懸浮物擴散模型在營口港擴建工程中的應用

英口港位于遼東灣中部的環湖海域。這是中國的主要海岸港。近年來,隨著貨運吞吐量的高速增長,港區擬進行擴建改造。擴建工程是在現有港區范圍內繼續向南建設10個集裝箱泊位,岸線總長度2500m,設計年通過能力300萬標準箱(TEU)。該工程海域施工期港池挖泥量共計2150萬m3,全部吹填至碼頭后方造陸。為配合吹填造陸工程,港區將配套建設防波堤5000m,圍堰4200m。在營口港口建設過程中,港池挖泥及吹填溢流作業環節產生的懸浮物將不可避免地對海域環境造成污染;大量懸浮物會導致海水混濁,進而破壞海洋生物的生長棲息環境。為了解懸浮物影響情況,本研究在海域現狀調查及潮流模擬計算的基礎上,利用懸浮物擴散模型對海域施工過程中產生的懸浮物對海域水質及海洋生物的影響進行了分析評估。1區域水質監測和生物結果1.1采樣監測結果于2004年11月10～12日在營口港區及附近海域(調查水域總面積約10km2)共選取10個監測點位,監測項目為pH、DO、CODMn、Cu、Cd、Pb、Zn、懸浮物、石油類等,監測頻率為主平潮、低平潮2個時段各采樣1次。監測結果如表1所示。由表1中數據可知,海域評價區內的各項因子均滿足《海水水質標準》(GB3097-97)中四類標準。1.2浮游動物的種類組成在鲅魚圈海域共布設3個調查采樣站位,調查水域總面積約20km2。調查結果如表2。從表2調查結果表明,調查區域內的浮游植物主要為硅藻類,其中優勢種為骨條藻,優勢種約占總數的39.5%～55.6%,每個站位平均出現種類數為21～29種;各站位浮游植物數量基本屬于同一數量級,總的分布趨勢是河口較高、近岸較高,但差別不明顯。浮游動物的主要優勢種為毛鶚動物和浮游幼蟲,兩者占本區浮游動物總量的80%,大型橈足類數量低于水母類,魚卵、仔稚魚數量較少。浮游動物數量的平面分布趨勢與生物量分布基本一致。依據《海水增養殖區監測技術規程》中生物多樣性指數評價標準(生物多樣性指數在3～4為清潔海域,2～3為輕度污染),該海域海洋環境現狀基本介于輕污染—清潔水體之間,總體水質量較好。2影響海洋水質的預測2.1預測的水位條件2.1.1y方向的流速分量c潮流場模擬計算采用二維數學模型。流體動力學方程:?h?t+?Hu?x+?Hυ?y=0(1)?h?t+?Ηu?x+?Ηυ?y=0(1)?u?t+u?u?x+υ?u?y+g?h?x?fυ+guu2+v2√C2H=0(2)?u?t+u?u?x+υ?u?y+g?h?x-fυ+guu2+v2C2Η=0(2)?υ?t+u?υ?x+υ?υ?y+g?h?x?fu+gυu2+υ2√C2H=0(3)?υ?t+u?υ?x+υ?υ?y+g?h?x-fu+gυu2+υ2C2Η=0(3)式(1～3)中h為水位(單位為m);H為水深(單位為m);υ,ν分別是x,y方向的流速分量(單位為m·s-1);t為時間(單位為s);f,C分別為科氏力系數和謝才系數;g為重力加速度。2.1.2港口與東南角頂部增加流區潮流場模擬計算結果表明,海區潮流基本為往復流,漲潮流向東北,落潮流向西南,港口與月牙灣頂部出現明顯弱流區。大、小潮潮流場漲急、落急的模擬計算結果如圖1。2.2懸浮物預測模型與污染物來源的深入研究2.2.1hp22采用懸浮物擴散方程進行計算:?HP?t+?HuP?x+?HυP?y+M=Kx?2(HP)?x2+Ky?2(HP)?y2(4)?ΗΡ?t+?ΗuΡ?x+?ΗυΡ?y+Μ=Κx?2(ΗΡ)?x2+Κy?2(ΗΡ)?y2(4)式(4)中:P為懸浮物濃度(單位為mg·L-1);Kx,Ky分別是x,y方向的擴散系數;M為源項(單位為g·m-2·s-1);M=αωP;α為沉降系數;ω為沉速(單位為m·s-1)。2.2.2懸浮物排放濃度監測港池挖泥作業采用功能為1500m3/h的大型絞吸式挖泥船。類比國內天津港、大連港等同類港口施工期監測數據,疏浚作業點懸浮物濃度為500～700mg·L-1,吹填區溢流口排放懸浮物濃度控制在1000mg·L-1以下。據此,可計算出海域施工期懸浮物污染源強,如表3。2.3溢流口懸浮物最大影響距離在前述潮流場計算結果的基礎上,進行港池挖泥及溢流口懸浮物擴散計算。計算結果如圖2。圖2中,小潮期計算結果與大潮期較相似,在此重點對大潮期進行計算。由圖2可見,挖泥作業漲潮期濃度為10,100,150mg·L-1的懸浮物最大影響距離依次約為1150,900,750m;落潮期濃度為10,100,150mg·L-1的懸浮物最大影響距離依次約為1250,950,800m;挖泥產生的懸浮物擴散影響范圍僅限于港區防波堤內,對港區外水質影響較小。吹填區溢流口懸浮物擴散影響范圍僅限于本工程與原有岸線之間的扇形區域,在漲落潮時濃度為10mg·L-1的懸浮物最大影響距離約350m,僅在漲潮時有極少量的懸浮物回淤到開挖的港池邊緣;由于在防波堤的環抱下,工程溢流懸浮物對水環境的影響僅限于港區范圍內的很小水域,對港池外水質基本沒有影響。3懸浮物對海洋環境的分析3.1浮游生物影響港池挖泥及吹填過程中所產生的懸浮物會造成局部水域懸浮物濃度增高,透明度下降。最直接的影響是削弱了水體的真光層厚度,從而降低了海洋初級生產力,使浮游植物生物量下降,進而導致更高營養級上的生物量也相應減少。其次是對浮游生物的影響。據有關資料,過量的懸浮物質會堵塞橈足類動物食物過濾和消化器官,尤其是其含量水平達到300mg·L-1以上時,這種危害特別明顯。另外,施工作業對底棲生物和游泳生物也會造成影響。工程施工造成水體中懸浮物質含量過高,使魚類腮腺積聚泥沙微粒,嚴重損害腮部的濾水和呼吸功能,甚至可能導致魚類窒息死亡。據有關實驗數據結果(王延松,遼寧省渤海海岸帶生態退化成因與生態修復途徑研究,國家高技術研究發展計劃(863計劃)),懸浮物含量水平保持在80000mg·L-1時,魚類最多存活1d;含量在2300mg·L-1時,最多存活3～4周;而懸浮物含量水平在200mg·L-1以下及影響其較短時間內,不會導致魚類直接死亡。3.2浮物影響范圍的局限性根據施工期水質預測結果,工程建設會導致作業區附近局部水域水質嚴重超標,繼而導致該區域內海洋生物量下降,但其影響范圍僅局限在港區防波堤范圍內,對港區外水質及海洋生物影響極小,因而不會對鲅魚圈海域總體的海洋環境質量產生明顯的影響。況且施工期所產生的懸浮物對海洋生物的影響在時間尺度上也是暫時的;施工期結束后,水體中懸浮物會很快恢復到施工前的水平,海洋生態系統也會很快恢復。4吹填區懸浮物影響分析4.1營口港擴建工程懸浮物污染主要發生在挖泥和吹填溢流作業環節,其中挖泥作業產生的懸浮物影響較大。4.2懸浮物擴散計算結果表明,挖泥作業150mg·L-1和10mg·L-1的懸浮物最大影響距離分別為800m和1250m;吹填區溢流口10mg·L-1的懸浮物最大影響距離為350m。盡管工程建設會導致作業區域附近局部水域水質嚴重超標,繼而導致該區域內海洋生物量下降,但其影響范圍僅局限在港區防波堤范圍內,對港區外水質及海洋生物影響極小,因而不會對鲅魚圈海域總體的海洋環境質量產生明顯的影響。4.3根據有關海域潮流場的數值模擬預測,工程建成后附近海域水動力條件改變