海测论坛▏海港泥沙回淤及其测量
泥沙
回淤促使海港的水域部分（码头前沿、港池、航道）水深变浅，严重威胁着船只进出的安全以及海港的经济效益，有的甚至危及其存在的价值。因此，建港必须考虑当地水系的泥沙回淤状况，而已建港必须对海港回淤状况进行调查和分析，掌握回淤规律，采取相应的整治措施。港池、航道整治应以提高和稳定航道尺度，改善通航水流条件，扩大通过能力，满足船舶、船队安全航行的需要为目的。
港口泥沙回淤主要是海岸泥沙运动的结果。而泥沙运动则是在水动力条件制约下，遵循所在地地貌系统自然演变规律而进行，但港口以及防波堤的建立、河流携带泥沙量的变化等因素也可能改变了以前的港口泥沙回淤规律。而且还有其它的因素也影响着泥沙运动，不同的地方影响因素也各异，需要不断地深入调查、研究。
一、海港泥沙回淤类型
海港淤积尽管特点千差万别，有航道口门淤堵，有整个航道变浅，有港池淤积，有码头前沿淤积，也有此淤彼冲、时冲时淤，但均取决千港口动力地貌总体演变规律。所以，海港泥沙回淤类型的划分，比较适宜的方法是依据海岸动力地貌分类原则进行，并相应的确立符合自然规律的整治原则。
根据我国港口地貌类型分析，海港泥沙回淤大致分为四大类型：潮汐汊道型、海湾凹岸浅滩型、水道边坡型和河口型。在各大类中，根据泥沙来源和水动力条件特点，又可划分出若干亚类型。通过分类分析归纳各大淤积类型的海港特点，可找出各海港泥沙运动及沉积规律。
⒈ 潮汐汊道型淤积海港
潮汐汊道主要指潮流进出海湾、泻湖或河口的通道。凡是具备内侧有一定面积的纳潮水域（含干出滩）和狭窄口门的海港，均属于此类型。例如：青岛港（胶州湾）、天津新港（人工型）、高雄港、旅顺港、榆林港等。纳潮水域的海水、在涨落潮时通过潮汐汊道与外海交换。由于通过汊道时，水流变窄，流速增大，常常冲刷。汊道，形成深槽，保持了航道的水深条件。
我国沿海绝大部分为有潮海岸，就水动力条件而言，构成了相类似的潮汐汊道潮流系统。但依据泥沙来源，则可分为陆上和海上来沙两类，它们所反映的泥沙淤积特点及相应整治的原则截然不同。
⑴海上来沙潮汐汊道型
潮汐汊道型海港在有海上来沙的条件下，一般均反映为在航道口门外有沿岸泥沙流通过。泥沙一方面随涨落潮进出纳潮水域，沉积于，另一方面则在口门附近淤积。
随涨落潮流进出纳潮区的泥沙，由于涨落潮流的不对称现象（涨潮流大于落潮流，涨潮流时小于落潮流时）以及泥沙运动所固有的“冲刷延迟“和“沉降延迟”效应（同一颗粒故泥沙，运动中发生沉降的流速小于静止状态起动它所需的流速而造成的两种效应），部分泥沙将随之淤积于纳潮区（其中，以在于出滩沉积作用最为明显）。从而促使纳潮区体积逐渐减小，进出潮量减小，导致整个航道和港池变浅。
海上来沙潮汐汊道型的特点是在强大的沿岸泥沙流通过口门时，往往在口门处形成浅滩。据国外学者研究，当潮棱体P（潮汐汊道内侧水域纳潮体积，也就是一次涨潮通过潮汐汊道涌入内侧水域的水量）与平均泥沙流量M之比大子200时，汊道位置和断面稳定，不受淤积，可维持水深，有利于航行；当P与M之比小于100时，则汊道断面不稳定，易受淤积。
一般而言，海上泥沙流来沙的潮汐汊道型海港1进行泥沙回淤整治时难度较大，只能尽可能确保纳潮容量和在局部引流冲淤，来维持航道水深，延长港口寿命。
⑵陆上来沙潮汐汊道型
如果泥沙主要来自陆上，而海上无来沙，那么海港泥沙回淤特点反映为港内河口区和干出滩淤积较快，而整个港池则处于均匀的受淤状态。在不大量人为减少纳潮量的情况下，航道易保持水深，一般属优良港日，如旅顺港、榆林港等。如陆上来沙来自大河，则属河口型潮汐汊道型。陆上来沙潮汐汊道型回淤海港，整治原则是治本应减少陆上来沙；治表可进行合理疏浚，或二者相结合治理。
潮汐汊道型海港，由于泥沙主要随潮流运动，因此，沉积物主要为细颗粒悬移质，而以波浪搬运为主的推移质较少，因而，海流是研究水动力的主要对象，而且应适宜开展流场的模拟试验。
⒉ 海湾凹岸浅滩型淤积海港
海湾凹岸处，往往是港口选址地点之一。如外侧无岛屿作屏障，一般需修建防波堤。码头修建于凹岸的海滩或浅水区。如修建防波堤，则形成导流口门，成为人工潮汐汊道系统；防波堤如不起导流作用，而仅仅起阻挡风浪作用，则港区依然为海湾凹岸水动力条件。
海湾凹岸浅滩型淤积海港，泥沙运动主要表现为在潮流和风浪作用下，向湾顶集中使位于浅水区的码头前沿水深变浅。原因在于开挖码头前沿水深时，在海岸横断面上挖出一负地形深凹地，在纵向和横向上均破坏了海岸剖面的平衡或准平衡状态，造成负地形区（码头前沿），使泥沙迅速淤积。其淤积机制遵循海岸横断面演化规律。该类泥沙淤积，一般难以采用自然力进行冲淤，因此，码头应设在海岸剖面最适合的水深处，既要满足水深条件并相对少淤的剖面段，又不要离岸太远而增加引桥和码头工程投资。在疏浚时，浚深应选择能保持最长时间效果的尺度。如果浚深量太大，负地形会更大，使初期泥沙淤积迅速，总体效果不好，如果泥沙以横向沿岸运动为主，可以筑堤挡沙，但防沙堤必须延伸到泥沙运移的下限水深以下。如泥沙运动随潮流运动为主，可采用减淤装置。
⒊ 水道边坡型淤积海港
在岛与陆或岛与岛之间的水道岸边修建的码头，泥沙回淤作用主要发生在码头所处的水道边坡位置上，水道中因水流流速较大，水深状况良好，如北仑港、定海港等。该类型海港发生泥沙淤积的关键在于，水道主流线偏离码头区或远离码头区。一般建在河道岸边的码头也类似于此种情况。如上海吴淤码头等。该类海港的泥沙淤积反映为在码头水域的狭长地带，水深变浅。从动力地貌发展规律上讲，主要是码头前沿水深使岸坡纵剖面于此形成凹形地。因此，在码头选择中应尽可能考虑到自然均衡岸坡剖面特点，选择在少淤断面段，另外，该类海港各码头间相互作用较大。如某一码头外凸，起了挑流作用，则两侧宫离岸近的码头前沿水深淤积加剧。
整治原则为：在有条件处，可采用挑流工程（丁坝等）或导流工程（顺坝等），迫使主流线靠近码头。也可采用空气搅动冲淤（或水流搅动冲淤）方式进行减淤。
⒋ 河口型淤积海港
河口型淤积海港，往往是河流携沙泄洪和潮汐汊道的潮流系统相叠加，泥沙运动复杂。例如汕头港，三都澳等。这里既有航道变浅问题，又有码头前沿淤积问题。因此，关键是需要选择适当的部位修建码头和稳定航道的措施。回淤整治，既需有固定迳流主流线方面的考虑，又需结合潮汐汊道回淤型的整治原则，因地制宜。
二、海港泥沙回淤分析与整治方法
海港泥沙回淤分析与整治方法，实质上就是对某海港泥沙回淤过程的分析和减弱以及阻止回淤的方法。前者需要分析清泥沙来源、淤积量和沉积速率、沉积机制；后者则对回淤应采取各种有效的整治措施。为此需要对如下因素进行调查和分析：
⒈ 泥沙来源与数量
进行海港区及其附近的海岸动力地貌和地质的调查研究。定性地查明泥沙来源、运动途径和沉积地，判断海港区的动力地貌类型，并预测泥沙的未来趋势。
进行水动力调查及流场（泥沙含沙量场）研究。任何泥沙搬运，均受制于水动力条件。一般而言，海岸的泥沙运动，粗颗粒物质以波浪为动力，且呈携移质或跃移质运动方式；以细颗粒物质以潮流为动力，且呈悬移质运动方式。以潮流为动力的泥沙运移量，可通过测定水的流速、断面面积及含沙量求得；以波浪为动力的泥沙运移量，通过年波浪统计估算。通过建立水动力方程，分析流场物质的运动，并做定量分析与估计。
⒉ 沉积量与沉积速率
目前最有效测定和计算淤积海港的泥沙沉积量与沉积速率的方法是依据一定间隔时期内前后两次水深测量资料的对比分析。如果沉积作用较快，而又缺少以往的水深测量资料，可用在研究前期和后期进行的水深测量或断面水深测量资料来计算。
另外，在一些较稳定的地区（无人工干扰的沉积区），可采用210Pb沉积速率测定法，判定沉积速率的变化趋势。对当地渔民的咨询，亦有助于了解冲淤总体趋势和大致量级。
⒊ 沉积机制
泥沙进入港区沉积，其淤积过程受制于流场特点及泥沙自身的运动特点，为此需通过调查全面掌握港区地形、底质、地貌、地质、水文条件、气象。
在泥沙运移中，对含沙量的平面和垂直分布状况的了解非常重要。研究表明，悬移质泥沙沉底之后，先形成可流动的混水层，慢慢脱水压实成底。因此，如能稍微增加底流速（大于起动流速），即可破坏泥沙的沉积作用。这为进行扰动冲淤（减淤）时机提供了确切资料。
⒋ 了解港区自然地理条件及其发展趋势
除了需要了解上述的泥沙来源与数量、沉积量与沉积速率、沉积机制外，还必须了解港区的自然地理条件及其发展趋势。这样，才能因地制宜地采取科学的长久效益的整治措施。
⒌海港泥沙回淤及整治中的测量调查
⑴海底地形测量
对海岸线及与港口有关的水域（构成同一海岸地貌类型系统的），均需进行详细的海底地形测量。作为研究，可采用1：5000水深图；为了能与疏浚工作相结合，可测1：1000水深图。用于泥沙回淤研究的港口测量必须详测干出滩。有的地方设固定断面，定期观测。具体测量水深图的比例尺依据实际工作需要。
⑵水文测量
主要测定港区潮汐、潮流、波浪、流路、含沙量等状况。在进行潮流与含沙量测量时，水文断面布设尤为重要，其基本原则是能反映泥沙的来向和测定来沙量。如在潮汐汊道型淤积海港，则必须在口门布设水文断面以及进出沙状况。
⑶地质、地貌、底质测量与调查
对地质、地貌的测量和调查，应侧重于岸上进行；底质取样可与水深测量同时进行。
⑷工程地质调查
主要是收集建港时各种海底钻探资料。在研究中多采用港区的浅地层剖面测量和海底钻探相结合的方法，以查明海底地层结构状况。
⑸自然环境及人为因素调查
自然环境及人为因素的调查要经常进行，尤其应注意对人为因素的调查。例如某港浅滩处，渔民于落潮时用铁耙拖底移动捕捞贝类，结果造成大量泥沙随落潮流进入港池。据测定，掀动的落潮海水的泥沙含量增大了50～100倍。
三、海港海底地形的重复测量
为调查海港水域在不同时期的冲淤情况，比较有效而可靠的方法，依然是重复对港区进行海底地形测量。根据重复水深测量图勾绘冲淤等值线，来表示水下地形的冲淤变化以及在该图上进行计算有关冲淤数据。它不但定性地从全貌上反映港区的冲淤情况，而且能定量计算得到各种海洋工程所需的基本参数，如港口疏浚工程规划设计中的重要数据。
⒈ 重复水深测量的时间间隔的确定
海港泥沙淤积量和淤积速率是决定重复水深测量的主要因素和依据。
式中：△S为在R面积内，前后两次水深测量期间的泥沙淤积总量（立方米）；
△V为R面积内平均淤积速率（米／年）；
△h为前后两次水深测量期间，各处水深变化量；
T为前后两次水深测量的时间间隔。
重复水深测量的关键是确定前后两次水深测量时间间隔，合理的时间间隔可以减少测量的费用，并能反映出泥沙淤积速率的变化趋势；否则会增加不必要的测量费用或不能正确估计泥沙的淤积变化，还可能妨碍港口的使用。在初步确定前后两次重复水深测量时间间隔时，一般可分为两种情况：
⑴大面积较均匀的泥沙淤积港
首先应尽可能地收集较长时间间隔内所有水深测量资料，大致计算出淤积速率，然后按下式找出较合理的时间间隔或判断已有水深测量资料应用时的可信程度：
式中：△V为平均淤积速率（厘米／年）；
δ为水深测量允许误差（水深10米以内，δ应小于±10厘米）。
例如，某港在1961～1988年期间，水深变化的平均数约为380厘米，即△V≈14厘米／年，则T应大于或等于7年才是可信的。
另外，并非T越大越好。因为在研究泥沙淤积速率时，不但需知道某时间段内的平均淤积速率，而且应了解其变化趋势。所以，在大致确定较为可信的T值后，应尽可能地收集相隔为T时间段的多次前后水深测量资料。
⑵淤积速率大并具有季节性变化的港区
在计算此类港点的泥沙淤积速率和淤积量时，不但需要考虑T值，而且还要注意水深变化较剧烈，且主要发生在7～9月的台风季节。在每年10月与翌年6月的两次水深测量资料对比中，未发现水深明显变化；而同年的6月与10月的两次水深测量资料的对比，却发现水深明显淤浅。其原因主要在于东南风季节时的风浪输沙作用力使水深明显淤浅的主要因素。这样，在计算泥沙淤积速率时，应以同年6～9月的资料为准。同时，每年的疏浚工作的最佳季节，应在9月未至10月初实施为佳，这样浚深后的有效期较长。因此，该类泥沙回淤的港区，重复水深测量实施时，必须特别注意泥沙回淤的季节性。
⒉ 疏浚本身对淤积速率影响的测定
在一般情况下，疏浚后水深加大，海底相对处于负地形，淤积速度加大。随着水深的变浅，淤积速率减缓，呈衰减曲线形式。但有的地区，特别是航道疏浚后，水深增大促使流通加大，反而冲刷海底，加深航道。例如，荷兰庞特丹港航道，浚深11米之后，因水流集中，将航道局部地段冲刷至水深13～14米。当达到平衡后，不再冲刷。固此，有必要对疏梭后的水深变化进行监测，寻找水深变化率曲线，以便合理确定疏浚深度。
有时，为了减少疏浚次数，可加大超前疏浚量。但必须知道疏浚后的水深变化率曲线，使浚深选择在衰减减缓段，才能使疏浚结果保持较长的时间。
⒊ 水深测量定位误差影响
在实施水深测量时，因水深点的定位误差，可使前后两次水深测量的深度均与实际水深有所差异。研究港口泥沙回淤时，应该选用定位精度较高的定位手段，如差分GPS等，否则测量资料缺乏可比性，影响资料分析的质量。
港池、航道（纵方向）水下地形坡度一般不大于1/60，若以3米的定位误差计算，可引起的水深误差为±5厘米，则两次水深测量由定位误差造成的水深误差为±10厘米、因此，对于精确的淤积速率与淤积量的计算，要求采用相同比例尺、定位精度相同的水深测量的资料。
⒋ 重复水深测量的水深点对比
在计算淤积速率和淤积量时，采用不同时期水深图进行水深点对比。但是，在两幅水深图上，测深线的布设和水深点的选取，不可能完全相同，存水深图上，完全能重合的水深点较少见，往往存在一定的偏离。为了避免人为的取值误差，一般采用内插对比法。
如果高精度的扫海测量（如多波束测量），则可以建立更为精确、细致的海底地形数学模型；利用计算机将前后两次水深测量资料进行统计分析，可获得任一点位上的两水深差值以及更为准确的海底淤积情况的资料。在此还要特别注意的是，不同时期所测得的水深资料，采用的基准面必须一致。
⒌ 绘制冲淤等值图
绘制冲淤等值图，是水下地形图的开拓利用，绘制冲淤等值图的基本步骤如下：
①分别在两张1：10000比例尺的航道水深图上，每隔100米画出付同一断面线，在断面线上每隔100米定出一个断面点，按照图上的等深线及水深点。（必要时可进行内插），可算出每个断而点的高程，挖应填入水深比较表。
②根据同一断面点上的两个高程，可计算出某个断面点的冲淤深度△hi，即：
△hi＝h1i－h2i
hi1、hi2分别为前后两次i点的水深；△hi“+”为淤，“-”为冲。
③根据各点的冲淤深度，用勾绘等深线的方法，勾绘等冲淤线，绘制冲淤等值线图，从而可以直观地看出整个港区的冲淤情况。
当前，随着计算机技术以及高精度海底地形测量仪器的发展，上述基于手工分析作业的方法和程序已经在发生着变化，计算机的成象技术、多波束测深、激光测深等使得海底资料数字化，这样可以很方便地将外业搜集的高采样率的资料利用计算机自动处理得到海底冲淤状况资料，且更为准确、可靠。
⒍ 合理疏浚与疏浚前后的水深检查
⑴合理的疏浚周期
利用海上挖掘设备开挖水下土石方，以疏通航道或河道，浚深港池和锚地水域等，称为疏浚。鉴于各港口的水深条件、沉积速率、所需深度及地理位置的不同，一次疏浚量与疏浚周期及疏浚手段也是不同的。加上疏浚深度以及年最佳实施全港疏浚总量等因素，合理地规划疏浚量、疏浚水域是一项比较复杂而重要的工作。
合理的疏浚周期＝（疏浚达到的最合理深度-水域最小使用深度）÷△Vmax
式中的沉积速率△Vmax则应以最大速率计，航行条件以最浅处为标准。
⑵疏浚前后的水深测量
疏俊前进行水深检查的目的是调查淤积情况，并为疏浚工程提供必要的参数，使疏浚达到最合理的深度，以便进行合理的疏浚投资。
各处的疏浚深度＝合理的疏浚周期×相应处的沉积速率＋原有水深
疏浚工程竣工后质量的检查手段，则采用断面水深测量进行抽样检验。竣工测量虽然带有随机性，每条断面所覆盖的面积只有所代表水域的4％～5％左右，但是，由于竣工前的每次检查测量，测深线的实际位置也带有随机性，因此在浚中检查或扫浅阶段的加密水深测量、施工船自测及竣工测量中，测深线的随机分布综合形成了大概率抽样检验成果，因而，尽管不采用全覆盖扫测进行验收，施工单位仍能承担确保工程质量及安全可靠的责任。
疏浚工程竣工测量不同于一般海道测量，其所测水域海底均为人工地貌，起优变化没有规律性。所以，现行《疏浚工程测量技术规范》规定：“定位点间的水深，按等距离摘取，其不等距误差不得超过图上1毫米”，“挖糟内凡浅于设计深度的浅点或上偏差点均不得遗漏，应如实插入”，“已开挖区必须在回波线的上沿摘取水深”。竣工图上的水深度为所测点、线对应的实际水深，并应能真实反映水底起伏情况，使图上水深的概括误差为最小。
传统的单波束仪器，特别是船底式单波束测深仪，水深的摘取完全可满足规范要求，这种仪器是在测深断面上量取水深，能真实地描绘测点对应海底的起伏变化，而不是一个小范围内的代表水深。其水深概括误差只包括水深点在断面上向上的平面位置误差（图上1毫米）的影响。其所引起的深度误差是偶然性的。
对港池、航道而言，按新的国际海道测量规范S-44所规定，其应该是属于重要海区，也就是说，对其进行的测量最低的要求是100%的覆盖，并满足一定的定位和水深精度。在100%覆盖手段中就特别提到多波束测深，已经成为重要的国际认可的基本测量手段，其意义远不仅是全覆盖测量，而且体现在高效率、高质量的测量成果；相信其在海港淤积分析和疏浚工作将发挥更大的效益。
■作者肖付民 刘雁春 暴景阳 徐卫明，第一作者肖付民，男，1966年出生，山东高密人，副教授，博士，主要从事海道测量理论及应用研究。
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