崖州湾进港航道回淤特征及机制分析

童朝锋，田家庆，孟艳秋

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

海港进港航道在波流作用下，泥沙易落淤在航槽内，需要定期观测并根据航槽水深需求按时疏浚，以保证足够通航水深，航槽回淤是港口航道工程受到特别关注并需要重点研究的问题[1]。为明确开挖航道后的泥沙回淤原理，确定回淤量和疏浚量，保证船舶的正常通行[2]，刘家驹等[3-4]从输沙平衡方程出发，借助水流连续性方程提出悬沙回淤强度计算方法，得到了广泛应用[5]。罗肇森[6]根据波浪水流能量及泥沙运动原理，推导出波浪、潮流和风吹流共同作用下的底沙输移公式，确定底沙入槽量。

另一方面，航槽内回淤泥沙来源和泥沙输运机制是地学界和工程界学者研究的热点[7]。GAO S等[8]运用Gao-Collins粒径趋势分析方法分析海南省洋浦湾的泥沙运移趋势，马菲等[9]运用地统计法根据沉积物粒度参数研究北部湾东部海域的沉积物输运趋势，龚文平等[10]运用经验正交函数法研究海口湾东部浅滩区泥沙来源与泥沙运动。这些研究为回淤泥沙的溯源分析提供很好的方法。

崖州湾位于海南省三亚市西南侧，崖州湾东侧南山港进港航道航槽回淤现象明显，本文根据建港多年的实测地形数据，分析航槽回淤特征，利用航槽回淤强度公式计算常浪和大风天泥沙回淤占比，根据泥沙粒度参数运用Gao-Collins粒径趋势分析方法，确定南山港进港航道的床沙输运趋势。

1 研究区域介绍

南山港位于海南省三亚市崖州湾东侧，北纬18°18′30″，东经109°08′45″。南山港进港航道总长1838 m，航道宽162 m，整体分为两段，外海段长1224 m，与东西向成45°夹角，近港段长614 m，与东西向成20°夹角。

根据港区东北约8 km处的南滨气象站实测资料分析，南山港区气象特征长夏无冬，季风气候特征明显，冬季受来自大陆的东北季风影响，夏季受来自海洋的西南季风影响，台风主要发生在6—10月。研究海域潮差较小，平均潮差0.88 m，属于不正规日潮混合潮型，以日潮为主。2013年10月实测资料显示，南山周边水域涨落潮流向变化明显，呈现往复流的特征，大、小潮的流向变化不大，大潮涨潮最大流速为0.77 m/s，大潮落潮最大流速为0.74 m/s，小潮涨潮最大流速为0.35 m/s，小潮落潮最大流速为0.55 m/s。南山港区所在位置受南山角掩护，偏E向浪衰减明显，强浪向集中在SSE、SW和WSW等方向，常浪向为S和SE。

崖洲湾泥沙主要来源有径流输沙、潮流挟沙和海岸侵蚀泥沙，2005年4月在崖州湾测区内布设110个底质取样点，测区内泥沙中值粒径为0.02～1.37 mm不等，各取样点中值粒径分布如图1所示。崖州湾底质粒径较粗，沉积物呈带状分布，由岸向海有明显的分带性。在近岸区域的泥沙粒径较粗，泥沙中值粒径为0.30 mm；-5～-10 m等深线之间的泥沙中值粒径为0.02 mm；-10 m等深线以外的沉积物主要为粗砂，泥沙中值粒径为1.00 mm。

图1 取样点中值粒径（mm）Fig.1 Median particle size at sampling point(mm)

2 航槽回淤特征

2.1 航槽水深变化

基于崖州湾南山港进港航道2013年5月、2014年5月、2018年5月、2019年5月、2020年1月5次地形数据，分别绘制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个时段南山港进港航道中轴线和浅滩水深沿航道里程变化见图2。图2中航道里程零点位于外海航道的末端，起始点位置和里程计算方向见图1，y轴自上而下水深逐渐增大。航道设计底标高按当地理论基面计算，各分析时段内无疏浚，浅滩水深为航道南北边缘两侧5 m处的平均水深。

由图2可知，2014年5月中轴线水深在航道里程1100 m前与2013年5月水深相互交错，在1100 m后2014年水深始终小于2013年水深，平均水深差为0.36 m，最大水深差为0.66 m。2019年水深全程小于2018年，在外海口门处水深较为接近，两段航道交界处水深差值大，平均水深差为0.71 m，最大水深差为1.11 m。2020年水深全程小于2019年水深，口门附近水深变化小，两段航道交界处水深变化大，平均水深差为0.33 m，最大水深差为0.53 m。

图2 航道中轴线和浅滩水深沿程变化Fig.2 Variation of water depth along the channel axis and the shoal

南山港进港航道外海侧口门附近航道水深变化小，3个时间段外海段航道的中轴线水深差沿进港方向逐渐增大，两段航道交界处水深差达到最大，近港段航道中轴线水深差先减小，后趋于稳定。

2.2 航道冲淤变化

根据2013—2020年崖州湾南山港进港航道地形数据，在当地理论基面和北京54坐标系下，研究进港航道冲淤变化。图3为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段时期航道淤积强度沿程变化图。

图3 南山港航道冲淤变化Fig.3 Changes of erosion and siltation in the channel of Nanshan Port

图3 中淤积强度为正值说明航道淤积，反之说明航道出现冲刷。由图3可知，3个分析时段航道都以淤积为主，但2013—2014年航道出现冲刷。这是由于2013年开挖水深较小，深槽和浅滩的落差小，航槽和浅滩之间易发生泥沙交换，导致槽内泥沙减少；同时航道区域部分区段（0～1100 m）受波浪影响，槽内泥沙在波浪作用下发生输运，导致航道部分区域出现冲刷。

2013年5 月—2014年5月航槽淤积量为44768 m3，平均淤积强度为0.24 m/a，最大淤积强度1.04 m/a；2018年5月—2019年5月航槽淤积量为110054 m3，平均淤积强度为0.59 m/a，最大淤积强度1.38 m/a；2019年5月—2020年1月航槽总淤积量为60313 m3，平均淤积强度为0.32 m/a，最大淤积强度1.30 m/a。

2.3 航槽回淤规律

南山港进港航道开挖后槽内流速减小，水流挟沙力下降，同时底沙在波流作用下输运入槽，导致航槽回淤。根据航道多年开挖水深和年淤积强度探寻航槽回淤规律。图4为年淤积强度与开挖水深的关系，P为开挖航道年淤积强度，m/a；Δh为航道开挖水深，m，P和Δh呈线性正相关，拟合公式为P=0.252Δh+0.253，相关系数R=0.703，呈现较强相关。因此南山港的开挖航道回淤特性与其他开挖航道回淤特性类似，航道开挖水深越大，航道年淤积强度越大，航槽回淤越严重。

图4 年淤积强度和航道开挖水深的关系Fig.4 Relationship between the annual siltation intensity and the cutting depth

3 航槽回淤机制分析

3.1 回淤泥沙级配特征

根据南山港进港航道周边床沙的实测数据，得到各时期床沙粒级含量见表1。由表1可知南山港进港航道回淤泥沙以砂和粉砂为主。砂和粉砂从2005—2020年比重逐渐增大，占比75.8%～86.8%；黏土占比10.2%～20.6%，比重逐渐减小；砾石占比0.4%～5.9%。

表1 各时期床沙粒级含量Table 1 Bed material size fractionation in each year

3.2 回淤强度计算

崖州湾南山港进港航道处于相对开敞的水域，既受风浪的直接作用，又受潮流的影响，航槽回淤既有悬沙回淤又有床沙输移入槽。根据2014年10月实测资料，常浪情况下崖州湾水体含沙量为0.001～0.080 kg/m3。根据刘家驹提出的悬沙回淤强度公式计算南山港进港航道的悬沙年回淤强度[3-4]，波浪作用下床沙年回淤强度根据《泥沙手册》中的公式计算[11]，具体公式如下：

式中：Ps为悬沙年回淤强度，m/a；ω为悬沙沉速，m/s，取0.0005 m/s；S1为平均悬沙浓度，kg/m3，常浪情况下取0.03 kg/m3；t为淤积历时，s，按照1年365 d计算；γ0为悬沙干容重，kg/m3，取700 kg/m3；k1为回淤系数，取0.45；h1、h2分别是水流通过时浅滩和航道的平均水深，m，3段时期浅滩平均水深分别为8.13 m、8.42 m、8.32 m，航道平均水深分别为9.32 m、10.19 m、9.78 m；θ为水流与航道中轴线交角，（°），按实际情况选取；Pb为床沙年回淤强度，m/a；C为波速，m/s，d为航道平均宽度，m，取162 m；H为波高，m，常浪情况下根据当地波浪玫瑰图取0.75 m；T为周期，s，取4.51 s；k2为波数，k2=4π2/gT2；M是与波长L和粒径D有关的函数，M=0.1（L/D）1/3，当L/D≥2×105时，M=5.85；ρs、ρ分别代表床沙和水的密度，kg/m3，分别取2650 kg/m3和1000 kg/m3；g为重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；D为床沙粒径，m，取0.0001 m；A为与泥沙形状有关的常数，取0.1875；ε为与泥沙颗粒间黏着力有关的常数，取0.96。

实际情况下大风天数根据台风经过海南省的具体时间确定，根据中央气象台台风网（http：//typhoon.nmc.cn/）资料显示，2013年台风“贝碧嘉”、“山竹”、“蝴蝶”、“海燕”、2018年“艾云尼”、“贝碧嘉”、“山神”和一次未命名热带低压、2019年“木恩”、“杨柳”、“剑鱼”途径海南省，影响研究区域。距南山突堤约52 km处的莺歌海海洋站（18°03′N，108°41′E）长时间序列（1976—2006年）测波年资料显示，观测期间年内最大波高为6.00 m，南山港进港航道周边大风天波高取4.84 m，周期为9.62 s。大风天水体含沙量根据刘家驹提出的水体含沙量公式计算[12]，具体公式如下：

式中：S1为大风天水体含沙量，kg/m3；γ、γs分别代表水和泥沙的容重，kg/m3，分别取1000 kg/m3和2650 kg/m3；V1为潮流和风吹流的平均合成流速，m/s，为0.896 m/s；V2为波浪水质点的平均水平流速，m/s，V2=0.2HC/h1。

淤积强度计算结果见表2。

表2 淤积强度计算结果Table 2 Calculation results of siltation intensity

由表2可知计算结果与实测数据相近，大风天泥沙年回淤强度占航槽回淤总强度的64.5%～72.1%，常浪泥沙年回淤强度占比为27.9%～35.5%，说明南山港进港航道航槽回淤主要集中在大风天。2018—2019年航道年回淤强度最大，这是由于2018年5月—2019年5月大风天出现天数最多，同时因为2018年航道开挖水深最大，根据航槽回淤规律，2018—2019年航道年回淤强度最大。

3.3 床沙输运趋势

粒度趋势分析法是通过粒度参数的空间分布反推沉积物净输运方向的方法，已应用于多种沉积环境，目前Gao-Collins粒径趋势分析法较适用于开阔海洋环境[13]。选取2005年4月底质取样点的泥沙粒度参数，运用Gao-Collins粒径趋势分析法分析崖州湾水域床沙输运趋势[14-15]。特征距离选为3 km，取样点间距大于特征距离认为取样点不相邻，否则认为相邻。根据沉积物3种粒度参数（平均粒径、分选系数和偏态系数），将任意取样点与其相邻点的泥沙输运矢量叠加，计算公式为：

平滑处理后得到床沙净输运矢量，绘制床沙输运趋势图，见图5。由图5可知，在崖州湾内，除宁远河口水域床沙呈现河口三角洲泥沙输运所具有的向海及沿岸输运趋势外，包括南山港进港航道区域的崖州湾水域床沙运移，总体呈现离岸—向岸输运趋势特征，与波浪方向相吻合，近似垂直于涨落潮流方向；同时在超过10 m水深区域，床沙输运趋势不明显。由此判断，波浪是崖州湾床沙输运的主要动力，控制航槽区域的床沙输运。因此对于南山港进港航道要特别注意大风天后的航槽回淤情况，以确保船舶安全进出。

图5 崖州湾床沙输运趋势Fig.5 Bed material transportation trend in Yazhou Bay

4 结语

1）崖州湾南山港进港航道年回淤强度0.24～0.59 m/a，航道年淤积强度和航道挖深呈线性正相关，航道开挖水深越大，航道年淤积强度越大，航槽回淤越严重。

2）南山港进港航道回淤泥沙以砂和粉砂为主，回淤强度计算显示，大风天是航槽回淤的主要时期，泥沙年回淤强度约占航槽回淤总强度的70.0%。

3）南山港进港航道周边床沙呈现离岸—向岸的输运趋势，与波浪方向相吻合，近似垂直于潮流方向，航槽区域床沙输运的控制动力为波浪。