工程施工引起的三山岛附近海域的悬浮物扩散研究

    赵海勃+王昆+宋伦+刘桂英+宋永刚

    DOI:10.3969/j.issn.1004-6755.2014.03.004

    摘 要：利用非恒定保守型水质跟踪预报模型，将施工引起的污染物作为线源影响输入，模拟了三山岛附近海域工程施工前后的水动力及悬浮物浓度的平面实时分布状况。给出不同典型时刻下该海域的潮流场及浓度场的计算结果，据此对三山岛附近海域工程施工后的悬浮物对流输运状况进行分析评价。

    关键词：三山岛；非恒定保守型水质跟踪预报模型；悬浮物扩散

    小窑湾、大窑湾及大连湾是黄海北部的重要原生构造湾，周围陆地为海拔较低的丘陵地貌和堆积平原，高处经受风化剥蚀，低处接收沉积物堆积。常见剥蚀地貌有尖-圆顶状侵蚀-剥蚀高丘、圆顶侵蚀-剥蚀低丘和剥蚀台地等，地形起伏平缓，相对海拔较低。丘陵坡脚及谷地常见坡洪积、冲洪积扇裙。偶见冰川作用形成的冰积台地、冰碛台地，以及湖积凹地、风成砂地等。靠近海湾湾顶陆域多见冲洪积平原、河流三角洲和海积平原。海岸为典型的基岩海岸，尤以岬角处海岸最为典型，发育海蚀崖与倒石堆、海蚀洞穴、海蚀残丘和岩脊滩。湾顶处以堆积地貌为主，常见岸堤、潟湖、海滩、沙嘴等。

     三山岛位于大连湾[1]湾口东南外海区域，湾内海底地貌以水下浅滩为主，自湾顶向湾口缓慢倾斜，地形平坦单调。大连湾口处坡度显著增大，水深自15 m迅速增加到30 m，坡度达到15‰，海底地形总体平坦单调。正是得力于其独特的海况和水质条件，其国家级水产种质资源保护区——三山岛海域国家级水产种质资源保护区的试验区和三山岛市级海珍品资源保护区位于其附近海域，由于工程施工的需要，施工引起的污染物排放入海，影响其保护区的海水水质状况，本文利用非恒定保守型水质跟踪预报模型[2]，将施工引起的污染物作为线源影响输入，模拟了三山岛附近海域工程施工前后的水动力及悬浮物浓度的平面实时分布状况。

     1 水动力环境影响分析

     在海洋环境规划和环境评价中，海流总是作为更重要的环境动力予以详尽的调查。在必要的海流现场观测基础上，通过数值模拟的方法来解决这一问题是经济有效的技术手段。为查明拟建工程海域的海流运动状况及其变化规律，本次在拟建工程海域布设两个海流定点周日连续观测站。

     利用干湿动边界[3]浅水环流模型对工程附近海域的潮流场进行数值模拟，以期再现工程海域潮汐潮流的运动过程，为分析本海域的环境自净能力和工程对海洋的环境影响提供动力学条件。

     1.1 模型介绍

     由于计算区域具有广泛的外海开边界，采用大小计算域嵌套模式，小区域的外海开边界条件采用大区域的计算结果。

     取XOY平面为平均海平面，X轴向东为正，Y轴向北为正，Z轴以平均海平面为零，向上为正。笛卡尔坐标系下，不可压缩流体的动量方程为：

     dudt-fv=-gηx-qx+γh2ux2+2uy2+

    zγvuz

    (1)

     dvdt+fu=-gηy-qy+γh2vx2+2vy2+

    zγvvz

    (2)

     dwdt=-qz+γh2wx2+2wy2

    +zγvwz

    (3)

     式中， u(x,y,z,t)、v（x,y,z,t）、w（x,y,z,t）分别为x、y、z方向的流速；t为时间；η(x,y,t)为自由面升高值即水位；q(x,y,z,t)为流体动压值；f为柯氏力系数；g为重力加速度;γh、γv分别为水平和垂向的涡黏性系数。

     连续性方程为：

     ux+vy+wz=0

    (4)

     在水深方向上对连续性方程(4)进行积分得自由面方程为：

     ηt+x∫η-hudz+y∫η-hvdz=0

    (5)

    式中，h(x,y)为静水深，H(x,y,t)=h(x,y)+η(x,y,t)为总水深。

     网格是离散的基础，这里采用不同变量定义于不同位置的交错网格系统，具体是利用基于”circumcircle property”(CP)准则的Delaunay三角剖分方法，具体的变量定义和网格布置见图1，动量方程和潮位方程均采用半隐式有限差分离散格式[4]。

    图1 变量定义及网格分布

    1.2 潮流场的数值模拟

    1.2.1 工程施工前潮流场模拟 图2为工程区域施工前潮流场模拟结果。计算的潮流特征与实测的潮流特征基本一致，涨潮急流发生在高潮前后，西南－西向，落潮急流发生在低潮前后，东－东北向；本海区一日内发生两次涨、落潮流过程，一般半潮面以上为涨潮流，半潮面以下为落潮流。高、低潮时刻涨、落潮流较强，半潮面附近涨、落潮流较弱，并发生转流。

    图2 工程区域施工前高、低潮时刻流场

    1.2.2 工程施工后潮流场模拟 工程施工后高潮时刻和低潮时刻的潮流场见图3，工程施工后的流场与原型流场相比，在工程区域附近其流场几乎没有改变。

    图3 工程区域工程后高、低潮时刻流场

     通过工程前后模拟潮流场的对比，本工程区涨潮急流发生在高潮前后，西南－西向，落潮急流发生在低潮前后，东－东北向。观测区域接近正规半日潮型和非正规半日潮流区，因受测区海底地形影响，每日两次潮汐过程，该湾一日内发生两次涨、落潮流过程，一般在高、低潮时刻附近涨、落潮流较强，至半潮面附近涨、落潮流较较弱，并发生转流。工程后流场与工程前的原型流场基本变化不大，仅在工程区域附近其流场结构有细微差别。

     2 水质环境影响分析

     对水环境的影响主要是工程施工作业引起部分海域悬浮物浓度增高；其次，施工船舶、施工场地等排放的污水也会对水环境产生一定的影响。

     2.1 施工工程悬浮物源强的确定

     根据对工程和施工工艺的分析，主要污染物是悬浮泥沙。本项目采用8 m3抓扬式挖泥船两组，每组配置3条500 m3非自航泥驳和2条拖轮。疏浚挖泥和基床抛石作业产生悬浮泥沙的发生量按《港口建设项目环境影响评价规范》[5]中提出的公式计算：

     W1=W0×R/R0×T

    (6)

     其中：W1—挖泥作业生产的悬浮物源强（t/h）；

    W0—悬浮物发生系数（t/m3），2.8×10-2t/m3；

    R —现场流速中SS 界限粒子的粒径加积百分比，100%；

    R0—指定发生系数W0 时土粒粒径加积百分比，89.6%；

    T —挖泥船效率（m3/h）。

     根据工程设计，8 m3抓斗式挖泥船的工作效率为220 m3/h。悬浮物发生源强20.625 t/h，6.875 t/h，20.625 t/h。

     2.2 施工期悬浮物影响分析

     工程引起的海底悬浮泥沙扩散模式，在通用二维输移—扩散方程的基础上，还应考虑悬浮物的沉降和再悬浮效应。在垂向混合充分的浅海，加入计算保守物质输运的子模块，建立污染物输运的对流扩散模型[6]。

     浓度对流扩散方程为：

     Ct+(uc)x+(vc)y+(w-ws)Cz=xkhCx+ykhCy+xkvCz+M

    (7)

    其中：C为浓度，M为源汇项，kh、kv分别为水平和垂直向的扩散系数，ws为污染物沉降速度。

    采用有限体积法[7]对输运方程进行离散并不能保证计算格式具有单调保持的性质，为获得单调保持的离散格式，需要采取与质量守恒方程的离散相容的离散格式。采用半隐的一阶迎风有限体积法离散方程，离散格式是质量守恒的并具有单调保持的性质，但是时间步长要受制于稳定性条件，为了避免施加额外的稳定性限制条件，这里采用子迭代方法在每个棱柱上对输运方程进行离散。计算中所需的潮流场由前述动力学模拟的计算结果给出。计算网格与潮流场网格相同。

     2.3 悬浮物影响浓度场预测结果

     排入海水中的悬浮泥沙，受海水平流携带和湍流混合的作用，其影响范围由污染源处向外围逐渐扩大。经过若干个潮周期后，浓度分布趋于稳定，即所谓的平衡浓度场。平衡浓度场形成时间的长短，取决于工程海域的水动力条件，主要是潮流的强弱以及与临近海域水交换能力的大小。在本计算海域的条件下，悬浮物的扩散经过16.5 d后其浓度分布已达到平衡状态。因为是半日潮区，即取第33个潮周期的浓度场输出作为预测浓度场。为了说明浓度场分布与潮流二者之间的相互关系，给出四个典型时刻的浓度场分布状况。

     图4(a)为低潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受落潮流的影响呈向东扩散趋势。此时刻超一类和渔业水质污染半径为630 m；没有超三类水质标准。

     图4(b)为低潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线从源点处向周围扩散。此时刻超一类和渔业水质污染半径为602 m；没有超三类水质标准。

    （a）

    （b）

    图4 低潮(a)及低潮后3 h(b)悬浮物浓度场分布

     图5(a)为高潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受涨潮流的影响呈向西扩散趋势。此时超一类和渔业水质污染半径为591 m。超三类水质标准0.002 km2，仅在源点附近区域。

     图5(b)为高潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，由于此时流速不大，扩散等值线从源点均匀向周围扩散。此时超一类和渔业水质污染半径为618 m。没有超三、四类水质标准。

    （c）

    （d）

    图5 高潮(c)及高潮后3 h(d)悬浮物浓度场分布

    3 水质环境影响分析

     本文利用非恒定保守型水质跟踪预报模型，将施工引起的污染物作为线源影响输入，模拟了三山岛附近海域工程施工前后的水动力及悬浮物浓度的平面实时分布状况。利用已有验证数据与模拟值进行对比，验证了该水动力该模型处理实际问题的准确性和实用性。通过悬浮物浓度场的预测结果，可以看出工程施工对周边海域的水质环境影响并不大。悬浮物影响浓度等值线都是以源点为中心向四周扩散，对水质影响最大包络线范围在1.25 km2以内，超三类水质标准的区域仅在源点附近，没有达到超过四类标准的水质。说明悬浮物对附近海区没有产生严重的不良影响。

    参考文献：

    [1] 朴香花.大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究[D].大连：大连理工大学博士学位论文,2005

    [2] 王昆,郭楠,王年斌,等.辽东湾水体交换能力模拟及保守水质模型应用[J].水产科学, 2013,32(8):475-48

    [3] 王昆.复杂水流的高分辨率数值模拟[D]. 大连：大连理工大学博士学位论文, 2009

    [4] 王昆,金生,马志强,等.三棱柱形网格下自由表面流的三维数值模拟[J].水科学进展, 2009,20(4): 490-494

    [5] JTS 105-1-2011.港口建设项目环境影响评价规范[S].北京：人民交通出版社，2011

    [6] 王昆,王年斌.辽东湾海域水体污染物输运的数值模拟研究[J].水动力学研究与进展，2010,25(4):493-498

    [7] 耿艳芬,王志力,陆永军.基于无结构网格单元中心有限体积法的二维对流扩散方程离散[J].计算物理，2009,(1):17-26

    Study of Suspended Matter Diffuse from Construction

    in the Sea near Sanshan Island

    ZHAO Hai

    --------------------------------------------------------------------------------

    bo1,2,3, WANG Kun1,2,3, SONG Lun1,2,3，

    LIU Gui

    --------------------------------------------------------------------------------

    ying1,2,3 ，SONG Yong

    --------------------------------------------------------------------------------

    gang1,2,3

    （1. Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute，Liaoning Dalian 116023；2. Liaoning Ocean Environment Monitoring

    Station， Dalian 116023；3. Liaoning Ocean Fishery Supervise Monitoring Station，Dalian 116023）

    Abstract：Through non-steady conservative model about water quality trace prediction, the pollution from construction as line source, the hydrodynamics about construction was simulated and the distribution of suspended matter was simulated in the sea near Sanshan Island. The calculated result of the tidal current field and concentration field was obtained in the sea. According to the data, the status of suspensions convection transport was analyzed. In addition, the veracity and practicability of model was validated by comparing known data.

    Key words：Sanshan Island; non-steady conservative model; suspended matter diffuse.

    （收稿日期：2013-11-13）

    采用有限体积法[7]对输运方程进行离散并不能保证计算格式具有单调保持的性质，为获得单调保持的离散格式，需要采取与质量守恒方程的离散相容的离散格式。采用半隐的一阶迎风有限体积法离散方程，离散格式是质量守恒的并具有单调保持的性质，但是时间步长要受制于稳定性条件，为了避免施加额外的稳定性限制条件，这里采用子迭代方法在每个棱柱上对输运方程进行离散。计算中所需的潮流场由前述动力学模拟的计算结果给出。计算网格与潮流场网格相同。

     2.3 悬浮物影响浓度场预测结果

     排入海水中的悬浮泥沙，受海水平流携带和湍流混合的作用，其影响范围由污染源处向外围逐渐扩大。经过若干个潮周期后，浓度分布趋于稳定，即所谓的平衡浓度场。平衡浓度场形成时间的长短，取决于工程海域的水动力条件，主要是潮流的强弱以及与临近海域水交换能力的大小。在本计算海域的条件下，悬浮物的扩散经过16.5 d后其浓度分布已达到平衡状态。因为是半日潮区，即取第33个潮周期的浓度场输出作为预测浓度场。为了说明浓度场分布与潮流二者之间的相互关系，给出四个典型时刻的浓度场分布状况。

     图4(a)为低潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受落潮流的影响呈向东扩散趋势。此时刻超一类和渔业水质污染半径为630 m；没有超三类水质标准。

     图4(b)为低潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线从源点处向周围扩散。此时刻超一类和渔业水质污染半径为602 m；没有超三类水质标准。

    （a）

    （b）

    图4 低潮(a)及低潮后3 h(b)悬浮物浓度场分布

     图5(a)为高潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受涨潮流的影响呈向西扩散趋势。此时超一类和渔业水质污染半径为591 m。超三类水质标准0.002 km2，仅在源点附近区域。

     图5(b)为高潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，由于此时流速不大，扩散等值线从源点均匀向周围扩散。此时超一类和渔业水质污染半径为618 m。没有超三、四类水质标准。

    （c）

    （d）

    图5 高潮(c)及高潮后3 h(d)悬浮物浓度场分布

    3 水质环境影响分析

     本文利用非恒定保守型水质跟踪预报模型，将施工引起的污染物作为线源影响输入，模拟了三山岛附近海域工程施工前后的水动力及悬浮物浓度的平面实时分布状况。利用已有验证数据与模拟值进行对比，验证了该水动力该模型处理实际问题的准确性和实用性。通过悬浮物浓度场的预测结果，可以看出工程施工对周边海域的水质环境影响并不大。悬浮物影响浓度等值线都是以源点为中心向四周扩散，对水质影响最大包络线范围在1.25 km2以内，超三类水质标准的区域仅在源点附近，没有达到超过四类标准的水质。说明悬浮物对附近海区没有产生严重的不良影响。

    参考文献：

    [1] 朴香花.大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究[D].大连：大连理工大学博士学位论文,2005

    [2] 王昆,郭楠,王年斌,等.辽东湾水体交换能力模拟及保守水质模型应用[J].水产科学, 2013,32(8):475-48

    [3] 王昆.复杂水流的高分辨率数值模拟[D]. 大连：大连理工大学博士学位论文, 2009

    [4] 王昆,金生,马志强,等.三棱柱形网格下自由表面流的三维数值模拟[J].水科学进展, 2009,20(4): 490-494

    [5] JTS 105-1-2011.港口建设项目环境影响评价规范[S].北京：人民交通出版社，2011

    [6] 王昆,王年斌.辽东湾海域水体污染物输运的数值模拟研究[J].水动力学研究与进展，2010,25(4):493-498

    [7] 耿艳芬,王志力,陆永军.基于无结构网格单元中心有限体积法的二维对流扩散方程离散[J].计算物理，2009,(1):17-26

    Study of Suspended Matter Diffuse from Construction

    in the Sea near Sanshan Island

    ZHAO Hai

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    bo1,2,3, WANG Kun1,2,3, SONG Lun1,2,3，

    LIU Gui

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    ying1,2,3 ，SONG Yong

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    gang1,2,3

    （1. Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute，Liaoning Dalian 116023；2. Liaoning Ocean Environment Monitoring

    Station， Dalian 116023；3. Liaoning Ocean Fishery Supervise Monitoring Station，Dalian 116023）

    Abstract：Through non-steady conservative model about water quality trace prediction, the pollution from construction as line source, the hydrodynamics about construction was simulated and the distribution of suspended matter was simulated in the sea near Sanshan Island. The calculated result of the tidal current field and concentration field was obtained in the sea. According to the data, the status of suspensions convection transport was analyzed. In addition, the veracity and practicability of model was validated by comparing known data.

    Key words：Sanshan Island; non-steady conservative model; suspended matter diffuse.

    （收稿日期：2013-11-13）

    采用有限体积法[7]对输运方程进行离散并不能保证计算格式具有单调保持的性质，为获得单调保持的离散格式，需要采取与质量守恒方程的离散相容的离散格式。采用半隐的一阶迎风有限体积法离散方程，离散格式是质量守恒的并具有单调保持的性质，但是时间步长要受制于稳定性条件，为了避免施加额外的稳定性限制条件，这里采用子迭代方法在每个棱柱上对输运方程进行离散。计算中所需的潮流场由前述动力学模拟的计算结果给出。计算网格与潮流场网格相同。

     2.3 悬浮物影响浓度场预测结果

     排入海水中的悬浮泥沙，受海水平流携带和湍流混合的作用，其影响范围由污染源处向外围逐渐扩大。经过若干个潮周期后，浓度分布趋于稳定，即所谓的平衡浓度场。平衡浓度场形成时间的长短，取决于工程海域的水动力条件，主要是潮流的强弱以及与临近海域水交换能力的大小。在本计算海域的条件下，悬浮物的扩散经过16.5 d后其浓度分布已达到平衡状态。因为是半日潮区，即取第33个潮周期的浓度场输出作为预测浓度场。为了说明浓度场分布与潮流二者之间的相互关系，给出四个典型时刻的浓度场分布状况。

     图4(a)为低潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受落潮流的影响呈向东扩散趋势。此时刻超一类和渔业水质污染半径为630 m；没有超三类水质标准。

     图4(b)为低潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线从源点处向周围扩散。此时刻超一类和渔业水质污染半径为602 m；没有超三类水质标准。

    （a）

    （b）

    图4 低潮(a)及低潮后3 h(b)悬浮物浓度场分布

     图5(a)为高潮时刻悬浮物扩散影响浓度分布图，从图中可以看出，扩散等值线受涨潮流的影响呈向西扩散趋势。此时超一类和渔业水质污染半径为591 m。超三类水质标准0.002 km2，仅在源点附近区域。

     图5(b)为高潮后3 h悬浮物扩散影响浓度分布图，由于此时流速不大，扩散等值线从源点均匀向周围扩散。此时超一类和渔业水质污染半径为618 m。没有超三、四类水质标准。

    （c）

    （d）

    图5 高潮(c)及高潮后3 h(d)悬浮物浓度场分布

    3 水质环境影响分析

     本文利用非恒定保守型水质跟踪预报模型，将施工引起的污染物作为线源影响输入，模拟了三山岛附近海域工程施工前后的水动力及悬浮物浓度的平面实时分布状况。利用已有验证数据与模拟值进行对比，验证了该水动力该模型处理实际问题的准确性和实用性。通过悬浮物浓度场的预测结果，可以看出工程施工对周边海域的水质环境影响并不大。悬浮物影响浓度等值线都是以源点为中心向四周扩散，对水质影响最大包络线范围在1.25 km2以内，超三类水质标准的区域仅在源点附近，没有达到超过四类标准的水质。说明悬浮物对附近海区没有产生严重的不良影响。

    参考文献：

    [1] 朴香花.大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究[D].大连：大连理工大学博士学位论文,2005

    [2] 王昆,郭楠,王年斌,等.辽东湾水体交换能力模拟及保守水质模型应用[J].水产科学, 2013,32(8):475-48

    [3] 王昆.复杂水流的高分辨率数值模拟[D]. 大连：大连理工大学博士学位论文, 2009

    [4] 王昆,金生,马志强,等.三棱柱形网格下自由表面流的三维数值模拟[J].水科学进展, 2009,20(4): 490-494

    [5] JTS 105-1-2011.港口建设项目环境影响评价规范[S].北京：人民交通出版社，2011

    [6] 王昆,王年斌.辽东湾海域水体污染物输运的数值模拟研究[J].水动力学研究与进展，2010,25(4):493-498

    [7] 耿艳芬,王志力,陆永军.基于无结构网格单元中心有限体积法的二维对流扩散方程离散[J].计算物理，2009,(1):17-26

    Study of Suspended Matter Diffuse from Construction

    in the Sea near Sanshan Island

    ZHAO Hai

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    bo1,2,3, WANG Kun1,2,3, SONG Lun1,2,3，

    LIU Gui

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    ying1,2,3 ，SONG Yong

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    gang1,2,3

    （1. Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute，Liaoning Dalian 116023；2. Liaoning Ocean Environment Monitoring

    Station， Dalian 116023；3. Liaoning Ocean Fishery Supervise Monitoring Station，Dalian 116023）

    Abstract：Through non-steady conservative model about water quality trace prediction, the pollution from construction as line source, the hydrodynamics about construction was simulated and the distribution of suspended matter was simulated in the sea near Sanshan Island. The calculated result of the tidal current field and concentration field was obtained in the sea. According to the data, the status of suspensions convection transport was analyzed. In addition, the veracity and practicability of model was validated by comparing known data.

    Key words：Sanshan Island; non-steady conservative model; suspended matter diffuse.

    （收稿日期：2013-11-13）