連云港主航道適航水深及現(xiàn)場觀測研究

溫春鵬，龐啟秀，張瑞波

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

連云港主航道適航水深及現(xiàn)場觀測研究

溫春鵬，龐啟秀，張瑞波

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

通過分析連云港的泥沙特性以及港口淤積現(xiàn)狀，對連云港主航道的適航水深的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合室內(nèi)的流變試驗(yàn)和船模阻力試驗(yàn)確定了適航重度值；同時(shí)利用雙頻測深儀、音叉密度計(jì)等儀器對連云港主航道開展了現(xiàn)場實(shí)船測量，分析了適航資源的分布情況以及船舶對浮泥的擾動情況，為連云港港區(qū)適航水深資源的利用提供了技術(shù)支撐。研究結(jié)果表明：連云港主航道的適航淤泥重度值為12.2 kN/m3；主航道、港池泊位浮泥分布較為均勻，適航厚度基本在10～15 cm范圍內(nèi)；船舶在航行過程中對浮泥產(chǎn)生了一定的擾動，船體尾部出現(xiàn)較為明顯的渾濁帶。

適航水深；現(xiàn)場觀測；浮泥；擾動

在港口水深測量中，通常使用當(dāng)?shù)乩碚摶嬷粮哳l測深儀測得的水-泥交界面的距離作為圖載水深，而適航水深則將高頻反射面以下具有一定流動性的、且能確保不影響船舶航行、靠離泊作業(yè)安全的部分淤泥層也作為水深來使用。

自20世紀(jì)30年代以來，適航水深技術(shù)在國外進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用［1］：比利時(shí)澤布勒赫港綜合考慮重度和淤泥的流變特性確定了該港適航水深淤泥重度值為11.3～12.3 kN/m3；荷蘭的鹿特丹港將11.8 kN/m3作為確定航道中回淤層適航厚度的標(biāo)準(zhǔn)值；德國埃姆登港適航淤泥重度值為12.0～12.2 kN/m3；在英國還頒布了有關(guān)適航水深應(yīng)用的國家標(biāo)準(zhǔn)《海工建筑物》。我國于2004年開始引進(jìn)適航水深技術(shù)，并在一些淤積較為嚴(yán)重的港口得到了成功的實(shí)踐，如天津港、長江口、臺山電廠、廣州南沙港區(qū)和珠海港等，適航水深技術(shù)的應(yīng)用大大降低了維護(hù)疏浚量、節(jié)約了大量資金和資源，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

適航水深的測量方法主要有鉈測法、密度計(jì)法、測深儀法等，通常情況下根據(jù)測量區(qū)域的不同狀態(tài)，制訂不同的測量方法。本文以連云港港25萬t級航道為對象，對適航水深應(yīng)用的可行性及適航重度值進(jìn)行分析；利用密度計(jì)和走航式測深儀相結(jié)合的方法開展適航水深資源的現(xiàn)場調(diào)查，分析連云港主航道的浮泥分布情況，通過實(shí)船的跟蹤測量，研究船舶在航行過程中，船底及尾部的螺旋槳對水體底部的浮泥層產(chǎn)生的擾動影響。

連云港處于江蘇省北部，是隴海、蘭新鐵路沿線廣大地區(qū)最經(jīng)濟(jì)便捷的出海口，是我國沿海主樞紐港之一，也是我國沿海中部能源外運(yùn)和對外貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹匾诎?。連云港區(qū)一期工程25萬t級航道已于2012年5月底基本完成疏浚施工，通過對全航道的水深測量，發(fā)現(xiàn)在防波堤口門內(nèi)外的區(qū)段存在較大的回淤厚度，其中回淤物主要由粘性細(xì)顆粒泥沙組成，這種泥沙淤積特性也為該港區(qū)適航水深的應(yīng)用提供了條件。

1 適航資源應(yīng)用的可行性

連云港海域沉積物質(zhì)主要以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主。2013年在航道淤積較為嚴(yán)重的水域采集的泥沙樣品中值粒徑介于0.004 1～0.017 mm，平均為0.007 0 mm；粘土的含量占27.9%～49.3%，平均為39.6%［2］。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對采集的泥沙樣品開展了水力特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明泥沙的起動、沉降以及密實(shí)過程均呈現(xiàn)為淤泥的特性。根據(jù)《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTJ/T 325-2006）要求，適航水深主要應(yīng)用在淤泥質(zhì)海港，即床面泥沙顆粒中值粒徑小于0.03 mm，淤泥顆粒之間有粘結(jié)力并在海水中呈絮凝狀態(tài)的海岸港和河口港，因此，連云港主航道符合利用適航水深的基本規(guī)定。

航道建成后，在2012年10月底對航道進(jìn)行了水深測量，經(jīng)分析表明在口門外9 km以內(nèi)的區(qū)段存在較大的回淤厚度，其中口門外3～4 km區(qū)段上回淤厚度最大，約為1 m。此外，根據(jù)2013年連云港航道的常規(guī)水深測圖分析，航道淤積分布呈雙峰型，口門內(nèi)外兩側(cè)淤強(qiáng)較大，然后沿航道向兩側(cè)，淤強(qiáng)呈減小趨勢，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在口門以里的1 km及口門外7 km處，年淤積厚度可達(dá)0.65 m/a。由于連云港主航道內(nèi)存在有較厚的淤泥層，尤其在臺風(fēng)過后會有較厚的浮泥層存在，這樣就為連云港25萬t級航道的適航水深應(yīng)用提供了較大空間。

圖1流變試驗(yàn)屈服應(yīng)力與重度值的關(guān)系Fig.1Relation between stress and weight of mud in the rheological experiment

2 航道適航淤泥重度值

利用從連云港主航道取回的原狀泥沙，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了流變試驗(yàn)和船模阻力試驗(yàn)，并根據(jù)金鏐等［3］提出的適航水深確定方法以及國內(nèi)外應(yīng)用適航水深港口的實(shí)際情況綜合確定了連云港航道的適航水深淤泥重度值。

（1）利用R/S-cc型流變儀對在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制的14組不同淤泥重度的泥沙樣品進(jìn)行試驗(yàn)。由圖1可知，對于小重度的樣品，屈服應(yīng)力的變化不明顯，當(dāng)樣品重度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，屈服應(yīng)力將迅速增加，根據(jù)國內(nèi)外積累的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)值可以作為適航水深淤泥重度值，由此根據(jù)流變試驗(yàn)確定的連云港主航道適航淤泥重度值介于11.8～12.2 kN/m3。

（2）利用船模阻力系統(tǒng)測量船模在不同容重的淤泥中以不同速度航行時(shí)受到的阻力情況，以此來確定適航重度值。當(dāng)船模在重度較小的淤泥中航行時(shí)，受到的阻力隨淤泥重度的增加變化不大，但達(dá)到某一臨界重度值時(shí)，阻力變化隨淤泥重度的增加而迅速增大，如圖2所示，經(jīng)確定這個(gè)臨界重度值介于11.9～12.3 kN/m3。

（3）金鏐等根據(jù)層流到紊流的轉(zhuǎn)變條件，把與層流-紊流轉(zhuǎn)換時(shí)的有效雷諾數(shù)相對應(yīng)的浮泥密度定義為適航密度。根據(jù)連云港地區(qū)的實(shí)際參數(shù)計(jì)算得出在層流-紊流轉(zhuǎn)換條件Re=3 000和2 000、浮泥層厚度為50 cm時(shí)不同航行速度相對應(yīng)的適航密度，如圖3所示，在船行速度4～8 kn的情況下，適航重度分別介于12.7～13.6 kN/m3（Re=3 000）、12.9～13.8 kN/m3（Re=2 000）。

通過上述3種方法，結(jié)合泥沙的水力特征并參考國內(nèi)外應(yīng)用適航水深港口的重度標(biāo)準(zhǔn)值［4-7］（表1），為保證船舶航行安全，最終確定連云港主航道的適航重度值為12.2 kN/m3。

圖2船模阻力試驗(yàn)阻力與重度值的關(guān)系（0.4 m/s）Fig.2Relation between resistant force and weight of mud in the resistance experiment of ship model（0.4 m/s）

3 浮泥分布情況

為了解連云港航道開挖建設(shè)成25萬t級航道后，航道內(nèi)的浮泥層厚度、適航資源分布特征以及研究進(jìn)港船舶對航道底泥的擾動情況，采用雙頻測深儀、音叉密度計(jì)等儀器在航道開展現(xiàn)場測量，觀測航道內(nèi)淤積較厚區(qū)域的浮泥層厚度并追蹤船舶進(jìn)港前后的厚度變化情況。

表1國內(nèi)相關(guān)港口的適航淤泥重度值對比Tab.1Comparison of nautical density in different harbor

（1）針對航道水深較淺的W3+000～W6+000、A0+ 000～W 1+500區(qū)段以及船舶停靠的87～88#港池泊位進(jìn)行測量，如圖4所示。在選定研究段沿航道各布設(shè)5條測線，測線間距20 m，采用雙頻測深儀測量水深及浮泥層厚度。同時(shí)布設(shè)測點(diǎn)16個(gè)，采用音叉密度計(jì)測量浮泥密度。在大型進(jìn)港船舶停靠的87～88#泊位、港池布設(shè)8條測線，測線間距100 m，測其水深及浮泥層厚度。在88#泊位內(nèi)布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，采用密度計(jì)測量浮泥的密度。圖5為H5點(diǎn)寬度計(jì)測量結(jié)果。

圖3船舶吃泥深度為0.5 m時(shí)適航密度與航速的關(guān)系Fig.3Relation between density and navigational speed when the ship enter the mud 0.5 m

圖4港池航道測線及測點(diǎn)布置示意圖Fig.4Sketch of the channel and basin measurement

（2）采用Hypack Max軟件的數(shù)據(jù)處理模塊，對水深原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測船動吃水改正、聲速改正、潮位改正等一系列改正；采用SILAS數(shù)據(jù)分劃處理軟件，根據(jù)現(xiàn)場密度計(jì)校正文件及測深密度文件，將校正好的水深資料按給定適航重度值12.2 kN/m3進(jìn)行適航水深數(shù)據(jù)計(jì)算，得出了適航水深厚度在航道的分布情況，從結(jié)果可以看出，主航道適航厚度沿程分布較為均勻，而且厚度較小，除個(gè)別點(diǎn)外，基本保持在10～15 cm。

本次測量是在4月份開展的，泥沙回淤主要以懸沙落淤為主，而且經(jīng)歷了很長時(shí)間的密實(shí)，所以浮泥厚度較小。但是，在臺風(fēng)作用下，航道將會出現(xiàn)大量浮泥現(xiàn)象，2012年8月臺風(fēng)“達(dá)維”過后對連云港主航道進(jìn)行了觀測［8］：臺風(fēng)“達(dá)維”過后第3天，連云港主航道口門外9 km范圍內(nèi)的航段仍存在一定厚度的浮泥，最大浮泥厚度為0.4 m，出現(xiàn)在口門外3 km處；臺風(fēng)過后第5天，浮泥的分布情況與第一次測量基本相同，只是厚度有所減小，最大浮泥厚度變?yōu)?.26 m；臺風(fēng)過后第9天，浮泥厚度進(jìn)一步減小，僅為0.1 m，如圖6所示。

圖5音叉密度計(jì)測量結(jié)果（H5）Fig.5Result of tuning fork densimeter（H5）

上述結(jié)果表明，在正常天氣情況下，主航道的浮泥層厚度較小，可利用的適航資源有限；在大風(fēng)浪的影響下，淤泥產(chǎn)生擾動、液化，底床附近的含沙量大幅度增加，進(jìn)而形成較厚的浮泥層，在此情況下利用適航水深必將會給企業(yè)帶來良好的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

圖6口門外航段浮泥層厚度沿程分布圖Fig.6Distribution of fluid mud outside the entrance

圖7船舶進(jìn)港前后對比區(qū)域Fig.7Research area before and after the ship enter the harbor

4 浮泥擾動測量

本工作主要是研究船舶在航行過程中，船底及尾部的螺旋槳對水體底部的浮泥層產(chǎn)生的擾動影響，因此，所選取的船舶應(yīng)利用到適航水深或作為富裕水深來使用。根據(jù)相關(guān)部門提供的資料，選擇了船名為“SHAGANG FAITH”的船舶作為研究對象。該船船長327 m、船寬55 m、吃水深度20.4 m。船舶在航行時(shí)應(yīng)保留不小于吃水深度12%的富裕水深，本船需保留2.45 m的富裕水深，進(jìn)港需要水深為22.85 m。結(jié)合航道較淺段的實(shí)際水深和進(jìn)港時(shí)的潮位資料，該船在進(jìn)港時(shí)利用到了適航水深作為富裕水深。

在選定船舶達(dá)到口門時(shí)，利用測量船跟蹤進(jìn)港船舶、記錄其航行軌跡線，隨后沿軌跡線利用高低頻測深儀進(jìn)行測量。通過對船舶進(jìn)港航跡與進(jìn)港前制定的測量航線相重合區(qū)域的水深測量結(jié)果進(jìn)行分析，船舶進(jìn)港時(shí)，由于船底距離泥面的距離較近，在船舶航行過程中對浮泥造成了一定的擾動，如圖7～圖8，從圖中可以看出在此區(qū)域高頻水深的數(shù)值有所減小，但減小幅度有限，一般保持在15 cm以下。由于適航水深測量允許的測深誤差在±0.2 m以內(nèi)，本次測量分析得到的水深變化小于這個(gè)限值，因此，不能準(zhǔn)確地確定船舶航行引起的浮泥擾動變化，但在現(xiàn)場測量跟蹤船舶行進(jìn)過程中，在船體尾部可觀察到海面出現(xiàn)較為明顯的渾濁帶，水體含沙量增大，由此證明，船舶的航行對浮泥起到了一定的擾動作用。

圖8船舶進(jìn)港前后測線高頻水深變化Fig.8Change of channel depth before and after the ship enter the harbor

5 結(jié)論

本文通過對該港區(qū)的底質(zhì)淤泥特征及航道淤積狀況的分析，論證了適航水深在連云港地區(qū)應(yīng)用的可行性，并給出了適航水深淤泥重度值。隨后在航道淤積較為嚴(yán)重的區(qū)段采用雙頻測深儀、音叉密度計(jì)等儀器開展了現(xiàn)場實(shí)船測量，調(diào)查了適航水深資源的分布情況；并通過追蹤進(jìn)港大船的方法，研究了船舶航行對浮泥的擾動作用，得出以下結(jié)論：（1）根據(jù)流變試驗(yàn)和船模阻力試驗(yàn)綜合確定了連云港航道的適航淤泥重度值為12.2 kN/m3。（2）主航道測量段的適航厚度沿程分布較為均勻，而且厚度較小，除個(gè)別點(diǎn)外，基本保持在10～15 cm。（3）船舶在利用適航水深航行時(shí)，在船舶航行過程中對浮泥造成了一定的擾動，船體尾部可觀察到海面出現(xiàn)較為明顯的渾濁帶，測量結(jié)果也顯示船舶航行區(qū)域高頻水深有所減小。

［1］龐啟秀，楊樹森，楊華，等.淤泥質(zhì)港口適航水深技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010（3）：33-39. PANG Q X，YANG S S，YANG H，et al.Research and application of the technique of nautical depth in muddy harbors［J］.Hydro?science and engineering，2010（3）：33-39.

［2］龐啟秀，高志亮，溫春鵬.連云港港30萬噸級航道適航水深應(yīng)用研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2014.

［3］金鏐，虞志英，何青，等.淤泥質(zhì)港口航道適航密度確定方法的改進(jìn)［J］.水運(yùn)工程，2013（2）：91-106. JIN L，YU Z Y，HE Q，et al.Improvement of method for determining nautical density in muddy harbor［J］.Port&Waterway Engi?neering，2013（2）：91-106.

［4］劉富強(qiáng)，孫建澎.天津港適航水深資源的開發(fā)［J］.水道港口，2002，23（S0）：161-169. LIU F Q，SUN J P.The Exploitation of Nautical Depth Resources in Tianjin Port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2002，23（S0）：161-169.

［5］梅劍云，孫月，李占元.國華臺電煤港適航水深應(yīng)用研究［J］.水道港口，2008，29（5）：314-317. MEI J Y，SUN Y，LI Z Y.Nautical depth applied to port of Guohua Taishan power plant［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（5）：314-317.

［6］蔡南樹，龐啟秀，楊樹森，等.廣州港南沙港區(qū)港池適航水深綜合論證研究［J］.水道港口，2009，30（4）：254-256. CAI N S，PANG Q X，YANG S S，et al.Research of nautical depth in harbor basin of Nansha district of Guangzhou port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（4）：254-256.

［7］梁榮江，韓西軍，劉志東，等.珠海電廠港區(qū)適航水深研究與應(yīng)用［J］.水道港口，2014，35（4）：343-346. LIANG R J，HAN X J，LIU Z D，et al.Research and application on navigable depth of Zhuhai Power Plant［J］.Journal of Waterway and Harbor，2014，35（4）：343-346.

［8］張瑞波，龐啟秀.臺風(fēng)“達(dá)維”后連云港主航道和徐圩航道浮泥定點(diǎn)觀測［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

Research on nautical depth and field measurement in main channel of Lianyungang

WEN Chun?peng,PANG Qi?xiu,ZHANG Rui?bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

The application of nautical depth in the Lianyungang main channel was analyzed by the analysis of sediments characteristics and deposition situation.Connected with rheological test and ship model resistance experi?ment,the nautical density was confirmed.Furthermore,the field measurements were carried out by the double fre?quency detector and tuning fork densimeter in the main channel to find out the spatial distribution of nautical re?sources and the disturbance of fluid mud caused by navigation.The research result shows that:the nautical density in the channel of Lianyungang main channel is about 12.2 kN/m3.The fluid mud is distributed equally in the main channel,harbor basin and berth,and the thickness of fluid mud is ranged from 10 cm to 15 cm.The fluid mud is dis?turbed when ship is sailing in the channel which caused the reduction of water depth,and at the stern of the ship, turbidity zones are appeared at the surface of ocean.

nautical depth;field measurement;fluid mud;disturbance

U 657；TV 221

A

1005-8443（2015）06-0528-05

2015-08-10；

2015-11-02

溫春鵬（1987-），男，山東省人，工程師，主要從事河口、海岸水動力及泥沙研究。Biography：WEN Chun?peng（1987-），male，engineer.