天津港航道懸移質(zhì)輸運(yùn)特征的觀測(cè)研究

高斌，周良明，苗慶生

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

泥沙淤積問(wèn)題曾經(jīng)是制約天津港發(fā)展的重要因素，但由于海河口建閘，港口規(guī)模擴(kuò)大、防波堤延伸、圍海造陸不斷減少無(wú)用水域面積和港口周邊環(huán)境改善等多項(xiàng)工程措施的實(shí)施，使天津港泥沙淤積的形態(tài)、部位、強(qiáng)度和淤積總量等都發(fā)生了根本變化，不斷地改善港口的發(fā)展環(huán)境。隨著港口治理泥沙回淤技術(shù)的發(fā)展，人工港在深水化建設(shè)上的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，為天津港躋身世界深水港行列奠定了基礎(chǔ)。因此，在當(dāng)前狀況下，有必要繼續(xù)觀測(cè)和研究天津港的泥沙輸運(yùn)以及造成的淤積情況，監(jiān)督和防范港口出現(xiàn)泥沙淤積，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 天津港的泥沙問(wèn)題

港口的淤積是泥沙在浪和流等動(dòng)力因素綜合作用下的結(jié)果。在天津港這樣的淤泥質(zhì)海岸，波浪主要起掀沙作用，掀起的泥沙又常形成浮泥，經(jīng)潮流的掀揚(yáng)作用，轉(zhuǎn)化成懸移質(zhì)，增加了隨潮進(jìn)入港區(qū)和航道的泥沙數(shù)量。另一方面，潮流是輸沙的主要?jiǎng)恿Γ诓ɡ溯^弱的海岸區(qū)，潮流挾帶泥沙進(jìn)入港區(qū)和航道后，由于動(dòng)力因素減弱，降低了挾沙能力，導(dǎo)致落淤。

1.1 泥沙來(lái)源

孫連成（2006）的研究表明，天津港的泥沙主要有以下幾個(gè)來(lái)源：一是海相來(lái)沙，本海區(qū)的水體含沙基本不受外來(lái)泥沙的影響，海相來(lái)沙很少。二是陸相來(lái)沙，本港區(qū)位于海河入海處，受其影響較大，但自海河建閘后，水沙基本蓄積在河道內(nèi)，因而下泄水沙量很小，近些年來(lái)基本無(wú)量下泄。三是疏浚拋泥的影響，但經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)八九十年代的治理，此項(xiàng)來(lái)源對(duì)港口和航道已基本無(wú)影響。最后是近岸淺灘掀沙，本港區(qū)附近存在大片的淺灘，向岸大風(fēng)浪是造成近岸泥沙懸移運(yùn)動(dòng)的主要因素。在泥沙搬運(yùn)淤積的過(guò)程，波浪起著掀揚(yáng)淺灘泥沙的作用，潮流主要是起著泥沙輸移作用，即所謂的“波浪掀沙、潮流輸沙”現(xiàn)象，這一部分是天津港泥沙的主要來(lái)源。本文的研究重點(diǎn)就在于潮流對(duì)近岸泥沙的輸運(yùn)作用。

1.2 港區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)形態(tài)

天津港海區(qū)岸灘的泥沙顆粒較細(xì)，其黏結(jié)力較強(qiáng)，由于本海區(qū)的潮流屬弱流區(qū)，所以大風(fēng)浪是造成本區(qū)灘面泥沙懸移的主要?jiǎng)恿σ蛩兀鴳疑吃诔两颠^(guò)程中由于所需的密結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，因此天津新港港區(qū)及航道泥沙隨潮流做懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，泥沙顆粒沉降速度緩慢，在底部還可形成可流動(dòng)的浮泥層（孫連成，2006）。

盡管開(kāi)展了大量的清淤減淤工作，天津港的淤積強(qiáng)度有所緩解，但是從天津港淤積的特點(diǎn)來(lái)看，一年中出現(xiàn)兩次淤積高峰，汛期和風(fēng)季；航道泊地在汛期和風(fēng)季經(jīng)常出現(xiàn)浮泥。因此，建立港區(qū)及航道泥沙輸運(yùn)長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)、尤其是高峰期的觀測(cè)，開(kāi)發(fā)港區(qū)泥沙輸運(yùn)和岸灘穩(wěn)定性的高精度預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)航道整治，調(diào)整泥沙淤積分布，保障港口安全具有重要意義。

1.3 研究背景

泥沙輸運(yùn)對(duì)于港口以及河流入海口海域有著至關(guān)重要的影響，多年來(lái)許多科研工作者致力于這一問(wèn)題的研究和探討。

在河流的入海口處，陸相來(lái)沙占主導(dǎo)地位。張瑞等（2008）用Hilbert-Huang 變換對(duì)長(zhǎng)江大通水文站近50年來(lái)的月均含沙量和輸沙量時(shí)間序列進(jìn)行分析，研究了長(zhǎng)江入河口區(qū)含沙量和輸沙量的變化規(guī)律以及它們?cè)陂L(zhǎng)江入河口區(qū)的演變特征。劉勇勝等（2005）采用水文學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合方法，對(duì)黃河入海水沙通量進(jìn)行分析，分別得出了水、沙通量的年代變化、年際變化、季節(jié)變化規(guī)律以及水、沙通量之間關(guān)系。

而對(duì)于沿海港口以及海灣，潮流輸沙則成為不可忽視的因素。孫連成等（2014）基于多年實(shí)測(cè)水文泥沙等資料，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、演變分析、物理模型和數(shù)學(xué)模型等多種手段，對(duì)天津港深水化及二港島建設(shè)水沙進(jìn)行了研究，文中指出該海域含沙量呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)。李朝新等（2004）依據(jù)在泉州灣進(jìn)行的兩次多站位水文泥沙觀測(cè)以及表層底質(zhì)、重力柱狀樣資料，對(duì)每站流速和懸浮泥沙含量進(jìn)行垂向算術(shù)平均后對(duì)其結(jié)果比對(duì)分析。趙沖久等（2003）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究了大風(fēng)（浪）過(guò)程中泥沙運(yùn)動(dòng)的變化過(guò)程，指出波浪較大時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)十分劇烈，水體含沙量急劇加大。

除此之外，如何運(yùn)用觀測(cè)資料對(duì)泥沙的輸運(yùn)進(jìn)行計(jì)算也是尤為重要的一環(huán)。倪晉仁（1990） 探討了關(guān)于懸移質(zhì)輸沙率計(jì)算模式，給出了有廣泛通用性的濃度分布及流速分布的一般表達(dá)式，但其方法有一定的局限性，僅適用于床面平整情形。黃才安等（1999）討論了流量法與面積法兩種垂線(xiàn)平均含沙量之間的關(guān)系，并給出了兩種方法的適用范圍，為水體含沙量的計(jì)算提供了有效的計(jì)算方法。

2 天津港航道懸移質(zhì)輸沙的觀測(cè)及計(jì)算

2.1 數(shù)據(jù)獲取

為全面獲取天津港航道泥沙含量分布及泥沙運(yùn)動(dòng)基本特征，沿航道設(shè)置4 個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)潮周期的連續(xù)站觀測(cè)，它們分別代表沿航道上4 個(gè)代表性的截面，站位設(shè)置如圖1 所示，C1 位于航道口門(mén)處，C4 則位于港池內(nèi)，中間設(shè)置C2 和C3 站，其中C2 站兩側(cè)有防波工事，觀測(cè)時(shí)間是2010年8月（豐水期） 以及11月（枯水期），垂向分表、0.2 h、0.6 h、0.8 h 和底6 個(gè)層次，觀測(cè)項(xiàng)目包括水深、流速和泥沙含量。

期間，同時(shí)對(duì)氣象及海況進(jìn)行觀測(cè)。其中，8月大潮期間，風(fēng)向以SE 向?yàn)橹鳎骄L(fēng)速2.6 m/s，海況1 級(jí)；8月小潮期間，風(fēng)向以SW 向?yàn)橹鳎骄L(fēng)速3.8 m/s，海況2 級(jí)；11月大潮期間，風(fēng)向以NWW 為主，平均風(fēng)速4.2 m/s，海況2 級(jí)；11月小潮期間，風(fēng)向以NWW 為主，平均風(fēng)速5.8 m/s，海況4 級(jí)。

2.2 觀測(cè)結(jié)果

2.2.1 海流

（1）11月大潮：如圖2 所示，C1 的垂向平均流速為30.3 cm/s，最大流速為60 cm/s；C2 的垂向平均流速為16.9 cm/s，最大流速為52.7 cm/s；C3 的垂向平均流速為14.1 cm/s，最大流速為51.8 cm/s；C4的垂向平均流速為15.5 cm/s，最大流速為49.3 cm/s。調(diào)查海域自外向內(nèi)流速逐漸減小，調(diào)查時(shí)段內(nèi)調(diào)查海域的平均流速為23.1 cm/s。

圖1 天津港海流和泥沙含量觀測(cè)站位分布

圖2 11月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（2）11月小潮：如圖3 所示，C1 的垂向平均流速為28 cm/s，最大流速為54 cm/s；C2 的垂向平均流速為21.3 cm/s，最大流速為44.4 cm/s；C3 的垂向平均流速為18.8 cm/s，最大流速為47.1 cm/s；C4的垂向平均流速為16.4 cm/s，最大流速為40.2 cm/s。調(diào)查海域自外向內(nèi)流速逐漸減小，調(diào)查時(shí)段內(nèi)調(diào)查海域的平均流速為23.6 cm/s。

圖3 11月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

圖4 8月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

圖5 8月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（3）8月大潮：如圖4 所示，C1 的垂向平均流速為29.7 cm/s，最大流速為75.9 cm/s；C2 的垂向平均流速為28.4 cm/s，最大流速為57.8 cm/s；C3 的垂向平均流速為21.1 cm/s，最大流速為49.8 cm/s；C4的垂向平均流速為19.2 cm/s，最大流速為53 cm/s。調(diào)查海域自外向內(nèi)流速逐漸減小，調(diào)查時(shí)段內(nèi)調(diào)查海域的平均流速為29 cm/s。

（4）8月小潮：如圖5 所示，C1 的垂向平均流速為28.7 cm/s，最大流速為67.4 cm/s；C2 的垂向平均流速為23.8 cm/s，最大流速為51.3 cm/s；C3 的垂向平均流速為22.9 cm/s，最大流速為44 cm/s；C4 的垂向平均流速為15.8 cm/s，最大流速為38 cm/s。

綜上所述，調(diào)查海域流速空間分布特點(diǎn)：水平空間內(nèi)，自C1 站（海）至C4 站（岸），流速逐漸減小；垂向空間內(nèi)最大流速絕大多數(shù)出現(xiàn)在表層調(diào)查時(shí)段內(nèi)調(diào)查海域的平均流速為26.4 cm/s。季節(jié)變化特點(diǎn)：8月流速較大，最大流速為75.9 cm/s，平均流速為27.7 cm/s；11月流速較小，最大流速為60 cm/s，平均流速為23.4 cm/s。

2.2.2 懸沙濃度

（1）極值分析。圖6 所示為天津港各時(shí)期、各站位的懸沙濃度，從時(shí)間上來(lái)看，8月大潮期間幾乎在各觀測(cè)點(diǎn)、各層次的懸沙濃度最大，最大可達(dá)91.8 mg/L，其次是8月小潮和11月小潮，而11月大潮期間相應(yīng)的懸沙濃度最小，基本在5.0～8.0 mg/L；從垂直空間上來(lái)看，各個(gè)時(shí)期底層的懸沙濃度最大，表層或次表層相應(yīng)濃度最小；

（2）特征值分析。為了弄清楚不同時(shí)期水平空間上的懸沙濃度分布，本文采用黃才安等（1999）的垂向平均法求出各站點(diǎn)不同時(shí)期的懸沙濃度，

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，垂向上分為6 層，為了離散化公式（1）中的積分，將相鄰兩層的懸沙濃度的平均值和它們之間的水體厚度代入公式可得

即

圖6 天津港11月和8月各站位隨時(shí)間變化的懸沙濃度（mg/L）

運(yùn)用上式可以計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期的垂向平均懸沙濃度，如表1 所示，可以看出絕大多數(shù)情況下，8月大潮垂向平均懸沙濃度最大，11月大潮最小，與極值分析結(jié)果相同；在水平空間上，C3和C4 站位的懸沙濃度較大，而離岸較遠(yuǎn)的C1 和C2 較小。

表1 天津港不同時(shí)期垂向平均懸沙濃度（g/mL）

通過(guò)上面的分析很容易發(fā)現(xiàn)，11月小潮期間的觀測(cè)結(jié)果不符合規(guī)律，原因在于天氣狀況，觀測(cè)期間風(fēng)浪大，此時(shí)水體的含沙量的主要因素變?yōu)轱L(fēng)浪掀沙，尤其是11月小潮C1 站的懸沙濃度變得異常大，此時(shí)水體的含沙量是懸沙和風(fēng)浪掀沙的合量。

2.3 天津港航道懸移質(zhì)輸沙率的計(jì)算方法

用于研究懸沙濃度垂線(xiàn)分布的理論有很多，如擴(kuò)散理論、能量理論、相似理論、混合理論和隨機(jī)理論等。這些理論雖然出發(fā)點(diǎn)各不相同，但是每種方法都有各自的特點(diǎn)，適用于不同狀況懸移質(zhì)的計(jì)算。

基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文采用的是海港水文規(guī)范中含沙量的計(jì)算方法，由于海流的流速是一個(gè)矢量，所以在進(jìn)行計(jì)算是先分別計(jì)算u 方向（正東方向?yàn)檎┖蛌 方向（正北方向?yàn)檎┑膽疑齿斏陈剩缓笤倮檬噶亢铣傻姆椒ǖ贸隹偟妮斏陈实拇笮『头较颍旅婢鸵評(píng) 方向?yàn)槔榻B一下輸沙率的計(jì)算方法，如式（3）所示，

同理可求得南北方向上的懸沙輸沙率qs，v，運(yùn)用矢量合成，最終可以得到某一截面上的懸沙輸沙率的大小

和方向（與正北方向夾角，單位為°）

得到的θ 是-90°～90°的值，可以根據(jù)qs，u和qs，v的符號(hào)進(jìn)行調(diào)整，確定最終流向（0°～360°之間）的數(shù)值。

2.4 計(jì)算結(jié)果及討論

運(yùn)用上面給出的計(jì)算方法和海洋調(diào)查獲取的海流及懸沙濃度資料，分別對(duì)天津港8月和11月的大小潮的凈輸沙進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表2 所示。

表2 8月和11月天津港各站點(diǎn)的輸沙率及方向

（1）從時(shí)間的變化上來(lái)看，8月大潮期間，4個(gè)站點(diǎn)輸沙方向均為東北方向，4 個(gè)站位單寬輸沙率為0.35～0.85 kg/s·m，C3 站較大，8月小潮期間，C1、C2、C3 站點(diǎn)輸沙方向?yàn)闁|北方向，C4 站位輸沙方向?yàn)槠鞅毕颉６搅饲锛荆?1月大潮期間，各站點(diǎn)輸沙率很小，C3 稍大為0.18 kg/s·m，方向?yàn)楸毕颍〕逼陂g，4 個(gè)站位輸沙率依然較小，輸運(yùn)方向也都是偏東方向。

調(diào)查海域調(diào)查期間的主要輸沙方向?yàn)闁|北向，其中8月輸沙率較大，大、小潮的平均單寬懸沙輸沙率為0.39 kg/s·m，11月輸沙量較小，大、小潮的平均單寬懸沙輸沙率為0.15 kg/s·m。

（2）從各個(gè)站點(diǎn)的情況來(lái)看，C3 站點(diǎn)在各個(gè)時(shí)期的輸沙率都比較大，各個(gè)季節(jié)基本都是偏東北方向，C1、C2 次之，方向也基本為東北方向，只有C1 和C4 點(diǎn)在秋季大潮時(shí)期出現(xiàn)了偏西方向也就是向港內(nèi)方向的泥沙輸運(yùn)。

假定C4 向C1 的方向即東向?yàn)檎较颍杀?計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)在該方向的泥沙輸運(yùn)，以獲得天津港航道上的泥沙輸運(yùn)的基本情況，結(jié)果如表2 所示。

由表2 可以看出，在觀測(cè)期間天津港絕大多數(shù)時(shí)間各個(gè)站點(diǎn)的泥沙輸運(yùn)都是東向的也就是離岸方向，只有少數(shù)情況下是向岸方向的，并且向岸的輸運(yùn)都非常小。就各個(gè)時(shí)間累積的總體來(lái)看，4 個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果都是離岸方向的，其中C3 站點(diǎn)的離岸趨勢(shì)最大，而距離岸邊最近的C4 點(diǎn)趨勢(shì)最小。

圖7 天津港不同時(shí)期懸移質(zhì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

表3 天津港4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的懸移質(zhì)輸沙率（kg/s·m）

3 小結(jié)

本文運(yùn)用天津港附近4 個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)海流及懸沙濃度數(shù)據(jù)對(duì)單寬懸移質(zhì)輸沙進(jìn)行了計(jì)算，初步獲得了港區(qū)附近懸移質(zhì)輸運(yùn)在空間和時(shí)間上的特征，8月（豐水期）較11月（枯水期）懸移質(zhì)的輸運(yùn)更強(qiáng)一些，C3 站的輸運(yùn)最大，離岸最近的C4 站輸運(yùn)最小，而且兩個(gè)月份的總體趨勢(shì)在各個(gè)站點(diǎn)都是離岸輸運(yùn)的。

當(dāng)然，本文計(jì)算的只是得到了港區(qū)及航道附近泥沙輸運(yùn)的一種主要方式——懸移質(zhì)的輸運(yùn)特征，不能代表全部的泥沙輸運(yùn)，如底部的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)等，今后的工作中一方面要繼續(xù)觀測(cè)本港區(qū)的懸移質(zhì)輸運(yùn)情況，以便獲得更多的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步分析、統(tǒng)計(jì)懸移質(zhì)的輸運(yùn)量和主要方向，另一方面也要加強(qiáng)對(duì)整體泥沙輸運(yùn)的研究，比如觀測(cè)方法的改進(jìn)、利用懸移質(zhì)輸運(yùn)計(jì)算整體泥沙輸運(yùn)的方法以及運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立泥沙輸運(yùn)的合理數(shù)值模型等等。

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