李忠舉，劉彥濤，侯志強，左書華

(1.山東省廣饒縣水利工程公司，山東 257300；2.天津津港基礎設施養(yǎng)護運營工程管理有限公司，天津 300456；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，港口向大型化、深水化發(fā)展，濱州港啟動了新一輪的港口規(guī)劃建設。規(guī)劃中的濱州港位于渤海灣西南岸，濱州市境內(nèi)套爾河入海口以北(圖1)，是山東海上的北大門，又是山東省和天津濱海新區(qū)連接最近的海上通道。

圖1 研究區(qū)域、測站位置與規(guī)劃方案示意圖

濱州港緊鄰黃驊港，兩港相距約20 km，黃驊港作為我國第二煤炭大港，在國家的整體規(guī)劃和戰(zhàn)略布局中具有舉足輕重的地位，濱州港的規(guī)劃建設必須要考慮對現(xiàn)有黃驊港的影響。在過去多年間，許多學者對黃驊港和濱州港的水動力、泥沙環(huán)境等做了大量研究[1-7]。濱州港與黃驊港兩港區(qū)緊鄰，在海床泥沙組成、動力條件上有著某些相似之處，但又不完全相同。濱州港規(guī)劃建設對黃驊港現(xiàn)狀條件下的海洋動力和泥沙環(huán)境有什么樣的影響、影響程度如何，是港口管理者和學者們比較關心的問題，且目前未見相關研究。本文以此為出發(fā)點，在掌握該海域水沙環(huán)境的基礎上，采用數(shù)學模型的方法對濱州港規(guī)劃方案水動力變化、泥沙淤積等進行研究，分析濱州港規(guī)劃方案對黃驊港海洋動力和泥沙環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域概況

濱州港位于山東省濱州市、渤海灣的西南側，地處黃河三角洲沖積、海積平原的濱海海積平原帶，北側與黃驊港相距20 km。濱州港海域的海床沖淤變化主要受黃河口流路變遷導致的口門變化所影響。黃河自1855年由蘇北歸渤海灣入海，逐步形成了現(xiàn)在黃河三角洲平原[8]。1904年—1929年期間，黃河在套爾河口附近入海，由于黃河入海帶來的大量泥沙，使渤海灣南部近岸海域迅速淤淺和向外淤漲，形成了大范圍淺灘[8]。由于黃河流路的變化及其口門的不斷擺動和南遷，1976年黃河流路在人為影響下，自釣口河流路改走清水溝流路，由清8汊入海，使得套爾河口附近泥沙銳減。由于外來泥沙供給不足，濱州港附近灘面出現(xiàn)沖刷，經(jīng)水動力的分選作用，灘面物質(zhì)明顯趨于粗化[9-10]。本區(qū)水下岸坡是陸地堆積平原的延伸，自西南向東北以坡降1/1 100～1/1 300緩傾至-10 m水深處。

濱州港海區(qū)的潮汐為不正規(guī)半日潮，根據(jù)2006年9月—2007年8月濱州港海域1 a的實測潮位資料統(tǒng)計，最高潮位4.33 m，平均潮差1.95 m。海域潮流性質(zhì)基本屬于正規(guī)半日潮流型，潮流運動形式為往復流，套爾河口內(nèi)落潮流速大于漲潮流速，外海漲潮流速大于落潮流速；而且口內(nèi)的流速大于外海的流速[6]。漲潮流向為西南向，落潮流向為東北向，其中越向外海漲潮流向越向西偏，落潮流向越向東偏。根據(jù)2006年7月現(xiàn)場實測潮流資料顯示，套爾河口內(nèi)的漲潮平均流速在0.45～0.64 m/s，落潮平均流速在0.47～0.67 m/s；外海漲潮平均流速在0.34～0.50 m/s，落潮平均流速在0.27～0.41 m/s。

該海域春、秋兩季大風次數(shù)較多，1991年—2005年大于6級風連續(xù)作用4 h的大風天出現(xiàn)次數(shù)為322次，平均每年有21.5次，NE—E向大風頻率總占68.7%；波浪動力較強，維持時間長。

該海域灘面底質(zhì)主要以砂質(zhì)粉砂為主，表層沉積物中值粒徑平均值在0.024 5～0.048 5 mm，在海岸性質(zhì)上屬于粉砂質(zhì)海岸[10]。濱州港海域含沙量在空間上總體呈現(xiàn)為近岸淺水區(qū)含沙量高，外海水深相對較大的區(qū)域含沙量低的特點，最大含沙量一般都在套爾河口附近出現(xiàn)。根據(jù)2006年7月現(xiàn)場實測含沙量資料顯示，濱州港海域平均含沙量為0.1 kg/m3，其中大潮平均含沙量為0.13 kg/m3，中潮平均含沙量為0.10 kg/m3，小潮平均含沙量為0.06 kg/m3；在大風天下，受風浪影響，含沙量倍增，實測底部含沙量在2.5 kg/m3以上[6,10-11]。

通過遙感衛(wèi)片、底質(zhì)取樣和已有研究成果分析[10-11]，該海域泥沙來源主要包括三部分：一是當?shù)氐年懺次镔|(zhì)，主要包括河流徑流所挾帶的下瀉泥沙，該區(qū)域主要有大口河和套爾河，不過隨著上游建閘的影響，輸入河口的泥沙已經(jīng)很少；二是岸灘侵蝕泥沙；三是灘面泥沙，本區(qū)泥沙從外界來量很少，主要是在大風浪的作用下掀起岸灘的泥沙而造成的。由于該段海岸屬粉砂質(zhì)海岸，泥沙顆粒較細且粘土含量較低，在大風浪的作用下岸灘泥沙被掀揚，在潮流作用下被輸向外海或向近岸輸移，當航槽開挖后，也會使得原本平衡的灘面的泥沙向航道內(nèi)輸移，對航道淤積影響很大。

2 數(shù)學模型及驗證

本文建立了適用于該海域的波浪潮流泥沙數(shù)學模型[12-14]。模型范圍北邊界在灤河口與曹妃甸附近，南邊界在東營港附近，東西距離約130 km，南北距離約120 km。潮流模型邊界條件由中國海域潮汐模型提供。模型采用三角形網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格2 000 m，最小網(wǎng)格10 m，模型計算范圍及網(wǎng)格劃分見圖1。

2.1 模型組成

2.1.1 潮流數(shù)學模型

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

(3)

式中：u為x方向速度分量；v為y方向速度分量；h為水深；z為水位；vt為紊動粘滯系數(shù)；g為重力加速度；Fc為柯氏力，F(xiàn)bed為床面摩擦阻力，F(xiàn)wind為風對水面的剪切作用力，F(xiàn)wave為波浪對水體的驅動力。

2.1.2 波浪數(shù)學模型

波浪數(shù)學模型采用SW模型，控制方程如下

(4)

(5)

(6)

2.1.3 泥沙運動數(shù)學模型

(7)

式中：h為水深；t為時間坐標；x和y為水平坐標；S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；α為沉降幾率或恢復飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速。

2.2 模型驗證

采用2006年4月現(xiàn)場實測水文泥沙資料對該模型進行了驗證，實測站位見圖1。由于篇幅限制，圖2～圖4給出了部分測站流速和流向的實測與計算值變化過程。驗證結果表明：潮位、流速、流向和含沙量的過程線均與實測過程線基本相同，滿足現(xiàn)行《水運工程模擬試驗技術規(guī)范》的誤差要求[15]，表明模型已較好地模擬了該海域的潮流場和含沙量變化，為后期規(guī)劃方案模擬提供了可靠條件。

2-a T12-b T2

3-c 3# 測站流速3-d 3# 測站流向3-e 4# 測站流速3-f 4# 測站流向

圖4 含沙量驗證曲線

圖5給出了工程前研究海域大潮漲落急流場圖。受地形和已有導堤工程影響，工程區(qū)漲落潮主流向隨水深和位置的不同而不同：在-10 m等深線以外的外海域漲落潮主流方向為W向和E向；在-10 m等深線至近岸水域漲落潮主流方向分別為SW向和NE向；已有兩堤之間基本沿堤方向進行往復運動。擬建工程區(qū)口門位于-6 m和-6.5 m等深線處，該水域漲潮流向主要在250°～270°，落潮流向主要在60°～80°。

圖5 工程前研究海域大潮漲落急流場

2.3 規(guī)劃方案

濱州港3萬t級碼頭建設規(guī)劃平面方案布置見圖1，該方案港島口門位于-6.0 m(理論最低基面)，航道走向與黃驊港外航道走向相同，為59.5°～239.5°，航道底標高-9.8 m，航道底寬125 m，設計港島面積約7.6 km2，港島及防波堤均為出水堤[16]。

3 規(guī)劃方案水動力模擬及對黃驊港影響分析

3.1 方案前后潮流場變化分析

3.1.1 流速變化

圖6為規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下工程海域大潮漲急、落急時刻工程前后潮流流速變化等值線圖。由圖可以看出工程后流速變化特征。

6-a 漲急時刻6-b 落急時刻

漲急時刻：黃驊港航道及黃驊港和濱州港之間-5 m以外區(qū)域流速普遍增大，黃驊港航道流速增幅很小，距濱州港港島距離越近，流速增大值越大，增大值最大達0.3 m/s。黃驊港和濱州港之間-5 m以內(nèi)區(qū)域流速變化很小。濱州港港島和引堤以南區(qū)域流速普遍減小，距濱州港港島距離越近，流速減小值越大，減小值最大達0.3 m/s。

落急時刻：黃驊港航道及黃驊港和濱州港之間區(qū)域流速普遍增大。黃驊港航道流速增幅很??；距濱州港港島距離越近，流速增大值越大，最大為0.2 m/s。濱州港港島和引堤以南區(qū)域流速普遍減小，距濱州港港島距離越近，流速減小值越大，減小值最大達0.3 m/s。

黃驊港外航道內(nèi)及以北區(qū)域，工程后漲、落潮時段潮流矢量與航道軸線方向夾角減小0.5°～5 °，且具有由深水至航道口門逐漸增加的規(guī)律(表1)。

表1 工程前后研究海域平均流向變化情況

黃驊港、濱州港兩港之間區(qū)域，工程后漲、落潮時段潮流矢量普遍發(fā)生逆時針偏轉；水深和位置不同偏轉角度的大小不同，漲潮時段大于落潮時段。受濱州港規(guī)劃港島影響，黃驊港、濱州港兩港之間區(qū)域，工程后漲、落潮時段潮流矢量普遍發(fā)生逆時針偏轉。

濱州港航道附近，工程后漲、落潮時段潮流矢量普遍發(fā)生順時針偏轉；水深和位置不同偏轉角度的大小不同，漲潮時段大于落潮時段。受濱州港港島影響，外航道口門外至-10 m等深線處，漲潮時段潮流矢量順時針偏轉3°～30 °；落潮時段潮流矢量順時針偏轉3°～18 °；無論漲、落潮航道北側偏轉角度稍大于南側，水深越深偏轉的角度越小；港島周圍潮流矢量偏轉最為明顯。

3.1.3 從工程前后潮流場變化角度分析評價

(1)由濱州港規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下工程海域大潮漲、落潮時段潮流矢量對比可以看出：黃驊港外航道內(nèi)和以北區(qū)域、以及黃驊港和濱州港兩港之間區(qū)域，工程后，無論漲潮時段還是落潮時段，潮流矢量普遍發(fā)生逆時針偏轉，使得潮流矢量與黃驊港航道軸線方向夾角減小，對航道穩(wěn)定有利。

(2)由濱州港規(guī)劃方案與工程前海域漲急、落急時刻潮流場變化對比可以看出：漲、落急時刻，黃驊港內(nèi)航道水域流速變化很?。稽S驊港和濱州港之間-5 m以外區(qū)域，靠近黃驊港處流速變化很小，靠近濱州港處流速普遍增大。

3.2 方案前后含沙量場變化分析

圖7給出了工程前后一般天氣下大潮漲、落急時刻平均含沙量差值等值線分布。由圖可以看出：

7-a 漲急時刻7-b 落急時刻

(1)從整體上看，無論漲潮還是落潮，工程前后垂線平均含沙量的變化主要發(fā)生在濱州港海區(qū)，對黃驊港海區(qū)和航道沒有影響。

(2)在漲急時刻，黃驊港和濱州港之間-2～-7 m水深之間海區(qū)，垂線平均含沙量增大，增大的絕對值較小，在0.01～0.04 kg/m3；并呈現(xiàn)距濱州港港島越近，含沙量增大越大的規(guī)律。在濱州港港島以南和以北的淺水區(qū)，垂線平均含沙量減小，一般減小0.01～0.04 kg/m3。

(3)在落急時刻，濱州港航道口門至-8 m水深之間局部海區(qū)，垂線平均含沙量增大，增大的絕對值在0.01～0.02 kg/m3；在濱州港港島以南和以北的淺水區(qū)，垂線平均含沙量減小，一般減小0.01～0.04 kg/m3。

從工程前后含沙量場變化角度分析評價：濱州港規(guī)劃方案與現(xiàn)狀條件下相比，在漲潮和落潮時刻含沙量場變化主要發(fā)生在濱州港工程局部，對黃驊港海區(qū)含沙量場沒有產(chǎn)生影響。

3.3 方案前后大風天波浪場變化分析

由濱州港規(guī)劃方案與工程前海域有效波高差值對比可以看出(圖8)：在10 a一遇ENE向風浪條件下，海域的波浪場僅在濱州港港島周圍發(fā)生了變化，對黃驊港航道及其港島周圍的波浪場沒有影響。

8-a 波浪場情況8-b 有效波高變化

4 從實測沉積物參數(shù)平面分布角度分析

根據(jù)工程附近2006年3月、2006年7月和2008年1月海床沉積物取樣資料分析[9]：

(1)三次工程附近沉積物取樣的分析結果比較一致，表明整個海域海床沉積物具有一致性。

(2)在表層沉積物中值粒徑分布上，總體表現(xiàn)為由南向北、由近岸向外海逐漸變細的分布特征，其中濱州港航道以南中值粒徑平均值為0.048 5 mm，黃驊港航道與濱州港航道之間區(qū)域中值粒徑平均值為0.043 9 mm，黃驊港航道以北中值粒徑平均值為0.024 5 mm。

(3)在表層沉積物類型上，在近岸淺水區(qū)和黃驊港航道以南，海床表層沉積物以粉砂質(zhì)砂為主；在黃驊港航道以北，海床表層沉積物以粘土質(zhì)粉砂為主。

(4)在細顆粒含量上，套爾河口至南排河口附近，細顆粒泥沙含量由7.1%逐漸增加至42.3%；黃驊港航道南側平均細顆粒泥沙含量為12.4%，航道北側平均細顆粒泥沙含量為34.8%。

(5)在沉積物分選系數(shù)上，濱州港附近分選系數(shù)屬于很好或好的區(qū)域；黃驊港航道以北屬于好或中常的區(qū)域；總的來說，濱州港海域的泥沙分選程度好于黃驊港海區(qū)。

(6)在黃驊港航道以南，海床表層沉積物中值粒徑由近岸淺水向外海深水呈逐漸變細的趨勢，淺水區(qū)(-6 m以淺)平均中值粒徑為0.058 mm，深水區(qū)(-6 m以深)平均中值粒徑為0.040 mm；自南向北雖也有自粗漸細的過程，但變化不大，分布相對均勻。

(7)在黃驊港航道以南，細顆粒泥沙含量由近岸淺水向外海深水逐漸增加，淺水區(qū)(-6 m以淺)平均含量為3.1%，深水區(qū)(-6 m以深)平均含量為14%；由南向北，細顆粒泥沙含量變化的幅度很小。

(8)在黃驊港航道以南，深水區(qū)(-6 m以遠)為分選程度好的區(qū)域，淺水區(qū)(-6 m以內(nèi))為分選程度很好的區(qū)域。

(9)除了表層沉積物外，28個柱狀樣品分析顯示：除1個取樣點沒有粉砂層覆蓋以外，其余27個取樣點均顯示表層泥沙為粉砂，粉砂層的厚度在0.2～0.6 m，因此可以認為，濱州港海區(qū)海床泥沙屬性為粉砂。

由以上分析可以認為：黃驊港、濱州港海區(qū)泥沙的凈輸移方向應該是由南向北、由近岸向外海輸移方向；濱州港的興建阻擋了其以南海床泥沙的北移通道，遏制了部分泥沙來源；同時濱州港外航道將會成為由南向北泥沙輸移的“沉沙池”，對減少黃驊港外航道泥沙淤積有利。

5 結論

(1)規(guī)劃方案的實施未改變大范圍海域潮流運動規(guī)律，外海漲落潮潮流主向仍為東西向，至近岸轉為與等深線基本垂直。

(2)濱州港規(guī)劃方案使得黃驊港外航道內(nèi)和以北、以及黃驊港和濱州港兩港之間區(qū)域，漲、落潮時段潮流矢量普遍發(fā)生逆時針偏轉，潮流向與黃驊港航道軸線方向夾角減小，漲、落急時刻黃驊港航道流速變化很小，對航道基本沒有影響。

(3)工程后，該海域的波浪場僅在濱州港港島周圍發(fā)生了變化，對黃驊港航道及其周圍的波浪場沒有影響。

(4)濱州港規(guī)劃方案僅引起濱州港港島周圍含沙量場發(fā)生變化，對黃驊港航道含沙量場沒有產(chǎn)生影響。

(5)黃驊港、濱州港海區(qū)泥沙的凈輸移方向應該是由南向北、由近岸向外海輸移方向，濱州港的規(guī)劃方案遏制了部分泥沙來源，對減少黃驊港外航道泥沙淤積有利。

綜合分析認為濱州港規(guī)劃方案對黃驊港海洋動力和泥沙環(huán)境無不利影響。