乌坎沙坝泻湖潮汐汊道演变及航道尺度研究

乌坎沙坝泻湖潮汐汊道演变及航道尺度研究
尹常训;蒋昌波;陈杰
【摘要】基于水下地形资料,采用网格地形法,分析乌坎沙坝泻湖潮汐汊道的演变趋势.从航道保证率、航道通过能力以及航道挖方量3个方面,确定合理的航道尺度,保证乌坎西线航道的畅通.研究结果表明:从碣石湾湾顶到港口附近全部范围内,呈现明显的淤积态势,入海口门区和泻湖内弯道处尤为严重.建议加强对航道回淤特别是口门区和转弯段回淤的监测,推荐乌坎西线航道按照单线航道设计,其设计底标高为-3.27 m,通航保证率为90％,为乌坎西线航道的整治提供了依据.
【期刊名称】《交通科学与工程》
【年(卷),期】2016(032)003
【总页数】7页(P74-80)
【关键词】乌坎西线航道;沙坝泻湖型;潮汐汊道;航道演变;航道尺度
【作者】尹常训;蒋昌波;陈杰
【作者单位】长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙410114;长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙410114;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙410114
【正文语种】中文
【中图分类】U612
沙坝—泻湖—潮汐汊道海岸体系具有防洪、护岸、养殖以及建港基地等功能[1]，但由于其独特性和脆弱性，易受自然环境和人类活动的影响，变得极不稳定甚至毁灭，因此对这一体系的动态演变规律进行探讨具有重要意义，能够为类似工程的实施提供理论依据。

近年来，一些学者对该体系的发育演变及其驱动力开展了相关研究。

季荣誉[2-8]等人基于实测数据、水下地形图及沉积物取样资料，把航空、遥感技术及地理信息集成技术等应用于沙坝泻湖潮汐汊道体系的演变研究。

研究结果表明：沙坝泻湖潮汐汊道体系在天然条件下是一个相对稳定的系统，河流改道、网箱养殖和围垦、堤坝修筑及航道疏浚等人为工程是其失去稳定的直接原因，而潮汐动力的破坏是潮汐汊道失稳的根本原因，表现为潮流和风浪等动力因素或泥沙供给不足等造成的水流含沙量与挟沙能力不平衡，形成研究区域的泥沙冲淤演变。

但对沙坝泻湖潮汐汊道体系在港口航道等方面的相关研究少有涉及。

乌坎港开通潮汐通道和泻湖深槽作为进港航道，其冲淤演变规律在很大程度上决定了航道尺度，因此深入探讨乌坎沙坝泻湖潮汐汊道的演变特征及原因，开展航道的维护研究并确定航道尺度，不仅为今后乌坎西线航道的整治提供一定的借鉴意义，也将进一步丰富沙坝泻湖潮汐汊道体系的研究。

乌坎河自冲口河和溪碧河入注后，向西流入河面广阔港区，俗称乌坎港。

小支流玛珯坑水从左岸注入，上游修有剑坑水库。

北面米缸坑水汇入后，向西南流经先、后3次修建的乌坎水闸，经水闸与螺河东河汇合后，在上海村东面注入南海碣石湾(如图1所示)。

乌坎港位于碣石湾顶部，沿NE方向伸入陆地约12 km，距市中心城区东海镇仅9 km，建于泻湖内的港口，通过一条潮汐通道与外海相连，是一个中小规模、中等稳定性的沙坝泻湖型汊道。

口门外的拦门沙是大吨位船舶顺利通航的主要障碍，须加以疏浚和整治。

近100年来，口门在螺河出口与虎头山间4 km长海岸沙坝区
周期性移动。

乌坎西线航道的起点为遮浪角，终点为乌坎码头，航道里程34.8 km，航道水深3.5 m，现状通航船舶吨级500 t，规划船舶吨级1 000 t。

2011
年广东省航道局下达航道维护标准中，乌坎西线航道的现状维护标准为：航道起点为新开河口灯桩，终点为乌坎码头，航道里程2 km，航道水深3.5 m，航道宽度66 m，通航500 t级船舶。

2012年以来，受到极端气象条件的影响，特别是2012年在汕尾市登陆的超强台风“天兔”的影响，乌坎西线航道口门段(即新开河口灯桩以外)海床回淤较快，造成口门段航道淤积，形成长约500 m的浅滩，导致进(出)港船舶搁浅，严重影响船舶进(出)港，因此乌坎西线航道新开河口灯桩以外
约500 m航道需要开展维护工程。

2014年乌坎西线航道新开河口灯桩以外约
500 m浅滩实施航道疏浚工程，共完成疏浚工程量2.8×104 m3。

选取乌坎西线航道2008～2014年地形资料，通过网格地形法分析乌坎西线航道
最近相邻2年的冲淤特征，绘制的河床冲淤变化如图2所示。

从图2中可以看出，从碣石湾湾顶到港口附近全部范围内，呈现明显的淤积态势。

随着时间的推移，泻湖内淤积加重，泻湖面积减小，航道整体有从东岸向西岸摆动的趋势。

潮汐通道整体以淤积为主，且淤积带有向口门区移动的趋势。

2013～2014年间口门段出现大量泥沙淤积，口门缩小，形成碍航浅滩。

研究区域不同年份航道淤积量见表1。

乌坎沙坝泻湖潮汐汊道的不稳定发育和演变与乌坎的自然条件变化以及人类活动干扰息息相关。

20世纪80年代上游建闸和筑围导致纳潮面积以及径流潮汐比锐减，使得维持泻湖赖以生存的纳潮量减小，极大地改变了原有的潮汐水动力结构，迫使乌坎处于不稳定的发展之中，港口西岸崩塌，东边淤涨，口门西移。

乌坎泻湖的发育演变取决于螺河来沙、港口西岸上海仔弯段在波浪作用下的塌方以及潮汐挟沙等多重作用，泻湖淤积逐渐变成陆地，而且面积逐步缩小。

2010年乌坎水闸关闭是2010～2012年间航道淤积量骤增的主要原因，水闸不能合理调度而未能充分利用洪水冲刷，河流和海洋的来沙量大于输沙量，潮汐通道和泻湖淤积严重。

2013～
2014年间乌坎西线航道口门段出现大范围的淤积是2012年在汕尾市登陆的超强台风“天兔”作用的结果。

乌坎西线航道在自然条件下以15×104 m3/年左右的淤积速度增长，尤其在入海口门区、潮汐汊道及泻湖弯道处这几个区域更加明显。

随着时间的推移，泻湖逐渐萎缩，口门淤积且口门宽度越来越小，现有航道尺度标准将无法满足大吨位船舶的顺利通航。

为了解决这个问题，基于乌坎沙坝泻湖潮汐汊道演变规律的探讨，作者拟开展乌坎西线航道尺度标准研究。

航道尺度是衡量航道环境的参数，由航道水深和航道宽度2个部分组成。

需综合考虑河流的自然条件、货运量、船舶的航行方式及船舶船型等因素，以确定航道尺度。

乌坎港设计代表船型为 1 000 t 集装箱船，其船型尺度为49.98 m× 15.60 m ×2.82 m(总长×型宽×满载吃水)。

3.1 航道水深分析
近年来，乌坎西线航道入海口门区到港口附近范围内呈现明显的淤积态势，甚至有加剧的趋势，尤其是口门区和泻湖内弯道附近淤积比较严重，局部出现碍航浅滩。

因此，需要利用一定的高潮潮位增加航深，使船舶顺利通行。

乌坎港的潮汐属于不规则的半日潮，潮汐1 d 2涨2落。

为了满足经济发展和货运需求，在保证通航安全的情况下，根据船舶进(出)密度和航行要求，拟定4种方案，对累计频率为80%,85%,90%和95%的乘高潮进港水位进行分析比较，选出最佳方案。

方案见表2。

根据《海港水文规范》的要求，基于汕尾水文站的现场观测资料，在乌坎西线航道地区实测潮位的基础上，逐日点绘出潮位过程线，然后量取每次船舶进(出)港所要求的乘潮历时与每潮次船舶通过航道的持续时间相对应的水位。

由高至低逐级进行累计频率计算，绘制高潮累计频率曲线。

然后，在曲线上摘取高潮80%的潮位为0.60 m，高潮85%的潮位为0.56 m，高潮90%的潮位为 0.53 m，高潮95%的
潮位为0.50 m，如图3所示。

结合乌坎西线航道的自然条件和船舶条件，确定航道通航水深。

然后,由乘潮水位
与航道通航水深的差确定航道底标高。

根据《海港总平面设计规范》，航道通航水深中的计算公式为:
D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3。

式中：D0为航道通航水深，m；T为设计船型满载时的吃水，m；Z0为船舶航行时船体的下沉，m；Z1为航行时龙骨下的最小富裕深度，m；Z2为波浪富裕深度，m；Z3为船舶装载时的纵倾富裕深度(集装箱船可以不考虑此项)，m。

3.2 航道宽度分析
考虑乌坎西线航道的地形条件、货运量的要求及船舶尺度等因素，乌坎西线航道按照单向航道和双向航道2种方案进行分析比较，最终确定航道线数和航道宽度。

采用《海港总平面设计规范》推荐公式，乌坎西线航道若按照单线航道考虑，航道宽度为49 m；若按照双线航道考虑，航道宽度则为98 m。

单向航道： W=A+2c。

双向航道：A=n(Lsin γ+B)。

式中：W为航道有效宽度，m；A为船迹带宽度，m；n为船舶漂移倍数；γ为风流压偏角，(°)；B为船舶间富裕宽度，m；c为船舶与航道底边间的富裕宽度，m。

3.3 航道尺度方案的选取
航道尺度与船舶航行安全、方便、建设及运行经济等密切相关，是航道建设的主要标准[9]。

考虑水域条件、货运量、船舶操纵性能及工程投资等因素，从通航保证率、通航效率、航道通过能力及航道疏浚工程等方面对航道水深和航道宽度进行了论证和比选。

此外，乌坎沙坝泻湖潮汐汊道的演变规律在一定程度上决定了航道尺度，尤其是船舶极易搁浅的入海口门区、码头前沿以及作为进港航道的潮汐通道。

在分析比较不同方案的优劣性时，应重点考虑通航保证率、通航效率、通过能力及
航道挖方量。

1) 通航保证率和通航效率。

综合分析乌坎西线航道代表船型的吃水深度和乘潮水
位累计频率等条件，可看出方案C和D一年中能够保证船舶顺利通航的天数占全
年通航天数的百分比均高于方案A和B的。

若仅考虑通航保证率进行比选，方案
C 和D均优于方案A和B。

考虑到双线航道能够疏导船舶交通流，减缓航道拥挤，降低船舶在港外等待的风险，减小船舶等待中的经济损失，避免船舶不断交会和避免进行航向、航速不断变化而促使船舶稳定前行，提高航道中船舶的通过率，对比分析不同方案的通航效率发现，双线航道优于单线航道。

2) 通过能力。

考虑到乌坎港属于海港，代表船型为集装箱船，采用“利用率
法”[10]，分别按单向航道和双向航道设计，计算乌坎西线航道的通过能力。

其计算结果：乌坎西线航道按单线航道设计，通航期间方案A,B,C和D通过船舶数量
的实际值分别为2 329,3 881,5 433和6 986艘次/a；乌坎西线航道按双线航道
设计，通航期间方案A,B,C和D通过船舶数量的实际值分别为4 877, 8 128, 11 379和14 630艘次/a。

单向航道：M1=(24V-nLCH)ρTv/D。

双向航道：M2=2×24VρTv/D。

式中：M1为单向航道的年通过能力；n为每天平均安排船队进、出港次数的总和；V为船舶在航道中航行的平均速度；LCH为船舶在航道中航行的平均里程；Tv为
航道的年工作天数；ρ为航道利用率(也称为饱和度)；D为平均每艘船舶航行中占用航道的长度；M2为双向航道的年通过能力。

根据乌坎港口腹地国民经济和社会发展规划，在时间序列法、因果分析法、弹性系数法、三次指数平滑法及灰色预测法5种数学模型计算的基础上，考虑产业布局
和集疏运通道建设等多种因素对港口吞吐量发展水平的影响，综合分析各种预测方法，分析乌坎港吞吐量年均增长率的变化趋势。

综合分析最终取值，确定2020年、
2025年和2035年乌坎港吞吐量分别为18.019×104,24.163×104和
41.704×104 t。

乌坎港吞吐量和乌坎西线航道通过能力的比较分析表明：乌坎西线航道按单线航道或双线航道设计，A,B,C和D 4种方案虽然均可满足乌坎港2020年、2025年以及2035年规划货运量的要求，但是方案C和D的年通过能力均高于方案A和B 的。

在考虑航道线数的情况下，A,B,C和D4种方案双线航道的通过能力明显要大于单线航道的。

3) 航道挖方量。

根据乌坎西线航道演变分析结果，2010～2014年间入海口门区到港口附近范围内淤积了大量泥沙，合计高达约5×105 m3。

可见，乌坎处于不稳定的发展之中，呈现明显的淤积趋势。

考虑到船舶航行的可行性和安全性，采用疏浚工程对乌坎西线航道进行整治。

由于挖方量直接关系到工程造价，为选择更经济合理的方案，基于2014年的地形资料，考虑单、双线航道2种不同情况，分别对4种方案的工程挖方量进行比较分析，以确定最优化方案。

当航道挖深至底标高为-3.20,-3.24,-3.27和-3.30 m时，乌坎西线航道(即口门灯桩外出浅滩段至乌坎港码头前沿)底高程与2014年地形的差值如图4所示。

图4中负值处表示需要开挖的地方。

分析结果表明：航道挖方量随着航道底标高的增加而增加，口门区尤为明显；在航深相同的情况下，双线航道的开挖量要明显大于单线航道的开挖量。

作为典型的沙坝泻湖潮汐汊道型港口、入海口门区以及作为进港航道的潮汐通道易形成碍航浅滩，且该体系的脆弱性和不稳定性限制了人类活动的幅度。

此外，考虑到《海港总平面设计规范》推荐港口乘潮水位选在乘潮累计频率90%～95%的水位，乌坎西线现有航道尺度为航宽66 m，因此推荐乌坎全线按底标高-3.27 m以及单线航道疏浚。

该方案在现有航道的基础上工程量较小，不仅相对经济、安全、合理，同时能够最低限度地影响沙坝泻湖潮汐通道自身的稳定性。

乌坎西线航道尺度方案比选结果见表4。

近年来，乌坎沙坝泻湖潮汐汊道淤积严重造成航道多处出现碍航浅滩。

为了确定经济安全的航道尺度，基于研究区域水下地形资料，采用网格地形法，探讨乌坎西线航道演变规律，拟定4种航道尺度方案，从航道保证率、航道通过能力以及航道挖方量3个方面开展研究。

研究结果表明：随着时间的推移，泻湖面积减小，航道整体有从东岸向西岸摆动的趋势；潮汐通道整体以淤积为主，且淤积带有向口门区移动的趋势；2013～2014年间口门段出现大量泥沙淤积，口门缩小，形成碍航浅滩。

因此，建议加强对航道回淤特别是口门区和转弯段回淤的监测，推荐乌坎西线航道按照单线航道设计，设计底标高为-3.27 m，全年保证率为90%，以保证通航水深满足通航要求，为进一步的研究提供参考。

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