天津港30万吨级航道建成后港区泥沙回淤分析

刘维利，温春鹏

(1.天津港(集团)有限公司，天津 300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

天津港地处渤海湾西端，位于环渤海地区港群的中心位置，连接东北亚与中西亚，是京津冀的海上门户，是新亚欧大陆桥重要节点、21世纪海上丝绸之路战略支点。天津港是建立在淤泥质浅滩上的港口，在其发展历程中，泥沙的淤积问题曾经是制约天津港发展的因素，经过几代人的共同努力，随着港口深水化、专业化战略的实施，天津港由严重淤积型港口逐渐转变成为了目前的轻淤型港口，港口的吞吐量也从原先的几百万吨上升至数亿吨。

为了配合深水化建设，天津港航道等级也在不断的提升，相继完成了10万t级、15万t级、25万t级航道工程的建设，水深由-13.9 m增加到-19.5 m。目前，天津港30万t级航道工程也已经竣工，30万t级船舶可自由进出港口，天津港已成为世界一流的人工深水港。

天津港以往的泥沙研究[1-8]较多，而30万t级航道建成后的研究相对较少，泥沙淤积仍然是港口关心的主要问题，为保证航道的通航要求，天津港每年都要对航道进行维护疏浚，而掌握港口的回淤状况和规律，不仅与港口的维护疏浚费用直接相关，而且对港口的建设与发展十分重要，由于天津港泥沙淤积问题十分复杂，与水文特征、泥沙特性、港口边界等多种因素有关，因此，本文将从以上几方面展开分析，分析论述天津港30万t级航道条件下的泥沙淤积规律，以期为天津港每年度的维护疏浚计划的制定提供依据。

1 港口现状

天津港是中国最大的人工港，港区面积近300 km2，其中陆域面积107 km2。港区共有各类泊位143个，码头岸线长31 366 m，设计通过能力3.690 8亿t泊位。根据已批复的《天津港总体规划》，天津港将形成“一港八区”的空间格局，即形成北疆、东疆、南疆、大沽口、高沙岭、大港、海河和北塘八个港区。其中，30万t级航道所处的北疆港区以集装箱干、支线运输为主，兼顾钢铁、粮食、商品汽车等货类运输的大型综合性港区。依托天津港保税区、北疆集装箱物流中心，发展现代物流、保税仓储、金融商贸、航运服务等功能。

天津港主航道于1952年开通，为单向航道，航道底宽60 m，设计底标高-6.5 m，经过多年的发展，相继完成了10万t级、15万t级、25万t级航道工程的建设，目前，天津港30万t级航道也已竣工验收，航道长度47.5 km：航道里程12+200～36+000段，设计底标高-22.0 m，通航底标高-21.4 m，航道有效宽度397 m；航道里程36+000以外段，设计底标高-22.0 m，通航底标高-21.4 m，航道有效宽度为320 m。在主航道两侧建有万t级小航道(航道里程15+0～22+5附近)，宽度100 m，设计底标高-9 m，大小船分道航行，互不干扰。

图1 天津港航道现状平面图Fig.1 Sketch of navigational channel in Tianjin Port

2 港区水文泥沙条件

2.1 潮流

天津港水域在各个不同阶段进行过多次的水文观测，根据观测资料也可以发现，各个阶段的潮流特征并未出现明显的变化：(1)天津港潮波具有明显的驻波特征，即在高、低平潮时流向转折，流速最大时刻出现在中潮位附近。(2)天津港海域潮流运动基本呈现往复流特征，外部涨潮主流向WNW，落潮主流向ESE，近岸时，受港口建筑物的影响，水流呈现沿岸或建筑物边缘流动，港内流速受边界的控制，形成口门段流速最大，越向港内流速越小。整体来看，天津港海域的流速呈现近岸小、外海大的分布趋势，另外，本海域各个位置的流速均呈现涨潮流速大于落潮流速的特征，最大流速可达1 m以上。

2-a 涨潮情况 2-b 落潮情况图2 天津港流场模拟情况Fig.2 Simulation of the flow field in Tianjin Port

2.2 波浪

图3 天津港海域风浪玫瑰图Fig.3 Wind and wave rose illustration of Tianjin Port area

天津港海域波浪由纯风浪和混合浪组成，且大风时产生大波浪的主要因素，风浪为海区的主导波浪。由于海域波浪以风浪为主，变化特征与风场变化对应，因此，波浪特征具有明显的季节性变化：春季(3～5月)风浪多来自NE—E向，为强浪季；夏季(6～8月)风力小、波浪偏小，为弱浪季；秋季(9～11月)为过渡性季节，大浪多来自NW—E向，NW向为最强；冬季(12～2月)波浪主要来自NW向。对于天津港地区而言，NW—NNW向为顺岸及离岸向，对港区影响相对较小，而ENE—E向是产生泥沙运动较为强烈的主要浪向，在此影响下天津港的淤积现象也最为严重。

2.3 水体含沙量

天津港海域泥沙的运动形式主要是以悬沙输移为主，在波浪和潮流的共同作用下，滩面泥沙被起动悬扬，在水流的带动下运移到开挖水域，随着流速的降低，部分泥沙开始逐渐落淤，即通常所说的“波浪掀沙，潮流输沙”。由此来看，水体中含沙量的大小直接关系到港区的淤积情况，因此，了解含沙量的大小和分布情况，对于掌握泥沙淤积规律至关重要。

天津港所处海域的含沙量纵向分布呈现由岸向海逐渐增大的规律，-2 m等深线含沙量在0.1～0.2 kg/m3之间，-5 m等深线处含沙量在0.1 kg/m3左右，再向外含沙量逐渐降低，整体来看海区在小风天时的含沙量相对较低，较高的含沙水域主要是集中在破波带以内。

对于天津港港区来看，含沙量分布口门外大于港内，且港内以远离口门的港池内端含沙量最小，口门以外的平均含沙量约为0.1 kg/m3，港内的含沙量在0.01～0.06 kg/m3之间，涨、落潮时的含沙量在平面分布上基本相同，但在数值上涨潮略大于落潮。

2.4 底质情况

从实测资料来看，天津港的底质情况有以下特征：

(1)本海域表层沉积主要是以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，粘土含量平均为32.9%。

(2)该海域的沉积物粒径偏细，中值粒径在0.005 4～0.007 8 mm之间，平均为0.006 2 mm，粒径级差小，变化幅度不大：从横向分布看，天津港的底质泥沙基本呈现出港内泥沙较细，口门至外海由粗到细的分布规律；从纵向分布看，沉积物粒径最细的区域分布在主航道以北，分布面积较大，另外在靠近锚地区航道以南也有大面积的分布；大于0.007 mm粒径的区域南侧多于北侧；从时间分布看，夏季为小风浪季节粒径较细，冬季为强风浪季节泥沙粒径较粗，这与含沙量的变化也是相应的。

(3)本区沉积物分选系数在1.06～2.39之间变化，属于分选程度中常范畴。

图4 底质情况示意图Fig.4 Sketch of sediment condition

2.5 泥沙来源

建闸前，海河口多年平均入海沙量428万t，这些泥沙是影响河口冲淤变化的主要来源，但在1958年河口建闸后，随着上游下泄径流的日趋锐减，入海泥沙越来越少。据1958～1995年资料统计[9]，多年平均入海沙量仅为10万t，呈逐年递减的趋势，特别是在1980年以后，河口下泄径流量和泥沙量几乎接近于0，因此入海泥沙已不是该海区泥沙的主要来源。

海河口浅滩上的细颗粒泥沙被风浪掀起，并在潮流作用下有规律的冲蚀输移浅滩的泥沙，使悬扬起来的泥沙随涨落潮在河口区来回运移、沉积或冲刷，这是该海区泥沙运动的主要形式。根据悬沙遥感分析，含沙量相对较高的区域主要集中的近岸地区，且悬沙运动主要为浅滩水域的局部泥沙搬运，因此近岸浅滩泥沙的起动与搬运成为海域泥沙主要来源。

3 回淤泥沙的水力特性

泥沙的物理特性以及水力特性是分析港口泥沙淤积的重要参数，因此，弄清楚天津港淤积泥沙的基本特性可为分析天津港现状情况下的淤积规律提供更加可靠、准确的依据。

泥沙水力特性包括泥沙的起动流速、沉降速度和密实情况等。

(1)起动流速。泥沙的起动流速是泥沙运动的重要参数，泥沙起动流速是反映床面上泥沙由静止状态到开始运动、悬扬的临界水流条件，对于计算港池航道的淤积情况具有重要的意义。

起动流速的测定一般在环形水槽或者长水槽中进行，泥沙的起动与泥沙达到的湿容重、水深、波浪等诸多因素有关，在测定过程中将综合考虑这些因素，根据交通运输部天津水运工程科学研究所在波流水槽内进行的泥沙起动试验结果(试验中采用的泥沙容重为1 400 kg/m3，水深为0.4 m)，当流速较小时，水体中的含沙量极小，床面泥沙基本保持静止状态；随着流速的不断增大，床面部分泥沙发生运动，含沙量数值有所增加；当流速达到0.5 m/s时，水体明显变浑浊，水体含沙量明显增大，之后随着流速的增加，含沙量也持续加大，因此将0.5 m/s确定为泥沙的起动流速，转换成摩阻流速为2.04 cm/s。

(2)沉降速度。泥沙沉降是测点泥沙在水中的下沉速度，称为沉降速度或简称沉速。泥沙在水流中的沉降速度受泥沙粒径、含盐度、含沙浓度、水体温度等多种因素影响。为了能确切地反映在工程区域水流、含盐度等自然状态下的泥沙沉降速度，采用现场实测资料统计的悬浮泥沙含量分析结果和工程区多年平均盐度，在环形水槽内展开泥沙动水沉降试验，通过试验分析，发现：泥沙沉速除了受本身特性控制外，还与周围介质条件(含沙量、流速等)有密切的关系：初始含沙量对沉速的影响较大，在一定范围内沉速与含沙量成正比，含沙量越大，沉降速度越大；另外，沉速也随水流流速的变化而变化，流速越大，对泥沙沉降的阻力越大，泥沙沉速越小(表1)。

表1 天津港港池航道回淤物沉降速度Tab.1 Settling velocity of sediment in the basins and channels of Tianjin Port cm/s

注：初始条件为含盐度30‰、温度20℃

图5 航道回淤物密度变化情况Fig.5 Density variation of sediment in channel

以往研究表明，细颗粒泥沙在静水中沉降有两种形式，一是泥沙属于分散体系，每个颗粒在沉降过程中各自的沉速；另一种则是在含沙量达到一定程度后，呈现出一个明显的清浑水交界面，清浑水交界面的沉降速度可分为3个阶段：一是均匀沉降段、二是过渡沉降段、三是压缩沉降段。均匀沉降段的沉降速度在航道回淤计算和疏浚挖泥中具有重要意义。一般来说，泥沙粒径是影响密实速度的重要因素，粒径越细密实越为缓慢，根据密实试验结果(密实筒高度3 m、含盐度30‰、温度20℃)，利用天津港航道回淤物配置的初始容重为1 050 kg/m3的泥样在密实60 d后平均容重可达到1 410 kg/m3。

4 港区淤积情况分析

目前天津港口门位置位于-5 m等深线，至此含沙量比较低，口门处年均含沙量约0.1 kg/m3。30万t级航道工程实施后，根据实测水深数据以及数学模型对港池航道的淤积情况进行了模拟和统计。

图6 30万t级航道(12+0～47+5)沿程淤积强度分布情况Fig.6 Distribution of sediment thickness in 300,000 dwt waterway(12+0～47+5)

首先，利用2016～2017年天津港实测水深图提取出固定断面的实测水深数据，并计算各断面的平均水深和各月份的水深变化情况，以此来统计分析港池、航道的淤积强度和淤积量，之后利用波浪潮流泥沙数学模型对30万t级航道条件下港区的淤积情况进行了模拟，并与基于实测水深图分析的淤积分布进行对比，从而提高结果的准确度。

4.1 航道淤积情况

(1)口门以里由于回流的存在，流速相比口门(位于航道里程16+0处)有所降低，30万t级航道内的落淤泥沙略有增多，该段最大年淤强位于航道里程15+0附近，约为0.72 m/a；港内落淤的泥沙主要是外海涨潮流挟带进港，从口门向里，含沙量沿程落淤，随流速和含沙量的逐渐减小，航道内淤强呈递减趋势。

(2)口门以外航道的主要淤积部位在16+0～25+0段，最大淤强位于航道里程18+0，约为0.75 m/a，沿航道里程向外，流速增加，含沙量减小，淤强分布也呈减小趋势。

总体来说，天津港航道主要淤积部位在12+0～25+0段；淤积分布呈双峰型，口门内外两侧淤强较大，然后沿航道向两侧，淤强呈减小趋势；航道12+0～47+5段最大淤强约为0.75 m/a，位于航道里程18+0处，总淤积量约433万m3。

(3)北侧复式航道年平均淤强为0.35 m/a，淤积量为100万m3；南侧复式航道年平均淤强为0.30 m/a，淤积量为22万m3；主航道0+0～12+2段，淤积量为96万m3，北航道平均淤强为0.20 m/a，淤积量为69万m3。

表2 航道淤积情况汇总表Tab.2 Summary of the channel siltation

4.2 港内淤积情况

(1)泥沙随涨潮潮流进入口门后，由于口门段回流的存在，流速降低，水中悬浮的部分泥沙开始落淤沉积，较细颗粒随水流向港内继续运动并不断落淤；距离口门越远，水体中剩余的泥沙含量就会越低，因此，离口门越远的区域淤强越小。

式中：u为负荷转移路径需要的联络开关数量；k为此条转移路径的每一个联络开关；Ck为此联络开关闭合所花费的时间，Ck可以取标幺值，其基础量纲可根据实际设置。

(2)北航道附近港池的淤积分布与主航道基本一致，但由于北航道处港池挖深较小、落淤率较低，涨潮时水流先进入主航道再流入北航道，水体中挟带的泥沙较主航道有所减少，因此，北航道处港池的淤积强度要略小于主航道处港池。

(3)30万t原油港池设计水深21 m，与航道水深相近，位置处于航道里程14+0南侧，最为靠近口门，因此，在所有港池中淤积最重，年平均淤强为0.81 m/a，沿口门向里淤强逐渐降低，到达一港池处淤强降为0.10 m/a。

天津港港池泊位总面积756.3万m2，淤积量为259万m3。

4.3 影响淤积的主要因素

天津港是建立在淤泥质浅滩上的港口，悬沙落淤是港口淤积的主要形式，一般来说，以悬沙落淤为主的港口，回淤强度与进港水体的含沙量、港池航道的开挖水深、港内未开发利用的浅滩水域面积以及一些工程建设有关。目前，天津港未有大规模的工程建设，防波堤及码头岸线已基本固定，水动力和泥沙环境也基本稳定，因此，造成直接影响的主要因素如下：

(1)进港水体含沙量。天津港整体上属于双堤环抱式港区，对于这种港区来说，进港水体的含沙量越大港内的淤积情况就越为严重，而水体的含沙量数值又与风浪的强弱、时长成正比关系，因此在大风期间，水体含沙量明显升高，港内的淤积也明显增大。另外，含沙量的平面分布特征也直接决定了港内泥沙的淤积分布特征，港内泥沙主要是涨潮流带入的，随着泥沙的不断落淤，水体含沙量沿程逐渐减小，距离口门越远的区域淤积就越小。

(2)疏浚工程。天津港每年都会对港区进行维护疏浚施工，挖泥船在施工过程中，由于机械的扰动等因素，导致底床大量泥沙被起动悬扬，使得施工区附近的水体含沙量明显增高，当这部分泥沙运移到掩护区域时会逐渐落淤，直接影响其他区域的淤积情况，另外航道维护中采用的耙吸挖泥船在施工过程中有一道溢流工序，尽管溢出的是含泥沙浓度稍低的泥浆，但因溢流流量大，也会对四周水域造成二次回淤。

5 结论

通过对天津港海域水文泥沙环境以及港区回淤泥沙水力特性的分析，并结合实测水深数据以及数学模型计算，对天津港30万t级航道条件下的港区淤积情况进行了综合分析，得到以下结论：(1)天津港海域泥沙的运动形式主要是以悬沙输移为主，在波浪和潮流的共同作用下，滩面泥沙被起动悬扬，运移到开挖水域时，随着流速的降低，部分泥沙开始逐渐落淤，这是造成港区淤积的主要泥沙来源和原因。(2)港池航道回淤物的整体规律表现为港内泥沙较细，口门至外海由粗到细的分布规律，且回淤物主要是以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主。(3)天津港航道主要淤积部位在12+0～25+0段；淤积分布呈双峰型，口门内外两侧淤强较大，然后沿航道向两侧，淤强呈减小趋势。(4)泥沙随涨潮潮流进入口门后，随着流速的降低开始落淤沉积，因此港内的淤积分布表现为距离口门越远的区域淤强越小。(5)进港含沙量的大小以及疏浚工程将会对天津港港池航道的淤积产生直接影响。

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