強(qiáng)潮河口進(jìn)港航道水深保證率分析
——以上虞液體化工碼頭為例

俞婷婷，黃姿菡，楊元平，吳子嶸

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 前 言

錢(qián)塘江河口段河道寬淺，潮強(qiáng)流急，含沙量高，河床沖淤變幅大，主流擺動(dòng)頻繁[1]，且沒(méi)有固定的航道，不利于船舶航行及碼頭作業(yè)，河口段航運(yùn)發(fā)展極為緩慢。鑒于錢(qián)塘江河口段南岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展，亟需提高錢(qián)塘江船舶通航能力，但因該段水域受上游徑流和下游潮汐的共同作用，河床沖淤變化劇烈，難以采用設(shè)計(jì)通航低水位下的水深確定碼頭通航水深條件，需通過(guò)潮位、水下地形聯(lián)合分析方法得出碼頭水域通航水深保證率[2-3]。

杭州灣港區(qū)液體化工碼頭位于錢(qián)塘江河口尖山河灣南岸上虞、余姚交界，地處河口凹岸（見(jiàn)圖1）。

圖1 擬建碼頭布置范圍示意圖

碼頭設(shè)計(jì)為開(kāi)敞式碼頭，以油船和液化氣船為設(shè)計(jì)代表船型，等級(jí)為3 000 t 級(jí)，其中3 000DWT油船滿(mǎn)載和空載吃水分別為5.90 m 和4.00 m。實(shí)際承運(yùn)船舶為“南嶼6 號(hào)”，滿(mǎn)載和空載吃水分別為5.00 m 和2.60 m。在徑潮流共同作用及人類(lèi)活動(dòng)影響下，碼頭所在河段河床沖淤幅度大，在此自然條件下，進(jìn)港航道通航水深保證率分析是碼頭工程建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。

以此為例，基于近年來(lái)錢(qián)塘江河口實(shí)測(cè)水文、地形資料，對(duì)上虞杭州灣港區(qū)液體化工碼頭工程進(jìn)港航道通航水深保證率進(jìn)行分析[4]，為該工程可行性研究提供技術(shù)支撐。

1 工程河段水文及航道沖淤分析

1.1 水文特征

工程區(qū)域潮流性質(zhì)為非正規(guī)半日淺海潮流，最大漲落潮流速出現(xiàn)在中潮位附近，而高、低潮時(shí)附近則出現(xiàn)憩流，潮波趨近駐波。漲、落潮流向較為集中，屬于較為典型的往復(fù)流水域。碼頭前沿實(shí)測(cè)最大漲潮、落潮流速分別為4.44 m/s、3.51 m/s。

2009 年5 月以來(lái)，對(duì)上虞港區(qū)進(jìn)行了連續(xù)的潮位觀測(cè)，港區(qū)多年平均高潮位3.93 m，多年平均低潮位-2.20 m，平均潮差6.13 m，多年平均漲潮歷時(shí)3 h 51 min，多年平均落潮歷時(shí)8 h 34 min。

1.2 工程河段河床沖淤分析

1）年際沖淤。工程河段河床自2007 年北岸尖山圍涂基本實(shí)施到位，北岸線(xiàn)向南最大推進(jìn)約5.5 km，尖山河灣彎道的環(huán)流效應(yīng)增強(qiáng)，凸岸（北岸）不斷淤積，尖山河段北岸近岸處河床淤積近1.00～2.00 m。北岸邊灘的淤漲，逼使落潮流快速南拐，漲潮流穩(wěn)定地傍南側(cè)上溯。經(jīng)南股槽上溯的漲潮流又受到水域內(nèi)中沙的壓縮，致使南股槽的深槽線(xiàn)緊貼沿岸塘腳，隨著上虞-余姚河段圍墾逐步完成，貼岸深槽不斷北推，最終在上虞港區(qū)附近形成了貼岸深槽。2007 年以來(lái)上虞貼岸深槽處整體沖刷，局部河床在13 a 內(nèi)沖刷幅度達(dá)4.00～5.00 m（見(jiàn)圖2）。

圖2 2007 年11 月—2020 年11 月河床沖淤圖

2）年內(nèi)沖淤。工程河段2020 年4 月至11 月曹娥江-澉浦河段整體呈淤積態(tài)勢(shì)見(jiàn)圖3。河床容積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，多高容積減小約0.41 億m3，年內(nèi)表現(xiàn)為洪淤枯沖。工程河段河床沖淤主要表現(xiàn)為：一是洪水期北股槽淤積，局部淤高約3.00 m，南股槽-5.00 m 等高線(xiàn)向上游發(fā)展，頭部位置有所刷深，局部刷深約2.00～3.00 m；上虞至余姚離岸1.0～3.0 km 范圍發(fā)生明顯沖刷，但南岸貼岸深槽近岸500.0 m 范圍內(nèi)淤積顯著，液體化工碼頭附近淤高4.00～5.00 m。二是枯水期北股槽沖刷，南股槽淤積；上虞至余姚離岸1.00～2.00 km 范圍略有淤積，但貼岸深槽近岸500.00 m 范圍內(nèi)沖刷，液體化工碼頭附近刷深1.00～2.00 m。

圖3 2020 年4—11 月河床沖淤圖

1.3 進(jìn)港航道沖淤分析

船舶經(jīng)由南股槽進(jìn)出上虞港，河段南支主槽、南股槽的沖淤變化十分劇烈，深泓游蕩性大，工程河段目前無(wú)固定航道。本文研究時(shí)假定不考慮航道軸線(xiàn)與水流的夾角對(duì)通航的影響，基于上虞-余姚規(guī)劃治導(dǎo)線(xiàn)基本實(shí)施到位后的2013—2020 年24 次江道測(cè)圖，將各主槽在各斷面的最深點(diǎn)連線(xiàn)（即深泓線(xiàn)）作為航道中心線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。從圖4 中可以看出，航道擺幅較大，難以選擇固定的航線(xiàn)。航道整體上沿NE-SW 走向，在南股槽及貼岸深槽航行至液體化工碼頭處。

圖4 2013—2020 年南槽深泓線(xiàn)圖

圖5展示了航槽各斷面深泓線(xiàn)高程的歷年變化。由圖5 可知，各斷面航道平均高程為-9.60～-4.80 m。由于南股槽是漲潮沖刷槽，越往上游河床高程越高，該段航道礙航點(diǎn)主要位于液體化工碼頭附近水域，航道歷次礙航點(diǎn)高程為-5.10～-1.50 m，平均為-3.50 m。在2013—2020 年總計(jì)24 個(gè)測(cè)次中，航道礙航位置在液體化工碼頭至臨海浦新閘段共計(jì)出現(xiàn)15 次，在臨海浦新閘至陶家路閘段共計(jì)出現(xiàn)9 次。

圖5 南槽深泓線(xiàn)高程圖

2 通航水深保證率分析

2.1 計(jì)算方法

外海海床穩(wěn)定，年際、年內(nèi)沖淤變化對(duì)船舶通航水深保證率影響極小，《港口與航道水文規(guī)范》[5]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范）常規(guī)方法就可滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)分析需求。錢(qián)塘江水域條件復(fù)雜，河床沖淤變化較大，與外海穩(wěn)定的海床有極大差異，進(jìn)港航道通航水深保證率的確定需結(jié)合錢(qián)塘江水文情勢(shì)和河床演變特點(diǎn)，分析各統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

錢(qián)塘江河口船舶進(jìn)港須乘潮運(yùn)行，船舶乘潮通航情況下，通航水深保證率即為某個(gè)乘潮潮位累積頻率。依據(jù)《規(guī)范》，首先應(yīng)分析乘潮所需時(shí)間，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)各潮中滿(mǎn)足此時(shí)間前提下的乘潮潮位累積曲線(xiàn)，再根據(jù)航道淺段河床地形和船舶通航水深要求，求得所需乘潮潮位，從乘潮潮位累積曲線(xiàn)中查得相應(yīng)累積率即為乘潮通航水深保證率。

近10 a 來(lái)，錢(qián)塘江河口呈現(xiàn)高潮位抬升、潮差增大的趨勢(shì)。高潮位和潮差對(duì)乘潮水位的計(jì)算影響較大，為反映現(xiàn)狀潮汐特征下各潮位站的乘潮水位累積頻率，采用最新的2019 年潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。上虞港站有連續(xù)1 a 的潮位觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)乘潮水位累積頻率見(jiàn)圖6。

圖6 各乘潮歷時(shí)條件下上虞港累積乘潮水位圖

2.2 航道通航水深保證率結(jié)果分析

2.2.1 滿(mǎn)載乘潮水深保證率

假定碼頭前沿水深條件不影響船舶作業(yè)，考慮船舶裝卸時(shí)間為2 h、3 h、4 h 共3 種情況，船舶航速為8 節(jié)，采用液體化工碼頭潮位分析礙航點(diǎn)位于各河段所需的乘潮時(shí)間，乘潮歷時(shí)過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 滿(mǎn)進(jìn)滿(mǎn)出乘潮歷時(shí)示意圖

1）若礙航點(diǎn)位于QR72～QR75 斷面間，該段航道距碼頭前沿最遠(yuǎn)距離約5.0 km，單程所需航行時(shí)間約0.35 h，則往返和裝卸作業(yè)總計(jì)需要的乘潮歷時(shí)為2.7 h、3.7 h、4.7 h；

2）若礙航點(diǎn)位于QR76～QR80 斷面間，該段航道距碼頭前沿最遠(yuǎn)距離約12.7 km，單程所需航行時(shí)間約0.85 h，則往返和裝卸作業(yè)總計(jì)需要的乘潮歷時(shí)為3.7 h、4.7 h、5.7 h。

基于各代表船型所需的航道水深，考慮不同裝卸貨時(shí)間對(duì)應(yīng)的的累積乘潮水位，計(jì)算航道的乘潮通航保證率。

對(duì)于本航段，若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為2 h，3 000 t級(jí)油船和液化氣船多年平均通航保證率分別為28.0%和11.1%，南嶼6 號(hào)多年平均通航保證率為56.4%；若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為3 h，3 000 t 級(jí)油船和液化氣船多年平均通航保證率分別為11.7%和2.9%，南嶼6 號(hào)多年平均通航保證率為33.2%；若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為4 h，3 000 t 級(jí)油船多年平均通航保證率為2.3%，3 000 t 級(jí)液化氣船多年平均通航保證率為0，即無(wú)法通航，南嶼6 號(hào)多年平均通航保證率為11.7%。上虞杭州灣港區(qū)液體化工碼頭出海航道乘潮通航保證率受航道地形變化影響極大，如2017—2018 年3 000 t 級(jí)油船和液化氣船全年平均通航保證率幾乎為0，南嶼6 號(hào)在裝卸貨4 h情況下全年平均通航保證率也為0。

2.2.2 滿(mǎn)進(jìn)空出乘潮水深保證率

因?qū)嶋H運(yùn)行過(guò)程中，船舶進(jìn)港卸貨后即空載出港，水深保證率較低，現(xiàn)考慮3 000 t 級(jí)油船（設(shè)計(jì)船型）和南嶼6 號(hào)（實(shí)際船型）在滿(mǎn)載進(jìn)港、空載出港的情況下，所需的乘潮通航水深保證率，空載出港時(shí)3 000 t 級(jí)油船吃水按4.00 m 考慮，南嶼6 號(hào)吃水按2.60 m 考慮。

在空載出港的情況下，若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為2 h，3 000 t 級(jí)油船和南嶼6 號(hào)多年平均通航水深保證率分別為53.7%和80.4%；若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為3 h，3 000 t 級(jí)游油船和南嶼6 號(hào)多年平均通航水深保證率分別為38.6%和74.5%；若船舶裝卸貨時(shí)長(zhǎng)為4 h，3 000 t 級(jí)油船和南嶼6 號(hào)多年平均通航水深保證率分別為19.9%和60.1%?？梢园l(fā)現(xiàn)，相較滿(mǎn)載進(jìn)港、滿(mǎn)載出港的運(yùn)行過(guò)程，滿(mǎn)載進(jìn)港、空載出港的情況下，設(shè)計(jì)船型和實(shí)際船型的乘潮通航水深保證率均有提高，尤其是南嶼6 號(hào)，在裝卸時(shí)間較長(zhǎng)的方案下通航水深保證率有顯著提高。

3 結(jié) 論

選用長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水下地形資料確定無(wú)固定航道的航線(xiàn)，通過(guò)潮位過(guò)程與河床高程確定通航水深，考慮航道運(yùn)行調(diào)度，計(jì)算進(jìn)港航道通航水深保證率，為強(qiáng)潮河口進(jìn)港航道通航水深保證率確定提供計(jì)算方法。主要結(jié)論如下：

1）工程河段自2007 年以來(lái)上虞貼岸深槽處整體沖刷，局部河床在13 a 內(nèi)沖刷幅度達(dá)4.0～5.0 m，河床年內(nèi)呈洪淤潮沖特性。航道平均高程-9.60～-4.80 m，礙航點(diǎn)主要位于碼頭附近水域，歷次礙航點(diǎn)高程為-5.10～-1.50 m，平均為-3.50 m。

2）上虞港90%保證率下乘潮2 h、3 h、4 h 的乘潮水位分別為2.35 m、2.02 m 和1.53 m。

3）實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，船舶以“三乘三避”為原則，采用滿(mǎn)載進(jìn)港、空載出港的作業(yè)方式。對(duì)于設(shè)計(jì)船型（3 000 t 級(jí)油船液化氣船），船舶裝卸時(shí)間在2 h、3 h 和4 h 的情況下，多年平均乘潮通航保證率分別為53.7%、38.6%和19.9%。對(duì)于實(shí)際運(yùn)營(yíng)船型（南嶼6 號(hào)），船舶裝卸時(shí)間在2 h、3 h和4 h 的情況下，多年平均乘潮通航保證率分別為80.4%、74.5%和60.1%。

4）建議碼頭建設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能優(yōu)化裝卸工藝，減少船舶裝卸時(shí)間，以此提高船舶乘潮通航保證率，進(jìn)而提高碼頭吞吐量和作業(yè)效率。