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解读山海关港区外部条件(二稿)C 1102 *解读山海关港区外部条件(二稿)费了一个多月时间,仔细阅读了山海关港区规划的相关文件,并查看了一些资料,写成这篇评述意见,其中的一些分析方法,原则上适用于其他港区规划。 仅供各位参阅。 时间仓促,文中未免有不妥与疏漏之处,请各位指正!翁克勤xx-11-15xx年11月*1?目录第一节潮汐 一、潮位特征 二、山海关外海域的“无潮点” 三、乘潮水位、设计水位、减水第二节风和波浪 一、风 二、测波资料情况 三、波况分析和评价第三节泥沙淤积 一、海岸泥沙研究方法 二、山海关港区泥沙问题初步判断第四节防波堤布臵方案 一、港区的波浪特征 二、防波堤布臵方案评述第五节货运量预测 一、货物运输与货运量 二、经济腹地与运量预测方法 三、货运量预测评述 四、初步意见第六节看法与建议 一、对港区规划的看法 二、对建港方式的建议.2解读山海关港区外部条件内容提要本文重点研究以下问题 1、山海关外的无潮点及其影响; 2、风、浪的分布特征; 3、泥沙淤积问题; 4、防波堤布置评述; 5、运量预测评论; 6、看法与建议。 导言一个港区的规划不能脱离港区所在的外部条件。 一个好的港区规划是港区预测运量与自然环境条件的完美结合。 因此在做规划之初,需要认真地研究港口所处的自然条件、运输需求等,分析各自的特点,将港区规划与其环境条件协调起来,并优化规划方案。 这如同工艺大师事先仔细地琢磨原石的质地、外形和色彩,设计出与之协调的表现主题,才能创作出完美的玉雕作品。 第一节潮汐 一、潮位特征山海关港区规划报告(以下简称规划报告)中介绍“1)基面关系本工程利用芷锚湾海洋站基面关系,当地理论最低潮面位于56黄海平均海平面下0.784m,本文设计水位以及相关高程除特殊说明外均以理论最低潮面起算。 2)潮位特征值本港潮汐为规则日潮型,潮差较小。 年最高潮位2.32m年最低潮位-0.55m年平均潮位1.05m平均高潮位1.47m平均低潮位30.69m平均潮差0.78m最大潮差2.56m3)设计水位根据芷锚湾海洋站xx年7月1日xx年6月30日一年潮位资料和芷锚湾海洋站1986年xx年潮位年极值资料推算极端高、低水位,同时综合考虑海港水文规范(JTS145-2-xx)中附录C中“K”值,得到工程位臵的极端高、低水位。 设计高水位1.84m设计低水位0.16m极端高水位(重现期50年)2.84m极端低水位(重现期50年)-1.44m极端高水位(重现期100年)2.94m极端低水位(重现期100年)-1.58m4)乘潮水位本工程位臵冬三月乘潮水位乘潮历时2小时,累积率90%的乘潮水位为0.74m。 二、山海关外海域的“无潮点”芷锚湾离山海关港区仅7km,利用芷锚湾海洋站xx年7月xx年6月一年的潮位资料,计算潮位特征值和设计水位;利用芷锚湾海洋站1986年xx年潮位年极值资料推算极端高/低水位,符合海港水文规范要求。 但是,这里不同于其它港口之处,在于山海关港区与“无潮点”相邻。 万家屯是山海关外铁路沿线的小村镇,地理坐标北纬4000,东经11956,在秦皇岛东北约40公里。 1936年日本潮汐学家小仓伸吉推算指出:万家屯外有“M2分潮无潮点”(北纬3952,东经12005)。 后来国内外一些学者相继得出非常接近的结论,例如山东海洋大学沈育疆、叶安乐在1984年推算“无潮点”位臵为北纬3952,东经12014。 1959年海军海测大队王志豪在系统实测渤海海图时,也证实了这个“无潮点”的存在。 芷锚湾海洋站的地理坐标为4北纬4000,东经11920;与“无潮点”的纬度相差8,经度相差50(暂且按北纬3952,东经12010计算),由此计算“无潮点”中心位臵大约在芷锚湾海洋站ESE方向70公里处。 由于潮波的推进速度与水深相关,推测“无潮点”中心的位臵在南北和东西向有些微小的摆动。 进入东海海域时,潮波为行进波;经黄海进入渤海之后,向北的一支潮波受辽东湾海岸的阻挡,发生反射与折返;这时正好与后一个潮波在万家屯外附近海域交会,并且二者的相位正好始终相差T/2(见图1和图2),半日分潮M2的振幅很小。 万家屯外海域的潮汐型态数F=9.83式中的F=(H K1+H O1)/H M2,这表示全日分潮(H K1+H O1)的振幅几乎是半日分潮(H M2)的10倍;也就是说半日分潮的振幅很小,几乎只剩下日分潮振幅了。 “无潮点”是辽东湾地形与渤海湾潮波特定的条件下形成的。 这是万家屯M2分潮“无潮点”的物理解释。 图1渤海潮波示意图图52为M2分潮潮波图,虚线表示等振幅线(cm),实线、为同潮时线,可见潮时以“无潮点”为中心逆时针方向递增,辽东湾东岸高潮/低潮出现的时间是先南后北;辽东湾西岸则是先北后南(图2)。 图2渤海M2分潮潮波图表1是实测或者推算的秦皇岛、万家屯、长山寺、葫芦岛等站的潮值表(上面的图和表均引自王志豪中国沿海的应用潮汐)。 海图上的“大潮升”是指“从深度基准面至大潮高潮面的垂直高度”,即大潮潮高。 实测万家屯的平均大潮潮高86cm,平均海平面68cm;若从平均海平面起算,平均大潮潮高仅仅18cm。 若忽略潮时变化,可以将“无潮点”附近高潮面的包络线(外轮廓线)理解如碟形的盘子,中间部分最凹,接近于年平均海面;并且潮差最小,向外围逐渐扩大。 以万家屯“无潮点”为中心的辽东湾潮波系统,影响到湾内水域的潮差、潮时和潮汐性质。 王志豪认为“实测潮位资料和计算的调和常数显示,万家屯外及其附近约50公里水域为日潮区(4F),日潮区前后各25公里范围为不正规日潮区(2F4),辽东湾其他水域为不正规半日潮区(F2)。 万家屯外的年平均潮差最小,仅612cm,向四周逐渐扩大。 附近各测站点的资料说明大潮与中潮期表现为明显的一涨一落的日潮特征,小潮时则半日潮特征较强。 表1辽东湾西岸潮值表单位cm验潮站曹妃甸滦河口秦皇岛万家屯前所外葫芦岛北纬385639153954400040084043东经118311190711938119561201212059年平均海面12194666878185潮汐形态F0.691.053.669.834.850.68*平均大潮差158104361830242*平均小潮差865616622134平均大潮升27919810286108427平均小潮升2071508274100319注本表中的潮值数是通过短期资料和调和常数计算得来的,以理论深度基准面起算。 相邻各测站的年平均海平面是水平的,表中平均海面数值不同,只是表示深度起算面(基准面)不一致。 有“*”记号处似有误,待查。 山海关港区恰好在万家屯外“无潮点”附近,认识“无潮点”附近水域的潮汐特征,对于码头前沿高程和外航道设计,尤为重要。 万家屯太默默无闻了,山海关比万家屯著名,可以改称为“山海关外无潮点”,更加醒目和明瞭些。 三、乘潮水位、设计水位、减水 1、乘潮水位利用乘潮水位,需要注意三个方面潮型、年平均潮差与月平均海面。 其一,潮型。 正规和不正规半日潮的潮周期是12小时25分,全年有704/705个潮次;不正规半日潮的潮高不等现象比较明显。 全日潮(F4)潮周期是24小时50分,但年内仍有些日子是半日潮,比如海口马村港区,潮汐型态数F约5.2,归入日潮港,全年约440个潮次;不正规日潮港的全年潮次数高于正规日潮港,如海口秀英港区,F=3.92,全年约518个潮次;秦皇岛港的F=3.66,全年约538个潮次。 随着F值减少,全日潮的日子减少,渐渐接近于半日潮,全年的潮次数相应增加。 这就是说,潮型不同时,同样在港外锚地候潮进港,等候下一潮次的时间是不同的。 其二,平均潮差。 一般年平均潮差越大,乘潮水位越高,也就是沿海各港口的乘潮水位随着年平均潮差呈增长趋势。 渤海湾内的潮汐,从黄海经渤海海峡传入后,一般平均潮差在70.72.8m之间。 在山海关外与黄河口五号桩外海域,由于“无潮点”影响,年平均潮差较小,例如秦皇岛港仅69cm(1982年)。 在辽东湾,海湾呈喇叭形,在接近湾底处水深变浅,并且过水断面收缩,潮波向北传播时,惯性作用下水体雍高,湾底附近年平均潮差最大,例如营口附近的四道沟站平均潮差为2.76m。 天津港在海岸线的凹部,平均潮差也比较大,为2.50m。 东海沿岸的潮差普遍较大,平均潮差在1.775.54m之间。 杭州湾内以“钱塘潮”称著,年平均潮差5.54m,最大潮差为8.87m。 台湾海峡西岸,潮波从海峡的南口和北口进入后相遇,以及潮波在岩石岸边和海湾内的反射,平均潮差也比较大;其中以福建三都澳最大,平均潮差5.35m,年最大潮差8.54m。 其三,月平均水位的季节性变化。 沿海各月的平均水位有明显的季节性变化。 一般在冬季由于气温低、气压较高,以及上层海水水温较低,月平均海平面较低;夏秋季节海面较高。 以各站的年平均海平面为基准,统计多年的月平均海平面的偏离值,如表2所示。 表2沿海各港口月平均水位逐月变化表单位cm月份123456789101112振幅秦皇岛-29-25-16-28202930206-13-2458烟台-21-23-16-63142125176-9-1748威海-21-21-17-72132124198-6-1645青岛-21-19-16-71111923198-4-1745日照-19-19-16-62111924209-8-1743连云港-18-18-15-71111923209-7-1741绿华山-15-17-15-9071115xx2-937福州马尾-13-15-14-61421-6110142-1036厦门-1-3-8-11-8-8-10-1132114332汕头妈屿-2-3-6-107-7-11-3132115532黄埔-16-15-13-1047359132-729湛江-2-5-6-10-9-10-13-9112418637北海-9-12-9-9-12236138025海口-5-7-7-6-4-4-5-171712323清澜-4-7-3-10-5-9-9-7132117331八所-3-5-5-5-5-7-7-641713421注“”表示当月平均海面低于年平均海平面。 此表引自俞慕耕(海军司令部气象室)的我国沿海潮汐的特点,刊登于第一届潮汐与海平面学术讨论会论文集。 年内最高月平均海平面与最低月之差,为月平均海平面的最大变化幅度。 由表82可见,渤海湾内振幅最大,在5845cm之间;其次为黄海、东海沿岸,在4532cm;南海沿岸振幅最低,一般在3221cm。 在一整年的潮位过程线上量取乘潮水位时,可以看到在月平均海面比较高的810月份,在大潮期的高潮时设计船舶几乎每潮都能通航;相反,在月平均海面比较低的12月份,船舶可通航的潮次大大减少,特别是在小潮期。 海港水文78规范第8条乘潮水文的条文上没有说明应该注意月平均海面变化及其影响;在海港总体规范JTJ21187中开始有规定,在第4.6.12条的注中“当潮位受气象影响季节性变化较大时,对选用的乘潮水位,应核算低水位月份的航道通过能力及其对港口正常营运的影响”。 然而,这规定中没有明确通航保证率究竟取多少?于是不少设计人员选用冬季三个月的潮位过程线来计算乘潮水位,实际上是提高了通航保证率,这样利于船舶安全通航。 设计中选用冬季三个月的潮位,乘潮历时2小时、乘潮保证率90%,这是偏于安全的。 计算乘潮水位0.74m,请注意这里的平均低潮位为0.69m,二者非常接近,这说明该港可供利用的潮位很低,相应地所需的航道水深较大。 从减少航道疏浚量考虑,应该慎重地选取设计船型。 在山海关港区,潮汐型态数F=9.83,是正规日潮港,估计一年内约有400个潮次;远远低于半日潮港的704次。 同时邻近“无潮点”,港内/外水域的潮差很小,这里年平均潮差偏低,仅0.78m(年平均潮差=年平均高潮位年平均低潮位)。 这些都不利于船舶乘潮进出港。 2、设计水位 (1)王志豪的计算值王志豪在他的遗作中国沿海的应用潮汐中计算了万家屯外水域的工程设计水位,此设计水位以当地平均海面起算。 为便于相互比较,换算成当地理论最低潮面起算(此处,当地平均海面=理论最低潮面+105cm)。 王志豪的推算值列于表3中,其与规划报告计算值的比较列于表4中。 表3“无潮点”附近测站的设计水位验潮站曹妃甸滦河口秦皇岛万家屯前所外葫芦岛校核高水位253218174179260305设计高水位1451178992171214设计低水位155128101103178220校核低水位345306254256331373注9表中的设计水位和校核水位是通过短期资料计算得来的,应该是验潮点处的设计水位。 此表中以当地平均海平面起算时,“”表示在平均海面以下。 表4万家屯验潮站与山海关港区工程设计水位之比较计算人员起算基面设计高水位设计低水位校核高水位校核低水位规划报告平均海平面79-89179-249A理论最低潮面18416284-144王志豪平均海平面92-103179-256B理论最低潮面1972284-151设计水位比较偏差B-A13-140-7通常采用验潮点处的设计水位,王志豪的著作中没有说明万家屯验潮点的具体位臵,规划报告移用了芷锚湾海洋站的设计水位,所以二者不是同一个计算地点;王志豪是利用非常有限的短期观测资料,通过调和常数来计算的,能达到这样的精度,已经非常不易了。 本文介绍上述计算成果,只是以此为例,说明利用短期实测资料和调和常数计算方法,可以达到较高的精度。 (2)规划报告的采用值在规划报告中,“根据芷锚湾海洋站xx年7月1日xx年6月30日一年潮位资料”计算得到设计高水位1.84m,设计低水位0.16m。 用相近几年的潮位资料计算的年平均海平面、平均高潮位和平均低潮位,其变化一般在35cm以内,可见潮位均值的年际变化很小。 计算说明,用一年的实测潮位资料计算的设计高/低水位,已经有足够的精度和代表性了。 利用“芷锚湾海洋站1986年xx年潮位年极值资料推算极端高、低水位”,再移用到山海关港区,也是水文规范推荐的方法。 计算采用重现期50年的极端高水位2.84m,极端低水位-1.44m。 在海港水文78规范中提出h J=h SK(F1)此式中,h J为校核高/低水位,h S为设计高/低水位,高水位用+号,低水位用号,K为邻近港口的差值。 这个“K值法”应用已经30多年,后来的修订版中将K值的站位增加到40多个,设计人员还可以仿此自行计算K值。 计算山海关港区的K值,极端高水位时K1=1.00m,极端低水位时K2=1.60m,与海港水文xx规范中葫芦岛和秦皇岛的K值接近。 据此,一般可以用K值法来复核极端水位值。 山海关港区没有潮位资料,10计算中采用芷锚湾海洋站实测资料。 因为两地相距仅7公里,一般情况下潮位资料已有较好的代表性。 但是芷锚湾ESE向约70km处有“无潮点”,目前我们还无法估计由此产生的影响。 从稳妥考虑,宜收集当地船厂的潮位资料,也可以在山海关船厂的码头边设臵固定水尺,定时整点(24小时)实测水位,观测一年。 使用这样的当地资料将更加放心,再说对港口营运也有益。 因此在工可或者初设阶段,宜再复核山海关港区的设计水位与校核水位。 另外,可参照港内已有货运码头的前沿高程与防波堤的顶高程,并了解其使用情况,确定新建码头前沿和护岸防波堤的高程。 3、减水减水是渤海湾内港口出现低水位的重要原因。 辽东湾的风暴潮减水数值之大位居国内首位,几乎每年都出现减水值1米以上的记录。 例如,1957年12月18日秦皇岛减水1.75米,葫芦岛减水2.18米;1961年11月22日营口和秦皇岛减水1.7米。 由于辽东湾冬季寒潮比较频繁,也是冬季平均水位偏低的一个重要原因。 王志豪认为产生增减水的原因是气压引起的,但主要作用是气压所形成的风。 在偏北大风的风压作用下,海水面微微倾斜。 辽东湾增减水的情况是增水次数多而增水值小,减水次数少而减水值大。 大小和多少皆接近于二与一之比。 潮汐变化可以看作是天文潮与气象潮的合成。 天文潮是地球和月球的天体引力产生的。 每年海洋局刊布的潮汐表是根据各港口的调和常数计算的,可以作长期预报,其实就是单一的天文潮预报表。 由于气象因素引起的潮汐变化,只能作短期预报;比如台风过程及其引起的增水现象,一般采用后报方式。 天文潮与气象潮二者结合起来,才是实际发生的潮位变化。 除了每年数次的台风、寒潮等大范围的天气过程之外,小范围的天气过程变化经常发生,对潮位的影响作用比较小,因而并不影响潮汐表的广泛使用。 寒潮来临时引起的“风减水”将影响船舶正常作业,但是考虑到减水是大风寒潮伴生的现象,在推算山海关港区的年内可作业天数时,可以认为减水与大风是同时发生的。 第二节11风和波浪 一、风据规划报告介绍“芷锚湾海洋站xxxx年测风资料统计(见表5),本区常风向为WSW,出现频率13.81%;次常风向为NE,约占11.07%。 强风多发生在WSW、SW、NE向,最大风速方向为WSW向,风速达15.0m/s。 风玫瑰图见图3。 表5芷锚湾海洋站风要素统计表风速单位m/s风速m/s0.0-5.45.5-7.98.0-10.710.8-13.813.9-17.117.2合计平均风速最大风速风级1-3级4级5级6级7级N8.812.510NNE7.670.430.140.028.262.911NE7.691.851.260.210.0711.074.414ENE4.041.140.480.025.68413E2.580.270.163.013.410ESE1.920.092.012.57SE2.560.090.022.672.88SSE2.10.072.172.77S3.930.320.114.363.39SSW5.371.620.590.277.854.613SW6.672.741.670.210.0211.35.214WSW8.013.452.010.30.0513.815.415W6.741.030.430.058.243.911WNW3.060.110.053.222.88NW2.510.230.022.762.78NNW3.790.270.094.162.88C0.30.3合计77.8113.847.151.070.14100从图3和表5可以看出,夏半年港区盛行WSWSW向风,频率最高,SSWW向4个方位的频率占全年的41.2%;冬半年港区N向和NE向风较多,NENE向4个方位的频率占34.1%;WSW、NE向风是本地区的主导风向。 奇怪的是港区12ESSE向风较少,年内出现的频率不到10%,相应地ESSE向的风浪也比较少。 图3芷锚湾风玫瑰图 二、测波资料情况天科所的山海关港区波浪数学模型报告(以下简称波浪数模报告)和山海关港区潮流泥沙数学模型报告(以下简称潮流泥沙报告)中,比较详细地介绍了芷锚湾、山海关、秦皇岛的测波资料情况。 转述如下 (1)芷锚湾“1)波况山海关港区位于山海关船厂的东岸,北靠大陆,西向、南向和东向水域开阔,波浪对港区影响较大。 港区东7km处的芷锚湾海洋站有长期的波浪观测资料,代表性较好。 芷锚湾海洋站测波点位于环海寺地咀的SSE向,水深为-5m,芷锚湾波型主要是风浪以及风浪为主的混合浪,约占全年总次数的76%,涌浪以及涌浪为主的混合浪约占22%。 1978年1980年三年资料统计结果见表6,波玫瑰见图4。 芷锚湾测站强浪向为SE,常浪向为SSW,出现频率为28.41%。 表136芷锚湾波浪分频分级统计表(%)波高m波高1.62.02.0合计1.01.2N0.520.030.03000.580NNE4.590.680.18005.450.55NE6.191.540.920.0308.681.17ENE3.571.050.490.0605.170.74E3.420.460.15004.030.25ESE4.000.460.03004.490.15SE1.60.031.930SSE2.060.220.060.0302.370.15S3.570.650.120.1504.490.55SSW20.52028.412.96SW8.811.420.490.09010.811.11WSW4.531.540.250.0306.351.02W1.820.180.03002.030.15WNW0.740.030.09000.860NW0.710.030000.740NNW0.1800000.180C13.37000013.37合计81.8512.454.581.030.0399.948.89图4芷锚湾波玫瑰图 (2)山海关“根据1993年6月19日至9月14日山海关船厂东防波堤南1.5km处短期波浪观测,山海关强浪向为SE,超过2m的波浪出现频率为0.11%。 常浪向为SSW,出现频率为1427.17%,次常浪向为SW,出现频率为12.42%。 山海关波浪分频分级统计见表7,波玫瑰见图5。 C=9.7%H;2mP=5%图5山海关波玫瑰图表7山海关波浪分频分级统计表(%)波高m波高2.00合计N0.091.230.18001.5NNE0.233.051.430.1704.88NE20.690.027.37ENE0.092.151.470.3704.08E0.092.151.470.3704.08ESE0.323.050.810.110.034.32SE0.211.730.57SSE0.342.350.580.110.023.4S0.354.451.210.406.41SSW0.9215.259.071.93027.17SW0.517.723.590.550.0512.42WSW0.032.871.860.20.024.98W0.081.320.260.0501.71WNW0.080.830.170.0501.13NW0.120.830.14001.09NNW0.090.610.12000.82C9.700009.7合计13.7356.0224.955.060.2399.99C=0%2m5%从芷锚湾和山海关测站的数据分析结果可以看出,常浪向和波型是一致的,15常浪向SSW向,频率均在20%以上。 (3)秦皇岛“秦皇岛海洋站测波点位于南山灯塔SSW方向,水深为-6-7m。 秦皇岛波型主要是风浪以及风浪为主的混合浪,约占全年总次数的75%,涌浪以及涌浪为主的混合浪约占22%。 据秦皇岛站1960xx年测波资料分析,该区常浪向为S向,频率为17.77%。 强浪向为SE向,最大波高为3.5m,出现在1972年7月27日和1984年8月10日,这是台风影响的结果。 2.0m以上波高出现在ENE至WSW向范围之中,累年出现率最高的波级为00.5m,出现频率为62.31%。 三、波况分析和评价分析测波资料的代表性,是必不可少的第一步工作;分析的重点是测波资料能不能真实地反映工程海域周年的波浪情况。 三个测波站的概况如下表表8各测波站简要情况测站芷锚湾站山海关站秦皇岛站测波位臵环海寺地咀船厂东防波堤南山灯塔朝向SSE向S向SSW向测波点水深水深为-5m水深约-6m水深为-6-7m测波时段待查1993-06-1909-14待查三站的测波资料分析与评述如下工程项目所在地是山海关港区,测波位臵以邻近工程水域为宜。 山海关船厂东防波堤的测波资料,当然最好。 山海关港区东距环海寺地咀约7km,代表性较好;港区往西离秦皇岛南山灯塔约20km,相对稍微远些,还算可以。 山海关港区的岸线呈EW向,要求能观测到ESW的180以上方位的波浪。 各站投放的测波浮筒在测波点的SSE/S/SSW方向,基本符合这一要求。 测波浮筒在海图57m等深线处,相对于波高来说水深偏浅,由于大浪已经在深水区破碎,所以观测到的大浪往往是浅水波高。 波浪数模报告中说秦皇岛站“强浪向为SE向,最大波高为3.5m,出现在1972年7月27日。 应该理解为如果测波浮筒移到深水区,就可以观测到更高的台风浪。 16在利用芷锚湾站年最大波高系列计算设计波高时,也不要忘记测波浮筒处的水深仅仅5m。 波浪数模报告中说“搜集到芷锚湾海洋站(1963xx年45年实测资料)得到的重现期波浪要素资料。 根据上节分析结果,山海关港区海域与芷锚湾海洋站波浪特征较一致,芷锚湾海洋站接近工程港区,离港区距离仅8km左右。 因此在推算深水波要素时主要以芷锚湾海洋站重现期波要素为依据,同时参考秦皇岛海洋站(19691980年共21年实测资料)波浪要素结果。 采用下节建立的波浪传播数学模型,对工程海域-20m水深处波浪要素进行推算”。 在这里,需要追问天科所用5m等深线处的芷锚湾海洋站的年波高系列,怎么“对工程海域-20m水深处波浪要素进行推算”呢?因为从-20m水深处的波浪要素推算5m等深线处,这是习惯的做法;而从5m等深线处逆向推算到-20m水深处,这个结果不是唯一的、也是不规范的。 再说波浪向前传播时,设定波周期不变,波浪数模报告中表4-1与表4-2的同一波向、同一重现期的波周期,怎么就不相同呢?在山海关的测波资料中,测波点设在山海关船厂东防波堤南1.5km处,与山海关港区水域的位臵一致,代表性非常好。 不足之处是1993年6月19日至9月14日的短期波浪观测,只能代表夏季三个月的波况。 测波期间常浪向为SSW,出现频率为27.17%;次常浪向为SW,出现频率为12.42%,这两个方位的波浪频率合计为接近40%。 但只是夏季的波况,不代表全年,影响了这份资料的使用。 另外,我院原地质水文室曾在1988年前后进行辽宁省海岸普查,并完成辽宁省沿海港址概况,据该书介绍,芷锚湾冬季结冰,平均冰期114天,该书中的波况表,并非取自全年的观测记录,而是统计和分析使用311月份的观测资料(顺便指出营口鲅鱼圈海洋站也是如此)。 所以本文表6中应该注明统计时段。 可见,山海关港区东侧7km处的芷锚湾海洋站有长期的波浪观测资料,代表性较好。 但是测波点处的水深为-5m。 水深较浅,即使有较大的波浪从外海传来,到近岸时也成了破碎后的波高,所以此站观测到的都是浅水波浪。 测波资料的统计时段,推测是统计使用311月份的观测资料(有待核实)。 秦皇岛海洋站测波点位于南山灯塔SSW方向,水深为-6-7m。 已有秦皇岛站171960xx年测波资料,可供分析使用。 那么秦皇岛与止锚湾这两个站的资料的代表性如何呢?图6波浪测站位臵示意图750年一遇SW向H13%波高分布图图6是测波站附近海岸线的示意图。 从图上可以看出,芷锚湾站位于SSE方向的测波点,可以观测到NEWSW向的波浪。 但是离该测站较近的老龙头与石河口、较远的北戴河对18WSW、SW向浪有部分遮挡作用。 芷锚湾站的常风向是WSW,频率13.8%;W向与SW向风也较多,频率分别为8.2%与11.3%。 可见W向SW向风的频率高达33.4%,但WSW向受到老龙头与石河口的遮挡作用,该方向的波高减少了,或者波向向左SWSSW向偏转。 这个影响是显著的,在波况图上,常浪向SSW,年频率高达28.4%;次常浪向SW,频率10.8%;而WSW向浪的频率降为6.35%。 在波向折射的同时,波高也降低,因此WSW向1.2m的波浪频率占18.3%;1.3m以上的频率仅占0.9%,都不足1%。 图8芷锚湾波浪玫瑰图图9秦皇岛波浪玫瑰图05101520NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSNWNWNNW波向频率(%)0510152025NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSNWNWNNW波向频率(%)从图197上能看到SW向大浪在向岸传播时,水深变浅,波向转为SSW;同时受水底摩擦作用,发生破碎,波高减少。 不过老龙头和石河口离山海关港区更近,其对WSW浪的影响作用,推想是相近的。 据此,可以认为芷锚湾站与山海关港区的波玫瑰图比较相似,芷锚湾站波浪资料的代表性比较好。 再看图6,北戴河金山咀在南山灯塔测波点的SW方位,距离约13km,金山咀岬角对WSW向波浪有遮挡作用,SW向波浪在向近岸传播时,波向偏转向左,成为SSWS向浪。 所以秦皇岛站的资料中,受金山咀的遮挡作用非常明显,甚于芷锚湾。 秦皇岛与芷锚湾两站的风玫瑰图形态比较相似,但是对照图9与图8,两站的波玫瑰图差异太大。 由于秦皇岛站离山海关港区距离稍远,并且金山咀对SW向浪的遮挡作用不可忽视,比较后认为秦皇岛站的资料代表性较差。 而芷锚湾站的资料代表性较好,可以作为布臵防波堤的主要依据。 第三节泥沙淤积 一、海岸泥沙研究方法港口泥沙是比较复杂和疑难的问题。 上世纪中叶以来,国内以黄胜、陈吉余为代表的老一代地理学者大多从地貌的形成和发展来研究海岸河口演变,得到宏观和定性的认识,提出了河口分类、长江口演变图式等论文。 后来以钱宁、窦国仁、刘家驹等为代表的泥沙学者以水动力学的观念来研究泥沙运动,揭示了水动力作用下的泥沙运动规律,提出了研究课题的微观和量化的成果,为解决工程泥沙问题开辟了新途径。 判断海岸泥沙问题,通常将地貌学与海岸动力学方法结合起来,主要看三个方面一是海岸类型,二是泥沙和供应量,三是水动力条件。 (1)海岸类型海岸类型主要有岩石岬角海岸、沙质海岸、粉沙质海岸、淤泥质海岸等几大类。 岩石岬角海岸的岸线曲折,岬角伸入海中,相邻岬角之间为海湾或者弧形海岸,例如大窑湾、胶州湾、湄洲湾、大鹏湾等都是非常优良的港址,沙质、粉沙质、淤泥质海岸的岸线都比较平直,三者之间最主要的差别在于海岸泥沙沉积物的中值粒径和粘土含量,以及泥沙运动与海岸特征。 20海港水文xx规范中列有沙质、粉沙质、淤泥质海岸基本特征表(表5,原表10.1.1),摘要如下表5三种海岸类型基本特征基本特征沙质海岸粉沙质海岸淤泥质海岸中值粒径D500.1mmD500.1mmD500.03mm D500.03mm粘土含量%25%25%泥沙运动特征以沿岸输沙为主。 泥沙运动发生在破波带内,以悬移质和推移质形式运动。 以悬移质、异重流、推移质形式运动。 在强动力作用下开挖的航槽易产生骤淤现象。 絮凝现象明显,悬移运动为主。 航槽沉积物固结缓慢,有浮泥显现。 海岸特征海底坡度比较陡,通常大于1/100。 海底坡度比较平缓,通常小于1/400。 海底坡度非常平缓,通常小于1/1000。 海岸泥沙,这是赖以运移的物质。 泥沙是各种粒径的颗粒组成的混合物,中值粒径和粘粒含量可描述泥沙组成的特征,作为水中细颗粒泥沙起动和悬移的标志,这个值非常关键。 海底坡度则是直观的反映。 (2)海岸泥沙海岸泥沙分为河流来沙、海向来沙、当地海岸侵蚀来沙和邻近海域滩面来沙。 如黄河这样的多沙河流,出海口输沙量巨大,入海泥沙可以运移到大口河、莱州湾以远;但是小河的年输沙量甚少,其影响范围较小。 河口处泥沙呈扇状扩散,随潮流运移。 远离海岸线的外海大多为深水,往往海水清澈,呈蔚蓝色,此时海向来沙量可以忽略。 岩石岬角型海岸历经风吹浪打、潮涨潮落,当地岸滩往往形成平衡的横剖面,海岸蚀退形成的泥沙量比较少。 只有在蚀退海岸岸段,例如连云港南的徐圩燕尾港一线,海岸严重侵蚀,岸线形态变化较大,岸滩侵蚀来沙成为重要的沙源;不过慢慢地海滩将会变缓,波浪作用减弱,岸线侵蚀后退变慢,最后恢复平衡。 在粉沙质、淤泥质海岸的港口,例如天津港、黄骅港,港口附近是茫茫的海滩,从历史根源上追溯,可以归结为海河、黄河输沙;还有一些港口如庄河港,虽然离鸭绿江口比较远,但也可以推测是由历史上丹东庄河一线泥沙向西南运移以及当地岸滩侵蚀后形成的。 所以分析泥沙是研究港口泥沙问题的重要组成部分。 一般根据泥沙,寻求减缓港口泥沙淤积的方式与措施。 21 (3)水动力条件泥沙在波浪、潮流作用下产生运动。 业内普遍认同“波浪掀沙、潮流输沙”的模式,即波浪将底沙掀动、悬扬,潮流挟带悬沙运移。 波浪作用主要发生在破波带内。 按照波浪理论和试验成果,缓坡上不规则波的破碎波高H b与破碎水深d b的最大比值为0.600.69。 大多采用两年一遇的设计波高H1%,破碎水深d b以内为破波带,即水下泥沙活动的主要区域。 水体含沙量是非常重要的指标,一般采用全潮平均含沙量,测点较少时也可以用大潮期最大含沙量表示。 例如秦皇岛海域平均含沙量介于0.0090.061kg/m3,平均值约0.028kg/m3。 这说明水体很清,平时落淤量少。 按照海岸动力学的理论,港口的外航道在未开挖的时候,处于水动力与滩面泥沙的动态平衡条件下,天然的滩面几乎没有明显的年际变化;但是一旦开挖了外航道,由于水动力条件依然存在,它会使新的航道界面回复到原来的动态平衡界面,最终渐渐淤平。 同样,在近岸布臵防波堤、开挖航道港池之后,改变了原来的水动力条件,此后一般将发生淤积,趋于形成新的水沙平衡状态。 基于这样的认识,在港口平面布臵时尽量顺应天然的水沙条件,或者使港内波高降低、流速减缓,水动力作用减少,这就减少了港内的泥沙交换。 港内的回流区,可以加剧泥沙沉降,宜缩小回流的范围与流速。 宁波北仑港10万吨铁矿石码头布臵可以作为范例。 码头前沿线布臵于20m等深线处,码头前沿开挖甚少;航道与金塘水道、螺头水道的深泓线基本一致,开挖量也很少。 营运期间港池航道年维护量低于原来的估算量。 后来上海外高桥集装箱港区建设时,码头前沿线也布臵在同一等深线处,取得了良好效果。 大连老港也是平面布臵的典范。 大连湾内水清、水深、流缓,是优良的港址。 大连湾湾口朝ESE,湾口外的常浪向与强浪向都是SE,大孤山半岛形成天然屏障;但是老港区附近水域SE向浪比较频繁,当年运输船又比较小,推算老港区东南向50年一遇H1%=3.56m。 在建了东、北和西北防波堤之后,有效地降低了港内波高。 更巧妙之处是北防波堤至第一第四码头端部约750m,水域比较宽阔;港池东口门约380m,港池西侧开两个口门,这样挟沙水流在港池内很顺畅地来回通过,再加上水体很清的有利条件,泥沙淤积轻微。 虽经几年解放战争,在新中国恢复生产时,港口仍能使用。 希望总图和水文人员灵活地掌握这些原理,22对拟建港口的泥沙问题具有量级的判断,而不必在规划和预可阶段就依靠南科院、天科所的泥沙专业人员。 二、山海关港区泥沙问题初步判断 1、地貌调查研究港口的泥沙问题,通常都从踏勘和地貌调查开始。 据河北省天津市沿海港址概况(以下简称港址概况)与天科所潮流泥沙报告)介绍,本区位于华北地台燕山沉降带中的山海关古隆起区的东侧,岸线微弯成弧形,北东向延伸,依次有金山咀、南山、老龙头、黑山岬角,其间为砂砾质堆积平原充填的复式夷平海岸。 在第四纪初,随着渤海形成,发生大规模的海侵,塑造成蜿蜒曲折的岬角相间的港湾海岸。 在秦皇岛地区,厚度10多米的海相沉积层之下,埋有花岗岩或片麻岩的风化层,其岩性结构与陆上相似,说明该区有较大幅度的下沉。 之后海岸发生较明显的间歇上升,形成、级海积和海蚀阶地以及沙咀沿岸砾石堤等。 石河是山区性河流,发源于河北青龙县秋树岭,上游流经山区,经小陈庄进入平原,在田家庄附近入渤海。 石河长67.5公里,流域面积约600平方公里。 流域内的土质多为砂砾和亚砂土。 山区植被覆盖度约5060%,水土流失不太严重。 石河河床大部分为卵石,河流全程落差约400米,平均坡降5.9,坡陡水急,69月份洪水期径流量占全年的93.1%,河水暴涨暴落。 据19571970年资料统计,多年平均径流量1.68亿立米,多年平均输沙量为11.4万吨。 1972年4月1975年间在小陈庄上游700米处建坝蓄水,水库的库容量7000万立米,坝址以上流域面积560平方公里,拦截了流域内将近一半的径流与大部分泥沙,1975年1980年间年平均输沙量下降到2.5万吨,不足建库前的1/4。 石河建坝后下泄泥沙大大减少,从而使河口泥沙供给不足。 但是历史形成的河口冲积扇还存在,短期内不致有明显的变化。 据一航局勘察设计院(即后来的一航院)推算,山海关船厂西堤堤根部平均淤积强度仅为4050m?/日(推测将有减缓趋势),西堤基本上挡住了西边来的推移质。 长期以来古石河挟带泥沙入海,在河口形成冲积扇,在波浪潮汐作用下砂砾沿西岸/东岸输移,砂砾质沿岸堤发育。 在老龙头以东岸段,细砾较多,低潮线附近有小砾石。 另在山海关船厂以东岸段,还受芷锚湾来的泥沙补给,23中粗砂为主。 在石河上建水库之后,入海泥沙锐减,以及水动力较弱,弧形海岸的纵向泥沙运移趋缓。 外海波浪行近弧形海湾,波能幅散,易产生淤积、夷平岸线。 基于上述海岸地貌演变后,山海关港区近岸处的土层分布为表层为淤泥和亚粘土,中层为中粗砂、砾砂层,下层为强风化层,这也印证了上述分析。 潮流泥沙报告中归纳石河口至环海寺地咀岸段的地貌特征为老龙头东侧岸滩靠近岬角,岸滩沉积物主要为粗中砂或粗砂。 山海关船厂西防波堤前无明显冲淤变化特征,显示附近泥沙运动不活跃。 山海关围垦区东侧岸滩发育有礁石群,但岸滩变化平缓,显示近期岸滩趋于稳定。 山海关船厂以东岸段属于岬湾相间的沙质海岸,沿岸潮间带较窄,有多处礁石发育,显示岸滩侵蚀后退较明显。 沉积物以粗砂或粗中砂为主,含有较多的砾石。 总之,山海关港区附近为岬湾相间的沙质海岸,弧形岸线东段略有淤积、西段微微侵蚀,基本上为稳定岸线。 这与港址概况的分析意见是一致的。 2、海岸动力学分析 (1)沉积物粒径表6岸滩沉积物粒度成果样号名称粒级含量(%)粒度参数砂石粗砂中砂细砂粉砂粘土D50(mm)QdSkN6-1粗中砂CMS0.341.80.00.46370.40-0.07N6-2粗中砂CMS2.829.40.00.4xx.41-0.01N7-1粗砂CS0.50.00.01.27600.390.04N7-2粗砂CS9.288.00.01.37170.43-0.02N8-1粗砂CS13.472.80.00.84570.57-0.08N9-1粗中砂CMS0.634.00.00.43430.41-0.01N9-2粗中砂CMS0.425.00.00.42350.280.04天科所曾在北戴河西侧的洋河口至芷锚湾东边的绥中电厂的沿岸潮间带范围内布设20条采样断面,采集底质泥沙样品(引自泥沙数模报告1316页),部分粒度分析成果列于表6。 N8-1样号在港区东侧,离得最近,此处潮间带沉积物以粗砂居多,中值粒径D500.85mm,分选系数Q d0.57。 粒级含量中粉砂与粘土甚少,说明波浪的分选作用较强,可将细颗粒泥沙带走。 (2)破波带芷锚湾海洋站的测波资料年限较长、代表性较好。 由波浪统计表看,SSW向波浪频率较高,24达%;常风向SSW,频率22.7%,该方向的年平均波高0.65m。 这些都利于泥沙起动,并挟带泥沙作向岸运动。 一般以两年一遇设计波高H1%的破碎水深为破波线。 天科所推算南防波堤堤头附近此设计波高H1%为3m,缓坡上不规则波破碎波高与破碎水深最大比值约在0.600.69之间(此处取0.6),则对应的破碎水深约5m,大约在海底45m等深线附近,此破波线以内为破波带,波浪破碎时可以将海底泥沙掀动和悬浮,并由潮流挟带运移。 从山海关港区附近的海图上看,这里海底坡度比较
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