翟征秋

（天津臨港港務(wù)集團有限公司，天津300452）

眾所周知，天津港位于渤海灣西部的海河入?？?，該港區(qū)岸灘屬于典型的淤泥質(zhì)海岸。從開港初期至20世紀(jì)末航道泥沙回淤嚴(yán)重，曾一度制約了港口的發(fā)展。經(jīng)過幾代專家學(xué)者近半個世紀(jì)的測驗、研究和綜合治理，基本掌握了泥沙回淤規(guī)律、解決了大范圍回淤問題，才使天津港成為了輕淤深水大港。根據(jù)天津港口發(fā)展的需要，2004年初提出在天津港南疆南側(cè)、海河入海口下游利用吹填造陸方式開發(fā)建設(shè)天津臨港工業(yè)區(qū)及臨港港區(qū)，同時結(jié)合取土造陸開挖形成大沽沙航道。但大沽沙航道建設(shè)過程中是否會遇到當(dāng)初天津港主航道同樣的嚴(yán)重回淤問題，成為港方及業(yè)內(nèi)專家關(guān)注的焦點。為了研究大沽沙航道泥沙回淤特點和規(guī)律，結(jié)合天津港主航道泥沙回淤研究成果，對5萬t級大沽沙航道施工期回淤進(jìn)行了多年系統(tǒng)的觀測和研究，取得了一定的成果，為大沽沙航道的后續(xù)升級和維護(hù)提供了寶貴資料。

1 工程概況及動力泥沙環(huán)境

1.1 工程概況

天津港大沽沙航道位于天津港南疆港區(qū)與臨港港區(qū)之間海河入?？谙掠?，是經(jīng)過人工開挖形成的天津港第二條深水航道（圖1）。航道拐點以內(nèi)段的海底標(biāo)高為+2.0～-5.5 m（當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)，下同），拐點以外水深逐漸增大，平均海底坡度為1/2 000。2006年初大沽沙航道結(jié)合臨港工業(yè)區(qū)圍海造陸取土開始疏浚施工，經(jīng)過不斷的浚深和拓寬，航道等級逐步提升，至2009年9月完成5萬 t級大沽沙航道（長26.5 km，底寬190 m，底標(biāo)高-12.5 m，邊坡1：5）的疏浚施工。為了掌握大沽沙航道泥沙回淤特點和規(guī)律，從2006年10月開始組織開展了大沽沙航道施工期的回淤觀測和研究工作。

圖1 航道工程示意圖Fig.1 Sketch of waterway engineering

1.2 風(fēng)、浪特征

根據(jù)天津港多年的觀測及統(tǒng)計資料顯示：

（1）本海區(qū)強風(fēng)向和常風(fēng)向均為E向，出現(xiàn)頻率為11.71%；次常風(fēng)向為S向，頻率為10.34%。各向≥6級風(fēng)所出現(xiàn)頻率為3.65%。大風(fēng)天多出現(xiàn)在冬季,春、秋季風(fēng)力次之，夏季最小。

（2）本海區(qū)常浪向為ENE和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強浪向ENE，該向H4%＞1.5 m的波高頻率為1.35%，全年5.0 s的頻率為 6.09%。

（3）本海區(qū)以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪和風(fēng)浪為主的混合浪年出現(xiàn)頻率為72.8%，以涌浪為主的混合浪占26.6%。且風(fēng)浪與季節(jié)對應(yīng)明顯，冬季風(fēng)浪最強，春、秋季次之，夏季最小。

1.3 潮汐與潮流

本海區(qū)潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。

為了掌握本水域潮流特點及其變化情況，2004～2005年春、夏、秋、冬4個季節(jié)在海河口進(jìn)行了8個測點的水文全潮觀測，2008年8月又進(jìn)行了8個測點的水文全潮觀測，經(jīng)前后兩次觀測資料對比，流速特征基本一致［1］：外海潮流漲潮流速大于落潮流速，流速外海大于近岸，近岸受河口及地形的影響，漲落潮流速大小差別減小。除臨近陸域點受地形影響以外，流態(tài)基本表現(xiàn)為往復(fù)流性質(zhì)，漲落潮流總體呈WNW—ESE運動。潮流動力相對較弱，大潮漲落潮平均流速小于0.36 m/s和0.30 m/s，漲、落潮最大流速分別小于0.78 m/s和0.52 m/s。

1.4 水體含沙量

根據(jù)2004～2005年春、夏、秋、冬4個季節(jié)分別沿-2 m、-5 m和-7 m等深線設(shè)的12個底質(zhì)取樣點和2008年8月的分別沿-2 m、-5 m、-7 m和-10 m等深線設(shè)的126個底質(zhì)取樣點的取樣經(jīng)綜合分析，本水域水體含沙量分部特征為：

（1）含沙量時空分布。夏季最小，平均為0.064 kg/m3；春、秋兩季基本相等，平均為0.082 kg/m3；冬季最大，平均為0.122 kg/m3。從本區(qū)氣象資料分析來看，夏季風(fēng)浪較弱，春、秋兩季風(fēng)浪增強，冬季受寒潮影響風(fēng)浪最強，因此，本海區(qū)水體含沙量的高低主要取決于風(fēng)浪的強弱及風(fēng)時段的長短等因素；

（2）含沙量的平面分布。自岸向海呈由大變小的分布規(guī)律，在-2 m等深線平均為0.094 kg/m3，至-5 m等深線平均為0.073 kg/m3，至-7m等深線平均為0.070 kg/m3，比-5 m線有所降低但不明顯，至-10 m等深線平均為0.050 kg/m3，表明本海區(qū)波浪破碎帶（-5 m線）以內(nèi)含沙量高，而外海由于水深增加風(fēng)浪掀沙能力弱，含沙量變??；

（3）平均含沙量潮時分布。漲潮潮段為0.080 kg/m3，落潮潮段為0.075 kg/m3，漲潮段含沙量略大于落潮段；

整體分析可知，本水域水體含沙總量較低，含沙量的大小主要取決于風(fēng)浪的大小、灘地水深的深淺和潮流的強弱［2-3］。

1.5 航道回淤物質(zhì)

為了解航道底質(zhì)的時、空分布規(guī)律及其特征，以底質(zhì)中值粒徑d50為研究對象，2008年及2009年共計18次對大沽沙航道固定測點進(jìn)行了回淤物取樣及顆粒度分析（表1、表2）［4］。現(xiàn)場地質(zhì)采樣成果及其特征如下：

（1）底質(zhì)顆粒特征：18個月的泥沙平均中值粒徑d50介于0.003 8～0.009 6 mm，平均為0.005 2 mm，經(jīng)分析粘土含量均在40%以上，屬粉砂質(zhì)粘土或粘土質(zhì)粉砂。從底質(zhì)粒徑較細(xì)和粘土含量來看，本海域?qū)儆诘湫偷挠倌噘|(zhì)海岸。

（2）底質(zhì)平面分布：各測點多月平均中值粒徑d50介于0.004 1～0.007 7 mm，平面變化不明顯。但將測點按拐彎點內(nèi)航道（2+0～15+0）和拐彎點外航道（15+0～28+0）兩塊區(qū)域研究可知，拐彎點以內(nèi)航道除2+0處相對較粗為0.005 7 mm外，其余測點的泥沙顆粒很細(xì)，底質(zhì)粒徑平均為0.004 6 mm；拐彎點以外航道多月平均粒徑在0.005 6～0.007 7 mm，平均為0.006 8 mm?？梢?，兩區(qū)域的泥沙粒徑略有差異，以4+0～14+0段上的泥沙顆粒最細(xì)，說明每次采集的樣品應(yīng)是懸沙落淤的泥沙；拐彎點以外航道泥沙粒徑較粗，說明采集的樣品應(yīng)以粒徑較粗的原基建土為主。

（3）底質(zhì)隨時間變化特征：從不同季節(jié)取樣結(jié)果來看，各季節(jié)的底質(zhì)粒徑差別不大，但從不大的差別中經(jīng)分析基本可以得出，夏季的泥沙粒徑相對最細(xì)；而粒徑最粗的月份是2008年的10月份和2009年的11月份，中值粒徑分別為0.007 1 mm和0.009 6 mm。根據(jù)天津港回淤研究成果，底質(zhì)泥沙的變化是與氣候的變化有著密切的關(guān)系，在風(fēng)浪較強的季節(jié)泥沙顆粒較粗，在小風(fēng)浪季節(jié)則較細(xì)。本研究表明夏季最細(xì)，這與本海區(qū)夏季風(fēng)浪較小相對應(yīng)；但由于航道尚處于建設(shè)期，泥沙難免受到開挖出的基建土的影響，即泥沙顆粒中會摻雜顆粒較粗的基建土，因而導(dǎo)致風(fēng)浪最大的冬季未必對應(yīng)的泥沙顆粒就最粗，但顆粒仍略粗于春、夏兩季。

表1 航道中底質(zhì)粒徑季節(jié)分布Tab.1 Seasonal distribution of sediment grain size

2 大沽沙航道水下地形及回淤分析

為了掌握5萬t級大沽沙航道施工期詳細(xì)的水下地形變化情況及回淤情況，自2006年10月開始，每月下旬對大沽沙航道水域進(jìn)行大比例尺（1：2 000）水下地形測量。至2009年9月共取得航道水下地形圖36份，同時，收集了對應(yīng)3 a中各月航道施工的相關(guān)資料。現(xiàn)根據(jù)時間將5萬t級大沽沙航道施工期回淤情況按3個階段進(jìn)行研究。

2.1 第一階段［5］

2006年10月至2007年10月為第一階段。2006年10月之前，結(jié)合工業(yè)區(qū)圍海造陸取土大沽沙航道已基本達(dá)到5 000 t級，航道里程為2+0～14+0（圖1）。本階段繼續(xù)在5 000 t級航道的基礎(chǔ)上，利用大型絞吸式挖泥船進(jìn)行挖泥施工，由于開挖段發(fā)生回淤的同時，也進(jìn)行土方開挖，具體回淤厚度無法從測圖中得到，因此選取了5個基本未施工的固定斷面進(jìn)行回淤分析。根據(jù)每月所測水下地形圖，按季度計算航道底寬（100 m）范圍內(nèi)的斷面平均水深之差，然后計算全年平均水深之差，去除挖泥施工水深增加的數(shù)值，即得到不同斷面的回淤厚度（表3），由表3分析可知：

（1）除斷面7+000由于秋季進(jìn)行了施工水深增加，造成本年度整體水深加深外，其他各斷面均由于回淤而使每季度和全年水深變淺；

（2）本階段5 000 t級航道平均回淤厚度為0.78 m，總回淤量為109萬m3;

（3）冬季為一年中回淤最大的季節(jié)，春秋次之，夏季最小。這與水體含沙量的時空分布冬季最大，春秋其次，夏季最小是對應(yīng)的；

（4）航道由內(nèi)向外的回淤厚度逐漸減小。這與含沙量的平面分布自岸向海由大變小的規(guī)律也是對應(yīng)的。

2.2 第二階段［6］

2007年10月至2008年10月為第二階段。根據(jù)每月水深測圖及實際施工情況，本階段航道及兩側(cè)區(qū)域大多處于施工狀態(tài)，全年中多數(shù)固定斷面水深加深，對分析斷面回淤強度帶來一定困難，現(xiàn)根據(jù)斷面水深變化情況粗略地劃分成 3個區(qū)域：里段（2+0～4+0）、中間段（4+0～9+0）和外段（9+0～5+0）。從各段斷面水深變化值累加成各季度的回淤厚度，進(jìn)而計算出年回淤厚度和回淤量（表4），由表4可知：

表2 航道中底質(zhì)粒徑平面分布Tab.2 Planar distribution of sediment grain size

表3 第一階段固定斷面平均水深變化Tab.3 Average depth variation of fixed section in the first phase

（1）本階段航道拐彎點以內(nèi)回淤厚度平均約1.0 m，年總回淤量為234萬m3；

（2）與第一階段結(jié)果相同，冬季回淤強度最大，春秋次之，夏季最??；

（3）本年度航道中間段回淤厚度最大，結(jié)合圍海造陸情況分析，是由于圍海造陸陸域延伸，此段已成為港區(qū)口門，潮流動力變化大，使回淤量最大；

（4）由于本年度航道浚深、拓寬迅速，致使年回淤厚度和回淤量明顯大于第一階段。

表4 第二階段15+0以內(nèi)航段泥沙回淤情況Tab.4 Silting situation within 15+0 in the second phase

2.3 第三階段

2.3.1 全航道回淤分析

2008年10月至2009年9月為第三階段，本階段施工已延伸到5萬t級航道外端（里程至28+5）（圖1）。與第二階段相同，本階段內(nèi)航道及兩側(cè)區(qū)域大多處于施工狀態(tài)，對分析斷面回淤強度帶來一定困難。為此，提取了各固定斷面每月的水深數(shù)據(jù)，計算每月的淤積厚度，剔除水深加大在0.5 m以上（認(rèn)為疏浚造成）的數(shù)據(jù)，累加剩余的數(shù)據(jù)從而得到該斷面全年的淤積厚度，航道沿程淤積厚度見表5。

由表5可知，航道回淤沿程并不均勻，以H7+0～H15+0即口門段（陸域圍海已推進(jìn)至本段區(qū)域）的回淤最嚴(yán)重，平均為1.5 m；內(nèi)航道段H2+0～H7+0回淤相對較小，平均為0.6 m；拐彎點以外段回淤最小，平均為0.2 m。

2.3.2 局部強淤及分析［7］

分析每月測圖得知，口門段在不同時間段存在局部強淤現(xiàn)象（表6、表7）。參照第一、第二階段相應(yīng)季節(jié)對應(yīng)段的回淤厚度及回淤量，2次局部強淤使回淤量較正常增加134萬m3。去除強淤增加量，本年度正?；赜倭繛?02.3萬m3。根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析，產(chǎn)生局部強淤的原因有以下兩點：

（1）天津港南疆南泄水口高含沙量水體外流。選取2009年3月7日（西南風(fēng)3級，小潮，落潮初期）的衛(wèi)星遙感圖片，參考天津港懸沙濃度與衛(wèi)片灰度值（波段3和波段2的比值）之間的關(guān)系，利用ENVI軟件，計算出表層懸沙濃度，并繪制懸沙濃度分布圖后可知，從天津港南疆南有一股高濃度泥沙流入9+0以外的航道水域，該水域受此泥沙流的影響含沙量變大，造成本段航道出現(xiàn)嚴(yán)重回淤。在現(xiàn)場條件基本不變的情況下，6月份南疆南將泄水口封堵后，本段航道未再出現(xiàn)強淤情況，也證明了此結(jié)論。

（2）水動力條件。強淤段處于口門區(qū)域，且水深較深（-14～15.5 m），受潮流和水下地形影響，高濃度泥沙流所挾泥沙力降低，所挾泥沙迅速在附近水域落淤而造成航道強淤。

表5 航道年度泥沙回淤情況（逐月累計）Tab.5 Silting situation in channel

表6 2008年11月～2009年2月局部強淤斷面水深變化Tab.6 Change of water depth from Nov.2008 to Feb.2009

表7 2009年2～5月局部強淤斷面水深變化Tab.7 Change of water depth from Feb.2009 to May 2009

2.4 回淤數(shù)量及特點

由3個階段的年回淤量可知：第一階段度由于是等級較低的5 000 t級航道，年回淤量為109萬m3；第二階段度航道長度雖基本未變，但底寬已拓寬至5萬t級，且航道浚深、拓寬迅速，造成年回淤量大幅增加至234萬m3；第三階段度按5萬t級全長分析，且存在局部強淤，造成年回淤量增加至336萬m3，施工期的3 a間總回淤量為679萬m3。航道回淤主要集中在航道內(nèi)段。

依據(jù)大沽沙航道泥沙淤積預(yù)測，5萬t級大沽沙航道建成后不會出現(xiàn)大規(guī)模淤積現(xiàn)象，航道年回淤量約為222萬m3［8］。第三階段為5萬t級航道最終形成階段，去除由于天津港南疆南泄泥造成強淤的特殊影響外，本階段回淤量為202.3萬m3，稍小于預(yù)測量。

航道施工期間，在開挖基建土的同時部分回淤量也被疏浚了，同時由于疏浚施工產(chǎn)生的浮泥也會造成回淤量的增加，所以施工期間觀測到的回淤量與實際回淤量可能存在一定的誤差。但從各階段研究情況看，大沽沙航道回淤情況并不嚴(yán)重，基本與前期淤積預(yù)測結(jié)論一致，航道不會出現(xiàn)嚴(yán)重淤積情況。

3 結(jié)論

（1）從底質(zhì)平面分布來看，大沽沙航道內(nèi)段回淤泥沙顆粒很細(xì)，外段泥沙粒徑較粗；（2）從底質(zhì)隨時間變化來看，在風(fēng)浪較強的冬季回淤泥沙顆粒較粗，回淤量最大，在小風(fēng)浪的夏季則顆粒較細(xì)，回淤量最小，春秋介于兩季之間；（3）第一階段航道回淤量為109萬m3，第二階段回淤量為234萬m3；第三階段存在局部強淤，回淤量為336萬m3，5萬t級大沽沙航道施工期3 a間總回淤量為679萬m3。航道回淤主要集中在原始灘面較淺的內(nèi)航道段；（4）大沽沙航道局部強淤是由于天津港南疆南泄水口溢出的高濃度泥沙流所致，正常情況下航道不會發(fā)生局部強淤現(xiàn)象；（5）大沽沙航道回淤情況基本與前期淤積預(yù)測結(jié)論一致，航道不會出現(xiàn)嚴(yán)重淤積情況。

［1］江蘇省水文水資源勘測局揚州分局.天津臨港工業(yè)港區(qū)海域水文泥沙測驗分析報告［R］.江蘇：江蘇省水文水資源勘測局揚州分局，2008.

［2］孫連成.淤泥質(zhì)海岸天津港工程泥沙治理與功效［J］.水運工程，2011（1）：67.SUN L C.Tianjin Port engineering sediment treatment and efficacy on silt coast［J］.Port&Waterway Engineering，2011（1）：67.

［3］南京水利科學(xué)研究院.天津臨港工業(yè)港區(qū)整體物理模型試驗研究報告［R］.江蘇：南京水利科學(xué)研究院，2011.

［4］交通部天津水運工程科學(xué)研究院工程泥沙重點實驗室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報告）［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究院，2010.

［5］交通部天津水運工程科學(xué)研究院工程泥沙重點實驗室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報告）［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究院，2007.

［6］交通部天津水運工程科學(xué)研究院工程泥沙重點實驗室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報告）［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究院，2008.

［7］交通部天津水運工程科學(xué)研究院工程泥沙重點實驗室.天津臨港工業(yè)區(qū)港池航道泥沙回淤監(jiān)測及分析（總報告）［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究院，2011.

［8］交通部天津水運工程科學(xué)研究院工程泥沙重點實驗室.天津臨港工業(yè)區(qū)大沽沙航道泥沙淤積預(yù)測［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究院，2007.