東營(yíng)港擬建航道沿線灘面沉積物特性及航道可挖性分析

劉 銳 ，韓志遠(yuǎn) ，劉 濤

（1.東營(yíng)港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，東營(yíng)257091；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

東營(yíng)港位于中國(guó)黃河三角洲中心城市東營(yíng)市的東北部，北鄰京津塘經(jīng)濟(jì)區(qū)，南連膠東半島，瀕臨渤海西南海岸，地處黃河經(jīng)濟(jì)帶與環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的交匯點(diǎn)，區(qū)位條件優(yōu)越。東營(yíng)港已建3萬(wàn)t級(jí)和5萬(wàn)t級(jí)碼頭分別位于-13 m和-14 m處，均采用棧橋式布置。根據(jù)目前東營(yíng)港規(guī)劃，擬在-18 m和-20 m處布置10萬(wàn)t和15萬(wàn)t級(jí)油碼頭（圖1）。泥沙淤積一直為東營(yíng)港建設(shè)的最主要問題。本文通過工程海域表層和柱狀取樣、試挖槽觀測(cè)，分析東營(yíng)港航道沿線灘面沉積物特征，并結(jié)合東營(yíng)港海域的水動(dòng)力泥沙環(huán)境，對(duì)東營(yíng)港航道可挖性進(jìn)行分析。

圖1 擬建工程位置Fig.1 Research zone of Dongying port

1 資料依據(jù)

1.1 沉積物取樣

2010年8月在東營(yíng)港5萬(wàn)t級(jí)碼頭至擬建15萬(wàn)t級(jí)碼頭沿線灘面開展表層沉積物取樣工作，共布設(shè)23條取樣斷面，斷面間隔500～1 000 m，每條取樣斷面取樣8個(gè)，取樣間隔500 m，共取樣184個(gè)。取樣采用蚌式采樣器，所有樣品均送實(shí)驗(yàn)室做粒度分析。

同時(shí)采用震動(dòng)式水下采樣器沿航道中心線取柱狀樣18個(gè)，取樣間隔1 km，取樣長(zhǎng)度40 cm。所有柱狀樣均密封帶回試驗(yàn)室，按表、中、底分層取樣做粒度分析。

1.2 試挖槽回淤觀測(cè)

2006年8月，在東營(yíng)港3萬(wàn)t油碼頭附近（-13 m處，圖1）開展試挖槽及泥沙回淤觀測(cè)，試挖槽處灘面水深-13 m。試挖槽長(zhǎng)200 m，寬60 m，邊坡1：7，挖槽平均開挖深度為1.0～2.5 m。測(cè)量范圍為沿挖槽長(zhǎng)度方向340 m，寬度方向200 m。試挖槽開挖后，開展了為期兩個(gè)多月的地形觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段2006年9月29日～12月12日。試挖槽觀測(cè)期間，10月19日～26日、11月8日～12月11日，本海區(qū)有5～8級(jí)的偏北風(fēng)，局部時(shí)段陣風(fēng)可達(dá)9～10級(jí)。

2 研究結(jié)果

2.1 航道沿線表層沉積物特征

2.1.1 沉積物類型

本區(qū)沉積物類型，-18 m水深以里區(qū)域以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主（圖2），僅局部分布粘土質(zhì)粉砂；在-18～-20 m水深之間以粘土質(zhì)粉砂為主，局部有粉砂分布。

5萬(wàn)t級(jí)碼頭（-14 m水深）附近沉積物以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，10萬(wàn)t級(jí)碼頭（-18 m水深）附近以粘土質(zhì)粉砂和粉砂為主，15萬(wàn)t級(jí)碼頭（-20 m水深）附近基本為粘土質(zhì)粉砂。從5萬(wàn)t級(jí)碼頭至擬建15萬(wàn)t級(jí)碼頭，隨著水深增加泥沙顆粒呈細(xì)化趨勢(shì)。

2.1.2 中值粒徑

本區(qū)沉積物中值粒徑在0.007～0.050 mm（圖3）。其中，-16 m以里區(qū)域中值粒徑基本在0.03～0.05 mm，-16～-18 m區(qū)域基本在0.02～0.03 mm；-18～-20 m區(qū)域基本小于0.02 mm。

5萬(wàn)t級(jí)碼頭附近中值粒徑在0.03～0.04 mm，10萬(wàn)t級(jí)碼頭附近在0.02 mm左右，15萬(wàn)t級(jí)碼頭附近中值粒徑在0.01～0.015 mm。從5萬(wàn)t級(jí)碼頭至擬建15萬(wàn)t級(jí)碼頭，隨著水深增加，泥沙中值粒徑逐漸變小。

圖2 沉積物類型分布圖Fig.2 Sediment type in Dongying port

圖3 沉積物中值粒徑分布圖Fig.3 d50of sediment in Dongying port

2.1.3 粘土含量

沉積物粘土（d50≤0.004 mm）含量變化，對(duì)泥沙的起動(dòng)、沉降及航道的可挖性具有很重要的作用。

本區(qū)沉積物粘土含量在10%～39%（圖4）。其中，-18 m以里區(qū)域粘土含量基本在10%～20%，-18 m以外區(qū)域粘土含量基本在20%～30%，局部超過30%。

5萬(wàn)t級(jí)碼頭附近粘土含量在15%左右，10萬(wàn)t級(jí)碼頭附近粘土含量在20%～25%，15萬(wàn)t級(jí)碼頭附近粘土含量在30%左右，從5萬(wàn)t級(jí)碼頭至擬建15萬(wàn)t級(jí)碼頭，隨著水深增加，泥沙粘土百分含量逐漸增加。

2.2 航道沿線沉積物垂向分布特征

2.2.1 沉積類型

柱狀沉積物類型中含有粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和粘土質(zhì)粉砂，其中以粉砂所占比重最高，達(dá)73.2%，其次是粘土質(zhì)粉砂，占16.1%，砂質(zhì)粉砂占8.9%，粉砂質(zhì)砂僅占1.8%。5萬(wàn)t級(jí)碼頭附近表、中、底層均為粉砂；10萬(wàn)t級(jí)碼頭附近表層為厚度約10 cm的粘土質(zhì)粉砂，中、底層為粉砂；15萬(wàn)t級(jí)碼頭附近表、中、底層均為粘土質(zhì)粉砂。

圖4 沉積物粘土百分含量分布圖Fig.4 Clay content of bed sediment

2.2.2 沉積物中值粒徑和粘土含量

沉積物中值粒徑，5萬(wàn)t級(jí)碼頭附近，表層為0.036 mm，中層為0.040 mm，底層為0.045 mm，表、中、底層平均為0.040 mm；10萬(wàn)t級(jí)碼頭附近，表層為0.028 mm，中層為0.033 mm，底層為0.038 mm，表、中、底層平均為0.033 mm；15萬(wàn)t級(jí)碼頭附近，表層為0.013 mm，中層為0.016 mm，底層為0.021 mm，表、中、底層平均為0.018 mm。

2.3 試挖槽回淤分析

通過對(duì)比各個(gè)觀測(cè)時(shí)段的地形沖淤變化（表1），可以看出：

（1）正常海況下，試挖槽淤積速率相對(duì)較慢。2006年9月29日～10月16日期間海況正常，平均淤積速率介于1.4～2.0 cm/d；9月29日～10月6日四周邊坡開始出現(xiàn)緩慢沖刷，10月7日～16日挖槽四周邊坡都有明顯沖刷，最大沖刷深度超過0.2 m；10月27日～11月8日期間，平均淤積速率1.6 cm/d，北部邊坡坍塌嚴(yán)重，沖刷深度普遍超過0.2 m，最大超過0.4 m。

（2）大風(fēng)天條件下，試挖槽淤積速率明顯增大，出現(xiàn)驟淤。2006年10月16日～27日期間海況較差，試挖槽出現(xiàn)驟淤，平均淤積厚度達(dá)1.17 m，淤積速率達(dá)10.6 cm/d。2006年11月8日～29日期間平均淤積厚度達(dá)1.33 m，淤積速率達(dá)6.3 cm/d。大風(fēng)天試挖槽邊坡塌方嚴(yán)重，邊坡塌方對(duì)挖槽內(nèi)淤積產(chǎn)生較大影響。

（3）兩次大風(fēng)天過后，試挖槽基本淤平，后期淤積又恢復(fù)到自然狀態(tài)。2006年11月29日～12月12日期間，平均淤積厚度0.07 m，淤積速率為0.5 cm/d。

（4）試挖槽回淤物質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂和粉砂為主，中值粒徑在0.019～0.031 mm，與附近灘面沉積物基本一致。

由以上幾點(diǎn)分析可以看出，一般天氣下試挖槽的淤積幅度很小，大風(fēng)天下試挖槽內(nèi)淤積嚴(yán)重。大風(fēng)觀測(cè)期間，試挖槽內(nèi)出現(xiàn)高濃度含沙水體，厚度為20～40 cm。因此大風(fēng)天高濃度含沙水體落淤形成的驟淤應(yīng)是試挖槽淤積的主要原因。

表1 試挖槽不同時(shí)間段淤積特征Tab.1 Deposition of trial tunnel during field survey

3 東營(yíng)港航道可挖性分析

3.1 海域動(dòng)力條件

東營(yíng)港航道海域動(dòng)力條件有以下幾個(gè)特征［1-3］：（1）東營(yíng)港靠近半日潮無潮點(diǎn)，潮差很小，屬于弱潮海岸；（2）本海區(qū)潮流流速較大，-15 m以淺區(qū)域大潮平均流速為0.5 m/s左右，最大流速為1.34 m/s；規(guī)劃10萬(wàn)t級(jí)碼頭（-18 m水深）附近大潮平均流速為0.45 m/s；最大流速為0.73 m/s；（3）本海區(qū)冬、春兩季大風(fēng)次數(shù)較多，≥6級(jí)風(fēng)天數(shù)為11.5 d；（4）東營(yíng)港海域冬、春兩季寒潮影響頻繁，寒潮主要發(fā)生在10月至翌年5月，7～15 d出現(xiàn)一次，寒潮引起的大浪波高在3 m以上，大浪一般持續(xù)3 d左右。

3.2 泥沙來源

東營(yíng)港泥沙來源主要來源：一是東營(yíng)港北部老黃河口泥沙在波流共同作用下向東營(yíng)港海區(qū)運(yùn)移；二是現(xiàn)黃河口的高濃度懸沙向北輸移擴(kuò)散，現(xiàn)行黃河口泥沙向北擴(kuò)散距離約15 km，東營(yíng)港所在位置距現(xiàn)黃河口約50 km，受黃河入海泥沙的直接影響是有限的；三是當(dāng)?shù)啬嗌吃陲L(fēng)浪掀沙、潮流輸沙作用下的反復(fù)搬運(yùn)。近年來該海域水下地形趨于平衡穩(wěn)定，因此，工程海域泥沙主要來源于老黃河口三角洲以及本地灘面在風(fēng)浪、潮流作用下再懸浮起動(dòng)搬運(yùn)的泥沙。

3.3 與鄰近黃驊港、濱州港底質(zhì)條件比較

通過對(duì)比鄰近濱州港底和黃驊港質(zhì)資料可以看出［4-10］：

第一，從沉積類型上看，黃驊港以砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主，濱州港附近海域主要以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主；東營(yíng)港海域-14 m等深線以內(nèi)（5萬(wàn)t級(jí)碼頭以內(nèi)）主要以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，-14～-18 m等深線之間以粉砂、砂質(zhì)粉砂為主；-18 m等深線（10萬(wàn)t碼頭）以外以粘土質(zhì)粉砂為主。

第二，中值粒徑和粘土含量分布，黃驊港航道北側(cè)泥沙平均中值粒徑為0.024 mm，粘土含量為24.7%；黃驊港航道南側(cè)（黃驊港與濱州港之間水域）平均中值粒徑為0.036 mm，粘土含量為16.3%；濱州港外側(cè)海域泥沙平均中值粒徑為0.05 mm，粘土含量為7.8%。東營(yíng)港-14 m等深線以內(nèi)海區(qū)平均中值粒徑約為0.033 mm，粘土含量在10%左右；-14～-18 m平均中值粒徑約為0.023 mm，平均粘土含量在22.4%；-18 m等深線（10萬(wàn)t碼頭）以外平均中值粒徑約為0.014 mm，平均粘土含量為27.1%。

由以上分析可見，東營(yíng)港-14 m等深線以內(nèi)海域的底質(zhì)性質(zhì)與黃驊港、濱州港一致；-18 m等深線（10萬(wàn)t級(jí)碼頭）以外海域要明顯偏細(xì)，而且比黃驊港北側(cè)灘面底質(zhì)還細(xì)。

3.4 航道開挖驟淤的可能性分析

判斷航道開挖后是否存在驟淤的可能性一般看3個(gè)條件，水動(dòng)力條件、沙源情況和灘面泥沙性質(zhì)。

從水動(dòng)力條件看，本海區(qū)水流速度較大，規(guī)劃10萬(wàn)t級(jí)碼頭-18 m附近海域大潮漲落潮平均流速在0.40～0.49 m/s，最大流速為0.73 m/s；本海區(qū)波浪也比較強(qiáng)，這些都為泥沙的活動(dòng)提供了充分的動(dòng)力條件。在此，采用佐藤公式對(duì)波浪作用下灘面泥沙產(chǎn)生表面起動(dòng)和全面起動(dòng)水深進(jìn)行了計(jì)算，在3.5 m波浪作用下泥沙完全起動(dòng)的水深大約在-18 m等深線處。

在泥沙來源方面，東營(yíng)港附近新、老黃河口泥沙輸移擴(kuò)散對(duì)工程區(qū)影響有限，最主要的是灘面就地搬運(yùn)的泥沙。再者，航道軸線走向與等深線垂直，而當(dāng)?shù)爻绷髦髁飨騽t與等深線平行作往復(fù)流動(dòng)，航道走向與水流的交角近乎垂直，當(dāng)水流跨越外航道時(shí)，泥沙將很快落淤，從而導(dǎo)致外航道的淤積。

從灘面泥沙性質(zhì)來看，東營(yíng)港海域?yàn)┟鏋榛顒?dòng)性極強(qiáng)的粉砂，在波浪與潮流共同作用下易于擾動(dòng)和搬運(yùn)，東營(yíng)港3萬(wàn)t級(jí)油碼頭試挖槽在大風(fēng)觀測(cè)期間出現(xiàn)驟淤即是明證。這就是粉砂質(zhì)港口的特點(diǎn)，粉砂易掀動(dòng)輸移又易沉降落淤，在大風(fēng)期間會(huì)產(chǎn)生快速回淤。-18 m等深線以里海域主要以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，泥沙活動(dòng)性大，不宜開挖航道。-18 m等深線以外則主要以粘土質(zhì)粉砂為主，局部有少量的粉砂，泥沙平均中值粒徑都在0.02 mm以下，粘土含量約在27.1%，泥沙活躍性大大降低。因此，工程海域-18 m以外海域底質(zhì)條件要比近岸海域（-18 m以里海域）要好一些。

綜上幾個(gè)方面的分析可以看出，東營(yíng)港10萬(wàn)t級(jí)碼頭（-18 m等深線）以里水域泥沙活動(dòng)性大，發(fā)生驟淤的可能性大，不宜開挖航道；10萬(wàn)t級(jí)碼頭（-18 m等深線）以外海域泥沙來源有限，灘面泥沙主要以就地搬運(yùn)為主，灘面泥沙活動(dòng)性較差，如果開挖航道，出現(xiàn)大風(fēng)驟淤的可能性要比近岸港區(qū)小。

4 結(jié)論

（1）東營(yíng)港航道沿線沉積物類型，5萬(wàn)t級(jí)碼頭（-14 m水深）附近以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，10萬(wàn)t級(jí)碼頭（-18 m水深）附近以粘土質(zhì)粉砂和粉砂為主，15萬(wàn)t級(jí)碼頭（-20 m水深）附近基本為粘土質(zhì)粉砂。航道沿線沉積物中值粒徑，5萬(wàn)t級(jí)碼頭附近在0.03～0.04 mm，10萬(wàn)t級(jí)碼頭附近在0.02 mm左右，15萬(wàn)t級(jí)碼頭附近在0.01～0.015 mm。從5萬(wàn)t級(jí)碼頭至擬建15萬(wàn)t級(jí)碼頭，泥沙顆粒隨著水深增加逐漸變細(xì)。

（2）-18 m等深線（10萬(wàn)t級(jí)碼頭）以里水域?yàn)┟婺嗌骋苑凵昂蜕百|(zhì)粉砂為主，活動(dòng)性強(qiáng)，發(fā)生驟淤的可能性大，不宜開挖航道；-18 m等深線以外水域?yàn)┟嬉哉惩临|(zhì)粉砂為主，泥沙活動(dòng)性較差，開挖航道后出現(xiàn)大風(fēng)驟淤的可能性較小。

［1］侯志強(qiáng)，嚴(yán)冰，肖輝，等.東營(yíng)港總體規(guī)劃潮流、波浪、泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［2］中國(guó)海洋大學(xué)土木工程系.東營(yíng)港油碼頭工程試挖槽及泥沙回淤觀測(cè)分析報(bào)告［R］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2007.

［3］李蓓，趙洪波，楊華，等.東營(yíng)港油碼頭工程潮流數(shù)學(xué)模型及泥沙淤積分析研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2006.

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［5］左書華，楊華，侯志強(qiáng)，等.濱州港海域自然條件及泥沙環(huán)境分析［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

［6］周永東，陳沈良，谷國(guó)傳.東營(yíng)港海域表層沉積物分布及其運(yùn)移趨勢(shì)［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2009，29（3）：31-38.ZHOU Y D，CHEN S L，GU G C.Distribution characteristics and transport tendency of seafloor surficial sediments in the Dongying Harbor area［J］.Marine Geology&Quaternary Geology，2009，29（3）：31-38.

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