天津港航道懸移質輸運特征的觀測研究

高斌，周良明，苗慶生

（1.中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 266100；2.國家海洋信息中心，天津 300171）

泥沙淤積問題曾經是制約天津港發展的重要因素，但由于海河口建閘，港口規模擴大、防波堤延伸、圍海造陸不斷減少無用水域面積和港口周邊環境改善等多項工程措施的實施，使天津港泥沙淤積的形態、部位、強度和淤積總量等都發生了根本變化，不斷地改善港口的發展環境。隨著港口治理泥沙回淤技術的發展，人工港在深水化建設上的優勢逐漸顯現，為天津港躋身世界深水港行列奠定了基礎。因此，在當前狀況下，有必要繼續觀測和研究天津港的泥沙輸運以及造成的淤積情況，監督和防范港口出現泥沙淤積，造成不必要的經濟損失。

1 天津港的泥沙問題

港口的淤積是泥沙在浪和流等動力因素綜合作用下的結果。在天津港這樣的淤泥質海岸，波浪主要起掀沙作用，掀起的泥沙又常形成浮泥，經潮流的掀揚作用，轉化成懸移質，增加了隨潮進入港區和航道的泥沙數量。另一方面，潮流是輸沙的主要動力，在波浪較弱的海岸區，潮流挾帶泥沙進入港區和航道后，由于動力因素減弱，降低了挾沙能力，導致落淤。

1.1 泥沙來源

孫連成（2006）的研究表明，天津港的泥沙主要有以下幾個來源：一是海相來沙，本海區的水體含沙基本不受外來泥沙的影響，海相來沙很少。二是陸相來沙，本港區位于海河入海處，受其影響較大，但自海河建閘后，水沙基本蓄積在河道內，因而下泄水沙量很小，近些年來基本無量下泄。三是疏浚拋泥的影響，但經過20 世紀八九十年代的治理，此項來源對港口和航道已基本無影響。最后是近岸淺灘掀沙，本港區附近存在大片的淺灘，向岸大風浪是造成近岸泥沙懸移運動的主要因素。在泥沙搬運淤積的過程，波浪起著掀揚淺灘泥沙的作用，潮流主要是起著泥沙輸移作用，即所謂的“波浪掀沙、潮流輸沙”現象，這一部分是天津港泥沙的主要來源。本文的研究重點就在于潮流對近岸泥沙的輸運作用。

1.2 港區泥沙運動形態

天津港海區岸灘的泥沙顆粒較細，其黏結力較強，由于本海區的潮流屬弱流區，所以大風浪是造成本區灘面泥沙懸移的主要動力因素，而懸沙在沉降過程中由于所需的密結時間較長，因此天津新港港區及航道泥沙隨潮流做懸移質運動，泥沙顆粒沉降速度緩慢，在底部還可形成可流動的浮泥層（孫連成，2006）。

盡管開展了大量的清淤減淤工作，天津港的淤積強度有所緩解，但是從天津港淤積的特點來看，一年中出現兩次淤積高峰，汛期和風季；航道泊地在汛期和風季經常出現浮泥。因此，建立港區及航道泥沙輸運長期穩定觀測、尤其是高峰期的觀測，開發港區泥沙輸運和岸灘穩定性的高精度預測系統，對航道整治，調整泥沙淤積分布，保障港口安全具有重要意義。

1.3 研究背景

泥沙輸運對于港口以及河流入海口海域有著至關重要的影響，多年來許多科研工作者致力于這一問題的研究和探討。

在河流的入海口處，陸相來沙占主導地位。張瑞等（2008）用Hilbert-Huang 變換對長江大通水文站近50年來的月均含沙量和輸沙量時間序列進行分析，研究了長江入河口區含沙量和輸沙量的變化規律以及它們在長江入河口區的演變特征。劉勇勝等（2005）采用水文學和數理統計學相結合方法，對黃河入海水沙通量進行分析，分別得出了水、沙通量的年代變化、年際變化、季節變化規律以及水、沙通量之間關系。

而對于沿海港口以及海灣，潮流輸沙則成為不可忽視的因素。孫連成等（2014）基于多年實測水文泥沙等資料，采用現場觀測、演變分析、物理模型和數學模型等多種手段，對天津港深水化及二港島建設水沙進行了研究，文中指出該海域含沙量呈現逐年減小的趨勢。李朝新等（2004）依據在泉州灣進行的兩次多站位水文泥沙觀測以及表層底質、重力柱狀樣資料，對每站流速和懸浮泥沙含量進行垂向算術平均后對其結果比對分析。趙沖久等（2003）結合現場觀測研究了大風（浪）過程中泥沙運動的變化過程，指出波浪較大時泥沙運動十分劇烈，水體含沙量急劇加大。

除此之外，如何運用觀測資料對泥沙的輸運進行計算也是尤為重要的一環。倪晉仁（1990） 探討了關于懸移質輸沙率計算模式，給出了有廣泛通用性的濃度分布及流速分布的一般表達式，但其方法有一定的局限性，僅適用于床面平整情形。黃才安等（1999）討論了流量法與面積法兩種垂線平均含沙量之間的關系，并給出了兩種方法的適用范圍，為水體含沙量的計算提供了有效的計算方法。

2 天津港航道懸移質輸沙的觀測及計算

2.1 數據獲取

為全面獲取天津港航道泥沙含量分布及泥沙運動基本特征，沿航道設置4 個站點進行一個潮周期的連續站觀測，它們分別代表沿航道上4 個代表性的截面，站位設置如圖1 所示，C1 位于航道口門處，C4 則位于港池內，中間設置C2 和C3 站，其中C2 站兩側有防波工事，觀測時間是2010年8月（豐水期） 以及11月（枯水期），垂向分表、0.2 h、0.6 h、0.8 h 和底6 個層次，觀測項目包括水深、流速和泥沙含量。

期間，同時對氣象及海況進行觀測。其中，8月大潮期間，風向以SE 向為主，平均風速2.6 m/s，海況1 級；8月小潮期間，風向以SW 向為主，平均風速3.8 m/s，海況2 級；11月大潮期間，風向以NWW 為主，平均風速4.2 m/s，海況2 級；11月小潮期間，風向以NWW 為主，平均風速5.8 m/s，海況4 級。

2.2 觀測結果

2.2.1 海流

（1）11月大潮：如圖2 所示，C1 的垂向平均流速為30.3 cm/s，最大流速為60 cm/s；C2 的垂向平均流速為16.9 cm/s，最大流速為52.7 cm/s；C3 的垂向平均流速為14.1 cm/s，最大流速為51.8 cm/s；C4的垂向平均流速為15.5 cm/s，最大流速為49.3 cm/s。調查海域自外向內流速逐漸減小，調查時段內調查海域的平均流速為23.1 cm/s。

圖1 天津港海流和泥沙含量觀測站位分布

圖2 11月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（2）11月小潮：如圖3 所示，C1 的垂向平均流速為28 cm/s，最大流速為54 cm/s；C2 的垂向平均流速為21.3 cm/s，最大流速為44.4 cm/s；C3 的垂向平均流速為18.8 cm/s，最大流速為47.1 cm/s；C4的垂向平均流速為16.4 cm/s，最大流速為40.2 cm/s。調查海域自外向內流速逐漸減小，調查時段內調查海域的平均流速為23.6 cm/s。

圖3 11月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

圖4 8月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

圖5 8月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（3）8月大潮：如圖4 所示，C1 的垂向平均流速為29.7 cm/s，最大流速為75.9 cm/s；C2 的垂向平均流速為28.4 cm/s，最大流速為57.8 cm/s；C3 的垂向平均流速為21.1 cm/s，最大流速為49.8 cm/s；C4的垂向平均流速為19.2 cm/s，最大流速為53 cm/s。調查海域自外向內流速逐漸減小，調查時段內調查海域的平均流速為29 cm/s。

（4）8月小潮：如圖5 所示，C1 的垂向平均流速為28.7 cm/s，最大流速為67.4 cm/s；C2 的垂向平均流速為23.8 cm/s，最大流速為51.3 cm/s；C3 的垂向平均流速為22.9 cm/s，最大流速為44 cm/s；C4 的垂向平均流速為15.8 cm/s，最大流速為38 cm/s。

綜上所述，調查海域流速空間分布特點：水平空間內，自C1 站（海）至C4 站（岸），流速逐漸減小；垂向空間內最大流速絕大多數出現在表層調查時段內調查海域的平均流速為26.4 cm/s。季節變化特點：8月流速較大，最大流速為75.9 cm/s，平均流速為27.7 cm/s；11月流速較小，最大流速為60 cm/s，平均流速為23.4 cm/s。

2.2.2 懸沙濃度

（1）極值分析。圖6 所示為天津港各時期、各站位的懸沙濃度，從時間上來看，8月大潮期間幾乎在各觀測點、各層次的懸沙濃度最大，最大可達91.8 mg/L，其次是8月小潮和11月小潮，而11月大潮期間相應的懸沙濃度最小，基本在5.0～8.0 mg/L；從垂直空間上來看，各個時期底層的懸沙濃度最大，表層或次表層相應濃度最小；

（2）特征值分析。為了弄清楚不同時期水平空間上的懸沙濃度分布，本文采用黃才安等（1999）的垂向平均法求出各站點不同時期的懸沙濃度，

根據實測數據，垂向上分為6 層，為了離散化公式（1）中的積分，將相鄰兩層的懸沙濃度的平均值和它們之間的水體厚度代入公式可得

即

圖6 天津港11月和8月各站位隨時間變化的懸沙濃度（mg/L）

運用上式可以計算各觀測點在不同時期的垂向平均懸沙濃度，如表1 所示，可以看出絕大多數情況下，8月大潮垂向平均懸沙濃度最大，11月大潮最小，與極值分析結果相同；在水平空間上，C3和C4 站位的懸沙濃度較大，而離岸較遠的C1 和C2 較小。

表1 天津港不同時期垂向平均懸沙濃度（g/mL）

通過上面的分析很容易發現，11月小潮期間的觀測結果不符合規律，原因在于天氣狀況，觀測期間風浪大，此時水體的含沙量的主要因素變為風浪掀沙，尤其是11月小潮C1 站的懸沙濃度變得異常大，此時水體的含沙量是懸沙和風浪掀沙的合量。

2.3 天津港航道懸移質輸沙率的計算方法

用于研究懸沙濃度垂線分布的理論有很多，如擴散理論、能量理論、相似理論、混合理論和隨機理論等。這些理論雖然出發點各不相同，但是每種方法都有各自的特點，適用于不同狀況懸移質的計算。

基于觀測數據，本文采用的是海港水文規范中含沙量的計算方法，由于海流的流速是一個矢量，所以在進行計算是先分別計算u 方向（正東方向為正）和v 方向（正北方向為正）的懸沙輸沙率，然后再利用矢量合成的方法得出總的輸沙率的大小和方向，下面就以u 方向為例介紹一下輸沙率的計算方法，如式（3）所示，

同理可求得南北方向上的懸沙輸沙率qs，v，運用矢量合成，最終可以得到某一截面上的懸沙輸沙率的大小

和方向（與正北方向夾角，單位為°）

得到的θ 是-90°～90°的值，可以根據qs，u和qs，v的符號進行調整，確定最終流向（0°～360°之間）的數值。

2.4 計算結果及討論

運用上面給出的計算方法和海洋調查獲取的海流及懸沙濃度資料，分別對天津港8月和11月的大小潮的凈輸沙進行計算，所得結果如表2 所示。

表2 8月和11月天津港各站點的輸沙率及方向

（1）從時間的變化上來看，8月大潮期間，4個站點輸沙方向均為東北方向，4 個站位單寬輸沙率為0.35～0.85 kg/s·m，C3 站較大，8月小潮期間，C1、C2、C3 站點輸沙方向為東北方向，C4 站位輸沙方向為偏西北向。而到了秋季，11月大潮期間，各站點輸沙率很小，C3 稍大為0.18 kg/s·m，方向為北向，小潮期間，4 個站位輸沙率依然較小，輸運方向也都是偏東方向。

調查海域調查期間的主要輸沙方向為東北向，其中8月輸沙率較大，大、小潮的平均單寬懸沙輸沙率為0.39 kg/s·m，11月輸沙量較小，大、小潮的平均單寬懸沙輸沙率為0.15 kg/s·m。

（2）從各個站點的情況來看，C3 站點在各個時期的輸沙率都比較大，各個季節基本都是偏東北方向，C1、C2 次之，方向也基本為東北方向，只有C1 和C4 點在秋季大潮時期出現了偏西方向也就是向港內方向的泥沙輸運。

假定C4 向C1 的方向即東向為正方向，由表1計算各個站點在該方向的泥沙輸運，以獲得天津港航道上的泥沙輸運的基本情況，結果如表2 所示。

由表2 可以看出，在觀測期間天津港絕大多數時間各個站點的泥沙輸運都是東向的也就是離岸方向，只有少數情況下是向岸方向的，并且向岸的輸運都非常小。就各個時間累積的總體來看，4 個站點的計算結果都是離岸方向的，其中C3 站點的離岸趨勢最大，而距離岸邊最近的C4 點趨勢最小。

圖7 天津港不同時期懸移質計算結果的對比

表3 天津港4 個觀測點的懸移質輸沙率（kg/s·m）

3 小結

本文運用天津港附近4 個站點的實測海流及懸沙濃度數據對單寬懸移質輸沙進行了計算，初步獲得了港區附近懸移質輸運在空間和時間上的特征，8月（豐水期）較11月（枯水期）懸移質的輸運更強一些，C3 站的輸運最大，離岸最近的C4 站輸運最小，而且兩個月份的總體趨勢在各個站點都是離岸輸運的。

當然，本文計算的只是得到了港區及航道附近泥沙輸運的一種主要方式——懸移質的輸運特征，不能代表全部的泥沙輸運，如底部的推移質運動等，今后的工作中一方面要繼續觀測本港區的懸移質輸運情況，以便獲得更多的數據來進一步分析、統計懸移質的輸運量和主要方向，另一方面也要加強對整體泥沙輸運的研究，比如觀測方法的改進、利用懸移質輸運計算整體泥沙輸運的方法以及運用實測數據建立泥沙輸運的合理數值模型等等。

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