左書華,楊 華,張 娜,龐啟秀
(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456)
連云港地處江蘇省北部黃海海州灣西南岸,是隴海、蘭新鐵路沿線廣大地區(qū)最經(jīng)濟便捷的出???,是我國沿海主樞紐港之一,是我國沿海中部能源外運和對外貿(mào)運輸?shù)闹匾诎?。目前,國際制造業(yè)加快轉(zhuǎn)移,上海和南方資本加速北上,越來越多的戰(zhàn)略投資者看好蘇北,連云港有條件成為承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的熱土,正面臨著前所未有的發(fā)展機遇。擬建的連云港徐圩港區(qū),不僅在港口今后的營運效益關(guān)系重大,而且對該海岸線的經(jīng)濟開發(fā)具有重要意義。
連云港徐圩港區(qū)位于主港區(qū)的南部埒子口(圖1)。徐圩港區(qū)建設的前期工作已進行了數(shù)年,港區(qū)建設所需的潮汐、潮流、波浪、底質(zhì)等基礎資料已經(jīng)基本具備,本文以大量實測數(shù)據(jù)為基礎,并根據(jù)國內(nèi)同類港口的建設經(jīng)驗和相關(guān)成果,分析徐圩港區(qū)航道大風天出現(xiàn)強淤的可能性,為港口防波堤布置與航道工程設計提供了依據(jù)。
連云港徐圩港區(qū)位于連云港海域埒子口北側(cè),北距連云港主港區(qū)約20 km,南距灌河口約16 km。連云港海域大致以連云港港為界,南、北兩部分的岸灘沉積物和灘地地貌存在比較明顯的差異。連云港北部海灘位于海州灣灣頂處,沉積物主要以粘土質(zhì)的細顆粒為主,是一種淤漲型的淤泥質(zhì)海灘,潮間灘地平坦寬廣,平均寬度達4 000 m 以上,平均坡度為1/1 000,水下灘坡度為1/2 000,海灘物質(zhì)為基本上由粒徑為0.005~0.001 mm 的粘性細顆粒物質(zhì)組成。連云港附近水域,由于連云港陸地的后云臺山直逼海岸,使岸邊形成基巖岬灣海岸,波浪作用下的海蝕地貌發(fā)育,岬灣相間,岸線相對曲折。連云港以南至廢黃河口岸線屬于侵蝕性海岸,潮下-2 m 以外的灘坡平緩,平均坡度在1/1 000~1/1 500;沉積物分布上,小丁港—埒子口主要以粘土質(zhì)和粉砂質(zhì)的細顆粒為主,而埒子口以南則主要是以粉砂質(zhì)和砂質(zhì)為主。由于黃河北歸,泥沙來源的消失,廢黃河三角洲兩翼岸灘物質(zhì)有所粗化,徐圩港區(qū)位于廢黃河口北側(cè)波及的邊緣,根據(jù)目前(1965 年以來)底質(zhì)取樣分析沉積物主要以細顆粒為主,沉積物性質(zhì)變化不明顯。
本海域潮流為不正規(guī)半日潮流,主要受到南黃海旋轉(zhuǎn)潮波控制,外海深水區(qū)為逆時針旋轉(zhuǎn)流,不同位置主流向略有不同,其中漲潮自北向南,主流向為SSW(200°),落潮自南向北,主流向為NNE(30°);近岸區(qū)多為往復流,呈南北向,與等深線走向基本一致(圖2)。
根據(jù)連云港以及南部至灌河口附近海域1997 年7 月、2005 年9 月和2006 年1 月水文資料統(tǒng)計,該海域流速不大,大潮時漲、落潮潮段平均流速在0.12~0.45 m/s 間變化,其中埒子口斷面流速在0.3~0.4 m/s;在平面分布上,灌河口斷面平均流速最大,向北逐漸減小趨勢;從不同潮型來看,一般來說潮流流速是大潮>中潮>小潮;總體上看,夏季流速要比冬季流速大。受外海潮波的影響,大多數(shù)情況是漲潮流流速大于落潮流流速,如2005 年9 月6#測站漲、落潮平均流速分別為0.42 m/s 和0.33 m/s;大潮漲潮垂線平均最大流速0.62 m/s,落潮垂線平均最大流速0.51 m/s;中潮漲潮垂線平均最大流速0.60 m/s,落潮垂線平均最大流速0.47 m/s;垂線平均最大流速一般都出現(xiàn)在大潮的漲潮時段。
徐圩港區(qū)附近的各測點外側(cè)為旋轉(zhuǎn)流,近岸流場長短軸呈順岸方向(圖2),其規(guī)劃航道線南北兩側(cè)段面,平均流速在0.20~0.40 m/s,埒子口斷面(8#~10#)漲落潮平均流速要比北側(cè)斷面(14#~15#)大;埒子口斷面(8#~10#)漲、落潮平均流速在0.30~0.40 m/s,北側(cè)斷面(14#~15#)漲、落潮平均流速在0.17~0.24 m/s。
根據(jù)連云港海洋站(34°47′N,119°26′E)1974~2003 年風資料統(tǒng)計,該區(qū)域常風向為ESE 向、E 向,其頻率分別為11.43%、10.29%;累年平均風速為5.5 m/s,各月平均風速在5.1~5.9 m/s,其中11 月份為最大,為5.9 m/s,7 月份為最小為5.1 m/s。強風向為NNE 和N 向,其中≥6 級大風出現(xiàn)頻率分別為1.90%、1.53%;累年各向≥6 級大風出現(xiàn)頻率為8.07%,累年各向最大風速在18.0~30.0 m/s。
根據(jù)連云港西連島北側(cè)海洋監(jiān)測站1962~2003 年波浪觀測資料統(tǒng)計,該海域波浪以風浪為主,占63%;以涌浪為主的混合浪次之,約占28%;常浪向為NE 向和E 向,出現(xiàn)頻率分別為26.41%、18.40%,平均H1/10波高為0.7 m、0.5 m;強浪向為NNE 向和NE 向,H1/10>1.5 m 波高出現(xiàn)頻率分別為2.13%和1.79%,各向>1.5 m波高的頻率合計為5.21%,最大波高分別為5.0 m、4.2 m。各月平均H1/10波高為0.4~0.6 m,年平均H1/10波高為0.53 m;各月最大H1/10波高為2.9~5.0 m,年平均最大H1/10波高為3.58 m。2007 年“韋帕”期間,在-3 m和-5 m 測點最大波高Hmax分別為4.48 m、4.43 m[3]。
1.3.1 懸沙粒徑
根據(jù)1997 年水文全潮中所采集的懸沙樣進行的顆粒分析結(jié)果,懸沙中值粒徑d50在0.006~0.010 mm;2005 年9 月水文測驗,懸沙中值粒徑d50變化范圍,一般在0.005~0.010 mm;2006 年1 月水文測驗,懸沙中值粒徑d50在0.006~0.020 mm;由此可見該海域長期以來懸移質(zhì)泥沙的d50基本沒有大的變化,以細顆粒泥沙為主,懸浮泥沙搬運是本區(qū)主要輸移形式。
1.3.2 底質(zhì)特征
擬建航道海域,是廢黃河水下三角洲北翼及其延伸部分,隨著黃河1855 年北歸山東利津入海后,導致該地區(qū)海岸淤漲的泥沙來源驟減,沿岸波浪、潮流對岸灘的作用力取代了河流巨量輸沙對海岸的控制作用,從而導致周圍海域海床遭到?jīng)_刷,原來水下三角洲表層的細顆粒粘土沉積物被沖刷,使海床表層沉積物分布發(fā)生了改變。整個連云港南部海域,自廢黃河口向北,從沉積過程上看,以黃河口三角洲粉砂沉積層為主,向周邊逐漸擴展變薄,并向粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土沉積物過渡;徐圩港區(qū)所在的埒子口—連云港海域其沉積物類型主要以粉砂質(zhì)粘土為主[1]。
從不同時期的沉積物取樣資料分析來看,連云港港至灌河口海域沉積物中值粒徑分布基本上以埒子口為界,其南側(cè)至灌河口海床表層沉積物中值粒徑d50>0.030 mm,-2 m 等深線至-10 m 等深線區(qū)域中值粒徑在0.030~0.075 mm,-10 m 等深線以外則>0.075 mm;埒子口以北的規(guī)劃航道區(qū)內(nèi)海域基本上為d50<0.030 mm 的細顆粒粘土質(zhì)沉積物分布區(qū)。由2008 年8 月徐圩港區(qū)規(guī)劃航道沿線底質(zhì)資料,其中值粒徑d50在0.005~0.02 mm,大多數(shù)底質(zhì)取樣的中值粒徑都小于0.01 mm,粘土含量在25%~52%,沉積物類型為粘土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)粘土;2009 年2 月在徐圩港區(qū)大范圍底質(zhì)取樣資料,埒子口以西的規(guī)劃航道區(qū)域中值粒徑一般在0.004~0.01 mm,粘土含量大都在30%以上,因此規(guī)劃航道沿線以細顆粒粘土質(zhì)沉積物為主。
1.3.3 含沙量分布特征
從整個連云港海域的衛(wèi)星圖像資料分析[4],懸沙含量較高的水域多集中廢黃河口至灌河口一帶海域;懸沙分布具有南大北小的特點,其中埒子口至連云港港水域處于低含沙區(qū),而廢黃河口處于高含沙區(qū),呈自南向北逐漸減小的趨勢。
港區(qū)近岸水域多年平均含沙量在0.20~0.24 kg/m3;含沙量的季節(jié)性變化十分明顯,與風浪的年內(nèi)頻率變化一致,即冬半年風浪頻繁季節(jié),含沙量高,最高含沙量一般出現(xiàn)在12 月份或1 月份,在0.20 kg/m3以上;而夏半年風浪靜穩(wěn)季節(jié),含沙量低,一般在0.20 kg/m3以下[5-6]。
臺風期間海域含沙量驟增(圖4),近底層(距底0.5 m)含沙量可達5.0 kg/m3以上,而且上層水體(表層、床面以上1.5 m 水深層)紊動較強,懸沙上下?lián)交旆浅>鶆?,含沙量都非常接近?]。
從我國港口的大風天淤積情況看[7-8],粉沙質(zhì)海岸大風驟淤現(xiàn)象比較突出,淤泥質(zhì)海岸在大風天情況也會產(chǎn)生一定強度的回淤問題,但淤積物的形式有所不同。
驟淤(或強淤)問題是否產(chǎn)生,要取決于一定的條件,一般而言構(gòu)成航道泥沙驟淤(或強淤)的條件主要有3 個因素:一是動力條件,二是有豐富的沙源,三是淤積環(huán)境。從現(xiàn)有工程所在海區(qū)的泥沙運動情況看,都存在一個共同的特點,既單純的潮流作用下,泥沙運動有限,只有當海向大風或臺風浪出現(xiàn)時,在波浪與水流共同作用下,泥沙運動才明顯加劇,所以動力條件中以波浪潮流共同作用為基本。廣義上講豐富的沙源,每個港口都存在,因為開挖的航道兩側(cè)均存在廣闊的淺灘,泥沙來源較為豐富,但是對于近岸布置的港區(qū),在沿岸輸沙較大時,航道的泥沙淤積問題將更加嚴重。通過灘地開挖航道時,航道與輸沙方向有一個交角,輸沙橫越航道時,因航道水深加大,流速減小,容易發(fā)生泥沙淤積。因此對于一個新開辟的港口而言,驟淤(或強淤)問題是否會產(chǎn)生應該取決于這3 個條件是否同時存在。
根據(jù)1951~2007 年臺風資料統(tǒng)計,臺風中心經(jīng)過連云港附近或者外圍,大風影響到連云港海域臺風總計約70 余次,多數(shù)年份每年受影響1 次,個別年份受影響3~4 次。臺風影響到連云港的時間一般從5 月~11月,其中7 月中旬到9 月中旬為臺風影響最多時期,受臺風影響的次數(shù)約占總次數(shù)的85%。在歷次臺風中,連云港風速≥8 級的有20 余次,其最大值為40 m/s(風壓板觀測)。2007 年9 月20 日凌晨,受超強臺風“韋帕”的影響,連云港海上風力達到8~9 級,陣風10~11 級,極大風速達28.8 m/s。臺風期間,風向多為N—NE向的海向大風為主。
根據(jù)1966~2001 年本區(qū)海域寒潮資料統(tǒng)計,影響本海域的寒潮有32 次,平均每年發(fā)生1 次,有的年份2~3 次。寒潮會帶來大風和降溫;20 世紀50 年代最低氣溫曾有過-18.1°C 記載,近年來最低氣溫基本上在-11.0°C;寒潮所帶來的大風,風級有6 級以上,如與天文大潮耦合,則會對海洋和海岸工程以及港口建設帶來重大影響。
因此,由以上統(tǒng)計可以看出,徐圩港區(qū)海域每年都有可能受到臺風浪和寒潮大風的影響,具有大風天強淤的動力條件。
連云港海區(qū)波浪對海底泥沙的掀動,主要發(fā)生在破波帶以內(nèi),而掀動后懸揚泥沙的搬運和再沉積過程主要由潮流來完成,也就是所謂的“波浪掀沙,潮流輸沙”。根據(jù)連云港大西山海洋站同步測得的波高和水體含沙量資料,進行回歸擬合分析得出,連云港海域水體含沙量隨著波高的增大而增加[2](圖5);而且根據(jù)大風天實測顯示含沙量也是呈隨著波高的增大而增加的趨勢。
徐圩港區(qū)海域灘地發(fā)育,-5 m 等深線至岸邊的距離在9.0 km 左右,-5 m 等深線以內(nèi)的海域均處于破波帶范圍,根據(jù)連云港大西山海洋站資料統(tǒng)計分析,各種來波下的破波帶尺度如表1 所示[1]。
破波帶內(nèi)波浪對岸灘沉積物的擾動比較強烈,致使破波帶內(nèi)含沙量增高,破波帶范圍水體含沙量會明顯大于連云港港區(qū);而且徐圩港區(qū)南側(cè)的灌河口也分布著大片淺灘,在大風浪天氣下,泥沙會輸移到工程海域附近。在臺風浪強勁動力作用下,潮灘床面泥沙被掀起,形成超飽和的高含沙水體,由于連云港海域潮流作用相對較弱,被掀起的高懸沙不易被潮流帶走,在風浪過后短時間內(nèi)水動力迅速減弱,由于潮流與航道存在一定夾角,高懸沙在漲落潮流作用下運動時,由于挾沙力逐漸降低,在航道深槽內(nèi)相繼落淤。
根據(jù)2007 年“韋帕”臺風前后實測資料,在-3 m 和-5 m 淺灘上測得的底層最大含沙量分別為6.15 kg/m3和5.97 kg/m3,表層最大含沙量分別為1.52 kg/m3和1.39 kg/m3;其上層水體含沙量比較均勻,水體紊動作用強烈;實測水深資料顯示,外航道兩側(cè)灘面沖刷,航道內(nèi)淤積明顯,航道內(nèi)平均淤積厚度在0.5 m 以上,最大淤積厚度在1.0 m 左右。由此可以說明,連云港海域,如遇持續(xù)一定時間的大風浪天氣,由大風浪掀沙后引起的懸沙強淤的可能性很大。
表1 連云港海域的破波帶尺度Tab.1 Surf zone scale of Lianyungang sea area
結(jié)合徐圩港區(qū)航道和連云港主港區(qū)外航道所在水域水動力、泥沙特性,對其進行對比分析(表2):(1)徐圩港區(qū)航道和連云港主航道所在水域其潮流特征基本一致,風況情況也基本一致;(2)波浪條件,由于連云港主港區(qū)航道的水深一般都在-5 m 以外,在深水區(qū)兩者的波浪情況基本一致,當波浪傳至淺水區(qū),徐圩港區(qū)由于淺灘分布廣泛,波浪衰減較快,-5 m 以內(nèi)為波浪破碎帶對含沙量影響起到重要影響;(3)由于連云港海區(qū)北部受基巖海岸影響,主港區(qū)外航道泥沙主要來自灘面的泥沙再次搬運,而南部海域淺灘分布寬廣,徐圩港區(qū)航道開挖后,其泥沙來源有灘面泥沙,也有淺灘向外輸移的泥沙,而且南部的廢黃河口泥沙流在大風浪天氣下也會對其產(chǎn)生一定影響,因而徐圩港區(qū)航道水域泥沙來源要比連云港港區(qū)泥沙來源多;(4)在含沙量比較上,就顯而易見,連云港區(qū)附近海域水深基本在-5 m 以深,一般處于波浪破碎帶外,泥沙來源又少,水體含沙量處于較低水平,而徐圩港區(qū)海域灘地發(fā)育,-5 m 等深線以內(nèi)海域均處于破波帶范圍,泥沙來源又多,水體含沙量明顯高于連云港港區(qū);(5)通過2 個港區(qū)航道泥沙的水力特性試驗可以知道,徐圩港區(qū)航道與連云港港區(qū)外航道相比,其灘面泥沙密實和沉降相對較快,起動相對容易些,但仍表現(xiàn)為粘性顆粒的特性;(6)通過對連云港主港區(qū)外航道大風時期歷史淤積資料統(tǒng)計,連云港主港區(qū)外航道在以往1979 年9 月18 日大風時期、1984 年9 月第6 號臺風以及2007 年韋帕臺風時,都出現(xiàn)強淤的情況。
表2 徐圩港區(qū)航道與連云港主港區(qū)外航道動力泥沙環(huán)境對比Tab.2 Comparison of hydrodynamic force and sediment environment between Lianyungang channel and Xuwei channel
因此,結(jié)合以上分析徐圩港區(qū)航道開辟后,也會出現(xiàn)大風強淤情況。如表3 所示,以對國內(nèi)不同類型港口的研究經(jīng)驗[7-9],預計徐圩港區(qū)淤積形式與粉砂質(zhì)海岸(黃驊港)的淤積情況應完全不同,與連云港主港區(qū)、臺山電廠等淤泥質(zhì)海岸的強淤形式應基本相當,但比連云港主港區(qū)、臺山電廠密實要快。
表3 淤泥質(zhì)海岸和粉砂質(zhì)海岸航道泥沙特性對比Tab.3 Comparison of hydrodynamic force and sediment environment between muddy coast and silt coast
在我國現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范中,并沒有對“驟淤”或者“強淤”定義做定性解釋。文中驟淤與強淤是根據(jù)多年來研究單位對港口淤積的認識總結(jié)出來的概念[10],在此,“驟淤”是指短時間由于大風影響造成的很大回淤,并產(chǎn)生了礙航現(xiàn)象,如黃驊港、京唐港等都發(fā)生過類似情況;“強淤”是指在一場大風情況下造成較大的淤積,但并沒有產(chǎn)生礙航現(xiàn)象。
在“韋帕”臺風前的2007 年9 月13 日和風后的9 月21 日上海航道勘察設計研究院分別對連云港15 萬t 級航道(航道有效寬度230 m)進行了范圍為5.6 km 的水深測量,航道試挖槽內(nèi)出現(xiàn)淤積厚度0.5~1.0 m 的較大淤積,不過淤積物主要以浮泥形式出現(xiàn),在隨后的時間里,經(jīng)測量在水流和波浪的作用下,大部分浮泥已經(jīng)基本消失,水深基本恢復。
“驟淤”或者“強淤”只是一種根據(jù)多年港口淤積的經(jīng)驗總結(jié)出來的傾向性認識,并非標準詞匯。連云港徐圩港區(qū)位于黃海南部,頻臨東海,是臺風北上最容易危及的區(qū)域,根據(jù)實測資料和該海域泥沙特性試驗[3,7],認為“徐圩港區(qū)航道開辟后,如遇持續(xù)一定時間的大風浪天氣,大風浪掀沙后引起的泥沙運動,也會出現(xiàn)大風天強淤情況,但淤積的形式應完全不同于粉沙質(zhì)海岸”,因為該海域仍然主要以細顆粒泥沙運動為主。
(1)連云港海域流速不大,徐圩港區(qū)規(guī)劃航道線南北兩側(cè)段面,平均流速在0.20~0.40 m/s;波浪作用相對較大,年平均H1/10最大波高為3.58 m;徐圩港區(qū)南部緊鄰粉沙質(zhì)區(qū),位于粉沙向淤泥過度的邊緣地帶,根據(jù)目前上海航道院等單位底質(zhì)取樣資料,徐圩港區(qū)底質(zhì)沉積物主要以細顆粒為主,中值粒徑一般都在0.01 mm以下,粘土含量在30%以上,屬于淤泥質(zhì)海岸性質(zhì)。
(2)通過對連云港港徐圩港區(qū)海域正常天氣、大風期間(臺風和寒潮)實測資料以及遙感衛(wèi)星圖像的分析,徐圩港區(qū)附近海域,固定測點年平均含沙量在0.20 kg/m3左右;近岸河口或淺灘表層平均含沙量在0.10~0.20 kg/m3,外海域表層平均含沙量在0.1 kg/m3以下;臺風期間海域含沙量驟增,近底層含沙量可達5.0 kg/m3以上,而且上層水體紊動較強,懸沙上下?lián)交旆浅>鶆?,含沙量都非常接近;在平面變化上,該海域含沙量均呈現(xiàn)從近岸至外海遞減趨勢;在廢黃河口至灌河口海域近岸區(qū)(-5 m 等深線以內(nèi))存在著一股較高含沙量的泥沙流自東南向西北輸移,在埒子口附近逐漸消失。
(3)根據(jù)國內(nèi)其他港口大風天回淤問題的研究經(jīng)驗和對驟淤(或強淤)條件的分析以及與連云港港區(qū)的對比分析,認為徐圩港區(qū)航道開辟后,也會出現(xiàn)大風天強淤情況,但淤積的形式應完全不同于粉沙質(zhì)海岸。
(4)建議:“驟淤”或者“強淤”只是一種傾向性認識,并非標準詞,建議在相關(guān)規(guī)范修行中加入對該詞匯的相關(guān)解釋。繼續(xù)對徐圩港區(qū)海域地形、底質(zhì)進行定期的監(jiān)測,了解海域地形變化情況和徐圩航道附近的底質(zhì)變化趨勢;繼續(xù)開展工程海域的大風期的潮流、波浪和含沙量的觀測工程,掌握工程海域的不同時期大風期潮流、波浪和含沙量的分布情況。
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