黄骅港航道整治与发展前景

曹祖德，侯志强，张书庄

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

黄骅港位于渤海湾西南隅、大口河河口外北侧，在广阔淤泥粉沙质海滩上，由双堤环抱而成。

粉沙质海岸是介于淤泥质海岸和沙质海岸之间的一种特殊类型海岸，床沙活动性大，在粉沙质海岸上建港，航道极易淤积，因此以往人们对粉沙质海岸建港常怀有戒心。成为影响港口发展的瓶颈。

1997 年神华黄骅煤港兴建，开始航道为3.5 万t 级，后提高至5 万t 级，但由于整治工程不到位，淤积严重，航道水深始终未能达标。2003 年10 月11～13 日，渤海湾遭受45 a 一遇的寒潮大风袭击，黄骅港航道发生灾难性的骤淤，导致港口断航停运、损失惨重，引起人们对粉沙质海岸能否建港的疑虑和畏惧。

2004 年开始，黄骅港煤港区采用延堤疏浚同时并举的积极整治方针，取得了明显的防沙减淤效益，港区进入正常运转和发展状态。

2007 年，黄骅港综合港区、散货港区根据煤港区航道整治的成功经验，开辟新港区，建设10 万t 级航道，同样取得良好的防沙减淤效益。

2011 年，黄骅港各港区相继提出发展港口航道的更高要求，综合港、散货港区计划将航道扩建成20 万t级，煤港区则计划将现航道拓宽为双向航道。

本文将在总结黄骅港航道整治经验的基础上，分析各港区扩建航道的可行性和合理性，揭示粉沙质海岸建港的潜在优势，展望粉沙质建设深水大港的美好前景。

我国有许多粉沙海岸和粉沙质港口，如庄河港、唐山港、滨州港、潍坊港、东营港、滨海港、洋口港、吕四港、苍南港等，本文不仅对黄骅港建设与发展有重要指导意义，对其他粉沙质海港也有一定的参考价值。

1 粉沙质海岸泥沙运动和航道淤积

（1）粉沙质海岸的界定。岸滩泥沙平均中值粒径在0.031～0.125 mm［1］，粘土含量小于25%，泥沙粒径分选系数为中等的海岸称为粉沙质海岸。

（2）粉沙质海岸的泥沙运动。粉沙质海岸泥沙的基本水力特性是起动流速小，沉降速度大（与淤泥相比），沉积密实快，在周期性往复流及波浪作用下，流速遍历泥沙各特征临界流速值（包括起动流速、悬扬流速、止悬流速、止动流速），因而出现复杂的泥沙运移形态［2-4］，有悬移质、推移质和底部高浓度含沙水体。其中底部高浓度含沙水体就其流动特性来说，是上部悬移质在底部的延伸，应属于悬移质，但对航道淤积而言，其又与推移质相近，这种泥沙对航道淤积影响很大，为了与悬移质和推移质相一致，又便于计算和应用，本文约定将底部高浓度含沙水体命名为底移质。根据黄骅港现场观测，底移质高度约为1 m 左右，含沙量可高达25 kg/m3，它对航道骤淤有重大影响。在粉沙质航道淤积计算中，则采用三层模式分别考虑［5］。

（3）粉沙质航道淤积特点。

①淤积严重。淤泥质海岸上，由于粘土的作用，泥沙运动以悬移质为主推移质很少；沙质海岸上，因泥沙悬扬流速较大，悬扬时段较短，泥沙运动以推移质为主，悬移质不发达。粉沙质海岸上，泥沙运动较复杂，既有悬移质，还有推移质和底移质，因此，同样尺度的航道在相同工况的海洋动力作用下，粉沙质航道的淤积量要比淤泥质和沙质航道的淤积量大，在大风骤淤时，尤为明显。

②大风骤淤与有效风能有密切关系。粉沙质海域在平时无风和微风时，水体清澈，航道基本不淤，一有风浪，则水体浑浊，航道发生淤积，小风小淤，大风大淤，狂风骤淤，航道淤积与有效风能有关。

有效风能是指能形成航道淤积的风能量，根据现场观测，黄骅港海区引起泥沙悬扬并形成航道淤积的最小风级是6 级；因此一场大风过程形成大风骤淤的有效风能可用下式表示

式中：Εw为形成大风骤淤有效风能；ρa为空气密度；f 为系数；wi为风速（i=6、7、8、9）；ti为历时（i=6、7、8、9）；t0为阀值，现场实测为2 h。

大风的发生是随机的，黄骅港利用当地连续20 a 以上风资料，得出大风有效风能的累积概率分布符合皮Ⅱ曲线，并由此建立不同重现期大风与航道淤积的关系［5］。

③航道淤积沿程分布不均匀。广阔岸滩上，在沿岸输沙不强的情况下，如果航道淤积主要是由边滩上波浪掀沙，潮流输沙，边滩泥沙进入航道所形成，黄骅港航道淤积就是这种情况，则在波浪破碎带内，为航道强淤区，如建防波堤将破波区航道掩护，则防波堤口门处航道段为高淤积区，其淤积分布情况如图1所示。

④航道新淤土密实板结很快，极易形成铁板沙，影响疏浚效率，必须及时清除。

2 黄骅港建设历程

神华黄骅煤港始建于1997 年，根据天津港模式，港区由双堤环抱而成，堤头口门位于-2.5 m 水深处，开始开挖航道的目标是3.5 万t 级，由于防波堤太短，未能伸出破波区，因此航道随挖随淤，大风骤淤，航道水深始终不能达标。2003 年10 月11～13 日，45 a 一遇的一场寒潮大风袭击渤海湾，黄骅港航道发生了灾难性的骤淤，口门航道高淤区淤回至原地面，淤厚达3.6 m，港口断航停运，损失惨重。

2004 年5 月，在总结失败教训的基础上，深入开展二期整治工程，采用延长防波堤和加强疏浚工作同时并举的积极整治方针，以防御10 a 一遇的大风骤淤为主要整治标准。主要工程项目有：两条防波堤各延伸10.5 km 至-5.5 m 水深处；一条5 万t 级航道的开挖；以及口门航道段的局部增深与拓宽，来改善口门流态和减小口门横流。

2005 年9 月，防波堤建成，淤积环境大为改善，减淤效果明显，主要表现在以下方面：

（1）航道水深逐年稳定增加，改变以往随挖随淤、大风骤淤现象；

（2）大风骤淤碍航现象消除，自2006 年至2011 年虽发生10 a 一遇甚至15 a 一遇的大风，但均未发生航道水深淤浅而断航；

（3）口门流态改善，横流减轻，口门航运安全得到保障；

（4）新淤积土及时清除，航道可挖性提高，疏浚效率大为提高。

在黄骅港煤港区航道整治成功的基础上，2007 年紧邻煤港区北侧又开发了黄骅港综合港区，该港区仍采用双堤环抱，整治标准仍以防御10 a 一遇大风骤淤为主，双堤平行延伸至-5.5 m 水深处，航道等级为10 万t级，水深为-14.5 m，底宽210 m，长44 km，煤港区航道与综合港区航道平行，航道轴线相距3.6 km。2009 年综合港区基本建成，投入使用，航道使用正常，防波堤防沙减淤效果良好，其中值得注意的是：两条航道有相互掩护减淤效应，上风航道对下风航道有一定减淤作用，偏东风时，煤港区航道对综合港区航道有一定减淤作用，偏北风时综合港区航道对煤港区航道有一定减淤作用。

3 黄骅港航道整治经验

总结黄骅港航道整治经验有以下几点：

（1）首先必须掌握工程海区的基本自然条件，包括：海岸类型、海洋动力特征、泥沙运动特征、航道淤积原因及航道淤积特点。这是港口建设和航道整治的基石和依据。

（2）粉沙质航道整治应采用堤防工程和疏浚工程同时并举的方针，两手同时抓两手都要硬。在粉沙质航道整治中，疏浚既是清除维护土方、保证通航道水深的主要手段，也是开挖航道及时清除新淤土、增深拓宽、防沙减淤的重要整治手段，黄骅煤港早认识到这一点，在建港开始就自备了一条大型现代化耙吸式挖泥船，在航道整治中发挥了积极作用。

（3）要确定合适的整治标准，粉沙质航道整治目标主要是大风骤淤，这与大风重现期有关。黄骅港航道的整治标准为：重现期为10 a 的大风作用下仍能保证设计船型可自由通航。经多年实践证明，该标准对黄骅港是合适的。

（4）建设有效的防沙减淤堤防工程，防波堤是最常用的工程，有防波防沙功能。在修建防波堤前，必先仔细研究航道淤积的原因和泥沙运动情况，对于有沿岸输沙和沿堤流的情况，还须增加挑流丁坝或翼坝等附加构筑物，在黄骅港工程区，沿岸流和沿堤流均不发育，造成航道淤积的原因是波浪掀沙、潮流输沙、边滩局部泥沙再搬运所形成，因此，在航道两侧边滩修建防波堤就可以了。防波堤的主要尺度如下：

①防波堤长度。这是决定防淤效果和影响投资的最重要尺度，根据减淤要求，防波堤必须从岸边起向外海延伸，伸出波浪破碎区，堤头具体位置则应根据整治标准来定。黄骅港研究，整治标准为25 a 一遇时，堤长要延伸到-8 m 水深处，整治标准为15 a 一遇时，堤长应延伸至-7 m 水深处，整治标准为10 a 一遇时，堤长应延伸至-6 m 水深处。经综合经济分析黄骅港采用10 a 一遇整治标准，堤头延伸至-5.5 m 水深处，减淤效果良好。

②防波堤顶高度，在波浪破碎区内，必须采用出水堤，才有良好的减淤效果，至堤头时，为了改善口门流态，堤头高程为-1 m，在堤头段2.5 km 长度内堤顶从出水高程降至堤头高程，堤顶纵坡约为2‰～2.5‰。

③双堤间距，由于堤身很长，双堤内水域狭长，从航运安全和波浪传播考虑，双堤间距应大一些，但从泥沙淤积考虑，堤间距应小，经综合考虑堤间距宜在1～6 km。

④双堤平面布置。从航行安全、消浪、减淤、减小沿堤流和港口发展等多种因素考虑，双堤内设置缓冲区，布置成葫芦形是十分必要的，最宽处为6 km，最窄处为1 km，口门在-5.5 m 水深处，防波堤平面布置如图2所示。

（5）疏浚整治、拓宽增深，在粉沙质航道整治中，疏浚是重要整治手段。防波堤工程只能对该堤掩护的航道段起到防沙减淤作用，但对新淤土的快速密实板结和双堤口门外新增的高淤积和驼峰淤积体却无能为力，疏浚工程可起到一定作用。黄骅港煤港区从二期整治工程开始就十分重视疏浚工程，在整治和维护整个过程中，积极组织疏浚力量，及时清除新淤土，对大风骤淤后的高淤积区的新淤土清除，尤为重视，保证了疏浚的高效快速运转。对于口门外高淤积区，则采用局部拓宽、加深，在口门9～12 km 段内，将航道从140 m 拓宽至210 m，水深从-11.5 m 增深至-14.5 m，备淤深度超过整治标准中预估的最大淤积厚度，保证航道在整治标准的大风骤淤后的通航水深。

由此可知，在粉沙质航道中，防波堤和疏浚是同样重要的两种整治手段，各有优势，互相补充，才能保证航道的安全航行。

4 评价黄骅港航道扩建效益

2011 年黄骅港各港区相继提出港口发展和航道扩建的要求，综合港提出将现有航道从10 万t 级提高到20 万t 级，水深从-14.5 m 浚深至-18.0 m，底宽从210 m 拓宽至250 m，煤港区则将现有单向航道拓宽为双向航道，底宽从235 m 拓宽至270 m。

粉沙质海岸泥沙运移形态虽然很复杂，但从航道淤积来分类，主要是两类，一类是悬沙淤积，悬移质越过航道时因流速降低而形成的落淤；另一类是底沙淤积，底移质和推移质遇到航道后的淤积。今应用三层模式理论计算边滩水深为-6 m 时不同航道等级（即不同水深和不同底宽）时的淤积情况，计算结果见图3，为了比较方便起见，图3 中的淤强和淤积量均以3.5 万t 级的淤强和淤积量为比较单位1 的相对值。

今利用图3 结果来评价和分析黄骅港航道扩建的技术可行性和经济合理性。

（1）技术可行性。从图3-b 可知，悬沙淤强△s随航道等级提高，水深增大而增大，开始时增速很快，至10万t 级后增加很慢，底沙淤强△b则随航道等级提高、底宽加快而减小，合成淤强△o=△s+△b随航道等级提高而减小，开始时减小很慢，至10 万t 经后，航道淤强减小速度才较明显，从10 万t 级提高至20 万t 级后，淤强将减少7%，由此可知航道等级的提高对于减小大风骤淤是有利的。

表1 承受系数η 分类表Tab.1 Classification of bearing coefficient η

今利用图3 和负担系数η 来分析黄骅港航道扩建的经济合理性。

黄骅港综合港区当航道为10 万t 级时，预计值为0.2～0.3，属于重负担，航道扩建成20 万t 级预计年淤积量为1 850 万m3，年吞吐量为15 700 万t，η=0.11，虽然仍为重负担范围，但已接近下限，如经进一步整治，据科研单位研究［6］，采用潜堤减淤，潜堤延伸至-7 m 水深处，淤积可减小至1 500 万m3，由此得η=0.095,达到轻负担水平，有良好经济效益。

现进一步分析煤港区航道扩建效果，目前煤港区航道底标高达-14.0～14.5 m，底宽235 m，实际上已达到10 万t 级航道，多年实践证明，该航道在10 a 一遇大风甚至15 a 一遇大风袭击下，大风骤淤后的航道仍可保证国内各种船型煤船自由进出，港口经营效益良好。扩建成双航道，底宽从235 m 变成270 m，经计算淤强将减小8%，大风骤淤威胁进一步减小，而淤积量则增加10%，但航道变成双向后，通过能力和港口吞吐量将成倍增加，港口负担系数η 将大幅减小，达到轻负担水平，港口效益更加良好。

综上所述，黄骅港各港区近期提出的航道扩建计划，将大大提高港口效益，进一步促进港口发展。

5 展望粉沙质港口发展前景

根据黄骅港发展历程和图3 所示航道淤积变化过程，粉沙质海岸港口发展可分为3 个阶段。即起步阶段、快速发展阶段和兴旺腾飞阶段，今分别介绍。

（1）起步阶段，港口从无到有，这个阶段港口规模很小，吞吐量只有几千万吨，码头泊位只有几个，航道等级在5 万t 级以下，但必须将减淤防波堤建造到位，将淤积区航道段拓宽浚深到位，要负担严重的疏浚维护费用，要承受大风骤淤带来的灾害性风险，个别港口曾因此而停建，有些港口因此而蒙受惨重损失，这阶段是粉沙质海岸上建港时最艰难的阶段，“粉沙质海岸不能建港”、“闻粉色变”等情况都是在这阶段形成的。

（2）快速发展阶段，航道整治成功后进入本阶段，港口规模得到发展，吞吐量逐渐达到1 亿t，航道等级由5 万t 级提高到20 万t 级，大风骤淤风险基本得到控制，航道淤积维护不再是港口的严重负担，淤积问题不成为港口发展的障碍，港口得到迅速发展。

（3）兴旺腾飞阶段，当港口吞吐量超过1 亿t，航道等级超过20 万t 级后，港口进一步发展，大风骤淤风险进一步降低，淤积负担越来越小，粉沙质海岸建港的优势越来越明显，港口将获得迅速发展，带动临港工业和临海产业的发展，成为地区经济发展的新增长点。

6 结语

（1）黄骅港海岸为淤泥粉沙质，海岸泥沙运动活跃，建港后航道淤积严重，大风骤淤威胁很大，航道回淤成为港口发展的瓶颈。

（2）黄骅港采用整治和疏浚同时并举的积极整治方针，航道两侧修葫芦形挡沙防波堤，堤头伸出破波带；高淤区航道采用局部拓宽增深；新回淤土及时快速清除。整治后减淤效果明显，大风骤淤威胁减轻，航道可挖性得到改善，疏浚效率成倍提高，航道水深逐年稳步提高。

（3）航道回淤由悬沙落淤和底沙淤积两部分组成，由于悬沙落淤，增量随航道深度增加而减小，底沙淤积为常量，淤强随航道宽度增加而减小，因此航道淤强随航道等级提高而减小。

（5）根据黄骅港建设历程可分为3 个阶段，即起步阶段，快速发展阶段和兴旺腾飞阶段。起步阶段承受严重淤积和大风骤淤威胁，并负担整治工程建设的压力，这是最艰辛阶段。快速发展阶段则负担着巨大建设任务。兴旺腾飞阶段中整治工程已完成，粉沙质海岸建港优势已明显体现出来，泥沙回淤不再是威胁港口发展的因素，港口将得到巨大发展。

（6）目前，黄骅港的起步阶段已成过去，正处在快速发展阶段，粉沙质海岸建港优势已逐渐体现出来，兴旺腾飞阶段的旭光已经出现，不久将来，在渤海湾内，将出现一个耀眼的黄骅深水综合大港，带动临港产业发展，成为该地区经济迅速发展的增长点。

（7）黄骅港航道整治成功不仅保证黄骅港健康正常发展，也为其他粉沙质海岸建港提供有益的参考。

［1］曹祖德，杨树森，杨华.粉沙质海岸的界定及其泥沙运动特点［J］.水运工程，2003，352（5）:1-4.CAO Z D，YANG S S，YANG H. Definition of silt-sandy beach and its characteristics of sediment movement［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2003，352（5）：1-4.

［2］曹祖德，孔令双，焦桂英.往复流作用下粉沙的起悬和沉降过程［J］.水道港口，2005，26（1）：6-11.CAO Z D，KONG L S，JIAO G Y.Sediment movement under the effect of periodic reciprocating current［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005，26（1）：6-11.

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［5］曹祖德，焦桂英，赵冲久.粉沙质海岸泥沙运动和淤积分析计算［J］.海洋工程，2004，22（1）：59-65.CAO Z D，JIAO G Y，ZHAO C J.Sediment movement along silt sandy beach and calculation of siltation［J］.The Ocean Engineering，2004，22（1）：59-65.

［6］张书庄，侯志强.黄骅港综合港区20 万吨级航道工程防沙堤防淤断面物理模型试验研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.