國(guó)能黃驊港航道近年淤積特征分析

陸偉，張書莊，熊偉

（1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，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；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456）

0 引言

國(guó)能黃驊港是我國(guó)在粉沙質(zhì)海岸建設(shè)的第1個(gè)大型港口，是我國(guó)西煤東運(yùn)第二通道下海的專業(yè)港。始建于1997年，建港初期航道泥沙驟淤問題嚴(yán)重，基于大量的研究工作，2004年實(shí)施了二期整治工程，防波堤和港口建筑物等陸續(xù)建成，近岸海域的潮流和泥沙輸運(yùn)受到影響[1-2]，基本解決了外航道泥沙驟淤問題[3-4]，目前已經(jīng)形成雙堤環(huán)抱式，口門位于-6.5 m水深處，對(duì)應(yīng)里程為W10+500的位置。現(xiàn)有航道設(shè)計(jì)等級(jí)為5萬(wàn)噸級(jí)雙向，設(shè)計(jì)底寬270 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-14.0 m，航道全長(zhǎng)41 km至天然水深處。

黃驊港航道泥沙淤積問題研究是一項(xiàng)十分復(fù)雜的課題，多年來(lái)開展了大量的數(shù)學(xué)和物理模型等科研工作[5]，提出了風(fēng)波能理論，利用“風(fēng)能-波能-泥沙運(yùn)動(dòng)-航道淤積”能量傳播模式，建立航道淤積預(yù)報(bào)系統(tǒng)；建立航道淤積新隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論，建立“航道淤積-風(fēng)浪”統(tǒng)計(jì)概率曲線，提出航道淤積預(yù)報(bào)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論[6]。

2005年二期工程整治完成后每年減淤近900萬(wàn)m3，但依然存在一定的淤積情況，本次收集了國(guó)能黃驊港航道2017—2021年5 a的大風(fēng)、水深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及疏浚日?qǐng)?bào)表等資料[7]，計(jì)算了大風(fēng)及對(duì)應(yīng)風(fēng)能的季節(jié)性分布，同時(shí)分析了航道近年淤積的時(shí)空分布特征以及與風(fēng)能的相關(guān)性，試圖通過相關(guān)分析工作以有效服務(wù)于乘潮通航和合理高效的養(yǎng)護(hù)疏浚。

1 大風(fēng)和風(fēng)能分布特征

1.1 大風(fēng)分布特征

黃驊港相關(guān)研究表明，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6級(jí)以上且作用時(shí)間大于4 h的大風(fēng)過程能夠引起并維持較大的有效波高，波浪動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，造成航道明顯淤積[4]。黃驊港南側(cè)防波堤-5 m水深處測(cè)風(fēng)站已持續(xù)觀測(cè)多年，風(fēng)速資料具有較好的延續(xù)性和完整性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該站2017—2021年累計(jì)5 a間，風(fēng)速6級(jí)以上、作用時(shí)間超過4 h的大風(fēng)共經(jīng)歷118次，其中2021年大風(fēng)次數(shù)明顯高于其它年度，達(dá)到37次。從風(fēng)向上來(lái)看，全部大風(fēng)過程主要是以偏N和偏E向的大風(fēng)為主，分別累計(jì)19次、77次，占比16.1%、65.3%。全部大風(fēng)過程中，7級(jí)以上大風(fēng)46次，其中2020年10次、2021年19次；8級(jí)以上大風(fēng)14次，其中2021年8次；9級(jí)以上大風(fēng)2次，均發(fā)生在2021年。從月際分布來(lái)看，歷年的大風(fēng)過程主要集中在2—5月及10—12月，分別為54次、37次，占居5 a全部大風(fēng)過程的45.8%、31.4%?？偟膩?lái)看，黃驊港海域所出現(xiàn)的大風(fēng)過程季節(jié)差異明顯，主要集中在春、秋兩個(gè)季節(jié)，冬季次之，夏季最弱。各年度大風(fēng)月際分布見表1。

表1 2017—2021年黃驊港大風(fēng)月際分布表Table 1 Monthly distribution of gale in Huanghua Port from 2017 to 2021 次

1.2 有效風(fēng)能的分布特征

黃驊海域引起航道淤積的泥沙運(yùn)移形式主要是“波浪掀沙、潮流輸沙”，泥沙起動(dòng)的能量來(lái)源于波浪，而本海區(qū)波浪主要是風(fēng)浪，故波浪能量可認(rèn)為主要來(lái)源于風(fēng)，風(fēng)對(duì)水體輸入的能量是由風(fēng)在水面剪切力對(duì)水體做功而形成[8]。經(jīng)過推算，造成航道淤積的風(fēng)能應(yīng)由式（1）[9]表示：

式中：αv為系數(shù)，根據(jù)已有試驗(yàn)觀測(cè)資料，其值為0.02～0.03；fw為風(fēng)摩阻系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；w6、w7、w8、w9分別為6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)、9級(jí)風(fēng)速；t6、t7、t8、t9分別為足標(biāo)對(duì)應(yīng)風(fēng)級(jí)的風(fēng)時(shí)；t0為臨界歷時(shí)。

按上述公式對(duì)2017—2021年黃驊港航道區(qū)域大風(fēng)過程的風(fēng)能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

從年度分布來(lái)看，近5 a來(lái)黃驊港海域2018年和2021年年度風(fēng)能較大，分別達(dá)6.6、8.4，遠(yuǎn)超近5 a平均風(fēng)能4.6，實(shí)際上1998—2021年的年平均風(fēng)能也為4.6[9]。風(fēng)能與臺(tái)風(fēng)或大風(fēng)次數(shù)有直接關(guān)系。

從月際分布來(lái)看，近5 a風(fēng)能分布主要集中在3—4月、10—11月，占全年的52.4%；其次8月風(fēng)能也較大，累計(jì)達(dá)3.4，其主要原因是2018年臺(tái)風(fēng)“溫比亞”、2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”均發(fā)生在8月，單次風(fēng)能分別為2.1、1.1，除臺(tái)風(fēng)外的季節(jié)性大風(fēng)并未產(chǎn)生太大的風(fēng)能。

2 航道淤積時(shí)間分布特征

近五年來(lái)，黃驊港航道年淤積量在1 560～3 150萬(wàn)m3之間，其中2017年、2019年、2020年均不足2 000萬(wàn)m3，2018年、2021年分別達(dá)到3150萬(wàn)m3、2 750萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)5 a年累計(jì)全航道平均淤?gòu)?qiáng)分別為1.34 m、2.59 m、1.46 m、1.36 m、2.26 m。因現(xiàn)場(chǎng)航道水深測(cè)量時(shí)間跨度不一致，無(wú)法對(duì)5 a期間所有淤積均按月進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)按照季度統(tǒng)計(jì)全航道平均淤?gòu)?qiáng)見圖1。

圖1 近5 a全航道平均季度淤?gòu)?qiáng)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical chart of average quarterly siltation intensity of the whole channel in recent five years

從季度分布總體來(lái)看，第一、四季度淤積相對(duì)典型，但對(duì)于2018年、2019年也并非完全如此。我們對(duì)各年度大風(fēng)跟蹤監(jiān)測(cè)所反映的淤?gòu)?qiáng)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在不考慮非大風(fēng)影響的正常淤積情況下，2017年2—5月、10月淤?gòu)?qiáng)分別為0.28 m、0.68 m，共占年度累積淤?gòu)?qiáng)的71.6%；2018年2—4月、8月（臺(tái)風(fēng)“溫比亞”）淤?gòu)?qiáng)分別為1.53 m、0.48 m，共占年度累積淤?gòu)?qiáng)的77.6%；2019年2—4月、7—8月（臺(tái)風(fēng)“利奇馬”）、10—11月淤?gòu)?qiáng)分別為0.49 m、0.37 m、0.40 m，共占年度累積淤?gòu)?qiáng)的86.4%；2020年2—5月、10—11月淤?gòu)?qiáng)分別為0.4 m、0.38 m，占年度累積淤?gòu)?qiáng)的57.4%；2021年2—6月、9—11月淤?gòu)?qiáng)分別為0.84 m、0.86 m，共占年度累積淤?gòu)?qiáng)的75.2%。統(tǒng)計(jì)表明，黃驊港航道淤積重點(diǎn)分布在每年的2—5月和9—11月。

另外，以實(shí)際年度風(fēng)能和淤積量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值相關(guān)性分析，數(shù)值過程線見圖2，計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)R為0.89。

圖2 淤積量和風(fēng)能年度統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Annual statistical chart of siltation volume and wind energy

分析數(shù)據(jù)表明，黃驊港航道正常天氣下的淤積較輕，驟淤量占全年回淤量的大部分，淤積主要集中在春、秋兩季，夏季最弱。在時(shí)間分布上除臺(tái)風(fēng)影響外，與大風(fēng)風(fēng)能的季節(jié)性分布吻合，且淤積量與風(fēng)能具有一定的線性相關(guān)性，一般表現(xiàn)為風(fēng)越大，淤積越重。

3 航道沿程空間分布特征

統(tǒng)計(jì)近5 a航道沿程淤?gòu)?qiáng)以及口門內(nèi)外航道淤積量分別見表3、見圖3。

圖3 近5 a航道年累計(jì)淤?gòu)?qiáng)沿程分布圖Fig.3 Distribution of annual cumulative siltation intensity along the channel in recent five years

表3 近5 a內(nèi)外航道淤積量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of siltation volume of internal and external channels in recent five years 萬(wàn)m3

結(jié)果表明，在防波堤掩護(hù)作用下，強(qiáng)淤積區(qū)段為航道口門內(nèi)外W6+0—W24+0段，最大淤?gòu)?qiáng)出現(xiàn)在W9+0—W13+0段，最大值為7.83 m，位于2021年W12+0位置。W05+0以里、W30+0以外淤積較輕。按內(nèi)、外航道分，航道淤積主要集中在外航道段，累計(jì)占比67%。

不同年份最強(qiáng)淤積重心在口門內(nèi)外略有變化，主要原因應(yīng)該是受不同風(fēng)向的作用。相比其它風(fēng)向偏E向風(fēng)作用時(shí)淤積重心更偏向內(nèi)航道。

4 結(jié)語(yǔ)

1）大風(fēng)是黃驊港航道發(fā)生淤積的主要誘因，大風(fēng)所產(chǎn)生的能量與航道淤積量有一定的相關(guān)性，一定程度上風(fēng)能量決定淤積量。

2）從大風(fēng)、淤積月際分布規(guī)律來(lái)看，黃驊港航道淤積主要集中在春、秋兩季，夏季最弱。在時(shí)間分布上除臺(tái)風(fēng)影響外，與大風(fēng)風(fēng)能的季節(jié)性分布吻合。

3）黃驊港大風(fēng)淤積強(qiáng)度分布主要呈現(xiàn)的特點(diǎn)是掩護(hù)段以外的淤積量明顯大于掩護(hù)段以內(nèi)，近5 a內(nèi)、外淤積占比分別為33%、67%。

4）強(qiáng)淤積段分布在口門附近，對(duì)應(yīng)W6+0—W24+0段，淤積重心隨著不同風(fēng)向的作用略有變化，偏E向風(fēng)作用比N向風(fēng)作用時(shí)淤積重心更偏向內(nèi)航道。