范武雷，陸 偉

(1.溫州市港航管理中心，溫州 325088；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院有限公司 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

臺風(fēng)往往會對淺水水域的潮汐增減水、海底泥沙運(yùn)動平衡等將造成較大影響，將在一定時期內(nèi)影響海底泥沙運(yùn)動平衡，造成海底在短時間內(nèi)嚴(yán)重淤積。臺風(fēng)引起淤積現(xiàn)象時有發(fā)生，一直是工程泥沙問題研究的難點(diǎn)[1]。

樂清灣是浙江臺州和溫州的重要港口水域[2]。樂清灣進(jìn)港航道于2013年8月建設(shè)完成，起自樂清灣港外候潮錨地，終至溫州的樂清灣南港區(qū)，航道全長約45.5 km，規(guī)模為10萬t級散貨船單向乘潮通航，并滿足5萬t級集裝箱船雙向乘潮通航[3]。本次研究段位于鹿西島東側(cè)，全長約11.6 km，起終點(diǎn)分別距鹿西島約3 km、14.6 km，為樂清灣進(jìn)港航道的主要淺段，是航道疏浚養(yǎng)護(hù)的主要范圍，維護(hù)量約占整個進(jìn)港航道的70%以上。其位置如圖1所示。航道研究段疏浚底寬222 m，設(shè)計通航水深12.6 m[3]，航道邊坡外側(cè)平坦區(qū)域水深11～13 m，航道挖槽深度0～2 m不等，表層底質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂(YT)為主，中值粒徑0.003～0.021 mm，平均0.007 5 mm。已有研究表明，航道所在海域泥沙沖淤基本為懸沙的落淤及再懸浮，沒有大范圍的海床沖刷及淤積，水體含沙量較小，開敞水域含沙量為0.11～0.23 kg/m3[4]，海床沖淤亦很小[5]，但溫州海區(qū)易受臺風(fēng)影響[6-8]，臺風(fēng)對含沙量變化也有較大影響[9]。航道建設(shè)前的數(shù)模計算表明，風(fēng)速大于20 m/s情況下3 d淤積厚度為0.06～0.13 m[7]。

圖1 航道研究段平面位置布局Fig.1 Location of study section

相關(guān)研究表明，臺風(fēng)對航道回淤會造成一定的影響[10]，影響程度與臺風(fēng)的風(fēng)力等級和路徑有關(guān)，通常情況下，臺風(fēng)風(fēng)力等級越高，掀起的淺灘泥沙越多，水體含沙量越大，故航道回淤越大[11-13]。樂清灣航道建成以來多次開展水深監(jiān)測，積累豐富實(shí)測數(shù)據(jù)。為了解臺風(fēng)對樂清灣進(jìn)港航道的淤積影響，服務(wù)于航道養(yǎng)護(hù)計劃的制訂與實(shí)施。收集了2013～2020年歷次航道水深監(jiān)測結(jié)果以及同期的臺風(fēng)強(qiáng)度與影響范圍相關(guān)資料，對樂清灣進(jìn)港航道研究段的淤積情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計。其中2013～2020年，開展了兩次維護(hù)性疏浚，歷時分別為2015年9月～11月、2019年10月～2020年4月，疏浚歷時段未予以淤積分析。

1.1 歷次水深監(jiān)測結(jié)果

2013年9月～2020年10月樂清灣進(jìn)港航道研究段共開展了24期水深監(jiān)測，所有數(shù)據(jù)均來自各期的水深監(jiān)測報告或成果圖紙。除2013年9月、2018年7月30日兩期為多波束掃測之外，其余均采用單波束水深測量，深度基準(zhǔn)面均為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗８鶕?jù)收集的數(shù)據(jù)與圖紙，采用南方CASS軟件以三角網(wǎng)DTM法或斷面法計算了航道槽內(nèi)的平均水深見表1。

表1 樂清灣進(jìn)港航道研究段歷次水深監(jiān)測平均水深Tab.1 Average water depth of previous times of the Yueqing Bay m

1.2 同期臺風(fēng)信息

為分析臺風(fēng)對航道淤積的影響，在“臺風(fēng)路徑實(shí)時發(fā)布系統(tǒng)(typhoon.zjwater.gov.cn)”網(wǎng)站上查詢了上述24期測量期間的所有臺風(fēng)信息。該系統(tǒng)所查詢的臺風(fēng)信息明確列出了7級半徑與10級半徑，以及臺風(fēng)中心的運(yùn)行軌跡，據(jù)此可以在地圖上直接確定研究的航道段距臺風(fēng)中心的距離，以及是否位于7級半徑或10級半徑。

經(jīng)統(tǒng)計，2013年至今7級半徑覆蓋樂清灣進(jìn)港航道研究段的臺風(fēng)共計12次，其中10級半徑覆蓋或接近該研究段的臺風(fēng)有6次，分別為“201323菲特”、“201509燦鴻”、“201808瑪莉亞”、“201909利奇馬”、“201918米娜”、“202004黑格比”。臺風(fēng)最近點(diǎn)距離航道研究段及風(fēng)圈半徑信息見表2。

表2 2013～2020年7級風(fēng)圈覆蓋樂清灣進(jìn)港航道研究段的主要臺風(fēng)信息列表Tab.2 List of main Typhoon Information in the study section covered by level 7 wind circle (2013～2020年)

2 臺風(fēng)對航道淤積的總體影響

以歷次平均水深及測量時間為依據(jù)，計算了各月份的平均淤積厚度如圖2。計算時，當(dāng)測量數(shù)據(jù)時間跨度超過1個月時，如期間未有臺風(fēng)，按月計算平均值；如期間有臺風(fēng)，非臺風(fēng)所在月份參考之前月份數(shù)值，階段累計淤積減去非臺風(fēng)月份的淤積當(dāng)作臺風(fēng)當(dāng)月的淤積。其中2015年8月～2015年12月、2019年10月～2020年4月為航道養(yǎng)護(hù)疏浚期，未進(jìn)行淤積計算。

圖2 月均淤積厚度柱狀圖(2013-10～2020-10)Fig.2 Histogram of monthly average sedimentation (2013-10～2020-10)

統(tǒng)計表明，根據(jù)目前臺風(fēng)7級半徑、10級半徑分類(其他風(fēng)級及細(xì)節(jié)特征因缺少詳細(xì)數(shù)據(jù)不予統(tǒng)計分析)，臺風(fēng)7級及以下風(fēng)圈半徑覆蓋情況下基本不會對該航道造成較大淤積，此類情況下，月平均淤積厚度最大0.07 m，平均約0.03～0.04 m，計算年均淤積厚度約0.36～0.48 m，這與同海域溫州深水航道泥沙模型研究表明的年淤強(qiáng)介于0.0～0.62 m/a[14]基本吻合。臺風(fēng)10級及以上風(fēng)圈半徑覆蓋情況下可能將造成航道在大風(fēng)期出現(xiàn)相對較大淤積，淤積厚度均超過0.1 m，明顯超過非臺風(fēng)影響下淤積厚度，其中利奇馬和黑格比影響最大，淤積厚度約0.4 m，同樣與溫州深水航道泥沙模型研究表明的“東向50 a一遇大浪作用3 d風(fēng)后的條件下，外海航段驟淤強(qiáng)度在0. 50 m以內(nèi)”[11]基本吻合。

3 “瑪莉亞”臺風(fēng)期航道淤積特點(diǎn)

3.1 臺風(fēng)期水深與底泥跟蹤監(jiān)測

“瑪莉亞”是近年來影響該航道區(qū)域較為典型的強(qiáng)臺風(fēng)之一?！艾斃騺啞庇?018年7月11日從福建連江登陸，嚴(yán)重影響到樂清灣進(jìn)港航道所在海域，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)力達(dá)14級。為了解本次臺風(fēng)對樂清灣航道的淤積影響，在臺風(fēng)后開展了3次水深跟蹤監(jiān)測及1次海底密度剖面測量(見表3)。

表3 臺風(fēng)“瑪莉亞”跟蹤監(jiān)測時間與內(nèi)容Tab.3 Monitoring time and content after typhoon Maria

臺風(fēng)后18 d的底泥密度剖面監(jiān)測點(diǎn)位位于航道中心線附近，共計7個站位，1#～7#站順航道中心線自西向東基本均勻分布于航道研究段。密度監(jiān)測采用音叉振動密度計。

3.2 跟蹤監(jiān)測結(jié)果

對臺風(fēng)“瑪莉亞”前后幾次的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均水深計算并繪制了過程曲線如圖3。臺風(fēng)后3 d平均水深相比前一期測量有較大幅度減小，平均水深僅11.65 m，相比2018年4月臺風(fēng)前淺了0.36 m，臺風(fēng)后14 d、18 d平均水深有所回升，分別為11.76 m、11.79 m。

圖3 臺風(fēng)“瑪莉亞”前后水深監(jiān)測平均水深過程曲線Fig.3 Curve of average water depth before and after typhoon Maria

根據(jù)各期水深監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制了航道區(qū)域數(shù)字地形模型DTM，并以各期DTM的差值為數(shù)據(jù)源，繪制了航道沖刷與淤積的演變圖進(jìn)行對比。相比臺風(fēng)前，臺風(fēng)后18 d時研究段東部區(qū)域呈現(xiàn)出沖刷態(tài)勢，沖刷幅度最大0.3～0.4 m，中部區(qū)域呈現(xiàn)出較大幅度的淤積，最大淤積厚度近1 m；而相比臺風(fēng)后14 d，臺風(fēng)后18 d時，除中部區(qū)域外出現(xiàn)一定的變深外，其余均呈現(xiàn)少量的變淺。結(jié)合后述的密度剖面空間分布特征，初步分析與泥沙沉積和密實(shí)有關(guān)。

監(jiān)測的密度剖面曲線表明底部泥水分界處水體密度約1 035 kg/m3，最大探測密度1 660 kg/m3，自泥面往下底泥明顯密度分界為1 440 kg/m3，統(tǒng)計了各站1 035～1 440 kg/m3、1 440～1 660 kg/m3區(qū)間的泥層厚度如圖4。

圖4 臺風(fēng)“瑪莉亞”后18 d泥層厚度Fig.4 Silt thickness 18 days after typhoon Maria

統(tǒng)計表明航道研究段密度1 035～1 440 kg/m3的泥層最大厚度為0.25 m，平均厚度為0.16 m；密度1 440～1 660 kg/m3的泥層最大厚度為0.55 m，平均厚度為0.27 m。探測泥層厚度均呈現(xiàn)東西兩端薄、中間厚特征，與臺風(fēng)前后水深監(jiān)測反映的兩端淤積較少、中部淤積大的空間分布特征總體趨勢一致，可初步判斷本次淤積的底泥為臺風(fēng)影響造成。

3.3 臺風(fēng)影響分析

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及相關(guān)圖表，可以分析得出臺風(fēng)“瑪莉亞”對樂清灣進(jìn)港航道的淤積影響如下：

(1)“瑪莉亞”臺風(fēng)前后的沖淤渲染圖表明，受臺風(fēng)影響航道總體呈淤積趨勢且沖淤的空間分布不均勻，呈現(xiàn)出外沖內(nèi)淤的空間分布態(tài)勢。臺風(fēng)后最外部區(qū)域出現(xiàn)局部沖刷，最大沖刷幅度近0.4 m；其余區(qū)域以淤積為主，最大淤積幅度近1 m；底泥密度監(jiān)測結(jié)果表明航道中部泥層較厚度，兩端較薄，這與沖淤空間分布基本一致。

(2)“瑪莉亞”臺風(fēng)登陸造成了研究段的總體淤積，水深由深變淺，但臺風(fēng)后航道底泥逐步密實(shí)，水深又出現(xiàn)了由淺變深的恢復(fù)過程，也說明此次臺風(fēng)致使航道區(qū)域海底產(chǎn)生了較大擾動。臺風(fēng)后半個月左右，密實(shí)沉積超過0.1 m，速度逐步變緩，趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1)樂清灣進(jìn)港航道非臺風(fēng)影響情況下正常淤積幅度不大，總體年淤積厚度為0.3～0.5 m。

(2)臺風(fēng)7級及以下風(fēng)圈半徑覆蓋情況下基本不會引起航道的短期較大淤積，不會加快航道的總體淤積速率；臺風(fēng)10級及以上風(fēng)圈半徑覆蓋時，海底擾動較大，會造成短時期的較大淤積，具體淤積數(shù)值與臺風(fēng)強(qiáng)度、路徑等因素有關(guān)。臺風(fēng)后隨著底泥的逐步密實(shí)，水深條件有所恢復(fù)。

(3)航道沖淤受“瑪莉亞”臺風(fēng)影響明顯，外側(cè)深水區(qū)域呈少量沖刷，內(nèi)側(cè)以淤積為主，平均淤積為0.1～0.2 m。

(4)臺風(fēng)屬于自然惡劣天氣，難以提前預(yù)計每年發(fā)生次數(shù)與臺風(fēng)強(qiáng)度，且每次臺風(fēng)情況也并非一致，因此航道養(yǎng)護(hù)日期在臺風(fēng)期過后，并且在浮泥沉積穩(wěn)定后。

(5)目前臺風(fēng)對航道的淤積影響僅限于對常規(guī)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，建議今后加強(qiáng)監(jiān)測，并可根據(jù)工程實(shí)際需要，開展大風(fēng)期的泥沙監(jiān)測與研究專題工作，以進(jìn)一步了解臺風(fēng)對航道淤積的影響機(jī)理與影響結(jié)果。