黃惠明，王義剛，孟 超

（河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，南京 210098）

曹妃甸地處唐山南部的渤海灣西岸，位于天津港和京唐港之間。曹妃甸具有優(yōu)良的建港條件和廣闊的灘涂，已成為渤海灣大型深水港口和鄰港工業(yè)開發(fā)區(qū)開發(fā)建設(shè)的黃金海岸［1］。根據(jù)曹妃甸工業(yè)區(qū)2004～2020年規(guī)劃的要求，曹妃甸淺灘將填海造陸310 km2，同時還將利用曹妃甸天然港址的優(yōu)勢，建設(shè)數(shù)個10萬t級以上碼頭［2-3］。如此大規(guī)模的海域開發(fā)利用，使曹妃甸周邊海域的水沙環(huán)境變遷、海床岸線演變等研究顯得尤為重要。為深入研究曹妃甸工程實施后周邊海域的水沙環(huán)境及海床等的演變情況，掌握該海域水流的挾沙能力也顯得至關(guān)重要。

水流挾沙能力通常是指在一定的水流泥沙及邊界條件下，單位水體能夠挾帶和輸送的泥沙數(shù)量，包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)在內(nèi)的全部數(shù)量，但習(xí)慣上稱為水流挾帶懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的能力［4］。目前，關(guān)于河口海岸區(qū)域的水流挾沙能力的主要研究成果還是基于恒定流理論得到的，雖然劉家駒、竇國仁等就波浪及潮流共同作用下的水流挾沙能力進行了卓有成效的研究，但由于河口海岸區(qū)域水流挾沙、輸沙的復(fù)雜性，現(xiàn)階段關(guān)于河口海岸水域的水流挾沙力的研究仍相對薄弱，因此工程中通常利用水域?qū)崪y資料，結(jié)合常用水流挾沙力公式進行擬合，以掌握當(dāng)?shù)睾Ｓ蛩鲯渡衬芰﹄S水流等要素變化的特征。

為了準(zhǔn)確地把握曹妃甸附近海域水流挾沙力隨水動力條件變化的情況，根據(jù)曹妃甸水域的實測水文泥沙資料，選取國內(nèi)典型和常見的挾沙力計算公式進行擬合計算，通過比較分析，選取能較為準(zhǔn)確地反映曹妃甸水域挾沙能力的計算方法。

1 常用挾沙力公式

河口海岸區(qū)域水流挾沙能力的研究成果眾多，實際工程中，應(yīng)用較為廣泛的主要包含2大類：基于潮流作用下的挾沙能力以及明渠水流挾沙能力公式的移植［4］。通過分析各個具代表性的挾沙力公式的結(jié)構(gòu)可知，眾多公式包含了反映水流動力紊動強度的弗勞德數(shù)項U2/gh或反映紊動作用與重力作用相互對比關(guān)系的相對重力作用項ω/U。這類公式通常是基于半經(jīng)驗半理論得到的，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便的特點，且具有有限個數(shù)的未知參量，可通過實測資料進行擬合分析，因此在實際工程中應(yīng)用非常廣泛。這類型的常用公式如下。

劉家駒［5］通過分析認(rèn)為近岸海區(qū)淺水體含沙量與風(fēng)吹流、波浪和潮流等密切相關(guān)，同時也與泥沙沉速和水深等因素有關(guān)，最后經(jīng)過因次分析，得到了以弗勞德數(shù)為主體的挾沙力公式，具體形式為

式中：U為流速，可化為潮流與波浪的分流速、風(fēng)吹流流速等；k，m為待定系數(shù)和指數(shù)；h為水深；g為重力加速度。

武漢水利水電學(xué)院在收集大量實測資料進行整理后，基于懸移質(zhì)具有制紊作用的觀點，得到懸移質(zhì)中屬于床沙質(zhì)部分的臨界含沙量和代表水流條件與床面組成條件綜合因子U3/ghω之間關(guān)系的水流挾沙能力公式［6］，具體形式為

式中：ω為泥沙沉速，其余各變量同式（1）。

浙江水利科學(xué)研究所［7］基于錢塘江河口的實測資料，按照半潮平均分析得到半潮含沙量關(guān)系式，具體形式為

式中：S為含沙量，其余各變量同式（1）。

我國《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）推薦使用劉家駒以天津港和連云港海區(qū)的實測資料為依據(jù)而建立的半經(jīng)驗半理論水流挾沙力計算公式，當(dāng)僅考慮潮流作用時，具體形式為

式中：γs為泥沙顆粒容重，其余各變量同式（1）。

竇國仁［8］依據(jù)能量迭加原理所得到的潮流波浪作用下的挾沙力公式，當(dāng)僅考慮潮流作用時，具體形式為

式中：n為底床糙率，其余各變量同式（1）。

張燕菁［9］認(rèn)為影響輸沙能力的主要因素為水流動力及絮凝作用，并通過量綱分析的方法得到的黃河口水流挾沙能力公式的形式之一為

式中：各變量同式（1）。

2 不同挾沙力計算方法比較

上述各個類型的水流挾沙力公式雖然均在實際應(yīng)用中取得了一定的成功，但在曹妃甸區(qū)域的應(yīng)用還需要進一步的檢驗。為此，利用2006年夏季曹妃甸附近水域2個潮周期范圍內(nèi)的實測水文泥沙資料就上述各個公式在該區(qū)域應(yīng)用的效果進行比較和分析。

表1給出了上述相關(guān)公式利用半潮平均水文泥沙資料進行擬合之后所得到的相應(yīng)公式。

為進一步比較分析各個計算公式在曹妃甸海域的適用性和精度，將上述公式擬合結(jié)果以及劉家駒和竇國仁公式計算結(jié)果與實測資料進行了比較（圖1～圖6）。

集中系數(shù)表征了2個變量之間的算術(shù)平均值，可以用來衡量2個變量總體趨于45°線的程度，當(dāng)集中系數(shù)越接近1時，說明二者比值趨于1:1，而偏離系數(shù)則表征了2個變量之間的平均偏離值，可以用來衡量2個變量總體偏離45°線的程度，當(dāng)偏離系數(shù)越小，則表明二者偏差越小。因此利用集中系數(shù)和偏離系數(shù)對不同公式的計算結(jié)果進行比較和分析。集中系數(shù)及偏離系數(shù)分別定義為［9］

表1 不同挾沙力公式擬合結(jié)果Tab.1 Curve fitting results of different equations for sediment carrying capacity

式中：xi，yi分別為實測含沙量的值和利用各個公式計算所得到的挾沙力的值；n為實測資料的個數(shù)。

由圖1～圖6可知，式（1）～式（3）以及式（6）的計算結(jié)果與實測值相對較為接近，計算點基本分布在45°線的兩側(cè)，未出現(xiàn)較大偏離，總體而言，這4個公式能夠用來擬合曹妃甸海域的挾沙力。但必須指出，式（4）和式（5）的計算結(jié)果與其余公式相比存在較大偏差，由于這2個公式是通過水文資料直接推算的方式來推求曹妃甸水域的挾沙力分布，沒有利用當(dāng)?shù)氐膶崪y資料進行擬合計算，因此對準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)厮骱洼斏持g的關(guān)系提出了更高的要求，雖然這2個公式曾應(yīng)用大量資料進行驗證，但資料范圍有限，且由于水流輸沙問題的復(fù)雜性，不僅存在區(qū)域性、季節(jié)性的變化，也存在年際等之間的差異，此外由于曹妃甸海域泥沙來源較少，水體處于非飽和挾沙狀態(tài)，而式（4）和式（5）則主要反映水體的飽和挾沙能力，因此直接利用這2個公式推求某一時段某一區(qū)域的水流挾沙能力必然會帶來較大的誤差。由圖4和圖5可以看出，雖然式（4）和式（5）計算值與實測值存在一定的偏差，但總體而言，計算值和實測值基本還是分布于45°線附近，這一定程度上表明，當(dāng)缺少實測資料的時候，利用這2個公式推求曹妃甸海域的挾沙能力還是可行的，推求得到的水體挾沙能力也具有一定精度。

表2 統(tǒng)計所得對應(yīng)各個公式計算結(jié)果與實測資料的集中系數(shù)和偏離系數(shù)的值Tab.2 Statistical corresponding results of each formula with concentration factor and deviation from the value of coefficient of the measured data

結(jié)合圖表進一步比較式（1）～式（3）和式（6）之間的差異可知，集中系數(shù)較接近1的主要有式（1）、式（2）和式（6），而偏離系數(shù)較接近 0的同樣為式（1）、式（2）和式（6），說明利用這3個公式計算得到的結(jié)果與實測值較為接近，精度相對較高。這也在一定程度上說明，曹妃甸水域的水流挾沙能力與表征水流強度的弗勞德數(shù)相關(guān)程度較高，但并不是線性相關(guān)，而是存在一定程度的非線性關(guān)系。

另外，比較式（1）、式（2）和式（6）的計算結(jié)果可進一步知道，利用式（6）計算所得到的結(jié)果與實測值最為接近，其集中系數(shù)和偏離系數(shù)的綜合反映亦表明了這一點。但是需要指出的是，式（6）所反映出來的泥沙沉速越大挾沙力越大的特性與常規(guī)的認(rèn)識相反，分析原因，可能受2個方面的影響：一方面是由于曹妃甸水域的泥沙顆粒相對較細(xì)（2006年夏季的懸沙現(xiàn)場采樣顆分結(jié)果表明，曹妃甸海域大潮和小潮期間，懸沙中值粒徑的平均值均在0.007 mm左右），主要屬于粘性細(xì)顆粒泥沙范疇，此時泥沙在海水中主要以絮凝的形式沉降，沉速的變化幅度并不大，因此相對重力作用項ω/u并未能真實的反映一個潮周期內(nèi)紊動作用與重力作用的相互對比關(guān)系；另一方面，由于本文采用的主要是夏季一次大潮和小潮測驗期間的資料，數(shù)據(jù)樣本的個數(shù)有限，同時由于泥沙的絮凝沉速遠小于潮流速，由此導(dǎo)致相對重力作用項ω/u的值在一個潮周期內(nèi)的變化幅度也遠小于弗勞德數(shù)項u2/gh的值，因此當(dāng)利用式（6）進行擬合時，由于樣本個數(shù)的限制，所反映出來的弗勞德數(shù)項占的比重也遠大于相對重力作用項，使得式（6）中的相對重力作用項無法真實的反映其對水流挾沙能力變遷的貢獻。基于上述原因，利用式（6）推求曹妃甸水域水體挾沙力的適宜性還有待于進一步驗證。

3 結(jié)語

通過利用曹妃甸的實測水文泥沙資料，就不同挾沙力計算公式在曹妃甸區(qū)域的適用性和精度進行了比較，得到如下結(jié)論：（1）利用實測資料擬合得到的挾沙力公式的計算結(jié)果普遍優(yōu)于直接利用水文資料推算水流挾沙能力的計算公式得到的結(jié)果；（2）水流挾沙能力與表征水流強度的弗勞德數(shù)具有較高的相關(guān)性，但直接線性相關(guān)的程度不高，主要呈現(xiàn)一定程度的非線性相關(guān)，同時式（4）和式（5）的計算結(jié)果雖然與實測值相比偏差較大，但總體而言能反映曹妃甸海域的實際水流挾沙能力隨水流的變化情況；（3）包含弗勞德數(shù)的挾沙力計算公式擬合實測含沙量的效果相對較好，其中式（1）、（2）、（6）的精度相對較高，雖然式（6）的精度相對最高，但由于其反映出來的沉速越大挾沙力越大的特性與常規(guī)認(rèn)識存在偏差，因此還需要收集更多的資料對其適用性進行探討。

［1］曹妃甸工業(yè)區(qū)管理委員會.加快曹妃甸開發(fā)建設(shè)努力成為拉動環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展新引擎［J］.港口經(jīng)濟，2008（3）：42-44.

［2］尹延鴻.對河北唐山曹妃甸淺灘大面積填海的思考［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2007，23（3）:1-10.

［3］尹延鴻.曹妃甸淺灘潮道保護意義及曹妃甸新老填海規(guī)劃對比分析［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23（2）：200-209.

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［4］侯志軍，楊曉陽，李巖.黃河口水流挾沙力計算方法研究［J］.人民黃河，2008，30（11）：49-51.

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［7］浙江水利科學(xué)研究所.錢塘江河口潮流輸沙經(jīng)驗公式的探討［R］.杭州：浙江水利科學(xué)研究所，1963.

［8］竇國仁，董風(fēng)舞，Xibing Dou.潮流和波浪的挾沙能力［J］.科學(xué)通報，1995，40（5）：443-446.

［9］張燕菁，胡春宏.黃河口輸沙能力關(guān)系的探討［J］.泥沙研究，1997（2）：46-50.

［10］黃仁勇，韋直林，趙連軍，等.河床沖淤幅度判別指標(biāo)和水流挾沙力公式驗證［J］.人民黃河，2004，26（5）：22-24.