孫治林

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司， 黃驊 061100)

黃驊港5萬噸級航道是神華煤炭航運(yùn)輸線上的咽喉要道，自建成至今一直存在著較為嚴(yán)重的淤積問題，另外，黃驊港煤炭港區(qū)航道回淤的最大特點(diǎn)是驟淤量占全年回淤量的大部分，遇罕見大風(fēng)，甚至占年回淤量的絕大部分。因此，為了增強(qiáng)航道抗驟淤能力，保證航道通航要求，在大量研究的基礎(chǔ)上[1-3]，黃驊港開展了整治工程，淤積環(huán)境也得到了一定的改善[4]，但每年仍存在一定厚度的淤積情況，如不及時(shí)對其進(jìn)行疏浚，將對航道的通航以及港區(qū)的正常運(yùn)營產(chǎn)生較大的影響，因此，為了保證船舶航行安全以及維護(hù)疏浚工程合理、高效的進(jìn)行，本文通過實(shí)測淤積資料、疏浚資料和數(shù)學(xué)模型研究平均年動力條件下黃驊港煤炭港區(qū)航道淤積沿程分布，并分析一年中不同月份疏浚維護(hù)量的分布，以期為港口的安全生產(chǎn)和疏浚安排提供參考和依據(jù)。

1 黃驊港海域大風(fēng)能量

1.1 大風(fēng)能量的確定

黃驊海域泥沙運(yùn)移形式主要是“波浪掀沙、潮流輸沙”[5]，泥沙起動的能量來源于波浪，而波浪的能量又來源于風(fēng)，風(fēng)對水體輸入的能量是由風(fēng)在水面剪切力對水體作功而形成，其能量可表示為

Ew=τwut

(1)

式中：τw為風(fēng)在水面處的剪切力；u為風(fēng)引起的水體運(yùn)動；t為大風(fēng)歷時(shí)。

風(fēng)對水面的剪切力τw可由下式計(jì)算

τw=ρa(bǔ)fww2

(2)

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；fw為風(fēng)摩阻系數(shù)；w為風(fēng)速。

風(fēng)引起的水體速度u可由下式計(jì)算

u=αvw

(3)

式中：αv為系數(shù)，根據(jù)已有試驗(yàn)觀測資料，其值為0.02～0.03。

將式(2)和式(3)代入式(1)得

Ew=αvfwρa(bǔ)w3t

(4)

考慮到風(fēng)速和歷時(shí)是不斷變化的，因此，一場大風(fēng)過程中風(fēng)對水體輸入的能量應(yīng)為

Ew=αvfwρa(bǔ)Σw3t

(5)

由于泥沙運(yùn)移存在閥值，只有水體運(yùn)動超過此閥值，泥沙才有可能發(fā)生運(yùn)移，并對航道形成淤積。根據(jù)現(xiàn)場觀測，只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6級以上，且歷時(shí)達(dá)到2 h后，航道才發(fā)生明顯淤積，因此，造成航道淤積的風(fēng)能僅考慮6級以上大風(fēng)，其有效風(fēng)能可由下式表示

(6)

式中：w6、w7、w8、w9分別為6級、7級、8級、9級風(fēng)速；t6、t7、t8、t9、t0分別為足標(biāo)對應(yīng)風(fēng)級的風(fēng)時(shí)；t0為臨界歷時(shí)，可取t0=2 h。

需要注意的是，上述有效風(fēng)能的計(jì)算沒有考慮到“風(fēng)向”對淤積的影響。黃驊港明顯淤積過程多為E—NE向大風(fēng)造成的，對于其他方向，如NW向大風(fēng)，即便有較大風(fēng)能量，由于地形和水深的影響，給航道造成的淤積量很小。因此在實(shí)際使用時(shí)還必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，按風(fēng)向?qū)τ绊懹俜e的有效風(fēng)能進(jìn)行修正，這個(gè)修正關(guān)系是個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，需根據(jù)水深、有效風(fēng)區(qū)長度等綜合確定，目前尚無理論研究，但根據(jù)長期以來對黃驊港海域大風(fēng)淤積的分析，對于黃驊港海區(qū)而言，E、ENE、NE、NNE和N向大風(fēng)風(fēng)向修正系數(shù)近似為1.2、1.0、1.0、0.8、0.5。

1.2 近20 a大風(fēng)能量水平分析

從黃驊港南側(cè)防波堤-5 m水深處觀測站的統(tǒng)計(jì)資料來看，近年來黃驊港海域除個(gè)別年份外全年大風(fēng)次數(shù)均在20次以上，近16 a的平均次數(shù)為26次。2004年為大風(fēng)次數(shù)最多的一年，全年大風(fēng)次數(shù)為40次，而2014年是近5 a內(nèi)大風(fēng)次數(shù)最少的一年。

圖1 近20 a(1998～2017年)大風(fēng)次數(shù)、能量分布Fig.1 The frequency and energy distribution of strong winds in the past 20 a(1998～2017)

從大風(fēng)能量上看，如圖1所示。每年大風(fēng)能量與大風(fēng)次數(shù)有一定的相關(guān)性，但不是成正比的關(guān)系，個(gè)別年份雖然大風(fēng)次數(shù)很多但是大風(fēng)能量并不是很大，相反大風(fēng)次數(shù)不是最多的年份大風(fēng)能量卻是最大(如2013年)。從近18 a的大風(fēng)能量統(tǒng)計(jì)來看，2013年是近年來大風(fēng)能量最大的1 a，2008年及2010年最接近多年來的平均水平。

1.3 近20年大風(fēng)能量月分布情況

對1998年至2017年期間黃驊港海區(qū)的大風(fēng)資料進(jìn)行了分析，黃驊港海區(qū)全年發(fā)生6級以上大風(fēng)的次數(shù)在26次左右，且大風(fēng)多發(fā)生在春秋季節(jié)，即3～5月和9～11月期間。從大風(fēng)能量分布上(如圖2)看上半年4月份能量最強(qiáng)，下半年11月份能量最強(qiáng)；春、秋季節(jié)大風(fēng)能量分別占全年總能量的44.5%和30.5%，兩個(gè)季節(jié)的能量總和占全年能量總和的75.0%。大風(fēng)發(fā)生概率最小的季節(jié)為夏季，即6～8月份，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，這個(gè)季節(jié)的大風(fēng)能量只占全年總能量的9.5%。冬季大風(fēng)能量占全年總能量的15.5%。

圖2 1998～2017年月際平均風(fēng)能比例分布Fig.2 Monthly distribution of wind energy during 1998～2017

2 黃驊港煤炭港區(qū)航道淤積實(shí)測情況

2.1 實(shí)測淤積情況

根據(jù)黃驊港港務(wù)公司航道部提供的航道水深圖和疏浚日報(bào)表統(tǒng)計(jì)、計(jì)算了近年來黃驊港煤炭港區(qū)航道的淤積情況：

(1)2014年黃驊港海區(qū)共發(fā)生6級以上大風(fēng)20次，其中N—NE向大風(fēng)次數(shù)為3次：在此期間，最大淤積厚度在3.0 m左右，N1+0以外航道段全年淤積量為1 403萬m3；其中W10+5以外段回淤量1 036萬m3，占全航道總淤積量的74%。

(2)2015年黃驊港海區(qū)6級以上大風(fēng)過程共32次，7級以上強(qiáng)風(fēng)過程14次，8級以上強(qiáng)風(fēng)過程3次：黃驊港全航道段年淤積量為2 341萬m3，淤積較重區(qū)段為W8+0～W27+0段，全年累計(jì)淤強(qiáng)均超過了2.0 m，全航道最大淤強(qiáng)出現(xiàn)在航道W14+0處，全年累計(jì)淤強(qiáng)為3.65 m。

(3)2016年黃驊港海區(qū)6級以上大風(fēng)過程共18次，7級以上強(qiáng)風(fēng)過程10次，8級以上強(qiáng)風(fēng)過程2次：黃驊港全航道段年淤積量為1 902萬m3；淤積較重區(qū)段為W12+0～W27+0段，全年累計(jì)淤強(qiáng)均超過了2.0 m，全航道最大淤強(qiáng)出現(xiàn)在航道W23+0處，全年累計(jì)淤強(qiáng)為3.71 m。

(4)2017年黃驊港海區(qū)共發(fā)生6級以上大風(fēng)過程共21次，其中7級大風(fēng)過程7次，8級大風(fēng)過程2次，在近5 a的大風(fēng)能量排序中也是較小的1 a：黃驊港全航道段年淤積量為1 655萬m3，全年平均淤強(qiáng)為1.34 m，其中淤積較重區(qū)段為W11+0～W28+0段，全航道最大淤強(qiáng)出現(xiàn)在航道W13+0處，全年累計(jì)淤強(qiáng)為3.78 m。

總的來說，從年累計(jì)淤積分布情況來看，最重淤積段位于口門附近，最大累計(jì)淤積厚度3～4 m之間，各年內(nèi)外航道淤積分配比基本呈3：7左右。

2.2 淤積特征分析

(1)全年大風(fēng)能量與年淤積量相對應(yīng)。

大風(fēng)是黃驊港煤炭港區(qū)航道發(fā)生驟淤的主要誘因，研究表明大風(fēng)所產(chǎn)生的能量與航道淤積量呈一定的正比關(guān)系，一般情況下大風(fēng)大淤、小風(fēng)小淤、狂風(fēng)驟淤，一定程度上風(fēng)能量決定淤積量；除風(fēng)能之外，風(fēng)向?qū)τ俜e有影響，一般偏E向大風(fēng)作用淤積最強(qiáng)；因此每一年的大風(fēng)水平和大風(fēng)特點(diǎn)基本可以反映該年的航道淤積情況。

(2)掩護(hù)段以外淤積較重。

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)，強(qiáng)淤積段分布在口門附近，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。

(3)從大風(fēng)淤積月際分布規(guī)律來看，春、秋兩季是黃驊港煤炭港區(qū)航道防范大風(fēng)淤積的重點(diǎn)時(shí)段。

①黃驊港煤炭港區(qū)航道淤積主要發(fā)生在春秋兩季，兩時(shí)段淤積量占全年全航道總量的80%～90%左右，如表1所示，其中秋季大風(fēng)時(shí)段(9～12月份)淤積量要大于春節(jié)大風(fēng)時(shí)段(3～6月份)，秋季大風(fēng)時(shí)段淤積量占全年總量50%～60%左右， 如表1所示，春節(jié)大風(fēng)時(shí)段淤積量占全年總量的20%～30%左右；

②從淤積量上來看，春節(jié)淤積量應(yīng)在500萬m3左右，平均淤強(qiáng)在0.4～0.5 m左右，秋季淤積量在1 000 m3左右，平均淤強(qiáng)在0.8～1.2 m左右，最大淤強(qiáng)發(fā)生的位置均在口門外W14+0～W24+0附近。

表1 黃驊港煤炭港區(qū)航道大風(fēng)季節(jié)淤積情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics on sedimentation of waterway in Coal Port of Huanghua during the strong wind season

3 黃驊港煤炭港區(qū)航道淤積預(yù)測情況

由于黃驊港煤炭港區(qū)航道近幾年一直處于建設(shè)和疏浚維護(hù)當(dāng)中，且每年的大風(fēng)情況也存在著一定的差別，利用實(shí)測資料很難準(zhǔn)確的預(yù)測航道的年淤積量和大風(fēng)驟淤量，因此，采用數(shù)值計(jì)算的方法對航道的年淤積和大風(fēng)驟淤情況進(jìn)行了計(jì)算。

3.1 淤積公式的建立

考慮航道淤積由風(fēng)浪掀沙所造成。風(fēng)是航道淤積的關(guān)鍵源頭因素，風(fēng)況測取和收集也比較容易。

設(shè)泥沙運(yùn)動的能量來自波浪，波浪的能量來自風(fēng)，則

Es=αswEw

(7)

式中：Es、Ew分別為泥沙運(yùn)動和風(fēng)的能量；αsw為風(fēng)對泥沙運(yùn)動的能量傳遞系數(shù)。

在粉沙質(zhì)海岸上，根據(jù)泥沙運(yùn)移型態(tài)的不同，需同時(shí)考慮懸移質(zhì)、底部高濃度含沙水體和推移質(zhì)。考慮到懸移質(zhì)相對較為簡單，在泥沙運(yùn)動過程中，各種泥沙運(yùn)移型態(tài)之間因動力不同而形成一定的比例，因此，泥沙運(yùn)動能量可簡寫為

Es=αsEs1

(8)

式中：Es1為懸移質(zhì)的能量；αs為泥沙運(yùn)移型態(tài)能量比例系數(shù)。

風(fēng)浪過程中，懸移質(zhì)克服各種阻力懸揚(yáng)后的能量可用下式表示

Es1=Shwst1

(9)

式中：S為水體含沙量；h為水深；ws為泥沙沉降速度；t1為懸浮時(shí)間；αs1為系數(shù)。

航道淤積應(yīng)由懸移質(zhì)、底部高濃度含沙水體和推移質(zhì)淤積組成，懸移質(zhì)淤強(qiáng)比較容易計(jì)算，同樣可將各類運(yùn)移型態(tài)泥沙淤強(qiáng)轉(zhuǎn)換成一定比例，其淤積強(qiáng)度可表示為

Ps=αpPs1

(10)

根據(jù)已有研究，懸移質(zhì)淤積[6-8]可由下式計(jì)算

(11)

將式(9)中的S代入式(11)，并將式(5)、式(7)和式(8)進(jìn)行合并，得到

(12)

(13)

全航道淤積可利用上式分段計(jì)算累積而得

(14)

式中：Q為總淤積量；△li為分段長度；n為分段數(shù)；n=l/△l，l為航道全長；b為航道寬度。

一場大風(fēng)淤積過程包括大風(fēng)直接作用于水體的有效風(fēng)能引起的淤積和大風(fēng)過后由于波浪衰減、水體含沙量遲后等所引起的淤積，因此，為使用方便又可將式(14)改寫成

(15)

式(15)中淤積和有效風(fēng)能直接相關(guān)，其中各系數(shù)可通過實(shí)測資料率定，不同港口率定后的系數(shù)不同。本文以黃驊港2004～2007年發(fā)生的數(shù)次大風(fēng)淤積為依據(jù)，利用這些大風(fēng)淤積的實(shí)測資料對公式進(jìn)行了率定。

3.2 年平均淤積預(yù)測

在航道年平均淤積預(yù)測前，首先要確定一個(gè)平均年的動力條件，這個(gè)條件確定的準(zhǔn)確與否直接影響預(yù)測結(jié)果。在平均年的確定當(dāng)中，主要是根據(jù)近20 a的大風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)而得的歷年大風(fēng)次數(shù)和大風(fēng)總能量的累積分布情況，從年際間的風(fēng)能與大風(fēng)次數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析，將年大風(fēng)次數(shù)接近20 a來的平均次數(shù)、年累積風(fēng)能接近18 a來的平均水平的年份定義為平均大風(fēng)年份。同時(shí)，還考慮風(fēng)向的影響，最終選擇以累計(jì)能量相當(dāng)于平均年份，且主風(fēng)向?yàn)闁|到東北向作為平均年份的代表動力條件。

選擇接近平均年風(fēng)能的動力條件組合后，分別根據(jù)前面建立的淤積公式和數(shù)學(xué)模型計(jì)算了平均年的淤積沿程分布情況(如圖3)，航道最重淤積段位于口門～24+0附近，最大淤積厚度近3.5 m，總的淤積量約為1 774萬方。

由于互聯(lián)網(wǎng)金融的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)管手段已經(jīng)很難再滿足現(xiàn)時(shí)的需要。監(jiān)管隊(duì)伍中部分監(jiān)管人員沒有接觸過互聯(lián)網(wǎng)金融，對于互聯(lián)網(wǎng)金融散戶多和流動性強(qiáng)等特點(diǎn)不熟悉，對于互聯(lián)網(wǎng)金融所存在的新型風(fēng)險(xiǎn)缺乏足夠認(rèn)識。除此之外，對于互聯(lián)網(wǎng)金融的監(jiān)管還需要較為扎實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)知識和較為熟練的計(jì)算機(jī)操作，這更加大了對于互聯(lián)網(wǎng)金融監(jiān)管的要求。

圖3 航道平均年淤積沿程分布Fig.3 Siltation distribution in average annual along the channel

3.3 大風(fēng)驟淤預(yù)測

根據(jù)已掌握的現(xiàn)場資料[9]并結(jié)合最新的工程條件，利用已建公式計(jì)算了黃驊港煤炭港區(qū)航道重現(xiàn)期為10 a和15 a一遇大風(fēng)驟淤情況，計(jì)算結(jié)果如下：

(1)10 a一遇：航道內(nèi)總淤積量為670萬m3；最大淤積厚度為1.51 m，位置在W13+0附近；全航道平均淤積厚度為0.56 m。

(2)15 a一遇：航道總淤積量為801萬m3，其中口門以里162萬m3，口門至-8 m天然水深處448萬m3，-8 m天然水深以外191萬m3，最大淤強(qiáng)1.9 m，位于W14+500。

4 航道疏浚量分布規(guī)律

4.1 月疏浚強(qiáng)度情況

對一年中不同月份疏浚量進(jìn)行比較分析也可以反映出黃驊港煤炭港區(qū)航道在時(shí)間上的維護(hù)規(guī)律，在2007年和2010年航道沒有基建施工，疏浚工程的絕大部分是維護(hù)性疏浚，因此這兩年的資料對于日常疏浚維護(hù)有代表性。

從2007年航道疏浚量月度比例分布圖來看：疏浚維護(hù)強(qiáng)度全年有兩個(gè)峰值，一個(gè)是在3月份，一個(gè)是在6、7兩個(gè)月份。分析認(rèn)為3月份的峰值是集中清理前一個(gè)冬季(冰期)的淤積，而6、7月份的峰值是清理4月份強(qiáng)風(fēng)后的淤積，由此可見“冰期后”和“強(qiáng)風(fēng)季節(jié)后”需要比較強(qiáng)的疏浚力量。

再從2010年的航道疏浚量月度比例分布圖來看：疏浚維護(hù)強(qiáng)度全年仍有兩個(gè)峰值，一個(gè)是在5月份，一個(gè)是在10月份。分析認(rèn)為5月份峰值是集中清理4月風(fēng)強(qiáng)風(fēng)后的淤積，10月風(fēng)峰值是集中清理10月份強(qiáng)風(fēng)后的淤積。進(jìn)一步表明了凡是“強(qiáng)風(fēng)季節(jié)后”均需要較強(qiáng)的疏浚力量，在“冰期后”和“強(qiáng)風(fēng)季節(jié)后”配備足夠的疏浚力量在日常維護(hù)中是十分重要的。

4.2 年疏浚量沿程分布情況

圖4 2007年、2010年航道疏浚量月度比例分布Fig.4 The monthly ratio of dredging volume in the channel of 2007 and 2010

利用2007年和2010年期間的疏浚資料進(jìn)行了疏浚量沿程分布的統(tǒng)計(jì)分析(如圖4)，疏浚強(qiáng)度最大段位于W9+0到W22+0段，其次是掩護(hù)段內(nèi)，再次從W22+0向外呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，這個(gè)分布規(guī)律與淤積分布規(guī)律是對應(yīng)的。從疏浚維護(hù)角度而言，在個(gè)別區(qū)段施以全時(shí)段的重點(diǎn)維護(hù)是十分必要的。

歷年來疏浚強(qiáng)度的分布規(guī)律也恰恰印證了淤積強(qiáng)度分布規(guī)律的準(zhǔn)確性，但與預(yù)測的平均年份的淤積分布也略有差異，主要表現(xiàn)在掩護(hù)段實(shí)際維護(hù)數(shù)量要比預(yù)測結(jié)果偏大。原因是由于掩護(hù)段以內(nèi)主要是低密度回淤土，且有大量浮泥；而預(yù)測結(jié)果是以統(tǒng)一密度表示，掩護(hù)段內(nèi)的方量可理解為低密度土密實(shí)后的體積；因此兩者存在差異。但根據(jù)目前的疏浚船的計(jì)量方式，給與掩護(hù)段內(nèi)足夠的疏浚比例也是合理的。

5 平均年航道維護(hù)量建議

圖5 逐月最小維護(hù)準(zhǔn)備量分布Fig.5 Distribution of minimum maintenance per month

綜合本文分析的大風(fēng)的季節(jié)分布差異、歷年疏浚強(qiáng)度月際差異、實(shí)測和預(yù)測的淤積沿程分布以及歷年疏浚量沿程分布的結(jié)果，并考慮到預(yù)留一定的安全性，對平均年航道維護(hù)量的時(shí)間和空間分布進(jìn)行了估算。

依據(jù)風(fēng)能的月際分布和5萬t航道的平均年淤積的預(yù)測結(jié)果，估算了日常情況下不同月份航道沿程的淤積量分布，并將其定義為“日常最小維護(hù)準(zhǔn)備量”(如圖5)，該準(zhǔn)備量全年共計(jì)1 774萬m3，疏浚重點(diǎn)時(shí)間主要集中在上半年的3～5月份和下半年的10～12月份。

圖6 建議日常維護(hù)準(zhǔn)備量分布Fig.6 Distribution of recommended maintenance per month

另外，依據(jù)風(fēng)能的月際分布、近年來疏浚量的實(shí)際分布規(guī)律同時(shí)參考了近年來的實(shí)測淤積分布，并考慮到風(fēng)季驟淤可能礙航，建議大風(fēng)季節(jié)之前預(yù)留維護(hù)量，預(yù)留一定的備淤深度，將維護(hù)量最大月份提前一個(gè)月，這樣既可以保證疏浚力量配備的合理性，也可以降低大風(fēng)驟淤礙航的風(fēng)險(xiǎn)，為此綜合給出了“建議維護(hù)準(zhǔn)備量”(如圖6)，從建議維護(hù)準(zhǔn)備量的分布情況來看，3月份需完成545萬m3的疏浚工程量，10月份需完成413萬m3疏浚量，疏浚力量主要集中在春秋兩季，全年總維護(hù)量約2 800萬m3。

6 結(jié)論

本文利用實(shí)測淤積資料、疏浚資料和數(shù)學(xué)模型研究了平均年動力條件下黃驊港5萬噸級航道淤積沿程分布，并分析了一年中不同月份疏浚維護(hù)量的分布，得到以下結(jié)論：

(1)黃驊港海區(qū)全年6級以上大風(fēng)年均23次，多發(fā)于春秋季節(jié)。大風(fēng)能量上，兩個(gè)季節(jié)能量總和占全年能量總和的73.9%。春、秋季是疏浚維護(hù)的重點(diǎn)季節(jié)。

(2)黃驊港煤炭港區(qū)航道年累計(jì)淤積分布最重段位于口門附近，各年最大累計(jì)淤積厚度3～6 m之間不等。近年來內(nèi)、外航道淤積總量分配比例約呈3：7。大部分驟淤由E—NE向大風(fēng)造成，且各向大風(fēng)造成的淤積分布有差異。強(qiáng)淤積段分布在口門附近，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。

(3)在“冰期后”和“強(qiáng)風(fēng)季節(jié)后”需要配備較強(qiáng)的疏浚力量，重點(diǎn)維護(hù)段為W9+0到W22+0段，其次是掩護(hù)段內(nèi)，從W22+0向外維護(hù)量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。

(4)根據(jù)大風(fēng)能量分布、疏浚強(qiáng)度月際差異、實(shí)測和預(yù)測淤積量沿程分布等結(jié)果，并考慮到預(yù)留一定的空間，對平均年航道維護(hù)量的時(shí)間和空間分布進(jìn)行了估算，得出平均年標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)準(zhǔn)備量1 800萬方左右，建議維護(hù)準(zhǔn)備量2 800萬方左右。