天津港大沽沙航道施工期回淤研究

翟征秋

（天津临港港务集团有限公司，天津300452）

众所周知，天津港位于渤海湾西部的海河入海口，该港区岸滩属于典型的淤泥质海岸。从开港初期至20世纪末航道泥沙回淤严重，曾一度制约了港口的发展。经过几代专家学者近半个世纪的测验、研究和综合治理，基本掌握了泥沙回淤规律、解决了大范围回淤问题，才使天津港成为了轻淤深水大港。根据天津港口发展的需要，2004年初提出在天津港南疆南侧、海河入海口下游利用吹填造陆方式开发建设天津临港工业区及临港港区，同时结合取土造陆开挖形成大沽沙航道。但大沽沙航道建设过程中是否会遇到当初天津港主航道同样的严重回淤问题，成为港方及业内专家关注的焦点。为了研究大沽沙航道泥沙回淤特点和规律，结合天津港主航道泥沙回淤研究成果，对5万t级大沽沙航道施工期回淤进行了多年系统的观测和研究，取得了一定的成果，为大沽沙航道的后续升级和维护提供了宝贵资料。

1 工程概况及动力泥沙环境

1.1 工程概况

天津港大沽沙航道位于天津港南疆港区与临港港区之间海河入海口下游，是经过人工开挖形成的天津港第二条深水航道（图1）。航道拐点以内段的海底标高为+2.0～-5.5 m（当地理论深度基准，下同），拐点以外水深逐渐增大，平均海底坡度为1/2 000。2006年初大沽沙航道结合临港工业区围海造陆取土开始疏浚施工，经过不断的浚深和拓宽，航道等级逐步提升，至2009年9月完成5万 t级大沽沙航道（长26.5 km，底宽190 m，底标高-12.5 m，边坡1：5）的疏浚施工。为了掌握大沽沙航道泥沙回淤特点和规律，从2006年10月开始组织开展了大沽沙航道施工期的回淤观测和研究工作。

图1 航道工程示意图Fig.1 Sketch of waterway engineering

1.2 风、浪特征

根据天津港多年的观测及统计资料显示：

（1）本海区强风向和常风向均为E向，出现频率为11.71%；次常风向为S向，频率为10.34%。各向≥6级风所出现频率为3.65%。大风天多出现在冬季,春、秋季风力次之，夏季最小。

（2）本海区常浪向为ENE和E，频率分别为9.68%和9.53%，强浪向ENE，该向H4%＞1.5 m的波高频率为1.35%，全年5.0 s的频率为 6.09%。

（3）本海区以风浪为主，风浪和风浪为主的混合浪年出现频率为72.8%，以涌浪为主的混合浪占26.6%。且风浪与季节对应明显，冬季风浪最强，春、秋季次之，夏季最小。

1.3 潮汐与潮流

本海区潮汐类型为不规则半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。

为了掌握本水域潮流特点及其变化情况，2004～2005年春、夏、秋、冬4个季节在海河口进行了8个测点的水文全潮观测，2008年8月又进行了8个测点的水文全潮观测，经前后两次观测资料对比，流速特征基本一致［1］：外海潮流涨潮流速大于落潮流速，流速外海大于近岸，近岸受河口及地形的影响，涨落潮流速大小差别减小。除临近陆域点受地形影响以外，流态基本表现为往复流性质，涨落潮流总体呈WNW—ESE运动。潮流动力相对较弱，大潮涨落潮平均流速小于0.36 m/s和0.30 m/s，涨、落潮最大流速分别小于0.78 m/s和0.52 m/s。

1.4 水体含沙量

根据2004～2005年春、夏、秋、冬4个季节分别沿-2 m、-5 m和-7 m等深线设的12个底质取样点和2008年8月的分别沿-2 m、-5 m、-7 m和-10 m等深线设的126个底质取样点的取样经综合分析，本水域水体含沙量分部特征为：

（1）含沙量时空分布。夏季最小，平均为0.064 kg/m3；春、秋两季基本相等，平均为0.082 kg/m3；冬季最大，平均为0.122 kg/m3。从本区气象资料分析来看，夏季风浪较弱，春、秋两季风浪增强，冬季受寒潮影响风浪最强，因此，本海区水体含沙量的高低主要取决于风浪的强弱及风时段的长短等因素；

（2）含沙量的平面分布。自岸向海呈由大变小的分布规律，在-2 m等深线平均为0.094 kg/m3，至-5 m等深线平均为0.073 kg/m3，至-7m等深线平均为0.070 kg/m3，比-5 m线有所降低但不明显，至-10 m等深线平均为0.050 kg/m3，表明本海区波浪破碎带（-5 m线）以内含沙量高，而外海由于水深增加风浪掀沙能力弱，含沙量变小；

（3）平均含沙量潮时分布。涨潮潮段为0.080 kg/m3，落潮潮段为0.075 kg/m3，涨潮段含沙量略大于落潮段；

整体分析可知，本水域水体含沙总量较低，含沙量的大小主要取决于风浪的大小、滩地水深的深浅和潮流的强弱［2-3］。

1.5 航道回淤物质

为了解航道底质的时、空分布规律及其特征，以底质中值粒径d50为研究对象，2008年及2009年共计18次对大沽沙航道固定测点进行了回淤物取样及颗粒度分析（表1、表2）［4］。现场地质采样成果及其特征如下：

（1）底质颗粒特征：18个月的泥沙平均中值粒径d50介于0.003 8～0.009 6 mm，平均为0.005 2 mm，经分析粘土含量均在40%以上，属粉砂质粘土或粘土质粉砂。从底质粒径较细和粘土含量来看，本海域属于典型的淤泥质海岸。

（2）底质平面分布：各测点多月平均中值粒径d50介于0.004 1～0.007 7 mm，平面变化不明显。但将测点按拐弯点内航道（2+0～15+0）和拐弯点外航道（15+0～28+0）两块区域研究可知，拐弯点以内航道除2+0处相对较粗为0.005 7 mm外，其余测点的泥沙颗粒很细，底质粒径平均为0.004 6 mm；拐弯点以外航道多月平均粒径在0.005 6～0.007 7 mm，平均为0.006 8 mm。可见，两区域的泥沙粒径略有差异，以4+0～14+0段上的泥沙颗粒最细，说明每次采集的样品应是悬沙落淤的泥沙；拐弯点以外航道泥沙粒径较粗，说明采集的样品应以粒径较粗的原基建土为主。

（3）底质随时间变化特征：从不同季节取样结果来看，各季节的底质粒径差别不大，但从不大的差别中经分析基本可以得出，夏季的泥沙粒径相对最细；而粒径最粗的月份是2008年的10月份和2009年的11月份，中值粒径分别为0.007 1 mm和0.009 6 mm。根据天津港回淤研究成果，底质泥沙的变化是与气候的变化有着密切的关系，在风浪较强的季节泥沙颗粒较粗，在小风浪季节则较细。本研究表明夏季最细，这与本海区夏季风浪较小相对应；但由于航道尚处于建设期，泥沙难免受到开挖出的基建土的影响，即泥沙颗粒中会掺杂颗粒较粗的基建土，因而导致风浪最大的冬季未必对应的泥沙颗粒就最粗，但颗粒仍略粗于春、夏两季。

表1 航道中底质粒径季节分布Tab.1 Seasonal distribution of sediment grain size

2 大沽沙航道水下地形及回淤分析

为了掌握5万t级大沽沙航道施工期详细的水下地形变化情况及回淤情况，自2006年10月开始，每月下旬对大沽沙航道水域进行大比例尺（1：2 000）水下地形测量。至2009年9月共取得航道水下地形图36份，同时，收集了对应3 a中各月航道施工的相关资料。现根据时间将5万t级大沽沙航道施工期回淤情况按3个阶段进行研究。

2.1 第一阶段［5］

2006年10月至2007年10月为第一阶段。2006年10月之前，结合工业区围海造陆取土大沽沙航道已基本达到5 000 t级，航道里程为2+0～14+0（图1）。本阶段继续在5 000 t级航道的基础上，利用大型绞吸式挖泥船进行挖泥施工，由于开挖段发生回淤的同时，也进行土方开挖，具体回淤厚度无法从测图中得到，因此选取了5个基本未施工的固定断面进行回淤分析。根据每月所测水下地形图，按季度计算航道底宽（100 m）范围内的断面平均水深之差，然后计算全年平均水深之差，去除挖泥施工水深增加的数值，即得到不同断面的回淤厚度（表3），由表3分析可知：

（1）除断面7+000由于秋季进行了施工水深增加，造成本年度整体水深加深外，其他各断面均由于回淤而使每季度和全年水深变浅；

（2）本阶段5 000 t级航道平均回淤厚度为0.78 m，总回淤量为109万m3;

（3）冬季为一年中回淤最大的季节，春秋次之，夏季最小。这与水体含沙量的时空分布冬季最大，春秋其次，夏季最小是对应的；

（4）航道由内向外的回淤厚度逐渐减小。这与含沙量的平面分布自岸向海由大变小的规律也是对应的。

2.2 第二阶段［6］

2007年10月至2008年10月为第二阶段。根据每月水深测图及实际施工情况，本阶段航道及两侧区域大多处于施工状态，全年中多数固定断面水深加深，对分析断面回淤强度带来一定困难，现根据断面水深变化情况粗略地划分成 3个区域：里段（2+0～4+0）、中间段（4+0～9+0）和外段（9+0～5+0）。从各段断面水深变化值累加成各季度的回淤厚度，进而计算出年回淤厚度和回淤量（表4），由表4可知：

表2 航道中底质粒径平面分布Tab.2 Planar distribution of sediment grain size

表3 第一阶段固定断面平均水深变化Tab.3 Average depth variation of fixed section in the first phase

（1）本阶段航道拐弯点以内回淤厚度平均约1.0 m，年总回淤量为234万m3；

（2）与第一阶段结果相同，冬季回淤强度最大，春秋次之，夏季最小；

（3）本年度航道中间段回淤厚度最大，结合围海造陆情况分析，是由于围海造陆陆域延伸，此段已成为港区口门，潮流动力变化大，使回淤量最大；

（4）由于本年度航道浚深、拓宽迅速，致使年回淤厚度和回淤量明显大于第一阶段。

表4 第二阶段15+0以内航段泥沙回淤情况Tab.4 Silting situation within 15+0 in the second phase

2.3 第三阶段

2.3.1 全航道回淤分析

2008年10月至2009年9月为第三阶段，本阶段施工已延伸到5万t级航道外端（里程至28+5）（图1）。与第二阶段相同，本阶段内航道及两侧区域大多处于施工状态，对分析断面回淤强度带来一定困难。为此，提取了各固定断面每月的水深数据，计算每月的淤积厚度，剔除水深加大在0.5 m以上（认为疏浚造成）的数据，累加剩余的数据从而得到该断面全年的淤积厚度，航道沿程淤积厚度见表5。

由表5可知，航道回淤沿程并不均匀，以H7+0～H15+0即口门段（陆域围海已推进至本段区域）的回淤最严重，平均为1.5 m；内航道段H2+0～H7+0回淤相对较小，平均为0.6 m；拐弯点以外段回淤最小，平均为0.2 m。

2.3.2 局部强淤及分析［7］

分析每月测图得知，口门段在不同时间段存在局部强淤现象（表6、表7）。参照第一、第二阶段相应季节对应段的回淤厚度及回淤量，2次局部强淤使回淤量较正常增加134万m3。去除强淤增加量，本年度正常回淤量为202.3万m3。根据现场实际情况分析，产生局部强淤的原因有以下两点：

（1）天津港南疆南泄水口高含沙量水体外流。选取2009年3月7日（西南风3级，小潮，落潮初期）的卫星遥感图片，参考天津港悬沙浓度与卫片灰度值（波段3和波段2的比值）之间的关系，利用ENVI软件，计算出表层悬沙浓度，并绘制悬沙浓度分布图后可知，从天津港南疆南有一股高浓度泥沙流入9+0以外的航道水域，该水域受此泥沙流的影响含沙量变大，造成本段航道出现严重回淤。在现场条件基本不变的情况下，6月份南疆南将泄水口封堵后，本段航道未再出现强淤情况，也证明了此结论。

（2）水动力条件。强淤段处于口门区域，且水深较深（-14～15.5 m），受潮流和水下地形影响，高浓度泥沙流所挟泥沙力降低，所挟泥沙迅速在附近水域落淤而造成航道强淤。

表5 航道年度泥沙回淤情况（逐月累计）Tab.5 Silting situation in channel

表6 2008年11月～2009年2月局部强淤断面水深变化Tab.6 Change of water depth from Nov.2008 to Feb.2009

表7 2009年2～5月局部强淤断面水深变化Tab.7 Change of water depth from Feb.2009 to May 2009

2.4 回淤数量及特点

由3个阶段的年回淤量可知：第一阶段度由于是等级较低的5 000 t级航道，年回淤量为109万m3；第二阶段度航道长度虽基本未变，但底宽已拓宽至5万t级，且航道浚深、拓宽迅速，造成年回淤量大幅增加至234万m3；第三阶段度按5万t级全长分析，且存在局部强淤，造成年回淤量增加至336万m3，施工期的3 a间总回淤量为679万m3。航道回淤主要集中在航道内段。

依据大沽沙航道泥沙淤积预测，5万t级大沽沙航道建成后不会出现大规模淤积现象，航道年回淤量约为222万m3［8］。第三阶段为5万t级航道最终形成阶段，去除由于天津港南疆南泄泥造成强淤的特殊影响外，本阶段回淤量为202.3万m3，稍小于预测量。

航道施工期间，在开挖基建土的同时部分回淤量也被疏浚了，同时由于疏浚施工产生的浮泥也会造成回淤量的增加，所以施工期间观测到的回淤量与实际回淤量可能存在一定的误差。但从各阶段研究情况看，大沽沙航道回淤情况并不严重，基本与前期淤积预测结论一致，航道不会出现严重淤积情况。

3 结论

（1）从底质平面分布来看，大沽沙航道内段回淤泥沙颗粒很细，外段泥沙粒径较粗；（2）从底质随时间变化来看，在风浪较强的冬季回淤泥沙颗粒较粗，回淤量最大，在小风浪的夏季则颗粒较细，回淤量最小，春秋介于两季之间；（3）第一阶段航道回淤量为109万m3，第二阶段回淤量为234万m3；第三阶段存在局部强淤，回淤量为336万m3，5万t级大沽沙航道施工期3 a间总回淤量为679万m3。航道回淤主要集中在原始滩面较浅的内航道段；（4）大沽沙航道局部强淤是由于天津港南疆南泄水口溢出的高浓度泥沙流所致，正常情况下航道不会发生局部强淤现象；（5）大沽沙航道回淤情况基本与前期淤积预测结论一致，航道不会出现严重淤积情况。

［1］江苏省水文水资源勘测局扬州分局.天津临港工业港区海域水文泥沙测验分析报告［R］.江苏：江苏省水文水资源勘测局扬州分局，2008.

［2］孙连成.淤泥质海岸天津港工程泥沙治理与功效［J］.水运工程，2011（1）：67.SUN L C.Tianjin Port engineering sediment treatment and efficacy on silt coast［J］.Port&Waterway Engineering，2011（1）：67.

［3］南京水利科学研究院.天津临港工业港区整体物理模型试验研究报告［R］.江苏：南京水利科学研究院，2011.

［4］交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙重点实验室.天津临港工业区港池航道泥沙回淤监测及分析（总报告）［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究院，2010.

［5］交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙重点实验室.天津临港工业区港池航道泥沙回淤监测及分析（总报告）［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究院，2007.

［6］交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙重点实验室.天津临港工业区港池航道泥沙回淤监测及分析（总报告）［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究院，2008.

［7］交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙重点实验室.天津临港工业区港池航道泥沙回淤监测及分析（总报告）［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究院，2011.

［8］交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙重点实验室.天津临港工业区大沽沙航道泥沙淤积预测［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究院，2007.