申其國(guó),謝凌峰,解鳴曉,王亞妮
(1. 廣東省交通運(yùn)輸規(guī)劃研究中心,廣州 510101;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑 技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;3.肇慶鼎湖中學(xué),肇慶 526070)
近年來(lái)珠江三角洲航道建設(shè)較快,目前已基本形成“三縱三橫三線”的高等級(jí)航道網(wǎng)[1-2]。航道整治既受河道水沙特性的影響、限制,同時(shí)也對(duì)水沙特性產(chǎn)生一定的影響。羅敬思等[3]對(duì)珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)航道整治的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,認(rèn)為網(wǎng)河區(qū)整治應(yīng)以疏浚為主;莫思平等[4]研究了磨刀門(mén)出海航道的整治問(wèn)題,提出了其航道選線及治理原則;敖大光等[5]對(duì)東平水道航道整治進(jìn)行了試驗(yàn)研究,認(rèn)為新建丁壩與鎖壩能使東平水道水深增至2.5 m以上、通航1 000 t級(jí)船隊(duì);黃鎮(zhèn)國(guó)等[6]分析了珠江三角洲口門(mén)近期淤積及其對(duì)港口航道的影響,認(rèn)為伶仃洋西岸的中山港、九洲港回淤較大,航道疏浚后半年或一年半時(shí)間即可淤滿(mǎn);羅肇森等[7]分析了臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口航道的影響,認(rèn)為珠江口南北向航道受臺(tái)風(fēng)影響少于東南向航道;胡煌昊等[8]分析了珠江河口水下三角洲沖淤演變,認(rèn)為圍墾、航道整治等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河口區(qū)水下地形的變化具有十分重要的影響;張蔚等[9]研究了人工采沙及航道整治對(duì)珠三角水流動(dòng)力條件的影響,認(rèn)為河道采沙增加了納潮容積、潮汐動(dòng)力增強(qiáng);齊慶輝等[10]研究了珠江河口航道整治工程對(duì)咸潮上溯的影響,認(rèn)為航道整治工程使近海地區(qū)鹽度值有所增大、咸潮上溯距離有所增加,但其影響不是珠江三角洲咸潮上溯的主要原因;俞豐華等[11]分析了珠江河口近30 a的演變趨勢(shì),認(rèn)為近岸淺灘圍墾、深水航道疏浚、徑潮流作用對(duì)攔門(mén)沙前緣及其主槽的淤積有控制作用,有利于維持伶仃洋、黃茅海灘槽穩(wěn)定;吳堯等[12]基于西江高要站、北江石角站、東江博羅站的水沙數(shù)據(jù),分析了近50 a來(lái)珠江三大支流的水沙關(guān)系變化,對(duì)航道整治有一定的參考意義。
以上航道整治的相關(guān)研究,基本針對(duì)珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)航道或磨刀門(mén)出海航道,對(duì)河口灣航道涉及較少。珠江三角洲有兩大河口灣,分別為伶仃洋與黃茅海,珠江口八大入??陂T(mén)中有六口門(mén)匯入河口灣,其中虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝、橫門(mén)四口門(mén)均匯入伶仃洋,虎跳門(mén)、崖門(mén)兩口門(mén)則匯入黃茅海。另外,珠三角河口灣內(nèi)港口較多,深圳港、東莞港、廣州港、中山港、珠海港環(huán)繞伶仃洋,黃茅海內(nèi)有珠海港與江門(mén)港,其中廣州港、深圳港、珠海港為國(guó)家主要港口[13];廣州港、深圳港、珠海港、東莞港為億噸大港,其2016年的港口吞吐量均在億噸以上。因此,珠三角河口灣航道整治研究對(duì)河口灣的航道開(kāi)發(fā)與港口建設(shè)具有重要意義。
注:表中維護(hù)水深的基面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗?/p>
伶仃洋灣內(nèi)航道較多,主要有廣州港出海航道、深圳港的銅鼓航道、中山港的橫門(mén)出海航道、珠海港的九洲港進(jìn)港航道等,黃茅海灣內(nèi)航道主要為崖門(mén)出海航道,分為東、西兩條航道。以上航道位置示意見(jiàn)圖1、圖2,航道現(xiàn)狀情況見(jiàn)表1。
圖1 伶仃洋主要航道示意圖Fig.1 Diagram of the main channel in Lingdingyang-estuary圖2 黃茅海主要航道示意圖Fig.2 Diagram of the main channel in Huangmaohai-estuary
(1)廣州港出海航道。
在20世紀(jì)50年代以前,廣州港出海航道為自然狀態(tài)下形成的深槽,后經(jīng)幾次疏浚開(kāi)挖,到1959年航道已達(dá)6.9 m水深。70年代中后期,虎門(mén)上游航道水深加至9.0 m、下游航道水深加至8.6 m,2萬(wàn)t級(jí)船舶可以乘潮進(jìn)港。廣州港出海航道一期工程(1996~2000年)通過(guò)基建疏浚使航道水深增加至11.5 m,二期工程(2004~2006年)通過(guò)疏浚使航道水深增加至13.0 m,三期工程分別于2006~2007年使航道浚深至15.5 m、2009~2012年使航道浚深至17 m。在出海航道不斷拓寬浚深的過(guò)程中,航槽的泥沙回淤并沒(méi)有成比例增大。據(jù)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)80~90年代,出海航道全段每年維護(hù)9.0 m水深的疏浚量大約在260萬(wàn)m3左右;一期工程實(shí)施后,虎門(mén)下游航道年平均淤?gòu)?qiáng)為0.38 m/a、回淤量約為240萬(wàn)m3,虎門(mén)上游航道年平均淤?gòu)?qiáng)為0.18 m/a、回淤量約為60萬(wàn)m3,航道全段年回淤量在300萬(wàn)m3左右,航道增深了2.5 m,回淤量?jī)H增加了約40萬(wàn)m3;三期工程航道浚深至15.5 m后,航槽平均年淤?gòu)?qiáng)約為0.67 m/a、年回淤量約為652.3萬(wàn)m3;航道浚深至17 m后,航槽平均年淤?gòu)?qiáng)約為0.70 m/a、年回淤量約為712.5萬(wàn)m3,分別增加了約0.03 m/a、60萬(wàn)m3。因此,廣州港出海航道的航槽回淤對(duì)水深變化并不十分敏感。
(2)銅鼓航道。
銅鼓航道工程于2004年12月開(kāi)工建設(shè),2007年12月投入試運(yùn)行,基建疏浚量約3 282萬(wàn)m3。至2009年6月,銅鼓航道主槽累積淤積646萬(wàn)m3、約為基建量的20%,平均年淤?gòu)?qiáng)為0.93 m,其中航道中段平均年淤?gòu)?qiáng)為0.53 m,航道北段平均年淤?gòu)?qiáng)為1.5 m。
(3)橫門(mén)出海航道。
橫門(mén)出海航道整治工程于2000年動(dòng)工,2002年6月交工驗(yàn)收,基建疏浚量為747萬(wàn)m3。至2003年11月,航道回淤234萬(wàn)m3,約為基建量的1/3,平均年淤?gòu)?qiáng)為0.54 m;2010年航道的維護(hù)疏浚量為362.7萬(wàn)m3;2012年維護(hù)疏浚量為100.4萬(wàn)m3。
(4)九洲港進(jìn)港航道。
九洲港進(jìn)港航道為九洲港貨運(yùn)碼頭的配套航道,于20世紀(jì)90年代建成,現(xiàn)狀通航3 000 t級(jí)船舶,航道年回淤量約為62.4萬(wàn)m3,平均年淤?gòu)?qiáng)為0.6 m。
(5)崖門(mén)出海東航道。
1995年7月崖門(mén)3 000 t級(jí)出海航道疏浚工程完成,航道水深6.0 m。完工后1 a的回淤量約136萬(wàn)m3;根據(jù)1996~1999年間資料,3 000 t級(jí)出海航道的年回淤量為89 萬(wàn)m3;2004~2005年航道年回淤量約為107萬(wàn)m3。攔門(mén)沙河段是主要淤積區(qū),平均淤?gòu)?qiáng)超過(guò)0.70 m/a,最大淤?gòu)?qiáng)在1.6~1.7 m/a,且回淤主要集中在洪季。
2006年11月崖門(mén)5 000 t級(jí)出海航道疏浚工程完成,航道水深7.7 m,5 000 t級(jí)航道竣工后1 a (2006年11月~2007年10月期間)回淤量相對(duì)較小, 2008年、2009年航道回淤較大,主要原因是期間熱帶氣旋、臺(tái)風(fēng)次數(shù)較多、但無(wú)明顯的臺(tái)風(fēng)驟淤情況。
近20多年來(lái),由于珠江中上游水電樞紐的建設(shè)和中下游河道大量取沙,上游來(lái)沙總量明顯減少,并呈逐年減少的趨勢(shì),河口區(qū)基本沒(méi)有出現(xiàn)推移質(zhì)輸沙現(xiàn)象,三角洲網(wǎng)河區(qū)出現(xiàn)海相淤積的現(xiàn)象;枯季納潮量明顯增大[14],海相輸沙增加,這種變化對(duì)河口區(qū)的航道回淤規(guī)律產(chǎn)生重大影響。如廣州出海航道,20世紀(jì)90年代以前,航槽回淤時(shí)空分布的一般特點(diǎn)是“洪淤枯沖(洪季多淤、枯季少淤)、上沖下淤(上游少淤、下游多淤)”,近年來(lái),由于洪季含沙量減少,水流動(dòng)力增強(qiáng),水流處于不飽和夾沙狀態(tài),因此,海灣上段出現(xiàn)沖刷或少淤的現(xiàn)象;枯季潮汐及波浪影響加大,海相輸沙增加,泥沙向上游輸送并出現(xiàn)淤積,出現(xiàn)上游淤積增加、下游淤積減少的現(xiàn)象;與20世紀(jì)90年代以前相比,目前廣州港出海航道總體上回淤量較少,其中洪季回淤減少、枯季回淤增強(qiáng),呈現(xiàn)“洪季上沖下淤、枯季上淤下沖”的特點(diǎn)。崖門(mén)出海航道總體上來(lái)沙量較少,近幾年來(lái)汛期的來(lái)沙量更少,航道回淤主體是波浪掀沙產(chǎn)生的回淤,回淤部位集中在出海段的中下部。
從近年上游來(lái)沙分布分析,西江、北江和東江的來(lái)沙高峰均集中于6月份,流量的高峰也集中在6月份,水流的含沙量相對(duì)較高,同時(shí)水流流量大、沖刷能力強(qiáng),容易將部分枯季向上游輸送的泥沙帶往河口區(qū)。因此,6月份洪水過(guò)程的航槽回淤較大,且下游回淤?gòu)?qiáng)度大于上游的回淤。
從潮流動(dòng)力和波浪傳播特點(diǎn)分析,航道越順直越有利于水流挾沙能力沿程均衡和潮波的傳播,有利于減少航道的回淤和浮泥的存在。
根據(jù)珠江口水動(dòng)力變化分析,洪水期海灣內(nèi)海相泥沙來(lái)量較少,主要懸移質(zhì)或沖泄質(zhì)可輸移至口外??菟诔毕珓?dòng)力增強(qiáng),海相泥沙滯留點(diǎn)上移,根據(jù)廣州出海航道和崖門(mén)出海航道疏浚后的跟蹤調(diào)查,在海灣內(nèi)的航道中基本沒(méi)有浮泥存在,主要原因是枯水期航道水動(dòng)力增強(qiáng);其次,航道浚深后,灘槽之間的高差增大,航道內(nèi)深潭與淺段的高差則減少、航道沿程河床更趨于平整,使得潮流在海灣傳遞的分布產(chǎn)生變化、沿深槽的動(dòng)力進(jìn)一步增強(qiáng),波浪傳遞暢順、傳遞速度增大,均有利于減少航道的回淤及浮泥停滯的空間。
珠江口區(qū)域受熱帶風(fēng)暴或臺(tái)風(fēng)影響較大,伶仃洋和黃茅海受口門(mén)島嶼掩護(hù)和海床底質(zhì)組成影響,開(kāi)挖航槽的驟淤影響較小,且與波浪夾角越小,驟淤影響越小。根據(jù)近年廣州港出海航道、崖門(mén)出海航道和深圳銅鼓航道的觀測(cè),臺(tái)風(fēng)期的回淤略大些,但沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重回淤并影響通航的情況,且航道中回淤的范圍較廣,沿程分布相對(duì)較均勻。從各航道驟淤的強(qiáng)度比較,廣州出海航道影響最小,崖門(mén)出海航道較大,銅鼓航道和橫門(mén)出海航道最大。從各航道不同開(kāi)挖深度的回淤分析,與潮流動(dòng)力及波浪傳播方向的夾角越小時(shí),航道驟淤影響越小,淤積分布范圍越分散;而與潮流動(dòng)力及波浪傳播方向夾角過(guò)大時(shí),則回淤越大、淤積越集中。
隨著近20多年來(lái)珠江三角洲河道的大量取沙,河床大幅下切,珠江三角洲網(wǎng)河的納潮能力大幅提升。納潮量的增加使得與潮汐動(dòng)力相一致的海灣型河口航槽的潮流動(dòng)力大幅增加[15],航槽潮流動(dòng)力增強(qiáng)提高了航槽水流的挾沙能力,可以減少航槽回淤。
另外,近年來(lái)珠江口海床取沙加劇,其對(duì)伶仃洋和黃茅海的海床形態(tài)變化產(chǎn)生重大影響。海床取沙集中在海灣的中上部“三灘二槽”分界點(diǎn)附近,局部大量取沙形成幾公里長(zhǎng)寬甚至長(zhǎng)達(dá)十幾公里、水深達(dá)20 m左右的深潭,局部大型深潭的出現(xiàn)改變局部水流流態(tài),對(duì)航道的穩(wěn)定和局部淤積有一定的不利影響。
航道選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多,其中航道可挖性和穩(wěn)定性與航道開(kāi)挖量和回淤量通常是判斷航道選線合理的關(guān)鍵因素。
根據(jù)伶仃洋和黃茅海的海床地質(zhì)分析,海灣型河口區(qū)的海床的可塑性較強(qiáng),海床呈U型或W型分布,深槽的可挖性較好,開(kāi)挖后的挖槽能成槽,挖槽的穩(wěn)定性較好,因此,從減少開(kāi)挖量考慮,航槽選線應(yīng)盡可能利用天然深槽,航線盡可能順直減少轉(zhuǎn)折點(diǎn),這樣既節(jié)省開(kāi)挖量,也有利于航行安全和維護(hù)管理。另外,天然深槽位置一般也是動(dòng)力綜合作用的反映,是動(dòng)力相對(duì)較優(yōu)的位置,有利于開(kāi)挖后的航道穩(wěn)定。如廣州港出海航道選擇天然西槽作為出海主航道進(jìn)行開(kāi)發(fā);崖門(mén)出海航道攔門(mén)沙航段也是選擇天然深槽作為主航線。
伶仃洋與黃茅海海面較為寬闊,當(dāng)航道軸線與潮流主流向趨于一致時(shí),隨著航槽被挖深,水流動(dòng)力相應(yīng)增強(qiáng),有利于維護(hù)槽內(nèi)水深和槽型穩(wěn)定;當(dāng)航道軸線與潮流夾角較大,尤其是切灘航槽,挖槽后潮流動(dòng)能會(huì)損耗,且挖槽越深其動(dòng)能損耗越大,導(dǎo)致水流挾沙力降低,航槽回淤加大,不利于深水航道開(kāi)發(fā)和維護(hù),且兩軸線交角越大、航槽回淤越大,交角過(guò)大將造成嚴(yán)重回淤。如深圳西部港區(qū)的出海航道——銅鼓航道,其軸線與伶仃洋的漲、落潮主流就交角過(guò)大,其相對(duì)開(kāi)挖深度雖然沒(méi)有廣州港出海航道大,但其回淤?gòu)?qiáng)度明顯大于后者。又如中山港橫門(mén)出海航道外段,與潮流主動(dòng)力線交角相當(dāng)大,且橫穿伶仃洋西灘,故其回淤也很大。
另外,伶仃洋與黃茅海落潮流對(duì)海床塑造的作用大于漲潮流,故航槽軸線選擇盡量以落潮流流向?yàn)橹鳎瑫r(shí)兼顧漲潮流流向。如崖門(mén)出海航道東航道和西航道的天然深槽及可挖性相差不大,東航道與漲潮動(dòng)力符合性較好、西航道與落潮流動(dòng)力的交角較小,西航道的落潮流條件略?xún)?yōu)于東航道。因此,從漲、落潮動(dòng)力條件的分析,黃茅海西航道略?xún)?yōu)于東航道,伶仃洋亦是與落潮動(dòng)力符合性較好的西槽航道優(yōu)于與漲潮動(dòng)力符合性較好的東槽航道。
波浪的強(qiáng)度和破碎帶的位置對(duì)航槽回淤影響較大,波浪大且天然水深較淺的區(qū)域受波浪破碎影響,航槽的回淤較大,因此,航槽選線宜選擇掩護(hù)條件較好的區(qū)域。如崖門(mén)出海航道的東航道受荷包島和高欄島等島群的掩護(hù),避浪條件較好,盡管從漲、落潮動(dòng)力條件的分析,黃茅海西航道略?xún)?yōu)于東航道,但其5 000 t級(jí)出海航道依然選擇了東航道。伶仃洋西槽受波浪影響要略大于東槽,廣州港出海航道歷史上的傳統(tǒng)航道就選擇了東航道為主航道,特別是中小型船舶幾乎都從東航道通行,但廣州港出海航道在開(kāi)建深水航道前已論證了伶仃洋東、西槽的泥沙運(yùn)動(dòng)受風(fēng)浪的影響較漲、落潮流向等其他因素的影響小.因此,結(jié)合相關(guān)研究成果[16],在綜合比選基建開(kāi)挖、航槽穩(wěn)定、疏浚維護(hù)、航行條件等問(wèn)題后,廣州港出海航道選擇了西槽作為深水航道的航線。
珠江口的強(qiáng)浪向和常浪向及次常浪向均為東南至南向,在波浪作用下,西灘成為泥沙的主要淤積區(qū)域,如伶仃洋的西灘和黃茅海的西灘,故穿過(guò)西灘的大型航道回淤較嚴(yán)重,如斜穿伶仃洋西灘的橫門(mén)出海航道、九洲港進(jìn)港航道等,其回淤均較嚴(yán)重,因此大型航道選線應(yīng)盡可能避免穿過(guò)西灘。另外,銅鼓航道斜穿伶仃洋中灘,也容易受波浪掀沙回淤影響,回淤量較大。崖門(mén)出海航道的攔門(mén)沙位于黃茅海灣的中下部,海床水深較淺,經(jīng)多次觀測(cè)表明,大風(fēng)浪是口門(mén)段航道發(fā)生較大回淤的主要影響因素。
珠江河口灣海床的可挖性好、可塑性強(qiáng),海面寬闊,海岸的邊界距航道較遠(yuǎn),結(jié)合廣州出海航道、銅鼓航道、崖門(mén)出海航道等的整治建設(shè)經(jīng)驗(yàn),可知伶仃洋與黃茅海航道整治的工程措施采用疏浚結(jié)合局部碎巖清礁的方法即能達(dá)到設(shè)計(jì)的航道尺度,且航槽穩(wěn)定性總體較好,無(wú)須依靠整治建筑物。
河口灣航道采用分期實(shí)施、逐步形成深水航道是積極穩(wěn)妥的建設(shè)方案,這與珠三角網(wǎng)河區(qū)床調(diào)整及水動(dòng)力變化是相適應(yīng)的。首先,由于珠三角網(wǎng)河河床不斷下切并向上游延伸,擴(kuò)大了納潮容積,使口門(mén)外的潮動(dòng)力逐漸增強(qiáng),航道小幅逐步加深與河口灣潮動(dòng)力逐漸變強(qiáng)的過(guò)程相適應(yīng),可有效減輕航道因浚深帶來(lái)的增淤影響。其次,深水航道的逐步開(kāi)發(fā)有利于與船舶大型化過(guò)程和通航密度需求之間的協(xié)調(diào),與航道等級(jí)相適應(yīng)的重載船舶頻繁地在航槽中通行,有利于增強(qiáng)槽底水流紊動(dòng),減少泥沙沉積,從而減少航道回淤。
綜合河口灣航道建設(shè)的經(jīng)驗(yàn),廣州港出海航道和崖門(mén)出海航道有進(jìn)一步提升等級(jí)的空間,宜抓住有利時(shí)機(jī)進(jìn)一步拓寬浚深以滿(mǎn)足大型深水港發(fā)展的需要;銅鼓航道是進(jìn)出深圳西部港區(qū)的主要通道,為減少航道回淤可考慮適當(dāng)調(diào)整航道軸線位置,充分利用深槽并減小航道與潮流夾角;橫門(mén)出海航道與九洲港航道存在靠近西灘渾水區(qū)、航線與水流交角過(guò)大等不利因素,開(kāi)發(fā)深水航道的時(shí)機(jī)和條件尚不成熟,不宜過(guò)度開(kāi)發(fā),近期應(yīng)適當(dāng)控制航道建設(shè)的規(guī)模與標(biāo)準(zhǔn),以滿(mǎn)足中小型船舶通行的需求為主。
(1)近20多年來(lái),受上游樞紐建設(shè)及河道取沙影響,珠江海灣型河口的來(lái)沙量減少、航道回淤減弱。
(2)從潮流動(dòng)力和波浪傳播特點(diǎn)分析,航道越順直越有利于水流挾沙能力沿程均衡和潮波的傳播,越有利于減少航道的回淤和浮泥的存在;航道浚深后,灘槽高差增大、航道內(nèi)河床更趨于平整,潮流沿深槽的動(dòng)力增強(qiáng)、波浪傳遞暢順,有利于減少航道的回淤。
(3)珠江口海灣內(nèi)洪水期海相泥沙來(lái)量較少,枯水期潮汐動(dòng)力增強(qiáng)、泥沙滯留點(diǎn)上移;受枯水期航道水動(dòng)力增強(qiáng)、航道浚深后灘槽高差增加及航道沿程河床趨于平整等因素影響,海灣航道內(nèi)基本沒(méi)有浮泥存在。
(4)臺(tái)風(fēng)期珠江口海灣航道的回淤略大,但無(wú)明顯的驟淤現(xiàn)象,且航道與潮流動(dòng)力及波浪傳播方向夾角越小,航道驟淤影響越小、淤積分布范圍越分散。
(5)珠江口海灣航道的回淤也受人類(lèi)活動(dòng)影響:上游河道的大量取沙使航槽的潮流動(dòng)力大幅增加,可減少航槽回淤;“三灘二槽”分界點(diǎn)附近海床的大量取沙則改變局部水流流態(tài),對(duì)航道的穩(wěn)定和局部淤積有一定的不利影響。
(6)珠江口海灣航道宜選擇天然深槽為主航線,航槽走向盡量與潮流主動(dòng)力線一致、交角不宜過(guò)大,并盡可能避開(kāi)強(qiáng)浪區(qū),以減小航槽回淤。
(7)珠江口海灣航道整治思路:工程措施選擇疏浚結(jié)合局部碎巖清礁即可,無(wú)須依靠整治建筑物;宜分期實(shí)施、逐步形成深水航道。
(8)廣州港出海航道和崖門(mén)出海航道有進(jìn)一步提升等級(jí)的空間;銅鼓航道為減少回淤可考慮適當(dāng)調(diào)整航槽位置,充分利用深槽、減少航槽走向與潮流主動(dòng)力線夾角;橫門(mén)出海航道與九洲港航道開(kāi)發(fā)深水航道的時(shí)機(jī)和條件尚不成熟,近期不宜過(guò)度開(kāi)發(fā)。