国能黄骅港航道近年淤积特征分析

陆伟，张书庄，熊伟

（1.天津水运工程勘察设计院，天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

0 引言

国能黄骅港是我国在粉沙质海岸建设的第1个大型港口，是我国西煤东运第二通道下海的专业港。始建于1997年，建港初期航道泥沙骤淤问题严重，基于大量的研究工作，2004年实施了二期整治工程，防波堤和港口建筑物等陆续建成，近岸海域的潮流和泥沙输运受到影响[1-2]，基本解决了外航道泥沙骤淤问题[3-4]，目前已经形成双堤环抱式，口门位于-6.5 m水深处，对应里程为W10+500的位置。现有航道设计等级为5万吨级双向，设计底宽270 m，设计底标高-14.0 m，航道全长41 km至天然水深处。

黄骅港航道泥沙淤积问题研究是一项十分复杂的课题，多年来开展了大量的数学和物理模型等科研工作[5]，提出了风波能理论，利用“风能-波能-泥沙运动-航道淤积”能量传播模式，建立航道淤积预报系统；建立航道淤积新随机统计理论，建立“航道淤积-风浪”统计概率曲线，提出航道淤积预报随机统计理论[6]。

2005年二期工程整治完成后每年减淤近900万m3，但依然存在一定的淤积情况，本次收集了国能黄骅港航道2017—2021年5 a的大风、水深监测数据及疏浚日报表等资料[7]，计算了大风及对应风能的季节性分布，同时分析了航道近年淤积的时空分布特征以及与风能的相关性，试图通过相关分析工作以有效服务于乘潮通航和合理高效的养护疏浚。

1 大风和风能分布特征

1.1 大风分布特征

黄骅港相关研究表明，当风速达到6级以上且作用时间大于4 h的大风过程能够引起并维持较大的有效波高，波浪动力相对较强，造成航道明显淤积[4]。黄骅港南侧防波堤-5 m水深处测风站已持续观测多年，风速资料具有较好的延续性和完整性。经统计，该站2017—2021年累计5 a间，风速6级以上、作用时间超过4 h的大风共经历118次，其中2021年大风次数明显高于其它年度，达到37次。从风向上来看，全部大风过程主要是以偏N和偏E向的大风为主，分别累计19次、77次，占比16.1%、65.3%。全部大风过程中，7级以上大风46次，其中2020年10次、2021年19次；8级以上大风14次，其中2021年8次；9级以上大风2次，均发生在2021年。从月际分布来看，历年的大风过程主要集中在2—5月及10—12月，分别为54次、37次，占居5 a全部大风过程的45.8%、31.4%。总的来看，黄骅港海域所出现的大风过程季节差异明显，主要集中在春、秋两个季节，冬季次之，夏季最弱。各年度大风月际分布见表1。

表1 2017—2021年黄骅港大风月际分布表Table 1 Monthly distribution of gale in Huanghua Port from 2017 to 2021 次

1.2 有效风能的分布特征

黄骅海域引起航道淤积的泥沙运移形式主要是“波浪掀沙、潮流输沙”，泥沙起动的能量来源于波浪，而本海区波浪主要是风浪，故波浪能量可认为主要来源于风，风对水体输入的能量是由风在水面剪切力对水体做功而形成[8]。经过推算，造成航道淤积的风能应由式（1）[9]表示：

式中：αv为系数，根据已有试验观测资料，其值为0.02～0.03；fw为风摩阻系数；ρa为空气密度；w6、w7、w8、w9分别为6级、7级、8级、9级风速；t6、t7、t8、t9分别为足标对应风级的风时；t0为临界历时。

按上述公式对2017—2021年黄骅港航道区域大风过程的风能进行了统计，结果见表2。

从年度分布来看，近5 a来黄骅港海域2018年和2021年年度风能较大，分别达6.6、8.4，远超近5 a平均风能4.6，实际上1998—2021年的年平均风能也为4.6[9]。风能与台风或大风次数有直接关系。

从月际分布来看，近5 a风能分布主要集中在3—4月、10—11月，占全年的52.4%；其次8月风能也较大，累计达3.4，其主要原因是2018年台风“温比亚”、2019年台风“利奇马”均发生在8月，单次风能分别为2.1、1.1，除台风外的季节性大风并未产生太大的风能。

2 航道淤积时间分布特征

近五年来，黄骅港航道年淤积量在1 560～3 150万m3之间，其中2017年、2019年、2020年均不足2 000万m3，2018年、2021年分别达到3150万m3、2 750万m3，对应5 a年累计全航道平均淤强分别为1.34 m、2.59 m、1.46 m、1.36 m、2.26 m。因现场航道水深测量时间跨度不一致，无法对5 a期间所有淤积均按月进行汇总统计，现按照季度统计全航道平均淤强见图1。

图1 近5 a全航道平均季度淤强统计图Fig.1 Statistical chart of average quarterly siltation intensity of the whole channel in recent five years

从季度分布总体来看，第一、四季度淤积相对典型，但对于2018年、2019年也并非完全如此。我们对各年度大风跟踪监测所反映的淤强结果进行统计，在不考虑非大风影响的正常淤积情况下，2017年2—5月、10月淤强分别为0.28 m、0.68 m，共占年度累积淤强的71.6%；2018年2—4月、8月（台风“温比亚”）淤强分别为1.53 m、0.48 m，共占年度累积淤强的77.6%；2019年2—4月、7—8月（台风“利奇马”）、10—11月淤强分别为0.49 m、0.37 m、0.40 m，共占年度累积淤强的86.4%；2020年2—5月、10—11月淤强分别为0.4 m、0.38 m，占年度累积淤强的57.4%；2021年2—6月、9—11月淤强分别为0.84 m、0.86 m，共占年度累积淤强的75.2%。统计表明，黄骅港航道淤积重点分布在每年的2—5月和9—11月。

另外，以实际年度风能和淤积量为基础数据进行了数值相关性分析，数值过程线见图2，计算线性相关系数R为0.89。

图2 淤积量和风能年度统计图Fig.2 Annual statistical chart of siltation volume and wind energy

分析数据表明，黄骅港航道正常天气下的淤积较轻，骤淤量占全年回淤量的大部分，淤积主要集中在春、秋两季，夏季最弱。在时间分布上除台风影响外，与大风风能的季节性分布吻合，且淤积量与风能具有一定的线性相关性，一般表现为风越大，淤积越重。

3 航道沿程空间分布特征

统计近5 a航道沿程淤强以及口门内外航道淤积量分别见表3、见图3。

图3 近5 a航道年累计淤强沿程分布图Fig.3 Distribution of annual cumulative siltation intensity along the channel in recent five years

表3 近5 a内外航道淤积量统计表Table 3 Statistics of siltation volume of internal and external channels in recent five years 万m3

结果表明，在防波堤掩护作用下，强淤积区段为航道口门内外W6+0—W24+0段，最大淤强出现在W9+0—W13+0段，最大值为7.83 m，位于2021年W12+0位置。W05+0以里、W30+0以外淤积较轻。按内、外航道分，航道淤积主要集中在外航道段，累计占比67%。

不同年份最强淤积重心在口门内外略有变化，主要原因应该是受不同风向的作用。相比其它风向偏E向风作用时淤积重心更偏向内航道。

4 结语

1）大风是黄骅港航道发生淤积的主要诱因，大风所产生的能量与航道淤积量有一定的相关性，一定程度上风能量决定淤积量。

2）从大风、淤积月际分布规律来看，黄骅港航道淤积主要集中在春、秋两季，夏季最弱。在时间分布上除台风影响外，与大风风能的季节性分布吻合。

3）黄骅港大风淤积强度分布主要呈现的特点是掩护段以外的淤积量明显大于掩护段以内，近5 a内、外淤积占比分别为33%、67%。

4）强淤积段分布在口门附近，对应W6+0—W24+0段，淤积重心随着不同风向的作用略有变化，偏E向风作用比N向风作用时淤积重心更偏向内航道。