气动式清淤方案施工扰动模型研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023气动式清淤方案施工扰动模型研究张榴梅，陈新，向文俊，王兆强（四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）收稿日期：2022-07-21基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAB03B04）作者简介：张榴梅（1999）,女，四川成都人，硕士研究生，研究方向为水工结构工程通信作者：陈新（1963），男，四川富顺人，教授，博士，研究方向为结构与材料、安全监测与分析E-mail：摘要：气动式清淤方案作为一种环保的清淤方式，工程应用范围广。目前对其工程适应性和优越性的认识大多处于宏观层面，系统的研究较为缺乏。通过在古城水库开展气动式清淤试验，并基于MIKE3软件建立清淤作业施工扰动的污染物源强度与输移扩散数值模型，对清淤方案进行定量评价，为气动式清淤方案设计提供参考。模拟结果表明：污染物源强度与单次清淤厚度、刀片速度、底泥中污染物质量比重等参数具有定量关系；在气动式清淤作业结束之后的8 h内水体经自我恢复后能达到类水质标准，16 h内能基本恢复至类水质标准。由此可看出气动式清淤方案对水库水质影响较小，满足环保要求。关键词：气动式清淤；施工扰动模型；污染物源强度；MIKE3中图分类号：TV732.2文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.034气动式清淤方案作业效率高，污染小，工程应用较广，且环保清淤效果较好1。目前针对气动式清淤方案已开展了部分研究，崔鹏飞2在枕头坝开展了气动式清淤试验研究，分析了供气量、供水压力、水深对清淤流量的影响；吴修广等3采取平面二维潮流与悬浮污染物输移模型模拟了苍南航道及电厂港池疏浚工程施工时的悬沙扩散。气动式深水清淤系统虽然污染较小，但仍不可避免地在清淤设备与底泥接触面附近对底泥产生扰动，进而导致底泥中的污染物进入水体，目前对其的研究大多处于宏观层面。因此，本文结合气动式清淤系统作业现场试验数据，建立古城水库清淤作业施工扰动污染物源强度与输移扩散的数值模型，对方案“作业环保”指标进行定量评价。1工程概况古城水库具有旅游、灌溉、输水等综合效益，坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高70 m，排砂泄水孔坝前泥沙淤积高程已达575.00 m，低于正常蓄水位46.7 m，高于排砂泄水孔顶1 m，至库底淤积厚度10 m，主要淤积物为泥沙，推测含有一定量的块石、树枝等杂物。排砂泄水孔功能丧失，无法启闭。水库大坝安全综合评价为三类坝，计划对其进行除险加固。根据项目要求，在不放空水库的情况下对坝前淤积进行清理，同时为后续修补加固施工提供基础条件。考虑到古城水库作为附近城镇居民生活用水的主要水源，需要保证清淤方案满足作业污染较小、不影响水库水质。综合考虑上述两个限制性条件，拟定采用气动式清淤方案。2气动式清淤作业近场污染物源强度模型2.1污染物指标通常水库底泥中的污染物质主要以亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物、有机物等还原性物质为主。因此，可以利用底泥中污染物质以还原性为主的这一特性，将化学需氧量（COD）作为污染物指标，对水库水质进行评价4。化学需氧量COD数值越大，表明水体受污染的程度越严重。2.2源强度及相关作业参数源强度是指因深水气动式清淤作业造成原来沉积在水库底泥中的污染物再悬浮并扩散进入远场的速率，即单位时间内向远场输移的污染物质量。源强度Sr（mg/s）预测的有关参数拟定为近场污染物背景浓度Cs（mg/L）、单次清淤厚度tc（m）、刀盘的摆动速度Vs（m/min）、刀片切向速度Vc（r/min）、通过吸力泵管道的流速Vi（m/s）、输出泥浆浓度Cr（g/L）、清淤作业深度H（m）、底泥中污染物的质量比重K5-6。2.3近场污染源强度模型构建2.3.1清淤试验古城水库坝前清淤开始前需要进行清淤试验，以获得各作业参数及对应的污染物源强度数据。试验设置5组绞刀转速（500、550、600、650、700 r/min）、5组刀盘摆动速度（1、1.5、2、3、3.5 m/min）、5组清淤厚度（0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m）、5组吸力泵管道流速（2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 m/s）、5组清淤作业深度（40.3、41.7、42.2、44.8、47.6、49.5 m）组合进行现场试验，并对5个子区域的近场污染物背景浓度、底泥中COD的质量比重K进行测量，得到33组清淤作业的现场试验数据。对试验监测数据进行初步筛选，剔除偏差较大的8组数据，选用剩下的25组数据进行计算。2.3.2遗传算法优化BP神经网络预测源强度按照BP神经网络结构层7的布置要求，以清淤作业引起的污染物COD源强度Sr作为目标向量；以单次清淤厚度tc、刀盘的摆动速度Vs、刀片切向速度Vc、通过吸力泵管道的流速Vi、近场污染物背景浓度Cs、底泥中COD浓度的质量比重K作为输入向量。选取剩余数据的前20组作为遗传神经网络的训练样本，后5组用于验证遗传神经网络预测的有效性。通过Matlab程序计算得出公式（1），由此看出古城水库气动式清淤系统作业参数与污染物源强度具有定量关系，实测值与BP神经网络预测值的对比结果见表1。Sr=CstcKVs1.085Vc1.0735.46Vi2.158（1）通过对比发现，经过遗传算法优化处理过的BP神经网络，所得平均相对误差结果为7.23%，与实测结果吻合度较高。3古城水库清淤作业施工扰动污染物扩散数值模拟3.1污染物对流扩散原理污染物因清淤作业对底泥的扰动而进入到水库水体以后，随着水体流动而扩散输移，同时在扩散的过程中受水力、气候、水文、人为、生物、物理、化学等影响因素的相互作用，产生生物、化学以及稀释、扩散等一系列变化，因而污染物的扩散范围也随时间而发生变化。水质模型的应用在于通过定量分析上述影响因素之间的关系，确定污染物在时间和空间上的分布，使其能够为水环境预测与评价提供参考依据。表1GA-BP源强度预测输出值和实际值对比实测值/（mg s-1）129.51139.5352.0974.99114.08预测输出值/（mg s-1）119.71147.6056.7067.80119.10预测误差/（mg s-1）9.80-8.07-4.617.19-5.02相对误差/%7.575.788.849.594.40平均相对误差/%7.23 66人 民 黄 河2023年S13.2古城水库清淤作业施工扰动模型参数3.2.1边界条件为研究古城水库清淤作业施工扰动污染物输移扩散的影响，考虑到清淤作业区域位于坝前30 m范围内，因此选取大坝上游1 km处作为模型上游进口边界，下游拱坝处作为出口边界（见图1），利用数值模拟软件MIKE3建立污染物扩散数值模型。3.2.2水质模型评价指标及参数设定水库底泥中的污染物质通常以各种还原性物质为主，因此将化学需氧量（COD）作为污染物指标，对水库水质进行评价。水质模型基本参数：水平扩散系数、背景垂向扩散系数、降解系数、污染物源强度、污染物排放持续时间分别为0.13 m2/s、110-6m2/s、0.0127 d-1、146.4 mg/s、8 h。3.3水质模型验证古城水库实测水文资料较少，采用2019年9月1日至30日拱坝上游取水口处COD浓度监测资料进行模型验证计算，图2为水质模型2019年9月15日至30日坝前平均水深处COD计算浓度与实测值的对比，率定结果误差在10%以内，满足计算精度要求。3.4数值模拟结果与分析为了全面掌握单日清淤作业结束后COD在古城水库水体中的扩散情况以及水体水质的自我恢复能力，通过模型对古城水库单日清淤作业后的水质变化情况进行模拟。COD平均浓度值变化值见表2。图3为古城水库清淤作业期间水动力模型表层（水面高程625 m）与底部（取水口高程575 m）流场分布情况。图4至图6为清淤作业后水库COD浓度分布。底部污染物在扩散范围内以污染点源为中心沿着环流方向逐步扩散，污染物以污染点源为中心沿着环流方向逐步稀释；表层污染物浓度在拱坝坝肩处最高。古城清淤作业结束后水体经过8 h的自我恢复已达到类水质标准，坝前取水口可以开始向下游供水。经过16 h的自我恢复，除了环流中心小部分区域浓度值略大于15 mg/L外，其他区域均达到类水质标准，接近背景浓度值。4结语气动式清淤作业时污染物源强度与作业参数具有定量关系，可依此对环保指标进行定量评价，并为清淤方案设计提供参考。清淤作业结束后，水体水质经过短时间的自我净化可恢复至原背景浓度值。清淤方案对水体污染程度低，满足环保指标要求。图1原始河道三维地形图2水质模型COD计算浓度与实测值对比表2古城水库污染物COD平均浓度值变化时间清淤作业开始前清淤作业结束前清淤作业结束后8 h清淤作业结束后16 h位置底层表层底层表层底层表层底层表层污染物COD平均浓度/（mg L-1）14.2610.2818.9610.6415.8710.3714.6710.28图3水库清淤作业期间水动力模型流场分布情况（a）底层（b）表层图4古城水库清淤作业结束后COD浓度分布（a）底层（b）表层图5古城水库清淤作业结束8 h后COD浓度分布（b）表层（a）底层图6古城水库清淤作业结束16 h后COD浓度分布（a）底层（b）表层（下转第69页）67人 民 黄 河2023年S1区和库东区分别为1.88、2.89 RFU，随即随深度增大呈减小趋势，库东区在9.6 m处增大，为1.33 RFU，底部坝前区和库东区最低，分别为0.18、0.57 RFU。氧化还原电位随水深变化见图1。坝前区和库东区在中上层随水深增大而逐渐升高，分别由144、130 mV上升至179、172 mV，在底部（水深 1112 m 以下），氧化还原电位迅速降低，分别降至52、146 mV，坝前区底部降幅较大。电导率随水深垂向变化见图2，坝前区底层电导率（224 S/cm）高于表层（219 S/cm），尤其从深度8 m至底层12.5 m，电导率显著增大。库东区在深度9.8 m出现低值，为187 S/cm，随后迅速增至208 S/cm。4结果与讨论水库存在大量鱼类、植物、藻类、细菌等，水生动物排泄物及动植物残体沉积加剧了有机质的积累；水库水动力不足，水循环较慢，水体复氧能力弱，夏季底泥中有机污染物分解，消耗氧气，造成底层溶解氧含量下降，水质恶化，形成内源污染。（1）电导率变化分析。水体中电导率与温度及离子浓度均正相关。根据北水南调工程特点，整体延程纬度逐渐降低，水温呈升高趋势，调水渠道电导率随温度呈增大趋势，同时受沿途风沙及雨雪沉降等面源污染影响。尾部水库（采样点）电导率大幅度升高。库区水体更新周期长，年平均降水量为251.6mm，蒸发量最高1 760.5 mm，水库蒸发量大导致无机盐富集，水体硬度增大，这是电导率增大的主要原因，这也是平原水库的特性之一。水库沉积物受鱼类及上游水流扰动，无机盐离子释放到上覆水体，也可导致水体中阴阳离子含量升高1。尾部水库受厌氧环境影响，底层氧化还原电位急剧下降，呈还原态，形成活性反应带，铁锰等被还原为溶解度较大的低价态离子，导致底层水体铁锰等离子含量升高，水体电导率增大。说明随着水深增加，溶解氧与电导率负相关。（2）光合作用影响分析。随着水体流动时间的延长，光照时间延长，光合作用逐渐增强，吸收二氧化碳释放氧气；加之水温升高，二氧化碳在水中的溶解度降低，导致水体酸性下降，因此调水渠道pH值受光合作用及水温影响逐渐升高。调水渠道前段（采样点）溶解氧含量随叶绿素a含量增大而逐渐升高。溶解氧含量同时受水体流速影响，流速快，大气复氧能力强，溶解氧含量增大。调水渠道后段（采样点）水温在20 以上，水生生物较活跃，新陈代谢强，呼吸作用加快，消耗水体中溶解氧速率加快，呼吸作用大于光合作用，溶解氧含量下降。另外随着水温的升高，植食性浮游动物和鱼类生长速率加快，对浮游藻类的牧食速率提高，尤其尾部水库，每年投放大量鱼苗，最终可能导致藻类数量减少，因此尾部水库叶绿素a含量下降显著，溶解氧含量降低。尾部水库水体表层叶绿素a含量较高，光合作用导致表层溶解氧和pH值较高。底层浮游植物含量下降，叶绿素a含量下降，且受水体透明度影响，光合作用较弱，溶解氧和pH值降低，pH值和溶解氧是叶绿素a的被动因子2。尾部水库热分层效应导致底层厌氧细菌活跃，有机物分解消耗氧气产生二氧化碳，酸性不断增强，因此溶解氧和pH值含量随着水深增加逐渐降低。（3）硝化作用影响分析。尾部水库较上游渠道氨氮含量下降、硝氮含量增加，在温度及溶解氧含量适宜的条件下，硝化作用占主导地位，部分氨氮转化为硝酸盐氮。夏季尾部水库底层水体氨氮含量显著高于表层，说明水库热分层效应导致底层缺氧，不仅硝化作用受到抑制，造成氨氮累积，而且沉积物中易降解的有机氮被降解、氨化，生成氨氮进入上覆水体，导致底层氨氮含量升高。受此影响，尾部水库氨氮含量较分水闸升高。5结论与建议调水渠道及尾部水库的水质变化特征表明，水体叶绿素a含量与水温、pH值、溶解氧正相关，水温上升促进浮游植物生长，叶绿素a含量增加，光合作用增强促使pH值和溶解氧逐渐升高。水温和流速对保持良好的水生态环境及水体自净作用有较大影响。调水渠道周边配有固沙措施及封闭区域，水质状况良好，满足地表水类水标准。尾部水库水循环较慢，夏季水温分层，底层缺氧，水环境内源污染引起铁锰和氨氮等部分水质指标变差，秋季水体热分层消退，因此对夏季水库热分层期间的水质恶化应高度重视。该调水工程已运行10多a，水库内源污染逐渐积累，应加强调水渠道配套环境保护措施维护，改善尾部水库水动力条件及水生态环境，加强水体循环，使其可持续良性运行。参考文献：1 文新宇，张虎才，常凤琴，等.泸沽湖水体垂直断面季节性分层 J.地球科学进展，2016，31（8）：858-869.2 阮晓红，石晓丹，赵振华，等.苏州平原河网区浅水湖泊叶绿素a与环境因子的相关关系 J.湖泊科学，2008，20（5）：556-562.【责任编辑吕艳梅】图1坝前区和库东区氧化还原电位垂向变化图2坝前区和库东区电导率垂向变化参考文献：1 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