黃驊港煤炭港區5萬噸級航道淤積及日常維護量分析

孫治林

(神華黃驊港務有限責任公司， 黃驊 061100)

黃驊港5萬噸級航道是神華煤炭航運輸線上的咽喉要道，自建成至今一直存在著較為嚴重的淤積問題，另外，黃驊港煤炭港區航道回淤的最大特點是驟淤量占全年回淤量的大部分，遇罕見大風，甚至占年回淤量的絕大部分。因此，為了增強航道抗驟淤能力，保證航道通航要求，在大量研究的基礎上[1-3]，黃驊港開展了整治工程，淤積環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，如不及時對其進行疏浚，將對航道的通航以及港區的正常運營產生較大的影響，因此，為了保證船舶航行安全以及維護疏浚工程合理、高效的進行，本文通過實測淤積資料、疏浚資料和數學模型研究平均年動力條件下黃驊港煤炭港區航道淤積沿程分布，并分析一年中不同月份疏浚維護量的分布，以期為港口的安全生產和疏浚安排提供參考和依據。

1 黃驊港海域大風能量

1.1 大風能量的確定

黃驊海域泥沙運移形式主要是“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，風對水體輸入的能量是由風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為風在水面處的剪切力；u為風引起的水體運動；t為大風歷時。

風對水面的剪切力τw可由下式計算

τw=ρafww2

(2)

式中：ρa為空氣密度；fw為風摩阻系數；w為風速。

風引起的水體速度u可由下式計算

u=αvw

(3)

式中：αv為系數，根據已有試驗觀測資料，其值為0.02～0.03。

將式(2)和式(3)代入式(1)得

Ew=αvfwρaw3t

(4)

考慮到風速和歷時是不斷變化的，因此，一場大風過程中風對水體輸入的能量應為

Ew=αvfwρaΣw3t

(5)

由于泥沙運移存在閥值，只有水體運動超過此閥值，泥沙才有可能發生運移，并對航道形成淤積。根據現場觀測，只有當風速達到6級以上，且歷時達到2 h后，航道才發生明顯淤積，因此，造成航道淤積的風能僅考慮6級以上大風，其有效風能可由下式表示

(6)

式中：w6、w7、w8、w9分別為6級、7級、8級、9級風速；t6、t7、t8、t9、t0分別為足標對應風級的風時；t0為臨界歷時，可取t0=2 h。

需要注意的是，上述有效風能的計算沒有考慮到“風向”對淤積的影響。黃驊港明顯淤積過程多為E—NE向大風造成的，對于其他方向，如NW向大風，即便有較大風能量，由于地形和水深的影響，給航道造成的淤積量很小。因此在實際使用時還必須結合當地的實際情況，按風向對影響淤積的有效風能進行修正，這個修正關系是個十分復雜的系統，需根據水深、有效風區長度等綜合確定，目前尚無理論研究，但根據長期以來對黃驊港海域大風淤積的分析，對于黃驊港海區而言，E、ENE、NE、NNE和N向大風風向修正系數近似為1.2、1.0、1.0、0.8、0.5。

1.2 近20 a大風能量水平分析

從黃驊港南側防波堤-5 m水深處觀測站的統計資料來看，近年來黃驊港海域除個別年份外全年大風次數均在20次以上，近16 a的平均次數為26次。2004年為大風次數最多的一年，全年大風次數為40次，而2014年是近5 a內大風次數最少的一年。

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

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

1.3 近20年大風能量月分布情況

對1998年至2017年期間黃驊港海區的大風資料進行了分析，黃驊港海區全年發生6級以上大風的次數在26次左右，且大風多發生在春秋季節，即3～5月和9～11月期間。從大風能量分布上(如圖2)看上半年4月份能量最強，下半年11月份能量最強；春、秋季節大風能量分別占全年總能量的44.5%和30.5%，兩個季節的能量總和占全年能量總和的75.0%。大風發生概率最小的季節為夏季，即6～8月份，從統計結果可以看到，這個季節的大風能量只占全年總能量的9.5%。冬季大風能量占全年總能量的15.5%。

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

2 黃驊港煤炭港區航道淤積實測情況

2.1 實測淤積情況

根據黃驊港港務公司航道部提供的航道水深圖和疏浚日報表統計、計算了近年來黃驊港煤炭港區航道的淤積情況：

(1)2014年黃驊港海區共發生6級以上大風20次，其中N—NE向大風次數為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6級以上大風過程共32次，7級以上強風過程14次，8級以上強風過程3次：黃驊港全航道段年淤積量為2 341萬m3，淤積較重區段為W8+0～W27+0段，全年累計淤強均超過了2.0 m，全航道最大淤強出現在航道W14+0處，全年累計淤強為3.65 m。

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

(4)2017年黃驊港海區共發生6級以上大風過程共21次，其中7級大風過程7次，8級大風過程2次，在近5 a的大風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，全年平均淤強為1.34 m，其中淤積較重區段為W11+0～W28+0段，全航道最大淤強出現在航道W13+0處，全年累計淤強為3.78 m。

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

2.2 淤積特征分析

(1)全年大風能量與年淤積量相對應。

大風是黃驊港煤炭港區航道發生驟淤的主要誘因，研究表明大風所產生的能量與航道淤積量呈一定的正比關系，一般情況下大風大淤、小風小淤、狂風驟淤，一定程度上風能量決定淤積量；除風能之外，風向對淤積有影響，一般偏E向大風作用淤積最強；因此每一年的大風水平和大風特點基本可以反映該年的航道淤積情況。

(2)掩護段以外淤積較重。

黃驊港大風淤積強度分布主要呈現的特點是掩護段以外的淤積量明顯大于掩護段以內，強淤積段分布在口門附近，淤積重心隨著不同風向的作用略有變化，偏E向風作用比N向風作用時淤積重心更偏向內航道。

(3)從大風淤積月際分布規律來看，春、秋兩季是黃驊港煤炭港區航道防范大風淤積的重點時段。

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

②從淤積量上來看，春節淤積量應在500萬m3左右，平均淤強在0.4～0.5 m左右，秋季淤積量在1 000 m3左右，平均淤強在0.8～1.2 m左右，最大淤強發生的位置均在口門外W14+0～W24+0附近。

表1 黃驊港煤炭港區航道大風季節淤積情況統計Tab.1 Statistics on sedimentation of waterway in Coal Port of Huanghua during the strong wind season

3 黃驊港煤炭港區航道淤積預測情況

由于黃驊港煤炭港區航道近幾年一直處于建設和疏浚維護當中，且每年的大風情況也存在著一定的差別，利用實測資料很難準確的預測航道的年淤積量和大風驟淤量，因此，采用數值計算的方法對航道的年淤積和大風驟淤情況進行了計算。

3.1 淤積公式的建立

考慮航道淤積由風浪掀沙所造成。風是航道淤積的關鍵源頭因素，風況測取和收集也比較容易。

設泥沙運動的能量來自波浪，波浪的能量來自風，則

Es=αswEw

(7)

式中：Es、Ew分別為泥沙運動和風的能量；αsw為風對泥沙運動的能量傳遞系數。

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

Es=αsEs1

(8)

式中：Es1為懸移質的能量；αs為泥沙運移型態能量比例系數。

風浪過程中，懸移質克服各種阻力懸揚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為懸浮時間；αs1為系數。

航道淤積應由懸移質、底部高濃度含沙水體和推移質淤積組成，懸移質淤強比較容易計算，同樣可將各類運移型態泥沙淤強轉換成一定比例，其淤積強度可表示為

Ps=αpPs1

(10)

根據已有研究，懸移質淤積[6-8]可由下式計算

(11)

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

(12)

(13)

全航道淤積可利用上式分段計算累積而得

(14)

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

一場大風淤積過程包括大風直接作用于水體的有效風能引起的淤積和大風過后由于波浪衰減、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)中淤積和有效風能直接相關，其中各系數可通過實測資料率定，不同港口率定后的系數不同。本文以黃驊港2004～2007年發生的數次大風淤積為依據，利用這些大風淤積的實測資料對公式進行了率定。

3.2 年平均淤積預測

在航道年平均淤積預測前，首先要確定一個平均年的動力條件，這個條件確定的準確與否直接影響預測結果。在平均年的確定當中，主要是根據近20 a的大風資料統計而得的歷年大風次數和大風總能量的累積分布情況，從年際間的風能與大風次數的變化趨勢進行分析，將年大風次數接近20 a來的平均次數、年累積風能接近18 a來的平均水平的年份定義為平均大風年份。同時，還考慮風向的影響，最終選擇以累計能量相當于平均年份，且主風向為東到東北向作為平均年份的代表動力條件。

選擇接近平均年風能的動力條件組合后，分別根據前面建立的淤積公式和數學模型計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。

由于互聯網金融的飛速發展，傳統的監管手段已經很難再滿足現時的需要。監管隊伍中部分監管人員沒有接觸過互聯網金融，對于互聯網金融散戶多和流動性強等特點不熟悉，對于互聯網金融所存在的新型風險缺乏足夠認識。除此之外，對于互聯網金融的監管還需要較為扎實的計算機技術知識和較為熟練的計算機操作，這更加大了對于互聯網金融監管的要求。

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 大風驟淤預測

根據已掌握的現場資料[9]并結合最新的工程條件，利用已建公式計算了黃驊港煤炭港區航道重現期為10 a和15 a一遇大風驟淤情況，計算結果如下：

(1)10 a一遇：航道內總淤積量為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1.9 m，位于W14+500。

4 航道疏浚量分布規律

4.1 月疏浚強度情況

對一年中不同月份疏浚量進行比較分析也可以反映出黃驊港煤炭港區航道在時間上的維護規律，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性疏浚，因此這兩年的資料對于日常疏浚維護有代表性。

從2007年航道疏浚量月度比例分布圖來看：疏浚維護強度全年有兩個峰值，一個是在3月份，一個是在6、7兩個月份。分析認為3月份的峰值是集中清理前一個冬季(冰期)的淤積，而6、7月份的峰值是清理4月份強風后的淤積，由此可見“冰期后”和“強風季節后”需要比較強的疏浚力量。

再從2010年的航道疏浚量月度比例分布圖來看：疏浚維護強度全年仍有兩個峰值，一個是在5月份，一個是在10月份。分析認為5月份峰值是集中清理4月風強風后的淤積，10月風峰值是集中清理10月份強風后的淤積。進一步表明了凡是“強風季節后”均需要較強的疏浚力量，在“冰期后”和“強風季節后”配備足夠的疏浚力量在日常維護中是十分重要的。

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行了疏浚量沿程分布的統計分析(如圖4)，疏浚強度最大段位于W9+0到W22+0段，其次是掩護段內，再次從W22+0向外呈現逐漸減少趨勢，這個分布規律與淤積分布規律是對應的。從疏浚維護角度而言，在個別區段施以全時段的重點維護是十分必要的。

歷年來疏浚強度的分布規律也恰恰印證了淤積強度分布規律的準確性，但與預測的平均年份的淤積分布也略有差異，主要表現在掩護段實際維護數量要比預測結果偏大。原因是由于掩護段以內主要是低密度回淤土，且有大量浮泥；而預測結果是以統一密度表示，掩護段內的方量可理解為低密度土密實后的體積；因此兩者存在差異。但根據目前的疏浚船的計量方式，給與掩護段內足夠的疏浚比例也是合理的。

5 平均年航道維護量建議

圖5 逐月最小維護準備量分布Fig.5 Distribution of minimum maintenance per month

綜合本文分析的大風的季節分布差異、歷年疏浚強度月際差異、實測和預測的淤積沿程分布以及歷年疏浚量沿程分布的結果，并考慮到預留一定的安全性，對平均年航道維護量的時間和空間分布進行了估算。

依據風能的月際分布和5萬t航道的平均年淤積的預測結果，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“日常最小維護準備量”(如圖5)，該準備量全年共計1 774萬m3，疏浚重點時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 建議日常維護準備量分布Fig.6 Distribution of recommended maintenance per month

另外，依據風能的月際分布、近年來疏浚量的實際分布規律同時參考了近年來的實測淤積分布，并考慮到風季驟淤可能礙航，建議大風季節之前預留維護量，預留一定的備淤深度，將維護量最大月份提前一個月，這樣既可以保證疏浚力量配備的合理性，也可以降低大風驟淤礙航的風險，為此綜合給出了“建議維護準備量”(如圖6)，從建議維護準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，全年總維護量約2 800萬m3。

6 結論

本文利用實測淤積資料、疏浚資料和數學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量的分布，得到以下結論：

(1)黃驊港海區全年6級以上大風年均23次，多發于春秋季節。大風能量上，兩個季節能量總和占全年能量總和的73.9%。春、秋季是疏浚維護的重點季節。

(2)黃驊港煤炭港區航道年累計淤積分布最重段位于口門附近，各年最大累計淤積厚度3～6 m之間不等。近年來內、外航道淤積總量分配比例約呈3：7。大部分驟淤由E—NE向大風造成，且各向大風造成的淤積分布有差異。強淤積段分布在口門附近，淤積重心隨著不同風向的作用略有變化，偏E向風作用比N向風作用時淤積重心更偏向內航道。

(3)在“冰期后”和“強風季節后”需要配備較強的疏浚力量，重點維護段為W9+0到W22+0段，其次是掩護段內，從W22+0向外維護量呈現逐漸減少趨勢。

(4)根據大風能量分布、疏浚強度月際差異、實測和預測淤積量沿程分布等結果，并考慮到預留一定的空間，對平均年航道維護量的時間和空間分布進行了估算，得出平均年標準維護準備量1 800萬方左右，建議維護準備量2 800萬方左右。