泥沙粒度对航道回淤的指示——以丹东港出海航道为例

刘红，张华，张寒元，林娜，龚鸿锋

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

泥沙粒度对航道回淤的指示
——以丹东港出海航道为例

刘红，张华，张寒元，林娜，龚鸿锋

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

根据鸭绿江河口西水道水流、悬浮泥沙和底质粒度特征的分析，研究丹东港出海航道泥沙淤积的动力机制以及泥沙粒度对回淤的指示作用。分析表明，海域来沙为西水道的主要泥沙来源，泥沙运动以“波浪掀沙、潮流输沙”为主要特征；悬沙和底质粒度对比表明，上航道和中航道段航道回淤以悬沙落淤为主，下航道和外航道段航道回淤以底沙推移为主。航道回淤泥沙作为泥沙运动的“指示剂”，能够较好地揭示航道回淤的机理；采用刘家驹悬沙淤积模式和罗肇森底沙输移模式相结合的方法，估算丹东港大东港区 20 万吨级航道回淤量为 679 万 m3，与物理模型试验结果较为接近，上述分析方法和公式可适用于砂质海岸航道回淤计算，也为类似航道回淤研究提供了重要的参考和借鉴。

鸭绿江；西水道；泥沙粒度；航道回淤

0 引言

泥沙淤积是港口、航道工程建设和运营所面临的关键技术问题之一。一般认为，港池、航道开挖后破坏了原有的水流、泥沙与河床的相对平衡状态，在挖槽中由于水动力条件的减弱，泥沙沉积在港池或航槽内，使得槽内淤积增加而冲刷减少，与槽外相比，产生了因加深引起的净淤积[1-2]。港池和航道的回淤主要取决于水动力条件、泥沙条件、滩槽高差和航道走向等因素。

在以往的回淤研究中，大多集中在回淤统计分析和回淤预报模式的研究上，对回淤泥沙的特性关注较少[1-3]。悬浮泥沙是水流运动的良好指示剂，其级配特征是探讨泥沙来源、运输区和沉积场之间联系的重要纽带，泥沙量及其颗粒构成的变化对河床冲淤有着不同影响；而底质是泥沙运动的最终归宿，是联系水动力和地貌变化的纽带，悬浮泥沙和底质泥沙的交换和输运过程对海岸地貌的演变起着重要的作用[4]。因此， 泥沙的粒度特征是研究海岸泥沙输移特性和沉积动力机制的基础，也是分析航道泥沙回淤的重要手段之一。

鸭绿江河口作为中朝两国的界河，具有重要的战略地位。丹东港是我国大陆海岸线最北端的国际贸易商港，也是我国与朝鲜半岛及日本列岛距离最近的港口之一，地理位置十分重要。由于鸭绿江的特殊地理位置和国防安全的需要，鸭绿江河口的水沙变化和沉积特征的研究具有重要的科研价值。不少学者对鸭绿江河口进行了相关研究，主要集中在河口特性及建港条件、潮汐潮流、悬沙浓度及泥沙输运、矿物特征、河口最大浑浊带和河床演变等方面，对航道泥沙淤积机理及淤积物质组成的研究较少。

因此，本文以丹东港出海航道为例，从悬浮泥沙和底质泥沙的粒度分析入手，分析航道回淤的机理，为航道治理提供科学依据。研究成果不仅可为沙质海岸拦门沙航道回淤规律的认识提供参考，丰富泥沙运动力学的学科内容，而且对于推动沉积学在港口航道中的应用具有重要的价值。

1 研究区概况

丹东港位于辽宁省东港市南部，中朝界河鸭绿江入海口西岸，南临黄海，毗临大连，东与朝鲜半岛隔江相望。

鸭绿江是一个山溪性强潮河口，具有“潮大流急”的特点。鸭绿江口潮汐为正规半日潮，以太阴半日分潮 （M2 分潮占主导），平均潮差 4.51m，最大潮差 7.60 m （1997 年 8 月）。根据 1960—1999 年资料统计，鸭绿江多年平均径流量为266.8 × 108m3，多年平均输沙量 159.1 × 104t（见表 1）。由于前期鸭绿江处于人工干预下的调整时期，因此 20 世纪 60 年代期间多年平均径流量和输沙量相对较大，自 20 世纪 70 年代以来，年平均径流量和输沙量有明显的减小，其量值趋于相对稳定状态。多年平均含沙量在 0.21~0.35 kg/m3之间。

表1 鸭绿江径流量和输沙量特征值Table 1 Eigenvalue of runoff and sedim ent discharge of the Yalu River

鸭绿江水沙的年内分配极不均匀，径流和输沙主要集中于汛期的6—9月，径流量约占全年的42%，一般 8 月径流量最大，2 月最少；7—8 月输沙量占全年的 72%~85.6%。在平水期和枯水期，鸭绿江是一条水碧流清的河流[5]。

目前，鸭绿江 98%以上的径流从绸缎岛以东的汊道（杻岛水道、中水道和东水道）汇入黄海，西水道成为径流影响较小的潮汐汊道。历史上，西水道曾是鸭绿江干流的主要入海水道和船舶进出的通航要道。自 20 世纪 50 年代起，上口已基本断流，西水道主要的动力条件为潮流和波浪，为典型的潮汐海湾地形[5-6]。

丹东港现有进港航道的设计底标高为-8.5m。大东港区 5 万~20 万吨级航道根据通航船型的不同分段设计，其中 H1—H2段为上航道，设计底标高-12.2m；H2—H3 段为中航道，设计底标高-12.3m；H3—H4 为下航道，设计底标高-16.7m；H4—H5 为外航道，设计底标高-17.1m （见图1）。

2 资料及方法

图1 西水道地形/垂线平均流速矢量图 （大潮） 及底质中值粒径Fig.1 Lanform ofw est channel，vectorgraph of verticalaverage velocity （spring tide），and the substratem edian size

长江委水文局长江口水文水资源勘测局和丹东港集团有限公司海洋研究所于 2010 年 9 月 22日—10月 3日，在鸭绿江西水道附近海域进行了全潮水文测验。流速流向测量采用 SLC-2 型海流计进行施测，由于航道外 G、H、L三条垂线所在的海区风浪较大，采用 ADCP施测流速流向（见图 1）。

悬移质水样采用横式采水器采集，采样容积为 1 L，含沙量采用烘干法进行分析，并在涨落急、涨落憩时段采集悬沙水样做悬沙颗粒分析。底质采用蚌式和拖斗式采样器采集。泥沙颗粒分析采用英国产 MASTERSIZER 2000 型激光粒度分析仪进行测量。

3 结果及分析

3.1 水动力特征

鸭绿江西水道的潮流往复流性质比较明显，各垂线的涨、落潮流流路受出港航道及水下地形的影响，基本上涨潮时流向东北，落潮时流向西南 （见图 1）。

从垂线平均流速的统计分析 （见表 2） 可知，同一垂线从大潮到小潮依次减小，一般各垂线涨潮平均流速大于落潮平均流速，小潮两者的差异较小。航道中段的 E、F及 G 点由于受到落潮水流归槽的影响，落潮平均流速大于涨潮平均流速。涨落潮期测点最大流速大部分出现在表层或近表层，其中涨潮最大流速为 1.51m/s （出现在 D 垂线大潮表层），落潮最大流速为 1.48m/s （出现在F垂线大潮表层）。

从航道沿程的流速分布来看 （垂线 A—L），一般口内测点的垂线平均流速要远大于口外测点平均流速，涨潮时航道上段A—D测点垂线平均流速要大于航道中段及下段测点垂线平均流速，落潮时位于航道中段的E、F点垂线平均流速与近岸区测点垂线平均流速大致相近。

表2 西水道实测垂线平均流速、流向统计Tab le 2 Average velocity and flow direction of the measured verticalatwest channel

外海潮波传入鸭绿江西水道，受浅水效应的影响，兼有前进波和驻波性质，以驻波为主。从潮流和水深的位相来看，涨落急流速分别出现在高潮前 2～3 h 和高潮后 2～4 h。

3.2 含沙量特征

从含沙量的沿程分布来看 （见表 3），从测点A—L的垂线平均含沙量逐渐减小，近岸区测点垂线平均含沙量大于海域测点垂线平均含沙量，特别是测点 A、B、C 和1号站处于河口拦门沙浅滩地段，受两侧浅滩潮流和波浪作用下泥沙再悬浮的影响，其垂线平均含沙量远大于其他测点。其中近岸区的A站和B站大潮涨潮平均含沙量在0.141 ～0.151 kg/m3之 间 ， 落 潮 平 均 含 沙 量 在0.174～0.198 kg/m3之间；开阔海域的 H 站大潮涨、落潮平均含沙量分别为 0.014 kg/m3和 0.026 kg/m3，仅为近岸区含沙量的 1/10 左右。

在同一潮汐汊道内部，由口内向口外垂线平均含沙量逐渐减小，例如西南水道口内1号站涨、落潮平均含沙量分别为 0.115 kg/m3和 0.138 kg/m3，口门附近 4 号站涨、落潮平均含沙量减少为 0.062 kg/m3和 0.049 kg/m3。

表3 西水道涨落潮平均含沙量Table 3 Average sediment concentration at ebb and flow ofwest channel kg·m-3

一般来说，鸭绿江西水道涨急和落急时段近底层含沙量相对较高，说明该时段近底再悬浮和滩槽泥沙交换比较频繁，以 B 站大潮为例，2010年 9 月 23 日 0：00 涨急时刻流速达到 0.71m/s，此时垂线平均含沙量达到 0.34 kg/m3，底层含沙量更是达到 0.78 kg/m3，垂向上含沙量均较大，且垂向梯度较小，说明该海域不仅有近底泥沙再悬浮的作用，又有滩槽泥沙交换的贡献。在口门附近的E站和口外G站仅在涨、落急时刻底层含沙量较高，说明该区域滩槽泥沙交换较少，而近底泥沙再悬浮的作用更为显著。

3.3 悬沙粒度特征

西水道悬沙平均中值粒径在 0.009 0~0.025 8 mm之间，由港区向外海悬沙中值粒径逐渐增加，主要由粉砂组分组成。悬移质最大中值粒径为0.034 2mm （出现在 H 垂线的中潮期），最小中值粒径为 0.008 1mm （出现在 F 垂线的大潮期）。

对悬沙粒径垂向分布特征的分析表明（图2），航道上段的 B 垂线悬沙中值粒径在 0.007 8~ 0.011 4mm 之间，结合含沙量垂向分布特征的分析表明，该区段泥沙垂向混合作用较强，悬沙粒径的垂向分布相对较均匀。航道下段的F垂线悬沙中值粒径在 0.007 0~0.013 3mm 之间，落憩时刻近底层悬沙中值粒径有明显的增加，垂向梯度逐渐增大。

3.4 底质粒度特征

图2 悬沙中值粒径垂向分布Fig.2 Verticaldistribution of suspended sediment m edian size

西水道底质平均粒径最大为 0.305mm，最小为 0.019mm，中值粒径最大为 0.286mm，最小为0.012mm。主槽底质粒径相对较细，两侧浅滩除绸缎岛附近区域外，因受波浪作用的淘洗底质粒径大多较粗，底质类型主要为细砂。

上航道和中航道底质较细，底质中值粒径在0.012~0.098mm 之间，与悬沙中值粒径基本相当；下航道和外航道底质较粗，中值粒径在 0.111~ 0.195mm 之间，远大于悬沙中值粒径 （图 1）。

4 讨论

4.1 泥沙来源

鸭绿江年平均输沙量达 159.1 × 104t，河流来沙是鸭绿江口门及滨海段主要泥沙来源。鸭绿江入海泥沙主要沉积在东水道和中水道，仅有少部分悬沙可随潮扩散至西水道。近些年来由于上游水利工程的修建，造成鸭绿江径流量和输沙量逐年减小，西水道的径流作用消失，河流输沙已失去主导地位。

鸭绿江西水道潮滩发育宽阔，且多潮沟，此外，西水道下段存有宽深不同的切滩次槽，这些次槽又将宽阔的潮滩切割成若干大小不等的滩地，从而使河口地形变得较为复杂 （图 1）。所有这些滩地在高潮时均会不同程度地被淹没，形成“涨潮时潮流分散消能、落潮时潮流归槽集注”的状态[5]。

西水道的泥沙主要来源于西水道两侧浅滩泥沙在波浪作用下再悬浮，随潮流平流输运并沉积在西水道内。从航道沿程含沙量的分布来看，近岸区测点垂线平均含沙量大于海域测点垂线平均含沙量，特别是上航道和中航道段处于河口拦门沙浅滩段，其垂线平均含沙量远大于下航道和外航道段，滩槽泥沙交换和近底泥沙再悬浮起着至关重要的作用。因此，西水道两侧的滩面既是泥沙的淤积环境，又是航道回淤的泥沙来源。

另外，鸭绿江口外海域在沿岸流作用下亦会带来一些细颗粒悬浮泥沙，但数量有限。综上所述，海域来沙为西水道的主要泥沙来源。

4.2 悬沙和底质粒度对比分析

根据 2010 年悬沙和底质采样结果，从航道沿程悬沙和底质的粒径分布来看，上航道和中航道（A—D站）悬沙和底质中值粒径较为接近，悬沙中值粒径平均为 0.009 2mm，底质中值粒径平均为 0.017mm （C 站除外）；而下航道和外航道（E—L站）悬沙和底质中值粒径差异较大，悬沙中值粒径平均为 0.016 8mm，而底质中值粒径平均为0.179mm，约为悬沙中值粒径的 10 倍 （图 3）。

图3 大东港航道悬沙和底质中值粒径沿程分布Fig.3 Distribution of the suspended sedimentand substratemedian size along Dadong Port channel

从泥沙的粒度组分上看，上航道和中航道悬沙和底质的粒度组分十分相似，底质中 <0.031 mm 的黏性细颗粒泥沙含量平均为 73.9% （C 站除外），悬沙中 <0.031mm 的细颗粒泥沙含量平均为 82.3%，悬沙和底质组分均以黏性细颗粒泥沙为主，且细颗粒泥沙含量十分接近 （图 4）。下航道和外航道中悬沙以黏性细颗粒泥沙为主，<0.031mm 的细颗粒泥沙含量平均为 66.3%；底质则以细砂组分为主，>0.062mm 砂组分含量平均为 86.5%，而<0.031mm 黏粒含量仅为 10.7%。

4.3 淤积机理

图4 悬沙和底质粒度组分对比Fig.4 Com parison of suspended sedimentand sediment par ticle size com position

Migniot[7]指出粒径小于 0.03mm 的泥沙具有很明显的絮凝作用。根据长江口泥沙的室内试验、现场观测研究表明，长江口细颗粒泥沙絮凝的临界粒径约为 0.032mm[8-9]。根据上述研究成果，将0.03mm 作为划分黏性泥沙和非黏性泥沙的界限，黏性细颗粒泥沙主要以絮团的形式在河口输运和沉降，而非黏性泥沙则主要以推移质的形式在河口运动和沉积。

泥沙淤积方式分为悬沙淤积和底沙淤积两部分。淤泥质海岸的泥沙主要由黏性细颗粒泥沙组成，泥沙运动形式主要以悬沙淤积为主。沙质海岸河口的泥沙组成及运动与淤泥质海岸不同，推移质运动对河床冲淤影响占有优势，悬移质运动对河床冲淤影响在某些情况下可忽略不计。但在某些区域，沙质海岸河口河床冲淤变化是推移质和悬移质共同作用的结果。根据上述泥沙来源和泥沙粒度特征的分析，丹东港大东港区 5 万～20万吨级出海航道上航道和中航道段泥沙运动形式主要以悬沙淤积为主，下航道和外航道泥沙运动主要以底沙运动为主，并以“波浪掀沙、潮流输沙”为主要特征。

按风、浪、流的作用机理，可以根据不同粒径的泥沙来估算航道回淤量。当底质中值粒径< 0.03mm 时，认为淤积于航道的泥沙主要为悬沙，航道回淤计算采用刘家驹公式[1]进行计算。当底质中值粒径>0.03mm 时，可以认为淤积于航道的泥沙主要为底沙，航道回淤计算采用推移质输沙公式进行计算，并根据泥沙粒度曲线考虑部分悬沙落淤[2]。

4.4 回淤估算

4.4.1 悬沙回淤计算

悬沙回淤计算采用《海港水文规范》推荐的刘家驹公式[1]，该公式是在天津新港、连云港等淤泥质海岸长期回淤研究基础上建立的经验公式，该公式综合考虑淤泥质海岸的泥沙特性及水流、波浪等动力因素的作用及其与悬沙含沙量的关系，提出水流跨越航槽悬沙落淤预测的基本模式，公式形式较为简单，各参数物理意义明确，广泛应用于淤泥质海岸航道和港口回淤研究和设计。

刘家驹公式如下：

式中：P 为年回淤强度，m/a；ω 为泥沙沉速，m/s；S为当地年平均含沙量，kg/m3；T 为淤积时间，s；H1、H2分别为滩面水深和航道开挖后的水深，m；K1、K2分别为横流和顺流淤积系数；θ为水流流向与航道走向的夹角，（°）；γ0为泥沙干重度，kg/m3。

4.4.2 底沙回淤计算

底沙输沙率公式采用罗肇森的风、浪、流作用下的近底泥沙输沙率公式[2]：

式中：qsb为近底泥沙单宽输沙率，kg/s；Kb为综合系数，Kb=（0.12~0.18）d0.365，Kb计算值大于 0.10 时，取 0.10；C0为无量纲谢才系数，，C为谢才系数；γs、γ 分别为泥沙和水的重度，N/m3；ubmax、ub分别为波浪水质点的最大轨道速度和平均轨道速度，m/s；uc、ω 分别为泥沙起动流速和泥沙沉降速度，m/s；Vm为波浪传质速度 ut、潮流速度ud和风吹流速度 uw的合成速度，m/s；θ为流向与航道轴向的夹角，（°）。

根据前述分析，上航道和中航道段（H1—H3段）回淤强度采用刘家驹公式和率定的参数进行计算，现有航道浚深至-8.5m 时，除航道 K1 和K3段计算值和实测值相差略大以外（可能与附近围堤工程引起含沙量增加有关），其余各单元二者相差 10%以内 （图 5），因此，刘家驹公式和相关参数能满足丹东港 5 万~20 万吨级航道的悬沙回淤计算和分析。

图5 航道浚深至-8.5m 时实测和计算回淤强度分布Fig.5 The intensity distribution of back silting by actualmeasurementand calculation when the channel is dredged to-8.5m

根据上述方法计算，丹东港 5 万~20 万吨级出海航道回淤量约为 679 万 m3。上航道和中航道滩面水深较小，回淤强度相对较大，平均回淤强度约为 1.51m/a，回淤量约为 153 万 m3；中航道属于新开挖航道，两侧浅滩水深较小，相对挖深较大，平均回淤强度约为 1.14m/a，回淤量约为122 万 m3。下航道段位于潮流深槽区，水深条件较好，部分区段水深在 12m以上，加上涨落潮平均流速也相对较大，因而回淤强度相对较小，平均回淤强度约为 0.51m/a，下航道段回淤量约为59 万 m3。外航道上段由于受两侧浅滩风浪掀沙的影响，回淤强度相对较大，平均回淤强度为 0.69 m/a，由口内向口外随着水深的增加，回淤强度呈逐渐减小的趋势，外航道段回淤量约为 345 万m3。

另 据 南 科 院 物 理 模 型 试 验 成 果[10]，丹东 港5万~20 万吨级出海航道常年淤积量为 556 万 m3，除上航道和中航道有较大差异外，其他段与本文计算值较为接近，且回淤分布也基本一致（图6）。通过以上分析，认为本文回淤计算结果基本符合航道沿程泥沙淤积特点和规律，分析方法和公式可适用于丹东港航道回淤计算。

图6 本文估算的航道回淤量与物理模型成果对比Fig.6 Com parison of theestim ated back silting in thispaper with thephysicalmodel results

通过悬沙和底质粒度特征的分析，航道回淤泥沙作为泥沙运动的“指示剂”，能够较好地揭示航道回淤的机理。

5 结语

本文基于鸭绿江河口西水道水流和泥沙特征的分析，研究丹东港出海航道泥沙淤积的动力机制和泥沙粒度对回淤的指示作用。

鸭绿江西水道的潮流往复流性质比较明显，由口内向口外涨、落潮平均流速及垂线平均含沙量逐渐减小。涨急和落急时段近底层含沙量相对较高，说明近底再悬浮和滩槽泥沙交换比较频繁。

通过悬沙和底质粒度特征的分析，航道回淤泥沙作为泥沙运动的“指示剂”，能够较好地揭示航道回淤的机理。以 0.03mm 作为划分黏性泥沙和非黏性泥沙的界限，黏性细颗粒泥沙主要以悬移质的形式输运和沉降，而非黏性泥沙则主要以推移质的形式运动和沉积。丹东港出海航道的上航道和中航道段泥沙运动形式主要以悬沙淤积为主，下航道和外航道泥沙运动主要以推移质运动为主。采用刘家驹悬沙淤积模式和罗肇森底沙输移模式相结合的方法，估算丹东港大东港区5万~ 20 万吨级航道回淤量为 679 万 m3，与物理模型试验结果较为接近，上述分析方法和公式可适用于丹东港航道回淤计算。

本文为沙质海岸拦门沙航道回淤规律的分析和回淤研究提供了参考，对其它海域拦门沙航道的开发治理也有重要的借鉴意义。

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W aterway siltation indicated by grain size distribution——Case study of Dandong waterway

LIUHong，ZHANGHua，ZHANGHan-yuan，LINNa，GONGHong-feng
（CCCC-ShanghaiWaterway Engineering Design and Consulting Co.，Ltd.，Shanghai200120，China）

Based on theanalysisof current velocity，suspended sediment concentration（SSC），and grain size suspended and bed sediments in thewest channelof the Yalu River Estuary，themechanism of sedimenthydrodynamics in DandongWaterway wasstudied to explore the indication ofwaterway siltation by grain size distribution.The resultsshowed that the sediment source of the west channelwasmainly coming from the adjacent sea area and the sedimentation was characterized by wave lifted sediment and tidal transport sediment.The comparative analysis of the grain size of suspended and surface sediments showed that the suspended sediment deposition was themechanism of waterway siltation in the upper and midd le reaches of the navigation channels，and the bed load transportwas themechanism ofwaterway siltation in the lower and outer reaches of the navigation channels.Through the analysis of the grain-size characteristics of suspended and surface sediments，channel siltation， being the indicator of sedimentmovement， can be used to reveal themechanism ofwaterway siltation.The back-silting quantity of Dandong Waterway was 6.79×106m3calculated with Liu Jiaju＇s and Luo zhaosen＇smodels， which was close to the results of physicalmodel test.Above analysis of the siltingmechanism and estimationmethod provided the important reference ofwaterway siltation research in sandy beach.

Yalu River；west channel；grain size distribution；waterway siltation

U617.6

A

1003-3688（2014）01-0014-08

10.7640/zggw js201401003

2013-03-07

2013-07-18

河口海岸学国家重点实验室开放基金项目 （SKLEC-KF201201）；中交上海航道勘察设计研究院有限公司专业建设项目（2010-120S）

刘红 （1978 — ），男，湖北宜昌市人，高级工程师，从事河口海岸水动力和工程泥沙研究。E-mail：liuhongshiw@163.com