天津港30萬噸級航道建成后港區泥沙回淤分析

劉維利，溫春鵬

(1.天津港(集團)有限公司，天津 300456；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

天津港地處渤海灣西端，位于環渤海地區港群的中心位置，連接東北亞與中西亞，是京津冀的海上門戶，是新亞歐大陸橋重要節點、21世紀海上絲綢之路戰略支點。天津港是建立在淤泥質淺灘上的港口，在其發展歷程中，泥沙的淤積問題曾經是制約天津港發展的因素，經過幾代人的共同努力，隨著港口深水化、專業化戰略的實施，天津港由嚴重淤積型港口逐漸轉變成為了目前的輕淤型港口，港口的吞吐量也從原先的幾百萬噸上升至數億噸。

為了配合深水化建設，天津港航道等級也在不斷的提升，相繼完成了10萬t級、15萬t級、25萬t級航道工程的建設，水深由-13.9 m增加到-19.5 m。目前，天津港30萬t級航道工程也已經竣工，30萬t級船舶可自由進出港口，天津港已成為世界一流的人工深水港。

天津港以往的泥沙研究[1-8]較多，而30萬t級航道建成后的研究相對較少，泥沙淤積仍然是港口關心的主要問題，為保證航道的通航要求，天津港每年都要對航道進行維護疏浚，而掌握港口的回淤狀況和規律，不僅與港口的維護疏浚費用直接相關，而且對港口的建設與發展十分重要，由于天津港泥沙淤積問題十分復雜，與水文特征、泥沙特性、港口邊界等多種因素有關，因此，本文將從以上幾方面展開分析，分析論述天津港30萬t級航道條件下的泥沙淤積規律，以期為天津港每年度的維護疏浚計劃的制定提供依據。

1 港口現狀

天津港是中國最大的人工港，港區面積近300 km2，其中陸域面積107 km2。港區共有各類泊位143個，碼頭岸線長31 366 m，設計通過能力3.690 8億t泊位。根據已批復的《天津港總體規劃》，天津港將形成“一港八區”的空間格局，即形成北疆、東疆、南疆、大沽口、高沙嶺、大港、海河和北塘八個港區。其中，30萬t級航道所處的北疆港區以集裝箱干、支線運輸為主，兼顧鋼鐵、糧食、商品汽車等貨類運輸的大型綜合性港區。依托天津港保稅區、北疆集裝箱物流中心，發展現代物流、保稅倉儲、金融商貿、航運服務等功能。

天津港主航道于1952年開通，為單向航道，航道底寬60 m，設計底標高-6.5 m，經過多年的發展，相繼完成了10萬t級、15萬t級、25萬t級航道工程的建設，目前，天津港30萬t級航道也已竣工驗收，航道長度47.5 km：航道里程12+200～36+000段，設計底標高-22.0 m，通航底標高-21.4 m，航道有效寬度397 m；航道里程36+000以外段，設計底標高-22.0 m，通航底標高-21.4 m，航道有效寬度為320 m。在主航道兩側建有萬t級小航道(航道里程15+0～22+5附近)，寬度100 m，設計底標高-9 m，大小船分道航行，互不干擾。

圖1 天津港航道現狀平面圖Fig.1 Sketch of navigational channel in Tianjin Port

2 港區水文泥沙條件

2.1 潮流

天津港水域在各個不同階段進行過多次的水文觀測，根據觀測資料也可以發現，各個階段的潮流特征并未出現明顯的變化：(1)天津港潮波具有明顯的駐波特征，即在高、低平潮時流向轉折，流速最大時刻出現在中潮位附近。(2)天津港海域潮流運動基本呈現往復流特征，外部漲潮主流向WNW，落潮主流向ESE，近岸時，受港口建筑物的影響，水流呈現沿岸或建筑物邊緣流動，港內流速受邊界的控制，形成口門段流速最大，越向港內流速越小。整體來看，天津港海域的流速呈現近岸小、外海大的分布趨勢，另外，本海域各個位置的流速均呈現漲潮流速大于落潮流速的特征，最大流速可達1 m以上。

2-a 漲潮情況 2-b 落潮情況圖2 天津港流場模擬情況Fig.2 Simulation of the flow field in Tianjin Port

2.2 波浪

圖3 天津港海域風浪玫瑰圖Fig.3 Wind and wave rose illustration of Tianjin Port area

天津港海域波浪由純風浪和混合浪組成，且大風時產生大波浪的主要因素，風浪為海區的主導波浪。由于海域波浪以風浪為主，變化特征與風場變化對應，因此，波浪特征具有明顯的季節性變化：春季(3～5月)風浪多來自NE—E向，為強浪季；夏季(6～8月)風力小、波浪偏小，為弱浪季；秋季(9～11月)為過渡性季節，大浪多來自NW—E向，NW向為最強；冬季(12～2月)波浪主要來自NW向。對于天津港地區而言，NW—NNW向為順岸及離岸向，對港區影響相對較小，而ENE—E向是產生泥沙運動較為強烈的主要浪向，在此影響下天津港的淤積現象也最為嚴重。

2.3 水體含沙量

天津港海域泥沙的運動形式主要是以懸沙輸移為主，在波浪和潮流的共同作用下，灘面泥沙被起動懸揚，在水流的帶動下運移到開挖水域，隨著流速的降低，部分泥沙開始逐漸落淤，即通常所說的“波浪掀沙，潮流輸沙”。由此來看，水體中含沙量的大小直接關系到港區的淤積情況，因此，了解含沙量的大小和分布情況，對于掌握泥沙淤積規律至關重要。

天津港所處海域的含沙量縱向分布呈現由岸向海逐漸增大的規律，-2 m等深線含沙量在0.1～0.2 kg/m3之間，-5 m等深線處含沙量在0.1 kg/m3左右，再向外含沙量逐漸降低，整體來看海區在小風天時的含沙量相對較低，較高的含沙水域主要是集中在破波帶以內。

對于天津港港區來看，含沙量分布口門外大于港內，且港內以遠離口門的港池內端含沙量最小，口門以外的平均含沙量約為0.1 kg/m3，港內的含沙量在0.01～0.06 kg/m3之間，漲、落潮時的含沙量在平面分布上基本相同，但在數值上漲潮略大于落潮。

2.4 底質情況

從實測資料來看，天津港的底質情況有以下特征：

(1)本海域表層沉積主要是以粘土質粉砂和粉砂質粘土為主，粘土含量平均為32.9%。

(2)該海域的沉積物粒徑偏細，中值粒徑在0.005 4～0.007 8 mm之間，平均為0.006 2 mm，粒徑級差小，變化幅度不大：從橫向分布看，天津港的底質泥沙基本呈現出港內泥沙較細，口門至外海由粗到細的分布規律；從縱向分布看，沉積物粒徑最細的區域分布在主航道以北，分布面積較大，另外在靠近錨地區航道以南也有大面積的分布；大于0.007 mm粒徑的區域南側多于北側；從時間分布看，夏季為小風浪季節粒徑較細，冬季為強風浪季節泥沙粒徑較粗，這與含沙量的變化也是相應的。

(3)本區沉積物分選系數在1.06～2.39之間變化，屬于分選程度中常范疇。

圖4 底質情況示意圖Fig.4 Sketch of sediment condition

2.5 泥沙來源

建閘前，海河口多年平均入海沙量428萬t，這些泥沙是影響河口沖淤變化的主要來源，但在1958年河口建閘后，隨著上游下泄徑流的日趨銳減，入海泥沙越來越少。據1958～1995年資料統計[9]，多年平均入海沙量僅為10萬t，呈逐年遞減的趨勢，特別是在1980年以后，河口下泄徑流量和泥沙量幾乎接近于0，因此入海泥沙已不是該海區泥沙的主要來源。

海河口淺灘上的細顆粒泥沙被風浪掀起，并在潮流作用下有規律的沖蝕輸移淺灘的泥沙，使懸揚起來的泥沙隨漲落潮在河口區來回運移、沉積或沖刷，這是該海區泥沙運動的主要形式。根據懸沙遙感分析，含沙量相對較高的區域主要集中的近岸地區，且懸沙運動主要為淺灘水域的局部泥沙搬運，因此近岸淺灘泥沙的起動與搬運成為海域泥沙主要來源。

3 回淤泥沙的水力特性

泥沙的物理特性以及水力特性是分析港口泥沙淤積的重要參數，因此，弄清楚天津港淤積泥沙的基本特性可為分析天津港現狀情況下的淤積規律提供更加可靠、準確的依據。

泥沙水力特性包括泥沙的起動流速、沉降速度和密實情況等。

(1)起動流速。泥沙的起動流速是泥沙運動的重要參數，泥沙起動流速是反映床面上泥沙由靜止狀態到開始運動、懸揚的臨界水流條件，對于計算港池航道的淤積情況具有重要的意義。

起動流速的測定一般在環形水槽或者長水槽中進行，泥沙的起動與泥沙達到的濕容重、水深、波浪等諸多因素有關，在測定過程中將綜合考慮這些因素，根據交通運輸部天津水運工程科學研究所在波流水槽內進行的泥沙起動試驗結果(試驗中采用的泥沙容重為1 400 kg/m3，水深為0.4 m)，當流速較小時，水體中的含沙量極小，床面泥沙基本保持靜止狀態；隨著流速的不斷增大，床面部分泥沙發生運動，含沙量數值有所增加；當流速達到0.5 m/s時，水體明顯變渾濁，水體含沙量明顯增大，之后隨著流速的增加，含沙量也持續加大，因此將0.5 m/s確定為泥沙的起動流速，轉換成摩阻流速為2.04 cm/s。

(2)沉降速度。泥沙沉降是測點泥沙在水中的下沉速度，稱為沉降速度或簡稱沉速。泥沙在水流中的沉降速度受泥沙粒徑、含鹽度、含沙濃度、水體溫度等多種因素影響。為了能確切地反映在工程區域水流、含鹽度等自然狀態下的泥沙沉降速度，采用現場實測資料統計的懸浮泥沙含量分析結果和工程區多年平均鹽度，在環形水槽內展開泥沙動水沉降試驗，通過試驗分析，發現：泥沙沉速除了受本身特性控制外，還與周圍介質條件(含沙量、流速等)有密切的關系：初始含沙量對沉速的影響較大，在一定范圍內沉速與含沙量成正比，含沙量越大，沉降速度越大；另外，沉速也隨水流流速的變化而變化，流速越大，對泥沙沉降的阻力越大，泥沙沉速越小(表1)。

表1 天津港港池航道回淤物沉降速度Tab.1 Settling velocity of sediment in the basins and channels of Tianjin Port cm/s

注：初始條件為含鹽度30‰、溫度20℃

圖5 航道回淤物密度變化情況Fig.5 Density variation of sediment in channel

以往研究表明，細顆粒泥沙在靜水中沉降有兩種形式，一是泥沙屬于分散體系，每個顆粒在沉降過程中各自的沉速；另一種則是在含沙量達到一定程度后，呈現出一個明顯的清渾水交界面，清渾水交界面的沉降速度可分為3個階段：一是均勻沉降段、二是過渡沉降段、三是壓縮沉降段。均勻沉降段的沉降速度在航道回淤計算和疏浚挖泥中具有重要意義。一般來說，泥沙粒徑是影響密實速度的重要因素，粒徑越細密實越為緩慢，根據密實試驗結果(密實筒高度3 m、含鹽度30‰、溫度20℃)，利用天津港航道回淤物配置的初始容重為1 050 kg/m3的泥樣在密實60 d后平均容重可達到1 410 kg/m3。

4 港區淤積情況分析

目前天津港口門位置位于-5 m等深線，至此含沙量比較低，口門處年均含沙量約0.1 kg/m3。30萬t級航道工程實施后，根據實測水深數據以及數學模型對港池航道的淤積情況進行了模擬和統計。

圖6 30萬t級航道(12+0～47+5)沿程淤積強度分布情況Fig.6 Distribution of sediment thickness in 300,000 dwt waterway(12+0～47+5)

首先，利用2016～2017年天津港實測水深圖提取出固定斷面的實測水深數據，并計算各斷面的平均水深和各月份的水深變化情況，以此來統計分析港池、航道的淤積強度和淤積量，之后利用波浪潮流泥沙數學模型對30萬t級航道條件下港區的淤積情況進行了模擬，并與基于實測水深圖分析的淤積分布進行對比，從而提高結果的準確度。

4.1 航道淤積情況

(1)口門以里由于回流的存在，流速相比口門(位于航道里程16+0處)有所降低，30萬t級航道內的落淤泥沙略有增多，該段最大年淤強位于航道里程15+0附近，約為0.72 m/a；港內落淤的泥沙主要是外海漲潮流挾帶進港，從口門向里，含沙量沿程落淤，隨流速和含沙量的逐漸減小，航道內淤強呈遞減趨勢。

(2)口門以外航道的主要淤積部位在16+0～25+0段，最大淤強位于航道里程18+0，約為0.75 m/a，沿航道里程向外，流速增加，含沙量減小，淤強分布也呈減小趨勢。

總體來說，天津港航道主要淤積部位在12+0～25+0段；淤積分布呈雙峰型，口門內外兩側淤強較大，然后沿航道向兩側，淤強呈減小趨勢；航道12+0～47+5段最大淤強約為0.75 m/a，位于航道里程18+0處，總淤積量約433萬m3。

(3)北側復式航道年平均淤強為0.35 m/a，淤積量為100萬m3；南側復式航道年平均淤強為0.30 m/a，淤積量為22萬m3；主航道0+0～12+2段，淤積量為96萬m3，北航道平均淤強為0.20 m/a，淤積量為69萬m3。

表2 航道淤積情況匯總表Tab.2 Summary of the channel siltation

4.2 港內淤積情況

(1)泥沙隨漲潮潮流進入口門后，由于口門段回流的存在，流速降低，水中懸浮的部分泥沙開始落淤沉積，較細顆粒隨水流向港內繼續運動并不斷落淤；距離口門越遠，水體中剩余的泥沙含量就會越低，因此，離口門越遠的區域淤強越小。

式中：u為負荷轉移路徑需要的聯絡開關數量；k為此條轉移路徑的每一個聯絡開關；Ck為此聯絡開關閉合所花費的時間，Ck可以取標幺值，其基礎量綱可根據實際設置。

(2)北航道附近港池的淤積分布與主航道基本一致，但由于北航道處港池挖深較小、落淤率較低，漲潮時水流先進入主航道再流入北航道，水體中挾帶的泥沙較主航道有所減少，因此，北航道處港池的淤積強度要略小于主航道處港池。

(3)30萬t原油港池設計水深21 m，與航道水深相近，位置處于航道里程14+0南側，最為靠近口門，因此，在所有港池中淤積最重，年平均淤強為0.81 m/a，沿口門向里淤強逐漸降低，到達一港池處淤強降為0.10 m/a。

天津港港池泊位總面積756.3萬m2，淤積量為259萬m3。

4.3 影響淤積的主要因素

天津港是建立在淤泥質淺灘上的港口，懸沙落淤是港口淤積的主要形式，一般來說，以懸沙落淤為主的港口，回淤強度與進港水體的含沙量、港池航道的開挖水深、港內未開發利用的淺灘水域面積以及一些工程建設有關。目前，天津港未有大規模的工程建設，防波堤及碼頭岸線已基本固定，水動力和泥沙環境也基本穩定，因此，造成直接影響的主要因素如下：

(1)進港水體含沙量。天津港整體上屬于雙堤環抱式港區，對于這種港區來說，進港水體的含沙量越大港內的淤積情況就越為嚴重，而水體的含沙量數值又與風浪的強弱、時長成正比關系，因此在大風期間，水體含沙量明顯升高，港內的淤積也明顯增大。另外，含沙量的平面分布特征也直接決定了港內泥沙的淤積分布特征，港內泥沙主要是漲潮流帶入的，隨著泥沙的不斷落淤，水體含沙量沿程逐漸減小，距離口門越遠的區域淤積就越小。

(2)疏浚工程。天津港每年都會對港區進行維護疏浚施工，挖泥船在施工過程中，由于機械的擾動等因素，導致底床大量泥沙被起動懸揚，使得施工區附近的水體含沙量明顯增高，當這部分泥沙運移到掩護區域時會逐漸落淤，直接影響其他區域的淤積情況，另外航道維護中采用的耙吸挖泥船在施工過程中有一道溢流工序，盡管溢出的是含泥沙濃度稍低的泥漿，但因溢流流量大，也會對四周水域造成二次回淤。

5 結論

通過對天津港海域水文泥沙環境以及港區回淤泥沙水力特性的分析，并結合實測水深數據以及數學模型計算，對天津港30萬t級航道條件下的港區淤積情況進行了綜合分析，得到以下結論：(1)天津港海域泥沙的運動形式主要是以懸沙輸移為主，在波浪和潮流的共同作用下，灘面泥沙被起動懸揚，運移到開挖水域時，隨著流速的降低，部分泥沙開始逐漸落淤，這是造成港區淤積的主要泥沙來源和原因。(2)港池航道回淤物的整體規律表現為港內泥沙較細，口門至外海由粗到細的分布規律，且回淤物主要是以粘土質粉砂和粉砂質粘土為主。(3)天津港航道主要淤積部位在12+0～25+0段；淤積分布呈雙峰型，口門內外兩側淤強較大，然后沿航道向兩側，淤強呈減小趨勢。(4)泥沙隨漲潮潮流進入口門后，隨著流速的降低開始落淤沉積，因此港內的淤積分布表現為距離口門越遠的區域淤強越小。(5)進港含沙量的大小以及疏浚工程將會對天津港港池航道的淤積產生直接影響。

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