淺談黃驊港海域泥沙特性及演變

陳淑青

（滄州港務(wù)集團(tuán)有限公司，河北 滄州 061113）

0 引言

黃驊港位于渤海灣穹頂處，腹地范圍廣闊，區(qū)位優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，是中西部地區(qū)最便捷的出?？?。港口規(guī)劃用地面積79.53 km2，布置泊位209個(gè)。目前，已建成20萬(wàn)噸級(jí)航道及萬(wàn)噸級(jí)以上泊位33個(gè)。2016年完成吞吐量2.45億t，增速穩(wěn)居全國(guó)主要港口首位。隨著吞吐量的不斷增長(zhǎng)，港口工程建設(shè)也在飛速發(fā)展中，外航道整治、防波堤延伸和碼頭泊位等一系列工程的陸續(xù)建成，勢(shì)必會(huì)對(duì)港口近岸海域的水動(dòng)力泥沙環(huán)境造成一定的影響。雖然早在黃驊港建港初期就有學(xué)者對(duì)黃驊的泥沙特性進(jìn)行了研究[1-3]，但隨著工程建設(shè)發(fā)展，附近海域的泥沙特性必然隨之變化。因此，有必要對(duì)黃驊港工程建設(shè)后的近岸海域的泥沙環(huán)境及岸線演變進(jìn)行分析，為港口的后續(xù)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及航道維護(hù)提供重要依據(jù)。

本文采用衛(wèi)星遙感技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析的方法，對(duì)黃驊港工程海域沉積物分布、海域含沙量分布、岸線演變及等深線變化進(jìn)行了分析研究。

1 海域泥沙來(lái)源及沉積物分布

1.1 海域泥沙來(lái)源

黃驊港近岸海域泥沙沉積物主要來(lái)源有3個(gè)方面：

2）岸線沖蝕泥沙。近幾十年來(lái)，本海區(qū)海岸線在不斷沖蝕后退，自1939年特大風(fēng)暴潮沖刷狼坨子以來(lái)，岸線已后退約0.5 km，1970—1987年間貝殼堤被侵蝕達(dá)100 m。1954—1986年，馮家堡至狼坨子段岸線年平均后退速度為1.6耀11.3 m，大口河堡貝殼堤年平均后退5.5 m，棘家堡以北的石坨子貝殼堤年平均后退5 m。因此岸線沖蝕泥沙也是本海區(qū)泥沙來(lái)源的一部分。

3）河流下瀉泥沙。大口河由漳衛(wèi)新河與宣惠河匯合而成。宣惠河流程較小，流量很小，輸沙量更少；據(jù)四女寺水文站資料分析，漳衛(wèi)新河多年（1958—1984年）平均流量24.2 m3/s，多年徑流量8億m3，多年平均輸沙量274.4萬(wàn)t，1973年在距大口河河口約39.4 km處建辛集擋潮閘，1977—1985年沒(méi)有徑流流到閘下，沒(méi)有沙量下泄入海。因此，徑流來(lái)沙對(duì)該區(qū)沒(méi)有太大影響。

1.2 表層沉積物中值粒徑分布特征

從近海區(qū)底質(zhì)中值粒徑等值線來(lái)看（圖1），航道以南為0.038 3 mm，以北為0.020 4 mm。套爾河口北側(cè)與大口河南側(cè)0耀5 m近岸區(qū)域中值粒徑最粗，為0.04耀0.60 mm，由此向西北方向呈由粗而細(xì)的變化趨勢(shì)，最細(xì)處在0.01 mm以下。航道北側(cè)，由岸至深水區(qū)（0耀10 m水深處），泥沙粒徑由粗而細(xì)變化程度比較明顯，而航道南側(cè)由岸邊至深水區(qū)泥沙粒徑衰減程度不明顯。在平面的分布趨勢(shì)上航道南北兩側(cè)的沉積泥沙雖然表現(xiàn)出南粗北細(xì)的特征，但0~-9.5 m水深內(nèi)表現(xiàn)出有所細(xì)化的特征。分析認(rèn)為航道兩側(cè)防沙堤的建成，阻擋了粗顆粒泥沙向航槽及北側(cè)灘面的運(yùn)移、致使航道北側(cè)灘面表層沉積物質(zhì)有所細(xì)化。

圖1 黃驊港近海區(qū)底質(zhì)中值粒徑等值線示意圖(mm)Fig.1 Sketch map of median particle size contour of Huanghua Harbor offshorearea(mm)

1.3 表層沉積物類型分布特征

黃驊港海域表層沉積物質(zhì)分布以砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主（圖2）。砂質(zhì)粉砂（ST）在航道以南呈大面積分布，在航道以北僅在淺水區(qū)分布，占全部樣品的42.33%。黏土質(zhì)粉砂（YT）在航道以北呈大面積分布，在航道以南僅在深水區(qū)分布，占全部樣品的40.28%。粉砂（T）在航道兩側(cè)砂質(zhì)粉砂與黏土質(zhì)粉砂間的過(guò)渡帶分布，占全部樣品的17.40%。

圖2 沉積物沉積類型分布示意圖Fig.2 Sketch map of sediment type distribution

2 海域含沙量分布

2.1 宏觀含沙量背景

從衛(wèi)星圖像看（圖3），整個(gè)渤海海域水體中懸浮泥沙含量較高的水域集中在渤海灣及萊州灣海域。就渤海灣海域而言，懸沙分布整體呈南大北小的特點(diǎn)，其中天津港至曹妃甸水域處于低含沙區(qū)，黃驊港及以東的老黃河三角洲水域均處于高含沙區(qū)[4]。

圖3 2000年2月遙感衛(wèi)片F(xiàn)ig.3 Remote sensing satellite in February 2000

2.2 黃驊港海域含沙量分布

本次研究選取了14張不同時(shí)期（2004—2012年）Landsat衛(wèi)星遙感圖片（以2007-04-03拍攝的黃驊港海域懸沙遙感影像圖為例，見(jiàn)圖4所示），包括大小潮、漲落潮和洪枯季以及不同海況（表 1）。

圖4 黃驊港海域懸沙遙感影像圖（2007-04-03）Fig.4 Remote sensing imagesof suspended sediment in Huanghua Harbour area(2007-04-03)

表1 Landsat-5/7衛(wèi)星遙感圖像日期及海況Table1 Date and sea state of Landsat-5/7 satelliteremote sensing images

通過(guò)對(duì)遙感影像進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，建立表層含沙量與TM2、TM3波段灰度值之間的擬合關(guān)系式[5-6]，從而對(duì)遙感圖像進(jìn)行定量分析。從遙感圖片上反映出黃驊港海域的懸沙分布具有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：

1）從整個(gè)海域來(lái)看，在橫向上由岸至海，不論潮型、風(fēng)況等因素的變化，該海域含沙量均呈現(xiàn)出從近岸至外海遞減的現(xiàn)象，具有明顯的層次性；一般天氣下，0 m等深線表層含沙量在0.18 kg/m3，-5 m等深線遞減到0.10 kg/m3，-10 m等深線則在0.05 kg/m3。沿岸線走向，濱州港套爾河口附近海域的含沙量總體上比黃驊港要大；特別是近岸區(qū)比黃驊港海域含沙量明顯要大。

式中，ve為彈體向后拋射的銷蝕碎片速度;ue為v=ve時(shí),所對(duì)應(yīng)的侵徹速度；ve可通過(guò)式(11)計(jì)算得出：

2）風(fēng)浪對(duì)黃驊港附近海域懸沙分布的總體變化起著決定性作用，在無(wú)風(fēng)及小風(fēng)天時(shí)，港口附近海域含沙量較低，沿岸高含沙帶寬度較窄；而在風(fēng)浪較大的天氣，沿岸高含沙帶明顯變寬，同時(shí)在漲落潮流和波浪的作用下，懸沙向外海和其他地區(qū)擴(kuò)散進(jìn)而影響到外航道。風(fēng)向和風(fēng)速也對(duì)海域懸沙分布起著關(guān)鍵作用，特別是北向、東北向、東向等較強(qiáng)風(fēng)況條件。

3）距港口南側(cè)22 km的套爾河口水域含沙量較高，在風(fēng)浪作用下，該海域高含沙量影響范圍較大。且套爾河口的長(zhǎng)堤有明顯的挑流作用，在風(fēng)吹流、沿岸流、潮流、河口射流的綜合作用下，特別是在偏S風(fēng)作用下會(huì)影響到黃驊港海域航道的淤積。

2.3 基于實(shí)測(cè)資料分析

從宏觀泥沙背景分析，工程海域處于含沙量較高的區(qū)域，同時(shí)受風(fēng)浪影響較大。從2001年以來(lái)對(duì)本海域含沙量進(jìn)行了大量觀測(cè)。

2001年11月26日海面有6級(jí)N風(fēng)，26日、27日連續(xù)進(jìn)行了巡測(cè)，結(jié)果顯示，0 m淺灘上含沙量為1.0耀1.5 kg/m3，神華港全航道巡測(cè)平均分別為 0.913 kg/m3和0.531 kg/m3。

2003年秋季在航道南側(cè)采用自動(dòng)定時(shí)水下采樣器，對(duì)大風(fēng)過(guò)程中的水體灘面以上0.5 m和灘面以上1.0 m水層含沙量進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：含沙量隨波高增加迅速增大，波高減小則迅速減?。伙L(fēng)浪加大，上、下層含沙量迅速增長(zhǎng)，上層含沙量增長(zhǎng)置后于下層，越靠近底部含沙量越高，風(fēng)浪減小，上、下層含沙量迅速減小，上層減小速度快于下層；灘面以上0.5 m處含沙量比灘面以上1.0 m處含沙量平均高出1.75倍，最小倍數(shù)1.01倍，最大倍數(shù)達(dá)8.75倍。

2004年春季進(jìn)行了同樣的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)大于6級(jí)E—NE向風(fēng)作用4耀6 h后，含沙量迅速增大，峰值一般出現(xiàn)在風(fēng)速衰減末期，風(fēng)速衰減后，含沙量迅速降低，上、下含沙量差異很大，越靠近泥面含沙量越大，高含沙量（以逸10 kg/m3計(jì)）只存在于靠近底部水體內(nèi)，其厚度小于0.5 m。

2006年、2007年、2008年在本海區(qū)水文全潮觀測(cè)期間均進(jìn)行了含沙量觀測(cè)。從觀測(cè)結(jié)果分析含沙量在平面分布上總體有如下特征：-3 m水深附近實(shí)測(cè)到最大含沙量為1.3耀1.4 kg/m3，-3~-4 m段含沙量相對(duì)較大。在6級(jí)風(fēng)情況下，-4 m水深以內(nèi)段含沙量均勻分布，風(fēng)后含沙量在0.81耀0.57 kg/m3范圍內(nèi)。5級(jí)風(fēng)情況下，-4 m水深以內(nèi)段含沙量在0.55耀0.45 kg/m3范圍內(nèi)，-4 m水深以外段含沙量在0.45耀0.25 kg/m3范圍內(nèi)。小于5級(jí)風(fēng)情況下，現(xiàn)口門(mén)段含沙量在0.32耀0.24 kg/m3范圍內(nèi)。

2012年3月25—28日南側(cè)圍堰工程附近海域的巡測(cè)結(jié)果顯示，在大口河附近平均含沙量都在1.0 kg/m3以上，全水域巡測(cè)平均值介于0.43耀0.68 kg/m3；沿程含沙量由內(nèi)向外海域逐漸減小，堤頭處為最?。淮箫L(fēng)時(shí)除堤頭處略小外，內(nèi)外基本一致。

2014年冬、夏兩季水文觀測(cè)期間，冬季水文測(cè)驗(yàn)期間施測(cè)海域?qū)崪y(cè)漲、落潮垂線平均含沙量分別為0.194 kg/m3和0.191 kg/m3；夏季水文測(cè)驗(yàn)期間施測(cè)海域?qū)崪y(cè)漲、落潮垂線平均含沙量分別為0.118 kg/m3和0.146 kg/m3；含沙量總體呈現(xiàn)大潮大、小潮小的特點(diǎn)，平面分布上河口附近含沙量最高，近岸含沙量高于外海。含沙量垂線分布上呈現(xiàn)自表層到底層逐漸增大的特征，正常天氣下含沙量垂向梯度變化不大。

3 近期岸灘穩(wěn)定性分析

3.1 岸線變化

由1983—2013年的岸線變化圖（以2003—2013年岸線對(duì)比圖為例，見(jiàn)圖5）可以看出，30 a間除河口位置由于工程建設(shè)改變外，北側(cè)區(qū)域略有圍墾外，岸線整體保持穩(wěn)定。

圖5 2003—2013年岸線對(duì)比Fig.5 2003-2013 coastline comparison

3.2 等深線變化

1983—2001年的18 a中，在-2 m等深線以內(nèi)，0 m等深線除在套爾河口水域有所淤漲外，其余均有不同程度的向岸蝕退現(xiàn)象；在黃驊港航道以南-5.0 m等深線以內(nèi)大口河附近水域都是處于沖刷狀態(tài)，-5 m等深線向岸移動(dòng)距離為0.2 km，年變化率為0.01 km/a；-2 m等深線蝕退了約0.4 km，年變化率為0.02 km/a。-5.0 m等深線以外則處于淤積狀態(tài)；-10 m等深線整體表現(xiàn)為淤積狀態(tài)，平均向外海推移了0.60 km，年變化率為0.03 km/a。

由2001—2004年，黃驊港北側(cè)0 m、-2 m等深線有所向岸蝕退，蝕退了約0.15 km，年均變化0.05 km/a；濱州港與黃驊港之間的水域0 m等深線向外有所淤漲，淤漲距離約0.38 km，年均變化0.13 km/a；-2 m等深線向外淤漲了0.23 km，年均變化0.08 km/a；-5 m以外等深線在整個(gè)區(qū)域都表現(xiàn)為向外淤漲，淤漲距離約為0.3耀0.75 km，年均變化為0.1耀0.25 km/a；-10 m等深線整體向外淤漲約2.1 km，年均變化0.7 km/a。

由2004—2013年等深線變化情況圖（圖6）的等深線對(duì)比看，黃驊港0 m、-2 m等深線向岸有所蝕退；10 m等深線拋泥區(qū)附近有所淤漲。

圖6 2004—2013年等深線對(duì)比圖Fig.6 2004-2013 bathymetric comparison chart

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙感圖像和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史資料的整理與分析，得到以下主要結(jié)論：

1）黃驊港海域沉積物質(zhì)組成在宏觀上的分布以砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主。沉積物的中值粒徑在平面分布上呈現(xiàn)出航道南側(cè)粗于航道北側(cè)，近岸粗于遠(yuǎn)岸的特點(diǎn)。

2）黃驊港海域含沙量總體呈現(xiàn)大潮大、小潮小的特點(diǎn)，平面分布上河口附近含沙量最高，近岸含沙量高于外海。含沙量垂線分布上呈現(xiàn)自表層到底層逐漸增大的特征。

3）就岸灘穩(wěn)定性來(lái)看，黃驊港海域除人工干預(yù)，河口略有變化外，岸線相對(duì)穩(wěn)定；從等深線來(lái)看，近岸有所侵蝕，外海有所淤漲，同時(shí)受附近港口工程建設(shè)及拋泥影響，這種趨勢(shì)特別是外海淤漲趨勢(shì)有所加強(qiáng)。

4）黃驊港海域泥沙分布及泥沙運(yùn)動(dòng)情況正向著有利于港口建設(shè)的情況發(fā)展。