童朝鋒，田家慶，孟艷秋

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

海港進(jìn)港航道在波流作用下，泥沙易落淤在航槽內(nèi)，需要定期觀測(cè)并根據(jù)航槽水深需求按時(shí)疏浚，以保證足夠通航水深，航槽回淤是港口航道工程受到特別關(guān)注并需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題[1]。為明確開(kāi)挖航道后的泥沙回淤原理，確定回淤量和疏浚量，保證船舶的正常通行[2]，劉家駒等[3-4]從輸沙平衡方程出發(fā)，借助水流連續(xù)性方程提出懸沙回淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算方法，得到了廣泛應(yīng)用[5]。羅肇森[6]根據(jù)波浪水流能量及泥沙運(yùn)動(dòng)原理，推導(dǎo)出波浪、潮流和風(fēng)吹流共同作用下的底沙輸移公式，確定底沙入槽量。

另一方面，航槽內(nèi)回淤泥沙來(lái)源和泥沙輸運(yùn)機(jī)制是地學(xué)界和工程界學(xué)者研究的熱點(diǎn)[7]。GAO S等[8]運(yùn)用Gao-Collins粒徑趨勢(shì)分析方法分析海南省洋浦灣的泥沙運(yùn)移趨勢(shì)，馬菲等[9]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)法根據(jù)沉積物粒度參數(shù)研究北部灣東部海域的沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)，龔文平等[10]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法研究海口灣東部淺灘區(qū)泥沙來(lái)源與泥沙運(yùn)動(dòng)。這些研究為回淤泥沙的溯源分析提供很好的方法。

崖州灣位于海南省三亞市西南側(cè)，崖州灣東側(cè)南山港進(jìn)港航道航槽回淤現(xiàn)象明顯，本文根據(jù)建港多年的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，分析航槽回淤特征，利用航槽回淤?gòu)?qiáng)度公式計(jì)算常浪和大風(fēng)天泥沙回淤占比，根據(jù)泥沙粒度參數(shù)運(yùn)用Gao-Collins粒徑趨勢(shì)分析方法，確定南山港進(jìn)港航道的床沙輸運(yùn)趨勢(shì)。

1 研究區(qū)域介紹

南山港位于海南省三亞市崖州灣東側(cè)，北緯18°18′30″，東經(jīng)109°08′45″。南山港進(jìn)港航道總長(zhǎng)1838 m，航道寬162 m，整體分為兩段，外海段長(zhǎng)1224 m，與東西向成45°夾角，近港段長(zhǎng)614 m，與東西向成20°夾角。

根據(jù)港區(qū)東北約8 km處的南濱氣象站實(shí)測(cè)資料分析，南山港區(qū)氣象特征長(zhǎng)夏無(wú)冬，季風(fēng)氣候特征明顯，冬季受來(lái)自大陸的東北季風(fēng)影響，夏季受來(lái)自海洋的西南季風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在6—10月。研究海域潮差較小，平均潮差0.88 m，屬于不正規(guī)日潮混合潮型，以日潮為主。2013年10月實(shí)測(cè)資料顯示，南山周邊水域漲落潮流向變化明顯，呈現(xiàn)往復(fù)流的特征，大、小潮的流向變化不大，大潮漲潮最大流速為0.77 m/s，大潮落潮最大流速為0.74 m/s，小潮漲潮最大流速為0.35 m/s，小潮落潮最大流速為0.55 m/s。南山港區(qū)所在位置受南山角掩護(hù)，偏E向浪衰減明顯，強(qiáng)浪向集中在SSE、SW和WSW等方向，常浪向?yàn)镾和SE。

崖洲灣泥沙主要來(lái)源有徑流輸沙、潮流挾沙和海岸侵蝕泥沙，2005年4月在崖州灣測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)110個(gè)底質(zhì)取樣點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)泥沙中值粒徑為0.02～1.37 mm不等，各取樣點(diǎn)中值粒徑分布如圖1所示。崖州灣底質(zhì)粒徑較粗，沉積物呈帶狀分布，由岸向海有明顯的分帶性。在近岸區(qū)域的泥沙粒徑較粗，泥沙中值粒徑為0.30 mm；-5～-10 m等深線之間的泥沙中值粒徑為0.02 mm；-10 m等深線以外的沉積物主要為粗砂，泥沙中值粒徑為1.00 mm。

圖1 取樣點(diǎn)中值粒徑（mm）Fig.1 Median particle size at sampling point(mm)

2 航槽回淤特征

2.1 航槽水深變化

基于崖州灣南山港進(jìn)港航道2013年5月、2014年5月、2018年5月、2019年5月、2020年1月5次地形數(shù)據(jù)，分別繪制2013年5月—2014年5月、2018年5月—2019年5月、2019年5月—2020年1月3個(gè)時(shí)段南山港進(jìn)港航道中軸線和淺灘水深沿航道里程變化見(jiàn)圖2。圖2中航道里程零點(diǎn)位于外海航道的末端，起始點(diǎn)位置和里程計(jì)算方向見(jiàn)圖1，y軸自上而下水深逐漸增大。航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高按當(dāng)?shù)乩碚摶嬗?jì)算，各分析時(shí)段內(nèi)無(wú)疏浚，淺灘水深為航道南北邊緣兩側(cè)5 m處的平均水深。

由圖2可知，2014年5月中軸線水深在航道里程1100 m前與2013年5月水深相互交錯(cuò)，在1100 m后2014年水深始終小于2013年水深，平均水深差為0.36 m，最大水深差為0.66 m。2019年水深全程小于2018年，在外?？陂T(mén)處水深較為接近，兩段航道交界處水深差值大，平均水深差為0.71 m，最大水深差為1.11 m。2020年水深全程小于2019年水深，口門(mén)附近水深變化小，兩段航道交界處水深變化大，平均水深差為0.33 m，最大水深差為0.53 m。

圖2 航道中軸線和淺灘水深沿程變化Fig.2 Variation of water depth along the channel axis and the shoal

南山港進(jìn)港航道外海側(cè)口門(mén)附近航道水深變化小，3個(gè)時(shí)間段外海段航道的中軸線水深差沿進(jìn)港方向逐漸增大，兩段航道交界處水深差達(dá)到最大，近港段航道中軸線水深差先減小，后趨于穩(wěn)定。

2.2 航道沖淤變化

根據(jù)2013—2020年崖州灣南山港進(jìn)港航道地形數(shù)據(jù)，在當(dāng)?shù)乩碚摶婧捅本?4坐標(biāo)系下，研究進(jìn)港航道沖淤變化。圖3為2013年5月—2014年5月、2018年5月—2019年5月、2019年5月—2020年1月3段時(shí)期航道淤積強(qiáng)度沿程變化圖。

圖3 南山港航道沖淤變化Fig.3 Changes of erosion and siltation in the channel of Nanshan Port

圖3 中淤積強(qiáng)度為正值說(shuō)明航道淤積，反之說(shuō)明航道出現(xiàn)沖刷。由圖3可知，3個(gè)分析時(shí)段航道都以淤積為主，但2013—2014年航道出現(xiàn)沖刷。這是由于2013年開(kāi)挖水深較小，深槽和淺灘的落差小，航槽和淺灘之間易發(fā)生泥沙交換，導(dǎo)致槽內(nèi)泥沙減少；同時(shí)航道區(qū)域部分區(qū)段（0～1100 m）受波浪影響，槽內(nèi)泥沙在波浪作用下發(fā)生輸運(yùn)，導(dǎo)致航道部分區(qū)域出現(xiàn)沖刷。

2013年5 月—2014年5月航槽淤積量為44768 m3，平均淤積強(qiáng)度為0.24 m/a，最大淤積強(qiáng)度1.04 m/a；2018年5月—2019年5月航槽淤積量為110054 m3，平均淤積強(qiáng)度為0.59 m/a，最大淤積強(qiáng)度1.38 m/a；2019年5月—2020年1月航槽總淤積量為60313 m3，平均淤積強(qiáng)度為0.32 m/a，最大淤積強(qiáng)度1.30 m/a。

2.3 航槽回淤規(guī)律

南山港進(jìn)港航道開(kāi)挖后槽內(nèi)流速減小，水流挾沙力下降，同時(shí)底沙在波流作用下輸運(yùn)入槽，導(dǎo)致航槽回淤。根據(jù)航道多年開(kāi)挖水深和年淤積強(qiáng)度探尋航槽回淤規(guī)律。圖4為年淤積強(qiáng)度與開(kāi)挖水深的關(guān)系，P為開(kāi)挖航道年淤積強(qiáng)度，m/a；Δh為航道開(kāi)挖水深，m，P和Δh呈線性正相關(guān)，擬合公式為P=0.252Δh+0.253，相關(guān)系數(shù)R=0.703，呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)。因此南山港的開(kāi)挖航道回淤特性與其他開(kāi)挖航道回淤特性類似，航道開(kāi)挖水深越大，航道年淤積強(qiáng)度越大，航槽回淤越嚴(yán)重。

圖4 年淤積強(qiáng)度和航道開(kāi)挖水深的關(guān)系Fig.4 Relationship between the annual siltation intensity and the cutting depth

3 航槽回淤機(jī)制分析

3.1 回淤泥沙級(jí)配特征

根據(jù)南山港進(jìn)港航道周邊床沙的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到各時(shí)期床沙粒級(jí)含量見(jiàn)表1。由表1可知南山港進(jìn)港航道回淤泥沙以砂和粉砂為主。砂和粉砂從2005—2020年比重逐漸增大，占比75.8%～86.8%；黏土占比10.2%～20.6%，比重逐漸減?。坏[石占比0.4%～5.9%。

表1 各時(shí)期床沙粒級(jí)含量Table 1 Bed material size fractionation in each year

3.2 回淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算

崖州灣南山港進(jìn)港航道處于相對(duì)開(kāi)敞的水域，既受風(fēng)浪的直接作用，又受潮流的影響，航槽回淤既有懸沙回淤又有床沙輸移入槽。根據(jù)2014年10月實(shí)測(cè)資料，常浪情況下崖州灣水體含沙量為0.001～0.080 kg/m3。根據(jù)劉家駒提出的懸沙回淤?gòu)?qiáng)度公式計(jì)算南山港進(jìn)港航道的懸沙年回淤?gòu)?qiáng)度[3-4]，波浪作用下床沙年回淤?gòu)?qiáng)度根據(jù)《泥沙手冊(cè)》中的公式計(jì)算[11]，具體公式如下：

式中：Ps為懸沙年回淤?gòu)?qiáng)度，m/a；ω為懸沙沉速，m/s，取0.0005 m/s；S1為平均懸沙濃度，kg/m3，常浪情況下取0.03 kg/m3；t為淤積歷時(shí)，s，按照1年365 d計(jì)算；γ0為懸沙干容重，kg/m3，取700 kg/m3；k1為回淤系數(shù)，取0.45；h1、h2分別是水流通過(guò)時(shí)淺灘和航道的平均水深，m，3段時(shí)期淺灘平均水深分別為8.13 m、8.42 m、8.32 m，航道平均水深分別為9.32 m、10.19 m、9.78 m；θ為水流與航道中軸線交角，（°），按實(shí)際情況選??；Pb為床沙年回淤?gòu)?qiáng)度，m/a；C為波速，m/s，d為航道平均寬度，m，取162 m；H為波高，m，常浪情況下根據(jù)當(dāng)?shù)夭ɡ嗣倒鍒D取0.75 m；T為周期，s，取4.51 s；k2為波數(shù)，k2=4π2/gT2；M是與波長(zhǎng)L和粒徑D有關(guān)的函數(shù)，M=0.1（L/D）1/3，當(dāng)L/D≥2×105時(shí)，M=5.85；ρs、ρ分別代表床沙和水的密度，kg/m3，分別取2650 kg/m3和1000 kg/m3；g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；D為床沙粒徑，m，取0.0001 m；A為與泥沙形狀有關(guān)的常數(shù)，取0.1875；ε為與泥沙顆粒間黏著力有關(guān)的常數(shù)，取0.96。

實(shí)際情況下大風(fēng)天數(shù)根據(jù)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)海南省的具體時(shí)間確定，根據(jù)中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)（http：//typhoon.nmc.cn/）資料顯示，2013年臺(tái)風(fēng)“貝碧嘉”、“山竹”、“蝴蝶”、“海燕”、2018年“艾云尼”、“貝碧嘉”、“山神”和一次未命名熱帶低壓、2019年“木恩”、“楊柳”、“劍魚(yú)”途徑海南省，影響研究區(qū)域。距南山突堤約52 km處的鶯歌海海洋站（18°03′N，108°41′E）長(zhǎng)時(shí)間序列（1976—2006年）測(cè)波年資料顯示，觀測(cè)期間年內(nèi)最大波高為6.00 m，南山港進(jìn)港航道周邊大風(fēng)天波高取4.84 m，周期為9.62 s。大風(fēng)天水體含沙量根據(jù)劉家駒提出的水體含沙量公式計(jì)算[12]，具體公式如下：

式中：S1為大風(fēng)天水體含沙量，kg/m3；γ、γs分別代表水和泥沙的容重，kg/m3，分別取1000 kg/m3和2650 kg/m3；V1為潮流和風(fēng)吹流的平均合成流速，m/s，為0.896 m/s；V2為波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平流速，m/s，V2=0.2HC/h1。

淤積強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 淤積強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of siltation intensity

由表2可知計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相近，大風(fēng)天泥沙年回淤?gòu)?qiáng)度占航槽回淤總強(qiáng)度的64.5%～72.1%，常浪泥沙年回淤?gòu)?qiáng)度占比為27.9%～35.5%，說(shuō)明南山港進(jìn)港航道航槽回淤主要集中在大風(fēng)天。2018—2019年航道年回淤?gòu)?qiáng)度最大，這是由于2018年5月—2019年5月大風(fēng)天出現(xiàn)天數(shù)最多，同時(shí)因?yàn)?018年航道開(kāi)挖水深最大，根據(jù)航槽回淤規(guī)律，2018—2019年航道年回淤?gòu)?qiáng)度最大。

3.3 床沙輸運(yùn)趨勢(shì)

粒度趨勢(shì)分析法是通過(guò)粒度參數(shù)的空間分布反推沉積物凈輸運(yùn)方向的方法，已應(yīng)用于多種沉積環(huán)境，目前Gao-Collins粒徑趨勢(shì)分析法較適用于開(kāi)闊海洋環(huán)境[13]。選取2005年4月底質(zhì)取樣點(diǎn)的泥沙粒度參數(shù)，運(yùn)用Gao-Collins粒徑趨勢(shì)分析法分析崖州灣水域床沙輸運(yùn)趨勢(shì)[14-15]。特征距離選為3 km，取樣點(diǎn)間距大于特征距離認(rèn)為取樣點(diǎn)不相鄰，否則認(rèn)為相鄰。根據(jù)沉積物3種粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)），將任意取樣點(diǎn)與其相鄰點(diǎn)的泥沙輸運(yùn)矢量疊加，計(jì)算公式為：

平滑處理后得到床沙凈輸運(yùn)矢量，繪制床沙輸運(yùn)趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖5。由圖5可知，在崖州灣內(nèi)，除寧遠(yuǎn)河口水域床沙呈現(xiàn)河口三角洲泥沙輸運(yùn)所具有的向海及沿岸輸運(yùn)趨勢(shì)外，包括南山港進(jìn)港航道區(qū)域的崖州灣水域床沙運(yùn)移，總體呈現(xiàn)離岸—向岸輸運(yùn)趨勢(shì)特征，與波浪方向相吻合，近似垂直于漲落潮流方向；同時(shí)在超過(guò)10 m水深區(qū)域，床沙輸運(yùn)趨勢(shì)不明顯。由此判斷，波浪是崖州灣床沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿Γ刂坪讲蹍^(qū)域的床沙輸運(yùn)。因此對(duì)于南山港進(jìn)港航道要特別注意大風(fēng)天后的航槽回淤情況，以確保船舶安全進(jìn)出。

圖5 崖州灣床沙輸運(yùn)趨勢(shì)Fig.5 Bed material transportation trend in Yazhou Bay

4 結(jié)語(yǔ)

1）崖州灣南山港進(jìn)港航道年回淤?gòu)?qiáng)度0.24～0.59 m/a，航道年淤積強(qiáng)度和航道挖深呈線性正相關(guān)，航道開(kāi)挖水深越大，航道年淤積強(qiáng)度越大，航槽回淤越嚴(yán)重。

2）南山港進(jìn)港航道回淤泥沙以砂和粉砂為主，回淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算顯示，大風(fēng)天是航槽回淤的主要時(shí)期，泥沙年回淤?gòu)?qiáng)度約占航槽回淤總強(qiáng)度的70.0%。

3）南山港進(jìn)港航道周邊床沙呈現(xiàn)離岸—向岸的輸運(yùn)趨勢(shì)，與波浪方向相吻合，近似垂直于潮流方向，航槽區(qū)域床沙輸運(yùn)的控制動(dòng)力為波浪。