珠江三角洲河口湾航道整治研究

2019-07-23申其国谢凌峰解鸣晓王亚妮

水道港口 2019年3期

申其国，谢凌峰，解鸣晓，王亚妮

(1. 广东省交通运输规划研究中心，广州 510101；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；3.肇庆鼎湖中学，肇庆 526070)

近年来珠江三角洲航道建设较快，目前已基本形成“三纵三横三线”的高等级航道网[1-2]。航道整治既受河道水沙特性的影响、限制，同时也对水沙特性产生一定的影响。罗敬思等[3]对珠江三角洲网河区航道整治的关键技术进行了研究，认为网河区整治应以疏浚为主；莫思平等[4]研究了磨刀门出海航道的整治问题，提出了其航道选线及治理原则；敖大光等[5]对东平水道航道整治进行了试验研究，认为新建丁坝与锁坝能使东平水道水深增至2.5 m以上、通航1 000 t级船队；黄镇国等[6]分析了珠江三角洲口门近期淤积及其对港口航道的影响，认为伶仃洋西岸的中山港、九洲港回淤较大，航道疏浚后半年或一年半时间即可淤满；罗肇森等[7]分析了台风对珠江口航道的影响，认为珠江口南北向航道受台风影响少于东南向航道；胡煌昊等[8]分析了珠江河口水下三角洲冲淤演变，认为围垦、航道整治等人类活动对河口区水下地形的变化具有十分重要的影响；张蔚等[9]研究了人工采沙及航道整治对珠三角水流动力条件的影响，认为河道采沙增加了纳潮容积、潮汐动力增强；齐庆辉等[10]研究了珠江河口航道整治工程对咸潮上溯的影响，认为航道整治工程使近海地区盐度值有所增大、咸潮上溯距离有所增加，但其影响不是珠江三角洲咸潮上溯的主要原因；俞丰华等[11]分析了珠江河口近30 a的演变趋势，认为近岸浅滩围垦、深水航道疏浚、径潮流作用对拦门沙前缘及其主槽的淤积有控制作用，有利于维持伶仃洋、黄茅海滩槽稳定；吴尧等[12]基于西江高要站、北江石角站、东江博罗站的水沙数据，分析了近50 a来珠江三大支流的水沙关系变化，对航道整治有一定的参考意义。

以上航道整治的相关研究，基本针对珠江三角洲网河区航道或磨刀门出海航道，对河口湾航道涉及较少。珠江三角洲有两大河口湾，分别为伶仃洋与黄茅海，珠江口八大入海口门中有六口门汇入河口湾，其中虎门、蕉门、洪奇沥、横门四口门均汇入伶仃洋，虎跳门、崖门两口门则汇入黄茅海。另外，珠三角河口湾内港口较多，深圳港、东莞港、广州港、中山港、珠海港环绕伶仃洋，黄茅海内有珠海港与江门港，其中广州港、深圳港、珠海港为国家主要港口[13]；广州港、深圳港、珠海港、东莞港为亿吨大港，其2016年的港口吞吐量均在亿吨以上。因此，珠三角河口湾航道整治研究对河口湾的航道开发与港口建设具有重要意义。

注：表中维护水深的基面为当地理论最低潮面。

1 主要航道概况

伶仃洋湾内航道较多，主要有广州港出海航道、深圳港的铜鼓航道、中山港的横门出海航道、珠海港的九洲港进港航道等，黄茅海湾内航道主要为崖门出海航道，分为东、西两条航道。以上航道位置示意见图1、图2，航道现状情况见表1。

图1 伶仃洋主要航道示意图Fig.1 Diagram of the main channel in Lingdingyang-estuary图2 黄茅海主要航道示意图Fig.2 Diagram of the main channel in Huangmaohai-estuary

(1)广州港出海航道。

在20世纪50年代以前，广州港出海航道为自然状态下形成的深槽，后经几次疏浚开挖，到1959年航道已达6.9 m水深。70年代中后期，虎门上游航道水深加至9.0 m、下游航道水深加至8.6 m，2万t级船舶可以乘潮进港。广州港出海航道一期工程(1996～2000年)通过基建疏浚使航道水深增加至11.5 m，二期工程(2004～2006年)通过疏浚使航道水深增加至13.0 m，三期工程分别于2006～2007年使航道浚深至15.5 m、2009～2012年使航道浚深至17 m。在出海航道不断拓宽浚深的过程中，航槽的泥沙回淤并没有成比例增大。据统计，在20世纪80～90年代，出海航道全段每年维护9.0 m水深的疏浚量大约在260万m3左右；一期工程实施后，虎门下游航道年平均淤强为0.38 m/a、回淤量约为240万m3，虎门上游航道年平均淤强为0.18 m/a、回淤量约为60万m3，航道全段年回淤量在300万m3左右，航道增深了2.5 m，回淤量仅增加了约40万m3；三期工程航道浚深至15.5 m后，航槽平均年淤强约为0.67 m/a、年回淤量约为652.3万m3；航道浚深至17 m后，航槽平均年淤强约为0.70 m/a、年回淤量约为712.5万m3，分别增加了约0.03 m/a、60万m3。因此，广州港出海航道的航槽回淤对水深变化并不十分敏感。

(2)铜鼓航道。

铜鼓航道工程于2004年12月开工建设，2007年12月投入试运行，基建疏浚量约3 282万m3。至2009年6月，铜鼓航道主槽累积淤积646万m3、约为基建量的20%，平均年淤强为0.93 m，其中航道中段平均年淤强为0.53 m，航道北段平均年淤强为1.5 m。

(3)横门出海航道。

横门出海航道整治工程于2000年动工，2002年6月交工验收，基建疏浚量为747万m3。至2003年11月，航道回淤234万m3，约为基建量的1/3，平均年淤强为0.54 m；2010年航道的维护疏浚量为362.7万m3；2012年维护疏浚量为100.4万m3。

(4)九洲港进港航道。

九洲港进港航道为九洲港货运码头的配套航道，于20世纪90年代建成，现状通航3 000 t级船舶，航道年回淤量约为62.4万m3，平均年淤强为0.6 m。

(5)崖门出海东航道。

1995年7月崖门3 000 t级出海航道疏浚工程完成，航道水深6.0 m。完工后1 a的回淤量约136万m3；根据1996～1999年间资料，3 000 t级出海航道的年回淤量为89 万m3；2004～2005年航道年回淤量约为107万m3。拦门沙河段是主要淤积区，平均淤强超过0.70 m/a，最大淤强在1.6～1.7 m/a，且回淤主要集中在洪季。

2006年11月崖门5 000 t级出海航道疏浚工程完成，航道水深7.7 m，5 000 t级航道竣工后1 a (2006年11月～2007年10月期间)回淤量相对较小， 2008年、2009年航道回淤较大，主要原因是期间热带气旋、台风次数较多、但无明显的台风骤淤情况。

2 航道回淤影响分析

2.1 上游水沙变化影响

近20多年来，由于珠江中上游水电枢纽的建设和中下游河道大量取沙，上游来沙总量明显减少，并呈逐年减少的趋势，河口区基本没有出现推移质输沙现象，三角洲网河区出现海相淤积的现象；枯季纳潮量明显增大[14]，海相输沙增加，这种变化对河口区的航道回淤规律产生重大影响。如广州出海航道，20世纪90年代以前，航槽回淤时空分布的一般特点是“洪淤枯冲(洪季多淤、枯季少淤)、上冲下淤(上游少淤、下游多淤)”，近年来，由于洪季含沙量减少，水流动力增强，水流处于不饱和夹沙状态，因此，海湾上段出现冲刷或少淤的现象；枯季潮汐及波浪影响加大，海相输沙增加，泥沙向上游输送并出现淤积，出现上游淤积增加、下游淤积减少的现象；与20世纪90年代以前相比，目前广州港出海航道总体上回淤量较少，其中洪季回淤减少、枯季回淤增强，呈现“洪季上冲下淤、枯季上淤下冲”的特点。崖门出海航道总体上来沙量较少，近几年来汛期的来沙量更少，航道回淤主体是波浪掀沙产生的回淤，回淤部位集中在出海段的中下部。

从近年上游来沙分布分析，西江、北江和东江的来沙高峰均集中于6月份，流量的高峰也集中在6月份，水流的含沙量相对较高，同时水流流量大、冲刷能力强，容易将部分枯季向上游输送的泥沙带往河口区。因此，6月份洪水过程的航槽回淤较大，且下游回淤强度大于上游的回淤。

2.2 潮流和波浪变化及影响

从潮流动力和波浪传播特点分析，航道越顺直越有利于水流挟沙能力沿程均衡和潮波的传播，有利于减少航道的回淤和浮泥的存在。

根据珠江口水动力变化分析，洪水期海湾内海相泥沙来量较少，主要悬移质或冲泄质可输移至口外。枯水期潮汐动力增强，海相泥沙滞留点上移，根据广州出海航道和崖门出海航道疏浚后的跟踪调查，在海湾内的航道中基本没有浮泥存在，主要原因是枯水期航道水动力增强；其次，航道浚深后，滩槽之间的高差增大，航道内深潭与浅段的高差则减少、航道沿程河床更趋于平整，使得潮流在海湾传递的分布产生变化、沿深槽的动力进一步增强，波浪传递畅顺、传递速度增大，均有利于减少航道的回淤及浮泥停滞的空间。

2.3 台风骤淤的影响

珠江口区域受热带风暴或台风影响较大，伶仃洋和黄茅海受口门岛屿掩护和海床底质组成影响，开挖航槽的骤淤影响较小，且与波浪夹角越小，骤淤影响越小。根据近年广州港出海航道、崖门出海航道和深圳铜鼓航道的观测，台风期的回淤略大些，但没有出现严重回淤并影响通航的情况，且航道中回淤的范围较广，沿程分布相对较均匀。从各航道骤淤的强度比较，广州出海航道影响最小，崖门出海航道较大，铜鼓航道和横门出海航道最大。从各航道不同开挖深度的回淤分析，与潮流动力及波浪传播方向的夹角越小时，航道骤淤影响越小，淤积分布范围越分散；而与潮流动力及波浪传播方向夹角过大时，则回淤越大、淤积越集中。

2.4 人类活动影响

随着近20多年来珠江三角洲河道的大量取沙，河床大幅下切，珠江三角洲网河的纳潮能力大幅提升。纳潮量的增加使得与潮汐动力相一致的海湾型河口航槽的潮流动力大幅增加[15]，航槽潮流动力增强提高了航槽水流的挟沙能力，可以减少航槽回淤。

另外，近年来珠江口海床取沙加剧，其对伶仃洋和黄茅海的海床形态变化产生重大影响。海床取沙集中在海湾的中上部“三滩二槽”分界点附近，局部大量取沙形成几公里长宽甚至长达十几公里、水深达20 m左右的深潭，局部大型深潭的出现改变局部水流流态，对航道的稳定和局部淤积有一定的不利影响。

3 航道选线分析

航道选择的评价指标有很多，其中航道可挖性和稳定性与航道开挖量和回淤量通常是判断航道选线合理的关键因素。

3.1 选择可挖性好的天然深槽

根据伶仃洋和黄茅海的海床地质分析，海湾型河口区的海床的可塑性较强，海床呈U型或W型分布，深槽的可挖性较好，开挖后的挖槽能成槽，挖槽的稳定性较好，因此，从减少开挖量考虑，航槽选线应尽可能利用天然深槽，航线尽可能顺直减少转折点，这样既节省开挖量，也有利于航行安全和维护管理。另外，天然深槽位置一般也是动力综合作用的反映，是动力相对较优的位置，有利于开挖后的航道稳定。如广州港出海航道选择天然西槽作为出海主航道进行开发；崖门出海航道拦门沙航段也是选择天然深槽作为主航线。

3.2 航槽与潮流主动力线尽量一致

伶仃洋与黄茅海海面较为宽阔，当航道轴线与潮流主流向趋于一致时，随着航槽被挖深，水流动力相应增强，有利于维护槽内水深和槽型稳定；当航道轴线与潮流夹角较大，尤其是切滩航槽，挖槽后潮流动能会损耗，且挖槽越深其动能损耗越大，导致水流挟沙力降低，航槽回淤加大，不利于深水航道开发和维护，且两轴线交角越大、航槽回淤越大，交角过大将造成严重回淤。如深圳西部港区的出海航道——铜鼓航道，其轴线与伶仃洋的涨、落潮主流就交角过大，其相对开挖深度虽然没有广州港出海航道大，但其回淤强度明显大于后者。又如中山港横门出海航道外段，与潮流主动力线交角相当大，且横穿伶仃洋西滩，故其回淤也很大。

另外，伶仃洋与黄茅海落潮流对海床塑造的作用大于涨潮流，故航槽轴线选择尽量以落潮流流向为主，同时兼顾涨潮流流向。如崖门出海航道东航道和西航道的天然深槽及可挖性相差不大，东航道与涨潮动力符合性较好、西航道与落潮流动力的交角较小，西航道的落潮流条件略优于东航道。因此，从涨、落潮动力条件的分析，黄茅海西航道略优于东航道，伶仃洋亦是与落潮动力符合性较好的西槽航道优于与涨潮动力符合性较好的东槽航道。

3.3 航线尽可能避开强浪区

波浪的强度和破碎带的位置对航槽回淤影响较大，波浪大且天然水深较浅的区域受波浪破碎影响，航槽的回淤较大，因此，航槽选线宜选择掩护条件较好的区域。如崖门出海航道的东航道受荷包岛和高栏岛等岛群的掩护，避浪条件较好，尽管从涨、落潮动力条件的分析，黄茅海西航道略优于东航道，但其5 000 t级出海航道依然选择了东航道。伶仃洋西槽受波浪影响要略大于东槽，广州港出海航道历史上的传统航道就选择了东航道为主航道，特别是中小型船舶几乎都从东航道通行，但广州港出海航道在开建深水航道前已论证了伶仃洋东、西槽的泥沙运动受风浪的影响较涨、落潮流向等其他因素的影响小.因此，结合相关研究成果[16],在综合比选基建开挖、航槽稳定、疏浚维护、航行条件等问题后，广州港出海航道选择了西槽作为深水航道的航线。

珠江口的强浪向和常浪向及次常浪向均为东南至南向，在波浪作用下，西滩成为泥沙的主要淤积区域，如伶仃洋的西滩和黄茅海的西滩，故穿过西滩的大型航道回淤较严重，如斜穿伶仃洋西滩的横门出海航道、九洲港进港航道等，其回淤均较严重，因此大型航道选线应尽可能避免穿过西滩。另外，铜鼓航道斜穿伶仃洋中滩，也容易受波浪掀沙回淤影响，回淤量较大。崖门出海航道的拦门沙位于黄茅海湾的中下部，海床水深较浅，经多次观测表明，大风浪是口门段航道发生较大回淤的主要影响因素。

4 航道整治思路

珠江河口湾海床的可挖性好、可塑性强，海面宽阔，海岸的边界距航道较远，结合广州出海航道、铜鼓航道、崖门出海航道等的整治建设经验，可知伶仃洋与黄茅海航道整治的工程措施采用疏浚结合局部碎岩清礁的方法即能达到设计的航道尺度，且航槽稳定性总体较好，无须依靠整治建筑物。

河口湾航道采用分期实施、逐步形成深水航道是积极稳妥的建设方案，这与珠三角网河区床调整及水动力变化是相适应的。首先，由于珠三角网河河床不断下切并向上游延伸，扩大了纳潮容积，使口门外的潮动力逐渐增强，航道小幅逐步加深与河口湾潮动力逐渐变强的过程相适应，可有效减轻航道因浚深带来的增淤影响。其次，深水航道的逐步开发有利于与船舶大型化过程和通航密度需求之间的协调，与航道等级相适应的重载船舶频繁地在航槽中通行，有利于增强槽底水流紊动，减少泥沙沉积，从而减少航道回淤。

综合河口湾航道建设的经验，广州港出海航道和崖门出海航道有进一步提升等级的空间，宜抓住有利时机进一步拓宽浚深以满足大型深水港发展的需要；铜鼓航道是进出深圳西部港区的主要通道，为减少航道回淤可考虑适当调整航道轴线位置，充分利用深槽并减小航道与潮流夹角；横门出海航道与九洲港航道存在靠近西滩浑水区、航线与水流交角过大等不利因素，开发深水航道的时机和条件尚不成熟，不宜过度开发，近期应适当控制航道建设的规模与标准，以满足中小型船舶通行的需求为主。