樂清灣港池試挖槽回淤監(jiān)測

黃志揚，丁健，葉建國

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.溫州市樂清灣港區(qū)開發(fā)建設(shè)管理委員會，浙江 樂清 325600）

0 引言

樂清灣位于浙江南部甌江入?？诒眰?cè)，灣內(nèi)水深港闊。為充分利用其水深條件，并達(dá)到“淺水深用”的目的，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃擬在樂清灣中部西側(cè)的打水灣附近開發(fā)深水港區(qū)。目前規(guī)劃港池水域自然灘面水深約3.8 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同），港池設(shè)計水深13.8 m，平均挖泥厚度約10 m。港池浚深后回淤問題，特別是大風(fēng)天的驟淤問題是樂清灣深水港區(qū)開發(fā)建設(shè)要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，就港池、航道浚深后的回淤強(qiáng)度估算主要有經(jīng)驗公式法、物理模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試挖槽試驗等研究手段[1-5]。以上幾種方法中現(xiàn)場試挖槽試驗最能真實地反映工程區(qū)水沙運動情況，其成果可靠性最高，是研究泥沙問題的最佳途徑。為深入研究今后樂清灣港區(qū)建設(shè)的港池、航道回淤問題，結(jié)合港區(qū)陸域形成工程取土的需要，在擬建港池區(qū)開展試挖槽回淤監(jiān)測研究工作。利用1個完整水文年的回淤監(jiān)測資料，分析試挖槽的回淤環(huán)境和回淤規(guī)律，并采用經(jīng)驗公式對港區(qū)回淤強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，研究成果將為樂清灣港區(qū)“淺水深用”的開發(fā)建設(shè)提供重要科學(xué)參考。

1 試挖槽概況及回淤環(huán)境

樂清灣擬建深水港區(qū)位于樂清灣中部的西岸、南岳鎮(zhèn)東沙港頭村打水灣附近，見圖1。樂清灣口窄內(nèi)寬，灣內(nèi)灘地寬廣，汊道密布，潮差又大，因而納潮量大，是我國典型的強(qiáng)潮海灣之一。本試挖工程綜合考慮港池后期的開挖港和港區(qū)陸域形成泥土的需要，試挖槽布置在擬建港池中部，試挖槽沿碼頭方向長約645 m，垂直碼頭方向?qū)捈s457 m，浚后水深12.3 m，平均挖泥厚度約8.5 m，見圖2。

樂清灣為典型強(qiáng)潮海灣，海灣內(nèi)平均潮差為4.77 m，實測最大潮差值可達(dá)7.87 m，潮差由灣口往灣頂逐漸增大，灣頂處潮差約為灣口處1.19倍。樂清灣海域的潮流特征為不規(guī)則半日淺海潮流，灣內(nèi)潮流主要受地形制約呈往復(fù)流形態(tài)，漲、落潮流路基本穩(wěn)定。樂清灣中部漲急流速1.16 m/s，流向354°；落急流速1.59 m/s，流向172°，落潮流速大于漲潮流速。由于樂清灣三面環(huán)山，風(fēng)浪掩護(hù)條件好，年平均波高約0.4 m。

由于樂清灣掩護(hù)條件良好，風(fēng)浪不大，風(fēng)浪的掀沙作用有限，水體含沙量總體較小。從樂清灣沙港頭2003年全年含沙量觀測成果來看，表層年平均含沙量為0.08 kg/m3，底層年平均含沙量為0.14 kg/m3。2009年7月和2010年4月試挖槽區(qū)實測含沙量分別為0.15～0.21 kg/m3和0.06～0.16 kg/m3。從泥沙來源來看，主要有以下三方面[6]：1）入灣河流輸沙；2）甌江徑流向東北的輸沙；3）長江入海南移和陸架區(qū)再懸浮泥沙。其中，入灣河流及甌江徑流輸沙對樂清灣的影響較小。而長江入海南移和陸架區(qū)再懸浮泥沙為樂清灣主要泥沙來源。

從底質(zhì)類型和分布（圖3）來看，樂清灣底質(zhì)以細(xì)顆粒的粉砂質(zhì)黏土為主，屬淤泥質(zhì)海灣，底質(zhì)中值粒徑的分布由灣口至灣頂逐漸變細(xì)。從本次研究的底質(zhì)取樣結(jié)果來看，底質(zhì)中值粒徑在0.00563～0.00717 mm之間，其中黏粒（d<0.005 mm）質(zhì)量大于總質(zhì)量的30%，底質(zhì)為黏土。樂清灣底中值粒徑與懸沙中值粒徑（0.0051～0.0143 mm）基本相當(dāng)，說明泥沙落淤以懸沙淤積為主。

2 回淤統(tǒng)計與分析

自2009年5月至2010年4月對試挖槽進(jìn)行了8次水深測驗，從試挖槽及周邊近1 a的沖淤分布（圖4）來看，試挖槽外有沖有淤，沖淤幅度總體較小，在±0.2 m內(nèi)；而試挖槽內(nèi)淤積相對明顯，其西南側(cè)淤積厚度在1.0 m左右，而東北側(cè)淤積厚度在0.2～0.5 m，在淤積分布上呈現(xiàn)西側(cè)淤積厚度明顯大于東側(cè)的特征。

從觀測期間的淤積過程來看，試挖槽呈現(xiàn)持續(xù)淤積狀態(tài)，從2009年5月至2010年4月歷時11個月，全槽平均淤積厚度為0.89 m，折合到年回淤強(qiáng)度為0.97 m/a，挖槽灘槽高差約8.5 m，年回淤率約11%，常年回淤強(qiáng)度不大。

從淤積的季節(jié)變化來看，2009年5月9日—10月22日歷時5.5個月處于夏半年，全槽淤積厚度為0.49 m，折合到半年（6個月）的回淤厚度為0.53 m；2009年10月22日—2010年4月5日歷時5.5個月處于冬半年，全槽淤積厚度為0.40 m，折合到半年（6個月）的回淤厚度為0.44 m，見表1。對比試挖槽冬、夏季回淤厚度可知，夏半年淤積厚度略大于冬半年，但兩者基本相當(dāng)，說明淤積的季節(jié)性不是很明顯。

表1 試挖槽累計淤積厚度統(tǒng)計

就不同階段的淤積速率來看，試挖槽竣工初期（2009年5月9日—6月4日）和莫拉克臺風(fēng)期（2009年8月5日—8月15日）淤積相對略快。竣工初期淤積相對略快主要是因為挖槽改變了原有的灘面平衡，海床處于調(diào)整初期；而莫拉克臺風(fēng)期淤積比正常天氣情況下淤積略快，主要是由于大風(fēng)期間波浪的掀沙作用，見圖5。

3 臺風(fēng)對回淤的影響

臺風(fēng)是影響溫州海區(qū)最重大的災(zāi)害性天氣，每年有2～3次熱帶風(fēng)暴及臺風(fēng)影響，并有1～2次臺風(fēng)風(fēng)暴潮出現(xiàn)。此次回淤觀測期間試挖槽經(jīng)歷了2009年第8號臺風(fēng)莫拉克的影響。莫拉克臺風(fēng)8月10日6時左右進(jìn)入溫州境內(nèi)，8月10日19時左右離開溫州境內(nèi)，風(fēng)力九級，最大風(fēng)速21 m/s，風(fēng)向為NNE向。

臺風(fēng)對港池、航道回淤的影響主要關(guān)注在風(fēng)浪掀沙是否會造成“驟淤”。已有研究表明，引起港池、航道發(fā)生驟淤需同時具備兩個條件[7-9]，其一是易于沉積的水動力環(huán)境，其二是有豐富的泥沙來源。

從沉積環(huán)境來看，樂清灣為強(qiáng)潮河口，潮差大，水流較強(qiáng)，水流為往復(fù)流，落潮流大于漲潮流，總體有利于灣內(nèi)泥沙的向外輸移。就淤泥質(zhì)海岸大風(fēng)天出現(xiàn)驟淤的泥沙來源而言，主要為浮泥發(fā)育和大風(fēng)浪掀沙。從莫拉克臺風(fēng)后高低頻水深監(jiān)測來看，試挖槽內(nèi)98%的區(qū)域高低頻水深測量差值在0～0.2 m之間，說明此次大風(fēng)后未出現(xiàn)明顯的浮泥發(fā)育。從大風(fēng)天的風(fēng)浪掀沙條件來看，雖然灣內(nèi)西灘沉積物較細(xì)（中值粒徑在0.0052～0.0087 mm之間），水深較淺，具備波浪掀沙的條件，但由于樂清灣三面環(huán)山，風(fēng)浪掩護(hù)條件較好，風(fēng)浪作用有限。2005年7月18日海棠臺風(fēng)期的實測資料表明，當(dāng)時南岳極值風(fēng)速為37.3 m/s，在樂清灣港區(qū)邊灘上測得的底層最大含沙量為3.04 kg/m3，港區(qū)附近底層最大含沙量約0.85 kg/m3；2009年莫拉克臺風(fēng)后試挖槽區(qū)底層和垂涎平均最大含沙量分別為1.54 kg/m3和0.43 kg/m3?？偟膩砜?，大風(fēng)天工程區(qū)含沙量雖然比平常天氣情況時大，但并未出現(xiàn)明顯的高含沙量。

通過以上對樂清灣沉積的水動力環(huán)境、泥沙來源和已有研究成果初步判斷，樂清灣出現(xiàn)“驟淤”的可能性不大。就莫拉克臺風(fēng)期間試挖槽淤積來看，臺風(fēng)前后兩次測量時間間隔約10 d，試挖槽平均淤積厚度約9.8 cm，期間也未發(fā)生明顯淤積。

4 經(jīng)驗公式的適用性驗證

回淤估算的經(jīng)驗公式是通過理論推導(dǎo)和工程實踐總結(jié)得到的。由于不同海區(qū)回淤的水沙環(huán)境差異較大，在選用經(jīng)驗公式時需根據(jù)海岸性質(zhì)、水沙特征等合理確定，并有必要通過實測資料就公式的適用性進(jìn)行分析驗證。

樂清灣為淤泥質(zhì)海灣，目前計算淤泥質(zhì)海岸港池、航道回淤強(qiáng)度時，劉家駒公式[10]得到廣泛運用，其中針對開敞式港池的回淤計算經(jīng)驗公式為：

式中：P為年回淤強(qiáng)度，m/a；K1為經(jīng)驗系數(shù)，取0.35；ω為細(xì)顆粒泥沙絮凝沉速，m/s；S為當(dāng)?shù)啬昶骄沉?，kg/m3；T為淤積歷時，s；γ0為淤積泥沙干容重，kg/m3，可按γ0=1750計算；d1、d2分別為灘面水深和港池水深，m。

采用式（1），根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料年平均含沙量取0.13 kg/m3；γ0取690 kg/m3，泥沙絮凝沉速取0.0005 m/s，計算得到試挖槽的淤積強(qiáng)度為0.94 m/a，與現(xiàn)場實測的回淤強(qiáng)度0.97 m/a吻合較好，說明式（1）適用于樂清灣海域港池的回淤計算，今后可以采用該公式進(jìn)行港池的回淤強(qiáng)度估算。

5 主要結(jié)論

為了研究樂清灣深水港區(qū)建設(shè)港池、航道的回淤問題，在擬建港池開展了試挖槽回淤監(jiān)測研究。研究表明，樂清灣為我國典型強(qiáng)潮海灣，潮差大、潮流強(qiáng)；灣內(nèi)掩護(hù)條件較好，波浪掀沙作用不強(qiáng)，水體含沙量較小泥沙淤積以懸沙落淤為主。試挖槽平均挖泥厚度約8.5 m，實測年回淤強(qiáng)度0.97 m/a，年回淤率約11%，回淤強(qiáng)度不大，且冬、夏季相當(dāng)。通過“莫拉克”臺風(fēng)期的水深測量和浮泥發(fā)育監(jiān)測，結(jié)合工程區(qū)的沉積水動力環(huán)境和泥沙來源分析，初步判斷臺風(fēng)對試挖槽回淤的影響較小，樂清灣深水港池發(fā)生驟淤的可能性不大，樂清灣具備“淺水深用”的建港條件。

[1]劉家駒，喻國華.海岸工程泥沙的研究和應(yīng)用[J].水利水運科學(xué)研究，1995（3）：221-233.

[2]羅肇森.潮汐通道口攔門沙航道的淤積計算[J].海洋工程，1992（2）：32-40.

[3]徐嘯.淤泥質(zhì)海岸河口懸沙回淤模型相似律探討[J].河海大學(xué)學(xué)報，1994（3）：44-50.

[4]徐嘯，張鏡潮，沈瑩，等.淤泥質(zhì)海岸半封閉港池回淤規(guī)律的初步研究[J].泥沙研究，1993（1）：51-59.

[5]魏日征.杭州灣深水航道試挖回淤觀測研究[J].水運工程，2002（10）：94-97.

[6]季小梅，張永戰(zhàn)，朱大奎.樂清灣近期海岸演變研究[J].海洋通報，2006（1）：44-53.

[7]白玉川，張彬，張胤祺，等.波浪挾沙能力及航道驟淤機(jī)理的研究[J].水利學(xué)報，2007（6）：646-653.

[8]葉建國，莊曉榮.樂清灣港池開挖后驟淤可能性分析[J].海洋工程，2007（1）：114-119.

[9]楊輝，謝欽春，李伯根，等.港灣深槽驟淤的條件探討[J].海洋學(xué)報，2005（4）：95-101.

[10]劉家駒，張鏡潮.淤泥質(zhì)海岸航道、港池淤積計算方法及其推廣應(yīng)用—兼論連云港建西大堤后的泥沙問題[J].水利水運工程學(xué)報，1993（4）：301-320.