曹妃甸港區水下泥沙沖淤監測系統

王健，劉家順，宋利杰

（1.河北理工大學交通與測繪學院，河北 唐山 063009；2.河北理工大學經濟管理學院，河北 唐山 063009）

1 曹妃甸港區水下泥沙沖淤特征分析

1.1 曹妃甸港區水域的水沙運動特征

曹妃甸地處渤海灣灣口北側，是呈NE-SE向的帶狀沙島，總面積約16 km2，距離大陸岸線約18 km。曹妃甸前沿深槽屬典型的海灣型潮汐通道，最大水深達42 m，是渤海沿岸唯一不需開挖航道和港池即可建設30萬噸級大型泊位的天然港址。但由于口門較開敝，除了塑造與維持通道深槽水道的主要潮流動力外，波浪對灣內和通道本身的影響不可忽略，水沙動力過程復雜，泥沙輸運具有波流共同作用下運動的特點。曹妃甸港區的開發建設必將對當地水動力環境及水沙運動特性產生一定的影響，造成港池航道內的回淤和風暴潮作用下的驟淤等問題，對港口的安全形成極大的威脅，因此必須根據港區水域泥沙沖淤特征設置合理的泥沙沖淤監測機制。

1.1.1 潮汐與潮流特征

曹妃甸海域主要受南渤海潮波系統控制，潮汐屬于不規則半日潮，平均潮差由東向西逐漸增大。據統計，甸頭平均高潮位為0.81 m，平均低潮位為-0.73 m，平均潮差為1.54 m。

曹妃甸海域為海灣型潮汐通道，甸頭以南深槽基本為東西向的往復流，雖潮差較小，但獨特的甸頭岬角效應使甸頭附近、岬角深槽和邊灘潮溝水流最強，岸灘附近流速稍弱。近岸淺海區受地形變化影響，主流流向有順岸或沿等深線方向流動的趨勢。甸頭北側淺灘區以漫灘水流為主，此水流的匯集與分散是維持各潮溝的主要動力[1]。

1.1.2 波浪及風暴潮特征

曹妃甸海域常浪向為S，出現頻率為8.6%；次常浪向為SE，出現頻率為5.8%；強浪向為ENE，該方向波能占16.5%；次強浪向為NW和NE，兩方向波能分別占9.9%和9.1%。波浪分析表明，HP10>1.8 m的中浪和大浪，波能占34.0%，說明波浪對岸灘演變起到重要作用。該海區波浪對泥沙的作用主要反映在橫向輸沙的沙壩塑造作用和對潮灘灘面的掀沙侵蝕作用，沿岸輸沙量相對較弱。

渤海灣沿岸是我國風暴潮最嚴重地區之一，據塘沽海洋站1950—1981年資料統計，32 a中發生增水1 m以上的風暴潮253次，平均每年7.9次；2 m以上7次，平均4.6年1次；最大增水值為2.52 m。風暴潮主要發生在秋冬季，占全年的76.2%，由E和ES向持續大風引起。曹妃甸海域發生風暴潮的氣象背景與塘沽基本一致，但由于位于渤海灣口北部突出部位，缺乏水體集聚的地理條件，相關資料分析認為其增減水幅度約為塘沽的60%～70%[2]。

1.1.3 泥沙輸移特征

在小浪或無浪氣象條件下，曹妃甸海域含沙量并不大。近年水文測驗表明，整體上近岸水域的水體含沙量普遍大于外海深水域。外海深水區約為0.05～0.10 kg/m3，近岸約為0.07～0.15 kg/m3。近岸水域又以甸頭為界，西部水域平均含沙量明顯大于東部。無論漲潮、落潮，整個海域普遍表現為大潮含沙量大于小潮含沙量。風浪的掀沙作用是影響本海區含沙量變化的重要因素，潮流影響較弱。近年來由于人為活動的影響，例如灤河上游修建水庫、河道取水、沿海岸線興建人工島堤等使該海域的沙源供給逐步減少，平均含沙量呈總體減少趨勢[1]。

曹妃甸海區沉積物的分布由陸向海呈細—粗—細的規律變化，中值粒徑也沿水深的分布呈現岸灘粗、深槽細的特點。以甸頭分界，沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢，甸頭以西海域沉積物分選程度一般，東部海域由岸到海分選程度呈分選一般—分選好—分選一般分布，甸東離岸沙壩海域分選程度最好，說明其受波浪動力作用較強。

1.1.4 波浪潮流作用下的泥沙運動規律

海岸的演變特征和綜合治理受制于泥沙問題，波浪與潮流是引起泥沙輸移的主要動力因素，“波浪掀沙，潮流輸沙”是其主要運動形式。曹妃甸海域漲潮時水體基本呈自東向西運動，隨著潮位的升高漲潮水體首先充填曹妃甸淺灘東側的眾多潮溝，隨后淺灘北側部分淹沒，與此同時潮流繞過甸頭進入西側潮溝；落潮時水體基本呈自西向東運動，隨著潮位的降低，淺灘高處出露，灘面上的水體逐漸歸槽，潮溝內的水體也逐漸匯入深槽水域，其中甸頭西側灘面的落潮歸槽水流與外海深槽的落潮水流匯合，并繞過甸頭與東側潮溝的落潮水流匯合。甸頭具有較明顯的岬角效應，漲落潮水流呈現明顯的往復流性質，且流向集中，流速較大。曹妃甸海域潮流輸沙的一般規律是：水體含沙量與流速、潮差成正相關，漲急、落急含沙量大于漲憩和落憩含沙量，大潮含沙量大于小潮含沙量[1]。

1.2 曹妃甸港區開發前后水動力條件及回淤變化

1.2.1 港區開發前的海床穩定性和沖淤演變

為了解曹妃甸海域長期以來的水深地形變化，交通部天津水運工程科學研究所采用了1934—1983海圖進行了斷面水深對比，并對曹妃甸海域等深線沖淤的平面變化進行了分析。分析認為曹妃甸海域長期以來海床基本穩定，水深地形多年來呈現基本平衡、略有沖刷的狀況，沙壩位置長期以來基本穩定，局部邊坡略有淤積[1]。南京水利科學研究院對2004年4月和2006年4月的水深地形資料進行的研究表明，甸頭前沿500 m范圍內沖深0.5～0.8 m，500～1 000 m范圍沖深0.2～0.4 m；甸西近岸800 m范圍淤積了0.1～0.6 m；甸東近岸一側也有一局部淤積區，淤厚最大達0.7 m，可能與施工有關。

1.2.2 港區開發引起水動力條件變化

曹妃甸港區的開發形成以曹妃甸—蛤坨為軸心的大型人工島式布置格局，并以老龍溝、納潮河為分界，形成前島后陸的總體布局，見圖1。

圖1 渤海灣曹妃甸港區規劃示意圖

經模擬計算，港區開發后甸頭深槽區域流速有所增加，漲潮平均流速增加0.9%，落潮平均流速增加5.7%，甸頭前1.5 km處漲潮平均流速增加2.4%，落潮平均流速增加1.1%。流速略有增加有利于維護甸頭深槽水深。南堡深槽區域實施開發后流速略有加大，漲潮平均流速增加2.2%，落潮平均流速增加4.1%，水流更加歸順，往復流特征更加明顯，有利于維護深槽水深。甸頭東側淺灘，港區東翼圍填后阻斷了漲落潮時的漫灘水流，使圍填區以南淺灘區域漲潮平均流速減少了22.0%，落潮平均流速減少了18.0%，流速的減小會使淺灘上略有淤積。由于淺灘區納潮量的減少，老龍溝潮汐通道流速有所減小，漲潮平均流速減少11.9%，落潮平均流速減少18.4%，有利于通航安全但不利于水深維護[2]。

圍填前灘面水深不足1 m，平均流速小于0.1 m/s，港區圍填面積約為310 km2，圍填所占的過水斷面面積僅為0.3%～1.7%，減小的潮棱體與工程前相比很小，故港區開發對周邊水動力環境影響的范圍及程度較小[2]。

1.2.3 港區開發實施后港池與航道的回淤分析

與港區圍填前相比，由于港區大面積圍填阻擋了波浪向淺灘的傳播，使得其含沙量大幅減小，外海含沙量則變化不大。南京水利科學研究院采用多年平均波浪和大、中潮組合進行了正常情況下的泥沙沖淤強度計算。計算表明，港區實施圍填1年后，甸頭前沿深槽年沖深0.15～0.48 m，西側前沿沖深0.09～0.27 m，東側前沿沖深0.00～0.20 m，甸頭前1.5～3.0 km處沖深0.10～0.21 m，老龍溝航槽年回淤0.06～0.83 m，其中靠近三港池處回淤強度較大；一港池年回淤0.35～1.31 m，淤積部位主要位于靠近口門的回流區域；二港池年回淤0.02～0.99 m，口門附近淤積較大；納潮河基本沒有沖淤變化；三港池年回淤0.03～0.64 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側區域[2]。

南京水利科學研究院采用常浪向為SE向偏東6°，10年一遇波浪和大、中潮組合進行了大風浪天氣引起的泥沙驟淤強度計算，波浪作用時間為48 h。計算表明，一港池淤積了0.01～0.21 m，淤積部位主要位于靠近口門區域；二港池淤積了0.00～0.20 m，口門附近淤積較大；三港池淤積了0.00～0.07 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側區域；老龍溝航槽淤積較多，達0.06～0.55 m，靠近口外一側航道驟淤強度相對較大[2]。

1.3 構建曹妃甸港區水下泥沙沖淤監測系統的意義

曹妃甸港區自然狀態下灘槽基本穩定，處于微沖微淤、外圍沙島緩慢侵蝕的動態平衡狀態。港口的開發建設會引起水動力條件的變化，從而造成泥沙沖淤變化。施工建設期間由于吹填造陸的影響，使工程水域的邊界條件、水動力以及泥沙環境均有了一定的改變，海床地形已發生了不同程度的沖淤變化，深水環境已經受到威脅。

曹妃甸港口建設是我國一項重大的百年基業工程，受到黨和國家及省政府的高度重視和支持，其長期的穩定與安全是一個重大課題。該水域優良的水深條件是建設大港和深水碼頭的前提，甸前深度達30 m的深槽是整個港區的命脈，其穩定性直接關系著整個港區的未來發展。盡管在建港前期對水深的穩定性已經進行了充分的論證，但為確保港口的持續發展和安全運營，全面準確地認識和掌握水下地形沖淤變化，必須構建曹妃甸港區水下地形沖淤監測系統。通過長期、全面、準確的監測，對監測數據進行科學分析研究，準確掌握沖淤規律，提前采取有效措施，防患于未然，確保港口的長期、高效、安全的使用。另外長期積累的觀測資料還將成為掌握變化規律和開展科學研究不可缺少的寶貴資料。

2 曹妃甸港區水下泥沙沖淤監測

2.1 監測的范圍與要求

曹妃甸港區水下泥沙沖淤監測的目的是準確掌握泥沙沖淤狀態和規律，確保安全長期航運，因此監測的重點應為港池、航道、錨地等區域，而泥沙沖淤狀況受整體環境的影響，不是孤立因素，所以監測范圍應包括港區整個水域，具體范圍：東至老龍溝東側；南至主航道、大型危險品船舶專用錨地、綜合性港區專用錨地南側；西至南堡；內側至港區岸線。

曹妃甸港區監測水域范圍很大，不同的局部區域沖淤程度不同，對航運來說不同局部的重要程度也不同，采用統一的標準對整個監測范圍進行精密監測是非常不合理的。所以從經濟與效益相結合的角度出發，對整個港區海域監測的測量比例尺和監測周期采用一般地區與重點地區相結合、大比例尺與小比例尺測量相結合、長周期與短周期相結合的方法，重點區域、嚴重沖淤區域采用短周期、大比例尺、測量方法采用GPS RTK結合測深儀或多波束測深系統測量，一般地區采用長周期、小比例尺、測量方法采用差分GPS結合測深儀測量或斷面測量。具體為：

1）曹妃甸港區一、二、三3個港池是港口內供船舶停泊、作業、駛離和轉頭操作的水域，承擔著包括碼頭前沿水域、船舶轉頭水域、港內錨地等作用。前面分析得出港池水域將有較嚴重回淤，口門附近淤積較大，三港池主要淤積部位為靠近老龍溝的一側區域，所以港池內進行1∶2 000的水深地形測量，施測周期為每季1次；淤積嚴重的部位、防波堤處進行1∶1 000水下地形測量，施測周期為每兩月或每季1次。

2）老龍溝是港區東側淺灘附近的一條深溝，為設計航槽。前面的分析認為老龍溝航槽回淤較嚴重，尤其是靠近三港池處，所以該區域應進行1∶1 000比例尺的水下地形測量，施測周期為每兩月或每季1次。

3）碼頭前沿、甸頭前深槽是容易產生沖刷或淤積的位置。無論沖刷還是淤積都會給安全生產帶來影響，該區域應進行1∶2 000比例尺的水下地形測量，施測周期為每季1次。

4）對于遠離岸線的其他水域，雖然泥沙沖淤對船舶的安全航行、停泊有一定影響，但因遠離海岸，港口建設對該區域水動力條件的影響很小，其水深變化小。所以該區域的水下地形測量的比例尺可以選擇1∶5 000～1∶10 000之間，測量周期應該較大（可以每1～2 a施測1次）。

上述是以曹妃甸港區開發后回淤變化分析為基礎的初步監測方案，待通過較長時間的監測掌握較為準確的沖淤規律后，應對水下地形測量比例尺和測量周期進行適當調整使方案更符合實際情況。在整個監測期間，當發生臺風、海嘯、風暴潮等特殊情況后應加測1次，以防止沖淤形式在短時間內有較大變化。

2.2 監測方法

曹妃甸港區水下泥沙沖淤監測就是運用精密水下地形測量技術，通過對同一區域周期性的測量，對比前后兩期測量結果，獲得沖淤數據。目前水下地形測量技術最精確的方法是采用GPS獲取平面坐標，測深儀獲取深度數據的基本模式。

2.2.1 港池及近岸海域精密水下地形測量的方法

傳統的水下地形測量方法是，在測深點上進行水深和平面坐標測量的同時，同步進行水位觀測，水位面高程與水深值之差即為該點水底高程。由于測深點處的水位高程是采用距離和時間內插得到的，水位的波動以及內插值的誤差直接導致水底高程的誤差增大，極大地降低了測量的精度。GPS RTK技術能夠實時提供其天線相位中心的厘米級精度的坐標和高程，利用該技術進行水下地形測量，設某測深點處GPS天線相位中心的高程為HGPS，量取GPS天線相位中心到測深儀換能器之間的垂距hG-T，h為該測深點處測得的水深，進而水底點的高程Hb可表達為：

利用GPS RTK技術可以省去傳統測量煩瑣的過程，提高作業效率，而且得到的是水下地形點厘米級精度的坐標和高程，提高了精度[3]。對于港池內部水域的測量，該方法非常適用；對于其他近岸水域，由于風浪等情況造成船體的運動和傾斜，水深測量數據h不是換能器到水底的鉛垂距離，所以實際測量數據需要進行測船姿態改正；對于遠離岸線的水域，由于GPS RTK的差分信號傳播距離有限，所以該方法不適用。

1）岸上控制測量的方法和要求。采用GPS RTK技術需要在岸上精度較高的控制點上架設基準站，所以首先要在海岸上進行控制測量。岸上控制點必須布設在穩定且便于利用GPS接收機進行觀測的位置，控制點的密度應根據GPS基準站與移動站之間數據鏈的傳播能力來設計。曹妃甸港區海岸線長達50～60 km以上，平面控制網應采用靜態GPS定位技術按《全球定位系統城市測量技術規程》四等GPS觀測技術要求進行測量。平面坐標系統應選擇1954年北京坐標系，投影帶中央子午線應選擇118°30′，這樣的坐標系統既有利于減小投影變形，又有利于保持與前期測量資料坐標系的統一性。高程控制網應以港區已有高等級水準點為基礎按三等或三等以上水準測量的技術要求施測。岸上控制網要與已建立的地面控制網聯測，從而保持統一的坐標和高程系統。

2）GPS RTK結合測深儀進行精密水下地形測量的要求。在測量前需要對測區進行測線設計，《海道測量規范》對不同需求測線做了定量而詳細的要求。一般來說，測線方向應垂直于等深線方向或水流方向，圖上主測深線的間隔為1 cm，對一些復雜海區和使用者有特殊要求的，有時還要布設0.25～0.5 cm的更小間隔的測線，稱為加密線。在測線布設時，還應該考慮水下地形的變化情況，對變化相對平坦的地區，測線間距可以適當放寬，否則，需加密測線，使水下地形變化復雜地區的測量成果能更好地反映水下地形的真實面貌。

利用測深儀沿測深線測量水下地形點時，測量點的密度應能顯示水下地形特征，并符合表1規定。

表1 水下地形測量的測深點間距及等高距

3）利用多波束測深系統進行精密水下地形測量的要求。多波束測深方法是精密水下地形測量的一種基本手段，其能夠在進行測深和定位的同時進行姿態（即測船的橫搖、縱搖、起伏）測量，具有高分辨率、全覆蓋、效率高的特點，其測量數據精度高、密度大，適用于對海底地形地貌的監測和研究工作[4]。利用多波束測深系統進行精密水下地形測量，需要經過方案設計、系統安裝與校準、實地測量和內業處理幾個步驟。方案設計包括設計合理船速、掃測帶寬度、測線重疊帶寬度、測線位置布設等，多波束的測深線方向應大致平行于等深線的方向，同時為了保證測量質量和全覆蓋的測量要求，相鄰掃測帶之間應有10%～15%的重疊。安裝與校準工作包括系統各傳感器的安裝與校準，船艏向的校準與測船坐標系的建立，橫搖、縱搖、時延、起伏4個方面安裝偏差的校準。實地測量過程中應進行換能器的實際吃水和聲速剖面測量，以便進行吃水變化改正和聲速改正，測船偏離設計航線應小于測線間距的20%。對曹妃甸港區的水下泥沙沖淤監測是通過周期性的精密水下地形測量實現的，在進行各次測量作業時測量路線要相同，系統安裝和校準工作也應保持一致，這樣有利于比較各次測量數據，消除系統性誤差的影響。

2.2.2 遠離海岸水域的水下地形測量的方法和要求

曹妃甸港區監測海域遠離海岸的區域，其水下地形測量也需經過方案設計、設備安裝校準、實地測量和內業處理幾個步驟，測量過程中應根據設備的參數和性能以及水下地形測量比例尺的技術要求來進行。由于GPS RTK的信號傳播范圍有限，所以其定位方式應采用其他GPS差分方式，目前利用StarFire網絡在全球范圍內提供的GPS差分信號能夠獲得分米級精度的定位，是一種比較合適的方式。遠離海岸水域風浪和潮汐顯著，為了獲得水下地形點的高程，必須進行水位觀測，并對水深測量的結果進行水位改正。水深測量的精度受風浪和潮汐的影響較大，實際作業中應認真觀測聲速剖面。利用多波束測深時，除中央波束外，其他波束均與垂向有一定的夾角，聲速剖面的準確與否直接影響波束歸位計算，尤其是邊緣波束，不準確的聲速剖面會導致相鄰條帶在公共覆蓋區所測地形與實際地形不匹配。

2.3 觀測數據的整理與沖淤量的計算

觀測數據的整理是將外業觀測的大量坐標、高程、水位、水深數據按點進行配付和計算，從而得到水下地形點各期觀測的坐標和高程。

水下泥沙沖淤量依據精密測量的結果來計算。設某監測區域的面積為S，測區范圍內水下最低高程為h0，計算淤積量的參考高程可設為H（H≤h0，考慮到由于海底泥沙沖淤變化，各期地形測量的h0不同，H要比最小的h0值還要小），某3個相鄰地形點構成的面積為ΔS（ΔS的值可以利用3個地形點的坐標值計算出來），某期觀測時ΔS范圍內自然水下地形面與參考高程H面之間的泥沙體積ΔV為：

式中：h1，h2，h3分別為水下地形點1，2，3點的實測高程H1，H2，H3與參考高程 H 之差[5]，見圖2。

設某監測區域S范圍內三角形個數為n，則該區的水下自然地形面到參考高程面之間的泥沙量為：

利用式（3）可以算出各觀測時期的泥沙量：V1，V2，V3，V4，……，進而求出相應時期的淤積量：ΔV1，ΔV2，ΔV3，……。ΔV1=V1-V2，ΔV2=V2-V3，ΔV3=V3-V4，……。

圖2 相鄰3個測點構成的三角柱示意圖

利用多次周期性的水下精密地形測量結果計算泥沙淤積量，進而計算淤積速度和分析淤積變化規律。計算同一區域各期淤積量時要注意每次選擇的參考高程面H和淤積區域S要相同。

3 結語

曹妃甸港口的建設是我國一項重大的百年工程，甸前深槽的穩定性關系著港區發展的命脈，而航道、港池、泊位、錨地等的泥沙沖淤問題也對港口發展與穩定具有重要影響。因此，應根據各個區域的泥沙沖淤狀況及其對港口生產影響的重要程度，設置出相應合理的泥沙沖淤監測方案，從而建立起整個港區水域的泥沙沖淤監測系統。在準確掌握泥沙沖淤規律的基礎上適時采取有效處理措施，是確保港口長期安全穩定、高效生產的有效手段。

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[6]GB12327-1998，海道測量規范[S].