蔡鑫宇，孫林云，孫波，肖立敏，唐磊

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

我國(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)18 400 多km，其中淤泥質(zhì)海岸占有很大的比例。淤泥質(zhì)海岸主要分為平原型和港灣型，前者由江河攜帶的大量細(xì)顆粒泥沙在波浪和潮流的作用下輸運(yùn)沉積形成，后者則是由沿岸流搬運(yùn)的細(xì)顆粒泥沙在海灣堆積而成[1]。淤泥質(zhì)海岸坡度平緩，泥沙顆粒極細(xì)且具有黏性，容易發(fā)生絮凝和懸浮，于是懸移質(zhì)泥沙落淤形成航道淤積。劉家駒[2]認(rèn)為引起海岸工程泥沙淤積的3 個(gè)前提條件分別是泥沙、產(chǎn)生泥沙運(yùn)動(dòng)的水流動(dòng)力以及促使泥沙淤積的環(huán)境。其中航道淤積的動(dòng)力因素由風(fēng)、浪、流構(gòu)成，風(fēng)作用在海面上，將風(fēng)能傳遞給波浪與水流，產(chǎn)生風(fēng)生流和風(fēng)浪，波浪作用使得泥沙掀揚(yáng)形成近底高濃度含沙水體，在潮流作用下輸運(yùn)跨越航道；泥沙淤積的環(huán)境在航道中主要指航道尺度、航道與水流的夾角及航道周?chē)牡匦渭把谧o(hù)情況等。

本文對(duì)研究淤泥質(zhì)海岸航道回淤的方法進(jìn)行了綜述，著重總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)公式法，同時(shí)也介紹了現(xiàn)場(chǎng)資料分析法、物理模型試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法等方法，展望了未來(lái)研究相關(guān)問(wèn)題的主要預(yù)報(bào)方法。

1 淤泥質(zhì)航道回淤研究方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)資料分析法

在分析實(shí)際工程時(shí)會(huì)視具體情況來(lái)選定方法，除了有實(shí)測(cè)資料用于直接計(jì)算外，還包括試挖槽及類(lèi)比法。試挖槽是在航道建設(shè)前對(duì)其開(kāi)挖以及回淤、驟淤的可能性進(jìn)行分析與評(píng)判，在工程海域進(jìn)行挖槽回淤觀測(cè)分析的方法。這種方法能及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)資料，從而提高航道淤積預(yù)報(bào)的可靠性[3]。類(lèi)比法是利用工程區(qū)域附近或其他代表性地區(qū)已建航道的回淤資料對(duì)新工程進(jìn)行類(lèi)比分析的方法，需滿(mǎn)足大量的相似條件。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)資料分析法無(wú)法滿(mǎn)足要求或者條件過(guò)多加大了工程研究難度時(shí)，可以采取回淤預(yù)報(bào)的方法?；赜兕A(yù)報(bào)基本遵循3 種途徑，分別是物理模型試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法與經(jīng)驗(yàn)分析法。

1.2 物理模型試驗(yàn)法

物理模型試驗(yàn)法是嚴(yán)格按照相似理論制作實(shí)體模型以便模擬研究波浪、水流、泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變等過(guò)程的方法，相對(duì)更貼合實(shí)際，并且能夠發(fā)現(xiàn)一些潛在的問(wèn)題。但物理模型也存在著比尺效應(yīng)導(dǎo)致誤差、成本高、周期長(zhǎng)、可移植性差等局限性，數(shù)值模擬法恰好彌補(bǔ)了這部分缺點(diǎn)。

1.3 數(shù)值模擬法

目前數(shù)值模擬法逐漸發(fā)展為3 種類(lèi)型，分別是潮流數(shù)學(xué)模型、波浪數(shù)學(xué)模型與黏性泥沙數(shù)學(xué)模型，其中研究淤泥質(zhì)海岸問(wèn)題主要用到的是黏性泥沙數(shù)學(xué)模型。竇國(guó)仁[4]最早于20 世紀(jì)60 年代初開(kāi)始研究，提出了簡(jiǎn)單一維不恒定情況下河床泥沙的基本輸沙模式。在此基礎(chǔ)上竇國(guó)仁等[5]又建立了能夠反應(yīng)級(jí)配變化的二維全沙動(dòng)床方程組。20 世紀(jì)60 年代后期國(guó)外首先開(kāi)始了三維數(shù)值模擬的研究，李芳君等[6]于20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始也建立了三維泥沙對(duì)流擴(kuò)散數(shù)值模型。隨著數(shù)值模擬法的發(fā)展，也有越來(lái)越多的研究人員不斷創(chuàng)新，取得了很好的效果。如解鳴曉等[7]建立了連云港海區(qū)大范圍泥沙數(shù)值模型，并采用年平均含沙量場(chǎng)進(jìn)行了回淤計(jì)算，結(jié)果較好；張瑋等[8]建立了連云港過(guò)渡帶的可以同時(shí)模擬淤泥質(zhì)和粉沙質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型等。

1.4 經(jīng)驗(yàn)分析法

經(jīng)驗(yàn)分析法是建立在物理概念的基礎(chǔ)上總結(jié)相關(guān)試驗(yàn)研究成果來(lái)推導(dǎo)泥沙淤積預(yù)報(bào)公式的方法。20 世紀(jì)70—90 年代，國(guó)外建立了許多河口港池、航道的回淤預(yù)報(bào)公式，但這些公式有一定的局限性，當(dāng)水流與航槽方向相同時(shí)會(huì)得出不淤反沖的錯(cuò)誤結(jié)果[9]。我國(guó)也經(jīng)歷了數(shù)十年建立公式與改進(jìn)的過(guò)程。

1）Gole C V 公式

1971 年印度Poona 中央水力動(dòng)力研究所Gole C V 等[10]針對(duì)印度港口開(kāi)挖航道存在的泥沙回淤問(wèn)題，對(duì)無(wú)黏性沙淤積模式加以借鑒和改造，提出了公式：

式中：駐S 為單位時(shí)間單位寬度內(nèi)以壓實(shí)床沙體積表示的泥沙通量；K 為淤積系數(shù)；C2為航道開(kāi)挖后單位體積水內(nèi)以壓實(shí)床沙體積表示的懸浮顆粒濃度；B 為航槽寬度；棕為泥沙沉速；h1、h2為航道開(kāi)挖前后水深。此式分為3 部分，除了淤積系數(shù)K外，式中（C2B棕）被假定為等于回淤率，如果流速足夠小，能使沉積物完全沉降，則等式成立。最后一部分深度因子式則假定水流的承載能力與平均流速的平方成正比。該公式適用于細(xì)砂，為淤泥質(zhì)海岸航道回淤的研究奠定了基礎(chǔ)。

2）劉家駒公式

1980 年劉家駒[9]從水流的連續(xù)條件與流量公式出發(fā)，假設(shè)波動(dòng)流速也服從連續(xù)條件，概括了動(dòng)力要素、灘面高程和航槽深度之間的關(guān)系，綜合考慮風(fēng)浪、潮流等因素并概化，對(duì)連云港擴(kuò)建的外航道回淤做出了預(yù)報(bào)，并針對(duì)連云港外航道特點(diǎn)初步提出了回淤公式：

式中：P 為單位面積的有效回淤率；K 為淤積系數(shù)；酌S 為沙粒重度；g 為重力加速度；V1代表風(fēng)吹流和潮流合成流速；V2代表波浪的平均水體波動(dòng)流速；h1、h2代表概化后淺灘和航道的水深；棕為泥沙沉速；茲為水流流向與航道軸向的交角。

此后劉家駒對(duì)公式進(jìn)行了改進(jìn)，使之適應(yīng)于航道的沖淤計(jì)算[11-12]。公式為：

式中：P 為航道總淤積強(qiáng)度；S1為淺灘含沙量；t 為時(shí)間；K1和K2分別為橫流和縱流的淤積系數(shù)，其余參數(shù)意義與式（2）相同。劉家駒指出淤泥質(zhì)海岸在航道內(nèi)由懸移質(zhì)泥沙引起的淤積應(yīng)考慮渾水橫越和順延航道方向的不同。渾水橫越航道時(shí)斷面擴(kuò)大流速降低，導(dǎo)致了挾沙力降低而淤積，順延航道時(shí)由于航道周?chē)鸀┟娲嬖谄陆祵?dǎo)致流速降低，因此挾沙力降低而淤積。

3）羅肇森公式

1987 年羅肇森[13]在研究河口整治問(wèn)題時(shí)根據(jù)非恒定潮流懸沙運(yùn)動(dòng)方程和開(kāi)挖前后河床狀態(tài)的改變導(dǎo)出了航道回淤公式，他從竇國(guó)仁[14]的潮汐水流懸沙運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，推導(dǎo)了潮汐水流懸沙運(yùn)動(dòng)方程與港池、航道開(kāi)挖后淤積計(jì)算式，羅肇森公式為：

式中：P 為單位面積上的淤積厚度；琢為泥沙沉降幾率；棕為泥沙沉降速度；S*1為水流的挾沙能力；t 為時(shí)間；酌S為沙粒重度；h1、h2為整治前后的水深；q1為整治前單寬流量；駐q 為整治后與整治前單寬流量之差；n 為水流的轉(zhuǎn)向系數(shù)；茲為水流流向與航道軸向的交角。

羅肇森公式適用于任何方向水流與航槽相交的淤積計(jì)算，亦適用于建港或整治后流速大小和方向有改變的計(jì)算。

4）曹祖德公式

2004 年曹祖德[15]總結(jié)出引起航道回淤的根本原因是水流斜越航道時(shí)的變化，斜越航道的水流流速可分解為垂直與平行于航道的流速并分別進(jìn)行淤積計(jì)算。其中水流橫越航道時(shí)的變化與劉家駒總結(jié)的一致，而在水流平行航道時(shí)，由于水流歸槽以及航道內(nèi)外水體交換導(dǎo)致了水流在航道內(nèi)向下游偏轉(zhuǎn)，因此單寬流量雖然略有增加，流速卻減小，挾沙力降低。曹祖德公式為：

式中：P 為航道橫斷面平均淤積率；琢為沉降幾率系數(shù)；棕為泥沙沉降速度；S0為含沙量；酌S為沙粒重度；h1、h2分別為航道開(kāi)挖前后水深；茲為水流流向與航道軸向的交角；B 為航道寬度；Bk為航道臨界寬度；當(dāng)Bk達(dá)到臨界距離后，含沙量便會(huì)減少至臨界值，淤積停止。

對(duì)此類(lèi)公式進(jìn)行追共分析，發(fā)現(xiàn)其中均包括航道尺度及水流與航道的夾角。航道尺度包括航道寬度、深度、走向、灘面水深等。且水流橫穿航道比水流順延航道帶來(lái)的泥沙要多的多。需要注意的是，在計(jì)算外航道回淤時(shí)，水流動(dòng)力條件需要對(duì)應(yīng)，風(fēng)暴潮情況與破波嚴(yán)重的情況需要單獨(dú)考慮。

經(jīng)驗(yàn)分析法的優(yōu)點(diǎn)是公式簡(jiǎn)潔易行，能較快估算出航道回淤量。在航道回淤預(yù)報(bào)公式中，含沙量無(wú)疑是最重要的影響因子之一，對(duì)于含沙量推算方法的研究也在不斷完善和推進(jìn)。

2 淤泥質(zhì)海岸含沙量公式

1）蘇聯(lián)公式

淤泥質(zhì)海岸典型含沙量經(jīng)驗(yàn)公式同樣歷經(jīng)了很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，在20 世紀(jì)60 年代初期，蘇聯(lián)學(xué)者洛仁尼茲與卡拉烏舍夫在研究了波、流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)后，首先給出了掀動(dòng)含沙量的公式：

式中：SB3M為掀動(dòng)含沙量；m=24；c 為謝才系數(shù)；g為重力加速度；h 為水深；Vh為水流臨底平均流速；渣Vxop啄.h渣為臨底波浪質(zhì)點(diǎn)平均水平速度。

郗殿綱[16]指出作者還給出了其與底部含沙量、平均含沙量的關(guān)系，雖然在之后被證明其關(guān)聯(lián)性是不明確的，但這依舊是對(duì)含沙量公式做出的有力探討。

2）Van-Rijn 公式

Van Rijn 于1986 年、1987 年和1989 年在波浪和水流作用下進(jìn)行了廣泛的泥沙輸移研究。他在1989 年6 月訪問(wèn)德?tīng)柗蛱仄陂g的個(gè)人交流中指出[17]，總輸沙量ST由推移質(zhì)輸沙Sb與懸移質(zhì)輸沙Ss組成：

式中：V*為剪切速度；D50為床沙粒徑；T 為輸送參數(shù)；d 為河床基準(zhǔn)面；h 為水深；u 為對(duì)數(shù)流速；C為平衡含沙量剖面；fc為水流摩擦系數(shù)；V 為平均水深流速。分別處理了推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙，建立的公式已廣泛應(yīng)用于印度海岸，對(duì)沉積物作用的計(jì)算得到了可靠的結(jié)果。

3）劉家駒公式

劉家駒[12]對(duì)泥沙主要來(lái)自淤泥質(zhì)和粉沙質(zhì)淺灘區(qū)域本身的掀沙和輸沙做了系統(tǒng)研究，在1991年給出了含沙量計(jì)算公式，后經(jīng)過(guò)改進(jìn)如下：

式中：S1代表波浪和潮流綜合作用下淤泥質(zhì)海岸海域的平均挾沙力含沙量；酌和酌s分別為水和泥沙顆粒的重度；V1代表水深h 海區(qū)尋常潮的全潮平均流速；V2代表尋常潮期間非破波的波浪平均振動(dòng)速度；g 為重力加速度；h 為水深；F 為泥沙因子，與級(jí)配有關(guān)。此含沙量公式綜合考慮了風(fēng)浪與潮流并加以概化，以懸沙落淤為主并具有挾沙能力概念。

4）竇國(guó)仁公式

1995 年竇國(guó)仁[18]根據(jù)能量迭加原理將潮流和波浪作用于懸浮泥沙的能量相加導(dǎo)出了公式：

式中：S*為潮流和波浪共同作用下的挾沙能力；琢與茁為系數(shù)；酌和酌s分別為水和泥沙顆粒的重度；V 為水流平均流速；c 為謝才系數(shù)；h 為水深；棕為泥沙沉速；H 為波高；T 為波周期。此式為從理論上對(duì)潮汐水流中的懸沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了探討，考慮到了豎向泥沙交換問(wèn)題而不是簡(jiǎn)單的作垂線平均，借以建立潮汐河口河床縱向變形的計(jì)算方法。

5）孫林云公式

2001 年孫林云[19]結(jié)合永定新河河口區(qū)水沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)提出了經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：S 為潮流和波浪共同作用下的挾沙能力；K1為待定系數(shù)；酌s 和酌W 分別為泥沙顆粒和浮泥的重度；n1、n2為待定指數(shù)；VW為波浪水質(zhì)點(diǎn)平均水平速度；K2為風(fēng)浪相對(duì)潮流對(duì)掀沙作用的強(qiáng)弱系數(shù)；VC為潮流時(shí)段平均速度；g 為重力加速度；h 為水深；棕為泥沙沉速。此公式考慮到了浮泥運(yùn)動(dòng)是造成航道淤積的重要原因，結(jié)合了實(shí)際工程情況，考慮了淤泥固化的時(shí)間，十分有代表性。

在不同的含沙量公式中，參數(shù)選取尤為重要。張鵬程等[20]運(yùn)用了其中3 種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了渤海灣圍填海工程后的含沙量變化趨勢(shì)并進(jìn)行了比較，較為全面地分析了工程引起的變化。此外，由于海洋水文觀測(cè)站大多位于近岸，外海含沙量缺少實(shí)測(cè)資料，因此外海含沙量的推算顯得尤為重要，張瑋[21]等根據(jù)劉家駒公式反推外海含沙量，結(jié)果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

1）在研究淤泥質(zhì)航道回淤的方法中，試挖槽法能在工程海域進(jìn)行挖槽回淤觀測(cè)分析，所得結(jié)果真實(shí)可靠，但是比較耗費(fèi)人力物力；類(lèi)比法能夠解決工程區(qū)域缺失實(shí)測(cè)資料的問(wèn)題，但是需要滿(mǎn)足嚴(yán)苛的相似條件；物理模型試驗(yàn)法貼切工程狀況，但是同樣具有相似條件嚴(yán)苛等缺點(diǎn)；經(jīng)驗(yàn)分析方法的優(yōu)點(diǎn)是公式簡(jiǎn)潔易行，在一般工程中能夠較快估算航道年回淤量，然而對(duì)于海域水動(dòng)力較為復(fù)雜的情況，參數(shù)較難選取。航道回淤數(shù)學(xué)模型能夠?qū)こ虆^(qū)域航道進(jìn)行定性模擬，反映航道回淤的沿程分布，尤其是港口口門(mén)處的大量淤積現(xiàn)象，目前無(wú)法做到太高精度，隨著科技發(fā)展，可以期望數(shù)學(xué)模型的計(jì)算速度和精細(xì)程度與時(shí)俱進(jìn)。

2）航道回淤公式與含沙量公式都經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展與完善，從各個(gè)角度出發(fā)針對(duì)不同工程區(qū)域的不同工程特征，在運(yùn)用時(shí)需充分考慮其特性，并類(lèi)比經(jīng)典工程的相似之處與不同之處加以改進(jìn)。在對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)資料的處理時(shí)，前輩們依據(jù)自己的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和完善的技術(shù)，可以取得恰當(dāng)?shù)膮?shù)，得到符合實(shí)際的結(jié)果。但是，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的年輕工程技術(shù)人員，往往會(huì)受工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的限制，帶有個(gè)人主觀隨意性，會(huì)使計(jì)算分析成果產(chǎn)生問(wèn)題。因此，從公式結(jié)構(gòu)的相對(duì)合理性分析角度看，考慮了泥沙邊界層交換、底部掀沙、水動(dòng)力場(chǎng)紊動(dòng)特性、垂線流速及含沙量分布而導(dǎo)出來(lái)的公式更符合理論邏輯，適合于運(yùn)用。