东营港水动力要素及泥沙运动特性

李典，徐振坤，肖立敏，孙林云*

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.东营港建设服务办公室，山东东营257237；3.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

东营港水动力要素及泥沙运动特性

李典1，徐振坤2，肖立敏3，孙林云3*

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.东营港建设服务办公室，山东东营257237；3.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

收集整理了东营港现场波浪、潮汐、潮流及泥沙底质等实测资料，分析得到该海域波浪动力以东北向和西北向为主，潮汐类型为正规全日潮，潮流特性表现为基本平行于海岸的往复流，流速较大，海域底质以黏土质粉砂为主，属于粉砂质海岸类型。在此基础上，根据刘家驹波浪作用下泥沙起动公式，计算了港口附近海岸泥沙在不同水深下起动波高与泥沙粒径的关系，为东营港港区规划及相关研究提供参考依据。

东营港；水文泥沙；水动力特性；泥沙起动

1 概述

山东省东营市东营港经济开发区位于黄河三角洲中心城市东营市东北部，北临京津唐经济区，南连胶东半岛，濒临渤海西南海岸，地处黄河经济带与环渤海经济圈交汇点[1]。该港始建于1984年，依托胜利油田开发建设，为胜利油田的生产、生活及相应腹地的商贸提供服务。随着经济不断发展，港区吞吐量近年来不断增长，东营港现有规模已不适应发展需要，为此东营港经济开发区拟扩大港口规模，提高航道等级，逐步开展各项规划研究。本文通过现场资料的收集整理，分析了东营港风、浪、潮汐及潮流等水动力要素及泥沙运动特性，为港区规划及相关研究提供基础资料支撑。

2 水动力特征

2.1 波浪

根据中心二号平台测站2015年1—12月的连续波浪观测资料，对有效波高和平均周期分等级、分方向进行统计，结果见图1。由图1可见，常波向为SW向和W向，其出现频率为10.92%，这两个方向主要以小波浪为主。强波向为ENE向，其波高大于2.5 m出现频率为1.42%，次强波向为E向，波高大于2.5 m出现频率为0.74%。E向与NNE向也出现了大波浪的情况。总体而言，该海域波浪主要动力来源于东北向。2015年有效波高大于1.5 m的波浪全年出现天数接近40 d。平均周期主要分布在4.0～5.9 s，出现频率为52.31%，全年平均周期为5.82 s。

图1中心二号平台测站2015年1—12月波浪玫瑰图

Fig.1Wave rose diagram of No.2 central platform station from Jan.to Dec.in 2015

2.2 潮汐

根据东营港海域的孤东及黄河海港潮位站2010年1月—2015年12月实测潮位资料分析可知，东营港地区潮汐类型指标（Hk1+HO1）/HM2= 7.03，即潮汐类型以正规全日潮为主，大部分时段每日出现1次高潮和1次低潮[2]，受浅水分潮影响，个别时段每日还会出现多次高、低潮，最多可达4次。由于靠近渤海湾至莱州湾间的无潮点，本海域潮汐强度弱，潮差小，历年平均潮差不足0.8 m。潮位特征值分析结果见表1。

表1 东营港海域潮位特征值Table 1Characteristic values of tidal level in Dongying Harbor

由表1可以看出，在平均海平面方面，黄河海港站略高，可能是由于该站紧邻防波堤，潮波变形引起的潮位抬高。此外，其他潮位特征基本一致。东营港海域各基面换算关系：1985国家高程基准=理论深度基准面+0.78 m=实测资料潮位零点+1.0 m。

2.3 潮流

中交第一航务工程勘察设计院有限公司在东营港工程海域布设的7条潮流观测垂线，于2015年7月31日—8月1日（农历六月十六至十七，大潮）、2015年8月8—9日（农历六月廿四至廿五，小潮）进行过2个全潮水文测验[3]。由大潮实测资料绘制潮流矢量图，见图2。

图2 东营港实测大潮潮流矢量图Fig.2Vector diagram of measured spring tidal current in Dongying Harbor

由测量结果分析可知：1）东营港潮流属正规半日潮，观测海域潮流基本表现出往复流特性，从时间分布上看，观测垂线流速大部分时段从大潮到小潮有减小的趋势。该海区西北向流速略大于东南向流速。2）小潮涨潮（东南向）潮段平均流速在0.36～0.58 m/s之间，落潮（西北向）潮段平均流速在0.26～0.54 m/s之间；小潮观测期间，实测最大流速为1.41 m/s，流向为178°，出现在涨潮期间L1垂线的表层。大潮涨潮（东南向）潮段平均流速在0.40～0.62 m/s之间，落潮（西北向）潮段平均流速在0.31～0.60 m/s之间；大潮观测期间，实测最大流速为1.56 m/s，流向为178°，出现在涨潮期间L1垂线的表层。3）由于L1点布置在航道口门附近，从实测资料分析可知，最大垂线平均流速超过了1.20 m/s，流向与拟建口门相切，与航道垂直，对船舶的航行不利。

3 泥沙运动特性

3.1 底质

中交第一航务工程勘察设计院有限公司于2015年7月、8月开展了港区附近较大范围滩面表层沉积物调查，共采取样品198个。沉积物样品点分布从10 m等深线开始，延伸至外海，15 m等深线基本处于取样范围中央位置，其中10～15 m等深线之间约有103个样品，15 m等深线之外约有95个样品。对所有样品均做粒径组成分析，特点如下：

1）样品类型

底质样品以黏土质粉砂（YT）为主，共计160个（占80.80%）；粉砂（T）共计23个（占11.62%）；砂质粉砂（ST）共计12个（占6.06%）；粉砂质砂（TS）共计2个（占1.01%），砂-粉砂-黏土（STY）共计1个（占0.51%）。

2）样品中值粒径

样品中值粒径统计结果见表2，沉积物样品粒度较小，D50在0.005 1～0.067 8 mm之间。底质样品分选程度均为“差”。

表2 样品中值粒径统计Table 2Statistics of sample median particle size

3.2 实测含沙量

海域水体含沙量是计算分析泥沙回淤量最重要的参数之一，它不仅与当地动力条件有关，还与泥沙条件、边界条件密切相关。对潮流观测期间两个潮次的含沙量观测结果进行整理，表3为实测最大含沙量。由表可见，从垂线上看，各垂线含沙量呈现出从表层到底层逐渐增大的趋势，从平面上看，L1、L2、L4和L5数值相对较高，表明水深越浅含沙量越大；大潮观测期间，实测最大含沙量为0.243 1 kg/m3，出现在L4垂线的底层；小潮观测期间，实测最大含沙量为0.212 0 kg/m3，出现在L2垂线的底层。

表3 实测最大含沙量统计结果Table 3Statistical results of measured maximum sediment concentration

3.3 泥沙起动

海滩泥沙的起动水深反映了岸滩演变的界限。一般来说，波浪作用下的泥沙起动与波高、波长、泥沙粒径以及泥沙颗粒重度有关[4-5]。刘家驹根据相关专题研究试验资料，提出如下形式波浪作用下泥沙起动波高计算公式[6]：

式中：H*是起动波高；Ls、ks分别为波长、波数；h、D、D0依次分别为水深、泥沙中值粒径和特定泥沙粒径D0=0.015 mm；ρs、ρ分别为泥沙密度和水的密度。

据此结合前述东营港风浪资料，应用上述公式对不同波浪、水深条件下泥沙起动波高进行计算，周期取全年平均周期T0=5.82 s，绘制出泥沙粒径D与起动波高H*之间的关系曲线簇，见图3。图中曲线簇纵坐标最低点对应的泥沙粒径D约在0.016 cm左右，表明这种粒径的泥沙最容易起动。大于这种粒径的泥沙，由于质量大惯性力大不易起动，小于这种粒径的泥沙，由于颗粒间的黏结力增强也不易起动，这与明渠水流的泥沙起动性质是一致的。

图3 周期T0=5.82 s波浪作用下的泥沙起动波高计算曲线Fig.3Calculation curve of sediment incipient motion wave height under wave cyclic T0=5.82 s

为了分析东营港附近海滩泥沙运动特性，根据上述底质采样资料和泥沙起动公式，分别计算了T0和1.2倍T0状况下，中值粒径为D=0.005 cm和D=0.01 cm的泥沙起动波高与水深的关系，见图4。

图4 波浪作用下泥沙起动波高与水深的关系Fig.4Relationship between sediment incipient motion wave height and water depth under wave action

由图4可见，对于D=0.005 cm和D=0.01 cm这样的粉砂而言，随着水深的增加，起动波高加大，反之亦然。随着波长的增加（周期变大），泥沙的起动波高减小。例如在水深10 m处，泥沙的起动波高数值在1～2 m之间，结合前文东营港风浪资料可以看出，有效波高大于1.5 m的频率为10.34%，接近40 d，当这些天气大波浪来临时港区附近海域底床泥沙被掀起，并在较强潮流作用下发生输移，一旦在该海域开挖航道可能会引起航道泥沙回淤。

4 结语

1）东营港附近海域强波向为ENE向，次强波向为E向。该地区波浪动力主要来源于东北向。

2）东营港潮汐类型以正规全日潮为主，由于靠近渤海湾至莱州湾间的无潮点，本海域潮汐强度弱，潮差小，历年平均潮差不足0.8 m。该海域潮流特性表现为基本平行于海岸的往复流，流速较大，实测最大垂线平均流速超过了1.20 m/s，出现在拟建港池口门附近，流向与口门相切，与拟建航道垂直，形成较大的横跨航道水流，可能会影响船舶的航行。

3）东营港附近海域底质以黏土质粉砂为主，中值粒径在0.005 1～0.067 8 mm之间，属于粉砂质海岸类型。根据刘家驹波浪作用下的泥沙起动公式计算，当较大波浪发生时港区附近海域底床泥沙被掀起，并在较强潮流作用下发生输移，一旦在该海域开挖航道可能会引起航道泥沙回淤，应当引起港口规划建设部门的重视。

[1]陈兆林，李卫国，刘锐，等.东营港海区悬沙特征及冲淤分析[J].海洋工程，2009，27（2）：110-114.

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[3]卓玉生.东营港东营港区10万吨级航道工程水文测验及底质取样报告[R].天津：中交第一航务工程勘察设计院有限公司，2015.

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[4]肖立敏，刘建军，孙林云，等.唐山港京唐港区20万吨级航道工程波浪潮流泥沙模型试验研究[C]//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会.2011：1 009-1 014.

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LIU Jia-ju,YU Guo-hua.Study and application on sediment of coastal engineering[J].Hydro-Science and Engineering,1995(3): 221-223.

[6]刘家驹.海岸泥沙运动研究及应用[M].北京：海洋出版社，2009.

LIU Jia-ju.Study and application on coastal sediment movement [M].Beijing:China Ocean Press,2009.

Hydrodynamic factors and sediment movement characteristics in Dongying Harbor

LI Dian1,XU Zhen-kun2,XIAO Li-min3,SUN Lin-yun3*
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Construction Services Office of Dongying Harbor,Dongying,Shandong 257237,China; 3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

Based on collection and arrangement of wave,tide,current and sediment measured data in Dongying Harbor,we have studied that the wave is dominated by northeast and northwest direction,the tidal type is regular diurnal and featured by reciprocating current parallel to the coast,the sea bed of the sea area is mainly composed of silty clay,which belongs to the sandy coast type.According to the formula of sediment incipient motion under wave created by LIU Jiaju,we calculated the relationship between sediment incipient wave height and the sediment grain size in different water depth near the harbor,which provides a reference for port planning and related research in Dongying Harbor.

Dongying Harbor;hydrology and sediment;hydrodynamic characteristics;sediment incipient motion

U652.3；P731.2

A

2095-7874（2017）06-0007-04

10.7640/zggwjs201706002

2017-02-24

2017-04-01

李典（1992—），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事

港口航道工程水动力数值模拟研究。

*通讯作者：孙林云，E-mail：linyunsun@sina.com