葛建忠， 金 鏐， 丁平興， 邵榮順， 虞志英， 郭文云

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局，上海 200003；3.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200032）

0 引 言

我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)超過(guò)18 000 km，海岸類(lèi)型眾多，是我國(guó)發(fā)展航運(yùn)的重大基礎(chǔ).而海岸的物質(zhì)組成也在一定程度上影響了當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)條件.根據(jù)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)可將海岸分為基本穩(wěn)定平衡型、侵蝕型和淤積型.對(duì)于沒(méi)有大量河流泥沙輸入的海域主要呈現(xiàn)穩(wěn)定平衡型；在輸沙河口附近多屬淤積型海岸［1］.在漫長(zhǎng)的海岸線當(dāng)中，有4 000 km以上的淤泥質(zhì)海岸，分布在長(zhǎng)江、黃河、錢(qián)塘江、海河等河流入?？诘臎_積平原地區(qū).而在此類(lèi)海域，徑流和潮流交匯，流場(chǎng)異常復(fù)雜；咸淡水混合，平面和垂向梯度大且變化迅速，引起泥沙復(fù)雜的絮凝.復(fù)雜的流場(chǎng)、波浪場(chǎng)、泥沙和地形的相互作用塑造了灘槽交錯(cuò)的復(fù)雜地貌形態(tài).人工開(kāi)挖的港池航道往往有泥沙回淤的問(wèn)題.

長(zhǎng)江口地處長(zhǎng)江沖淡水和東海潮波相互作用的區(qū)域，河流泥沙供給充足，潮流作用顯著，風(fēng)浪引起的泥沙沖刷和淤積都較為明顯，沖淡水混合引起的泥沙絮凝也加劇了泥沙沉降.因此長(zhǎng)江口有非常顯著的泥沙淤積情況，在長(zhǎng)江口主要港區(qū)和航道都受到了泥沙回淤的顯著影響，例如外高橋新港區(qū)岸段的強(qiáng)烈淤積［3］，長(zhǎng)江口深水航道一至三期工程后持續(xù)的泥沙回淤［4－6］.

對(duì)于上海國(guó)際航運(yùn)中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案的前期研究來(lái)說(shuō)，必須對(duì)泥沙回淤進(jìn)行細(xì)致研究，對(duì)挖入式港池的進(jìn)沙量、港內(nèi)泥沙濃度、回淤?gòu)?qiáng)度分布和總回淤量須根據(jù)方案布置、水文泥沙條件等進(jìn)行預(yù)測(cè).

本文在歷次水文泥沙調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，采用我國(guó)海港水文規(guī)范建議的挾沙能力方法和水流切應(yīng)力方法等多種方法，對(duì)挖入式港池和外航道的泥沙回淤?gòu)?qiáng)度、分布及回淤量進(jìn)行估算.

1 回淤公式的選取

橫沙淺灘挖入式港區(qū)主要由挖入式內(nèi)港池及外側(cè)深水航道組成，由于這兩部分動(dòng)力條件、泥沙供給方式不同，需要分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算.

為便于比較，本報(bào)告采用多種方法估算回淤量.其中對(duì)于挖入式港池，分別采用《JTJ 213－98海港水文規(guī)范》附錄N－淤泥質(zhì)海岸港池的淤積計(jì)算公式、底切應(yīng)力計(jì)算模式［7］和曹祖德［8］近期提出的計(jì)算公式；對(duì)于外側(cè)航道，分別按海港水文規(guī)范推薦的挾沙能力公式及底切力模式兩種方法計(jì)算.

1.1 海港水文規(guī)范港池回淤計(jì)算公式（劉家駒公式［2］）

按《JTJ 213－98海港水文規(guī)范》附錄，對(duì)基本處于沖淤平衡狀態(tài)的淤泥質(zhì)淺灘水域中開(kāi)挖的港池，其年淤積強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中，P2為航道底面的年淤積厚度（m）；ω為細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s）；K0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，在缺少現(xiàn)場(chǎng)資料的情況下，可取0.14－0.17；為相應(yīng)于口門(mén)處平均水深水域的平均含沙量（kg／m3）；為分別代表港口口門(mén)外一定范圍水域的平均水深和港池開(kāi)挖后的水深（m）；A為港池內(nèi)水下淺灘的水域面積（m2）；A0為包括港池和港內(nèi)的水下淺灘的港池內(nèi)總水域面積（m2）.

對(duì)于大型挖入式港池，考慮到進(jìn)港渾水沿程落淤引起港內(nèi)含沙量的變化，回淤計(jì)算應(yīng)從口門(mén)向里分區(qū)塊進(jìn)行.

1.2 底切力模式港池回淤計(jì)算方法（金鏐－虞志英方法［8］）

該方法考慮大型半封閉挖入式港池渾水納潮進(jìn)港過(guò)程中流速及含沙量的沿程變化，港內(nèi)外含沙量差引起的斜壓效應(yīng)以及在漲潮、落潮過(guò)程中的淤積、沖刷及其綜合作用，給出港池區(qū)域回淤?gòu)?qiáng)度的分布.基本原理與方法如下.

該斷面處漲潮流斷面平均流速u(mài)f，有

其中，H為平均潮位下水深，Tf為漲潮歷時(shí)，l為港池縱向長(zhǎng)度.

（1）渾水密度梯度引起的流動(dòng)

考慮一端封閉，一端與主河相接的支河.主河為渾水，由于主、支河間的密度梯度，將發(fā)生從主河向支河的渾水入侵，范家驊［10］給出入侵速度在支河入口處為

其中，h′為總水深的1／2，Δρ為主、支河密度差.從口門(mén)向里，入侵速度遞減：

式中，λ≈0.03；vη＝0.02S0，為垂向速度，S0為進(jìn)口斷面含沙量（kg／m3）.

潮汐引起的流動(dòng)和密度梯度引起的流動(dòng)合成為挖入式港池內(nèi)的實(shí)際流速.后面的計(jì)算表明，密度梯度引起的流動(dòng)在合成流速中的比重隨港池縱向尺度增加而減小.

（2）水流切應(yīng)力和動(dòng)量交換系數(shù)

在二維性質(zhì)明顯的潮流運(yùn)動(dòng)中，大部分時(shí)間內(nèi)流速的垂向分布符合對(duì)數(shù)分布，竇國(guó)仁［11］給出垂線平均流速與摩阻流速u(mài)＊的換算關(guān)系：

當(dāng)粒徑d≤0.5 mm時(shí)，床面粗糙度Δ可取1 mm.當(dāng)平均水深H＝8 m時(shí)，有u＊≈為床面水流切應(yīng)力.

在潮周期中，當(dāng)摩阻流速小于泥沙的淤積臨界摩阻流速u(mài)＊i時(shí)，發(fā)生淤積.以性質(zhì)較為相似的連云港淤泥所得實(shí)驗(yàn)值作為參考：u＊i＝0.7 cm／s.取H＝8 m，算得u＊i×8＝19.4 cm2／s.

（3）海灣淤積的物理過(guò)程

挖入式港池內(nèi)的凈淤積是一潮中淤積量和沖刷量的差值.由于一潮中進(jìn)入港區(qū)的泥沙量與納潮量有關(guān)，因此，港區(qū)的凈淤積量及其在港區(qū)內(nèi)的分布，可以用沉沙率及其分布來(lái)表示.

〈i〉一潮中的沖淤歷時(shí)

在切應(yīng)力模式中，當(dāng)u＊≥u＊c期間，沉積物發(fā)生沖刷；在u＊≤u＊i期間發(fā)生淤積，在u＊i＜u＊＜u＊c期間不沖不淤.由此得到一全潮中的淤積歷時(shí)T淤和全潮內(nèi)沖刷歷時(shí)T分別為

式中，σ?29°／hr為潮波圓頻率；u＊0，灘為開(kāi)挖水域周邊自然灘面的水流摩阻流速峰值；H2和H1分別為挖槽和天然灘面平均水位下水深.

〈ii〉漲潮流期間即挖入式港區(qū)納潮期間的淤積過(guò)程

漲潮流期間，渾水進(jìn)入港區(qū).由于港區(qū)內(nèi)各斷面水力條件不同，各斷面的漲潮流平均含沙量也不同.這種不同，可概括為三種過(guò)程的綜合：一是近底含沙量的沿程變化，它產(chǎn)生于T淤期間，從前一斷面到后一斷面水流經(jīng)過(guò)的時(shí)段ΔT；二是某一計(jì)算斷面淤積開(kāi)始時(shí)的垂線含沙量分布在經(jīng)歷T淤后的變化；三是u＊＞u＊c即T沖期間的沖刷.具體分述如下.

挖入式港區(qū)口門(mén)處主流漲潮流階段平均含沙量分布可表示成

其中，Sa為臨底含沙量，Z為離底高度，ε、ω如前述.垂線平均含沙量

a）從上一斷面到下一斷面臨底含沙量Sa的變化

漲潮流水體從x1斷面到x2斷面，歷時(shí)ΔT與該區(qū)段內(nèi)平均流速有關(guān)，

考慮泥沙以同樣的沉速下沉，則x2處的臨底含沙量Sa2可認(rèn)為等于x1斷面處臨底高度Z＝ω·ΔT上的含沙量，即

b）港區(qū)內(nèi)各斷面的含沙量

港區(qū)內(nèi)任一斷面漲潮流期間淤積開(kāi)始時(shí)刻的臨底含沙量為Sa，t0，其垂線平均含沙量可由式（11）表示.該斷面從淤積開(kāi)始經(jīng)歷T淤后的臨底含沙量

t1時(shí)刻的垂線平均含沙量

進(jìn)而可計(jì)算t2→t3期間的平均含沙量，并用類(lèi)似方法遞推之后各時(shí)段.

由港區(qū)內(nèi)各斷面漲潮流期間的平均含沙量和流速，可得斷面輸沙量，從而得到相鄰斷面間的淤積量.

c）T沖內(nèi)的沖刷量

在Tf內(nèi)當(dāng)u＊＞u＊c期間，沉積物將發(fā)生沖刷，通常是將在T淤期間暫時(shí)落淤尚未明顯密實(shí)的淤泥重新?lián)P起.單位面積的沖刷量E′為

d）落潮流期間的淤積量和全潮沉沙率

由于所論港區(qū)假定漲、落潮歷時(shí)相差不大，即Tf≈Te，所以落潮流期間的水流摩阻流速過(guò)程與漲潮流相仿，只是提供淤積的水體含沙量少了.因此，近似地采用Tf期間的沉沙率kf，即ke≈kf.沉沙率k定義為

潮內(nèi)總淤積率（沉沙率）

1.3 納潮進(jìn)沙沉沙率計(jì)算方法（曹祖德經(jīng)驗(yàn)公式［9］）

對(duì)于雙堤環(huán)抱式港池，曹祖德提出考慮納潮進(jìn)沙后的懸沙落淤，其淤積公式如下式表示：

式中，Q為港內(nèi)全年淤積量（m3）；n，全年進(jìn)港的潮個(gè)數(shù)，半日潮海區(qū)，n＝706；A0為港內(nèi)總水域面積（m2）；hΔ—全年平均潮差；S0—口門(mén)處年平均含沙量；γc為港內(nèi)淤積物干容量（kg／m3）；η為經(jīng)驗(yàn)沉沙率.

1.4 海港水文規(guī)范航道回淤計(jì)算公式（劉家駒公式［2］）

按《JTJ 213－98海港水文規(guī)范》附錄，在沖淤平衡狀態(tài)下的淤泥質(zhì)淺灘水域中開(kāi)挖的航道，其年回淤?gòu)?qiáng)度按下式計(jì)算：

式中，P1為航道底面的年淤積厚度（m）；ω為細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s）；S1為相應(yīng)于平均水深d1的淺灘水域的平均含沙量（kg／m3）；t為淤積歷時(shí)（s）；γ0為淤積物的干密度（kg／m3）；K1，K2為分別為橫流和順流淤積系數(shù)，在缺少現(xiàn)場(chǎng)資料的情況下，可取K1為0.35，K2為0.13；d1，d2為分別為淺灘平均水深和航道開(kāi)挖后的水深（m）；θ為航道走向與水流流向之間的夾角（°）.

1.5 底切力模式航道回淤計(jì)算方法

根據(jù)金繆等研究［7］，淤泥質(zhì)海岸淺灘上開(kāi)挖港池航道后，其回淤量主要取決挖槽區(qū)域的水動(dòng)力條件、供沙條件及泥沙特性、地形和開(kāi)挖尺度等因素，回淤計(jì)算公式的確定應(yīng)主要考慮這些因素并根據(jù)沖淤物理過(guò)程構(gòu)造半經(jīng)驗(yàn)半理論經(jīng)驗(yàn)公式，即在一個(gè)全潮過(guò)程中，當(dāng)水流切應(yīng)力（以底切τb力或者摩阻流速表示）低于泥沙的淤積切應(yīng)力τi（或淤積臨界摩阻流速）時(shí)發(fā)生落淤，高于沉積物的沖刷臨界切應(yīng)力τc（或沖刷臨界摩阻流速）時(shí)則發(fā)生沖刷和懸揚(yáng).在淤泥質(zhì)海床條件下，沖刷率與沉積物的固結(jié)狀態(tài)有關(guān).挖槽與相鄰灘地相比，全潮內(nèi)水動(dòng)力降低，淤積歷時(shí)加長(zhǎng)且淤積率增大，沖刷歷時(shí)縮短，沖刷率減小，從而導(dǎo)致開(kāi)挖后港池和航槽的回淤.將潮流過(guò)程概化為正弦曲線并認(rèn)為灘、槽單寬流量相等，計(jì)算模式為：

1／4全潮內(nèi)淤積歷時(shí)T槽，

1／2全潮內(nèi)沖刷歷時(shí)T′槽，

1／4全潮挖槽內(nèi)淤積量Dt，

1／2全潮內(nèi)挖槽沖刷量E，

上述各式中，σ—潮波圓頻率；h槽、h灘—挖槽及兩側(cè)灘地平均潮位下水深；u＊i—懸沙淤積臨界摩阻流速；K—挖槽走向及主流向不一致時(shí)挖槽流速折減系數(shù)，此處k＝1；u＊0—潮周期內(nèi)挖槽附近灘面水流峰值摩阻流速；u＊c—挖槽內(nèi)沉積物的起動(dòng)摩阻流速；S灘—挖槽所在海床或海灘的水體含沙量；εS—水體含沙量垂線分布中的垂向泥沙交換系數(shù)；ω—細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉速；M—沉積物的沖刷系數(shù)；u＊0槽—挖槽內(nèi)水流摩阻流速，與挖槽相對(duì)深度和水流夾角有關(guān)

2 挖入式港池的回淤估算

2.1 海港水文規(guī)范公式計(jì)算港池回淤

有關(guān)計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下：ω為細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s），取0.000 4 m／s；K0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.14；S′1為相應(yīng)于口門(mén)處平均水深d′1范圍內(nèi)水域的平均含沙量（kg／m3），取－7 m處年平均含沙量為0.3 kg／m3；d′1、d′2為港口口門(mén)外一定范圍水域的平均水深和港池開(kāi)挖后的水深，分別取7 m和23 m；A為港池內(nèi)水下淺灘的水域面積（m2），考慮港池內(nèi)全部挖深，沒(méi)有淺灘，因此該值取0；A0為港池內(nèi)總水域面積，包括港池和港內(nèi)的水下淺灘（m2），南線方案60 km2，北線方案68 km2.

橫沙淺灘挖入式港池為水域面積超大的現(xiàn)代大型港口，可設(shè)計(jì)多種類(lèi)型港池，根據(jù)初步規(guī)劃港內(nèi)具有較深的礦石及原油碼頭和較淺的散貨碼頭.因此需要分區(qū)域進(jìn)行不同港池的回淤計(jì)算.對(duì)于港內(nèi)不同港池的回淤計(jì)算，仍采用經(jīng)驗(yàn)公式（1），但要分區(qū)進(jìn)行，根據(jù)分區(qū)特點(diǎn)，可寫(xiě)為如下形式：

式中，Si＋1為計(jì)算第i＋1港池單元的含沙量；h2（i＋1）為第i＋1港池單元的開(kāi)挖水深；Ai＋1，A0（i＋1）分別代表第i＋1港池單元的淺灘水域面積和該單元總水域面積，ΔH為平均潮差；N為相應(yīng)淤積歷時(shí)內(nèi)的潮數(shù).

港池水域劃分如圖1所示，主要分為主槽及航道區(qū)域及邊側(cè)的港池區(qū)域.

圖1 橫沙淺灘挖入式港池內(nèi)區(qū)域劃分Fig.1 Domain decomposition of the planned excavated－in harbor in the Hengsha Shoal

經(jīng)計(jì)算橫沙淺灘挖入式港池的淤積強(qiáng)度和年淤積量見(jiàn)表1.

從計(jì)算結(jié)果看，鄰近港區(qū)出口的主槽航道區(qū)域（A區(qū)）淤積強(qiáng)度較大，約為0.71 m／a，離口門(mén)越遠(yuǎn)，含沙量濃度逐漸降低，回淤?gòu)?qiáng)度逐步減小，在港區(qū)中部主槽區(qū)域的淤積強(qiáng)度在0.3～0.4 m／a，統(tǒng)計(jì)港區(qū)內(nèi)所有主槽和旁側(cè)港池的淤積量，總約2 175萬(wàn)m3，港區(qū)內(nèi)的平均年淤積強(qiáng)度約為0.35 m／a.可見(jiàn)在一般情況下，橫沙淺灘挖入式港池的泥沙回淤?gòu)?qiáng)度和回淤量都較小，港池建成后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較省.

表1 橫沙挖入式港池年回淤?gòu)?qiáng)度預(yù)估Tab.1 Estimation of siltation in the excavated－in harbor in the Hengsha Shoal

2.2 底切力模式（金－虞方法）計(jì)算港池回淤

根據(jù)模式要求及橫沙淺灘挖入式港池實(shí)際水深、泥沙及動(dòng)力條件按（式2至式16）遞推計(jì)算.計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下：

（1）摩阻流速根據(jù)竇國(guó)仁［10］的方法進(jìn)行計(jì)算；

（2）動(dòng)水絮凝沉速為ω＝0.04 cm／s；

（3）泥沙淤積臨界摩阻流速u(mài)＊i＝0.7 cm／s；

（4）新淤泥沙沖刷臨界摩阻流速u(mài)＊c＝1.0cm／s；

（5）新淤海床沖刷系數(shù)取M＝0.69×10－4kg／（m2·s）；

（6）口門(mén)處初始垂向年平均含沙量為0.3 kg／m3（－5 m水深處）和0.5 kg／m3（－7 m水深處），其含沙量值參考徐海根等人的觀測(cè)研究［13］；

（7）平均潮差2.6 m；

（8）漲潮時(shí)間為T(mén)f＝6.2 h；

（9）挖入式港池口門(mén)設(shè)置于－5 m和－7 m水深處.

口門(mén)放置在－5 m處時(shí)，對(duì)北線方案，漲潮流期間1 m寬，沿整個(gè)內(nèi)港池23 km長(zhǎng)度的平面空間上的凈淤積量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)跨航道方向單寬淤積量）為12 472 kg，一潮漲潮流期間口門(mén)的單寬進(jìn)沙量＝（＋v）×0.5 kg／m3×23 m×6.2 hr＝61 182 kg.

因此，全潮單寬淤積量＝22 401 kg，沉沙率k＝36.62%.全潮回淤量約為22 401 kg×1 000／720 kg／m3×706／10 000 m3＝2 196萬(wàn) m3.考慮旁側(cè)港池的淤積，全港池淤積約為2 196＋731×2＋239×2＝4 136萬(wàn)m3.

由于內(nèi)航道長(zhǎng)度較短，水動(dòng)力較弱，因此主要的淤積帶處于距離港池口3～4 km航道段內(nèi)，潮動(dòng)力所造成的淤積和沖刷主要發(fā)生在港池內(nèi)距口門(mén)3～4 km段內(nèi)（如圖2所示）.在港池內(nèi)泥沙逐漸沉降，水體含沙量沿程逐步減低，內(nèi)航道10～18 km段內(nèi)含沙量小于0.1 kg／m3（如圖3所示）.而其峰值淤積強(qiáng)度達(dá)到5.3 m／a，呈現(xiàn)兩頭小中間大的分布特征（如圖4所示）.

圖2 北線方案一個(gè)漲潮過(guò)程挖入式港池回淤量沿內(nèi)航道分布Fig.2 Distribution of siltation along the middle channel in the planned excavated－in harbor of the Hengsha Shoal in single flood tide

圖3 北線方案全潮過(guò)程中挖入式港池內(nèi)平均含沙量沿內(nèi)航道分布Fig.3 Distribution of siltation along the outer shipping channel of the planned excavated－in harbor

圖4 北線方案全潮過(guò)程中挖入式港池內(nèi)淤積強(qiáng)度沿內(nèi)航道分布Fig.4 Distribution of siltation along the inner shipping channel of the planned excavated－in harbor

北線方案在其淤積峰值之后都出現(xiàn)一個(gè)回淤顯著降低的過(guò)程，主要是由于泥沙濃度的斜壓效應(yīng)引起的水體入侵速度達(dá)到穩(wěn)定.

如果將港池出口東移至含沙量更低的－7 m水深處，根據(jù)歷史調(diào)查該處的年平均含沙量為0.3 kg／m3.在此種情況下，漲潮流期間一潮凈單寬淤積量為7 503 kg，一潮漲潮期口門(mén)的單寬進(jìn)沙量＝（＋v）×0.3 kg／m3×23 m×6.2 hr＝41 535 kg.

因此，全潮單寬淤積量＝13 652 kg，沉沙率k＝32.87%.全潮回淤量約為13 652 kg×1 000／720 kg／m3×706／10 000 m3＝1 338萬(wàn) m3.考慮旁側(cè)港池的淤積，全港池淤積約為1 338＋332×2＋97×2＝2 196萬(wàn)m3.

可見(jiàn)當(dāng)港池口外延至－7 m水深處時(shí)，潮周期回淤量及年平均回淤?gòu)?qiáng)度都顯著降低，如圖5和圖6所示，回淤峰向港池內(nèi)側(cè)偏移了約1.5 km，港區(qū)內(nèi)的平均年淤積強(qiáng)度約為0.36 m／a，最大年平均回淤?gòu)?qiáng)度小于3 m／a.

圖5 北線方案一個(gè)漲潮過(guò)程挖入式港池回淤量沿內(nèi)航道分布Fig.5 Distribution of siltation along the middle channel in the planned excavated－in harbor of the Hengsha Shoal in single flood tide

圖6 北線方案全潮過(guò)程中挖入式港池內(nèi)淤積強(qiáng)度沿內(nèi)航道分布Fig.6 Distribution of siltation along the inner shipping channel of the planned excavated－in harbor

2.4 納潮進(jìn)沙量沉沙率經(jīng)驗(yàn)方法（曹祖德方法）

計(jì)算參數(shù)的選取如下：hΔ—港內(nèi)年平均潮差用中浚站數(shù)據(jù)取為2.6 m；S0—根據(jù)多年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同的口門(mén)位置設(shè)置，－5 m～－7 m水深，可取0.5～0.3 kg／m3；γc—淤積土干容重，本文計(jì)算取720 kg／m3；η—納潮回淤率與港內(nèi)水域總面積A0、泥沙沉降速度ω及港池平面形式等多種因素有關(guān)，根據(jù)本海區(qū)及平面布置形態(tài)情況，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)η可取為0.40～0.60，本報(bào)告取平均值0.5；A0—港內(nèi)水域總面積約為南線方案60 km2、北線方案68 km2.

根據(jù)上述參數(shù)代入公式計(jì)算，考慮在口門(mén)設(shè)置在－7 m，平均含沙量為0.3 kg／m3的回淤結(jié)果如表2.

表2 挖入式港池內(nèi)水域年淤?gòu)?qiáng)和淤積量計(jì)算結(jié)果Tab.2 The siltation rate and total deposition in the planned excavated－in harbor

從進(jìn)入港池泥沙總量上估算，整個(gè)港池內(nèi)的泥沙回淤?gòu)?qiáng)度大致約為0.3 m／a，年回淤量南北線方案分別為2 040和1 800萬(wàn)m3.

3 深水航道回淤估算

3.1 海港水文規(guī)范（劉家駒公式）計(jì)算外航道回淤

計(jì)算參數(shù)選取如下：

ω—細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s），取0.000 4 m／s；S1—相應(yīng)于平均水深d1的淺灘水域的平均含沙量（kg／m3），其沿程年平均含沙量分布如表3；t—淤積歷時(shí)（s）；γ0—淤積物的干密度（kg／m3），取720 kg／m3；K1，K2—分別為橫流和順流淤積系數(shù)，在缺少現(xiàn)場(chǎng)資料的情況下，可取K1為0.35，K2為0.13；d1，d2—分別為淺灘平均水深和航道開(kāi)挖后的水深（m）；θ—航道走向與水流流向之間的夾角（゜）.

表3 挖入式港池外航道不同水深處年平均含沙量Tab.3 Climatological SSC at typical bathymetry out of the planned excavated－in harbor

長(zhǎng)江口橫沙淺灘挖入式港池外航道的回淤結(jié)果如圖7所示.

圖7 按海港水文規(guī)范計(jì)算北線方案挖入式港池外航道回淤?gòu)?qiáng)度分布圖Fig.7 Distribution of siltation rate along the outer shipping channel under the north scheme of the planned excavated－in harbor with the Code of Hydrology for Sea Harbor

經(jīng)計(jì)算，北線方案在外航道年回淤量分別為1 110萬(wàn)m3，但是其回淤分布特征差異明顯.北線方案在外航道0～8 km段泥沙回淤較顯著（如圖7），主要由于該段北線方案水深相對(duì)較淺，灘槽高差較大，對(duì)回淤的影響明顯.由于8～18 km段北線方案水深梯度較大，其兩側(cè)灘地水深與主航槽水深差異較小，而且水體含沙量低，因此回淤開(kāi)始顯著變小.全航道平均年回淤?gòu)?qiáng)度為1.06 m／a.

3.2 底切力模式（金鏐－虞志英方法）計(jì)算外航道回淤

水動(dòng)力及泥沙參數(shù)選定如下：

1）摩阻流速根據(jù)竇國(guó)仁［11］的方法進(jìn)行計(jì)算；

2）動(dòng)水絮凝沉速為ω＝0.04 cm／s；

3）泥沙淤積臨界摩阻流速u(mài)＊i＝0.7 cm／s；

4）泥沙沖刷臨界摩阻流速u(mài)＊c采用區(qū)域分布，從港池口1 cm／s逐漸過(guò)渡到－20 m水深處2.0cm／s；

5）新淤泥沙海床沖刷系數(shù)取M＝0.69×10－4kg／（m2·s）；

6）泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù)取εs＝40 cm2／s；

7）含沙量濃度取值分布如表3；

8）外航道底部流速采用第三章中高分辨率三角形FVCOM模型計(jì)算的流速經(jīng)過(guò)竇國(guó)仁（1999）年算法得到底部的平均摩阻流速.

經(jīng)計(jì)算得到沿航道底部摩阻流速分布如圖8所示，從港池口至外海－20 m水深處摩阻流速整體呈現(xiàn)逐步增大的特征，在航道前段0～6 km內(nèi)，摩阻流速小于2 cm／s，而在6 km之外摩阻流速增大并超過(guò)2 cm／s.

運(yùn)用底切力模式，綜合考慮全潮過(guò)程中的淤積、沖刷，從而得到沿航道回淤分布（如圖9所示），在航道近港池口及4 km區(qū)域段，航道回淤明顯，主要是由于港池口區(qū)域水體含沙量較大，泥沙供給充足，灘槽水深比較大，從而形成顯著泥沙回淤.而在航道4 km段位置，由于受北港水道泥沙下泄影響，橫流影響顯著，水動(dòng)力垂向差異明顯，造成泥沙在該區(qū)域較易沉降.在航道外側(cè)水深較大處，由于海床底部較為密實(shí)，且水體含沙量較低，水動(dòng)力較強(qiáng)，從而呈現(xiàn)一定的沖刷特征.

從整體上計(jì)算得到航道沿程年回淤總量約607萬(wàn)m3，且主要集中在0～6 km航道段內(nèi).由于近港池口航道段呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，而航道8～18 km段呈現(xiàn)沖刷特征，因此全航道平均回淤?gòu)?qiáng)度較小，約為0.19 m／a.

圖8 底切力模式所得近底摩阻流速沿外航道分布Fig.8 Distribution of shear velocity along the outer shipping using bottom－shear－stress model

圖9 底切力模式所得沿外航道回淤?gòu)?qiáng)度分布Fig.9 Distribution of siltation ratae along the outer shipping using bottom－shear－stress model

4 大風(fēng)天氣下的回淤估算

夏季臺(tái)風(fēng)和冬季寒潮大風(fēng)侵襲期間，波浪顯著增強(qiáng)，水體泥沙濃度急劇增大，從而造成短時(shí)間較厚的浮泥層和較高的回淤量.因大風(fēng)及強(qiáng)浪的的直接作用是水體含沙量濃度的顯著身高，因此在本文中直接考慮風(fēng)浪作用之后的含沙量濃度以體現(xiàn)大風(fēng)強(qiáng)浪的作用，不在模式是另外考慮波浪的計(jì)算方程.即直接考慮外航道中在大風(fēng)大浪情況下的含沙量異常升高，及挖入式港池口門(mén)去在大風(fēng)天氣下的含沙量顯著增大.在此含沙量情況下采用上述的回淤計(jì)算方法進(jìn)行大風(fēng)天氣下的回淤估算.

4.1 外航道大風(fēng)回淤估算

考慮大風(fēng)天氣情況下的水體含沙量為平常天氣情況下含沙量的3～10倍，取平均值為5倍.考慮夏季臺(tái)風(fēng)和冬季寒潮影響下的大風(fēng)天氣持續(xù)影響時(shí)間約為5 d.

采用上述方法估算，大風(fēng)天氣影響5 d的外航道回淤量如表4所示.

表4 大風(fēng)天氣影響下外航道回淤量Tab.4 Total siltation within the outer shipping channel under strong wind weather

全航道平均回淤厚度為0.1 m.

4.2 挖入式港池大風(fēng)回淤估算

采用底切力模式估算大風(fēng)天氣情況下高濃度含沙量水體引起的泥沙回淤.

經(jīng)估算，北線方案在大風(fēng)天氣作用5 d的情況下港池內(nèi)回淤總量為183萬(wàn)m3，在此期間的沿內(nèi)航道的淤積厚度如圖10所示，最大淤積厚度約為0.7 m，位于距口門(mén)6～7 km位置處，其余淤積厚度較小，一般小于0.3 m.而在口門(mén)位置，由于水動(dòng)力較強(qiáng)，還呈現(xiàn)較弱的沖刷特征.

圖10 大風(fēng)天氣影響下內(nèi)港池航道主槽的回淤厚度分布Fig.10 Distribution of siltation thickness along the outer shipping using bottom－shear－stress model

采用納潮進(jìn)沙沉沙率回淤公式估算，大風(fēng)持續(xù)作用期為5 d，口門(mén)處的平均含沙量約為平時(shí)的3～10倍，取平均值5倍，為1.5 kg／m3，經(jīng)估算大風(fēng)期間挖入式港池內(nèi)的泥沙回淤為165萬(wàn)m3.

采用海港水文規(guī)范劉家駒公式計(jì)算方法，考慮相同的大風(fēng)情況下的含沙量和持續(xù)時(shí)間，經(jīng)分區(qū)遞推計(jì)算得到大風(fēng)情況下泥沙回淤量為252萬(wàn)m3.

5 結(jié) 語(yǔ)

橫沙淺灘挖入式港池方案的關(guān)鍵技術(shù)之一是回淤問(wèn)題.通過(guò)采用海港水文規(guī)范推薦的公式、底切應(yīng)力方法和經(jīng)驗(yàn)公式等多種不同方法估算港池與進(jìn)港航道回淤，結(jié)果較為一致，若港池出口門(mén)位于－7 m處，當(dāng)?shù)啬昃沉拷禐?.3 kg／m3，北線方案港池內(nèi)平均淤積強(qiáng)度約為0.3～0.4 m／a，總回淤量約為2 000萬(wàn)～2 200萬(wàn)m3；外航道年平均淤積強(qiáng)度約為0.3～0.4 m／a，總回淤量約為600萬(wàn)～1 200萬(wàn)m3.

粗步估算大風(fēng)天氣情況下港池與外航道的回淤，取夏季臺(tái)風(fēng)和冬季寒潮影響下的大風(fēng)天氣持續(xù)影響時(shí)間約為5 d，水體含沙量濃度比平常天氣情況下平均高5倍，分別采用海港水文規(guī)范計(jì)算公式等，對(duì)于北線方案，5 d港池總回淤量約為165萬(wàn)～260萬(wàn)m3，外航道約為100萬(wàn)m3.

計(jì)算得到港池內(nèi)淤積分布呈現(xiàn)兩頭小中間大的特征，在港池口門(mén)和內(nèi)側(cè)淤積較小，而在離港池口4～6 km處為顯著回淤區(qū)域；而在外航道港池口門(mén)～4 km區(qū)域?yàn)轱@著回淤區(qū)域，長(zhǎng)約18～20 km的內(nèi)航道和外航道，整體平均的回淤?gòu)?qiáng)度較小.計(jì)算表明，如果將港池出口移至含沙濃度更低的深水區(qū)域，港池內(nèi)和外航道的回淤總量和回淤?gòu)?qiáng)度都將顯著降低.

進(jìn)一步的研究應(yīng)集中于橫沙淺灘及鄰近區(qū)域的泥沙、淤積環(huán)境的觀測(cè)，以為回淤預(yù)估提供更加可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)深入研究?jī)?yōu)化橫沙淺灘挖入式港池的工程配置，以降低泥沙回淤.

［1］ 黃建維.海岸與河口黏性泥沙運(yùn)到規(guī)律的研究和應(yīng)用［M］.北京：海洋出版社，2008.

［2］ 劉家駒.海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的研究和應(yīng)用［M］.北京：海洋出版社，2009.

［3］ 閆龍浩，楊世倫，李鵬，等.近期 （2000－2008年）長(zhǎng)江口南港河槽的沖淤變化——兼議外高橋新港區(qū)岸段強(qiáng)烈淤積的原因［J］.海洋通報(bào)，2010，29（4）：378－384.

［4］ 潘靈芝，丁平興，葛建忠，等.長(zhǎng)江口深水航道整治工程影響下北槽河床沖淤變化分析［J］.泥沙研究，2011（5）：51－59.

［5］ 談澤煒，范期錦，鄭文燕，等.長(zhǎng)江口北槽航道回淤原因分析［J］.水運(yùn)工程，2011（1）：29－40.

［6］ 金镠，虞志英，何青.深水航道的河勢(shì)控制和航道回淤問(wèn)題［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2012（1）：002.

［7］ 金镠，虞志英，陳德昌.淤泥質(zhì)海岸淺灘人工挖槽回淤率計(jì)算方法的探討［J］.泥沙研究，1985（2）：12－19.

［8］ 金鏐，虞志英陳德昌.淤泥質(zhì)海灣淤積形態(tài)的分析［G］／／中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì).河口海岸研究論文集.北京：海洋出版社，1990.

［9］ 曹祖德，楊華，張書(shū)莊.環(huán)抱式和挖入式港池的納潮淤積計(jì)算［J］.水道港口，2008，29（2）：77－81.

［10］ 范家驊.淤泥質(zhì)海灘引潮溝潮汐挾沙水流模型試驗(yàn)問(wèn)題［J］.中國(guó)科學(xué)：A輯，1986（07）：011.

［11］ 竇國(guó)仁.再論泥沙起動(dòng)流速［J］.泥沙研究，1989，6（1）：9.

［12］ 劉家駒.粉沙淤泥質(zhì)海岸的航道淤積［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2004（1）：6－11.

［13］ 徐海根，虞志英，鈕建定，等.長(zhǎng)江口橫沙淺灘及鄰近海域含沙量與沉積物特征分析［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（4）：42－54.