渤海湾南港工业区港池航道回淤研究

孙 波，孙林云，韩 信，刘建军，肖立敏

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 河海大学 港口航道及近海工程学院，江苏 南京 210098；3. 水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，江苏 南京 210029)

渤海湾南港工业区港池航道回淤研究

孙 波1,2，孙林云1,3，韩 信1,3，刘建军1,3，肖立敏1,3

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 河海大学 港口航道及近海工程学院，江苏 南京 210098；3. 水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，江苏 南京 210029)

天津南港工业区位于渤海湾典型的淤泥质海岸，其港区为环抱式有掩护的平面布局，规划建设10万吨级航道。为准确预测港池航道的泥沙回淤状况，采用双向嵌套网格建立波浪潮流共同作用下的泥沙运动数学模型，考虑波浪辐射应力作用，以及波浪引起的紊动和波浪增强海床底部切应力对悬沙输移的影响。模型选取现场实测大潮作为代表潮，以工程海域附近测波资料的能量加权平均结果作为代表波，对邻近的天津港15万吨级航道年均回淤进行了验证，确定数学模型中相关泥沙运动与底床冲淤的计算参数。在此基础上，数学模型预测了南港工业区规划的港池航道总的年均回淤量，与天津港主航道资料类比，计算的南港工业区港区10万吨级航道泥沙回淤分布与淤积总量是合理的。

波流共同作用；悬沙输移；航道回淤；南港工业区

新建港口的港池航道泥沙淤积量及其分布，直接用于评估港口基建投资和运行维护成本，是港口规划设计中的关键技术参数。南港工业区位于渤海湾西岸，邻近天津港主港区和黄骅港，此两个港口在其建设历程中均受到过泥沙淤积量大的困扰[1-2]。文献[3]通过对海床底质进行分析，认为南港工业区与天津港主港区泥沙性质一致，属于淤泥质海岸，不同于归类于粉沙质海岸的黄骅港。

对于港池航道泥沙回淤的研究方法或技术手段有：经验分析、数值模型和物理模型。经验分析法多应用经验或半理论半经验关系式，可对规划的海岸港口航道工程泥沙淤积进行快速估算，也可依据已建航道的疏浚资料对航道工程的改扩建方案泥沙回淤给予预测。回淤分析方法的计算关系式中一般包含经验参数，且采用特定资料率定的参数不一定适用于其它海域。在对海岸泥沙运动的逐步认知和工程案例的积累下，经验分析法仍在发展中，在实际工程中依然得到大量应用[4-5]。

经验分析方法的物理概念大多建立在简单概化的航道与潮流(或包括波浪作用)在一定交角下部分泥沙落淤，针对受防波堤或其它水工建筑物影响下的复杂水流流态或波浪动力场，其适用性受到限制。根据泥沙运动特性和实测资料佐证[5-7]，航道内淤积较为严重区域大多位于潮流及波浪运动复杂的港区口门附近，故对具体工程的精细模拟与预测，往往需要运用精度更高的数值模型方法或物理模型试验。

南港工业区在独流减河口开挖港池航道，其航道等级为10万吨级，有效宽度300 m，底标高-15.0 m(当地理论基面，下文中高程均为此基面)，航道长度46 km。通过建立波浪和潮流共同作用下的悬沙运动数学模型，对邻近海域的天津港主航道泥沙回淤资料进行验证，在此基础上计算南港工业区新建10万吨级航道的年均泥沙回淤分布。

1 天津南港工业区概况

天津南港工业区位于渤海湾西岸的独流减河口海域，见图1所示。沿岸距离约30 km的塘沽海洋站长期潮位观测资料显示，该海域潮汐类型属不规则半日潮，日潮不等现象明显。多年平均潮差为2.43 m，平均海平面为2.56 m，历史最高潮位5.87 m，发生在9211台风期间。南港工业区海域潮流涨落方向较为集中，基本呈现垂直于岸线的往复流；近岸或建筑物附近，局部流向受约束会发生偏转。

在独流减河口东南方向约30 km的7#平台在海图5 m等深线附近，具有1973-1984年的波浪观测资料，其多年平均波浪玫瑰图见图2所示。统计结果表明，7#平台以周期较小的风生浪为主，常浪向为ENE和E，NE～E～SE方向范围年频率为40.71%；强浪向为NE，次强浪向为E。

图1 南港工业区(独流减河口)位置Fig. 1 Location of Tianjin Nangang Industrial Zone

图2 7#平台实测波浪方向频率Fig.2 Wave directions at the platform No.7

渤海湾是典型的淤泥质海岸，根据现场大范围的海床底质采样分析[3]，南港工业区附近海域沉积物平均中值粒径为0.007 mm左右，粒径随水深变化的幅度较小，总体上含泥量大约在30%～40%之间。中值粒径小于0.03 mm且黏土含量占25%以上，在海岸港口工程研究中一般归于淤泥质海岸。渤海湾海床底坡平缓，一般为1/2 000～1/3 000，潮间带宽阔，其典型的“波浪掀沙，潮流输沙”泥沙输运方式，易形成港池航道等人工开挖区的回淤。

2 波流共同作用的悬沙输移数学模型

2.1波流共同作用

波流共同作用的模拟基于波浪辐射应力理论[9-10]，并将波浪辐射应力项加入水流运动方程。数学模型采用Delft3D系统开发，考虑波浪辐射应力项，其描述静压假定下的平面二维不可压缩浅水流动方程如下：

式中：ζ为基面水位，η为基面水深，h=ζ+η为总的水深，u、v分别是x、y方向上的水深平均的流速分量，υH为水平涡黏系数，C为谢才系数，柯氏力系数f=2ωsinφ，其中ω为旋转角速度，φ为纬度。

Fx和Fy分别为x、y方向上水深平均的波浪力。波浪计算采用第三代波谱模型SWAN，考虑波浪传播过程中的浅水变形和折射、底床摩擦和水深变化产生的波浪破碎等能量耗散，并在计算中引入潮流模型的潮位和流场成果[11-12]。波浪力表述为辐射应力Sij的梯度，即：

2.2悬沙输运与海床冲淤变形

针对泥沙中值粒径小于0.01 mm的渤海湾淤泥质海岸，在计算中泥沙将以悬移质输移，其悬沙输运(含沙量)满足以下方程：

式中：c为水深平均的含沙量，ce为水流挟沙力，u和v分别为水深平均的水流流速分量，ws为泥沙沉速，εs,x和εs,y分别为泥沙在不同方向的紊动扩散系数，对于二维模型两者取同一值。波浪对悬沙运动的影响，通过波浪引起的紊动和波浪增强海床底部切应力来体现[13]。

在每个计算步长内的冲淤变化可实时更新地形，水流和波浪的计算亦能根据实时地形自行调整。其中泥沙冲淤带来的地形变化表述为下式：

式中:D和E分别为泥沙淤积量与冲刷量，m为冲刷系数，τcw、τcr,e和τcr,d分别为波流共同作用的底部切应力和判断冲刷、淤积的临界切应力，fmor为地貌加速因子(morphological acceleration factor)[13]。τcr,e、τcr,d和fmor皆为用户输入参数，也是模型验证参数。τcw>τcr,e表明底床冲刷，τcw<τcr,d为淤积，τcr,d<τcw<τcr,e则为不冲不淤状态。

2.3南港工业区模型研究范围

模型采用矩形多重网格双向嵌套技术构建，范围覆盖整个渤海湾，由外海、天津港(图1中A)和南港(图1中B)三部分无缝连接组成。为反映航道与港区平面布置尺度，A和B区域计算网格由外海最小尺度250 m加密至25 m。模型以渤海湾口南北两端潮位过程作为外海边界条件，外海通过与A、B的重叠网格向两个局部计算域传递边界条件，同时接受局部计算域的迭代结果。三个计算域采用相同的初始条件，同时进行迭代计算，在重叠边界上交换数据，达到双向嵌套反馈的数据传递效果。

3 南港工业区泥沙数学模型验证

数学模型建立后，外海边界采用潮位过程作为控制条件，以南港工业区海域2011年6月实测潮位潮流资料作为验证目标。通过调整模型边界的波浪输入条件，使7#平台的波要素计算值与实测波浪资料统计的结果相符，由此得到代表波浪场。按照以上代表性潮位、潮流和波浪动力，以天津港15万吨级航道的年均回淤分布作为泥沙冲淤的验证目标。

3.1潮汐潮流验证

2011年6月在南港工业区(独流减河口)附近海域进行了大小潮9点全潮水文测验，图3中为大潮与潮流点矢量。其时，南港工业区外围堤和独流减河口左岸北防波堤均已形成，渤海湾北部的天津滨海旅游区一期工程、天津港东疆港区、天津临港经济区等均为图中所示围填海轮廓。天津港口门延伸至16+000，航道等级为25万吨级，宽度315 m，底高程-19.5 m，临港经济区航道为10万吨级，宽度270 m，底高程-15 m，航道边坡均为1∶5。在南港工业区10万吨级航道泥沙回淤计算中，岸线与地形将依照围填海形成后的布局。

文献[3]中对3个潮位站大、小潮潮位和各测点流速进行了验证，通过调试模型相关参数，复演的现场潮位过程、流速流向精度满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTST 231-2-2010)要求，模型能反映工程区潮流动力特性。其中验证参数，海床曼宁糙率系数为0.018，水平涡黏系数和扩散系数分别取50 m2/s和10 m2/s。在对航道泥沙年均回淤的模拟中，选取实测大潮过程作为代表潮，经验证的大潮边界条件和模型参数亦作为年均泥沙模拟中的输入条件。需要说明是，天津港15万吨级航道于2003年形成，彼时渤海湾内尚未实施大规模的围填海工程，所对应的海岸岸线如图1中情形，泥沙模型验证亦依照该岸线形态。

3.2代表波波浪场

在模拟一定时段(如数月、一年、多年等)的海床冲淤过程中，必须对时空分布随机的波浪条件进行概化。考虑波浪作用下的泥沙运动，较小波浪因其能量较弱，往往对泥沙运动影响甚微，一般采用波浪能量加权的方法来统计代表波要素更为合理，文献[14]中代表均方根波高表述如下：

式中：n为波能与波高的次方关系系数，一般取为2～3。能量加权的代表波要素统计方法已列入我国《海港水文规范》，即波能与波高成平方关系，代表波高、波向和周期的计算公式分别如下[15]：

式中:Hi,θi,Ti为各统计波级的波高、波向和周期，Pi为对应频率。其中代表周期也可以通过当地实测波高与周期的相关关系来求得。

图3 南港工业区实测大潮与潮流资料Fig. 3 Measured tide and velocity data

图4 渤海湾计算代表波波高与波向Fig. 4 Representative wave heights and directions in Bohai Bay

为了在泥沙运动的模拟中提高计算效率，选取7#平台大于0.5 m波浪的统计波要素作为模型代表波浪动力条件，所得结果为7#平台处的代表波高H1/10为1.13 m，周期3.7 s，年出现频率为33.52%，代表波方向为ENE。图4为渤海湾围填海工程未实施前(天津港15万吨级航道时期)的代表波浪场计算结果。模型中边界输入ENE方向波高为1.42 m，防波堤取反射系数0.3，底摩擦系数为0.01。代表波浪场中较大的0.8 m以上波浪主要出现在独流减河口及其以南海域，天津港以北则波高小于0.5 m。

3.3代表动力条件下含沙量场

传统的现场水文观测取样含沙量分析，由于受天气和海况的限制，只能获取波浪较小情况下的水体含沙量，故一般水文测验所得含沙量较小。在进行年均泥沙冲淤模拟中，含沙量实际为年均代表含沙量，其既包括波浪较小的情况，也包括大风天的强浪情况；故年均代表含沙量难以直接从传统的水文测验中得到，一般由经验分析或根据泥沙回淤状况估算。

图5 代表动力条件下平均含沙量分布Fig. 5 Tide-averaged sediment concentration with representative hydrodynamic conditions

文中以代表潮和代表波作为数学模型的输入动力条件，泥沙粒径按细颗粒黏性泥沙的絮凝粒径0.03 mm考虑，其计算所得的全潮平均含沙量分布即为对应的工程海域代表性含沙量场，见图5所示。从工程海域水体含沙量的分布看，近岸浅水区域由于波浪对底床作用更为明显，沿岸含沙量较大，且随水深加大而显著降低，这一定性特征符合现场观测和经验分析结果。

文献[16]中不同时期天津港口门含沙量分析结果表明，港区口门位于8+800时年均含沙量为0.25～0.3 kg/m3。从图5中可见，模型计算所得的天津港口门含沙量为0.3 kg/m3左右，大致符合以往分析成果。对应于代表水动力，大于0.3 kg/m3含沙量的范围在天津港以南海域分布较广，这与代表波浪场的计算结果对应。本项研究以独流减河口海域的泥沙运动为主要矛盾，故代表动力及其反映的含沙量分布也以该海域为主。

3.4航道回淤验证

天津港5万吨级航道于1997年底建成，全长30 km，航道底宽180 m，底标高程-12 m。2003年天津港完成了15万吨级航道工程，港区口门位于8+800，航道全长为35 km，底宽为234 m，底标高程-15 m。根据航道实测和疏浚资料分析[6,16]的天津港5万和15万吨级航道年均回淤分布见图6所示。航道沿程的淤积峰值在口门外2 km范围内，向外海沿程减小，至航道20 km后基本没有淤积。5万吨级航道最大回淤强度为2.12 m，15万吨级航道为2.43 m，均出现在10+000附近。

天津港5万吨和15万吨级航道淤积峰值相差不大，沿程分布特征基本相同；考虑到本次研究对象为南港工业区10万吨级航道，其设计低标高与天津港15万吨级航道相同，故在数学模型中以天津港15万吨级航道的回淤资料来率定相关计算参数。

图6中短虚线为数学模型计算的天津港15万吨级航道沿程年均回淤分布。与文献资料比较，回淤峰值较为吻合，外航道的淤积曲线基本符合沿程变化特征，计算的航道淤积末端稍远。与分析资料对比，计算的内航道沿程淤积结果低估，计算所得内航道淤积相对集中于口门内8+000附近，在5+000以里即没有淤积。据此所得泥沙相关的验证参数取值为：沉速0.3 mm/s、干容重700 kg/m3、淤积临界切应力1 000 N/m2；冲刷临界切应力与水深相关，-4 m以浅水域为0.2 N/m2、以深水域随水深增加线性增大至-20 m处为1.0 N/m2。

总体而言，数学模型计算的天津港15万吨级航道年均回淤分布，在淤积峰值和沿程分布上基本符合天津港实测资料的结果，模型所选取的动力条件及泥沙运动相关参数，可用于预测天津南港工业区10万吨级航道的年均回淤情况。

图6 天津港15万吨级航道年均回淤验证结果Fig. 6 Verification of annual waterway siltation in Port of Tianjin

4 南港工业区港池航道回淤计算

在以上代表动力场和泥沙验证的基础上，开展天津港大港港区10万吨级航道的回淤计算。鉴于现状条件下渤海湾沿岸已有众多大型围填海及港口工程，在数学模型中计算海域的建筑物均按现状布置。南港工业区港池航道一律采用规划地形，即港内通道及东西两港池均开挖至航道底高程-15.0 m，港区口门对应航道里程约16+000，在航道12+500以里为规划开挖区，口门至港池开挖边线即受防波堤掩护的内航道，波浪计算中考虑各防波堤(均为斜坡堤)的反射系数为0.3。

图7 航道工程方案计算海域平均含沙量分布Fig. 7 Tide-averaged sediment concentrations

南港工业区航道工程方案的计算代表含沙量场见图7所示。从含沙量分布上看，与未填海开发相比，建筑物附近水域因波浪和潮流均有所改变，致其含沙量亦有所差别，总体上依然是浅水区含沙量相对较大。对比大港港区口门和天津港主港区口门，后者含沙量相对较大。

图8为南港工业区航道沿程年均泥沙回淤分布。计算的港区口门处淤强为1.57 m，淤积峰值1.66 m位于口门内航道的中段。图中开挖边线以里的淤积强度属于港池的回淤。根据年均回淤强度的分布，计算的外航道年均淤积量为266×104m3，口门至开挖边线的内航道淤积量为171×104m3，港池开挖区为560×104m3，预测港池航道总的年均回淤量为997×104m3。

天津港15万吨级航道时期[1]，外航道年均回淤量约280×104m3，港池回淤量约330×104m3，总的淤积量为610×104m3。与之相比，南港工业区泥沙数学模型计算的外航道年均回淤量与之相当，口门内的淤积量为731×104m3，约为天津港港池回淤量的2.2倍。对比天津港与南港工业区的水域面积，前者口门8+800以内水域面积约10 km2，南港口门内纳潮面积约为40 km2，前者口门含沙量为0.3 kg/m3，南港口门计算年均含沙量0.15 kg/m3，即以简单的纳潮回淤估算，南港工业区口门内回淤为天津港的2倍左右。由此说明，数学模型计算的航道和港池回淤量是合理的，可用于南港工业区港口工程的设计。

图8 南港工业区10万吨级航道年均回淤计算结果Fig. 8 Prediction of annual waterway siltation in Tianjin Nangang Industrial Area

5 南港工业区港区航道骤淤问题

骤淤现象是指特定条件下产生的泥沙快速淤积，其具有发生过程短、回淤强度大的特点，往往影响港口或航道的正常使用和造成船舶搁浅等事故。我国海岸港口航道骤淤问题始见于20世纪50年代的天津港，当时的骤淤现象以巨厚的浮泥形式出现在港池航道内，严重影响船只的航行和靠泊，成为淤泥质港口发展的严重制约因素。在淤泥质海岸地区，骤淤往往与浮泥形成及运动紧密相关。

淤泥质海岸的泥沙，由于颗粒较细，沉降速度较慢，在波浪和潮流动力作用下，泥沙悬浮在水中，随水体运动，其运移形态主要以悬移为主，在开挖的航槽或港池中，淤积物初期往往呈浮泥状态。浮泥的颗粒极细，中值粒径小于0.005 mm，密度很小，其界限约为1.05～1.25 kg/m3，属于非牛顿流体，浮泥多出现在航道和锚地等深水区[17]。

进入航道的浮泥，其固结过程需要相当长的时间，在某一容重范围内的浮泥层并不影响船舶通航，可视为航道水深的一部分，即所谓的“适航水深”。目前，我国港口工程界认为底质泥沙粒径分布较广的粉沙质海岸易发生骤淤，淤泥质海岸由于泥沙粒径分布相对单一，较少出现骤淤现象。如2003年10月10日的一场40年一遇大风，天津港航道最大淤积厚度仅0.2 m，而在粉沙质海岸的黄骅港航道最大淤积厚度为3.5 m，京唐港航道最大淤积厚度为5.1 m。通过多年的实践证明，天津港已不存在泥沙骤淤的问题[1]。

根据以上分析与计算，南港工业区泥沙运动特性总体上与天津港主港区相同，除邻近海域波流共同作用下的悬沙输移外，并无外来泥沙，可以认为南港工业区港区亦无航道骤淤之虞。

6 结 语

海岸港口的淤积较为严重区域大多位于潮流及波浪运动复杂的港区口门附近，准确预测港池航道的泥沙回淤分布需借助于数模模型方法或物理模型试验。采用双向嵌套网格建立天津南港工业区波浪潮流共同作用下的泥沙运动数学模型，选取2011年6月现场实测大潮作为代表潮，以工程海域附近7#平台波浪资料的能量加权平均结果作为代表波，以天津港15万吨级航道年均回淤为验证目标，计算结果在淤积峰值和沿程分布上基本符合天津港实测资料。与天津港研究的年均回淤量类比，数学模型计算的南港工业区港区10万吨级航道泥沙回淤分布与淤积总量是合理的。多年的实践证明，天津港已不存在泥沙骤淤问题；南港工业区港区泥沙运动特性总体上与天津港相同，可以认为该港区亦无航道骤淤之虞。

南港工业区处于渤海湾岸线的中间位置，正对湾口，缺乏对该海域ENE～E常浪向波浪的掩护条件，其泥沙运动的活跃程度应强于天津港主港区。现今南港工业区港区(天津港大港港区)和主港区相比，两者口门位置均处于-4.5 m等深线附近，相同水深条件下，前者口门含沙量要大于后者。天津港主航道近岸两侧均已完成围填海，即浅水区域活动泥沙来源减少，而南港工业区北侧尚有浅滩存在，综合对比，南港工业区航道与港池的回淤量将大于天津港主港区。

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Prediction of siltation in waterway and basins of Tianjin Nangang Industrial Zone in Bohai Bay

SUN Bo1,2, SUN Linyun1,3, HAN Xin1,3, LIU Jianjun1,3, XIAO Limin1,3

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, China)

Tianjin Nangang Industrial Zone (TNIZ), located in the typical muddy coast of Bohai Bay, is planning to construct a port with a 105DWT entrance channel. To predict the siltation in the basin and the channel of the port, a two-way nested grid numerical model is established to compute suspended sediment transport with wave-current interaction, considering wave radiation stress, wave turbulence, wave enhanced bottom shear stress and their effects on sediment transport. Measured spring tide and velocities are selected as representative current conditions in the model, and energy-weighted-average wave data represent wave conditions. Annual siltation in the 1.5×105DWT channel near the Port of Tianjin is used to verify the model. On this basis, the numerical model predicts the annual siltation in the entrance channel of TNIZ and the results are credible in comparison to the data observed in the waterway of the Port of Tianjin.

wave-current interaction； suspended sediment transport； waterway siltation; Tianjin Nangang Industrial Zone

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.011

1005-9865(2015)06-082-08

2015-04-16

水利部公益性行业科研专项(201301067)

孙 波(1974-)，男，湖北荆州人，高级工程师，主要从事海岸工程与港口开发研究。E-mail: bsun@nhri.cn