曹妃甸建港前后深槽稳定性及冲淤原因分析

董 阳，孙 辉

(天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456)

曹妃甸地区地处唐山市南部沿海，位于渤海湾中枢地段。曹妃甸甸头向前延伸500 m，水深即达25 m，甸前深槽水深36 m，为渤海最低点；“面向大海有深槽，背靠陆地有浅滩”的地质条件，使其成为天然建港良址。2003年3月，曹妃甸通岛公路开始建设，标志着曹妃甸大港建设正式拉开序幕。随后，2004～2014年间，曹妃甸进行快速建设期，曹妃甸围垦造路大部分已经完成，矿石码头、原油码头以及LNG码头等相继建成，且一、二港池疏浚大部分已经完成。曹妃甸深槽形成的深水岸线是港区发展的核心资源，且深槽的稳定性是影响港区发展和今后开发利用的关键问题，因此密切关注深槽变化，不仅可为曹妃甸深水大港规划与建设提供科学依据，还对于提高我国深水港建设及航道治理技术水平，以及沿海潮汐深槽的保护开发利用都具有重要的指导和借鉴意义。

1 深槽动力形成机制[1]

曹妃甸近岸海区位于渤海湾与辽东湾交界过渡地带，海岸与海底地貌类型复杂。大清河口～南堡岸段内侧大陆岸线为沿滦河古三角洲前沿发育的冲积海积平原，地势低平，海拔1～3 m，沿岸多荒滩地和盐场；外侧是曹妃甸、腰坨、蛤坨和东坑坨等沙岛构成的沙质岛屿岸线[2]，与大陆岸线走向基本一致；沙岛与陆岸之间则发育有泻湖湾和大片潮滩，沙岛间还有潮汐通道深槽发育。该岸段发育有两个相对独立的海岸动力地貌体系，其中大堤南侧的甸南深槽地貌体系主要由曹妃甸沙岛及其前沿深槽组成；大堤北侧为老龙沟离岸沙坝-泻湖海岸体系，主要由蛤坨、东坑坨等离岸沙坝、老龙沟泻湖湾、通道深槽与拦门沙等地貌单元组成。见图1所示。

无论是涨潮还是落潮期间，老龙沟海区均具有通道深槽和潮沟处流速较大，岸滩附近与外海流速稍弱的分布规律。甸南深槽和老龙沟通道两个深槽水域均为本海域的潮流动力最强区，潮流是塑造和维持深槽水深的主要动力[3](图2)。但引起两者局部潮流增大的主要原因，即动力形成机制有着明显的差异。其中曹妃甸岬角地貌引起的局部潮流增大是甸南深槽形成的主要动力条件，而漫滩水流归槽和狭窄口门束水作用导致流速增大则是维持老龙沟通道深槽水深的主要动力。

图1 曹妃甸甸南深槽与老龙沟海岸地貌体系示意图Fig.1 Schematic map of geomorphology system of Dian-south deep groove and Lao-long-gou of Caofeidian图2 2005年3月14～15日水文全潮流速矢量Fig.2 Flow velocity vector of 14～15 March 2005

2 建港前滩槽大范围冲淤变化特征

1934～1936年至1983年期间[4]，曹妃甸工程区水域水深地形多年来呈现为基本平衡、略有冲刷的状况。该海域20 m等深线深槽范围普遍扩大，30 m等深线深槽范围有所扩大，甸头附近深槽由东向西有所移动，但甸头附近水深基本保持不变。

1996～2006年间(图3)，本海区离岸沙坝外侧海区整体上以冲刷态势为主，等深线不断向陆蚀退，其蚀退速率有甸西海区大于甸东海区的变化规律，海床平均刷深则多在1～2 m之间。值得注意的是，紧邻曹妃甸码头西侧的局部海区，有面积约5 km2的水域海床平均刷深可达5～10 m，其主要原因和此处进行港池开挖和码头围填有关。

图3 曹妃甸海区1996和2006年等深线对比Fig.3 Comparison of isobaths between 1996 and 2006

除老龙沟潮汐通道东、西口门附近外，本海区东坑坨、哈坨～腰坨等离岸沙坝外侧海区在整体上都以冲刷为主，冲刷深度多在0.5～2.0 m之间。东坑坨沙岛的东侧和北侧(向海侧)都出现较明显的冲刷趋势，0 m等深线经过蚀退后现已紧贴沙岛的主体。与此同时，东坑坨西侧与西南侧(向陆侧)出现明显的大面积淤积区，其中西侧淤积厚度在0.5～2.0 m之间，0 m等深线已向老龙沟深槽方向推进了800～900 m，平均推进速率约80～90 m/a；东坑坨沙岛西南侧的末端也有不断向老龙沟深槽淤进的趋势，淤积带长约2.6 km，平均淤厚在4 m以上。近10 a来，本海区东坑坨等沙坝外缘近岸浅滩与深水区总体上呈轻微冲刷态势，等深线具有向岸平移的倾向；沙坝内侧的大面积浅滩水域则主要表现为淤积态势。老龙沟潮汐通道深槽内以轻微冲刷为主，冲刷下来的泥沙部分淤积在口门附近，同时西支口门附近的通道深槽具有向西摆动的趋势。由于年内平均冲淤幅度较小，老龙沟附近海区的滩槽整体稳定性较好。

3 建港后滩槽大范围冲淤变化特征

3.1 甸南深槽冲淤变化

2004～2006年间，随着曹妃甸港区的开发利用，人类活动对该海区的滩槽冲淤演变起了重要的作用。首先，曹妃甸接岸大堤的建设和甸头大面积的滩涂围填使得岬角效应增强，导致甸前局部水域水动力有所加强，加之本海区泥沙供给不足，因此甸南深槽区呈轻微冲刷态势(图4)。矿石码头工程施工的结束和港池开挖的基本完成，甸南深槽区泥沙来源大大减少，施工对海床冲淤产生的影响将逐渐减弱并向平衡状态过渡。2009年6月～2010年9月期间甸头以西-20～-25 m等深线水域发生了一定程度的淤积，其中淤积厚度在0.5 m以上范围约为6 km2，最大淤厚可达0.8 m左右，这与附近水域施工、抛泥有关(图4)。从2004～2010年期间，工程附近出现了较为明显的冲淤变化，如矿石码头一期至一港池防波堤一带状淤积体，淤厚在2 m以上的范围达1 km左右。2011年以后曹妃甸没有再进行大的围垦工程，主要是近岸码头的建设，对大范围泥沙环境影响相对较小，甸南深槽等深线走向仍然维持了原有状态，绝大部分冲淤幅度在0.1～0.3 m，基本上属于本海域水深地形的自然调整，35 m深槽等深线基本保持稳定。但也需要注意的是，疏浚等工程也会造成局部小范围地形的变化。比如2015年1月～2015年6月期间，华能码头港池在疏浚，在港池西侧，有明显的淤积区出现，最大淤积厚度可达1.5 m，2015年6月～2016年3月期间，矿石码头一期、一港池口门附近和华能码头港池都有疏浚作业，在华能港池西侧淤积继续增长，最大淤厚可达2.0 m以上，甸头东西两侧局部也有少量淤积，最大淤积厚度可以达到0.7 m。

图4 不同时期曹妃甸海域冲淤分布Fig.4 Distribution of erosion and deposition of Caofeidian sea area

图5 三港池航道布置Fig.5 Channel arrangement in the 3rd basin

3.2 三港池航道冲淤变化

为充分利用曹妃甸工业区与龙岛之间老龙沟深槽的水深条件，于2013年8月沿老龙沟深槽建设完成一条3万t级航道。航道起点为三港池西端，终点为外海-12 m等深线，航道设计底标高-12.0 m，航道有效宽度150 m，航道总长26 500 m。为避开老龙沟口门拦门沙，规划航道沿老龙沟“西支”西侧深槽布置。航道布置如图5所示。

2013年8月三港池航道疏浚完工后，于2013年10月、2014年6月、2015年1月、2015年6月和2016年3月，在航道及边滩水域开展了1:2 000比尺的水深监测工作。通过测图水深对比，对不同时期冲淤情况进行计算和统计。

2013年10月～2014年6月期间曹妃甸三港池航道水域，平均淤积厚度为0.13 m，淤积量为77万m3。2014年6月～2015年1月期间曹妃甸三港池航道水域地形总体上处于稳定的状态，地形冲淤不大。在10+910转弯段，略有冲刷，冲刷深度大多在0.30 m以上，整个航道淤积最大的位置位于22+0处，400 m航道长度范围内出现了0.4～1.2 m的淤积；该航道平均淤积厚度为0.06 m，淤积量为28万m3。2015年1月～2015年6月期间曹妃甸三港池航道水域地形略有冲刷但总体上处于稳定的状态，在10+000段略有冲刷，冲刷深度主要在0.2～0.5m之间；淤积区域主要集中在0+000～6+000、10+910～14+000以及24+000左右1 km范围内，淤积厚度不大，大多在0.3 m以下。2013年10月～2015年1月期间，曹妃甸三港池航道内大部分里程淤积较轻，航道平均淤积厚度不超过0.20 m，淤积部位主要集中在20+500以外。2015年6月～2016年3月期间曹妃甸老龙沟航道水域地形总体上处于淤积的状态，全航道平均淤积厚度0.30 m，淤积量为138万m3。在10+0～10+910转弯段，淤积强度最大，淤积厚度大多在0.50 m以上，在11+0～13+0航段淤积强度最轻，平均淤积厚度0.07 m。

4 滩槽冲淤变化原因分析

4.1 甸南深槽冲淤原因分析

自然状态下，曹妃甸近岸海域地形冲淤变化的原因主要来自两方面，一是水动力条件的变化，二是海域泥沙环境的变化。

(1)水动力变化。曹妃甸甸头水域水深较大，潮流场和潮流动力的维持是该海域深槽稳定的关键因素。随着曹妃甸港区陆域不断围垦，其并没有明显改变甸头外潮流场及流场动力，这使得水流保持了原有的挟沙能力，即便有短期地形变化，经过一定的时期调整后，潮流动力将逐渐使其恢复到平衡状态。随着甸头附近开敞码头的建设，各码头桩基结构对水流有一定阻水影响，其背水面会形成弱流区，使得悬浮泥沙在此落淤，码头走向与水流夹角越大，桩群越密，其阻水影响越大，泥沙落淤几率就越大，因此在甸头码头前均出现了不同程度的淤积，由于这种阻水落淤是长期存在的自然现象，其落淤也是会持续发生的，其影响范围主要在码头前100 m范围内。

(2)局部波浪场的变化对地形淤积的影响。波浪在浅水区是构成地形变化的又一重要动力因素。该海域的强风向为偏东向，通港大堤和东护岸的兴建在一定程度上使波能在建筑物及其附近水域集中，使泥沙在此悬浮，并在潮流的作用下输移。这也就是通港大堤和东护岸工程兴建后，其附近水域地形有所冲刷的主要原因。

对于矿石码头引堤两侧水域，在南护岸的引堤类似于突堤式建筑，根据现场踏勘，该水域潮间带粒径相对较粗、物质多为砂质，该种物质在斜向入射波浪作用下易沿岸运动。曹妃甸甸头水域波浪作用相对较强，分析可知，若为偏东南向浪，则使引堤以东的近岸泥沙在波浪沿岸分量作用下向引堤附近运移，长此以往便可在该水域形成凹弧形的淤积滩面。同理，在偏西南向浪作用下，引堤西侧亦如此。

(3)泥沙环境的变化。泥沙来源是地形冲淤变化的重要因素，沙源的多少以及沙源泥沙的性质往往决定着地形的冲淤演变趋势。从长期来看，通港大堤兴建和曹妃甸浅滩的大面积围垦，在一定程度上减小了浅滩水域的面积，造成该海域泥沙环境的改善，这使得进入深槽的泥沙有所减少。这也是该海域深槽能够长时期稳定并呈略有冲刷状态的一个重要原因。

4.2 三港池航道冲淤原因分析

三港池航道于2013年10月开挖完成，2014年度三港池航道年平均淤积厚度为0.15 m，2015年度航道年平均淤积厚度为0.30 m，可见三港池航道开挖后，淤积不大，显然2015年淤积大于2014年。

三港池航道的这种淤积分布一方面和水动力有关，另一方面和整个海区的泥沙分布有关。(1)曹妃甸海区潮流较强，水体含沙量与潮流具有较好的关系。曹妃甸海区以东、西向水流为主，且水动力最强，因此悬沙也以东、西向主流方向浓度较高。从地形来看，三港池充分利用老龙沟航道开挖而成，航道后面里程开挖大，水流与航道夹角也相对较大，因此回淤相对稍大；(2)2015监测期间，出现了较大的风过程，尤其是2015年11月5日～2015年11月7日间，出现了NE向8级大风过程，最大风速可达到20.51 m/s，这次大风过程造成黄骅港出现了25 a一遇的骤淤，而2015年11月曹妃甸第二次水深监测也显示与上一次相比，矿石码头、原油码头等出现了明显的淤积，三港池航道2015年度年淤积厚度也高于去年。2014年没有实测风资料，但据现场人反应，没有明显的大风过程，可见大风浪期间会造成曹妃甸港区淤积增加。

5 结语

(1)甸南深槽区受甸头岬角效应影响明显，成为本海区的潮流最强区，这也成为深槽水深能够维持的主要动力因素。围海造陆之前以及建设之初，甸头深槽呈轻微冲刷态势。但随着矿石高桩码头建设完成，桩基对水流起到阻水作用，导致码头泊位呈现一定的淤积，对码头结构稳定起到了积极的作用；(2)在曹妃甸围垦等工程建设初期，由于工程造成水动力的突然变化以及施工影响，使工程附近出现了较为明显的冲淤变化，但近年由于大量工程完工，曹妃甸深槽总体保持了稳定状态，但也需要注意的是，疏浚等工程也会造成局部小范围地形的变化；(3)自然状态下，曹妃甸近岸海域地形冲淤变化的原因主要来自两方面，一是水动力条件的变化，二是海域泥沙环境的变化。从长期来看，曹妃甸港区的大面积围垦，减小了浅滩水域的面积，泥沙来源相对减少，这使得进入深槽的泥沙也有所减少。这也是该海域深槽能够长时期稳定并呈略有冲刷状态的重要原因。但港池、码头局部水域由于结构物的阻水等影响，水动力减弱，造成悬浮泥沙落淤，而且这种阻水落淤是长期存在的自然现象，其落淤也是会持续发生的，码头方需要密切关注并及时采取清淤措施，保证泊位满足设计水深要求。