下达到最大，因此悬浮物会出现向上游与下游扩散范围最大的情况[16]。

3.4 模型验证

本研究采用2015年1月2—16日实测数据进行模型验证，模型对模拟范围内的天河站潮位、潮流过程进行了验证，水位、流量与泥沙验证结果见图4。

a 水位验证

从图4可以看出模型率定结果较好，验证站点水位平均绝对误差均在0.05 m以下，流量、泥沙的计算值与实测值的平均误差在10%以内，均满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程(JTST231-2-2010)》与《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-4—2018)中模型验证精度的要求(水位与流量的误差在±10%以内，平均含沙量误差在±30%以内)，可以用于悬浮物或其他水环境要素的影响模拟计算。

4 模拟结果与讨论

4.1 对水源保护区的影响分析

本研究上游分布有高明水厂取水口及其饮用水源保护区，下游分布有鹤山市西江东坡饮用水水源保护区。高明水厂饮用水源二级保护区下边界位于工程上游约4.0 km处，取水口位于工程上游9.9 km处。鹤山市西江东坡饮用水源二级保护区上边界位于工程下游约2.0 km处，取水口位于工程下游5.7 km处。由上文可知悬浮物扩散范围主要由水文条件所决定，因感潮河段呈现出周期性不同流态，例如初涨流态为停止落潮开始涨潮，涨急流态流速向上达到最大，初落流态为停止涨潮开始落潮，落急流态流速向下达到最大，因此悬浮物会随不同水文流态呈现不同浓度分布，在涨急与落急呈现出向上游与下游扩散范围最大的情况。根据模拟预测，在不同流态下(初涨、涨急、初落、落急)对悬浮物影响浓度场范围如图5所示。

图5 涨落潮时期本研究疏浚作业悬浮物影响范围示意

图6 涨落潮疏浚作业悬浮物最大影响包络线范围示意

根据预测结果，疏浚作业对上下游的悬浮物影响较小。下游准保护区最大影响浓度为5.0 mg/L；其中距离疏浚位置较近的保护区，上游二级保护区边界SS浓度最大增量为1.21 mg/L，一级保护区边界SS浓度最大增量为0.49 mg/L，上游取水口SS浓度最大增量为0.38 mg/L；下游二级保护区边界最大增量为0.74 mg/L，一级保护区边界SS浓度最大增量为0.37 mg/L，取水口SS最大增量为0.28 mg/L。叠加背景浓度4 mg/L后SS预测值均小于10.0 mg/L，符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)中水旱田作物的标准(100 mg/L)与《地表水环境质量标准》；因此疏浚作业不会对上下游水源保护区造成明显影响。

4.2 最大影响范围

根据水动力学模型计算结果，疏浚扰动引起的悬浮物在施工地附近浓度较大，特别是在纵深50 m范围内，施工场地悬浮物浓度较高；超过100 mg/L的范围为上游50 m到下游90 m，最大影响包络线面积约为0.005 m2。随着对流扩散，浓度衰减速度较快，到下游为270 m范围，影响降至25 mg/L，到下游1 km处已经衰减到5 mg/L以下；25 mg/L浓度线向河道上游扩散的最远距离为150 m，向下游扩散的最远距离为270 m，最大影响的包络线面积约为0.06 km2。10 mg/L浓度线向河道上游扩散的最远距离为450 m，向下游扩散的最远距离为580 m，最大影响的包络线面积约为0.18 km2。污染物最远上溯距离为2.3 km，最大约1.5 mg/L。

综上所述，最大影响包络线范围与影响范围见表1所示。

表1 本研究不同浓度包络线影响范围

5 结语

1)感潮河段西江干流全年的水资源量呈现季节性分布，其中丰水期(4—8月)约占全年水资源量的80%。枯水期因上游来水量不足，下游磨刀门口岸涨潮顶托作用，使得这一河段呈现季节性感潮的现象。模拟结果显示，在枯水期一个潮周期内研究河段呈现较为明显的初涨-涨急-初落-落急的周期性流态现象。

2)本文利用二维非稳态模型针对研究区域进行水动力与悬浮物影响模拟，模型采用实测水文资料进行参数率定与模型验证，验证站点水位平均绝对误差均在0.05 m以下，流量、泥沙的计算值与实测值的平均误差在10%以内，满足有关规范的要求，模型精度符合要求，可以用于悬浮物或其他水环境要素的影响模拟计算。

3)根据影响预测分析河道疏浚的影响程度与范围；超过100 mg/L的范围为上游50 m到下游90 m，最大影响包络线面积约为0.005 m2。到下游270 m范围，影响降至25 mg/L，到下游1 km处已经衰减到5 mg/L以下。10 mg/L浓度线向河道上游扩散的最远距离为450 m，向下游扩散的最远距离为580 m，最大影响的包络线面积约为0.18 km2。针对保护区，下游准保护区最大影响浓度为5.0 mg/L；上游二级保护区边界SS浓度最大增量为1.21 mg/L，叠加背景浓度4 mg/L后SS预测值均小于10.0 mg/L，因此正常疏浚作业对上下游保护区无明显影响。

4)悬浮物原理公式并不因感潮河段而有变化，其扩散范围主要由水文条件所决定，因感潮河段不同流态会出现不同的流速，例如涨急流速向上达到最大，落急流速向下达到最大，因此悬浮物会出现向上游与下游扩散范围最大的情景。感潮河段水文条件特殊，为避免航道或港池疏浚对水环境的影响，应严格落实疏浚期的环保措施，如采用涉水施工局部围堰、防泥幕帘等防护措施，通过人为方式制作围挡，有效限制扩散范围，可减少疏浚悬浮物的影响；疏浚挖泥船上可配备先进的定位系统、航行记录器和溢流门自控装置，进一步保障航道与港池疏浚作业不会对上下游保护区产生影响。