海洋论坛▏海口港秀英港区航道泥沙淤积特征研究
海口港秀英港区航道位于琼州海峡南岸海南岛海口湾，海口湾湾内水深基本在5m以内，其北双滩浅处已建设南海明珠人工岛，南渡江位于海口湾东侧，受南渡江入湾支流泥沙的影响，海湾东部滩宽水浅。秀英港航道南北向贯穿海口湾浅水区，在3～5m的浅滩上形成-12.3m的人工开挖槽（见图1），开挖深度约7～9m，秀英港航道很难避免泥沙淤积问题。
图1 海口湾水深图（2013年出版海图）
目前关于航道泥沙淤积的问题，众多学者展开了研究。有的学者基于实测资料对航道淤积特征及原因进行了分析，赵晓冬通过水文泥沙地形实测资料分析，从水动力条件、泥沙、河势与局部地形变化等因素出发，对长江口圆圆沙段12.5m深水航道淤积原因进行了分析。陈可锋利用实测资料分析，结合数学模型计算，分析了射阳港拦门沙航道淤积的泥沙来源和淤积成因。黄李冰对长江口悬沙来源和悬沙浓度分布规律进行了研究，这对解释长江口北槽航道淤积有一定作用。刘杰针对长江口12.5m深水航道回淤，通过分析航道回淤资料和水文测验资料，研究了航道回淤的时空变化特征。有的学者从水力特性和泥沙运动角度展开理论研究，并提出航道淤积计算公式，如曹祖德针对粉沙质海岸泥沙淤积问题研究，采用三层淤积模式建立了粉沙质海岸外航道泥沙淤积预报的计算公式，认为粉沙质海岸大风浪下非掩护航道泥沙淤积计算模式可概化为三部分组成，一是水体中上部的悬沙落淤，二是临底部高浓度含沙层泥沙造成的淤积，三是推移质泥沙的影响；针对淤泥质开敞海滩外航道淤积，将非定常潮汐潮流泥沙问题简化为定常流泥沙问题，根据水沙运动方程，考虑水流归槽和含沙水流斜越航道后向下游折射的现象，从理论上导出了航道淤积计算公式，并通过水槽试验和数值模拟率定了公式中的参数。还有些研究者采用数值模拟计算手段对航道淤积进行预测，张庆河和匡翠萍等建立了黄骅港海域二维水动力和泥沙数学模型，模拟了黄骅港海域泥沙运动过程以及航道淤积现象。李孟国建立了波浪潮流泥沙数学模型和台风骤淤数学模型，对瓯江口航道二期治理工程正常航道年泥沙淤积和台风泥沙骤淤进行了计算。朱龙海采用二维波浪潮流泥沙数学模型，模拟了莱州湾东部航道回淤情况并探讨了其影响因素。上述针对航道淤积问题开展的分析和研究，对指导实践工程起到了很大的作用。
本文以海口港秀英港区航道为研究对象，通过各时段实测资料分析，研究了秀英港航道总体淤积特征及时空分布特征，探讨了航道淤积的成因及趋势，并提出航道减淤对策。
一、水动力泥沙特征
⒈ 潮汐及潮流特征
根据秀英 1976年至2001年实测资料统计（以秀英潮高基准面起算，下同），秀英港区海域潮汐特征值如下：最高潮位4.01m，最低潮位-0.06m；平均高潮位2.13m，平均低潮位0.95m；平均潮差1.18m，最大潮差3.60m。
据 2016年5月本海域潮流观测结果显示（图2 为大潮期二维流矢图）：潮流呈现明显的往复流，海流方向基本与琼州海峡平行；从流速上，涨潮流速与落潮流速大致相当，涨潮时间和落潮时间也基本一致；在空间分布上，海口湾口门附近流速最大，位于湾口较远处流速较小；在垂直方向上，总体上最大流速及涨落潮平均流速均随水深增加而减小，在数值上，海区垂向平均流速、平均流向与海区中层相近。
图2 大潮期二维流矢图
图3 大潮期平均含沙量分布图（单位：kg/m3）
⒉ 波浪特征
海口湾全年以风浪为主，风浪频率76%～85%，涌浪频率14%～23%。风浪以冬季出现最多，出现频率为82%～93%，春夏较少。海口湾常浪向为E向，频率13.93%，次常浪向为NE向，频率11.53%，强浪向ENE 向，最大波高6.3m。
⒊ 含沙量特征
海口湾海域含沙量受东侧南渡江径流输沙、外海潮流输沙、波浪掀沙以及局部地形冲淤影响。2016年5月份实测资料显示（大潮期平均含沙量分布见图3）：悬沙中值粒径的平均值为0.012mm；近岸悬移质粒径细，离岸悬移质粒径粗；组分以粉砂含量最高、粘土次之；含沙量总体具有近岸高、离岸低，海湾东西端高，中部低的空间分布特点，这与海湾东西端岬角的波能辐聚增强，而中部波能辐散减弱有关。
二、秀英港区航道淤积特征
收集秀英港航道实测地形图用于航道地形变化比较，计算实测淤积量，地形图测次包括2008年6月、2009年6月、2009年10月、2010年11月、2011年11月、2014年3月、2015年1月、2015年5月、2016年6月、2016年10月、2017年1月及2017年7月共12次。其中2011年前为南海明珠人工岛建设以前、2011年至2015年为人工岛建设阶段、2016年后人工岛建设结束。基于实测地形资料计算不同航道区域的回淤量及特征点的淤积厚度，其中淤强平面分布见图4，淤强沿纵断面分布见图5，典型横断面地形见图6。
图4和图5中每个时间段的长短虽然不一样，但为了充分利用珍贵的实测资料，将图4（a）～（e）和图5（a）各时间段淤积量进行时间折算后得到了年均淤积强度，换算到统一时间长度标准以便进行比较。因此，图4（a）～（e）的单位为年淤强m/a。为了准确反映2016.10.10～2017.01.15这三个月的短期骤淤特征，图4（f）和图5（b）仍采用淤强绝对值，没有折算到年均值，其单位为淤积厚度m。
（a）2008.06.29～2009.06.19（m/a），
（b）2009.10.27～2010.11.22（m/a），
（c）2010.11.22～2011.09.15（m/a）
（d）2011.11.15～2014.03.15（m/a），
（e）2015.05.29～2016.06.15（m/a），
（f）2016.10.10～2017.01.15（m）
图4 航道淤强平面分布图
图5 航道淤强沿纵剖面分布
图6 典型横断面（航道里程起始位置）地形图
⒈ 航道总体淤积特征
根据前期研究成果，秀英港3万吨级航道开通前（1万吨级航道），实测航道回淤强度1996年为0.45m/a、1999年为0.38m/a、2002年为0.37m/a。
秀英港 3万吨级航道开通（2008年）后，至2011年3月以前，南海明珠人工岛包括一期人工岛并未建设，此时较为客观地反映出自然条件下秀英港航道泥沙淤积状况(图4（a）和（b）)，航道内泥沙年淤积量在45～55万m3/a之间，航道平均年淤强0.80～0.95m/a，最大年淤强1.0～1.3m/a，可见3万吨级航道开通后，淤积强度大幅增加。通过图1海口湾水深图分析其原因，可知，秀英港航道在3～5m的浅滩上形成-12.3m的人工开挖槽，为实现约7～9m的开挖深度，需进行基建性疏浚和维护性疏浚，3万吨级航道开通后航道内大量的泥沙是由于疏浚引起的回淤所致。
2011年3月至2015年12月为南海明珠人工岛一期、二期建设期（人工岛位置见图1），期间对航道进行过局部疏浚，没有完整的清淤前后的航道水深测图，但仅有的几次不完备的测图比较难以真实反映航道淤积实际情况，单从图4（c）～（e）数据显示航道淤积并不严重。此外，人工岛建设使波高有所降低，人工岛建设后航道跨越海区的波浪破碎带将向岸推移，从而使得航道重淤积部位向里推进，实测航道淤强平面分布图证实了这一点。
⒉ 航道淤积空间分布特征
由图4～图6可见，秀英港区航道淤积在空间分布不均匀，从航道纵向淤积部位看，基本呈现中间部位大，两头小的格局，航道外侧入口处淤积最小；从航道横向淤积部位看，航道边坡淤积明显强于航道内部，边坡淤积强度基本是自顶部向航道边线逐渐降低，这证明了泥沙首先自边坡顶部向航道淤积并逐渐向航道内转移的规律。由边坡上泥沙淤积的不均匀性判断，泥沙淤积来源并非悬沙淤积，应是高含沙水体快速落淤所致。
⒊ 航道淤积时间分布特征
据图4（f）和图5（b）可知，2016年10月至2017年1月近3个月时段内，航道内平均淤积厚度0.87m，最大淤积厚度1.08m；航道西边线平均淤积厚度1.62m，最大淤积厚度3.96m；航道东边线平均淤积厚度1.14m，最大淤积厚度2.19m，这3个月的淤积厚度相当于2008年至2011年期间一年的淤积厚度，表明2016年10月至2017年1月期间发生了航道强淤积。
为进一步探查秀英港航道淤积状况，基于2017年7月10个典型航道断面及航道中线的断面实测数据，绘制了2016年10月以来不同时期的航道中线淤积厚度分布图，见图7。图7表明2017年1月至2017年7月6个月时间内，沿航道中线的平均淤积厚度仅0.24m，航道淤积较轻，而2016年10月至2017 年1月仅3个月航道中线的平均淤积厚度高达0.87m，两者的鲜明对比进一步证明秀英港航道发生了严重的短期强淤现象。
图7 不同时段航道中线淤积厚度分布图
⒋ 航道淤积原因分析
⑴影响因素
①海床底质组成分析
2016年5月份、12月份两次对海口湾进行了大范围的底质取样，表层沉积物中值粒径分布见图8，由图可见，海口湾东部多粉砂、砂质粉砂或粘土质粉砂，来自南渡江泥沙沉积。秀英港航道周边海区底床泥沙含有粘土含量约为10%～30%，粘土加粉砂的含量较大，约为30%～70%，大面积的海床底砂为秀英港航道淤积提供了沙源。
（a）2016.05
（b）2016.12
图8 海口湾最大风速过程线表层沉积物中值粒径分布
（单位：mm）
另外，两次取样分析显示南海明珠人工岛与海口湾西海岸之间的海区底质细化现象较为明显，秀英港西侧、航道东侧海区也存在一定程度的底质细化，这与人工岛建设有关。
②航道沉积物组成分析
根据航道柱状采样实验，柱状样各层中值粒径在0.0024～0.0124mm 之间，平均为0.0060mm，以粘土质粉砂分布或粉砂质粘土为主。航道沉积物取样分析表明航道沉积物颗粒较细，粉沙质粘土占比较大，航道淤积存在高含沙水体造成淤积的可能性；航道内沉积物不是粗砂，推移质淤积可能性不大。
③滩面泥沙起动特征
根据滩面表层底质泥沙取样结果，秀英港航道附近的泥沙中值粒径平均为1mm。利用佐藤公式，计算得到波浪作用下秀英港航道附近床面泥沙表面起动和全面起动的临界水深，见表1。
表1中值粒径为1mm 时不同波高下起动水深计算结果
波高(m) | 表层起动水深(m) | 全面起动水深(m) |
0.5 | 0.76 | 0.25 |
0.9 | 2.12 | 0.78 |
2 | 6.59 | 3.01 |
3 | 10.34 | 5.33 |
4 | 13.64 | 7.57 |
④水体悬移质泥沙分布
卫片分析表明，工程所在海域，平常天气含沙量相对较小，为0.015～0.03kg/m3，由悬沙造成航道泥沙淤积量也较轻。大风天可以引起海床底部泥沙起动，提高了悬沙浓度，可达0.03～0.08kg/m3，高浓度悬沙随潮流运移，对航道泥沙淤积产生影响。
⑤动力条件
为分析大浪与航道淤积的关系，搜集了航道附近测波站2016年8月至2017年7月一整年的逐时波浪观测资料。统计资料显示，H1/10波高超过1.0m的波浪全年出现838小时，其中2016年9月至2017年1月间H1/10波高超过1.0m的小时数为703，占比84%，说明一年期的大浪主要集中在9月份至转年1月份；统计相应的波向表明，9至转年1月份的大浪浪向基本集中在N～E，落在N～E方位内的波浪在703小时内共占702小时，几乎为100%。对实测波浪数据的分析表明，2016年秋冬季出现了持续时间较长的N 向～E向强浪，为底床泥沙起动提供了动力条件。
图9 海口湾最大风速过程线
为分析 N向～E向强浪形成的原因，根据海口湾气象资料，绘制了海口湾最大风速过程线，见图9。由图9（a）可知，2016年10月1号至2017 年1 月30 号海口地区偏北向风天数占比81%，日最大风速值的统计平均值基本在6m/s左右，其中2016年10月18日最大风速达16m/s（7级风，风向NE），17、19两天风速也达10m/s（5级风，风向NE、ESE）。偏北向特别是东北向来风导致湾内浪大、水浑，这是同时段N向～E向强浪形成的主要原因，为航道泥沙淤积提供了有利条件。秋冬季寒潮大风引起的大浪对秀英港航道泥沙淤积影响较大。
⑥外部条件
由图 1可见，秀英港航道为南、北向，海口湾海域涨落潮流为东、西向，航道走向基本与涨落潮流向垂直，更有利于滩面泥沙进入航道，是极为不利的。
⑵原因分析
①大风浪掀起的底部高含沙水体进入航道落淤
上述影响因素分析表明，航道周边海床存在可起动的沙源，秋冬季盛行的偏北向大浪为泥沙起动提供动力，根据泥沙运动的基本规律必然会产生底部高浓度含沙水体。底部高含沙水体在平底海床随潮流来回搬运基本呈现动态平衡状态，不会产生淤积，但如果发生在航道所在海区将完全不同。随潮流进入航道内的高含沙水体由于航道水深较大，底部流速较小，泥沙将不容易再被带出，必然产生淤积。航道底质取样颗分结果也印证了航道淤积物为细颗粒泥沙的判断，佐证了对航道泥沙淤积方式的判断，即秀英港航道淤积的泥沙主要来源于海床泥沙，航道两侧海床泥沙在波浪作用下被起动，这些被悬起的泥沙随潮流运动进入航道形成淤积。在上部水体含沙量较低的海口湾，此类泥沙淤积方式应是造成秀英港航道泥沙淤积的首要原因。
2016年10月至2017年1月时段航道短时强淤的主要原因就是由2016年10月17号至2016年10月19号3天大风造成的。根据2008年6月至2011年9月得到的平均年淤强（0.86m/a），推算2016年10月至2017年1月时段内因大风造成的淤积厚度在0.87～0.86/12×9=0.65m左右。
②边坡转移泥沙对航道产生淤积
大风浪天除造成秀英航道泥沙淤积外，在疏浚后的航道边坡上也会产生大量细颗粒淤积泥沙。这部分淤积泥沙在尚未密实前在重力作用下可顺航道边坡进入航道形成淤积；另一方面，该部分泥沙极易被起动，在一定外界条件作用下（如中等强度的风浪、航道边缘船舶航行扰动等）随涨潮流进入航道形成航道淤积。
③悬沙对航道产生淤积
通常情况下海口湾水体悬沙浓度不高，但大风天过后水体含沙量显著提高；洪水季节南渡江悬沙也会扩散至本海区，悬沙淤积也是造成航道淤积的一个因素。
④人工岛建设使航道淤积加重
航道周边人工岛建设后，海口湾西部海岸床面地形重新调整、底质发生变化：泥沙粒径细化、易于起动，对航道淤积造成影响；人工岛建设阻挡涨落潮流，降低局部水动力条件，使航道悬沙落淤增大。
三、航道淤积趋势以及对策分析
⒈ 航道淤积趋势分析
图9（b）和图9（c）进行了为期一年的风向统计，统计的数据周期较长，结果显示一年内偏北风天数占50%，其中每年10月份到转年1月底多为偏北向风，占全年出现的偏北风的80%，因此每年9月份到转年1月底的偏北风影响占重要地位，对航道泥沙淤积时间分布的不均匀性起到主要的作用。进一步对比分析图9三个时段的风要素数据，对照相应时段的航道淤积统计数据，2016年10月至2017年1月时段内航道淤积重，而该时段正好出现过7级以上大风（NE向），而其它两个时段内均未出现过7级及以上大风，初步判断当NE向风力达到7级以上时可能造成航道的强淤积。根据表1滩面泥沙起动特征，海口湾海域7级风可形成4m波浪，4m以上的波浪可使7.5m水深处的泥沙全面起动。
由此可判断，在该海域气象条件不出现根本性变化的前提下，当未来出现7级以上偏北向大风时，秀英港航道仍存在强淤、骤淤的可能性。
⒉ 航道减淤对策分析
要减少秀英港航道的泥沙淤积，需从阻止滩面泥沙进入航道入手。
⑴建设防沙潜堤
大浪引起的高含沙水体存在于海床底部一定厚度的水体中，可仿效黄骅港建设防淤导堤，阻挡大风浪造成的滩面泥沙起动而形成的底部高含沙水体随潮流进入航道是最有效的手段。根据黄骅港防沙导堤建设经验，防沙堤防沙效果与其平面布置、堤顶高程等关系密切，需要进行大量的相关研究，包括当地大风天含沙量垂向测量、秀英港港口规划等。
⑵放缓航道边坡
放缓边坡可增加边坡稳定，减小边坡坍塌风险；边坡放缓将扩大疏浚范围，间接增加航道备淤量，使航道疏浚维护周期加长。
⑶增加备淤深度
秀英港自开通 3万吨级航道以来，航道年回淤强度平均为0.9m/a。为减小航道维护频次，扩大维护周期，设计航道备淤深度十分必要。航道维护周期可按1年考虑，航道备淤深度可取为0.9m。
四、结论
本文通过实测资料分析，研究了海口港秀英港区航道总体淤积特征及时空分布特征，探讨了航道淤积的主要原因及减淤对策，主要结论如下：
⑴秀英港3万吨级航道开通后（2008年以后），航道平均淤强约0.90m/a，航道年泥沙淤积量在45～55万m3/a之间。较航道开通前泥沙淤积程度大幅增加，主要是由于航道疏浚引起的回淤引起。
⑵航道淤积具有明显的时空分布不均匀现象。空间分布上表现为由近岸向外海航道淤积由强变弱、航道边线淤积重于航道中线的特征。时间分布上有发生短时强淤的风险。
⑶秀英港航道泥沙淤积的主要原因有：大风浪掀起的底部高含沙水体进入航道、边坡向航道的泥沙转移、边坡坍塌、水体悬沙落淤、人工岛建设等。
⑷为减轻航道淤积，应针对引起航道淤积的主要因素采取相应对策。可通过建设防沙潜堤、放缓航道边坡、增加备淤深度等措施减小秀英港航道回淤强度。
【作者简介】第一作者刘晓强，男，1983年出生，天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，助理研究员，第二作者杨燕华来自交通运输部天津水运工程科学研究所；本文来自《水力发电学报》（2018年3月22日刊发），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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