天津南港工業(yè)區(qū)選通海航道可行性研究

天津南港工業(yè)區(qū)選通海航道可行性研究

天津南港工業(yè)區(qū)位于獨流溪河口以南的海灘淺水區(qū)，規(guī)劃面積220公里。是天津市政府著眼濱海新區(qū)長期發(fā)展做出的重大決策,是濱海新區(qū)新一輪開發(fā)的重點區(qū)域。根據(jù)規(guī)劃建設需要擬建一條通海航道,如圖1所示。本文利用有關(guān)現(xiàn)場實測資料,從水流條件、地質(zhì)分布、灘面泥沙特性以及工程泥沙淤積等自然條件方面,采用類比法,與周圍航道(天津港、天津臨港工業(yè)區(qū)和天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)和黃驊港等航道)進行比較論證,對本航道的設計與建設提供了科學依據(jù)。1海洋的波浪特征1.1潮涌速度特征1)本海區(qū)潮流屬于往復流性質(zhì),漲、落潮的流向因受水深地形等影響而有所不同。在近岸因受近岸淺灘的影響,漲落潮流流向較為分散。到-5m等深線其潮流運動漲、落潮流基本呈ENE~WSW向的向岸離岸運動,且流向相對集中。到-10m等深線,漲落潮明顯呈東西向的往復流運動。2)從漲落潮段看,該海區(qū)大、小潮基本呈漲潮流速略大于落潮流速。如-2m等深線大潮漲、落潮平均流速分別為0.25m/s和0.22m/s;-10m等深線大潮漲、落潮平均流速分別為0.38m/s和0.34m/s。3)從流速特征值來看,本海區(qū)流速呈外海大于近岸的分布規(guī)律。如大潮時在-1.7m水深處漲潮平均流速為0.18m/s;在-2m等深線漲潮平均流速為0.25m/s;在-5.0m水深漲潮平均流速為0.31m/s;至-10m等深線平均流速為0.38m/s。各垂線大潮漲潮段平均流速分別介于0.18~0.38m/s,落潮段平均流速分別介于0.11~0.34m/s,潮流動力相對較弱。4)從大、小潮的流速方向可以看出,南港工業(yè)區(qū)海域水流流向與設計航道夾角較小,對航道開挖后行船是有利的。1.2海底流速特征1)本港海區(qū)近海潮流基本屬于往復流性質(zhì),漲潮呈NW向,落潮呈SE向,在近岸靠近河口及工程區(qū)域內(nèi)的流向有所變化。2)漲潮流速大于落潮流速,各點平均漲潮流速為0.15~0.33m/s,平均落潮流速為0.07~0.27m/s,潮流動力較弱。3)海區(qū)流速呈外海大于近岸的分析規(guī)律,各季基本一致,即:在-2m水深處平均流速為0.19m/s;在-4.5m水深處平均流速為0.22m/s;至-7.0m水深處平均流速增長為0.25m/s。4)根據(jù)航道流速矢量圖可以判斷出,天津港航道內(nèi)水流運動方向與航道軸線有一定的夾角。1.3潮、潮、全潮流速特征1)該海區(qū)潮流屬于往復流性質(zhì),各點處漲、落潮的流向因受水深地形等影響而有所不同。從全潮流速矢量圖看,在臨近天津港主航道水域,漲落潮流總體呈WNW~ESE向運動,流向較為集中。在臨港工業(yè)區(qū)以南至獨流減河口水域海區(qū),近岸-2m等深線水域漲落潮流向呈SW~NE向的沿岸運動,流向相對分散。在該段水域外側(cè)的-5m,-8.5m等深線遠離工程和岸灘,其潮流運動基本屬海洋性質(zhì),漲、落潮流基本呈東西向的向岸離岸運動,且流向相對集中。2)該海區(qū)漲潮流速略大于落潮流速,且在大潮表現(xiàn)更為明顯。如大潮各點漲、落潮平均流速分別為0.27m/s和0.25m/s,漲、落潮最大流速分別為0.63m/s和0.50m/s,潮流動力相對較弱。3)從各點全潮平均流速看,該海區(qū)流速呈外海大于近岸的分布規(guī)律,在-5m等深線水域,具有中間水域略大于南北兩側(cè)水域的特點,且各潮型基本一致。如大潮在-2m等深線平均流速為0.19~0.21m/s;在-5m等深線平均流速為0.25~0.27m/s;至-8.5m等深線平均流速增至0.28~0.32m/s。#4,#5,#6全潮平均流速分別為0.26m/s,0.27m/s,0.25m/s。4)從流速矢量圖可以看出,臨港工業(yè)區(qū)航道內(nèi)水流與航道夾角較小,尤其是-5m等深線以內(nèi);產(chǎn)業(yè)區(qū)航道內(nèi)除大潮時-5m等深線以外水流與航道有一定夾角,-5m以及小潮時水流與航道基本是平行的。2航道海灘的沉積物特征2.1沉積物粒徑及分配特征1)沉積物中值粒徑變化。根據(jù)工程海域60個取樣樣品分析結(jié)果表明,本區(qū)沉積物質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂分布為主,樣品中黏土含量達38.6%,砂含量為10.4%,粉沙含量為51.0%。泥沙中值粒徑偏細,在0.0041~0.0206mm變化,變化幅度很小。從5條斷面的平均中值粒徑變化來看,在0.0068~0.0093mm之間變化,全部樣品的平均中值粒徑為0.0075mm。從沉積物中值粒徑看出,粒徑最粗的點位位于獨流減河出口區(qū)南側(cè),其中值粒徑為0.010~0.020mm左右,取樣區(qū)北側(cè),樣品的中值粒徑基本在0.005~0.010mm之間,僅-5m區(qū)段附近有一小于0.005mm粒徑分布區(qū)。取樣區(qū)南側(cè)在D斷面的中部和東部有3處大于0.010mm粒徑的分布區(qū),在中部和東部之間還有一小于0.005mm粒徑呈狹長帶的分布區(qū)。從沉積物總體變化特征看,在取樣區(qū)域內(nèi)沉積物中值粒徑為近岸略粗于遠岸,南側(cè)略粗于北側(cè)(見圖2)。2)沉積物分選程度變化。樣品分析結(jié)果和沉積物分選程度分布圖(圖2)顯示,本海域泥沙的分選系數(shù)在0.98~3.04之間變化,分選程度屬分選好與分選中常及分選差3種等級。從5條斷面的平均分選系數(shù)變化來看,在1.65~2.05變化,5條斷面的平均分選系數(shù)為1.88。從沉積物分選程度看出,取樣區(qū)域北側(cè)分選系數(shù)在2.2~3.0的分布區(qū)間較大,該區(qū)域分選程度介于分選差和分選中常的范疇;取樣區(qū)域的南側(cè)中部為兩處分選系數(shù)在0.6~1.4的分布區(qū),該區(qū)域分選程度界于好與分選中常的范疇。總體上看,本區(qū)域南側(cè)分選程度略好于北側(cè)區(qū)域。2.2泥沙組成和粒徑分布1)近岸底質(zhì)泥沙分布特征。該海區(qū)自海河口至獨流減河口段,水深在-2~-5m等深線間的水域灘面底質(zhì)泥沙主要具有如下特征:(1)底質(zhì)泥沙的基本性質(zhì)。根據(jù)取樣結(jié)果分析,該海區(qū)灘面泥沙屬于黏土質(zhì)粉沙,平均中值粒徑約為0.012mm。所取泥樣中平均沙含量約占11%;粉沙含量約占55%;黏土含量約占34%;其黏結(jié)性較強。(2)底質(zhì)泥沙的中值粒徑分布。從該水域底質(zhì)泥沙中值粒徑看,絕大部分取樣點中值粒徑在0.008~0.014mm之間,有個別小于0.008mm或小于0.014mm的測點零星分布于本海區(qū)內(nèi)。該海區(qū)較細的底質(zhì)(d50<0.01mm)主要分布于臨港工業(yè)區(qū)東南側(cè)水域和獨流減河口東側(cè)附近水域。其中在臨港工業(yè)區(qū)水域d50=0.01mm等值線呈舌狀自其東南向外延伸,這與其圍墾時外泄泥沙有關(guān)。而獨流減河口東側(cè)的細顆粒泥沙則與河口下泄的泥沙有關(guān)。2)外航道底灘特征。本航道的灘面泥沙平均粒徑為0.0058mm,其中:沙的含量占8.1%,粉砂的含量占48.7%,黏土的含量占43.2%。2.3沙與粉沙的含量本工程海區(qū)灘面泥沙中值粒徑約為0.0082mm,其中沙的含量約占9.3%;粉沙的含量約占51.3%;黏土的含量約占39.4%,泥沙的分選系數(shù)在1.2~2.0,屬分選中等。2.4底部泥沙與非均一性1)底質(zhì)泥沙的基本性質(zhì)。本港海區(qū)灘面泥沙屬于黏土質(zhì)粉沙,顆粒很細,平均中值粒徑約為0.007mm。其中沙約占8.6%;粉沙質(zhì)約占51.0%;黏土約占40.4%;其黏結(jié)性較強。2)底質(zhì)泥沙的季節(jié)性變化。根據(jù)春、夏、秋、冬4個季節(jié)取樣分析,從不同季節(jié)取樣結(jié)果來看,本港海區(qū)的底質(zhì)泥沙冬季為最粗,平均中值粒徑為0.0096mm;春、秋兩季次之,平均中值粒徑為0.0082mm;夏季為最細,平均中值粒徑為0.0060mm。由此可見,底質(zhì)泥沙的變化是與氣候的變化有著密切的關(guān)系,在風浪較強的季節(jié)灘面泥沙就較粗,而在小風浪季節(jié)則較細,這與水體含沙量的變化是相應的。3)底質(zhì)泥沙的縱向分布。從各季實測資料分析來看,在近岸-2m水深處泥沙的平均中值粒徑為0.0091mm;在-5.0m水深處的泥沙平均中值粒徑為0.0076mm,而在-7m水深處的泥沙平均中值粒徑降為0.0063mm。說明本港海區(qū)的底質(zhì)泥沙從岸向海呈由粗到細的分布規(guī)律。4)底質(zhì)泥沙的橫向分布。本港海區(qū)底質(zhì)泥沙的橫向分布,整體是航道南側(cè)粗于北側(cè)。南側(cè)平均中值粒徑為0.0083mm,而北側(cè)平均中值粒徑為0.0071mm。從不同水深處的泥沙粒徑分布來看:在-2m等深線航道北側(cè)平均中值粒徑為0.0088mm,而南側(cè)為0.0094mm;在-5m等深線,北側(cè)為0.0064mm,南側(cè)為0.0089mm;在-7m等深線,北側(cè)為0.0062mm,南側(cè)為0.0065mm。因此可見,在-5m水深以內(nèi)的淺灘,南側(cè)的泥沙明顯粗于北側(cè)。而至-7m深水區(qū)以外南、北的差值較小。2.5泥沙中值粒徑從黃驊港2001年4月的資料來看,該海區(qū)的泥沙平均中值粒徑為0.0334mm,其中沙的含量占21.8%,粉沙的含量占65.7%;黏土的含量占12.5%。2.6航道泥沙的性質(zhì)從表1中數(shù)值來看,天津南港工業(yè)區(qū)外航道的底質(zhì)泥沙,與天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)底質(zhì)泥沙、天津港底質(zhì)泥沙及臨港工業(yè)區(qū)的泥沙粒級含量到中值粒度都基本一致,可以說鄰近幾條航道的底質(zhì)環(huán)境條件是一樣的。而黃驊港的底質(zhì)條件明顯粗于本港區(qū),尤其是黏土的含量,黃驊港僅占12%,因而泥沙的黏結(jié)度很小,泥沙在風浪作用下極易掀揚;而天津南港工業(yè)區(qū)航道泥沙的黏土含量高達近38.6%,黏結(jié)性強,泥沙一般不易起動,并且泥沙的中值粒徑遠小于黃驊港,屬不同性質(zhì)的岸灘,因而泥沙的運動規(guī)律、淤積形態(tài)也不相同。經(jīng)過上述資料比較分析,天津南港工業(yè)區(qū)海域的底質(zhì)泥沙是與天津港一樣,同屬淤泥質(zhì),而不同于黃驊港的粉沙質(zhì),鑒于天津港航道建設的經(jīng)驗,本航道的形成是可行的。3航道地質(zhì)分布特征3.1粉細砂層結(jié)構(gòu)1)淤泥層:該層泥沙為褐灰色,呈流塑狀———軟塑狀,高塑性。層底高程為-13.5m,標貫擊數(shù)為零。2)粉質(zhì)黏土層:該層泥沙為褐灰色,呈軟塑———可塑狀,中塑性,泥軟多砂粒狀,層底高程為-18.0m,標貫擊數(shù)為零。3)粉土層:該層泥沙為淺褐灰色———灰黃色,稍密———密實狀,層底高程為-22.4m,標貫擊數(shù)為20次。4)粉細沙層:該層泥沙為灰黃色,密實狀。層底高程為-31.5m。標貫擊數(shù)為34~50次。從鉆探資料來看,南港工業(yè)區(qū)航道-15m以上為淤泥質(zhì),以下才是粉沙質(zhì),與天津港、工業(yè)區(qū)、產(chǎn)業(yè)區(qū)3條航道地質(zhì)組成基本一致(3條航道-14.0m以上均為淤泥質(zhì)和淤泥質(zhì)黏土,以下為粉土)。鑒于天津港及臨港工業(yè)區(qū)航道的開通及使用,從地質(zhì)條件來看本航道的開挖是可行的。3.2地層及文化土層1)淤泥層:近代海相沉積土層,層底高程-9.0~-12.0m,層厚5.4~10.5m,黃灰色、灰色及灰黑色,飽和,含有機質(zhì)和少量碎貝殼。為均勻淤泥,含少量粉砂團及砂柱,流塑狀態(tài)。含水量26.1%~73.8%,標貫擊數(shù)大部為零擊,為欠固結(jié)的連續(xù)分布的軟土層。2)淤泥質(zhì)黏土層:海相沉積土層,層底高程-12.50~-14.15m,層厚2.4~3.7m,黃灰色與灰色,含碎貝殼,飽和,均勻淤泥質(zhì)黏土,局部見淤泥。標貫擊數(shù)1~3擊,平均1.7擊。為軟塑~流塑狀態(tài),連續(xù)分布土層。3)粉質(zhì)黏土層:湖沼相沉積土層,揭露高程-18.8m,灰色、灰黑色及灰白色,飽和,以粉質(zhì)黏土為主,層頂部約1.0m,含貝殼較多。標貫擊數(shù)1~26擊,平均9擊,此層土由于沉積環(huán)境影響,土性變化稍大,粉質(zhì)黏土為可塑狀態(tài),粉土為稍密狀態(tài)。3.3層土的次控結(jié)構(gòu)1)淤泥層:近代海相沉積土層,底高程-10.5~-13.9m,土層厚度1.5~6.6m不等?；液稚?、灰黃色及灰黑色,含有機質(zhì)和少量碎貝殼,土質(zhì)均勻,見少量粉砂團。流塑狀,含水量55%~81%,部分孔如A12,A36和B2等因孔距大,其間的土層分布厚度差異性大,夾有淤泥質(zhì)黏土。標貫擊數(shù)為零擊。2)淤泥質(zhì)黏土層:海相沉積土層,層底高程-11.3~-15.6m,灰色及灰黃色,含有機質(zhì),局部有較多碎貝殼,土質(zhì)不均,呈不連續(xù)分布。本層土中的粉質(zhì)黏土或粉土,是因夾砂層或含砂較多造成,其成因亦屬海相沉積,并具有軟土特征。流塑~軟塑狀態(tài)。標貫擊數(shù)為1擊。3)粉質(zhì)黏土層:陸相沉積土層,層底高程-13.25~-19.7m,灰色,灰白色及灰黑色,以粉質(zhì)黏土為主,夾有粉土與黏土。局部有泥炭夾層,粉質(zhì)黏土為可塑狀,粉土為中密狀態(tài)。平均標貫擊數(shù)2.2~3.3擊。呈不連續(xù)分布。大部分孔層頂部含有多量貝殼。4)黏質(zhì)粉土層:陸相沉積土層,層底高程-16.9~-20.4m,灰色及黃灰色,以黏質(zhì)粉土為主,少量砂質(zhì)粉土,中密狀態(tài),夾有黏土團及黏脈,平均標貫擊數(shù)13~14擊。此層土A區(qū)呈連續(xù)分布,B區(qū)呈不連續(xù)發(fā)布。C,D,E區(qū)無此層土。3.4分層充填地基充填材料鉆探結(jié)果表明,在鉆探深度范圍內(nèi),土層自上而下分別為:海相沉積的(1)1淤泥、(1)2淤泥質(zhì)黏土、(1)3粉質(zhì)黏土混貝殼,河口三角洲相(海陸交互相)沉積的(1)1粉土、(1)2粉質(zhì)黏土,陸相沉積層(1)1粉質(zhì)黏土、(1)2粉土、(1)3粉細砂,各土層描述如下:(1)1淤泥:灰色,流塑狀,高塑性,含砂斑、有機質(zhì)及少許碎貝殼,混粉土團,間粉土薄層,局部表層分布有粉土薄層。該土層廣泛分布,層位相對穩(wěn)定,層厚不等。(1)2淤泥質(zhì)黏土:灰色,流~軟塑狀,高塑性,含砂斑、少許碎貝殼及有機質(zhì),混粉土團,間粉土薄層。該土層廣泛分布,層位相對穩(wěn)定,層厚不等。(1)3粉質(zhì)黏土混貝殼:該層主要以粉質(zhì)黏土混碎貝殼為主,灰色,軟塑狀為主,中塑性,混較多碎貝殼、砂顆粒。局部為淤泥質(zhì)土混碎貝殼或粉土混碎貝殼。該層分布連續(xù),但土層厚度較薄(1m左右)。(1)1粉土:灰褐色,中密狀,局部密實狀,土質(zhì)不均勻,混少許黏性土及砂顆粒,夾黏性土薄層。平均標貫擊數(shù)東護岸N=24.3擊,吹填區(qū)N=15.8擊,挖泥區(qū)N=20.8擊。(2)2粉質(zhì)黏土:灰褐色,可塑狀,中塑性,含粉土斑、粉土團,部分鉆孔見有淤泥質(zhì)土夾層。該層分布相對較連續(xù),層厚不等。平均標貫擊數(shù)東護岸N=4.3擊,吹填區(qū)N=5.1擊,挖泥區(qū)N=5.4擊。(3)1粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑狀,局部硬塑狀,中塑性,含粉土斑,夾粉土薄層。平均標貫擊數(shù)東護岸N=6.1擊,吹填區(qū)N=9.0擊,挖泥區(qū)N=11.5擊。(3)2粉土:黃褐色,中密~密實狀,土質(zhì)不均勻,混少許黏性土及砂顆粒,夾黏性土薄層。平均標貫擊數(shù)東護岸N=26.1擊,吹填區(qū)N=30.9擊,挖泥區(qū)N=23.8擊。(3)3粉細砂:黃褐~灰褐色,中密~密實狀,土質(zhì)不均勻,夾粉土、粉質(zhì)黏土薄層。平均標貫擊數(shù)東護岸N=43.3擊,吹填區(qū)N=33.5擊。4泥沙沉積影響因素為了解天津南港工業(yè)區(qū)航道開挖后的泥沙淤積情況,本文建立了風浪、潮流和泥沙數(shù)學模型,對該航道開挖后的年淤積情況進行計算預測。影響本工程所在海區(qū)泥沙淤積的主要因素是波浪掀沙和潮流輸沙。在泥沙模擬之前必須進行潮流和波浪的模擬。4.1基于cy模型的風場模擬近年來,以第3代風浪為代表的風浪生成與演化的方向譜計算模型越來越多地在工程中得到應用。因此,這里我們采用第3代風浪模型中得到廣泛應用的SWAN模型來模擬工程海區(qū)的風浪過程。由于模型范圍很大,波浪場計算難度很大。在大范圍計算里要能很好地反映出工程附近波浪場變化,必須進行多層嵌套計算,而且多層嵌套更能較好地反映風浪場的變化,風浪計算采用3層嵌套模型進行計算,即渤黃海大模型、渤海灣中區(qū)域模型和工程區(qū)小區(qū)域模型。4.2lytema標模塊采用國際上廣泛應用的MIKE21FlowModel模塊,該模型采用垂向平均二維淺水方程,離散方法為有限差分法,計算方法采用ADI法和DS法。4.3平面二維泥沙模型1)泥沙運動采用了竇國仁等(1995)基于波流共同作用下挾沙力概念的平面二維泥沙數(shù)學模型,根據(jù)實際波能演化原理,修正為如下形式:2)航道回淤采用竇國仁等提出的模型,其表達式如下:4.4航道初始位置通過數(shù)學模型計算,得到了規(guī)劃方案航道的淤強分布(見圖3),航道初始位置0+0位于口門處,航道最大淤強位于口門外2km,最大淤強約為1.3m,再向外淤強逐漸減小,到32+0處,淤強小于0.10m,航道年淤積量約為350萬m3。4.5航道年回淤結(jié)果為了更好地分析天津南港工業(yè)區(qū)航道的可挖性,在泥沙回淤方面,本文引用以往研究成果,列舉了周圍港區(qū)如天津港、天津臨港工業(yè)區(qū)和天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)擬建航道的淤強分布,并與天津南港工業(yè)區(qū)擬建航道淤積情況做比較。1)天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)擬建航道年回淤結(jié)果,航道口門位于8+0,最大淤強位于口門外2km,最大淤強約0.9m(見圖4),整個航道年淤積量為280萬m3。2)天津大沽沙擬建航道年回淤結(jié)果,口門位于航道里程13+5處,沿航道向外淤強逐漸增大,到16+0處淤強最大為0.80m,向外淤強逐漸減小(圖5)。航道年淤積量約為130萬m3。3)天津港擴建航道年回淤結(jié)果,天津港航道年回淤結(jié)果,現(xiàn)狀航道為25萬噸級,口門在1