盤錦港深水航道水沙環(huán)境特征分析*

嚴(yán) 冰，韓志遠(yuǎn)，趙張益，楊 華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

盤錦港是遼寧沿海地區(qū)性重要港口，位于遼寧省西南部，是沈陽經(jīng)濟(jì)區(qū)與京津冀城市群之間的連接帶，地理區(qū)位優(yōu)勢十分突出[1]。盤錦港曾有河口(遼濱港)和榮興兩個(gè)港區(qū)。河口港區(qū)1995年3月開工建設(shè)，2014年退出運(yùn)營；榮興港區(qū)于2009年5月開工建設(shè)，2010年9月開港通航，2013年3月開通了首個(gè)集裝箱航線，2015年納入到“遼滿歐”“遼蒙歐”國際大通道建設(shè)之中，2018年成為“北糧南運(yùn)”新通道糧食下水港，目前已形成約26 km2的陸域面積，投產(chǎn)5萬噸級(jí)以上泊位25個(gè)，現(xiàn)“盤錦港”專指該港區(qū)，是遼寧港口群的重要組成部分[2-5]。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，亟需提高盤錦港總體通過能力，進(jìn)一步加強(qiáng)深水航道建設(shè)，將現(xiàn)狀5萬噸級(jí)航道擴(kuò)建為10萬噸級(jí)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(huán)抱式港區(qū)，口門位于5 m等深線(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?附近?，F(xiàn)出港航道為5萬噸級(jí)航道，設(shè)計(jì)深度為12.6 m。盤錦港恰處于遼河口和大遼河口兩個(gè)水下三角洲邊緣的中間地帶，航道西側(cè)為蛤蜊崗子灘及遼河口入海水道，航道東側(cè)為大遼河口西灘和東、西水道(圖1)。港區(qū)東、西兩側(cè)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(shí)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(cè)；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(zhuǎn)深入至盤錦港口門西側(cè)。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(gè)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(tài)下，外海10 m等深線向?yàn)稠斅杂猩钊?，距盤錦港口門最近約15 km。雙河口、灣頂、復(fù)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(huán)境復(fù)雜。本文綜合多次現(xiàn)場實(shí)測資料，分析盤錦港建設(shè)10萬噸級(jí)深水航道的水沙環(huán)境特征，討論航道回淤的泥沙來源和產(chǎn)生泥沙驟淤的可能性，為相關(guān)工作和后續(xù)研究提供參考。

圖1 研究區(qū)域位置

1 盤錦港深水航道水沙環(huán)境特征

1.1 波浪特征

盤錦海區(qū)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(cè)深槽設(shè)立臨時(shí)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(qū)以風(fēng)浪為主。常浪向?yàn)镾W向，出現(xiàn)頻率為22.2%；次常浪向?yàn)镾SW和WSW向，出現(xiàn)頻率分別為16.6%、16.4%，3個(gè)方向合計(jì)55.2%；W向波浪出現(xiàn)頻率為12.3%；其它各向出現(xiàn)頻率均在5%以下(圖2)。

圖2 2009年波浪玫瑰圖

波浪動(dòng)力不強(qiáng)，有效波高小于1.0 m波浪的出現(xiàn)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(qiáng)浪向?yàn)镾SW向，最大有效波高為2.22 m；次強(qiáng)浪向?yàn)閃SW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(zhì)屬于非正規(guī)半日潮，存在潮汐日不等現(xiàn)象，屬中強(qiáng)潮海域[7-8]。根據(jù)四道溝水文站1952—1972年和2003年資料統(tǒng)計(jì)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(diǎn)潮流觀測[9]，潮流形態(tài)數(shù)均在0.5以下，屬于正規(guī)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(nèi)潮流系統(tǒng)控制，潮流基本沿深槽等深線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。漲潮時(shí)潮流沿蛤蜊崗子灘和西灘之間的深槽自南向北運(yùn)動(dòng)，并在近岸處分成東、西兩股流，一部分轉(zhuǎn)向西北進(jìn)入遼河口水道，一部分向東進(jìn)入大遼河口；落潮時(shí)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(shí)略有差異，大潮落潮歷時(shí)略長，小潮漲潮歷時(shí)略長。大、小潮漲潮各點(diǎn)平均流速為0.32～0.59 m/s和0.32～0.42 m/s，落潮各點(diǎn)平均流速分別為0.29～0.49 m/s和0.24～0.32 m/s，漲潮各點(diǎn)最大流速分別為0.57～0.97 m/s和0.51～0.65 m/s，落潮各點(diǎn)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(yàn)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(cè)水流主要以往復(fù)形式運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)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(diǎn)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(nèi)測點(diǎn)流速小，平均流速在0.2 m/s以內(nèi)，最大流速不超過0.3 m/s，呈旋轉(zhuǎn)形式運(yùn)動(dòng)。

圖4 2013年大、小潮流速矢量

1.4 含沙量特征

1.4.1常規(guī)天含沙量情況

2007年4—5月定點(diǎn)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(fēng)速2.9 m/s，主風(fēng)向SW，海況在1～2級(jí)；小潮觀測期間平均風(fēng)速4.4 m/s，主風(fēng)向NNE，海況在1～3級(jí)。

時(shí)間上看，大潮含沙量較大、小潮較??；平面分布看，河口區(qū)、淺灘、近岸含沙量較高，深水和外海較低；潮段內(nèi)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(diǎn)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(diǎn)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(zhì)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(tǒng)計(jì) kg/m3

1.4.2大風(fēng)天含沙量情況

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

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

離岸的1#、2#、4#站波浪呈現(xiàn)成長至衰減的變化過程，波向與風(fēng)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(yuǎn)、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(fēng)影響較小，流速、流向在大風(fēng)期間和風(fēng)前、風(fēng)后基本一致。

大風(fēng)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(fēng)及波浪對各站泥沙運(yùn)動(dòng)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(qiáng)、雙河口海域泥沙環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)。

平面分布上，含沙量近岸大、遠(yuǎn)岸小。距岸最遠(yuǎn)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(fā)生在落轉(zhuǎn)漲前后，大風(fēng)期間最大含沙量為0.38 kg/m3和0.52 kg/m3,分別發(fā)生在18日12:00、22:00。河口3#站含沙量峰值多發(fā)生在漲急時(shí)刻附近、最小值多發(fā)生在落潮初期至落急期間，大風(fēng)期間最大含沙量為1.42 kg/m3,發(fā)生在18日22:00。深槽內(nèi)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(fēng)速變小、波浪減弱后，含沙量仍然呈波動(dòng)狀增加，20日5:00含沙量達(dá)到最大的0.72 kg/m3,見圖5d)。

圖5 2009年大風(fēng)天波浪、潮流、含沙量變化過程

1.5 表層底質(zhì)特征

1.5.1大范圍底質(zhì)情況

2008和2011年分別在盤錦港不同水域進(jìn)行大面積水下表層底質(zhì)采集工作，兩次合計(jì)取樣388個(gè)，見圖6a)。底質(zhì)種類較多，由粗至細(xì)為砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、粉砂、砂-粉砂-黏土、黏土質(zhì)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(xiàn)粗-細(xì)-粗的分布特點(diǎn)；從縱向上看，東西兩側(cè)淺灘之間航道沿程水域底質(zhì)中值粒徑，由北部淺灘至外海呈現(xiàn)較細(xì)-較粗-較細(xì)-較粗-較細(xì)的交錯(cuò)分布特點(diǎn)。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(xì)，泥沙中值粒徑在0.004 7～0.016 mm。

圖6 表層底質(zhì)中值粒徑情況(單位：mm)

采樣區(qū)底質(zhì)分選系數(shù)在0.15～2.05變化，近岸與淺灘上沉積物分選程度較好，遠(yuǎn)岸與深水區(qū)分選程度則較差。底質(zhì)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(cè)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(zhì)分選程度呈現(xiàn)中常-好-中常-好-中常的分布特點(diǎn)。這種縱向不連續(xù)的分布特點(diǎn)表明，航道水域底質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍，底質(zhì)搬運(yùn)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(zhì)情況

2015年12月口門附近航道及兩側(cè)邊灘進(jìn)行底質(zhì)取樣和粒徑分析，共24個(gè)底質(zhì)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(nèi)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(xì)砂外，航道內(nèi)沉積物為粉砂-黏土、細(xì)砂和砂質(zhì)粉砂，平均中值粒徑0.028 mm，黏土含量平均為25.8%；航道東側(cè)灘面沉積物為黏土質(zhì)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(cè)蛤蜊崗子淺灘及附近水域以砂質(zhì)沉積物為主，東側(cè)灘面底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂為主；港池航道回淤物質(zhì)較細(xì)，可以判斷港池航道內(nèi)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(jīng)河北、內(nèi)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(gè)獨(dú)立的入海水系；遼河干流在盤山境內(nèi)匯流入海，稱遼河(過去也稱雙臺(tái)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(qū)，產(chǎn)沙甚少，因此可將六間房站作為分析遼河流域產(chǎn)沙特性的控制站。據(jù)相關(guān)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(fā)育，部分地段出現(xiàn)萎縮。遼河河口攔門沙向口內(nèi)發(fā)展，蛤蜊崗子灘西緣和南緣、北心灘東南部均出現(xiàn)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(tài)勢；近岸潮間帶淺灘(陸域淺灘)淤漲變緩，部分地段出現(xiàn)侵蝕[16-17]。盤錦港航道位于兩側(cè)河口順岸擴(kuò)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(qū)。加之前文表層底質(zhì)分布特征分析，可進(jìn)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(dòng)搬運(yùn)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(dòng)搬運(yùn)作用是河口區(qū)域航道回淤泥沙的另一項(xiàng)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(fēng)浪的作用下泥沙再懸浮現(xiàn)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(yùn)動(dòng)最為活躍，常自蛤蜊崗子灘東側(cè)起向西形成一個(gè)面積較大的渾水舌，渾水舌的外邊界隨潮段及風(fēng)況變化，一般情況下，落潮時(shí)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(fēng)時(shí)渾水舌南側(cè)邊界向外移動(dòng)，可以到達(dá)10 m 等深線以深的海域；渾水舌的西側(cè)邊界常達(dá)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(qū)，大風(fēng)天時(shí)可連成一片。因此，波流作用下兩側(cè)岸灘就地起動(dòng)搬運(yùn)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(chǎn)生驟淤的可能性

盤錦港現(xiàn)有航道穿過粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂等沉積區(qū)域，且本區(qū)域受寒潮大風(fēng)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(guān)注的問題之一。

1)航道工程海域處在遼河和大遼河兩個(gè)河口的三角洲之間，泥沙來源豐富。

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

3)從水動(dòng)力條件來看，潮流強(qiáng)度處于中等水平，波浪作用不強(qiáng)。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(fēng)雖然較多，但由于本海域位于遼東灣頂，寒潮大風(fēng)多為陸向風(fēng)，風(fēng)成浪相對較?。槐竞Ｓ蚴芟募九_(tái)風(fēng)影響較小。工程海域?qū)崪y年最大有效波高約為2.22 m，工程區(qū)50 a一遇最大SW向波浪約為3.5 m[19]。

4)盤錦港現(xiàn)有5萬噸級(jí)航道以及附近海域的鲅魚圈港區(qū)航道自建成以來并未出現(xiàn)大風(fēng)驟淤情況。

因此，可基本認(rèn)為盤錦港10萬噸級(jí)航道沿程出現(xiàn)驟淤礙航現(xiàn)象的可能性較小。但進(jìn)入21世紀(jì)，全球氣候變化的趨勢愈加明顯，各類極端氣候現(xiàn)象出現(xiàn)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(tài)[20]。航道驟淤的可能性有增加趨勢，應(yīng)密切加強(qiáng)觀測，開展進(jìn)一步研究。另外，航道竣工初期，可能會(huì)出現(xiàn)局部潮流動(dòng)力變化而產(chǎn)生的灘面沖刷和邊坡不穩(wěn)定，導(dǎo)致航道竣工初期的回淤量較大，應(yīng)注意與驟淤情況的區(qū)分，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整，航道邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，回淤量就會(huì)回到正常情況。

3 結(jié)論

1)本海區(qū)以風(fēng)浪為主，波浪動(dòng)力不強(qiáng)。常浪向?yàn)镾W向，強(qiáng)浪向?yàn)镾SW向，實(shí)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(xiàn)頻率為89.1%。

2)本海域潮汐屬于非正規(guī)半日潮，存在潮汐日不等現(xiàn)象，屬中強(qiáng)潮海域；為正規(guī)半日潮流，主要以往復(fù)形式運(yùn)動(dòng)，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(nèi)側(cè)存在強(qiáng)度較弱的旋轉(zhuǎn)流。

3)河口區(qū)和近岸淺灘含沙量高、外海深水區(qū)含沙量較低；泥沙主要以懸浮形式運(yùn)動(dòng)。常規(guī)天，漲潮含沙量和落潮含沙量差異不大，大潮實(shí)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(shí)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(fēng)影響含沙量均顯著大于常規(guī)天，2009年10月大風(fēng)實(shí)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(nèi)的最大含沙量0.72 kg/m3,最大含沙量出現(xiàn)時(shí)間不同，沒有表現(xiàn)出一致性的變化趨勢，顯示了雙河口海域泥沙環(huán)境的復(fù)雜性。

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

5)波流作用下兩側(cè)岸灘就地起動(dòng)搬運(yùn)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(jí)航道沿程出現(xiàn)驟淤礙航現(xiàn)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(tài)化趨勢，增加了航道驟淤的可能性，應(yīng)密切加強(qiáng)觀測，開展深入研究。