濱州港附近海域水沙環境特征分析

左 軍，嚴 冰，劉 濤，侯志強

（1.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司,天津300452；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300452）

濱州港附近海域水沙環境特征分析

左 軍1，嚴 冰2，劉 濤2，侯志強2

（1.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司,天津300452；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300452）

通過氣象、水文、泥沙等實測資料和匯總已有研究成果，分析了濱州港海區水動力、泥沙環境和航道淤積情況特征。研究結果表明：（1）濱州港附近海域屬不正規半日潮海區，潮流屬于規則半日潮流，基本呈往復流形式運動；（2）波浪以風浪為主，常浪向ENE，強浪向ENE；（3）濱州港位于粉沙質海岸，正常天氣條件下水體含沙濃度較低，大風天泥沙運動活躍，含沙量較高，-6 m等深線處底層含沙量可達為5 kg/m3以上；（4）濱州港外航道淤積的主要泥源為風浪和潮流作用下灘面泥沙的搬運輸移，2015年11月寒潮大風濱州港外航道平均淤積厚度約1.8 m，最大淤厚達4.0 m。

濱州港；水動力；泥沙；航道淤積；粉沙質海岸

根據《濱州港總體規劃》［1］，濱州港將形成以海港港區為核心，套爾河港區、大口河港區為補充的“一體兩翼”港口總體發展格局。其中，套爾河港區規劃建設1 000～5 000 t級泊位150個左右，設計年通過能力5 000萬t以上；大口河港區規劃建設大口河東岸及魯北運河1 000～3 000 t級泊位20個，設計年通過能力500萬t；海港港區規劃建設各類泊位120個，形成深水碼頭岸線42.5 km，港口用地約57.5 km2。目前，海港港區現有500～3000 t級泊位10個，3萬t級碼頭2個，引堤約14.6 km，已建成3萬t級航道，航道總長約17.5 km，0+ 000～0+946段航道走向203.60°～23.60°，0+946～17+500段航道走向244.50°～64.50°，航道有效寬度120 m，設計底高程-10.4 m（以當地理論最低潮面為基準面，下同）。

濱州港位于典型粉沙質海岸，其北側緊鄰的黃驊港建港較早，經歷了嚴重的航道淤積，一度影響港口的正常運營。濱州港的建設、發展和運營必須密切注意泥沙淤積問題，掌握航道回淤原因與規律，因地制宜的采取有效措施，才能得以跨越障礙、發展壯大。因此，了解和掌握濱州港所在海域水文和泥沙環境特征是解決泥沙問題的基本前提。對濱州港的研究主要分為兩個階段。20世紀90年代主要針對套爾河港區的建設開展相關研究：黃世光［2］利用多年海圖地形數據分析了套爾河灣海域及黃河改道后三角洲的沖淤演化規律，認為該海域5～10 m海域的坡度小于1/2 000，是平衡剖面海域的標志，小于1/500，是向平衡坡面發育的標志；蔣雎耀等［3］綜合實地勘測資料，對河口的動力地貌特征、淺灘成因與演變趨勢等進行了分析，并通過河口潮流物模試驗，確定了整治攔門沙淺灘航道的工程方案，建議在河口處采用雙堤環抱的掩護方案；王宗濤等［4］對套爾河成因以及港口航道建設過程中的若干資源保護進行了分析。隨著海港港區的規劃和建設腳步的加快，2007年以后又開展了新一輪的研究工作。郝品正等［5］利用分析計算的方法對外航道大風天泥沙驟於情況進行計算和分析；李金合等［6］通過衛星遙感影像分析了海港港區含沙量分布特征，認為高含沙水體可達-6 m等深線以遠的區域；郝媛媛等［7］、李建偉［8］分別對濱州港海域沉積物特性進行了分析；徐有明等［9］采用數值模擬的方法分析了風暴潮對渤海灣西南岸貝殼堤岸灘的影響。本研究收集了大量實測資料，匯總已有研究成果，對濱州港水文和泥沙環境特征進行深入分析，為解決泥沙淤積問題奠定基礎，也為其它相關研究提供基礎資料。

1地質地貌特征

1.1地理區位

濱州港位于山東省北部，渤海灣西南岸（圖1），處于京津冀和山東半島兩大經濟發達地區的連接地帶，距河北黃驊港約12 km，距東營港約90 km，距天津港約74 km，距曹妃甸港約79 km，既是環渤海經濟圈與膠東半島的交匯點，又是山東省對接天津濱海新區最近的口岸，是連接山東半島城市群與中西部省市的橋梁，也是連接環渤海經濟圈的主要樞紐，是魯西北地區唯一的貨物進出口岸，具有得天獨厚的區位優勢，已被山東省政府列入山東半島港口群的重要組成部分，成為“環渤海經濟圈”的關鍵一環、“半島城市群”重要一翼和濟南都市圈的主要成員。

圖1 濱州位置示意圖（2016年3月衛星影像）Fig.1 Position of Binzhou Harbor（satellite image in 2016.3）

1.2地質地貌特征

渤海灣西南岸是黃河尾閭多次擺動形成的粉沙淤泥質海岸。套爾河（徒駭河和秦口河交匯以后的入海河道）以西屬于古黃河三角洲，套爾河以東至挑河之間屬于1904～1926年黃河在這一帶入海形成的近代三角洲，挑河以東則屬于現代黃河三角洲的范圍［2］。

公元1048年，黃河自馬頰河以北地區入渤海的古河道，由于攜帶大量泥沙入海，形成了大口河三角洲。此后，本區海岸經過兩次大的侵蝕過程。公元1128年，黃河改道南遷以后，由于本區海岸帶的河流輸沙銳減，海洋動力作用相對加強，古三角洲被沖蝕消散，海岸線逐漸夷平。第二次侵蝕發生在現代黃河三角洲形成以來，黃河入海流路東遷以后，本海域因沿岸輸沙不足而進行調整，沿岸貝殼堤不斷侵蝕后退，水下岸坡變陡。在侵蝕過程中，泥沙運動總趨勢為由南向北的沿岸輸移。本區海岸經過約800 a的廢棄破壞，目前已進入廢棄演變的老年期而逐漸趨于穩定。從2000～2014年多幅衛星遙感影像分析可見，濱州港海域附近岸線變化基本來自于人工圍墾和工程建設，自然岸線在近20 a呈基本穩定趨勢［10］。

2水動力環境特征

2.1風況

濱州港無長期實測風資料。黃驊新村氣象站（38°16'N，117°51'E）距濱州港較近，約20 km，其數據具有代表性。據實測風資料統計，黃驊港地區全年以E、SW向風最多，S、NE向風次之，WNW向風出現的頻率最少。大于6級大風的風向主要為NE～E向，出現頻率為68.7％；從月季變化來看，夏、冬兩季大風出現的次數較低，分別占全年的12.6％；而到秋季大風次數開始增加，大風天出現次數占全年的22.6％，春季（3～5月）大風天出現次數最多占全年的52％。春、秋兩季是本海域大風出現頻率較多季節，也是外航道出現嚴重驟淤的主要季節。強風向為NE～E，航道出現嚴重驟淤基本為這一風向造成。

圖2 6級以上大風年際變化（1998～2015）Fig.2 Number of winds more than strong breeze and the total wind energy（1998～2015）

本區大于6級風、連續作用4 h的大風出現次數有明顯的年際不等現象，大風出現次數有多有少，臨近年份變化幅度較大，沒有明顯的變化規律。近18 a（1998～2015），最多40次/a，最少16次/a。累年大風能量呈波浪狀，約6 a出現一次大風年（圖2）。

2.2潮汐

根據2006年9月～2007年8月為期一年的實測資料可知，本海區潮汐形態系數0.67，屬于不正規半日潮海區。平均高潮位3.16 m；平均低潮位1.22 m；平均潮差1.94 m；平均海平面2.15 m。

工程海區極端高水位5.14 m；設計高水位3.58 m；設計低水位0.54 m［11］。

2.3潮流

根據2014年4月大、中、小潮實測資料，各站潮流形態系數在0.26～0.48之間，平均為0.33，小于0.5，濱州港海域潮流屬于規則半日潮流。本海域潮流流速較小，漲、落潮段平均流速分別為0.36 m/s和0.34 m/s，漲潮段流速略大于落潮段；漲潮最大流速0.93 m/s，流向為246°，落潮最大流速0.67 m/s，流向為89°；漲、落潮流平均歷時分別為6 h 8 min和6 h 15 min，漲潮流歷時略小于落潮流歷時。從總的趨勢上看，本海域潮流基本呈往復流形式運動，外海漲潮流向基本呈東西向，落潮流相反，近岸水域受岸線和地形約束，流向有所偏轉，外海流速略大于近岸流速。

2.4波浪

2006年9月～2007年8月港區附近約-6 m水深處波浪觀測資料表明，該海域常浪向ENE，頻率為16.22％，次常浪向E，頻率為14.54％；強浪向ENE，H4％＞2.0波高的頻率為0.94％。次強浪向為WSW，H4％＞2.0波高頻率為0.33％。渤海灣為半封閉的內海，外海大浪不易傳入，波浪以風浪為主，其變化規律主要受海面風場的變化規律控制。1月份N向浪偏多，6月份SE向浪偏多，其余各月均以E到NE向浪居多；6月、7月、8月、9月波浪較小，8月份波浪最小；3月、10月、11月、12月份波浪多發。

圖3 -6 m水深處波浪玫瑰圖Fig.3 Wave rose diagram at the position of-6 m

3泥沙環境特征

3.1灘面底質粒徑分布特征

2009年5月對海區表層沉積物進行了調查取樣分析，取樣范圍自0 m等深線向外至-14 m等深線。濱州港灘面泥沙中值粒徑存在兩個特點：一是近岸相對較粗、外海相對較細，近岸區域多為0.04～0.06 mm粒徑的分布區，外海則多為0.02～0.004 mm粒徑的分布區；二是東部較粗、西部較細，東部粗顆粒（0.04～0.06 mm粒徑）分布面積明顯大于西部。

從2006年黃驊港海域底質調查的平均中值粒徑來看，也表現出東側泥沙顆粒粗于西側，這與渤海灣泥沙北部為淤泥質海岸、南側為粉沙質海岸，泥沙顆粒整體上呈自北向南逐漸變粗的分布規律一致。黃驊煤港航道以東泥沙明顯粗于航道以西，航道以東（濱州港與黃驊港之間）平均中值粒徑0.038 mm，航道以西平均中值粒徑0.02 mm。粒徑最粗的區域在套爾河口北側與大口河南側0～5 m近岸區域，中值粒徑最大達0.04～0.6 mm，由此向西北方向呈由粗而細的變化趨勢，最細處泥沙中值粒徑在0.01 mm以下。套爾河口附近至南排河口附近，泥沙D50＜0.01 mm粒級的泥沙百分含量呈規律性的增長趨勢，自9.4％增至43.07％，航道南側細顆粒的平均百分含量為13.16％，航道的北側細顆粒百分含量為34.83％，相差21.67％，從各斷面細顆粒沙泥百分量變化趨勢看，也明顯表現出上述特征，航道南側細顆粒泥沙的平均百分含量由9.4％，增至21.50％；航道北側細顆粒百分含量由28.20％增至42.30％，相差幅度較大。

3.2含沙量

（1）正常天含沙量。

2014年水文全潮測驗資料顯示，濱州海域水體含沙濃度平面分布，基本呈現近岸低遠岸高的分布規律。-15 m等深線附近平均含沙量在0.074 kg/m3左右，-10 m等深線附近平均含沙量在0.065 kg/m3左右，-7 m等深線附近平均含沙量在0.045 kg/m3左右。漲、落潮含沙量差異不顯著。大潮和中潮含沙量大于小潮含沙量，平均含沙量分別為0.072、0.077和0.04 kg/m3。大潮最大含沙量0.133 kg/m3，中潮為0.147 kg/m3，小潮為0.062 kg/m3。

（2）大風天含沙量。

大風天海況惡略，含沙量觀測困難，相關資料尤為寶貴。2008年1月11～13日濱州港海域發生一次大風過程，歷時48 h，風力為6～7級，陣風8級，最大風速16 m/s，對應風能相當于10 a一遇。大風過程中在-2 m、-6 m、-10 m等深線分別對波浪、底部（床面以上0.5 m）含沙量進行了觀測。隨后，1月15日又進行了大風后含沙量追測。根據以上資料［12］，此次大風天氣含沙量呈現如下幾個特點：

（a）大風天含沙量較正常天氣條件明顯增大，整體上呈近岸向外海逐漸遞減的趨勢。在大風天期間，底部最大含沙量-2 m處為5.27 kg/m3，-6 m處為5.11 kg//m3，-10 m處為4.43 kg/m3；在風速較大的1月12日0：00至1月13日12：00的36 h時段中，底部平均含沙量-2 m處為3.37 kg/m3，-6 m處為2.93 kg/m3，-10 m處為2.75 kg/m3。

（b）含沙量與波浪強度密切相關，波高越大，底部含沙量越高。當波高小于0.5 m時，-6 m、-10 m處底部含沙量一般在1.5 kg/m3以下，-2 m處一般在2.0 kg/m3以下；當波高達到2.0 m時，-2 m、-6 m處底部含沙量一般在4.0 kg/m3以上，-10 m處在3.0 kg/m3以上。

（c）底部最大含沙量出現的時刻滯后于最大波高出現的時刻6～13 h。-2 m水深，最大波高（Hmax）3.59 m，周期4.64 s，發生在12日4時，底部最大含沙量出現在12日11時；-6 m水深，最大波高3.54 m，周期5.32 s，發生在12日2時，底部最大含沙量出現在12日8時；-10 m水深，最大波高5.97 m，周期5.39 s，發生在12日1時，底部最大含沙量出現在12日14時。

（d）風速減弱，波浪快速減小，底部高含沙量依然要維持較長時間，該現象離岸越近越為顯著。1月12日14：00～22：00，-2 m水深處波高從2.29 m衰減至0.75 m，底部含沙量沒有減小趨勢，平均3.2 kg/m3左右；至13日7：00，底部含沙量仍在基本維持這一水平；此后底部含沙量開始逐漸降低，至13日14：00，減小至1 kg/m3左右。

（e）大風天后追測水域（-2～-10 m）平均含沙量為0.34 kg/m3；垂線平均含沙量沿航道軸線向外海逐漸遞減的分布，-2～-6 m水域垂線平均含沙量0.54 kg/m3，-6～-8 m水域垂線平均含沙量0.32 kg/m3，-8～-9 m水域垂線平均含沙量0.23 kg/m3，-10 m水深處垂線平均含沙量0.18 kg/m3。

圖4 大風天不同水深處底部含沙量變化過程Fig.4 Suspended sediment concentration near bed during the strong wind weather

3.3泥沙來源

濱州港海域泥沙來源主要河流徑流下泄泥沙、岸灘侵蝕泥沙和灘面當地掀沙三方面。

（1）河流徑流下泄泥沙。

濱州港河口港區位于套爾河口外。1976年以來，由于黃河人工改道改走清水溝流路，套爾河與黃河來源的泥沙斷絕，而由徒駭河與秦口河交匯后入海。秦口河為黃河決口沖成的自然潮汐通道，基本無泥沙下泄；徒駭河由于其本身水量不大，加以近年來上游持續建閘，每年進入套爾河干流的沙量不足45萬t，進入外海的泥沙量則更少。

根據遙感影響分析［6，10］，套爾河口水域含沙量明顯高于其他區域，原因在于套爾河口下泄泥沙主要在河口附近落淤，并經長時間沉積形成大片粉沙質淺灘，在風浪作用下，該區域高含沙量范圍較大。通常，表層含沙量可達0.2～0.5 kg/m3，其影響范圍可達-2 m等深線附近。在較大風的作用下，潮流、風生流、波生流以及風增水作用疊加在一起，可能會形成比較復雜的向外水流或環流，攜帶泥沙向外輸運，可達-5 m等深線附近或更遠，可對航道淤積產生一定程度影響。

（2）海岸侵蝕物質輸移入海。

近幾十年來，濱州港海域岸線主要以沖刷為主，沖刷侵蝕后形成的泥沙顆粒，一部分就近堆積于海岸附近；另一部分，特別是濱州港北側近岸泥沙在風浪和落潮流的作用下，沿防波堤向外海輸送，成為外航道淤積的部分泥沙來源。

（3）灘面當地掀沙。

在大風條件下，較強波浪掀起大量灘面泥沙，隨潮流漲、落反復搬運，較長時間內以懸移質形態存在，而當波浪動力和潮流流速減弱時，水體中的懸沙含量將處于超飽和狀態，引起落淤，特別是在水流跨越航道過程中，由于水動力減弱，泥沙可迅速沉降，造成航道短期強淤。

綜合來看，濱州港外航道淤積的主要泥源為風浪和潮流作用下灘面泥沙的搬運輸移，近岸侵蝕泥沙和套爾河口下泄泥沙亦將對航道淤積產生一定影響。

3.4岸灘演變情況

據1959～1989年的歷史海圖地形比較（圖5），30 a間水下各等深線均微沖，河口西南部沖幅明顯大于西北部。同時河口附近深槽也向海推進并展寬，表明海洋動力在近期岸灘演變中起主導作用。30 a間，-5 m線向岸推進1.5～2.1 km，年均向岸逼近50～70 m；河口口門西側0 m等深線沖刷較強，其向岸推進距離為2.3 km，年均76.7 m，為本區向岸推進最大值；口門東側0 m等深線線則表現為淤積，淤進幅度為750 m，年均25 m。

圖5 1959～1989年水深對比圖Fig.5 Topographies in 1959 and 1989

據2005～2010年的歷史海圖地形比較（圖6），近年來濱州港海域等深線無論從形態還是位置均達到一定的一致性，岸灘沖淤基本呈動態平衡趨勢。

圖6 2005～2010年水深對比圖Fig.6 Topographies in 2005 and 2010

4航道淤積情況

2015年11月5～7日濱州海域經歷了一次寒潮大風過程。6級以上大風共持續48 h，其中6級大風持續7 h，平均風速為11.6 m/s；7級大風持續27 h，平均風速為15.6 m/s；8級大風持續14 h，平均風速為17.7 m/s。本次大風初始風向為E，后轉為ENE，最后轉為NE向，其中E向持續25 h、ENE向持續14 h、NE向持續9 h。從風能量上看，本次大風重現期約為25 a一遇。此次大風對濱州港3萬t級航道航造成了嚴重的淤積（圖7），淤積分布特征有：

（1）整條外航道均有大量泥沙回淤，整個外航道平均淤積厚度約1.8 m；

（2）6.25～8.75 km航段航道基本消失，最大淤強4.0 m，發生在口門外約5.5 km位置；

（3）口門外1.5 km范圍內航道發生沖刷，最大沖刷深度約0.71 m，平均沖刷深度0.38 m；

（4）口門以內淤積相對較少，淤積厚度基本在0.5 m以內。

與濱州港緊鄰的黃驊港，其外航道淤積也主要來自大風淤積，特別是向岸大風。有記錄以來，大風淤積幾乎均為E～NE向大風造成，每年較為明顯的大風淤積次數平均為7次，淤積量均較大。2003年10月大風重現期為45 a一遇，黃驊港外航道最大淤強達3.5 m，部分航段幾乎消失。與之相比，僅在25 a一遇大風作用下濱州港口門外局部航道就能淤平，從一定程度上表明，濱州港所在位置泥沙環境比黃驊港更為嚴峻，應密切注意泥沙淤積問題。

圖7 濱州港2015年11月大風作用下航道淤積Fig.7 Channel siltation of Binzhou Port during strong wind in November 2015

5結論

本文收集大量實測資料，匯總已有研究成果，對濱州港水文和泥沙環境特征進行了深入分析，主要結論有：

（1）濱州港位于山東省北部，渤海灣西南岸，所在海岸為粉沙質海岸，泥沙運動活躍。

（2）所在海域屬不正規半日潮海區，平均潮差1.94 m；海域潮流屬于規則半日潮流，基本呈往復流形式運動，外海漲潮流向基本呈東西向，落潮流相反，潮流流速較小，漲、落潮段平均流速分別為0.36 m/s和0.34 m/s。

（3）本海域常浪向ENE，次常浪向E，強浪向ENE，次強浪向為WSW。波浪以風浪為主，其變化規律主要受海面風場的變化規律控制。3月、10月、11月、12月份波浪多發。

（4）濱州港灘面近岸相對較粗、外海相對較細，東部較粗、西部較細。

（5）正常天氣條件下水體含沙濃度較低，基本呈現近岸低遠岸高的分布規律。-7～-15 m等深線附近平均含沙量在0.045～0.074 kg/m3間變化，漲、落潮含沙量差異不顯著。

（6）大風天含沙量較正常天氣條件明顯增大，整體上呈近岸向外海逐漸遞減的趨勢；含沙量與波浪強度密切相關，波高越大，底部含沙量越高；底部最大含沙量出現的時刻滯后于最大波高出現的時刻6～13 h。

（7）濱州港外航道淤積的主要泥源為風浪和潮流作用下灘面泥沙的搬運輸移，近岸侵蝕泥沙和套爾河口下泄泥沙亦將對航道淤積產生一定影響。

（8）2015年11月寒潮大風對濱州港3萬t級航道航造成了嚴重的淤積，外航道平均淤積厚度約1.8 m，最大淤強達4.0 m。

濱州港位于粉沙質海岸，緊鄰黃驊港，其泥沙環境較黃驊港更為嚴峻，應密切注意泥沙問題，深入開展相關研究，掌握航道回淤原因與規律，因地制宜的采取有效措施。

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Hydrodynamics and sediment characteristics in the sea area of Binzhou Port

ZUO Jun1，YAN Bing2，LIU Tao2，HOU Zhi?qiang2
（1.Tianjin Beiyang Water Transport&Hydraulic Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China；2. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China）

Based on the measured data of meteorological，hydrological and sediment data and the summary of the existing research results，the characteristics of hydrodynamics，sediment environment and channel siltation in Binzhou port were analyzed.The results show that the tide near Binzhou port is irregular semidiurnal tide，current is regular semidiurnal current and reciprocating flow.Wind wave is the dominant wave pattern，main direction of waves is ENE and direction of strong waves is ENE.Bizhou port is located in the silty coast.The suspended sedi?ment concentration is low under calm weather and is high under strong wind weather.The concentration near bed can reach to above 5 kg/m3at-6 m.The main source of channel siltation is the sediment transport under waves and current.The averaged deposition thickness of the outer channel is 1.8 m and the maximum thickness is 4 m.

Binzhou port；hydrodynamics；sediment；channel siltation；silty coast

TV 148

A

1005-8443（2016）04-0385-07

2016-04-20；

2016-05-17

國家自然科學基金資助項目（51209111）

左軍（1982-），男，山東省人，工程師，主要從事港口航道與海岸工程研究。

Biography：ZUO Jun（1982-），male，engineer.