天津港大沽沙航道施工期回淤研究

翟征秋

（天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司，天津300452）

眾所周知，天津港位于渤海灣西部的海河入海口，該港區(qū)岸灘屬于典型的淤泥質(zhì)海岸。從開港初期至20世紀(jì)末航道泥沙回淤嚴(yán)重，曾一度制約了港口的發(fā)展。經(jīng)過幾代專家學(xué)者近半個(gè)世紀(jì)的測驗(yàn)、研究和綜合治理，基本掌握了泥沙回淤規(guī)律、解決了大范圍回淤問題，才使天津港成為了輕淤深水大港。根據(jù)天津港口發(fā)展的需要，2004年初提出在天津港南疆南側(cè)、海河入海口下游利用吹填造陸方式開發(fā)建設(shè)天津臨港工業(yè)區(qū)及臨港港區(qū)，同時(shí)結(jié)合取土造陸開挖形成大沽沙航道。但大沽沙航道建設(shè)過程中是否會(huì)遇到當(dāng)初天津港主航道同樣的嚴(yán)重回淤問題，成為港方及業(yè)內(nèi)專家關(guān)注的焦點(diǎn)。為了研究大沽沙航道泥沙回淤特點(diǎn)和規(guī)律，結(jié)合天津港主航道泥沙回淤研究成果，對(duì)5萬t級(jí)大沽沙航道施工期回淤進(jìn)行了多年系統(tǒng)的觀測和研究，取得了一定的成果，為大沽沙航道的后續(xù)升級(jí)和維護(hù)提供了寶貴資料。

1 工程概況及動(dòng)力泥沙環(huán)境

1.1 工程概況

天津港大沽沙航道位于天津港南疆港區(qū)與臨港港區(qū)之間海河入海口下游，是經(jīng)過人工開挖形成的天津港第二條深水航道（圖1）。航道拐點(diǎn)以內(nèi)段的海底標(biāo)高為+2.0～-5.5 m（當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)，下同），拐點(diǎn)以外水深逐漸增大，平均海底坡度為1/2 000。2006年初大沽沙航道結(jié)合臨港工業(yè)區(qū)圍海造陸取土開始疏浚施工，經(jīng)過不斷的浚深和拓寬，航道等級(jí)逐步提升，至2009年9月完成5萬 t級(jí)大沽沙航道（長26.5 km，底寬190 m，底標(biāo)高-12.5 m，邊坡1：5）的疏浚施工。為了掌握大沽沙航道泥沙回淤特點(diǎn)和規(guī)律，從2006年10月開始組織開展了大沽沙航道施工期的回淤觀測和研究工作。

圖1 航道工程示意圖Fig.1 Sketch of waterway engineering

1.2 風(fēng)、浪特征

根據(jù)天津港多年的觀測及統(tǒng)計(jì)資料顯示：

（1）本海區(qū)強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向均為E向，出現(xiàn)頻率為11.71%；次常風(fēng)向?yàn)镾向，頻率為10.34%。各向≥6級(jí)風(fēng)所出現(xiàn)頻率為3.65%。大風(fēng)天多出現(xiàn)在冬季,春、秋季風(fēng)力次之，夏季最小。

（2）本海區(qū)常浪向?yàn)镋NE和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強(qiáng)浪向ENE，該向H4%＞1.5 m的波高頻率為1.35%，全年5.0 s的頻率為 6.09%。

（3）本海區(qū)以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪和風(fēng)浪為主的混合浪年出現(xiàn)頻率為72.8%，以涌浪為主的混合浪占26.6%。且風(fēng)浪與季節(jié)對(duì)應(yīng)明顯，冬季風(fēng)浪最強(qiáng)，春、秋季次之，夏季最小。

1.3 潮汐與潮流

本海區(qū)潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。

為了掌握本水域潮流特點(diǎn)及其變化情況，2004～2005年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)在海河口進(jìn)行了8個(gè)測點(diǎn)的水文全潮觀測，2008年8月又進(jìn)行了8個(gè)測點(diǎn)的水文全潮觀測，經(jīng)前后兩次觀測資料對(duì)比，流速特征基本一致［1］：外海潮流漲潮流速大于落潮流速，流速外海大于近岸，近岸受河口及地形的影響，漲落潮流速大小差別減小。除臨近陸域點(diǎn)受地形影響以外，流態(tài)基本表現(xiàn)為往復(fù)流性質(zhì)，漲落潮流總體呈WNW—ESE運(yùn)動(dòng)。潮流動(dòng)力相對(duì)較弱，大潮漲落潮平均流速小于0.36 m/s和0.30 m/s，漲、落潮最大流速分別小于0.78 m/s和0.52 m/s。

1.4 水體含沙量

根據(jù)2004～2005年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)分別沿-2 m、-5 m和-7 m等深線設(shè)的12個(gè)底質(zhì)取樣點(diǎn)和2008年8月的分別沿-2 m、-5 m、-7 m和-10 m等深線設(shè)的126個(gè)底質(zhì)取樣點(diǎn)的取樣經(jīng)綜合分析，本水域水體含沙量分部特征為：

（1）含沙量時(shí)空分布。夏季最小，平均為0.064 kg/m3；春、秋兩季基本相等，平均為0.082 kg/m3；冬季最大，平均為0.122 kg/m3。從本區(qū)氣象資料分析來看，夏季風(fēng)浪較弱，春、秋兩季風(fēng)浪增強(qiáng)，冬季受寒潮影響風(fēng)浪最強(qiáng)，因此，本海區(qū)水體含沙量的高低主要取決于風(fēng)浪的強(qiáng)弱及風(fēng)時(shí)段的長短等因素；

（2）含沙量的平面分布。自岸向海呈由大變小的分布規(guī)律，在-2 m等深線平均為0.094 kg/m3，至-5 m等深線平均為0.073 kg/m3，至-7m等深線平均為0.070 kg/m3，比-5 m線有所降低但不明顯，至-10 m等深線平均為0.050 kg/m3，表明本海區(qū)波浪破碎帶（-5 m線）以內(nèi)含沙量高，而外海由于水深增加風(fēng)浪掀沙能力弱，含沙量變小；

（3）平均含沙量潮時(shí)分布。漲潮潮段為0.080 kg/m3，落潮潮段為0.075 kg/m3，漲潮段含沙量略大于落潮段；

整體分析可知，本水域水體含沙總量較低，含沙量的大小主要取決于風(fēng)浪的大小、灘地水深的深淺和潮流的強(qiáng)弱［2-3］。

1.5 航道回淤物質(zhì)

為了解航道底質(zhì)的時(shí)、空分布規(guī)律及其特征，以底質(zhì)中值粒徑d50為研究對(duì)象，2008年及2009年共計(jì)18次對(duì)大沽沙航道固定測點(diǎn)進(jìn)行了回淤物取樣及顆粒度分析（表1、表2）［4］。現(xiàn)場地質(zhì)采樣成果及其特征如下：

（1）底質(zhì)顆粒特征：18個(gè)月的泥沙平均中值粒徑d50介于0.003 8～0.009 6 mm，平均為0.005 2 mm，經(jīng)分析粘土含量均在40%以上，屬粉砂質(zhì)粘土或粘土質(zhì)粉砂。從底質(zhì)粒徑較細(xì)和粘土含量來看，本海域?qū)儆诘湫偷挠倌噘|(zhì)海岸。

（2）底質(zhì)平面分布：各測點(diǎn)多月平均中值粒徑d50介于0.004 1～0.007 7 mm，平面變化不明顯。但將測點(diǎn)按拐彎點(diǎn)內(nèi)航道（2+0～15+0）和拐彎點(diǎn)外航道（15+0～28+0）兩塊區(qū)域研究可知，拐彎點(diǎn)以內(nèi)航道除2+0處相對(duì)較粗為0.005 7 mm外，其余測點(diǎn)的泥沙顆粒很細(xì)，底質(zhì)粒徑平均為0.004 6 mm；拐彎點(diǎn)以外航道多月平均粒徑在0.005 6～0.007 7 mm，平均為0.006 8 mm。可見，兩區(qū)域的泥沙粒徑略有差異，以4+0～14+0段上的泥沙顆粒最細(xì)，說明每次采集的樣品應(yīng)是懸沙落淤的泥沙；拐彎點(diǎn)以外航道泥沙粒徑較粗，說明采集的樣品應(yīng)以粒徑較粗的原基建土為主。

（3）底質(zhì)隨時(shí)間變化特征：從不同季節(jié)取樣結(jié)果來看，各季節(jié)的底質(zhì)粒徑差別不大，但從不大的差別中經(jīng)分析基本可以得出，夏季的泥沙粒徑相對(duì)最細(xì)；而粒徑最粗的月份是2008年的10月份和2009年的11月份，中值粒徑分別為0.007 1 mm和0.009 6 mm。根據(jù)天津港回淤研究成果，底質(zhì)泥沙的變化是與氣候的變化有著密切的關(guān)系，在風(fēng)浪較強(qiáng)的季節(jié)泥沙顆粒較粗，在小風(fēng)浪季節(jié)則較細(xì)。本研究表明夏季最細(xì)，這與本海區(qū)夏季風(fēng)浪較小相對(duì)應(yīng)；但由于航道尚處于建設(shè)期，泥沙難免受到開挖出的基建土的影響，即泥沙顆粒中會(huì)摻雜顆粒較粗的基建土，因而導(dǎo)致風(fēng)浪最大的冬季未必對(duì)應(yīng)的泥沙顆粒就最粗，但顆粒仍略粗于春、夏兩季。

表1 航道中底質(zhì)粒徑季節(jié)分布Tab.1 Seasonal distribution of sediment grain size

2 大沽沙航道水下地形及回淤分析

為了掌握5萬t級(jí)大沽沙航道施工期詳細(xì)的水下地形變化情況及回淤情況，自2006年10月開始，每月下旬對(duì)大沽沙航道水域進(jìn)行大比例尺（1：2 000）水下地形測量。至2009年9月共取得航道水下地形圖36份，同時(shí)，收集了對(duì)應(yīng)3 a中各月航道施工的相關(guān)資料。現(xiàn)根據(jù)時(shí)間將5萬t級(jí)大沽沙航道施工期回淤情況按3個(gè)階段進(jìn)行研究。

2.1 第一階段［5］

2006年10月至2007年10月為第一階段。2006年10月之前，結(jié)合工業(yè)區(qū)圍海造陸取土大沽沙航道已基本達(dá)到5 000 t級(jí)，航道里程為2+0～14+0（圖1）。本階段繼續(xù)在5 000 t級(jí)航道的基礎(chǔ)上，利用大型絞吸式挖泥船進(jìn)行挖泥施工，由于開挖段發(fā)生回淤的同時(shí)，也進(jìn)行土方開挖，具體回淤厚度無法從測圖中得到，因此選取了5個(gè)基本未施工的固定斷面進(jìn)行回淤分析。根據(jù)每月所測水下地形圖，按季度計(jì)算航道底寬（100 m）范圍內(nèi)的斷面平均水深之差，然后計(jì)算全年平均水深之差，去除挖泥施工水深增加的數(shù)值，即得到不同斷面的回淤厚度（表3），由表3分析可知：

（1）除斷面7+000由于秋季進(jìn)行了施工水深增加，造成本年度整體水深加深外，其他各斷面均由于回淤而使每季度和全年水深變淺；

（2）本階段5 000 t級(jí)航道平均回淤厚度為0.78 m，總回淤量為109萬m3;

（3）冬季為一年中回淤最大的季節(jié)，春秋次之，夏季最小。這與水體含沙量的時(shí)空分布冬季最大，春秋其次，夏季最小是對(duì)應(yīng)的；

（4）航道由內(nèi)向外的回淤厚度逐漸減小。這與含沙量的平面分布自岸向海由大變小的規(guī)律也是對(duì)應(yīng)的。

2.2 第二階段［6］

2007年10月至2008年10月為第二階段。根據(jù)每月水深測圖及實(shí)際施工情況，本階段航道及兩側(cè)區(qū)域大多處于施工狀態(tài)，全年中多數(shù)固定斷面水深加深，對(duì)分析斷面回淤強(qiáng)度帶來一定困難，現(xiàn)根據(jù)斷面水深變化情況粗略地劃分成 3個(gè)區(qū)域：里段（2+0～4+0）、中間段（4+0～9+0）和外段（9+0～5+0）。從各段斷面水深變化值累加成各季度的回淤厚度，進(jìn)而計(jì)算出年回淤厚度和回淤量（表4），由表4可知：

表2 航道中底質(zhì)粒徑平面分布Tab.2 Planar distribution of sediment grain size

表3 第一階段固定斷面平均水深變化Tab.3 Average depth variation of fixed section in the first phase

（1）本階段航道拐彎點(diǎn)以內(nèi)回淤厚度平均約1.0 m，年總回淤量為234萬m3；

（2）與第一階段結(jié)果相同，冬季回淤強(qiáng)度最大，春秋次之，夏季最小；

（3）本年度航道中間段回淤厚度最大，結(jié)合圍海造陸情況分析，是由于圍海造陸陸域延伸，此段已成為港區(qū)口門，潮流動(dòng)力變化大，使回淤量最大；

（4）由于本年度航道浚深、拓寬迅速，致使年回淤厚度和回淤量明顯大于第一階段。

表4 第二階段15+0以內(nèi)航段泥沙回淤情況Tab.4 Silting situation within 15+0 in the second phase

2.3 第三階段

2.3.1 全航道回淤分析

2008年10月至2009年9月為第三階段，本階段施工已延伸到5萬t級(jí)航道外端（里程至28+5）（圖1）。與第二階段相同，本階段內(nèi)航道及兩側(cè)區(qū)域大多處于施工狀態(tài)，對(duì)分析斷面回淤強(qiáng)度帶來一定困難。為此，提取了各固定斷面每月的水深數(shù)據(jù)，計(jì)算每月的淤積厚度，剔除水深加大在0.5 m以上（認(rèn)為疏浚造成）的數(shù)據(jù)，累加剩余的數(shù)據(jù)從而得到該斷面全年的淤積厚度，航道沿程淤積厚度見表5。

由表5可知，航道回淤沿程并不均勻，以H7+0～H15+0即口門段（陸域圍海已推進(jìn)至本段區(qū)域）的回淤最嚴(yán)重，平均為1.5 m；內(nèi)航道段H2+0～H7+0回淤相對(duì)較小，平均為0.6 m；拐彎點(diǎn)以外段回淤最小，平均為0.2 m。

2.3.2 局部強(qiáng)淤及分析［7］

分析每月測圖得知，口門段在不同時(shí)間段存在局部強(qiáng)淤現(xiàn)象（表6、表7）。參照第一、第二階段相應(yīng)季節(jié)對(duì)應(yīng)段的回淤厚度及回淤量，2次局部強(qiáng)淤使回淤量較正常增加134萬m3。去除強(qiáng)淤增加量，本年度正常回淤量為202.3萬m3。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分析，產(chǎn)生局部強(qiáng)淤的原因有以下兩點(diǎn)：

（1）天津港南疆南泄水口高含沙量水體外流。選取2009年3月7日（西南風(fēng)3級(jí)，小潮，落潮初期）的衛(wèi)星遙感圖片，參考天津港懸沙濃度與衛(wèi)片灰度值（波段3和波段2的比值）之間的關(guān)系，利用ENVI軟件，計(jì)算出表層懸沙濃度，并繪制懸沙濃度分布圖后可知，從天津港南疆南有一股高濃度泥沙流入9+0以外的航道水域，該水域受此泥沙流的影響含沙量變大，造成本段航道出現(xiàn)嚴(yán)重回淤。在現(xiàn)場條件基本不變的情況下，6月份南疆南將泄水口封堵后，本段航道未再出現(xiàn)強(qiáng)淤情況，也證明了此結(jié)論。

（2）水動(dòng)力條件。強(qiáng)淤段處于口門區(qū)域，且水深較深（-14～15.5 m），受潮流和水下地形影響，高濃度泥沙流所挾泥沙力降低，所挾泥沙迅速在附近水域落淤而造成航道強(qiáng)淤。

表5 航道年度泥沙回淤情況（逐月累計(jì)）Tab.5 Silting situation in channel

表6 2008年11月～2009年2月局部強(qiáng)淤斷面水深變化Tab.6 Change of water depth from Nov.2008 to Feb.2009

表7 2009年2～5月局部強(qiáng)淤斷面水深變化Tab.7 Change of water depth from Feb.2009 to May 2009

2.4 回淤數(shù)量及特點(diǎn)

由3個(gè)階段的年回淤量可知：第一階段度由于是等級(jí)較低的5 000 t級(jí)航道，年回淤量為109萬m3；第二階段度航道長度雖基本未變，但底寬已拓寬至5萬t級(jí)，且航道浚深、拓寬迅速，造成年回淤量大幅增加至234萬m3；第三階段度按5萬t級(jí)全長分析，且存在局部強(qiáng)淤，造成年回淤量增加至336萬m3，施工期的3 a間總回淤量為679萬m3。航道回淤主要集中在航道內(nèi)段。

依據(jù)大沽沙航道泥沙淤積預(yù)測，5萬t級(jí)大沽沙航道建成后不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模淤積現(xiàn)象，航道年回淤量約為222萬m3［8］。第三階段為5萬t級(jí)航道最終形成階段，去除由于天津港南疆南泄泥造成強(qiáng)淤的特殊影響外，本階段回淤量為202.3萬m3，稍小于預(yù)測量。

航道施工期間，在開挖基建土的同時(shí)部分回淤量也被疏浚了，同時(shí)由于疏浚施工產(chǎn)生的浮泥也會(huì)造成回淤量的增加，所以施工期間觀測到的回淤量與實(shí)際回淤量可能存在一定的誤差。但從各階段研究情況看，大沽沙航道回淤情況并不嚴(yán)重，基本與前期淤積預(yù)測結(jié)論一致，航道不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重淤積情況。

3 結(jié)論

（1）從底質(zhì)平面分布來看，大沽沙航道內(nèi)段回淤泥沙顆粒很細(xì)，外段泥沙粒徑較粗；（2）從底質(zhì)隨時(shí)間變化來看，在風(fēng)浪較強(qiáng)的冬季回淤泥沙顆粒較粗，回淤量最大，在小風(fēng)浪的夏季則顆粒較細(xì)，回淤量最小，春秋介于兩季之間；（3）第一階段航道回淤量為109萬m3，第二階段回淤量為234萬m3；第三階段存在局部強(qiáng)淤，回淤量為336萬m3，5萬t級(jí)大沽沙航道施工期3 a間總回淤量為679萬m3。航道回淤主要集中在原始灘面較淺的內(nèi)航道段；（4）大沽沙航道局部強(qiáng)淤是由于天津港南疆南泄水口溢出的高濃度泥沙流所致，正常情況下航道不會(huì)發(fā)生局部強(qiáng)淤現(xiàn)象；（5）大沽沙航道回淤情況基本與前期淤積預(yù)測結(jié)論一致，航道不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重淤積情況。

［1］江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局.天津臨港工業(yè)港區(qū)海域水文泥沙測驗(yàn)分析報(bào)告［R］.江蘇：江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局，2008.

［2］孫連成.淤泥質(zhì)海岸天津港工程泥沙治理與功效［J］.水運(yùn)工程，2011（1）：67.SUN L C.Tianjin Port engineering sediment treatment and efficacy on silt coast［J］.Port&Waterway Engineering，2011（1）：67.

［3］南京水利科學(xué)研究院.天津臨港工業(yè)港區(qū)整體物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.江蘇：南京水利科學(xué)研究院，2011.

［4］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報(bào)告）［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2010.

［5］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報(bào)告）［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2007.

［6］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報(bào)告）［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2008.

［7］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報(bào)告）［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2011.

［8］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.天津臨港工業(yè)區(qū)大沽沙航道泥沙淤積預(yù)測［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2007.