浅谈黄骅港海域泥沙特性及演变

2018-09-28陈淑青

中国港湾建设 2018年9期

陈淑青

（沧州港务集团有限公司，河北沧州 061113）

0 引言

黄骅港位于渤海湾穹顶处，腹地范围广阔，区位优势独特，是中西部地区最便捷的出海口。港口规划用地面积79.53 km2，布置泊位209个。目前，已建成20万吨级航道及万吨级以上泊位33个。2016年完成吞吐量2.45亿t，增速稳居全国主要港口首位。随着吞吐量的不断增长，港口工程建设也在飞速发展中，外航道整治、防波堤延伸和码头泊位等一系列工程的陆续建成，势必会对港口近岸海域的水动力泥沙环境造成一定的影响。虽然早在黄骅港建港初期就有学者对黄骅的泥沙特性进行了研究[1-3]，但随着工程建设发展，附近海域的泥沙特性必然随之变化。因此，有必要对黄骅港工程建设后的近岸海域的泥沙环境及岸线演变进行分析，为港口的后续建设、运营及航道维护提供重要依据。

本文采用卫星遥感技术及现场实测资料分析的方法，对黄骅港工程海域沉积物分布、海域含沙量分布、岸线演变及等深线变化进行了分析研究。

1 海域泥沙来源及沉积物分布

1.1 海域泥沙来源

黄骅港近岸海域泥沙沉积物主要来源有3个方面：

2）岸线冲蚀泥沙。近几十年来，本海区海岸线在不断冲蚀后退，自1939年特大风暴潮冲刷狼坨子以来，岸线已后退约0.5 km，1970—1987年间贝壳堤被侵蚀达100 m。1954—1986年，冯家堡至狼坨子段岸线年平均后退速度为1.6耀11.3 m，大口河堡贝壳堤年平均后退5.5 m，棘家堡以北的石坨子贝壳堤年平均后退5 m。因此岸线冲蚀泥沙也是本海区泥沙来源的一部分。

3）河流下泻泥沙。大口河由漳卫新河与宣惠河汇合而成。宣惠河流程较小，流量很小，输沙量更少；据四女寺水文站资料分析，漳卫新河多年（1958—1984年）平均流量24.2 m3/s，多年径流量8亿m3，多年平均输沙量274.4万t，1973年在距大口河河口约39.4 km处建辛集挡潮闸，1977—1985年没有径流流到闸下，没有沙量下泄入海。因此，径流来沙对该区没有太大影响。

1.2 表层沉积物中值粒径分布特征

从近海区底质中值粒径等值线来看（图1），航道以南为0.038 3 mm，以北为0.020 4 mm。套尔河口北侧与大口河南侧0耀5 m近岸区域中值粒径最粗，为0.04耀0.60 mm，由此向西北方向呈由粗而细的变化趋势，最细处在0.01 mm以下。航道北侧，由岸至深水区（0耀10 m水深处），泥沙粒径由粗而细变化程度比较明显，而航道南侧由岸边至深水区泥沙粒径衰减程度不明显。在平面的分布趋势上航道南北两侧的沉积泥沙虽然表现出南粗北细的特征，但0~-9.5 m水深内表现出有所细化的特征。分析认为航道两侧防沙堤的建成，阻挡了粗颗粒泥沙向航槽及北侧滩面的运移、致使航道北侧滩面表层沉积物质有所细化。

图1 黄骅港近海区底质中值粒径等值线示意图(mm)Fig.1 Sketch map of median particle size contour of Huanghua Harbor offshorearea(mm)

1.3 表层沉积物类型分布特征

黄骅港海域表层沉积物质分布以砂质粉砂、粉砂、黏土质粉砂为主（图2）。砂质粉砂（ST）在航道以南呈大面积分布，在航道以北仅在浅水区分布，占全部样品的42.33%。黏土质粉砂（YT）在航道以北呈大面积分布，在航道以南仅在深水区分布，占全部样品的40.28%。粉砂（T）在航道两侧砂质粉砂与黏土质粉砂间的过渡带分布，占全部样品的17.40%。

图2 沉积物沉积类型分布示意图Fig.2 Sketch map of sediment type distribution

2 海域含沙量分布

2.1 宏观含沙量背景

从卫星图像看（图3），整个渤海海域水体中悬浮泥沙含量较高的水域集中在渤海湾及莱州湾海域。就渤海湾海域而言，悬沙分布整体呈南大北小的特点，其中天津港至曹妃甸水域处于低含沙区，黄骅港及以东的老黄河三角洲水域均处于高含沙区[4]。

图3 2000年2月遥感卫片Fig.3 Remote sensing satellite in February 2000

2.2 黄骅港海域含沙量分布

本次研究选取了14张不同时期（2004—2012年）Landsat卫星遥感图片（以2007-04-03拍摄的黄骅港海域悬沙遥感影像图为例，见图4所示），包括大小潮、涨落潮和洪枯季以及不同海况（表 1）。

图4 黄骅港海域悬沙遥感影像图（2007-04-03）Fig.4 Remote sensing imagesof suspended sediment in Huanghua Harbour area(2007-04-03)

表1 Landsat-5/7卫星遥感图像日期及海况Table1 Date and sea state of Landsat-5/7 satelliteremote sensing images

通过对遥感影像进行处理，根据实测资料，建立表层含沙量与TM2、TM3波段灰度值之间的拟合关系式[5-6]，从而对遥感图像进行定量分析。从遥感图片上反映出黄骅港海域的悬沙分布具有以下几个明显的特点：

1）从整个海域来看，在横向上由岸至海，不论潮型、风况等因素的变化，该海域含沙量均呈现出从近岸至外海递减的现象，具有明显的层次性；一般天气下，0 m等深线表层含沙量在0.18 kg/m3，-5 m等深线递减到0.10 kg/m3，-10 m等深线则在0.05 kg/m3。沿岸线走向，滨州港套尔河口附近海域的含沙量总体上比黄骅港要大；特别是近岸区比黄骅港海域含沙量明显要大。

式中，ve为弹体向后抛射的销蚀碎片速度;ue为v=ve时,所对应的侵彻速度；ve可通过式(11)计算得出：

2）风浪对黄骅港附近海域悬沙分布的总体变化起着决定性作用，在无风及小风天时，港口附近海域含沙量较低，沿岸高含沙带宽度较窄；而在风浪较大的天气，沿岸高含沙带明显变宽，同时在涨落潮流和波浪的作用下，悬沙向外海和其他地区扩散进而影响到外航道。风向和风速也对海域悬沙分布起着关键作用，特别是北向、东北向、东向等较强风况条件。

3）距港口南侧22 km的套尔河口水域含沙量较高，在风浪作用下，该海域高含沙量影响范围较大。且套尔河口的长堤有明显的挑流作用，在风吹流、沿岸流、潮流、河口射流的综合作用下，特别是在偏S风作用下会影响到黄骅港海域航道的淤积。

2.3 基于实测资料分析

从宏观泥沙背景分析，工程海域处于含沙量较高的区域，同时受风浪影响较大。从2001年以来对本海域含沙量进行了大量观测。

2001年11月26日海面有6级N风，26日、27日连续进行了巡测，结果显示，0 m浅滩上含沙量为1.0耀1.5 kg/m3，神华港全航道巡测平均分别为 0.913 kg/m3和0.531 kg/m3。

2003年秋季在航道南侧采用自动定时水下采样器，对大风过程中的水体滩面以上0.5 m和滩面以上1.0 m水层含沙量进行观测发现：含沙量随波高增加迅速增大，波高减小则迅速减小；风浪加大，上、下层含沙量迅速增长，上层含沙量增长置后于下层，越靠近底部含沙量越高，风浪减小，上、下层含沙量迅速减小，上层减小速度快于下层；滩面以上0.5 m处含沙量比滩面以上1.0 m处含沙量平均高出1.75倍，最小倍数1.01倍，最大倍数达8.75倍。

2004年春季进行了同样的观测，发现大于6级E—NE向风作用4耀6 h后，含沙量迅速增大，峰值一般出现在风速衰减末期，风速衰减后，含沙量迅速降低，上、下含沙量差异很大，越靠近泥面含沙量越大，高含沙量（以逸10 kg/m3计）只存在于靠近底部水体内，其厚度小于0.5 m。

2006年、2007年、2008年在本海区水文全潮观测期间均进行了含沙量观测。从观测结果分析含沙量在平面分布上总体有如下特征：-3 m水深附近实测到最大含沙量为1.3耀1.4 kg/m3，-3~-4 m段含沙量相对较大。在6级风情况下，-4 m水深以内段含沙量均匀分布，风后含沙量在0.81耀0.57 kg/m3范围内。5级风情况下，-4 m水深以内段含沙量在0.55耀0.45 kg/m3范围内，-4 m水深以外段含沙量在0.45耀0.25 kg/m3范围内。小于5级风情况下，现口门段含沙量在0.32耀0.24 kg/m3范围内。

2012年3月25—28日南侧围堰工程附近海域的巡测结果显示，在大口河附近平均含沙量都在1.0 kg/m3以上，全水域巡测平均值介于0.43耀0.68 kg/m3；沿程含沙量由内向外海域逐渐减小，堤头处为最小；大风时除堤头处略小外，内外基本一致。

2014年冬、夏两季水文观测期间，冬季水文测验期间施测海域实测涨、落潮垂线平均含沙量分别为0.194 kg/m3和0.191 kg/m3；夏季水文测验期间施测海域实测涨、落潮垂线平均含沙量分别为0.118 kg/m3和0.146 kg/m3；含沙量总体呈现大潮大、小潮小的特点，平面分布上河口附近含沙量最高，近岸含沙量高于外海。含沙量垂线分布上呈现自表层到底层逐渐增大的特征，正常天气下含沙量垂向梯度变化不大。

3 近期岸滩稳定性分析

3.1 岸线变化

由1983—2013年的岸线变化图（以2003—2013年岸线对比图为例，见图5）可以看出，30 a间除河口位置由于工程建设改变外，北侧区域略有围垦外，岸线整体保持稳定。

图5 2003—2013年岸线对比Fig.5 2003-2013 coastline comparison

3.2 等深线变化

1983—2001年的18 a中，在-2 m等深线以内，0 m等深线除在套尔河口水域有所淤涨外，其余均有不同程度的向岸蚀退现象；在黄骅港航道以南-5.0 m等深线以内大口河附近水域都是处于冲刷状态，-5 m等深线向岸移动距离为0.2 km，年变化率为0.01 km/a；-2 m等深线蚀退了约0.4 km，年变化率为0.02 km/a。-5.0 m等深线以外则处于淤积状态；-10 m等深线整体表现为淤积状态，平均向外海推移了0.60 km，年变化率为0.03 km/a。

由2001—2004年，黄骅港北侧0 m、-2 m等深线有所向岸蚀退，蚀退了约0.15 km，年均变化0.05 km/a；滨州港与黄骅港之间的水域0 m等深线向外有所淤涨，淤涨距离约0.38 km，年均变化0.13 km/a；-2 m等深线向外淤涨了0.23 km，年均变化0.08 km/a；-5 m以外等深线在整个区域都表现为向外淤涨，淤涨距离约为0.3耀0.75 km，年均变化为0.1耀0.25 km/a；-10 m等深线整体向外淤涨约2.1 km，年均变化0.7 km/a。

由2004—2013年等深线变化情况图（图6）的等深线对比看，黄骅港0 m、-2 m等深线向岸有所蚀退；10 m等深线抛泥区附近有所淤涨。