呂四港區(qū)10萬噸級進(jìn)港航道一期工程大風(fēng)天回淤觀測研究

沈捷，熊偉，曲紅玲

（1.江蘇啟東呂四港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管理委員會，江蘇啟東226200; 2.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210014）

呂四港區(qū)10萬噸級進(jìn)港航道一期工程大風(fēng)天回淤觀測研究

沈捷1，熊偉2，曲紅玲2

（1.江蘇啟東呂四港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管理委員會，江蘇啟東226200; 2.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210014）

針對呂四港區(qū)10萬噸級進(jìn)港航道一期工程，利用現(xiàn)場觀測的方法分析了大風(fēng)天氣下航道疏浚段的波浪、潮流及泥沙環(huán)境，研究了大風(fēng)期間的航道回淤強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：大風(fēng)作用期間工程海域近底含沙量較風(fēng)前明顯增加，淺灘區(qū)域的粗顆粒泥沙有運移至航道工程區(qū)域。單次常規(guī)大風(fēng)作用下航道回淤強(qiáng)度并不大，沒有出現(xiàn)明顯“驟淤”現(xiàn)象。

大風(fēng)天;回淤觀測;含沙量;航道回淤

1 研究目的

航道竣工后的泥沙回淤不僅關(guān)系到航道維護(hù)成本，也是影響航道運營安全的重要問題。如果在水動力條件和泥沙環(huán)境復(fù)雜的海域建設(shè)航道，泥沙回淤則是需要重點研究的專題之一。龐啟秀[1]等研究了淤泥質(zhì)海岸大風(fēng)浪期間的含沙量與動力條件隨時間的變化過程。劉猛[2]等根據(jù)現(xiàn)場觀測研究了射陽河口在大風(fēng)作用下的波浪、潮流和泥沙運動情況。陳可峰、喻國華等[3-4]研究了小廟洪水道的水動力條件及汊道穩(wěn)定性問題。哈長偉等[5]研究了呂四海域的海岸沉積動力特征及侵蝕過程。黃志揚(yáng)[6]等研究了小廟洪水道10萬噸級航道的建設(shè)條件，認(rèn)為要解決航道可維護(hù)性問題，關(guān)鍵要科學(xué)預(yù)測航道建設(shè)后的回淤強(qiáng)度，特別是大風(fēng)天的回淤強(qiáng)度。呂四港區(qū)10萬噸級進(jìn)港航道自外海-18 m深水區(qū)A1點至呂四港區(qū)挖入式港池進(jìn)港支航道與主航道交點D點，總長約53.4 km，如圖1所示。由于工程區(qū)水沙條件復(fù)雜，缺少航道疏浚經(jīng)驗，航道建設(shè)分兩個階段逐步增深。一期工程設(shè)計底標(biāo)高-11.3 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫峦?，航道底?36 m；二期工程設(shè)計底標(biāo)高-13.1 m，底寬200 m。目前，航道一期工程已于2015年11月底完成竣工驗收，疏浚區(qū)域位于BC段內(nèi)。BC段總長17.53 km，疏浚段長約17 km。

圖1 呂四港區(qū)10萬噸級航道布置圖Fig.1Layout of 100 000 dwt approach channel of Lüsi port area

2 觀測概況

本次觀測研究根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報作出預(yù)判，選擇風(fēng)力達(dá)到7～8級及以上大風(fēng)進(jìn)行現(xiàn)場觀測工作，觀測內(nèi)容包括：水下地形測量，坐底式波浪、潮流、泥沙綜合觀測，風(fēng)后定點取水樣，風(fēng)后底質(zhì)取樣等。具體觀測工作內(nèi)容見表1。

大風(fēng)期間觀測布置示意圖如圖2所示。其中，水下地形測量范圍的面積約12.5 km2；坐底式觀測站位置設(shè)在航道最大疏浚段北側(cè)，觀測點處水深9 m（當(dāng)?shù)乩碚摶妫伙L(fēng)后取水樣位置與坐底式觀測站相同；航道內(nèi)布置20個風(fēng)后底質(zhì)表層取樣。波浪觀測采用瑞典Nortek公司生產(chǎn)的“浪龍”（Nortek AWACTM），測量范圍為0.3~20 m，精度為0.01 m；現(xiàn)場含沙量觀測采用OBS濁度儀進(jìn)行；流速采用ADCP（BB-ADCP 600 kHz）進(jìn)行測量，精度為0.01 m/s。

表1 大風(fēng)期間監(jiān)測工作表Table 1Content of observation work in strong wind weather

圖2 大風(fēng)天觀測站點布置圖Fig.2Layout of observation stations in strong wind weather

3 大風(fēng)坐底觀測結(jié)果

3.1 大風(fēng)期間風(fēng)浪過程

此次大風(fēng)過程的觀測主要是采用自容式儀器設(shè)備觀測大風(fēng)過程中的波浪、潮流和含沙量等，另外在風(fēng)后進(jìn)行了定點含沙量的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖3、圖4及表2。

圖3 觀測期間風(fēng)速和風(fēng)向過程Fig.3Process chart of wind speed and wind direction during observation

圖4 觀測期間風(fēng)速-波浪過程Fig.4Process chart of wind speed and wave height during observation

表2 平均波高和最大波高統(tǒng)計Table 2Statistical of average wave height and maximum wave height

3.2 大風(fēng)期間潮流特征

小廟洪海域的潮流屬規(guī)則半日潮流，潮流的最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，具有一定駐波性質(zhì)[3]。觀測區(qū)域的潮流為往復(fù)流，坐底觀測站點D1的漲潮流方向基本為西北向，落潮流方向基本為東南向，漲落潮水流流向總體與小廟洪深槽基本一致。觀測點垂向平均流速與潮位變化過程如圖5所示。

圖5 觀測期間流速-潮位變化過程Fig.5Process chart of velocity and tide level during observation

此次大風(fēng)作用期間潮汛為中潮及大潮，期間漲、落潮時段平均流速分別為0.61 m/s和0.43 m/s，漲、落潮的最大垂線平均流速分別為1.47 m/s和1.04 m/s。大風(fēng)作用前期為小潮，漲、落潮最大垂線平均流速分別在0.5~0.6 m/s和0.4~0.5 m/s之間，大風(fēng)作用后期為大潮，漲、落潮最大垂線平均流速分別在1.6~1.7 m/s和1.0~1.1 m/s之間。

3.3 懸沙特征

觀測期間坐底觀測站點D1的近底層含沙量變化過程如圖6所示。

圖6 觀測期間近底層含沙量變化過程Fig.6Process chart of sediment concentration near the bottom during observation

1）懸沙濃度

大風(fēng)前（小潮）：距海床底面0.5 m處大風(fēng)前水體含沙量分別在0.15~0.26 kg/m3之間。

大風(fēng)期間（中潮）：距海床底面0.5 m處水體含沙量在0.53~0.83 kg/m3，平均值為0.65 kg/m3。與風(fēng)前含沙量相比，距底0.5 m高度處含沙量平均值和最大值分別為風(fēng)前的3.1倍和3.2倍，近底含沙量較風(fēng)前明顯增加。

大風(fēng)后（大潮）：距海床底面0.5 m處水體含沙量在0.32~1.40 kg/m3之間，平均值為0.81 kg/m3，為風(fēng)前小潮含沙量的4倍左右，與大風(fēng)期間含沙量的量級基本相當(dāng)。

2）懸沙粒徑

根據(jù)實測分析結(jié)果，風(fēng)后48 h內(nèi)取水樣懸沙中值粒徑為0.017 mm，優(yōu)勢組分為0.004~0.063 mm，粉砂及砂所占百分比為90%左右；而正常天氣時按六點法得到的垂線懸沙中值粒徑為0.009 mm，優(yōu)勢組分為0.001~0.016 mm，粉砂及砂所占百分比為60%左右。對比可知，大風(fēng)天懸沙粒徑明顯粗于正常天氣情況下懸沙粒徑，說明大風(fēng)天岸灘、沙洲底部泥沙在強(qiáng)動力條件下起懸進(jìn)入了水體。

4 大風(fēng)期間回淤

呂四10萬噸級進(jìn)港航道一期工程在大風(fēng)寒潮天氣下的回淤問題，是呂四進(jìn)港航道開發(fā)的關(guān)鍵問題，也是后續(xù)二期工程實施的重要依據(jù)和參考。

4.1 沖淤強(qiáng)度

本次研究分別在2016年3月31日、2016年4月8日對航道疏浚段進(jìn)行了地形觀測，2次回淤觀測時間間隔8 d，完整地包括了本次大風(fēng)過程，因此，可利用2次觀測數(shù)據(jù)作為風(fēng)前風(fēng)后地形，分析疏浚航段在本次大風(fēng)過程中的淤積強(qiáng)度。

圖7給出了2016年3月31日、2016年4月8日兩次測量航道淤積分布圖?？梢钥闯?，在兩次地形觀測期間，航道疏浚段平均淤強(qiáng)為0.067 m，總淤積量為27.06萬m3，根據(jù)工程區(qū)域?qū)φＬ鞖馇闆r下的淤強(qiáng)已有研究成果，正常天氣下6.5 d淤強(qiáng)約為0.017 m?？鄢Ｌ煊俜e后，本次觀測研究的大風(fēng)期間，航道疏浚段平均淤強(qiáng)約為0.05 m，淤積量為20.46萬m3。

圖7 大風(fēng)觀測期間航道沖淤分布（2016-03-31—2016-04-08）Fig.7Distributed chart of scouring and deposition in channel during strong wind weather（2016-03-31—2016-04-08）

4.2 表層沉積物特征

2016年3月、4月在航道內(nèi)進(jìn)行了風(fēng)前風(fēng)后表層底質(zhì)取樣，圖8為風(fēng)前風(fēng)后航道內(nèi)的淤積物表層底質(zhì)中值粒徑對比。表3為大風(fēng)前后砂占百分比數(shù)據(jù)對比，在20個取樣點中有14個取樣點（70%）表層沉積物中值粒徑與大風(fēng)前相比有所增大，且部分取樣點的泥沙顆粒組成中砂（0.063~2 mm）占的百分比增大較多，說明大風(fēng)過后航道回淤物質(zhì)粒徑明顯粗化。

4.3 淤積物主要來源分析

在大風(fēng)天綜合觀測前，還對航道、航道兩側(cè)及附近淺灘區(qū)域的底質(zhì)取樣進(jìn)行了分析，工程海域的D50分布如圖9所示。

由圖9可以得知，淺灘區(qū)的底質(zhì)中值粒徑明顯粗于航道所在的深槽底質(zhì)中值粒徑。根據(jù)風(fēng)后航道表層底質(zhì)取樣顆粒分析結(jié)果可知，在大風(fēng)結(jié)束后航道內(nèi)大部分底質(zhì)取樣點回淤物質(zhì)粒徑明顯粗化，這說明在大風(fēng)過程中淺灘區(qū)域的粗顆粒泥沙有運移至航道工程區(qū)域，對航道的淤積產(chǎn)生了一定影響。

圖8 大風(fēng)前后底質(zhì)中值粒徑對比示意圖Fig.8Comparison of sediment median particle size in channel before and after windy weather

表3 大風(fēng)前后航道內(nèi)表層底質(zhì)取樣分析成果Table 3Analysis results of surface sediment sampling in channel before and after windy weather

圖9 底質(zhì)中值粒徑分布（單位：mm）Fig.9Distributed chart of sediment median particle size(mm)

5 結(jié)語

根據(jù)本次回淤觀測研究，大風(fēng)作用期間近底含沙量較風(fēng)前有明顯增加，航道回淤物質(zhì)較風(fēng)前有明顯粗化現(xiàn)象，淺灘區(qū)域的粗顆粒泥沙對航道的淤積產(chǎn)生了影響；一次正常年份的寒潮大風(fēng)引起的航道淤積量約為20.5萬m3，平均淤強(qiáng)約為0.05 m，在觀測大風(fēng)過程中未出現(xiàn)明顯“驟淤”現(xiàn)象。但小廟洪水道位于輻射沙脊群南緣，屬于粉砂質(zhì)海岸性質(zhì)，航道淤積是呂四港區(qū)進(jìn)港航道建設(shè)需要重點關(guān)注的問題，建議在后期航道建設(shè)和運營過程中繼續(xù)加強(qiáng)大風(fēng)天尤其是臺風(fēng)天的回淤監(jiān)測。

[1]龐啟秀，辛海霞.大風(fēng)浪期間淤泥質(zhì)海岸實測含沙量影響因素研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，2011，26（4）：413-421. PANG Qi-xiu,XIN Hai-xia.Study on the factors affecting suspension sediment concentration during large wind wave in the muddy coast[J].Journal of Hydrodynamics,2011,26(4):413-421.

[2]劉猛，吳華林，王元葉，等.射陽河口大風(fēng)天波流沙綜合觀測研究[J].泥沙研究，2010（2）：15-21. LIU Meng,WU Hua-lin,WANG Yuan-ye,et al.Integrated observation study on wave-current-sediment in the Sheyang Estuary under strong winds[J].Journal of Sediment Research,2010(2):15-21.

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Siltation observation of Lüsi artificial 100 000 dwt approach channel phase I project in strong wind weather

SHEN Jie1,XIONG Wei2,QU Hong-ling2
（1.The Management Committee of Lüsi Harbor Economic Development Zone,Qidong,Jiangsu 226200,China; 2.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210014,China）

Based on the phase I project of 100 000 dwt approach channel in Lüsi port area,we analyzed the wave,tidal current and sediment environment of channel dredging in strong wind weather by using the field observation method,and studied the channel siltation density during the period of strong wind.The results show that the sediment concentration near the bottom increased obviously during the period of strong wind and the coarse sediment in the shallow area was transported to the waterway engineering area.The total siltation in the channel is not significant under the single conventional strong wind weather.There is no obvious short-term rapid siltation phenomenon in the channel.

strong wind weather;siltation observation;sediment concentration;channel siltation

U656.5

A

2095-7874（2017）05-0047-06

10.7640/zggwjs201705011

2016-11-28

2017-02-09

沈捷（1981—），男，江蘇啟東人，博士，工程師，水運工程管理專業(yè)，主要從事水運工程建設(shè)與管理。

*通訊作者：熊偉，E-mail：xw_7816@126.com