强潮河口进港航道水深保证率分析——以上虞液体化工码头为例

俞婷婷，黄姿菡，杨元平，吴子嵘

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

0 前 言

钱塘江河口段河道宽浅，潮强流急，含沙量高，河床冲淤变幅大，主流摆动频繁[1]，且没有固定的航道，不利于船舶航行及码头作业，河口段航运发展极为缓慢。鉴于钱塘江河口段南岸经济发展，亟需提高钱塘江船舶通航能力，但因该段水域受上游径流和下游潮汐的共同作用，河床冲淤变化剧烈，难以采用设计通航低水位下的水深确定码头通航水深条件，需通过潮位、水下地形联合分析方法得出码头水域通航水深保证率[2-3]。

杭州湾港区液体化工码头位于钱塘江河口尖山河湾南岸上虞、余姚交界，地处河口凹岸（见图1）。

图1 拟建码头布置范围示意图

码头设计为开敞式码头，以油船和液化气船为设计代表船型，等级为3 000 t 级，其中3 000DWT油船满载和空载吃水分别为5.90 m 和4.00 m。实际承运船舶为“南屿6 号”，满载和空载吃水分别为5.00 m 和2.60 m。在径潮流共同作用及人类活动影响下，码头所在河段河床冲淤幅度大，在此自然条件下，进港航道通航水深保证率分析是码头工程建设的关键问题。

以此为例，基于近年来钱塘江河口实测水文、地形资料，对上虞杭州湾港区液体化工码头工程进港航道通航水深保证率进行分析[4]，为该工程可行性研究提供技术支撑。

1 工程河段水文及航道冲淤分析

1.1 水文特征

工程区域潮流性质为非正规半日浅海潮流，最大涨落潮流速出现在中潮位附近，而高、低潮时附近则出现憩流，潮波趋近驻波。涨、落潮流向较为集中，属于较为典型的往复流水域。码头前沿实测最大涨潮、落潮流速分别为4.44 m/s、3.51 m/s。

2009 年5 月以来，对上虞港区进行了连续的潮位观测，港区多年平均高潮位3.93 m，多年平均低潮位-2.20 m，平均潮差6.13 m，多年平均涨潮历时3 h 51 min，多年平均落潮历时8 h 34 min。

1.2 工程河段河床冲淤分析

1）年际冲淤。工程河段河床自2007 年北岸尖山围涂基本实施到位，北岸线向南最大推进约5.5 km，尖山河湾弯道的环流效应增强，凸岸（北岸）不断淤积，尖山河段北岸近岸处河床淤积近1.00～2.00 m。北岸边滩的淤涨，逼使落潮流快速南拐，涨潮流稳定地傍南侧上溯。经南股槽上溯的涨潮流又受到水域内中沙的压缩，致使南股槽的深槽线紧贴沿岸塘脚，随着上虞-余姚河段围垦逐步完成，贴岸深槽不断北推，最终在上虞港区附近形成了贴岸深槽。2007 年以来上虞贴岸深槽处整体冲刷，局部河床在13 a 内冲刷幅度达4.00～5.00 m（见图2）。

图2 2007 年11 月—2020 年11 月河床冲淤图

2）年内冲淤。工程河段2020 年4 月至11 月曹娥江-澉浦河段整体呈淤积态势见图3。河床容积统计结果表明，多高容积减小约0.41 亿m³，年内表现为洪淤枯冲。工程河段河床冲淤主要表现为：一是洪水期北股槽淤积，局部淤高约3.00 m，南股槽-5.00 m 等高线向上游发展，头部位置有所刷深，局部刷深约2.00～3.00 m；上虞至余姚离岸1.0～3.0 km 范围发生明显冲刷，但南岸贴岸深槽近岸500.0 m 范围内淤积显著，液体化工码头附近淤高4.00～5.00 m。二是枯水期北股槽冲刷，南股槽淤积；上虞至余姚离岸1.00～2.00 km 范围略有淤积，但贴岸深槽近岸500.00 m 范围内冲刷，液体化工码头附近刷深1.00～2.00 m。

图3 2020 年4—11 月河床冲淤图

1.3 进港航道冲淤分析

船舶经由南股槽进出上虞港，河段南支主槽、南股槽的冲淤变化十分剧烈，深泓游荡性大，工程河段目前无固定航道。本文研究时假定不考虑航道轴线与水流的夹角对通航的影响，基于上虞-余姚规划治导线基本实施到位后的2013—2020 年24 次江道测图，将各主槽在各断面的最深点连线（即深泓线）作为航道中心线（见图4）。从图4 中可以看出，航道摆幅较大，难以选择固定的航线。航道整体上沿NE-SW 走向，在南股槽及贴岸深槽航行至液体化工码头处。

图4 2013—2020 年南槽深泓线图

图5展示了航槽各断面深泓线高程的历年变化。由图5 可知，各断面航道平均高程为-9.60～-4.80 m。由于南股槽是涨潮冲刷槽，越往上游河床高程越高，该段航道碍航点主要位于液体化工码头附近水域，航道历次碍航点高程为-5.10～-1.50 m，平均为-3.50 m。在2013—2020 年总计24 个测次中，航道碍航位置在液体化工码头至临海浦新闸段共计出现15 次，在临海浦新闸至陶家路闸段共计出现9 次。

图5 南槽深泓线高程图

2 通航水深保证率分析

2.1 计算方法

外海海床稳定，年际、年内冲淤变化对船舶通航水深保证率影响极小，《港口与航道水文规范》[5]（以下简称规范）常规方法就可满足统计分析需求。钱塘江水域条件复杂，河床冲淤变化较大，与外海稳定的海床有极大差异，进港航道通航水深保证率的确定需结合钱塘江水文情势和河床演变特点，分析各统计参数。

钱塘江河口船舶进港须乘潮运行，船舶乘潮通航情况下，通航水深保证率即为某个乘潮潮位累积频率。依据《规范》，首先应分析乘潮所需时间，在此基础上统计各潮中满足此时间前提下的乘潮潮位累积曲线，再根据航道浅段河床地形和船舶通航水深要求，求得所需乘潮潮位，从乘潮潮位累积曲线中查得相应累积率即为乘潮通航水深保证率。

近10 a 来，钱塘江河口呈现高潮位抬升、潮差增大的趋势。高潮位和潮差对乘潮水位的计算影响较大，为反映现状潮汐特征下各潮位站的乘潮水位累积频率，采用最新的2019 年潮位数据进行分析。上虞港站有连续1 a 的潮位观测资料，统计乘潮水位累积频率见图6。

图6 各乘潮历时条件下上虞港累积乘潮水位图

2.2 航道通航水深保证率结果分析

2.2.1 满载乘潮水深保证率

假定码头前沿水深条件不影响船舶作业，考虑船舶装卸时间为2 h、3 h、4 h 共3 种情况，船舶航速为8 节，采用液体化工码头潮位分析碍航点位于各河段所需的乘潮时间，乘潮历时过程见图7。

图7 满进满出乘潮历时示意图

1）若碍航点位于QR72～QR75 断面间，该段航道距码头前沿最远距离约5.0 km，单程所需航行时间约0.35 h，则往返和装卸作业总计需要的乘潮历时为2.7 h、3.7 h、4.7 h；

2）若碍航点位于QR76～QR80 断面间，该段航道距码头前沿最远距离约12.7 km，单程所需航行时间约0.85 h，则往返和装卸作业总计需要的乘潮历时为3.7 h、4.7 h、5.7 h。

基于各代表船型所需的航道水深，考虑不同装卸货时间对应的的累积乘潮水位，计算航道的乘潮通航保证率。

对于本航段，若船舶装卸货时长为2 h，3 000 t级油船和液化气船多年平均通航保证率分别为28.0%和11.1%，南屿6 号多年平均通航保证率为56.4%；若船舶装卸货时长为3 h，3 000 t 级油船和液化气船多年平均通航保证率分别为11.7%和2.9%，南屿6 号多年平均通航保证率为33.2%；若船舶装卸货时长为4 h，3 000 t 级油船多年平均通航保证率为2.3%，3 000 t 级液化气船多年平均通航保证率为0，即无法通航，南屿6 号多年平均通航保证率为11.7%。上虞杭州湾港区液体化工码头出海航道乘潮通航保证率受航道地形变化影响极大，如2017—2018 年3 000 t 级油船和液化气船全年平均通航保证率几乎为0，南屿6 号在装卸货4 h情况下全年平均通航保证率也为0。

2.2.2 满进空出乘潮水深保证率

因实际运行过程中，船舶进港卸货后即空载出港，水深保证率较低，现考虑3 000 t 级油船（设计船型）和南屿6 号（实际船型）在满载进港、空载出港的情况下，所需的乘潮通航水深保证率，空载出港时3 000 t 级油船吃水按4.00 m 考虑，南屿6 号吃水按2.60 m 考虑。

在空载出港的情况下，若船舶装卸货时长为2 h，3 000 t 级油船和南屿6 号多年平均通航水深保证率分别为53.7%和80.4%；若船舶装卸货时长为3 h，3 000 t 级游油船和南屿6 号多年平均通航水深保证率分别为38.6%和74.5%；若船舶装卸货时长为4 h，3 000 t 级油船和南屿6 号多年平均通航水深保证率分别为19.9%和60.1%。可以发现，相较满载进港、满载出港的运行过程，满载进港、空载出港的情况下，设计船型和实际船型的乘潮通航水深保证率均有提高，尤其是南屿6 号，在装卸时间较长的方案下通航水深保证率有显著提高。

3 结 论

选用长系列实测水下地形资料确定无固定航道的航线，通过潮位过程与河床高程确定通航水深，考虑航道运行调度，计算进港航道通航水深保证率，为强潮河口进港航道通航水深保证率确定提供计算方法。主要结论如下：

1）工程河段自2007 年以来上虞贴岸深槽处整体冲刷，局部河床在13 a 内冲刷幅度达4.0～5.0 m，河床年内呈洪淤潮冲特性。航道平均高程-9.60～-4.80 m，碍航点主要位于码头附近水域，历次碍航点高程为-5.10～-1.50 m，平均为-3.50 m。

2）上虞港90%保证率下乘潮2 h、3 h、4 h 的乘潮水位分别为2.35 m、2.02 m 和1.53 m。

3）实际运营中，船舶以“三乘三避”为原则，采用满载进港、空载出港的作业方式。对于设计船型（3 000 t 级油船液化气船），船舶装卸时间在2 h、3 h 和4 h 的情况下，多年平均乘潮通航保证率分别为53.7%、38.6%和19.9%。对于实际运营船型（南屿6 号），船舶装卸时间在2 h、3 h和4 h 的情况下，多年平均乘潮通航保证率分别为80.4%、74.5%和60.1%。

4）建议码头建设设计时尽可能优化装卸工艺，减少船舶装卸时间，以此提高船舶乘潮通航保证率，进而提高码头吞吐量和作业效率。