天津港航道悬移质输运特征的观测研究

高斌，周良明，苗庆生

（1.中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛 266100；2.国家海洋信息中心，天津 300171）

泥沙淤积问题曾经是制约天津港发展的重要因素，但由于海河口建闸，港口规模扩大、防波堤延伸、围海造陆不断减少无用水域面积和港口周边环境改善等多项工程措施的实施，使天津港泥沙淤积的形态、部位、强度和淤积总量等都发生了根本变化，不断地改善港口的发展环境。随着港口治理泥沙回淤技术的发展，人工港在深水化建设上的优势逐渐显现，为天津港跻身世界深水港行列奠定了基础。因此，在当前状况下，有必要继续观测和研究天津港的泥沙输运以及造成的淤积情况，监督和防范港口出现泥沙淤积，造成不必要的经济损失。

1 天津港的泥沙问题

港口的淤积是泥沙在浪和流等动力因素综合作用下的结果。在天津港这样的淤泥质海岸，波浪主要起掀沙作用，掀起的泥沙又常形成浮泥，经潮流的掀扬作用，转化成悬移质，增加了随潮进入港区和航道的泥沙数量。另一方面，潮流是输沙的主要动力，在波浪较弱的海岸区，潮流挟带泥沙进入港区和航道后，由于动力因素减弱，降低了挟沙能力，导致落淤。

1.1 泥沙来源

孙连成（2006）的研究表明，天津港的泥沙主要有以下几个来源：一是海相来沙，本海区的水体含沙基本不受外来泥沙的影响，海相来沙很少。二是陆相来沙，本港区位于海河入海处，受其影响较大，但自海河建闸后，水沙基本蓄积在河道内，因而下泄水沙量很小，近些年来基本无量下泄。三是疏浚抛泥的影响，但经过20 世纪八九十年代的治理，此项来源对港口和航道已基本无影响。最后是近岸浅滩掀沙，本港区附近存在大片的浅滩，向岸大风浪是造成近岸泥沙悬移运动的主要因素。在泥沙搬运淤积的过程，波浪起着掀扬浅滩泥沙的作用，潮流主要是起着泥沙输移作用，即所谓的“波浪掀沙、潮流输沙”现象，这一部分是天津港泥沙的主要来源。本文的研究重点就在于潮流对近岸泥沙的输运作用。

1.2 港区泥沙运动形态

天津港海区岸滩的泥沙颗粒较细，其黏结力较强，由于本海区的潮流属弱流区，所以大风浪是造成本区滩面泥沙悬移的主要动力因素，而悬沙在沉降过程中由于所需的密结时间较长，因此天津新港港区及航道泥沙随潮流做悬移质运动，泥沙颗粒沉降速度缓慢，在底部还可形成可流动的浮泥层（孙连成，2006）。

尽管开展了大量的清淤减淤工作，天津港的淤积强度有所缓解，但是从天津港淤积的特点来看，一年中出现两次淤积高峰，汛期和风季；航道泊地在汛期和风季经常出现浮泥。因此，建立港区及航道泥沙输运长期稳定观测、尤其是高峰期的观测，开发港区泥沙输运和岸滩稳定性的高精度预测系统，对航道整治，调整泥沙淤积分布，保障港口安全具有重要意义。

1.3 研究背景

泥沙输运对于港口以及河流入海口海域有着至关重要的影响，多年来许多科研工作者致力于这一问题的研究和探讨。

在河流的入海口处，陆相来沙占主导地位。张瑞等（2008）用Hilbert-Huang 变换对长江大通水文站近50年来的月均含沙量和输沙量时间序列进行分析，研究了长江入河口区含沙量和输沙量的变化规律以及它们在长江入河口区的演变特征。刘勇胜等（2005）采用水文学和数理统计学相结合方法，对黄河入海水沙通量进行分析，分别得出了水、沙通量的年代变化、年际变化、季节变化规律以及水、沙通量之间关系。

而对于沿海港口以及海湾，潮流输沙则成为不可忽视的因素。孙连成等（2014）基于多年实测水文泥沙等资料，采用现场观测、演变分析、物理模型和数学模型等多种手段，对天津港深水化及二港岛建设水沙进行了研究，文中指出该海域含沙量呈现逐年减小的趋势。李朝新等（2004）依据在泉州湾进行的两次多站位水文泥沙观测以及表层底质、重力柱状样资料，对每站流速和悬浮泥沙含量进行垂向算术平均后对其结果比对分析。赵冲久等（2003）结合现场观测研究了大风（浪）过程中泥沙运动的变化过程，指出波浪较大时泥沙运动十分剧烈，水体含沙量急剧加大。

除此之外，如何运用观测资料对泥沙的输运进行计算也是尤为重要的一环。倪晋仁（1990） 探讨了关于悬移质输沙率计算模式，给出了有广泛通用性的浓度分布及流速分布的一般表达式，但其方法有一定的局限性，仅适用于床面平整情形。黄才安等（1999）讨论了流量法与面积法两种垂线平均含沙量之间的关系，并给出了两种方法的适用范围，为水体含沙量的计算提供了有效的计算方法。

2 天津港航道悬移质输沙的观测及计算

2.1 数据获取

为全面获取天津港航道泥沙含量分布及泥沙运动基本特征，沿航道设置4 个站点进行一个潮周期的连续站观测，它们分别代表沿航道上4 个代表性的截面，站位设置如图1 所示，C1 位于航道口门处，C4 则位于港池内，中间设置C2 和C3 站，其中C2 站两侧有防波工事，观测时间是2010年8月（丰水期） 以及11月（枯水期），垂向分表、0.2 h、0.6 h、0.8 h 和底6 个层次，观测项目包括水深、流速和泥沙含量。

期间，同时对气象及海况进行观测。其中，8月大潮期间，风向以SE 向为主，平均风速2.6 m/s，海况1 级；8月小潮期间，风向以SW 向为主，平均风速3.8 m/s，海况2 级；11月大潮期间，风向以NWW 为主，平均风速4.2 m/s，海况2 级；11月小潮期间，风向以NWW 为主，平均风速5.8 m/s，海况4 级。

2.2 观测结果

2.2.1 海流

（1）11月大潮：如图2 所示，C1 的垂向平均流速为30.3 cm/s，最大流速为60 cm/s；C2 的垂向平均流速为16.9 cm/s，最大流速为52.7 cm/s；C3 的垂向平均流速为14.1 cm/s，最大流速为51.8 cm/s；C4的垂向平均流速为15.5 cm/s，最大流速为49.3 cm/s。调查海域自外向内流速逐渐减小，调查时段内调查海域的平均流速为23.1 cm/s。

图1 天津港海流和泥沙含量观测站位分布

图2 11月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（2）11月小潮：如图3 所示，C1 的垂向平均流速为28 cm/s，最大流速为54 cm/s；C2 的垂向平均流速为21.3 cm/s，最大流速为44.4 cm/s；C3 的垂向平均流速为18.8 cm/s，最大流速为47.1 cm/s；C4的垂向平均流速为16.4 cm/s，最大流速为40.2 cm/s。调查海域自外向内流速逐渐减小，调查时段内调查海域的平均流速为23.6 cm/s。

图3 11月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

图4 8月大潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

图5 8月小潮各站位海流流速（cm/s）及水深（m）

（3）8月大潮：如图4 所示，C1 的垂向平均流速为29.7 cm/s，最大流速为75.9 cm/s；C2 的垂向平均流速为28.4 cm/s，最大流速为57.8 cm/s；C3 的垂向平均流速为21.1 cm/s，最大流速为49.8 cm/s；C4的垂向平均流速为19.2 cm/s，最大流速为53 cm/s。调查海域自外向内流速逐渐减小，调查时段内调查海域的平均流速为29 cm/s。

（4）8月小潮：如图5 所示，C1 的垂向平均流速为28.7 cm/s，最大流速为67.4 cm/s；C2 的垂向平均流速为23.8 cm/s，最大流速为51.3 cm/s；C3 的垂向平均流速为22.9 cm/s，最大流速为44 cm/s；C4 的垂向平均流速为15.8 cm/s，最大流速为38 cm/s。

综上所述，调查海域流速空间分布特点：水平空间内，自C1 站（海）至C4 站（岸），流速逐渐减小；垂向空间内最大流速绝大多数出现在表层调查时段内调查海域的平均流速为26.4 cm/s。季节变化特点：8月流速较大，最大流速为75.9 cm/s，平均流速为27.7 cm/s；11月流速较小，最大流速为60 cm/s，平均流速为23.4 cm/s。

2.2.2 悬沙浓度

（1）极值分析。图6 所示为天津港各时期、各站位的悬沙浓度，从时间上来看，8月大潮期间几乎在各观测点、各层次的悬沙浓度最大，最大可达91.8 mg/L，其次是8月小潮和11月小潮，而11月大潮期间相应的悬沙浓度最小，基本在5.0～8.0 mg/L；从垂直空间上来看，各个时期底层的悬沙浓度最大，表层或次表层相应浓度最小；

（2）特征值分析。为了弄清楚不同时期水平空间上的悬沙浓度分布，本文采用黄才安等（1999）的垂向平均法求出各站点不同时期的悬沙浓度，

根据实测数据，垂向上分为6 层，为了离散化公式（1）中的积分，将相邻两层的悬沙浓度的平均值和它们之间的水体厚度代入公式可得

即

图6 天津港11月和8月各站位随时间变化的悬沙浓度（mg/L）

运用上式可以计算各观测点在不同时期的垂向平均悬沙浓度，如表1 所示，可以看出绝大多数情况下，8月大潮垂向平均悬沙浓度最大，11月大潮最小，与极值分析结果相同；在水平空间上，C3和C4 站位的悬沙浓度较大，而离岸较远的C1 和C2 较小。

表1 天津港不同时期垂向平均悬沙浓度（g/mL）

通过上面的分析很容易发现，11月小潮期间的观测结果不符合规律，原因在于天气状况，观测期间风浪大，此时水体的含沙量的主要因素变为风浪掀沙，尤其是11月小潮C1 站的悬沙浓度变得异常大，此时水体的含沙量是悬沙和风浪掀沙的合量。

2.3 天津港航道悬移质输沙率的计算方法

用于研究悬沙浓度垂线分布的理论有很多，如扩散理论、能量理论、相似理论、混合理论和随机理论等。这些理论虽然出发点各不相同，但是每种方法都有各自的特点，适用于不同状况悬移质的计算。

基于观测数据，本文采用的是海港水文规范中含沙量的计算方法，由于海流的流速是一个矢量，所以在进行计算是先分别计算u 方向（正东方向为正）和v 方向（正北方向为正）的悬沙输沙率，然后再利用矢量合成的方法得出总的输沙率的大小和方向，下面就以u 方向为例介绍一下输沙率的计算方法，如式（3）所示，

同理可求得南北方向上的悬沙输沙率qs，v，运用矢量合成，最终可以得到某一截面上的悬沙输沙率的大小

和方向（与正北方向夹角，单位为°）

得到的θ 是-90°～90°的值，可以根据qs，u和qs，v的符号进行调整，确定最终流向（0°～360°之间）的数值。

2.4 计算结果及讨论

运用上面给出的计算方法和海洋调查获取的海流及悬沙浓度资料，分别对天津港8月和11月的大小潮的净输沙进行计算，所得结果如表2 所示。

表2 8月和11月天津港各站点的输沙率及方向

（1）从时间的变化上来看，8月大潮期间，4个站点输沙方向均为东北方向，4 个站位单宽输沙率为0.35～0.85 kg/s·m，C3 站较大，8月小潮期间，C1、C2、C3 站点输沙方向为东北方向，C4 站位输沙方向为偏西北向。而到了秋季，11月大潮期间，各站点输沙率很小，C3 稍大为0.18 kg/s·m，方向为北向，小潮期间，4 个站位输沙率依然较小，输运方向也都是偏东方向。

调查海域调查期间的主要输沙方向为东北向，其中8月输沙率较大，大、小潮的平均单宽悬沙输沙率为0.39 kg/s·m，11月输沙量较小，大、小潮的平均单宽悬沙输沙率为0.15 kg/s·m。

（2）从各个站点的情况来看，C3 站点在各个时期的输沙率都比较大，各个季节基本都是偏东北方向，C1、C2 次之，方向也基本为东北方向，只有C1 和C4 点在秋季大潮时期出现了偏西方向也就是向港内方向的泥沙输运。

假定C4 向C1 的方向即东向为正方向，由表1计算各个站点在该方向的泥沙输运，以获得天津港航道上的泥沙输运的基本情况，结果如表2 所示。

由表2 可以看出，在观测期间天津港绝大多数时间各个站点的泥沙输运都是东向的也就是离岸方向，只有少数情况下是向岸方向的，并且向岸的输运都非常小。就各个时间累积的总体来看，4 个站点的计算结果都是离岸方向的，其中C3 站点的离岸趋势最大，而距离岸边最近的C4 点趋势最小。

图7 天津港不同时期悬移质计算结果的对比

表3 天津港4 个观测点的悬移质输沙率（kg/s·m）

3 小结

本文运用天津港附近4 个站点的实测海流及悬沙浓度数据对单宽悬移质输沙进行了计算，初步获得了港区附近悬移质输运在空间和时间上的特征，8月（丰水期）较11月（枯水期）悬移质的输运更强一些，C3 站的输运最大，离岸最近的C4 站输运最小，而且两个月份的总体趋势在各个站点都是离岸输运的。

当然，本文计算的只是得到了港区及航道附近泥沙输运的一种主要方式——悬移质的输运特征，不能代表全部的泥沙输运，如底部的推移质运动等，今后的工作中一方面要继续观测本港区的悬移质输运情况，以便获得更多的数据来进一步分析、统计悬移质的输运量和主要方向，另一方面也要加强对整体泥沙输运的研究，比如观测方法的改进、利用悬移质输运计算整体泥沙输运的方法以及运用实测数据建立泥沙输运的合理数值模型等等。

黄才安，梅小文，1999.垂线平均含沙量两种表述方法之比较.泥沙研究，1：70-73.

倪晋仁，1990.关于悬移质输沙率计算模式的探讨.水利学报，第8期，10-19.

李朝新，刘振夏，胡泽建，等，2004.泉州湾泥沙运移特征的初步研究.海洋通报，23（2）：25-30.

赵冲久，秦崇仁，杨华，等，2003.波流共同作用下粉沙质悬移质运动规律的研究.水道港口，24（3）：101-108.

张瑞，汪亚平，潘少明，2008.近50年来长江入河口区含沙量和输沙量的变化趋势.海洋通报，27（2）：1-9.

孙连成，2006.天津港工程泥沙研究及其进展.水道港口，27（6）：341-347.

刘勇胜，陈沈良，李九发，2005.黄河入海水沙通量变化规律.海洋通报，24（6）：1-8.

交通部第一航务工程勘察设计院，1999.海港水文规范，113-115.

孙连成，2003.天津港水文泥沙问题研究综述.海洋工程，21（1）：78-86.