長江口深水航道回淤強度與潮汐動力相關(guān)性分析

李文正，萬遠揚

(1. 交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003； 2. 上海河口海岸科學研究中心，河口海岸交通行業(yè)重點實驗室，上海 201201)

國內(nèi)外的挖槽航道，如密西西比河航道[1]、泰晤士河出海航道[2]、亞馬遜航道[3]、法國Gironde河口航道[4]、荷蘭鹿特丹港水道[5]、甌江口[6]、黃樺港[7]、天津港[8]、椒江口[9]、連云港[10]和長江口出海航道[11]等，其疏浚效率優(yōu)化問題都引起了諸多學者廣泛興趣，并開展了系統(tǒng)的研究。以往對提高疏浚效率問題多從船機設備改良、疏浚作業(yè)自動化、施工管理措施改進、環(huán)保疏浚、疏浚土擴散控制等角度開展研究，也取得了豐碩的研究成果，對疏浚行業(yè)發(fā)展起到了積極的推進作用。

圖1 長江口北槽深水航道Fig.1 North deepwater navigation channel (DNC) of the Yangtze River estuary

長江口12.5 m深水航道治理工程是我國水運史上“投資巨大、工程條件差、技術(shù)極為復雜”的一項跨世紀治理工程。工程位于長江口南港北槽水域(見圖1)，于1998年開工建設，分3期實施，工程分別已于2002年、2005年和2010年竣工，分階段地使長江口入海航道水深由治理前的7 m(理論深度基準面，下同)逐步增深至8.5，10.0和12.5 m。最終建成的長江口深水航道長約92.2 km，航道水深12.5 m，航道底寬350～400 m，可滿足5萬t級集裝箱船(實載吃水≤11.5 m)全潮、5萬t級船舶滿載乘潮雙向通航，兼顧10萬t級集裝箱船和10萬t級散貨船及20萬t級散貨船減載乘潮通航。長江口深水航道的建成極大地改善了長江入海航道的通航條件，提高了航道通過能力和大型船舶的營運水平，對整個長江三角洲地區(qū)和長江流域經(jīng)濟社會的發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

長江口深水航道屬于人工維護航道，從近年來長江口航道維護的實際情況來看，航道回淤量巨大，年回淤總量約8 000萬m3，航道維護的壓力較大，對航道維護性疏浚的需求很大。以往工程界對減少航道回淤量、提高疏浚效率的關(guān)注點大多在于挖泥船軟硬件設備的不斷升級改進，以及一些減少沙源、降低泥沙活動性等工程措施，鮮有從航道疏浚效率與河口潮汐動力關(guān)系入手開展研究的。而對于潮汐輸運動力較強的長江口而言，通過對潮汐動力與回淤強度關(guān)系的分析，來直接指導維護疏浚的開展，這樣的研究成果對未來長江口航道的日常維護具有一定的應用價值和現(xiàn)實意義。從這個角度出發(fā)，本文將以2010年上半年長江口深水航道18次回淤實測資料為基礎，初步探討分析航道回淤強度與潮汐動力的相互關(guān)系，并指出下一步研究的方向。

1 航道回淤強度與潮汐動力相關(guān)性分析

1.1 資料來源

圖2 各次測量間隔時間Fig.2 Duration of each measurement

本文利用的資料為2010-03-26/2010-08-28長江口12.5 m深水航道全段航道地形監(jiān)測和相應時間大通實測流量(上游來水量)、北槽中站潮位(站點位置位于北槽航道中段偏南側(cè)位置)、實際疏浚作業(yè)施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)等資料。其中航道地形實測資料共18次，各次測量所間隔時間見圖2(各測次平均間隔時間為8.6 d)，一般情況下，如無不可抗因素，航道地形的監(jiān)測頻率約為7 d；各測次相關(guān)指標見表1。表中統(tǒng)計每個測次所含潮型是指上次測量時刻到本次測量時刻內(nèi)所經(jīng)歷的天文潮潮型(大中小潮)，潮型轉(zhuǎn)換指標是指潮汐動力(能量)變化的過程。如果在1個測次周期內(nèi)，潮汐動力由強變?nèi)?如潮型從大潮或者中潮轉(zhuǎn)換為小潮)，則潮型轉(zhuǎn)換指標為-1；如果潮汐能量由弱變強，則該指標為1。如果測次周期內(nèi)，既包含潮汐能量由弱變強，又包括由強變?nèi)醯倪^程(如測次1、8)，則該指標為“-”。航道地形測量采用雙頻測聲儀(航道水深值選取的是高頻信號值，高頻頻率為210 kHz)，地形測量涵蓋航道兩側(cè)邊坡(距航道邊線250 m)，測量點距沿航道方向為100 m，垂直航道方向為50 m。

表1 各次測量的潮型統(tǒng)計Tab.1 Statistics of tidal types of each measurement

注：在長江口海域，一般農(nóng)歷的十六、十七和初二、初三為大潮，初九、十和廿三、廿四為小潮。

1.2 航道回淤統(tǒng)計指標

本研究所用航道回淤資料的主要統(tǒng)計指標有：①測圖方量，即各航道單元(不包括航道邊線)本次測量水深平均值與上一次的差異乘以單元面積，正值代表沖刷，負值代表淤積；②船載方量，即各航道單元本次測量期間的累計疏?？偭浚撝禐檎?，0代表無疏浚；③沖淤方量，即測圖方量減去船載方量，正值代表沖刷，負值代表淤積；④回淤強度，即各航道單元日平均沖淤方量除以單元面積；⑤疏浚強度，即各航道單元日平均船載方量除以單元面積；⑥成槽率，即測圖方量除以船載方量。

1.3 疏浚作業(yè)及疏浚土處理方式

目前，長江口航道維護疏浚采用自航耙吸式挖泥船裝艙溢流的作業(yè)方式。疏浚泥土處理方式有兩種[12-13]：一是直接外拋至經(jīng)批準的海洋傾倒區(qū)，二是拋至吹泥站貯泥坑，再由站內(nèi)絞吸船進行二次吹泥上灘。根據(jù)2010年3—8月貯泥坑和拋泥區(qū)維護管理統(tǒng)計資料，疏浚土外拋和二次拋吹比例各占約50%。

長江口航道維護疏浚過程中的溢流和疏浚土的處理均可能會對航道回淤造成一定影響，且由于疏浚工藝的要求和泥土處理可選擇方式的限制，這樣的影響暫時無法消除?？紤]到該影響十分有限，因此本文所作的航道回淤強度統(tǒng)計分析沒有剔除該影響。

1.4 資料分析

依據(jù)前述回淤監(jiān)測資料，北槽回淤強度存在著隨水動力強弱變化的負相關(guān)關(guān)系，見圖3(圖中的“大”“中”“小”排列表示上次測量時刻到本次測量時刻之內(nèi)所經(jīng)歷的天文潮潮型)。即大潮-中潮-小潮過程(動力減弱)，北槽回淤強度變大；而小潮-中潮-大潮過程(動力增強)，北槽回淤強度則變?nèi)酢D4為實際疏浚強度與實際大通流量的關(guān)系。

由圖3和4可見：①疏浚強度變化趨勢基本和大通流量變化趨勢一致，由此可見，疏浚力量基本是按大通流量的趨勢來配置，而與潮汐動力變化過程無關(guān)；②在7次明顯的動力減弱期，北槽全槽整體回淤強度相對較大；而在7次明顯動力增強期，北槽整體回淤強度相對較弱。③回淤強度的變化總體上存在著鋸齒波動特征，該特征與潮型轉(zhuǎn)換指標的波動有明顯的相關(guān)性，而該變化特征與疏浚強度變化過程明顯不匹配，這說明航道的疏浚量并非按照實際回淤強度來安排。

圖3 全航道日回淤強度與潮型轉(zhuǎn)變的關(guān)系Fig.3 Relationship between the daily backfilling in the DNC and the transformation of tidal type

圖4 全航道日疏浚強度與大通流量的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Dependency of daily backfilling in the DNC and the freshwater inflow at the Datong gauging station

2 討論分析

潮型由小變大的過程中，部分回淤(新淤)的泥沙由于動力的逐漸增加處于沖刷環(huán)境中，這些泥沙可以利用自身潮汐動力而被攜帶或輸運；或者在潮型由大變小的過程中，航道總體上處于落淤環(huán)境，此時的疏浚可能因起到減小底部含沙濃度差異的作用而加劇了局部的泥沙落淤速率。不過對于長江口深水航道而言，是需要講究“多淤多挖少淤少挖”的原則，還是因為“多挖而多淤、少挖而少淤”，是一個非常值得深入探討的因果關(guān)系問題。從目前已有的實測資料來看，至少疏浚力量的配置僅考慮大通流量的影響是存在一定局限性的，至于此種疏浚管理是否會導致一定的無效疏浚量或者引起回淤量的增加同樣也有待進一步研究，尤其是應該考慮潮汐動力強弱和大通流量對北槽底部泥沙沖淤環(huán)境的雙重影響。分析“疏浚-回淤”這對因子與“大通流量-外海潮汐”間的制衡關(guān)系，以及深入探討航道的宏觀、微觀沖淤環(huán)境，這樣才有利于尋找出一套較為合理的疏浚力量配置管理原則，有利于最大限度地提高疏浚的效率。

現(xiàn)階段，對長江口航道淤積問題和維護疏浚效率優(yōu)化已經(jīng)開展了大量卓有成效的工作，但仍存在進一步優(yōu)化的空間：

(1)對不同季節(jié)、不同區(qū)段航道回淤的時空特性已有了深刻的了解和把握，但對不同潮型(大小潮、漲落潮)條件下航道回淤時空特性的掌握與了解則較為缺乏，疏浚力量的配置與管理還存在進一步精細化的空間。

(2)關(guān)于疏浚效率、疏浚管理優(yōu)化等問題長期以來得到了業(yè)界足夠的重視，但主要的研究大多聚焦于船機設備軟硬件的升級與改造來規(guī)?；岣呤杩Ｐ室约皾竦匦迯?、減少岸坡坍塌、降低對環(huán)境的影響等工程措施上，對于如何結(jié)合水沙動力特性來減少無效或低效疏浚作業(yè)的研究較少。

(3)由于受限于試驗條件和觀測手段，對于疏浚效率與航道回淤動力過程的關(guān)系問題尚缺乏研究，關(guān)于如何利用水沙動力優(yōu)勢來減少回槽率的問題仍有待深入研究。

綜合上述疏浚效率優(yōu)化問題和北槽航道回淤強度與潮汐動力的相關(guān)性，可見：北槽航道的回淤強度與潮汐動力強弱變化良好相關(guān)性的存在，為航道維護疏浚作業(yè)的安排、疏浚效率的提高和航道水深保證(航道成槽率)提供了新的思考空間和參考因素。即可在充分分析北槽水沙環(huán)境特性的基礎上，因勢利導地把疏浚船的作業(yè)安排與潮汐動力特征有機結(jié)合起來，從而達到利用長江口強大的潮汐動力及其運動特征提高航道維護疏浚效率，以期削減無效疏浚量，降低維護疏浚成本的目的。

3 結(jié) 語

(1)北槽航道回淤強度存在著隨潮汐動力強弱變化的負相關(guān)關(guān)系。即大潮-中潮-小潮過程(動力減弱)，北槽航道回淤強度變大；而小潮-中潮-大潮過程(動力增強)，北槽航道回淤強度則變?nèi)酢?/p>

(2)北槽航道的回淤強度與潮汐動力強弱變化良好相關(guān)性的存在，為航道維護疏浚作業(yè)的安排、疏浚效率的提高和航道水深保證(航道成槽率)提供了新的思考空間和借鑒，為疏浚的力量配置與作業(yè)安排提出了進一步精細化管理的方向。

(3)對回淤強度和潮汐動力相關(guān)性的研究將豐富疏浚工程效率優(yōu)化、港口航道治理方面的研究內(nèi)涵和研究范疇。

(4)對于長江口深水航道，如何有效地利用自身水流動力合理安排疏浚作業(yè)、減少低效疏浚，建議可加強以下方面的研究：①加強監(jiān)測及機理分析，研究長江口深水航道回淤微觀過程與水沙動力過程間的響應關(guān)系；②通過實測資料和施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，深入研究航道回淤與潮型轉(zhuǎn)變間的關(guān)系；③通過現(xiàn)場資料分析、理論研究和模型試驗，研究疏浚效率最大化及疏浚資源最優(yōu)配置問題，為不斷完善航道日常管理提供依據(jù)。

參 考 文 獻：

[1]HOEKSTRA D J. Strategies to reduce the maintenance dredging cost of the Mississippi River Gulf Outlet Channel[R]. Netherlands： Delft University of Technology， 2003.

[2]INGLIS C C， ALLEN H H. The regime of the Thames Estuary as affected by currents， salinities and river flows[C] ∥Proceedings of the Institution of Civil Engineers， Maritime and Waterways Engineering Division Meeting， 1957： 827-879.

[3]KINEKE G C， STERNBERG R W， TROWBRIDGE J H， et al. Fluid-mud processes on the Amazon continetal shelf[J]. Continental Shelf Research， 1996， 16(5)： 667-696.

[4]LE HIR P， BASSOULLET P， JESTIN H. Application of the continuous modeling concept to simulate high-concentration suspended sediment in a macrotidal estuary[C]∥Coastal and Estuarine Fine Sediment Processes， Proceedings in Marine Science. Elsevier Science， Amsterdam, 2001： 229-248.

[5]WINTERWERP J C. On the dynamics of high-concentrated mud suspensions[D]. Delft： Delft University of Technology， 1999.

[6]陸永軍， 李浩麟， 王紅川， 等. 強潮河口攔門沙航道回淤及治理措施[J]. 水利學報， 2005， 36(12)： 1450-1456. (LU Yong-jun， LI Hao-lin， WANG Hong-chuan， et. al. Back silting and regulation of waterway with sand bar in strong tidal estuary[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2005， 36(12)： 1450-1456. (in Chinese))

[7]羅肇森. 大風期黃驊港外航道的驟淤估算及防淤減淤措施探討[J]. 水運工程， 2004(10)： 69-73. (LUO Zhao-sen. Estimation of sudden sedimentation in outer channel of Huanghua Port during rough climate and measures for reduction of sedimentation[J]. Port & Waterway Engineering， 2004(10)： 69-73. (in Chinese))

[8]丁乃慶， 劉富強， 張建國， 等. 天津港的強淤現(xiàn)象及其對策研究[J]. 水道港口， 2000(2)： 1-5. (DING Nai-qing， LIU Fu-qiang， ZHANG Jian-guo， et al. Study on strong silting phenomenon in Tianjin Port and its counter-measures[J]. Waterway & Port， 2000(2)： 1-5. (in Chinese))

[9]GUAN W B， KOT S C， WOLANSKI E. 3-D fluid mud dynamics in the Jiaojiang Estuary， China[J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science， 2005， 65(4)： 747-762.

[10]李孟國， 李文丹， 時鐘， 等. 田灣核電站海域潮流泥沙數(shù)值模擬研究[J]. 泥沙研究， 2008(2)： 16-23. (LI Meng-guo， LI Wen-dan， SHI Zhong， et al. Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Nuclear Power Station[J]. Sediment Research， 2008(2)： 16-23. (in Chinese))

[11]談澤煒， 范期錦， 鄭文燕， 等. 長江口北槽航道回淤原因分析[J]. 水運工程， 2009(6)： 91-102. (TAN Ze-wei， FAN Qi-jin， ZHENG Wen-yan， et al. Reasons for the backfilling in the north passage deepwater navigation channel of the Yangtze estuary[J]. Port & Waterway Engineering， 2009(6)： 91-102. (in Chinese))

[12]戚定滿， 吳華林， 萬遠揚， 等. 長江口北槽泥沙運動現(xiàn)場示蹤分析研究[J]. 海洋工程， 2010， 28 (1)： 64-69. (QI Ding-man， WU Hua-lin， WAN Yuan-yang， et al. Application of tracer sediment in studying sediment movement at the north passage of the Yangtze estuary[J]. Ocean Engineering， 2010， 28(1)： 64-69. (in Chinese))

[13]吳華林， 嚴以新， 周宜林. 拋泥運動研究述評及展望[J]. 泥沙研究， 2008， 10(5)： 76-80. (WU Hua-lin， YAN Yi-xin， ZHOU Yi-lin. Prospection and review on the transport of dumped sediment[J]. Sediment Research， 2008， 10(5)： 76-80. (in Chinese))