洋山深水港進港航道人工開挖段回淤特征

侯 慷，黃志揚，袁文昊，劉 璐

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

洋山進港航道位于杭州灣口外的崎嶇列島海域，屬于強潮動力下沖淤基本平衡的淤泥質海域[1]。陳沈良[2]和楊華等[3]總結分析了洋山海域的水文泥沙特征及底質沉積物分布，陳吉余等[4]研究發(fā)現了長江口泥沙通過南匯水下沙嘴泥沙通道向杭州灣輸移，萬新寧[5]和吳明陽等[6]認為洋山海域泥沙來源為長江口輸沙以及洋山近岸淺灘潮流、風浪掀沙，戚秀蓮等[7]根據洋山海域泥沙環(huán)境并結合1993年杭州灣深水航道試挖槽現場觀測資料及其研究成果判斷航道回淤形式主要為懸沙落淤，并通過浚后觀測到的挖槽淤積面較為平整印證了這一判斷。

一期工程進港航道于2005年12月開通，設計底高程為-16.5 m(當地理論基準面，下同)，通航寬度300 m，平均疏浚厚度約3 m，交工后監(jiān)測15個月得到實測回淤強度1.08 m/a。2008年為兼顧LNG船舶通航需求，進港航道拓寬至650 m，拓寬后疏浚量有所增加；2014年相關管理部門考慮到經濟性將航道維護底高程調整為-16.0 m，但每年航道仍需要進行維護疏浚。為支撐今后的疏浚施工安排優(yōu)化，需要對尺度調整后的航道水深分布和回淤特征有清晰認識，本文基于2017—2019年期間的水深監(jiān)測數據對此開展了研究分析。

1 航道概況及水沙環(huán)境

1.1 航道概況

洋山港進港航道外起于馬跡山航線交點，內止于港區(qū)口門處，全長約65 km，通航寬度650 m，維護底高程-16.0 m，航道兩側邊坡比1:15，滿足10萬噸級集裝箱船和10萬噸級LNG船雙向全潮通行的需求，其中人工開挖段長度約11.2 km，位置見圖1。

圖1 工程位置

1.2 水沙環(huán)境

1.2.1潮汐、潮流

洋山海域呈現明顯的半日潮特征，存在潮汐日不等現象，平均漲潮歷時6 h 9 min，平均落潮歷時6 h 15 min，落潮歷時略大于漲潮歷時。航道內小衢山水文站平均潮位為2.45 m，平均潮差為2.67 m，向港內方向均逐漸增大。

本工程海域的潮波振動主要由太平洋潮波引起的諧振動形成，由外海沿NW～SE向近岸傳播。潮流類型屬規(guī)則半日淺海潮流性質，潮流運動呈典型的往復流形態(tài)，漲、落潮平均流向為114°～292°，與航道軸線方向基本一致，見圖2。潮流作用強勁，2018年6月實測資料顯示漲潮流速在0.85～1.92 m/s，平均為1.28 m/s；落潮流速在0.77～2.05 m/s，平均為1.33 m/s?？傮w表現為落潮流速大于漲潮流速。

圖2 2018年6月洋山進港航道大潮垂線平均流矢

1.2.2波浪

洋山港海域正常天的波浪以風浪為主，港區(qū)外部海域常浪向為N、NE和NNE向，頻率為8.98%、8.16%和8.01%，年平均H1/10波高為0.47 m。本海域大浪天氣主要由臺風與寒潮引起，臺風主要發(fā)生在夏秋季(集中于7—9月)，平均每年3.6次；寒潮大風出現在西北向，年內以12月和1月次數最多。

1.2.3泥沙

洋山港泥沙來源主要為長江口直接擴散泥沙和潮流攜來的海域泥沙，后者的最初來源亦為長江口。長江口水體夏季含沙量高、冬季含沙量低，但由于近岸流系尤其是沿岸流及臺灣暖流強度的季節(jié)性變化，長江口淡水的入海路徑呈季節(jié)性擺動，一般夏季呈偏E向、冬季呈偏SE向，因而進入崎嶇列島海域的擴散泥沙夏季較冬季少，故工程海域冬季含沙量高于夏季。根據小洋山站1998—2008年每日高、低潮時表層含沙量資料統(tǒng)計分析：含沙量年際變幅很小，但季節(jié)變化呈現明顯冬高夏低的現象(圖3)，每年冬季含沙量最高，在1.20 kg/m3以上，從3月春季開始含沙量逐漸降低，至7—8月降至最低0.40 kg/m3,而入秋后含沙量逐漸升高，至12月達到最高。

2018年6月進港航道水域實測含沙量平均值為0.52 kg/m3,漲、落潮含沙量相當，垂線含沙量自表層至底層逐層增大。

圖3 1998—2008年月平均含沙量變化曲線

1.2.4懸沙、底質

分析2018年6月在航道區(qū)域布置的3條測量斷面、4條固定垂線及21個底質采樣點表明：航道測區(qū)懸移質中值粒徑優(yōu)勢粒徑主要集中在0.004～0.016 mm級別，屬于細粉砂，各測點不同潮型間粒徑差異不大，由于顆粒較細、垂向交換頻繁，懸沙的垂向分布規(guī)律不明顯；底質中值粒徑主要集中在0.010～0.020 mm，以粉砂和砂質粉砂為主，樣品中黏粒含量在16%～29%。根據《港口與航道水文規(guī)范》[8]及相關研究表明[9-10]，洋山海域的底質普遍較細，黏粒含量較高，具有一定的淤泥質海岸特征，泥沙運動形式以懸移質運動為主。

2 監(jiān)測期間水深測量及極端天氣情況

2017—2019年，每年進行5～6次水深監(jiān)測，監(jiān)測時間間隔為1～2月，測量范圍覆蓋整個進港航道人工開挖段，測圖比例1:100 00，具體時間見表1。

表1 2017—2019年洋山進港航道水深監(jiān)測及航道維護情況

期間由于存在3次維護疏浚，為剔除疏浚開挖對航道地形的人為干預，對2017—2019年的水深監(jiān)測劃分了若干監(jiān)測期加以回淤統(tǒng)計分析。此外，每年的7—9月為臺風多發(fā)期，測量期間的臺風基本情況見表2，其7級風圈均覆蓋到洋山海域。

為避免常風天航道回淤特征和臺風天回淤特征的混淆，本文將臺風期間的航道回淤單獨作為一個監(jiān)測周期加以分析。據此，將2017年2月—2019年9月的監(jiān)測時段劃分為了6個監(jiān)測期(表1)。其中，第一、二、四監(jiān)測期主要反映了航道常風天回淤情況，第三、五、六監(jiān)測期主要反映了航道臺風期間(表2)回淤情況。

表2 洋山海域臺風信息

3 航道淺區(qū)情況分析

對人工航道疏浚段進行統(tǒng)計分區(qū)，從進港到出港方向依次將航道區(qū)域劃分為1 000 m×650 m的單元，并編號為H1～H11,其中H11單元長度為1 200 m。

2017—2019年3次疏浚前最后一次測圖水深平面分布見圖4，歷次水深沿程分布見圖5。進港航道人工開挖段水深不足16 m的淺區(qū)主要分布在H5～H9單元區(qū)域，故視H5～H9單元區(qū)域為常年疏浚區(qū)域。其中H7～H8單元水深最淺，平均水深在15.5～15.9 m，最小水深在15.0～15.4 m。

圖4 2017年5月進港航道人工開挖段浚前水深平面分布

圖5 進港航道人工開挖段浚前水深沿程分布

4 航道回淤統(tǒng)計分析

4.1 常風天航道回淤分析

根據地形測量時間，第一監(jiān)測期(2017年3—5月)和第四監(jiān)測期(2019年4—7月)處于春季和夏初階段，歷時較短。在此期間航道均呈現沖淤基本平衡、局部略有沖刷的態(tài)勢，整個開挖段區(qū)域平均沖刷深度分別為0.16、0.09 m，常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均沖刷深度分別為0.10、0.07 m。見圖6。

圖6 進港航道人工開挖段沖淤分布

第二監(jiān)測期(2017年9—2018年4月)為秋冬階段，歷時較長，約8個月。在此期間整個開挖段區(qū)域以淤積為主，平均淤積厚度0.31 m，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積厚度0.51 m。見圖7。

圖7 2017年9月—2018年4月進港航道人工開挖段沖淤分布

總體來看，進港航道人工開挖段在常風天期間呈現明顯的 “春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的季節(jié)變化規(guī)律，淤積區(qū)域主要出現在常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)，見圖8。根據2017—2019年實測資料統(tǒng)計分析，常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)常風天的回淤強度約為0.5 m/a，凈淤積量約為160萬m3/a。

注：縱坐標中，沖刷厚度為+，淤積厚度為-。

4.2 臺風天航道回淤分析

第三監(jiān)測期(2018年7—9月)，有3次9～10級“登陸型”臺風(安比、云雀、溫比亞臺風)正面(由海向陸)侵襲了洋山水域，在此期間，人工開挖段基本沖淤平衡，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積僅0.04 m，由此可見正面登陸的小型臺風對航道回淤影響很小。見圖9。

圖9 2018年7—9月進港航道人工開挖段沖淤分布

第五監(jiān)測期內(2019年7—8月)，有1次16級臺風“利奇馬”在洋山海域南部的浙江臺州登陸。在此期間，人工開挖段以沖淤平衡為主，局部地區(qū)出現淤積，淤積區(qū)域主要出現在H6～H8航槽單元內，淤積幅度在0.2～0.5 m。常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)平均淤積厚度約0.17 m，淤積量約55萬m3。見圖10。

圖10 2019年7—8月進港航道人工開挖段沖淤分布

第六監(jiān)測期內(2019年8—9月)，16級臺風“玲玲”和12級臺風“塔巴”在洋山海域東側的外海先后經過。在此期間，人工開挖段全線出現明顯淤積，平均淤積厚度為0.31 m，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)淤積更為明顯，平均淤積厚度約0.43 m，淤積量約140萬m3。見圖11。

圖11 2019年8—9月進港航道人工開挖段沖淤分布

總體來看，臺風對航道回淤會產生一定的影響，淤積程度與臺風的風力等級和路徑有關。一般來講臺風的風力等級越大，航道回淤越大。從觀測資料來看，10級風力以下對航道回淤影響相對較小，但2019年經歷兩次較大風力等級的臺風后產生的淤積量可接近航道1 a的常風天回淤量；其次臺風移動路徑可能也會對航道回淤產生影響，第六監(jiān)測期經歷過兩次外海型臺風(16級、12級)產生的淤積量(140萬m3)明顯大于第五監(jiān)測期經歷過一次登陸型的臺風(16級)的淤積量(55萬m3)。見圖12。

圖12 進港航道人工開挖段臺風天各監(jiān)測期沿程回淤分布

5 航道回淤機理

5.1 回淤強度下降原因

根據大通站水文資料(圖13)顯示，長江口年輸沙量呈現逐漸減少的趨勢，近年來年平均輸沙量僅有1.37億t。因長江口來沙為洋山海域主要泥沙來源，故洋山水體含沙量也隨之有所下降，這對航道水深維護、回淤強度的減小起到了積極作用。受之影響，洋山海域(港內人工作業(yè)影響水域除外)的海床由之前的淤積環(huán)境轉為沖刷環(huán)境(圖14)，特別是進港航道兩側的岸灘沖刷了1 m左右，同時由于航道維護底高程從-16.5 m降為-16.0 m，平均灘槽高差減小了將近一半，故目前航道的回淤強度比一期工程時明顯減小。

圖13 1951—2017年大通站年輸沙量變化過程

5.2 常風天季節(jié)變化及臺風天回淤原因

工程海域的泥沙運動以懸沙落淤為主，故水體背景含沙量是影響工程海域沖淤變化的主要因素。同時該工程海域水深和流急、本地泥沙的起懸和搬運及沉積均與潮流強弱有關[11-12]，故潮流強弱也是影響海床沖淤變化的重要因素。

在常風天，進港航道人工開挖段呈現“春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的明顯的季節(jié)變化規(guī)律，且此變化與水體背景含沙量的季節(jié)變化基本一致。春夏季期間，水體平均含沙量逐月下降，航道呈現沖淤平衡甚至微沖態(tài)勢；秋冬季期間，水體平均含沙量逐月上升，航道呈現淤積態(tài)勢。

在臺風天，以往的研究認為由于風浪較大可能產生浮泥，但在強潮流作用下，產生的浮泥容易被潮流帶走，因此不會發(fā)生航道驟淤現象。本監(jiān)測研究發(fā)現，臺風對航道回淤會造成一定的影響，影響程度與臺風的風力等級和路徑有關。通常情況下，臺風風力等級越高，掀起的淺灘泥沙越多，水體含沙量越大，故航道回淤越大，虞志英等[13]在連云港地區(qū)回淤研究中發(fā)現水體含沙量的分布與風速成較好的正線性關系。目前已有的關于航道回淤與臺風路徑的研究較少，顧偉浩[14]基于長江口北槽挖槽段回淤觀測研究發(fā)現，轉折型臺風比登陸型臺風造成的回淤影響更大。但由于缺乏臺風過程中的潮流、水沙觀測數據，目前還無法確定臺風路徑對航道回淤影響的機理，有待進一步的研究加以揭示。

6 結論

1)近10 a來洋山海域總體沖刷，航道區(qū)域灘槽高差減小、回淤強度減弱，但大風過程引起的風浪掀沙導致航道回淤的可能性依然存在。

2)進港航道人工開挖段工程附近海域水深特征呈現中段淺、兩端深的馬鞍形分布,其中航道中段長4～5 km的淺區(qū)H5～H9單元為常年疏浚區(qū)，淺區(qū)寬度可覆蓋整個航道。

3)進港航道人工開挖段常風天回淤呈現“春夏基本沖淤平衡、局部沖刷，秋冬淤積為主”的季節(jié)變化規(guī)律，其中常年疏浚區(qū)(H5～H9單元)的年回淤強度約為0.5 m/a，凈淤積量約為160萬m3/a。

4)臺風對進港航道人工開挖段的回淤會造成一定的影響，影響程度與臺風的風力等級和路徑有關。