黃驊港航道整治與發(fā)展前景

曹祖德，侯志強，張書莊

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

黃驊港位于渤海灣西南隅、大口河河口外北側(cè)，在廣闊淤泥粉沙質(zhì)海灘上，由雙堤環(huán)抱而成。

粉沙質(zhì)海岸是介于淤泥質(zhì)海岸和沙質(zhì)海岸之間的一種特殊類型海岸，床沙活動性大，在粉沙質(zhì)海岸上建港，航道極易淤積，因此以往人們對粉沙質(zhì)海岸建港常懷有戒心。成為影響港口發(fā)展的瓶頸。

1997 年神華黃驊煤港興建，開始航道為3.5 萬t 級，后提高至5 萬t 級，但由于整治工程不到位，淤積嚴重，航道水深始終未能達標。2003 年10 月11～13 日，渤海灣遭受45 a 一遇的寒潮大風襲擊，黃驊港航道發(fā)生災難性的驟淤，導致港口斷航停運、損失慘重，引起人們對粉沙質(zhì)海岸能否建港的疑慮和畏懼。

2004 年開始，黃驊港煤港區(qū)采用延堤疏浚同時并舉的積極整治方針，取得了明顯的防沙減淤效益，港區(qū)進入正常運轉(zhuǎn)和發(fā)展狀態(tài)。

2007 年，黃驊港綜合港區(qū)、散貨港區(qū)根據(jù)煤港區(qū)航道整治的成功經(jīng)驗，開辟新港區(qū)，建設10 萬t 級航道，同樣取得良好的防沙減淤效益。

2011 年，黃驊港各港區(qū)相繼提出發(fā)展港口航道的更高要求，綜合港、散貨港區(qū)計劃將航道擴建成20 萬t級，煤港區(qū)則計劃將現(xiàn)航道拓寬為雙向航道。

本文將在總結(jié)黃驊港航道整治經(jīng)驗的基礎上，分析各港區(qū)擴建航道的可行性和合理性，揭示粉沙質(zhì)海岸建港的潛在優(yōu)勢，展望粉沙質(zhì)建設深水大港的美好前景。

我國有許多粉沙海岸和粉沙質(zhì)港口，如莊河港、唐山港、濱州港、濰坊港、東營港、濱海港、洋口港、呂四港、蒼南港等，本文不僅對黃驊港建設與發(fā)展有重要指導意義，對其他粉沙質(zhì)海港也有一定的參考價值。

1 粉沙質(zhì)海岸泥沙運動和航道淤積

（1）粉沙質(zhì)海岸的界定。岸灘泥沙平均中值粒徑在0.031～0.125 mm［1］，粘土含量小于25%，泥沙粒徑分選系數(shù)為中等的海岸稱為粉沙質(zhì)海岸。

（2）粉沙質(zhì)海岸的泥沙運動。粉沙質(zhì)海岸泥沙的基本水力特性是起動流速小，沉降速度大（與淤泥相比），沉積密實快，在周期性往復流及波浪作用下，流速遍歷泥沙各特征臨界流速值（包括起動流速、懸揚流速、止懸流速、止動流速），因而出現(xiàn)復雜的泥沙運移形態(tài)［2-4］，有懸移質(zhì)、推移質(zhì)和底部高濃度含沙水體。其中底部高濃度含沙水體就其流動特性來說，是上部懸移質(zhì)在底部的延伸，應屬于懸移質(zhì)，但對航道淤積而言，其又與推移質(zhì)相近，這種泥沙對航道淤積影響很大，為了與懸移質(zhì)和推移質(zhì)相一致，又便于計算和應用，本文約定將底部高濃度含沙水體命名為底移質(zhì)。根據(jù)黃驊港現(xiàn)場觀測，底移質(zhì)高度約為1 m 左右，含沙量可高達25 kg/m3，它對航道驟淤有重大影響。在粉沙質(zhì)航道淤積計算中，則采用三層模式分別考慮［5］。

（3）粉沙質(zhì)航道淤積特點。

①淤積嚴重。淤泥質(zhì)海岸上，由于粘土的作用，泥沙運動以懸移質(zhì)為主推移質(zhì)很少；沙質(zhì)海岸上，因泥沙懸揚流速較大，懸揚時段較短，泥沙運動以推移質(zhì)為主，懸移質(zhì)不發(fā)達。粉沙質(zhì)海岸上，泥沙運動較復雜，既有懸移質(zhì)，還有推移質(zhì)和底移質(zhì)，因此，同樣尺度的航道在相同工況的海洋動力作用下，粉沙質(zhì)航道的淤積量要比淤泥質(zhì)和沙質(zhì)航道的淤積量大，在大風驟淤時，尤為明顯。

②大風驟淤與有效風能有密切關(guān)系。粉沙質(zhì)海域在平時無風和微風時，水體清澈，航道基本不淤，一有風浪，則水體渾濁，航道發(fā)生淤積，小風小淤，大風大淤，狂風驟淤，航道淤積與有效風能有關(guān)。

有效風能是指能形成航道淤積的風能量，根據(jù)現(xiàn)場觀測，黃驊港海區(qū)引起泥沙懸揚并形成航道淤積的最小風級是6 級；因此一場大風過程形成大風驟淤的有效風能可用下式表示

式中：Εw為形成大風驟淤有效風能；ρa為空氣密度；f 為系數(shù)；wi為風速（i=6、7、8、9）；ti為歷時（i=6、7、8、9）；t0為閥值，現(xiàn)場實測為2 h。

大風的發(fā)生是隨機的，黃驊港利用當?shù)剡B續(xù)20 a 以上風資料，得出大風有效風能的累積概率分布符合皮Ⅱ曲線，并由此建立不同重現(xiàn)期大風與航道淤積的關(guān)系［5］。

③航道淤積沿程分布不均勻。廣闊岸灘上，在沿岸輸沙不強的情況下，如果航道淤積主要是由邊灘上波浪掀沙，潮流輸沙，邊灘泥沙進入航道所形成，黃驊港航道淤積就是這種情況，則在波浪破碎帶內(nèi)，為航道強淤區(qū)，如建防波堤將破波區(qū)航道掩護，則防波堤口門處航道段為高淤積區(qū)，其淤積分布情況如圖1所示。

④航道新淤土密實板結(jié)很快，極易形成鐵板沙，影響疏浚效率，必須及時清除。

2 黃驊港建設歷程

神華黃驊煤港始建于1997 年，根據(jù)天津港模式，港區(qū)由雙堤環(huán)抱而成，堤頭口門位于-2.5 m 水深處，開始開挖航道的目標是3.5 萬t 級，由于防波堤太短，未能伸出破波區(qū)，因此航道隨挖隨淤，大風驟淤，航道水深始終不能達標。2003 年10 月11～13 日，45 a 一遇的一場寒潮大風襲擊渤海灣，黃驊港航道發(fā)生了災難性的驟淤，口門航道高淤區(qū)淤回至原地面，淤厚達3.6 m，港口斷航停運，損失慘重。

2004 年5 月，在總結(jié)失敗教訓的基礎上，深入開展二期整治工程，采用延長防波堤和加強疏浚工作同時并舉的積極整治方針，以防御10 a 一遇的大風驟淤為主要整治標準。主要工程項目有：兩條防波堤各延伸10.5 km 至-5.5 m 水深處；一條5 萬t 級航道的開挖；以及口門航道段的局部增深與拓寬，來改善口門流態(tài)和減小口門橫流。

2005 年9 月，防波堤建成，淤積環(huán)境大為改善，減淤效果明顯，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）航道水深逐年穩(wěn)定增加，改變以往隨挖隨淤、大風驟淤現(xiàn)象；

（2）大風驟淤礙航現(xiàn)象消除，自2006 年至2011 年雖發(fā)生10 a 一遇甚至15 a 一遇的大風，但均未發(fā)生航道水深淤淺而斷航；

（3）口門流態(tài)改善，橫流減輕，口門航運安全得到保障；

（4）新淤積土及時清除，航道可挖性提高，疏浚效率大為提高。

在黃驊港煤港區(qū)航道整治成功的基礎上，2007 年緊鄰煤港區(qū)北側(cè)又開發(fā)了黃驊港綜合港區(qū)，該港區(qū)仍采用雙堤環(huán)抱，整治標準仍以防御10 a 一遇大風驟淤為主，雙堤平行延伸至-5.5 m 水深處，航道等級為10 萬t級，水深為-14.5 m，底寬210 m，長44 km，煤港區(qū)航道與綜合港區(qū)航道平行，航道軸線相距3.6 km。2009 年綜合港區(qū)基本建成，投入使用，航道使用正常，防波堤防沙減淤效果良好，其中值得注意的是：兩條航道有相互掩護減淤效應，上風航道對下風航道有一定減淤作用，偏東風時，煤港區(qū)航道對綜合港區(qū)航道有一定減淤作用，偏北風時綜合港區(qū)航道對煤港區(qū)航道有一定減淤作用。

3 黃驊港航道整治經(jīng)驗

總結(jié)黃驊港航道整治經(jīng)驗有以下幾點：

（1）首先必須掌握工程海區(qū)的基本自然條件，包括：海岸類型、海洋動力特征、泥沙運動特征、航道淤積原因及航道淤積特點。這是港口建設和航道整治的基石和依據(jù)。

（2）粉沙質(zhì)航道整治應采用堤防工程和疏浚工程同時并舉的方針，兩手同時抓兩手都要硬。在粉沙質(zhì)航道整治中，疏浚既是清除維護土方、保證通航道水深的主要手段，也是開挖航道及時清除新淤土、增深拓寬、防沙減淤的重要整治手段，黃驊煤港早認識到這一點，在建港開始就自備了一條大型現(xiàn)代化耙吸式挖泥船，在航道整治中發(fā)揮了積極作用。

（3）要確定合適的整治標準，粉沙質(zhì)航道整治目標主要是大風驟淤，這與大風重現(xiàn)期有關(guān)。黃驊港航道的整治標準為：重現(xiàn)期為10 a 的大風作用下仍能保證設計船型可自由通航。經(jīng)多年實踐證明，該標準對黃驊港是合適的。

（4）建設有效的防沙減淤堤防工程，防波堤是最常用的工程，有防波防沙功能。在修建防波堤前，必先仔細研究航道淤積的原因和泥沙運動情況，對于有沿岸輸沙和沿堤流的情況，還須增加挑流丁壩或翼壩等附加構(gòu)筑物，在黃驊港工程區(qū)，沿岸流和沿堤流均不發(fā)育，造成航道淤積的原因是波浪掀沙、潮流輸沙、邊灘局部泥沙再搬運所形成，因此，在航道兩側(cè)邊灘修建防波堤就可以了。防波堤的主要尺度如下：

①防波堤長度。這是決定防淤效果和影響投資的最重要尺度，根據(jù)減淤要求，防波堤必須從岸邊起向外海延伸，伸出波浪破碎區(qū)，堤頭具體位置則應根據(jù)整治標準來定。黃驊港研究，整治標準為25 a 一遇時，堤長要延伸到-8 m 水深處，整治標準為15 a 一遇時，堤長應延伸至-7 m 水深處，整治標準為10 a 一遇時，堤長應延伸至-6 m 水深處。經(jīng)綜合經(jīng)濟分析黃驊港采用10 a 一遇整治標準，堤頭延伸至-5.5 m 水深處，減淤效果良好。

②防波堤頂高度，在波浪破碎區(qū)內(nèi)，必須采用出水堤，才有良好的減淤效果，至堤頭時，為了改善口門流態(tài)，堤頭高程為-1 m，在堤頭段2.5 km 長度內(nèi)堤頂從出水高程降至堤頭高程，堤頂縱坡約為2‰～2.5‰。

③雙堤間距，由于堤身很長，雙堤內(nèi)水域狹長，從航運安全和波浪傳播考慮，雙堤間距應大一些，但從泥沙淤積考慮，堤間距應小，經(jīng)綜合考慮堤間距宜在1～6 km。

④雙堤平面布置。從航行安全、消浪、減淤、減小沿堤流和港口發(fā)展等多種因素考慮，雙堤內(nèi)設置緩沖區(qū)，布置成葫蘆形是十分必要的，最寬處為6 km，最窄處為1 km，口門在-5.5 m 水深處，防波堤平面布置如圖2所示。

（5）疏浚整治、拓寬增深，在粉沙質(zhì)航道整治中，疏浚是重要整治手段。防波堤工程只能對該堤掩護的航道段起到防沙減淤作用，但對新淤土的快速密實板結(jié)和雙堤口門外新增的高淤積和駝峰淤積體卻無能為力，疏浚工程可起到一定作用。黃驊港煤港區(qū)從二期整治工程開始就十分重視疏浚工程，在整治和維護整個過程中，積極組織疏浚力量，及時清除新淤土，對大風驟淤后的高淤積區(qū)的新淤土清除，尤為重視，保證了疏浚的高效快速運轉(zhuǎn)。對于口門外高淤積區(qū)，則采用局部拓寬、加深，在口門9～12 km 段內(nèi)，將航道從140 m 拓寬至210 m，水深從-11.5 m 增深至-14.5 m，備淤深度超過整治標準中預估的最大淤積厚度，保證航道在整治標準的大風驟淤后的通航水深。

由此可知，在粉沙質(zhì)航道中，防波堤和疏浚是同樣重要的兩種整治手段，各有優(yōu)勢，互相補充，才能保證航道的安全航行。

4 評價黃驊港航道擴建效益

2011 年黃驊港各港區(qū)相繼提出港口發(fā)展和航道擴建的要求，綜合港提出將現(xiàn)有航道從10 萬t 級提高到20 萬t 級，水深從-14.5 m 浚深至-18.0 m，底寬從210 m 拓寬至250 m，煤港區(qū)則將現(xiàn)有單向航道拓寬為雙向航道，底寬從235 m 拓寬至270 m。

粉沙質(zhì)海岸泥沙運移形態(tài)雖然很復雜，但從航道淤積來分類，主要是兩類，一類是懸沙淤積，懸移質(zhì)越過航道時因流速降低而形成的落淤；另一類是底沙淤積，底移質(zhì)和推移質(zhì)遇到航道后的淤積。今應用三層模式理論計算邊灘水深為-6 m 時不同航道等級（即不同水深和不同底寬）時的淤積情況，計算結(jié)果見圖3，為了比較方便起見，圖3 中的淤強和淤積量均以3.5 萬t 級的淤強和淤積量為比較單位1 的相對值。

今利用圖3 結(jié)果來評價和分析黃驊港航道擴建的技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性。

（1）技術(shù)可行性。從圖3-b 可知，懸沙淤強△s隨航道等級提高，水深增大而增大，開始時增速很快，至10萬t 級后增加很慢，底沙淤強△b則隨航道等級提高、底寬加快而減小，合成淤強△o=△s+△b隨航道等級提高而減小，開始時減小很慢，至10 萬t 經(jīng)后，航道淤強減小速度才較明顯，從10 萬t 級提高至20 萬t 級后，淤強將減少7%，由此可知航道等級的提高對于減小大風驟淤是有利的。

表1 承受系數(shù)η 分類表Tab.1 Classification of bearing coefficient η

今利用圖3 和負擔系數(shù)η 來分析黃驊港航道擴建的經(jīng)濟合理性。

黃驊港綜合港區(qū)當航道為10 萬t 級時，預計值為0.2～0.3，屬于重負擔，航道擴建成20 萬t 級預計年淤積量為1 850 萬m3，年吞吐量為15 700 萬t，η=0.11，雖然仍為重負擔范圍，但已接近下限，如經(jīng)進一步整治，據(jù)科研單位研究［6］，采用潛堤減淤，潛堤延伸至-7 m 水深處，淤積可減小至1 500 萬m3，由此得η=0.095,達到輕負擔水平，有良好經(jīng)濟效益。

現(xiàn)進一步分析煤港區(qū)航道擴建效果，目前煤港區(qū)航道底標高達-14.0～14.5 m，底寬235 m，實際上已達到10 萬t 級航道，多年實踐證明，該航道在10 a 一遇大風甚至15 a 一遇大風襲擊下，大風驟淤后的航道仍可保證國內(nèi)各種船型煤船自由進出，港口經(jīng)營效益良好。擴建成雙航道，底寬從235 m 變成270 m，經(jīng)計算淤強將減小8%，大風驟淤威脅進一步減小，而淤積量則增加10%，但航道變成雙向后，通過能力和港口吞吐量將成倍增加，港口負擔系數(shù)η 將大幅減小，達到輕負擔水平，港口效益更加良好。

綜上所述，黃驊港各港區(qū)近期提出的航道擴建計劃，將大大提高港口效益，進一步促進港口發(fā)展。

5 展望粉沙質(zhì)港口發(fā)展前景

根據(jù)黃驊港發(fā)展歷程和圖3 所示航道淤積變化過程，粉沙質(zhì)海岸港口發(fā)展可分為3 個階段。即起步階段、快速發(fā)展階段和興旺騰飛階段，今分別介紹。

（1）起步階段，港口從無到有，這個階段港口規(guī)模很小，吞吐量只有幾千萬噸，碼頭泊位只有幾個，航道等級在5 萬t 級以下，但必須將減淤防波堤建造到位，將淤積區(qū)航道段拓寬浚深到位，要負擔嚴重的疏浚維護費用，要承受大風驟淤帶來的災害性風險，個別港口曾因此而停建，有些港口因此而蒙受慘重損失，這階段是粉沙質(zhì)海岸上建港時最艱難的階段，“粉沙質(zhì)海岸不能建港”、“聞粉色變”等情況都是在這階段形成的。

（2）快速發(fā)展階段，航道整治成功后進入本階段，港口規(guī)模得到發(fā)展，吞吐量逐漸達到1 億t，航道等級由5 萬t 級提高到20 萬t 級，大風驟淤風險基本得到控制，航道淤積維護不再是港口的嚴重負擔，淤積問題不成為港口發(fā)展的障礙，港口得到迅速發(fā)展。

（3）興旺騰飛階段，當港口吞吐量超過1 億t，航道等級超過20 萬t 級后，港口進一步發(fā)展，大風驟淤風險進一步降低，淤積負擔越來越小，粉沙質(zhì)海岸建港的優(yōu)勢越來越明顯，港口將獲得迅速發(fā)展，帶動臨港工業(yè)和臨海產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的新增長點。

6 結(jié)語

（1）黃驊港海岸為淤泥粉沙質(zhì)，海岸泥沙運動活躍，建港后航道淤積嚴重，大風驟淤威脅很大，航道回淤成為港口發(fā)展的瓶頸。

（2）黃驊港采用整治和疏浚同時并舉的積極整治方針，航道兩側(cè)修葫蘆形擋沙防波堤，堤頭伸出破波帶；高淤區(qū)航道采用局部拓寬增深；新回淤土及時快速清除。整治后減淤效果明顯，大風驟淤威脅減輕，航道可挖性得到改善，疏浚效率成倍提高，航道水深逐年穩(wěn)步提高。

（3）航道回淤由懸沙落淤和底沙淤積兩部分組成，由于懸沙落淤，增量隨航道深度增加而減小，底沙淤積為常量，淤強隨航道寬度增加而減小，因此航道淤強隨航道等級提高而減小。

（5）根據(jù)黃驊港建設歷程可分為3 個階段，即起步階段，快速發(fā)展階段和興旺騰飛階段。起步階段承受嚴重淤積和大風驟淤威脅，并負擔整治工程建設的壓力，這是最艱辛階段?？焖侔l(fā)展階段則負擔著巨大建設任務。興旺騰飛階段中整治工程已完成，粉沙質(zhì)海岸建港優(yōu)勢已明顯體現(xiàn)出來，泥沙回淤不再是威脅港口發(fā)展的因素，港口將得到巨大發(fā)展。

（6）目前，黃驊港的起步階段已成過去，正處在快速發(fā)展階段，粉沙質(zhì)海岸建港優(yōu)勢已逐漸體現(xiàn)出來，興旺騰飛階段的旭光已經(jīng)出現(xiàn)，不久將來，在渤海灣內(nèi)，將出現(xiàn)一個耀眼的黃驊深水綜合大港，帶動臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展，成為該地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展的增長點。

（7）黃驊港航道整治成功不僅保證黃驊港健康正常發(fā)展，也為其他粉沙質(zhì)海岸建港提供有益的參考。

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