臺(tái)風(fēng)對(duì)樂(lè)清灣進(jìn)港航道淤積的影響分析

范武雷，陸 偉

(1.溫州市港航管理中心，溫州 325088；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

臺(tái)風(fēng)往往會(huì)對(duì)淺水水域的潮汐增減水、海底泥沙運(yùn)動(dòng)平衡等將造成較大影響，將在一定時(shí)期內(nèi)影響海底泥沙運(yùn)動(dòng)平衡，造成海底在短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重淤積。臺(tái)風(fēng)引起淤積現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一直是工程泥沙問(wèn)題研究的難點(diǎn)[1]。

樂(lè)清灣是浙江臺(tái)州和溫州的重要港口水域[2]。樂(lè)清灣進(jìn)港航道于2013年8月建設(shè)完成，起自樂(lè)清灣港外候潮錨地，終至溫州的樂(lè)清灣南港區(qū)，航道全長(zhǎng)約45.5 km，規(guī)模為10萬(wàn)t級(jí)散貨船單向乘潮通航，并滿足5萬(wàn)t級(jí)集裝箱船雙向乘潮通航[3]。本次研究段位于鹿西島東側(cè)，全長(zhǎng)約11.6 km，起終點(diǎn)分別距鹿西島約3 km、14.6 km，為樂(lè)清灣進(jìn)港航道的主要淺段，是航道疏浚養(yǎng)護(hù)的主要范圍，維護(hù)量約占整個(gè)進(jìn)港航道的70%以上。其位置如圖1所示。航道研究段疏浚底寬222 m，設(shè)計(jì)通航水深12.6 m[3]，航道邊坡外側(cè)平坦區(qū)域水深11～13 m，航道挖槽深度0～2 m不等，表層底質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂(YT)為主，中值粒徑0.003～0.021 mm，平均0.007 5 mm。已有研究表明，航道所在海域泥沙沖淤基本為懸沙的落淤及再懸浮，沒(méi)有大范圍的海床沖刷及淤積，水體含沙量較小，開(kāi)敞水域含沙量為0.11～0.23 kg/m3[4]，海床沖淤亦很小[5]，但溫州海區(qū)易受臺(tái)風(fēng)影響[6-8]，臺(tái)風(fēng)對(duì)含沙量變化也有較大影響[9]。航道建設(shè)前的數(shù)模計(jì)算表明，風(fēng)速大于20 m/s情況下3 d淤積厚度為0.06～0.13 m[7]。

圖1 航道研究段平面位置布局Fig.1 Location of study section

相關(guān)研究表明，臺(tái)風(fēng)對(duì)航道回淤會(huì)造成一定的影響[10]，影響程度與臺(tái)風(fēng)的風(fēng)力等級(jí)和路徑有關(guān)，通常情況下，臺(tái)風(fēng)風(fēng)力等級(jí)越高，掀起的淺灘泥沙越多，水體含沙量越大，故航道回淤越大[11-13]。樂(lè)清灣航道建成以來(lái)多次開(kāi)展水深監(jiān)測(cè)，積累豐富實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為了解臺(tái)風(fēng)對(duì)樂(lè)清灣進(jìn)港航道的淤積影響，服務(wù)于航道養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制訂與實(shí)施。收集了2013～2020年歷次航道水深監(jiān)測(cè)結(jié)果以及同期的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與影響范圍相關(guān)資料，對(duì)樂(lè)清灣進(jìn)港航道研究段的淤積情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。其中2013～2020年，開(kāi)展了兩次維護(hù)性疏浚，歷時(shí)分別為2015年9月～11月、2019年10月～2020年4月，疏浚歷時(shí)段未予以淤積分析。

1.1 歷次水深監(jiān)測(cè)結(jié)果

2013年9月～2020年10月樂(lè)清灣進(jìn)港航道研究段共開(kāi)展了24期水深監(jiān)測(cè)，所有數(shù)據(jù)均來(lái)自各期的水深監(jiān)測(cè)報(bào)告或成果圖紙。除2013年9月、2018年7月30日兩期為多波束掃測(cè)之外，其余均采用單波束水深測(cè)量，深度基準(zhǔn)面均為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗８鶕?jù)收集的數(shù)據(jù)與圖紙，采用南方CASS軟件以三角網(wǎng)DTM法或斷面法計(jì)算了航道槽內(nèi)的平均水深見(jiàn)表1。

表1 樂(lè)清灣進(jìn)港航道研究段歷次水深監(jiān)測(cè)平均水深Tab.1 Average water depth of previous times of the Yueqing Bay m

1.2 同期臺(tái)風(fēng)信息

為分析臺(tái)風(fēng)對(duì)航道淤積的影響，在“臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)(typhoon.zjwater.gov.cn)”網(wǎng)站上查詢(xún)了上述24期測(cè)量期間的所有臺(tái)風(fēng)信息。該系統(tǒng)所查詢(xún)的臺(tái)風(fēng)信息明確列出了7級(jí)半徑與10級(jí)半徑，以及臺(tái)風(fēng)中心的運(yùn)行軌跡，據(jù)此可以在地圖上直接確定研究的航道段距臺(tái)風(fēng)中心的距離，以及是否位于7級(jí)半徑或10級(jí)半徑。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013年至今7級(jí)半徑覆蓋樂(lè)清灣進(jìn)港航道研究段的臺(tái)風(fēng)共計(jì)12次，其中10級(jí)半徑覆蓋或接近該研究段的臺(tái)風(fēng)有6次，分別為“201323菲特”、“201509燦鴻”、“201808瑪莉亞”、“201909利奇馬”、“201918米娜”、“202004黑格比”。臺(tái)風(fēng)最近點(diǎn)距離航道研究段及風(fēng)圈半徑信息見(jiàn)表2。

表2 2013～2020年7級(jí)風(fēng)圈覆蓋樂(lè)清灣進(jìn)港航道研究段的主要臺(tái)風(fēng)信息列表Tab.2 List of main Typhoon Information in the study section covered by level 7 wind circle (2013～2020年)

2 臺(tái)風(fēng)對(duì)航道淤積的總體影響

以歷次平均水深及測(cè)量時(shí)間為依據(jù)，計(jì)算了各月份的平均淤積厚度如圖2。計(jì)算時(shí)，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間跨度超過(guò)1個(gè)月時(shí)，如期間未有臺(tái)風(fēng)，按月計(jì)算平均值；如期間有臺(tái)風(fēng)，非臺(tái)風(fēng)所在月份參考之前月份數(shù)值，階段累計(jì)淤積減去非臺(tái)風(fēng)月份的淤積當(dāng)作臺(tái)風(fēng)當(dāng)月的淤積。其中2015年8月～2015年12月、2019年10月～2020年4月為航道養(yǎng)護(hù)疏浚期，未進(jìn)行淤積計(jì)算。

圖2 月均淤積厚度柱狀圖(2013-10～2020-10)Fig.2 Histogram of monthly average sedimentation (2013-10～2020-10)

統(tǒng)計(jì)表明，根據(jù)目前臺(tái)風(fēng)7級(jí)半徑、10級(jí)半徑分類(lèi)(其他風(fēng)級(jí)及細(xì)節(jié)特征因缺少詳細(xì)數(shù)據(jù)不予統(tǒng)計(jì)分析)，臺(tái)風(fēng)7級(jí)及以下風(fēng)圈半徑覆蓋情況下基本不會(huì)對(duì)該航道造成較大淤積，此類(lèi)情況下，月平均淤積厚度最大0.07 m，平均約0.03～0.04 m，計(jì)算年均淤積厚度約0.36～0.48 m，這與同海域溫州深水航道泥沙模型研究表明的年淤?gòu)?qiáng)介于0.0～0.62 m/a[14]基本吻合。臺(tái)風(fēng)10級(jí)及以上風(fēng)圈半徑覆蓋情況下可能將造成航道在大風(fēng)期出現(xiàn)相對(duì)較大淤積，淤積厚度均超過(guò)0.1 m，明顯超過(guò)非臺(tái)風(fēng)影響下淤積厚度，其中利奇馬和黑格比影響最大，淤積厚度約0.4 m，同樣與溫州深水航道泥沙模型研究表明的“東向50 a一遇大浪作用3 d風(fēng)后的條件下，外海航段驟淤?gòu)?qiáng)度在0. 50 m以?xún)?nèi)”[11]基本吻合。

3 “瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)期航道淤積特點(diǎn)

3.1 臺(tái)風(fēng)期水深與底泥跟蹤監(jiān)測(cè)

“瑪莉亞”是近年來(lái)影響該航道區(qū)域較為典型的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)之一。“瑪莉亞”于2018年7月11日從福建連江登陸，嚴(yán)重影響到樂(lè)清灣進(jìn)港航道所在海域，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)力達(dá)14級(jí)。為了解本次臺(tái)風(fēng)對(duì)樂(lè)清灣航道的淤積影響，在臺(tái)風(fēng)后開(kāi)展了3次水深跟蹤監(jiān)測(cè)及1次海底密度剖面測(cè)量(見(jiàn)表3)。

表3 臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”跟蹤監(jiān)測(cè)時(shí)間與內(nèi)容Tab.3 Monitoring time and content after typhoon Maria

臺(tái)風(fēng)后18 d的底泥密度剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位于航道中心線附近，共計(jì)7個(gè)站位，1#～7#站順航道中心線自西向東基本均勻分布于航道研究段。密度監(jiān)測(cè)采用音叉振動(dòng)密度計(jì)。

3.2 跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”前后幾次的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均水深計(jì)算并繪制了過(guò)程曲線如圖3。臺(tái)風(fēng)后3 d平均水深相比前一期測(cè)量有較大幅度減小，平均水深僅11.65 m，相比2018年4月臺(tái)風(fēng)前淺了0.36 m，臺(tái)風(fēng)后14 d、18 d平均水深有所回升，分別為11.76 m、11.79 m。

圖3 臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”前后水深監(jiān)測(cè)平均水深過(guò)程曲線Fig.3 Curve of average water depth before and after typhoon Maria

根據(jù)各期水深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了航道區(qū)域數(shù)字地形模型DTM，并以各期DTM的差值為數(shù)據(jù)源，繪制了航道沖刷與淤積的演變圖進(jìn)行對(duì)比。相比臺(tái)風(fēng)前，臺(tái)風(fēng)后18 d時(shí)研究段東部區(qū)域呈現(xiàn)出沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷幅度最大0.3～0.4 m，中部區(qū)域呈現(xiàn)出較大幅度的淤積，最大淤積厚度近1 m；而相比臺(tái)風(fēng)后14 d，臺(tái)風(fēng)后18 d時(shí)，除中部區(qū)域外出現(xiàn)一定的變深外，其余均呈現(xiàn)少量的變淺。結(jié)合后述的密度剖面空間分布特征，初步分析與泥沙沉積和密實(shí)有關(guān)。

監(jiān)測(cè)的密度剖面曲線表明底部泥水分界處水體密度約1 035 kg/m3，最大探測(cè)密度1 660 kg/m3，自泥面往下底泥明顯密度分界為1 440 kg/m3，統(tǒng)計(jì)了各站1 035～1 440 kg/m3、1 440～1 660 kg/m3區(qū)間的泥層厚度如圖4。

圖4 臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”后18 d泥層厚度Fig.4 Silt thickness 18 days after typhoon Maria

統(tǒng)計(jì)表明航道研究段密度1 035～1 440 kg/m3的泥層最大厚度為0.25 m，平均厚度為0.16 m；密度1 440～1 660 kg/m3的泥層最大厚度為0.55 m，平均厚度為0.27 m。探測(cè)泥層厚度均呈現(xiàn)東西兩端薄、中間厚特征，與臺(tái)風(fēng)前后水深監(jiān)測(cè)反映的兩端淤積較少、中部淤積大的空間分布特征總體趨勢(shì)一致，可初步判斷本次淤積的底泥為臺(tái)風(fēng)影響造成。

3.3 臺(tái)風(fēng)影響分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及相關(guān)圖表，可以分析得出臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”對(duì)樂(lè)清灣進(jìn)港航道的淤積影響如下：

(1)“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)前后的沖淤渲染圖表明，受臺(tái)風(fēng)影響航道總體呈淤積趨勢(shì)且沖淤的空間分布不均勻，呈現(xiàn)出外沖內(nèi)淤的空間分布態(tài)勢(shì)。臺(tái)風(fēng)后最外部區(qū)域出現(xiàn)局部沖刷，最大沖刷幅度近0.4 m；其余區(qū)域以淤積為主，最大淤積幅度近1 m；底泥密度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明航道中部泥層較厚度，兩端較薄，這與沖淤空間分布基本一致。

(2)“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)登陸造成了研究段的總體淤積，水深由深變淺，但臺(tái)風(fēng)后航道底泥逐步密實(shí)，水深又出現(xiàn)了由淺變深的恢復(fù)過(guò)程，也說(shuō)明此次臺(tái)風(fēng)致使航道區(qū)域海底產(chǎn)生了較大擾動(dòng)。臺(tái)風(fēng)后半個(gè)月左右，密實(shí)沉積超過(guò)0.1 m，速度逐步變緩，趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)樂(lè)清灣進(jìn)港航道非臺(tái)風(fēng)影響情況下正常淤積幅度不大，總體年淤積厚度為0.3～0.5 m。

(2)臺(tái)風(fēng)7級(jí)及以下風(fēng)圈半徑覆蓋情況下基本不會(huì)引起航道的短期較大淤積，不會(huì)加快航道的總體淤積速率；臺(tái)風(fēng)10級(jí)及以上風(fēng)圈半徑覆蓋時(shí)，海底擾動(dòng)較大，會(huì)造成短時(shí)期的較大淤積，具體淤積數(shù)值與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、路徑等因素有關(guān)。臺(tái)風(fēng)后隨著底泥的逐步密實(shí)，水深條件有所恢復(fù)。

(3)航道沖淤受“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)影響明顯，外側(cè)深水區(qū)域呈少量沖刷，內(nèi)側(cè)以淤積為主，平均淤積為0.1～0.2 m。

(4)臺(tái)風(fēng)屬于自然惡劣天氣，難以提前預(yù)計(jì)每年發(fā)生次數(shù)與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，且每次臺(tái)風(fēng)情況也并非一致，因此航道養(yǎng)護(hù)日期在臺(tái)風(fēng)期過(guò)后，并且在浮泥沉積穩(wěn)定后。

(5)目前臺(tái)風(fēng)對(duì)航道的淤積影響僅限于對(duì)常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，建議今后加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)工程實(shí)際需要，開(kāi)展大風(fēng)期的泥沙監(jiān)測(cè)與研究專(zhuān)題工作，以進(jìn)一步了解臺(tái)風(fēng)對(duì)航道淤積的影響機(jī)理與影響結(jié)果。