洋山深水港進港航道人工開挖段回淤特征

侯 慷，黃志揚，袁文昊，劉 璐

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

洋山進港航道位于杭州灣口外的崎嶇列島海域，屬于強潮動力下沖淤基本平衡的淤泥質海域[1]。陳沈良[2]和楊華等[3]總結分析了洋山海域的水文泥沙特征及底質沉積物分布，陳吉余等[4]研究發(fā)現(xiàn)了長江口泥沙通過南匯水下沙嘴泥沙通道向杭州灣輸移，萬新寧[5]和吳明陽等[6]認為洋山海域泥沙來源為長江口輸沙以及洋山近岸淺灘潮流、風浪掀沙，戚秀蓮等[7]根據(jù)洋山海域泥沙環(huán)境并結合1993年杭州灣深水航道試挖槽現(xiàn)場觀測資料及其研究成果判斷航道回淤形式主要為懸沙落淤，并通過浚后觀測到的挖槽淤積面較為平整印證了這一判斷。

一期工程進港航道于2005年12月開通，設計底高程為-16.5 m(當?shù)乩碚摶鶞拭妫峦?，通航寬度300 m，平均疏浚厚度約3 m，交工后監(jiān)測15個月得到實測回淤強度1.08 m/a。2008年為兼顧LNG船舶通航需求，進港航道拓寬至650 m，拓寬后疏浚量有所增加；2014年相關管理部門考慮到經(jīng)濟性將航道維護底高程調整為-16.0 m，但每年航道仍需要進行維護疏浚。為支撐今后的疏浚施工安排優(yōu)化，需要對尺度調整后的航道水深分布和回淤特征有清晰認識，本文基于2017—2019年期間的水深監(jiān)測數(shù)據(jù)對此開展了研究分析。

1 航道概況及水沙環(huán)境

1.1 航道概況

洋山港進港航道外起于馬跡山航線交點，內止于港區(qū)口門處，全長約65 km，通航寬度650 m，維護底高程-16.0 m，航道兩側邊坡比1:15，滿足10萬噸級集裝箱船和10萬噸級LNG船雙向全潮通行的需求，其中人工開挖段長度約11.2 km，位置見圖1。

圖1 工程位置

1.2 水沙環(huán)境

1.2.1潮汐、潮流

洋山海域呈現(xiàn)明顯的半日潮特征，存在潮汐日不等現(xiàn)象，平均漲潮歷時6 h 9 min，平均落潮歷時6 h 15 min，落潮歷時略大于漲潮歷時。航道內小衢山水文站平均潮位為2.45 m，平均潮差為2.67 m，向港內方向均逐漸增大。

本工程海域的潮波振動主要由太平洋潮波引起的諧振動形成，由外海沿NW～SE向近岸傳播。潮流類型屬規(guī)則半日淺海潮流性質，潮流運動呈典型的往復流形態(tài)，漲、落潮平均流向為114°～292°，與航道軸線方向基本一致，見圖2。潮流作用強勁，2018年6月實測資料顯示漲潮流速在0.85～1.92 m/s，平均為1.28 m/s；落潮流速在0.77～2.05 m/s，平均為1.33 m/s。總體表現(xiàn)為落潮流速大于漲潮流速。

圖2 2018年6月洋山進港航道大潮垂線平均流矢

1.2.2波浪

洋山港海域正常天的波浪以風浪為主，港區(qū)外部海域常浪向為N、NE和NNE向，頻率為8.98%、8.16%和8.01%，年平均H1/10波高為0.47 m。本海域大浪天氣主要由臺風與寒潮引起，臺風主要發(fā)生在夏秋季(集中于7—9月)，平均每年3.6次；寒潮大風出現(xiàn)在西北向，年內以12月和1月次數(shù)最多。

1.2.3泥沙

洋山港泥沙來源主要為長江口直接擴散泥沙和潮流攜來的海域泥沙，后者的最初來源亦為長江口。長江口水體夏季含沙量高、冬季含沙量低，但由于近岸流系尤其是沿岸流及臺灣暖流強度的季節(jié)性變化，長江口淡水的入海路徑呈季節(jié)性擺動，一般夏季呈偏E向、冬季呈偏SE向，因而進入崎嶇列島海域的擴散泥沙夏季較冬季少，故工程海域冬季含沙量高于夏季。根據(jù)小洋山站1998—2008年每日高、低潮時表層含沙量資料統(tǒng)計分析：含沙量年際變幅很小，但季節(jié)變化呈現(xiàn)明顯冬高夏低的現(xiàn)象(圖3)，每年冬季含沙量最高，在1.20 kg/m3以上，從3月春季開始含沙量逐漸降低，至7—8月降至最低0.40 kg/m3,而入秋后含沙量逐漸升高，至12月達到最高。

2018年6月進港航道水域實測含沙量平均值為0.52 kg/m3,漲、落潮含沙量相當，垂線含沙量自表層至底層逐層增大。

圖3 1998—2008年月平均含沙量變化曲線

1.2.4懸沙、底質

分析2018年6月在航道區(qū)域布置的3條測量斷面、4條固定垂線及21個底質采樣點表明：航道測區(qū)懸移質中值粒徑優(yōu)勢粒徑主要集中在0.004～0.016 mm級別，屬于細粉砂，各測點不同潮型間粒徑差異不大，由于顆粒較細、垂向交換頻繁，懸沙的垂向分布規(guī)律不明顯；底質中值粒徑主要集中在0.010～0.020 mm，以粉砂和砂質粉砂為主，樣品中黏粒含量在16%～29%。根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8]及相關研究表明[9-10]，洋山海域的底質普遍較細，黏粒含量較高，具有一定的淤泥質海岸特征，泥沙運動形式以懸移質運動為主。

2 監(jiān)測期間水深測量及極端天氣情況

2017—2019年，每年進行5～6次水深監(jiān)測，監(jiān)測時間間隔為1～2月，測量范圍覆蓋整個進港航道人工開挖段，測圖比例1:100 00，具體時間見表1。

表1 2017—2019年洋山進港航道水深監(jiān)測及航道維護情況

期間由于存在3次維護疏浚，為剔除疏浚開挖對航道地形的人為干預，對2017—2019年的水深監(jiān)測劃分了若干監(jiān)測期加以回淤統(tǒng)計分析。此外，每年的7—9月為臺風多發(fā)期，測量期間的臺風基本情況見表2，其7級風圈均覆蓋到洋山海域。

為避免常風天航道回淤特征和臺風天回淤特征的混淆，本文將臺風期間的航道回淤單獨作為一個監(jiān)測周期加以分析。據(jù)此，將2017年2月—2019年9月的監(jiān)測時段劃分為了6個監(jiān)測期(表1)。其中，第一、二、四監(jiān)測期主要反映了航道常風天回淤情況，第三、五、六監(jiān)測期主要反映了航道臺風期間(表2)回淤情況。

表2 洋山海域臺風信息

3 航道淺區(qū)情況分析

對人工航道疏浚段進行統(tǒng)計分區(qū)，從進港到出港方向依次將航道區(qū)域劃分為1 000 m×650 m的單元，并編號為H1～H11,其中H11單元長度為1 200 m。

2017—2019年3次疏浚前最后一次測圖水深平面分布見圖4，歷次水深沿程分布見圖5。進港航道人工開挖段水深不足16 m的淺區(qū)主要分布在H5～H9單元區(qū)域，故視H5～H9單元區(qū)域為常年疏浚區(qū)域。其中H7～H8單元水深最淺，平均水深在15.5～15.9 m，最小水深在15.0～15.4 m。

圖4 2017年5月進港航道人工開挖段浚前水深平面分布

圖5 進港航道人工開挖段浚前水深沿程分布

4 航道回淤統(tǒng)計分析

4.1 常風天航道回淤分析

根據(jù)地形測量時間，第一監(jiān)測期(2017年3—5月)和第四監(jiān)測期(2019年4—7月)處于春季和夏初階段，歷時較短。在此期間航道均呈現(xiàn)沖淤基本平衡、局部略有沖刷的態(tài)勢，整個開挖段區(qū)域平均沖刷深度分別為0.16、0.09 m，常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均沖刷深度分別為0.10、0.07 m。見圖6。

圖6 進港航道人工開挖段沖淤分布

第二監(jiān)測期(2017年9—2018年4月)為秋冬階段，歷時較長，約8個月。在此期間整個開挖段區(qū)域以淤積為主，平均淤積厚度0.31 m，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積厚度0.51 m。見圖7。

圖7 2017年9月—2018年4月進港航道人工開挖段沖淤分布

總體來看，進港航道人工開挖段在常風天期間呈現(xiàn)明顯的 “春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的季節(jié)變化規(guī)律，淤積區(qū)域主要出現(xiàn)在常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)，見圖8。根據(jù)2017—2019年實測資料統(tǒng)計分析，常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)常風天的回淤強度約為0.5 m/a，凈淤積量約為160萬m3/a。

注：縱坐標中，沖刷厚度為+，淤積厚度為-。

4.2 臺風天航道回淤分析

第三監(jiān)測期(2018年7—9月)，有3次9～10級“登陸型”臺風(安比、云雀、溫比亞臺風)正面(由海向陸)侵襲了洋山水域，在此期間，人工開挖段基本沖淤平衡，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積僅0.04 m，由此可見正面登陸的小型臺風對航道回淤影響很小。見圖9。

圖9 2018年7—9月進港航道人工開挖段沖淤分布

第五監(jiān)測期內(2019年7—8月)，有1次16級臺風“利奇馬”在洋山海域南部的浙江臺州登陸。在此期間，人工開挖段以沖淤平衡為主，局部地區(qū)出現(xiàn)淤積，淤積區(qū)域主要出現(xiàn)在H6～H8航槽單元內，淤積幅度在0.2～0.5 m。常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積厚度約0.17 m，淤積量約55萬m3。見圖10。

圖10 2019年7—8月進港航道人工開挖段沖淤分布

第六監(jiān)測期內(2019年8—9月)，16級臺風“玲玲”和12級臺風“塔巴”在洋山海域東側的外海先后經(jīng)過。在此期間，人工開挖段全線出現(xiàn)明顯淤積，平均淤積厚度為0.31 m，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)淤積更為明顯，平均淤積厚度約0.43 m，淤積量約140萬m3。見圖11。

圖11 2019年8—9月進港航道人工開挖段沖淤分布

總體來看，臺風對航道回淤會產(chǎn)生一定的影響，淤積程度與臺風的風力等級和路徑有關。一般來講臺風的風力等級越大，航道回淤越大。從觀測資料來看，10級風力以下對航道回淤影響相對較小，但2019年經(jīng)歷兩次較大風力等級的臺風后產(chǎn)生的淤積量可接近航道1 a的常風天回淤量；其次臺風移動路徑可能也會對航道回淤產(chǎn)生影響，第六監(jiān)測期經(jīng)歷過兩次外海型臺風(16級、12級)產(chǎn)生的淤積量(140萬m3)明顯大于第五監(jiān)測期經(jīng)歷過一次登陸型的臺風(16級)的淤積量(55萬m3)。見圖12。

圖12 進港航道人工開挖段臺風天各監(jiān)測期沿程回淤分布

5 航道回淤機理

5.1 回淤強度下降原因

根據(jù)大通站水文資料(圖13)顯示，長江口年輸沙量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，近年來年平均輸沙量僅有1.37億t。因長江口來沙為洋山海域主要泥沙來源，故洋山水體含沙量也隨之有所下降，這對航道水深維護、回淤強度的減小起到了積極作用。受之影響，洋山海域(港內人工作業(yè)影響水域除外)的海床由之前的淤積環(huán)境轉為沖刷環(huán)境(圖14)，特別是進港航道兩側的岸灘沖刷了1 m左右，同時由于航道維護底高程從-16.5 m降為-16.0 m，平均灘槽高差減小了將近一半，故目前航道的回淤強度比一期工程時明顯減小。

圖13 1951—2017年大通站年輸沙量變化過程

5.2 常風天季節(jié)變化及臺風天回淤原因

工程海域的泥沙運動以懸沙落淤為主，故水體背景含沙量是影響工程海域沖淤變化的主要因素。同時該工程海域水深和流急、本地泥沙的起懸和搬運及沉積均與潮流強弱有關[11-12]，故潮流強弱也是影響海床沖淤變化的重要因素。

在常風天，進港航道人工開挖段呈現(xiàn)“春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的明顯的季節(jié)變化規(guī)律，且此變化與水體背景含沙量的季節(jié)變化基本一致。春夏季期間，水體平均含沙量逐月下降，航道呈現(xiàn)沖淤平衡甚至微沖態(tài)勢；秋冬季期間，水體平均含沙量逐月上升，航道呈現(xiàn)淤積態(tài)勢。

在臺風天，以往的研究認為由于風浪較大可能產(chǎn)生浮泥，但在強潮流作用下，產(chǎn)生的浮泥容易被潮流帶走，因此不會發(fā)生航道驟淤現(xiàn)象。本監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，臺風對航道回淤會造成一定的影響，影響程度與臺風的風力等級和路徑有關。通常情況下，臺風風力等級越高，掀起的淺灘泥沙越多，水體含沙量越大，故航道回淤越大，虞志英等[13]在連云港地區(qū)回淤研究中發(fā)現(xiàn)水體含沙量的分布與風速成較好的正線性關系。目前已有的關于航道回淤與臺風路徑的研究較少，顧偉浩[14]基于長江口北槽挖槽段回淤觀測研究發(fā)現(xiàn)，轉折型臺風比登陸型臺風造成的回淤影響更大。但由于缺乏臺風過程中的潮流、水沙觀測數(shù)據(jù)，目前還無法確定臺風路徑對航道回淤影響的機理，有待進一步的研究加以揭示。

6 結論

1)近10 a來洋山海域總體沖刷，航道區(qū)域灘槽高差減小、回淤強度減弱，但大風過程引起的風浪掀沙導致航道回淤的可能性依然存在。

2)進港航道人工開挖段工程附近海域水深特征呈現(xiàn)中段淺、兩端深的馬鞍形分布,其中航道中段長4～5 km的淺區(qū)H5～H9單元為常年疏浚區(qū)，淺區(qū)寬度可覆蓋整個航道。

3)進港航道人工開挖段常風天回淤呈現(xiàn)“春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的季節(jié)變化規(guī)律，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)的年回淤強度約為0.5 m/a，凈淤積量約為160萬m3/a。

4)臺風對進港航道人工開挖段的回淤會造成一定的影響，影響程度與臺風的風力等級和路徑有關。