盤錦港深水航道水沙環境特征分析*

嚴 冰，韓志遠，趙張益，楊 華

(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)

盤錦港是遼寧沿海地區性重要港口，位于遼寧省西南部，是沈陽經濟區與京津冀城市群之間的連接帶，地理區位優勢十分突出[1]。盤錦港曾有河口(遼濱港)和榮興兩個港區。河口港區1995年3月開工建設，2014年退出運營；榮興港區于2009年5月開工建設，2010年9月開港通航，2013年3月開通了首個集裝箱航線，2015年納入到“遼滿歐”“遼蒙歐”國際大通道建設之中，2018年成為“北糧南運”新通道糧食下水港，目前已形成約26 km2的陸域面積，投產5萬噸級以上泊位25個，現“盤錦港”專指該港區，是遼寧港口群的重要組成部分[2-5]。為滿足經濟發展需求，亟需提高盤錦港總體通過能力，進一步加強深水航道建設，將現狀5萬噸級航道擴建為10萬噸級航道。

盤錦港位于遼東灣灣頂，松遼平原南部，緊鄰遼河口和大遼河口，在淺灘上圍墾形成環抱式港區，口門位于5 m等深線(當地理論最低潮面)附近。現出港航道為5萬噸級航道，設計深度為12.6 m。盤錦港恰處于遼河口和大遼河口兩個水下三角洲邊緣的中間地帶，航道西側為蛤蜊崗子灘及遼河口入海水道，航道東側為大遼河口西灘和東、西水道(圖1)。港區東、西兩側近岸的低平潮灘、蛤蜊崗子灘和大遼河口西灘的灘頂高程均在0 m以上，落潮時出露水面；2 m等深線自外海繞過蛤蜊崗子灘和西灘分別深入盤錦港東、西兩側；5 m等深線在蛤蜊崗子灘和大遼河西灘之間深入至灣頂，并在蛤蜊崗子灘東緣向西北偏轉深入至盤錦港口門西側。由于漲、落潮流的沖刷，蛤蜊崗子灘東緣，距港口口門以南約2.2 km處，存在一個南北長約3 000 m、東西寬約700 m、水深超過10 m的沖刷帶。自然狀態下，外海10 m等深線向灣頂略有深入，距盤錦港口門最近約15 km。雙河口、灣頂、復雜的水下地形等因素綜合影響，使得盤錦港深水航道海域水沙環境復雜。本文綜合多次現場實測資料，分析盤錦港建設10萬噸級深水航道的水沙環境特征，討論航道回淤的泥沙來源和產生泥沙驟淤的可能性，為相關工作和后續研究提供參考。

圖1 研究區域位置

1 盤錦港深水航道水沙環境特征

1.1 波浪特征

盤錦海區目前無長期波浪觀測資料，短期資料亦較少。2009年在蛤蜊崗子灘東側深槽設立臨時測站(位置見圖1，2#站)，開展了為期1 a的波浪觀測[6]。

本海區以風浪為主。常浪向為SW向，出現頻率為22.2%；次常浪向為SSW和WSW向，出現頻率分別為16.6%、16.4%，3個方向合計55.2%；W向波浪出現頻率為12.3%；其它各向出現頻率均在5%以下(圖2)。

圖2 2009年波浪玫瑰圖

波浪動力不強，有效波高小于1.0 m波浪的出現頻率為89.1%，小于0.7 m的波浪頻率為66.6%，小于0.3 m的波浪頻率為25.8%。強浪向為SSW向，最大有效波高為2.22 m；次強浪向為WSW向、W向和SW向，最大有效波高分別為1.7、1.8、1.8 m。各月平均波高在0.2～0.6 m。

1.2 潮汐特征

本海域潮汐性質屬于非正規半日潮，存在潮汐日不等現象，屬中強潮海域[7-8]。根據四道溝水文站1952—1972年和2003年資料統計可知，最高潮位5.20 m(1956年9月4日)，最低潮位-0.30 m(1968年11月10日)，平均高潮位3.32 m，平均低潮位0.64 m，平均潮差2.74 m，最大潮差4.46 m。

1.3 潮流特征

2007年4—5月(建港前)、2013年11月(建港后)分別在大范圍海域和口門附近開展定點潮流觀測[9]，潮流形態數均在0.5以下，屬于正規半日潮流。

1.3.12007年4—5月潮流特征

觀測期間大、小潮平均潮差分別為2.94、2.29 m，各站流速矢量見圖3。工程海域潮流受遼東灣內潮流系統控制，潮流基本沿深槽等深線做往復運動。漲潮時潮流沿蛤蜊崗子灘和西灘之間的深槽自南向北運動，并在近岸處分成東、西兩股流，一部分轉向西北進入遼河口水道，一部分向東進入大遼河口；落潮時則相反。

圖3 2007年大、小潮流速矢量

大遼河口以外各站流速均不大，大潮流速大于小潮；漲潮流速總體上大于落潮；漲落潮歷時略有差異，大潮落潮歷時略長，小潮漲潮歷時略長。大、小潮漲潮各點平均流速為0.32～0.59 m/s和0.32～0.42 m/s，落潮各點平均流速分別為0.29～0.49 m/s和0.24～0.32 m/s，漲潮各點最大流速分別為0.57～0.97 m/s和0.51～0.65 m/s，落潮各點最大流速分別為0.46～0.79 m/s和0.45～0.66 m/s。

1.3.22013年11月口門附近潮流特征

測驗期間大、小潮平均潮差分別為3.25、2.38 m，各站流速矢量見圖4。口門外側水流主要以往復形式運動，漲潮為NW～N向，落潮為SSE～S向，與航道有一定的夾角；大潮漲、落潮各點平均流速為0.29～0.62 m/s、最大流速為0.49～1.16 m/s；小潮漲、落潮各點平均流速為0.28～0.42 m/s，最大流速為0.55～0.75 m/s；漲潮流速大于落潮流速。口門內測點流速小，平均流速在0.2 m/s以內，最大流速不超過0.3 m/s，呈旋轉形式運動。

圖4 2013年大、小潮流速矢量

1.4 含沙量特征

1.4.1常規天含沙量情況

2007年4—5月定點潮流觀測過程中同步開展了含沙量觀測。大潮觀測期間平均風速2.9 m/s，主風向SW，海況在1～2級；小潮觀測期間平均風速4.4 m/s，主風向NNE，海況在1～3級。

時間上看，大潮含沙量較大、小潮較小；平面分布看，河口區、淺灘、近岸含沙量較高，深水和外海較低；潮段內漲、落潮含沙量差異不大；垂向上，底層含沙量約為表層的1.4～1.5倍。

6-1～6-10站大、小潮各點平均含沙量分別為0.053～0.214 kg/m3和0.024～0.080 kg/m3,最大含沙量分別為0.035～0.891 kg/m3和0.038～0.135 kg/m3；大遼河口7-1～7-5站大、小潮各點平均含沙量分別為0.361～0.381 kg/m3和0.176～0.241 kg/m3,最大含沙量分別為0.439～0.589 kg/m3和0.281～0.400 kg/m3，見表1。懸沙主要為黏土質粉砂，平均粒徑0.01 mm，平均黏土含量26.6%。

表1 各站特征含沙量統計 kg/m3

1.4.2大風天含沙量情況

2009年10月17—20日存在大風降溫天氣，利用坐底架在4個站位開展了波浪、潮流、含沙量觀測(測站位置見圖1)，同時在3#站的近岸進行了風況同步觀測，觀測時長67 h。

大風過程分為兩個階段。第一階段為向岸風，主要在18日，最大風速9.5 m/s，平均風速5 m/s；第二階段是離岸風，主要在19日—20日12:00，最大風速14 m/s，平均風速10 m/s，此后風速逐漸減小，見圖5a)。

離岸的1#、2#、4#站波浪呈現成長至衰減的變化過程，波向與風向基本一致；大遼河口的3#站波高始終較小，波向均為向岸方向。從平面分布看，離岸越遠、波高越大。1#～4#站最大有效波高分別為3.25、1.26、0.43、1.6 m，平均周期分別為3.7、3.8、2.5、3.9 s，見圖5b)、c)。

近底水流受大風影響較小，流速、流向在大風期間和風前、風后基本一致。

大風天含沙量顯著大于正常天，但依然主要隨漲、落潮流周期性增減變化，大風及波浪對各站泥沙運動的影響不同步。這些特征印證了波浪對該海岸塑造作用不強、雙河口海域泥沙環境復雜的特點。

平面分布上，含沙量近岸大、遠岸小。距岸最遠的1#和4#站，落潮期間含沙量以增加為主、漲潮期間以減小為主，含沙量峰值多發生在落轉漲前后，大風期間最大含沙量為0.38 kg/m3和0.52 kg/m3,分別發生在18日12:00、22:00。河口3#站含沙量峰值多發生在漲急時刻附近、最小值多發生在落潮初期至落急期間，大風期間最大含沙量為1.42 kg/m3,發生在18日22:00。深槽內的2#站19日0:00之前含沙量均在0.2 kg/m3以下，19日0:00后含沙量明顯增大，風速變小、波浪減弱后，含沙量仍然呈波動狀增加，20日5:00含沙量達到最大的0.72 kg/m3,見圖5d)。

圖5 2009年大風天波浪、潮流、含沙量變化過程

1.5 表層底質特征

1.5.1大范圍底質情況

2008和2011年分別在盤錦港不同水域進行大面積水下表層底質采集工作，兩次合計取樣388個，見圖6a)。底質種類較多，由粗至細為砂、砂質粉砂、粉砂質砂、粉砂、砂-粉砂-黏土、黏土質粉砂等。從橫向上看，從蛤蜊崗子灘至大遼河口西灘，中值粒徑呈現粗-細-粗的分布特點；從縱向上看，東西兩側淺灘之間航道沿程水域底質中值粒徑，由北部淺灘至外海呈現較細-較粗-較細-較粗-較細的交錯分布特點。蛤蜊崗子淺灘處泥沙粒徑最粗，中值粒徑在0.066～0.241 mm；10 m等深線以外水域粒徑最細，泥沙中值粒徑在0.004 7～0.016 mm。

圖6 表層底質中值粒徑情況(單位：mm)

采樣區底質分選系數在0.15～2.05變化，近岸與淺灘上沉積物分選程度較好，遠岸與深水區分選程度則較差。底質黏土含量平均為19.7%。蛤蜊崗子淺灘和大遼河口外西灘黏土含量基本在10%以下；北部淺灘、10 m等深線以外、西灘南側水域黏土含沙量基本在20%以上；其余水域黏土含沙量在15%～20%。

航道沿程水域底質分選程度呈現中常-好-中常-好-中常的分布特點。這種縱向不連續的分布特點表明，航道水域底質泥沙運動不活躍，底質搬運趨勢不明顯，受河口來沙的直接影響較小。

1.5.2口門附近航道底質情況

2015年12月口門附近航道及兩側邊灘進行底質取樣和粒徑分析，共24個底質樣品，見圖6b)。蛤蜊崗子灘頭部及附近深槽處，平均中值粒徑0.125 mm，不含黏土；港池內沉積物平均中值粒徑0.01 mm，黏土含量平均為43.5%；除了蛤蜊崗子灘頭部深槽處為細砂外，航道內沉積物為粉砂-黏土、細砂和砂質粉砂，平均中值粒徑0.028 mm，黏土含量平均為25.8%；航道東側灘面沉積物為黏土質粉砂和砂-粉砂-黏土，平均中值粒徑為0.023 mm，黏土含量平均為26.9%。航道西側蛤蜊崗子淺灘及附近水域以砂質沉積物為主，東側灘面底質以黏土質粉砂為主；港池航道回淤物質較細，可以判斷港池航道內泥沙淤積以懸沙落淤為主。

2 討論

2.1 泥沙來源

2.1.1徑流輸沙影響

遼河古稱大遼水，是遼寧省第一大河，流經河北、內蒙、吉林和遼寧4省，包括遼河、渾河、太子河和繞陽河，全長1 345 km，總流域面積21.96萬km2 [10-11]。1958年在六間房外建閘將外遼河封堵后，遼河流域分為兩個獨立的入海水系；遼河干流在盤山境內匯流入海，稱遼河(過去也稱雙臺子河)；渾河、太子河在三岔河合流后，稱為大遼河，于營口入海，大遼河全長94 km，流域面積 1 926 km2[12]。

受遼河水庫及閘壩等攔截工程影響，近年來遼河輸沙量大幅減少。六間房站以下為河口平原區，產沙甚少，因此可將六間房站作為分析遼河流域產沙特性的控制站。據相關研究[13]，1988—1994年年均徑流量為31.84億m3,輸沙量為1 227萬t，1995—2002年年均徑流量為21.24億m3,輸沙量為460.64萬t；2003—2010年年均徑流量為19.65億m3,輸沙量為96.96萬t。大遼河輸沙主要受渾河和太子河控制，也呈減少趨勢，其中渾河(邢家窩棚水文站資料)1984—1999年年均輸沙量66.89萬t，2000—2014年年年均輸沙量41.48萬t[14]；太子河(唐馬寨水文站資料)1973—1979年年均輸沙量134.51萬t，1980—1999年年均輸沙量88.48萬t，2000—2011年年均輸沙量39.72萬t[15]。

河流輸沙量大幅減少，減緩了河口三角洲的發育，部分地段出現萎縮。遼河河口攔門沙向口內發展，蛤蜊崗子灘西緣和南緣、北心灘東南部均出現不同程度的侵蝕后退；大遼河三角洲西灘和東灘普遍侵蝕后退；2、5 m 等深線附近海床整體呈弱沖刷態勢；近岸潮間帶淺灘(陸域淺灘)淤漲變緩，部分地段出現侵蝕[16-17]。盤錦港航道位于兩側河口順岸擴散外緣的交界處，在地貌上處于兩大河口水下三角洲的前緣深槽水域，避開了兩河口出海泥沙的主要堆積區。加之前文表層底質分布特征分析，可進一步判斷航道受河口來沙的直接影響較小。

2.1.2灘面就地起動搬運泥沙的影響

除了徑流攜帶流域的泥沙向河口輸送，波浪和潮流的就地起動搬運作用是河口區域航道回淤泥沙的另一項重要泥沙來源。遼東灣頂部沿岸有四大河流垂岸分布，自東向西依次是大遼河、遼河、大凌河和小凌河，形成了廣泛的水下三角洲，在風浪的作用下泥沙再懸浮現象明顯。通過遙感影像可知[18]，比較來看遼河口附近的泥沙運動最為活躍，常自蛤蜊崗子灘東側起向西形成一個面積較大的渾水舌，渾水舌的外邊界隨潮段及風況變化，一般情況下，落潮時渾水舌面積大于漲潮，外圍一般不超過7 m 等深線水深，大風時渾水舌南側邊界向外移動，可以到達10 m 等深線以深的海域；渾水舌的西側邊界常達遼河河口與大凌河口之間的邊灘。大遼河口的最大渾濁帶要小得多，一般在西灘、東灘等近岸淺灘附近，與蛤蜊崗子灘之間的水道常形成相對的清水區，大風天時可連成一片。因此，波流作用下兩側岸灘就地起動搬運的泥沙為影響盤錦航道泥沙淤積的主要來源和直接來源。

2.2 產生驟淤的可能性

盤錦港現有航道穿過粉砂質砂和砂質粉砂等沉積區域，且本區域受寒潮大風影響比較頻繁，因此航道拓寬、增深、延長后驟淤的可能性是需要關注的問題之一。

1)航道工程海域處在遼河和大遼河兩個河口的三角洲之間，泥沙來源豐富。

2)通過底質分布可以做出間接的判斷，航道兩側灘面底質由近岸至外海呈較細-較粗-較細-較粗-較細交錯分布，這反映出本海域海床底質活動性不強、大范圍輸移的可能性較小，泥沙運動多以床面局部搬運為主，是影響航道泥沙回淤的主要因素。

3)從水動力條件來看，潮流強度處于中等水平，波浪作用不強。航道沿程大潮平均流速為0.3～0.4 m/s，最大流速為0.7～1.0 m/s。本海域每年受偏北向寒潮大風雖然較多，但由于本海域位于遼東灣頂，寒潮大風多為陸向風，風成浪相對較小；本海域受夏季臺風影響較小。工程海域實測年最大有效波高約為2.22 m，工程區50 a一遇最大SW向波浪約為3.5 m[19]。

4)盤錦港現有5萬噸級航道以及附近海域的鲅魚圈港區航道自建成以來并未出現大風驟淤情況。

因此，可基本認為盤錦港10萬噸級航道沿程出現驟淤礙航現象的可能性較小。但進入21世紀，全球氣候變化的趨勢愈加明顯，各類極端氣候現象出現頻率增加。特別是近幾年，在全球氣候變化背景下，極端天氣似乎己成為氣候常態[20]。航道驟淤的可能性有增加趨勢，應密切加強觀測，開展進一步研究。另外，航道竣工初期，可能會出現局部潮流動力變化而產生的灘面沖刷和邊坡不穩定，導致航道竣工初期的回淤量較大，應注意與驟淤情況的區分，經過一段時間調整，航道邊坡達到穩定狀態后，回淤量就會回到正常情況。

3 結論

1)本海區以風浪為主，波浪動力不強。常浪向為SW向，強浪向為SSW向，實測最大有效波高為2.22 m，有效波高小于1.0 m波浪的出現頻率為89.1%。

2)本海域潮汐屬于非正規半日潮，存在潮汐日不等現象，屬中強潮海域；為正規半日潮流，主要以往復形式運動，航道沿程大潮平均流速為0.3～0.4 m/s，最大流速為0.7～1.0 m/s，口門內側存在強度較弱的旋轉流。

3)河口區和近岸淺灘含沙量高、外海深水區含沙量較低；泥沙主要以懸浮形式運動。常規天，漲潮含沙量和落潮含沙量差異不大，大潮實測平均含沙量0.05～0.248 kg/m3,最大含沙量0.65～0.391 kg/m3；小潮實測平均含沙量0.02～0.08 kg/m3,最大含沙量0.035～0.135 kg/m3。大風影響含沙量均顯著大于常規天，2009年10月大風實測含沙量主要隨漲、落潮水流變化呈一定周期性的增減變化，外海測站最大含沙量為0.38 kg/m3和0.52 kg/m3,深槽內的最大含沙量0.72 kg/m3,最大含沙量出現時間不同，沒有表現出一致性的變化趨勢，顯示了雙河口海域泥沙環境的復雜性。

4)航道東側蛤蜊崗子淺灘及附近水域以砂質沉積物為主，東側灘面底質以黏土質粉砂為主；港池航道回淤物質較細，港池航道內泥沙淤積以懸沙落淤為主。

5)波流作用下兩側岸灘就地起動搬運的泥沙為影響盤錦航道泥沙淤積的主要來源和直接來源。

6)盤錦港10萬噸級航道沿程出現驟淤礙航現象的可能性較小，但近些年，在全球氣候變化背景下，極端天氣有常態化趨勢，增加了航道驟淤的可能性，應密切加強觀測，開展深入研究。