曹妃甸港区水下泥沙冲淤监测系统

王健，刘家顺，宋利杰

（1.河北理工大学交通与测绘学院，河北 唐山 063009；2.河北理工大学经济管理学院，河北 唐山 063009）

1 曹妃甸港区水下泥沙冲淤特征分析

1.1 曹妃甸港区水域的水沙运动特征

曹妃甸地处渤海湾湾口北侧，是呈NE-SE向的带状沙岛，总面积约16 km2，距离大陆岸线约18 km。曹妃甸前沿深槽属典型的海湾型潮汐通道，最大水深达42 m，是渤海沿岸唯一不需开挖航道和港池即可建设30万吨级大型泊位的天然港址。但由于口门较开敝，除了塑造与维持通道深槽水道的主要潮流动力外，波浪对湾内和通道本身的影响不可忽略，水沙动力过程复杂，泥沙输运具有波流共同作用下运动的特点。曹妃甸港区的开发建设必将对当地水动力环境及水沙运动特性产生一定的影响，造成港池航道内的回淤和风暴潮作用下的骤淤等问题，对港口的安全形成极大的威胁，因此必须根据港区水域泥沙冲淤特征设置合理的泥沙冲淤监测机制。

1.1.1 潮汐与潮流特征

曹妃甸海域主要受南渤海潮波系统控制，潮汐属于不规则半日潮，平均潮差由东向西逐渐增大。据统计，甸头平均高潮位为0.81 m，平均低潮位为-0.73 m，平均潮差为1.54 m。

曹妃甸海域为海湾型潮汐通道，甸头以南深槽基本为东西向的往复流，虽潮差较小，但独特的甸头岬角效应使甸头附近、岬角深槽和边滩潮沟水流最强，岸滩附近流速稍弱。近岸浅海区受地形变化影响，主流流向有顺岸或沿等深线方向流动的趋势。甸头北侧浅滩区以漫滩水流为主，此水流的汇集与分散是维持各潮沟的主要动力[1]。

1.1.2 波浪及风暴潮特征

曹妃甸海域常浪向为S，出现频率为8.6%；次常浪向为SE，出现频率为5.8%；强浪向为ENE，该方向波能占16.5%；次强浪向为NW和NE，两方向波能分别占9.9%和9.1%。波浪分析表明，HP10>1.8 m的中浪和大浪，波能占34.0%，说明波浪对岸滩演变起到重要作用。该海区波浪对泥沙的作用主要反映在横向输沙的沙坝塑造作用和对潮滩滩面的掀沙侵蚀作用，沿岸输沙量相对较弱。

渤海湾沿岸是我国风暴潮最严重地区之一，据塘沽海洋站1950—1981年资料统计，32 a中发生增水1 m以上的风暴潮253次，平均每年7.9次；2 m以上7次，平均4.6年1次；最大增水值为2.52 m。风暴潮主要发生在秋冬季，占全年的76.2%，由E和ES向持续大风引起。曹妃甸海域发生风暴潮的气象背景与塘沽基本一致，但由于位于渤海湾口北部突出部位，缺乏水体集聚的地理条件，相关资料分析认为其增减水幅度约为塘沽的60%～70%[2]。

1.1.3 泥沙输移特征

在小浪或无浪气象条件下，曹妃甸海域含沙量并不大。近年水文测验表明，整体上近岸水域的水体含沙量普遍大于外海深水域。外海深水区约为0.05～0.10 kg/m3，近岸约为0.07～0.15 kg/m3。近岸水域又以甸头为界，西部水域平均含沙量明显大于东部。无论涨潮、落潮，整个海域普遍表现为大潮含沙量大于小潮含沙量。风浪的掀沙作用是影响本海区含沙量变化的重要因素，潮流影响较弱。近年来由于人为活动的影响，例如滦河上游修建水库、河道取水、沿海岸线兴建人工岛堤等使该海域的沙源供给逐步减少，平均含沙量呈总体减少趋势[1]。

曹妃甸海区沉积物的分布由陆向海呈细—粗—细的规律变化，中值粒径也沿水深的分布呈现岸滩粗、深槽细的特点。以甸头分界，沉积物中值粒径分布由西向东呈由小到大的变化趋势，甸头以西海域沉积物分选程度一般，东部海域由岸到海分选程度呈分选一般—分选好—分选一般分布，甸东离岸沙坝海域分选程度最好，说明其受波浪动力作用较强。

1.1.4 波浪潮流作用下的泥沙运动规律

海岸的演变特征和综合治理受制于泥沙问题，波浪与潮流是引起泥沙输移的主要动力因素，“波浪掀沙，潮流输沙”是其主要运动形式。曹妃甸海域涨潮时水体基本呈自东向西运动，随着潮位的升高涨潮水体首先充填曹妃甸浅滩东侧的众多潮沟，随后浅滩北侧部分淹没，与此同时潮流绕过甸头进入西侧潮沟；落潮时水体基本呈自西向东运动，随着潮位的降低，浅滩高处出露，滩面上的水体逐渐归槽，潮沟内的水体也逐渐汇入深槽水域，其中甸头西侧滩面的落潮归槽水流与外海深槽的落潮水流汇合，并绕过甸头与东侧潮沟的落潮水流汇合。甸头具有较明显的岬角效应，涨落潮水流呈现明显的往复流性质，且流向集中，流速较大。曹妃甸海域潮流输沙的一般规律是：水体含沙量与流速、潮差成正相关，涨急、落急含沙量大于涨憩和落憩含沙量，大潮含沙量大于小潮含沙量[1]。

1.2 曹妃甸港区开发前后水动力条件及回淤变化

1.2.1 港区开发前的海床稳定性和冲淤演变

为了解曹妃甸海域长期以来的水深地形变化，交通部天津水运工程科学研究所采用了1934—1983海图进行了断面水深对比，并对曹妃甸海域等深线冲淤的平面变化进行了分析。分析认为曹妃甸海域长期以来海床基本稳定，水深地形多年来呈现基本平衡、略有冲刷的状况，沙坝位置长期以来基本稳定，局部边坡略有淤积[1]。南京水利科学研究院对2004年4月和2006年4月的水深地形资料进行的研究表明，甸头前沿500 m范围内冲深0.5～0.8 m，500～1 000 m范围冲深0.2～0.4 m；甸西近岸800 m范围淤积了0.1～0.6 m；甸东近岸一侧也有一局部淤积区，淤厚最大达0.7 m，可能与施工有关。

1.2.2 港区开发引起水动力条件变化

曹妃甸港区的开发形成以曹妃甸—蛤坨为轴心的大型人工岛式布置格局，并以老龙沟、纳潮河为分界，形成前岛后陆的总体布局，见图1。

图1 渤海湾曹妃甸港区规划示意图

经模拟计算，港区开发后甸头深槽区域流速有所增加，涨潮平均流速增加0.9%，落潮平均流速增加5.7%，甸头前1.5 km处涨潮平均流速增加2.4%，落潮平均流速增加1.1%。流速略有增加有利于维护甸头深槽水深。南堡深槽区域实施开发后流速略有加大，涨潮平均流速增加2.2%，落潮平均流速增加4.1%，水流更加归顺，往复流特征更加明显，有利于维护深槽水深。甸头东侧浅滩，港区东翼围填后阻断了涨落潮时的漫滩水流，使围填区以南浅滩区域涨潮平均流速减少了22.0%，落潮平均流速减少了18.0%，流速的减小会使浅滩上略有淤积。由于浅滩区纳潮量的减少，老龙沟潮汐通道流速有所减小，涨潮平均流速减少11.9%，落潮平均流速减少18.4%，有利于通航安全但不利于水深维护[2]。

围填前滩面水深不足1 m，平均流速小于0.1 m/s，港区围填面积约为310 km2，围填所占的过水断面面积仅为0.3%～1.7%，减小的潮棱体与工程前相比很小，故港区开发对周边水动力环境影响的范围及程度较小[2]。

1.2.3 港区开发实施后港池与航道的回淤分析

与港区围填前相比，由于港区大面积围填阻挡了波浪向浅滩的传播，使得其含沙量大幅减小，外海含沙量则变化不大。南京水利科学研究院采用多年平均波浪和大、中潮组合进行了正常情况下的泥沙冲淤强度计算。计算表明，港区实施围填1年后，甸头前沿深槽年冲深0.15～0.48 m，西侧前沿冲深0.09～0.27 m，东侧前沿冲深0.00～0.20 m，甸头前1.5～3.0 km处冲深0.10～0.21 m，老龙沟航槽年回淤0.06～0.83 m，其中靠近三港池处回淤强度较大；一港池年回淤0.35～1.31 m，淤积部位主要位于靠近口门的回流区域；二港池年回淤0.02～0.99 m，口门附近淤积较大；纳潮河基本没有冲淤变化；三港池年回淤0.03～0.64 m，主要淤积部位为靠近老龙沟的一侧区域[2]。

南京水利科学研究院采用常浪向为SE向偏东6°，10年一遇波浪和大、中潮组合进行了大风浪天气引起的泥沙骤淤强度计算，波浪作用时间为48 h。计算表明，一港池淤积了0.01～0.21 m，淤积部位主要位于靠近口门区域；二港池淤积了0.00～0.20 m，口门附近淤积较大；三港池淤积了0.00～0.07 m，主要淤积部位为靠近老龙沟的一侧区域；老龙沟航槽淤积较多，达0.06～0.55 m，靠近口外一侧航道骤淤强度相对较大[2]。

1.3 构建曹妃甸港区水下泥沙冲淤监测系统的意义

曹妃甸港区自然状态下滩槽基本稳定，处于微冲微淤、外围沙岛缓慢侵蚀的动态平衡状态。港口的开发建设会引起水动力条件的变化，从而造成泥沙冲淤变化。施工建设期间由于吹填造陆的影响，使工程水域的边界条件、水动力以及泥沙环境均有了一定的改变，海床地形已发生了不同程度的冲淤变化，深水环境已经受到威胁。

曹妃甸港口建设是我国一项重大的百年基业工程，受到党和国家及省政府的高度重视和支持，其长期的稳定与安全是一个重大课题。该水域优良的水深条件是建设大港和深水码头的前提，甸前深度达30 m的深槽是整个港区的命脉，其稳定性直接关系着整个港区的未来发展。尽管在建港前期对水深的稳定性已经进行了充分的论证，但为确保港口的持续发展和安全运营，全面准确地认识和掌握水下地形冲淤变化，必须构建曹妃甸港区水下地形冲淤监测系统。通过长期、全面、准确的监测，对监测数据进行科学分析研究，准确掌握冲淤规律，提前采取有效措施，防患于未然，确保港口的长期、高效、安全的使用。另外长期积累的观测资料还将成为掌握变化规律和开展科学研究不可缺少的宝贵资料。

2 曹妃甸港区水下泥沙冲淤监测

2.1 监测的范围与要求

曹妃甸港区水下泥沙冲淤监测的目的是准确掌握泥沙冲淤状态和规律，确保安全长期航运，因此监测的重点应为港池、航道、锚地等区域，而泥沙冲淤状况受整体环境的影响，不是孤立因素，所以监测范围应包括港区整个水域，具体范围：东至老龙沟东侧；南至主航道、大型危险品船舶专用锚地、综合性港区专用锚地南侧；西至南堡；内侧至港区岸线。

曹妃甸港区监测水域范围很大，不同的局部区域冲淤程度不同，对航运来说不同局部的重要程度也不同，采用统一的标准对整个监测范围进行精密监测是非常不合理的。所以从经济与效益相结合的角度出发，对整个港区海域监测的测量比例尺和监测周期采用一般地区与重点地区相结合、大比例尺与小比例尺测量相结合、长周期与短周期相结合的方法，重点区域、严重冲淤区域采用短周期、大比例尺、测量方法采用GPS RTK结合测深仪或多波束测深系统测量，一般地区采用长周期、小比例尺、测量方法采用差分GPS结合测深仪测量或断面测量。具体为：

1）曹妃甸港区一、二、三3个港池是港口内供船舶停泊、作业、驶离和转头操作的水域，承担着包括码头前沿水域、船舶转头水域、港内锚地等作用。前面分析得出港池水域将有较严重回淤，口门附近淤积较大，三港池主要淤积部位为靠近老龙沟的一侧区域，所以港池内进行1∶2 000的水深地形测量，施测周期为每季1次；淤积严重的部位、防波堤处进行1∶1 000水下地形测量，施测周期为每两月或每季1次。

2）老龙沟是港区东侧浅滩附近的一条深沟，为设计航槽。前面的分析认为老龙沟航槽回淤较严重，尤其是靠近三港池处，所以该区域应进行1∶1 000比例尺的水下地形测量，施测周期为每两月或每季1次。

3）码头前沿、甸头前深槽是容易产生冲刷或淤积的位置。无论冲刷还是淤积都会给安全生产带来影响，该区域应进行1∶2 000比例尺的水下地形测量，施测周期为每季1次。

4）对于远离岸线的其他水域，虽然泥沙冲淤对船舶的安全航行、停泊有一定影响，但因远离海岸，港口建设对该区域水动力条件的影响很小，其水深变化小。所以该区域的水下地形测量的比例尺可以选择1∶5 000～1∶10 000之间，测量周期应该较大（可以每1～2 a施测1次）。

上述是以曹妃甸港区开发后回淤变化分析为基础的初步监测方案，待通过较长时间的监测掌握较为准确的冲淤规律后，应对水下地形测量比例尺和测量周期进行适当调整使方案更符合实际情况。在整个监测期间，当发生台风、海啸、风暴潮等特殊情况后应加测1次，以防止冲淤形式在短时间内有较大变化。

2.2 监测方法

曹妃甸港区水下泥沙冲淤监测就是运用精密水下地形测量技术，通过对同一区域周期性的测量，对比前后两期测量结果，获得冲淤数据。目前水下地形测量技术最精确的方法是采用GPS获取平面坐标，测深仪获取深度数据的基本模式。

2.2.1 港池及近岸海域精密水下地形测量的方法

传统的水下地形测量方法是，在测深点上进行水深和平面坐标测量的同时，同步进行水位观测，水位面高程与水深值之差即为该点水底高程。由于测深点处的水位高程是采用距离和时间内插得到的，水位的波动以及内插值的误差直接导致水底高程的误差增大，极大地降低了测量的精度。GPS RTK技术能够实时提供其天线相位中心的厘米级精度的坐标和高程，利用该技术进行水下地形测量，设某测深点处GPS天线相位中心的高程为HGPS，量取GPS天线相位中心到测深仪换能器之间的垂距hG-T，h为该测深点处测得的水深，进而水底点的高程Hb可表达为：

利用GPS RTK技术可以省去传统测量烦琐的过程，提高作业效率，而且得到的是水下地形点厘米级精度的坐标和高程，提高了精度[3]。对于港池内部水域的测量，该方法非常适用；对于其他近岸水域，由于风浪等情况造成船体的运动和倾斜，水深测量数据h不是换能器到水底的铅垂距离，所以实际测量数据需要进行测船姿态改正；对于远离岸线的水域，由于GPS RTK的差分信号传播距离有限，所以该方法不适用。

1）岸上控制测量的方法和要求。采用GPS RTK技术需要在岸上精度较高的控制点上架设基准站，所以首先要在海岸上进行控制测量。岸上控制点必须布设在稳定且便于利用GPS接收机进行观测的位置，控制点的密度应根据GPS基准站与移动站之间数据链的传播能力来设计。曹妃甸港区海岸线长达50～60 km以上，平面控制网应采用静态GPS定位技术按《全球定位系统城市测量技术规程》四等GPS观测技术要求进行测量。平面坐标系统应选择1954年北京坐标系，投影带中央子午线应选择118°30′，这样的坐标系统既有利于减小投影变形，又有利于保持与前期测量资料坐标系的统一性。高程控制网应以港区已有高等级水准点为基础按三等或三等以上水准测量的技术要求施测。岸上控制网要与已建立的地面控制网联测，从而保持统一的坐标和高程系统。

2）GPS RTK结合测深仪进行精密水下地形测量的要求。在测量前需要对测区进行测线设计，《海道测量规范》对不同需求测线做了定量而详细的要求。一般来说，测线方向应垂直于等深线方向或水流方向，图上主测深线的间隔为1 cm，对一些复杂海区和使用者有特殊要求的，有时还要布设0.25～0.5 cm的更小间隔的测线，称为加密线。在测线布设时，还应该考虑水下地形的变化情况，对变化相对平坦的地区，测线间距可以适当放宽，否则，需加密测线，使水下地形变化复杂地区的测量成果能更好地反映水下地形的真实面貌。

利用测深仪沿测深线测量水下地形点时，测量点的密度应能显示水下地形特征，并符合表1规定。

表1 水下地形测量的测深点间距及等高距

3）利用多波束测深系统进行精密水下地形测量的要求。多波束测深方法是精密水下地形测量的一种基本手段，其能够在进行测深和定位的同时进行姿态（即测船的横摇、纵摇、起伏）测量，具有高分辨率、全覆盖、效率高的特点，其测量数据精度高、密度大，适用于对海底地形地貌的监测和研究工作[4]。利用多波束测深系统进行精密水下地形测量，需要经过方案设计、系统安装与校准、实地测量和内业处理几个步骤。方案设计包括设计合理船速、扫测带宽度、测线重叠带宽度、测线位置布设等，多波束的测深线方向应大致平行于等深线的方向，同时为了保证测量质量和全覆盖的测量要求，相邻扫测带之间应有10%～15%的重叠。安装与校准工作包括系统各传感器的安装与校准，船艏向的校准与测船坐标系的建立，横摇、纵摇、时延、起伏4个方面安装偏差的校准。实地测量过程中应进行换能器的实际吃水和声速剖面测量，以便进行吃水变化改正和声速改正，测船偏离设计航线应小于测线间距的20%。对曹妃甸港区的水下泥沙冲淤监测是通过周期性的精密水下地形测量实现的，在进行各次测量作业时测量路线要相同，系统安装和校准工作也应保持一致，这样有利于比较各次测量数据，消除系统性误差的影响。

2.2.2 远离海岸水域的水下地形测量的方法和要求

曹妃甸港区监测海域远离海岸的区域，其水下地形测量也需经过方案设计、设备安装校准、实地测量和内业处理几个步骤，测量过程中应根据设备的参数和性能以及水下地形测量比例尺的技术要求来进行。由于GPS RTK的信号传播范围有限，所以其定位方式应采用其他GPS差分方式，目前利用StarFire网络在全球范围内提供的GPS差分信号能够获得分米级精度的定位，是一种比较合适的方式。远离海岸水域风浪和潮汐显著，为了获得水下地形点的高程，必须进行水位观测，并对水深测量的结果进行水位改正。水深测量的精度受风浪和潮汐的影响较大，实际作业中应认真观测声速剖面。利用多波束测深时，除中央波束外，其他波束均与垂向有一定的夹角，声速剖面的准确与否直接影响波束归位计算，尤其是边缘波束，不准确的声速剖面会导致相邻条带在公共覆盖区所测地形与实际地形不匹配。

2.3 观测数据的整理与冲淤量的计算

观测数据的整理是将外业观测的大量坐标、高程、水位、水深数据按点进行配付和计算，从而得到水下地形点各期观测的坐标和高程。

水下泥沙冲淤量依据精密测量的结果来计算。设某监测区域的面积为S，测区范围内水下最低高程为h0，计算淤积量的参考高程可设为H（H≤h0，考虑到由于海底泥沙冲淤变化，各期地形测量的h0不同，H要比最小的h0值还要小），某3个相邻地形点构成的面积为ΔS（ΔS的值可以利用3个地形点的坐标值计算出来），某期观测时ΔS范围内自然水下地形面与参考高程H面之间的泥沙体积ΔV为：

式中：h1，h2，h3分别为水下地形点1，2，3点的实测高程H1，H2，H3与参考高程 H 之差[5]，见图2。

设某监测区域S范围内三角形个数为n，则该区的水下自然地形面到参考高程面之间的泥沙量为：

利用式（3）可以算出各观测时期的泥沙量：V1，V2，V3，V4，……，进而求出相应时期的淤积量：ΔV1，ΔV2，ΔV3，……。ΔV1=V1-V2，ΔV2=V2-V3，ΔV3=V3-V4，……。

图2 相邻3个测点构成的三角柱示意图

利用多次周期性的水下精密地形测量结果计算泥沙淤积量，进而计算淤积速度和分析淤积变化规律。计算同一区域各期淤积量时要注意每次选择的参考高程面H和淤积区域S要相同。

3 结语

曹妃甸港口的建设是我国一项重大的百年工程，甸前深槽的稳定性关系着港区发展的命脉，而航道、港池、泊位、锚地等的泥沙冲淤问题也对港口发展与稳定具有重要影响。因此，应根据各个区域的泥沙冲淤状况及其对港口生产影响的重要程度，设置出相应合理的泥沙冲淤监测方案，从而建立起整个港区水域的泥沙冲淤监测系统。在准确掌握泥沙冲淤规律的基础上适时采取有效处理措施，是确保港口长期安全稳定、高效生产的有效手段。

[1]杨华，赵洪波，吴以喜.曹妃甸海域水文泥沙环境及冲淤演变分析[J].水道港口，2005，26（3）：130-133.

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[5]张红梅，赵建虎.水库库容和淤积量精密测量及计算方法研究[J].武汉大学学报，2003，36（5）：26-29.

[6]GB12327-1998，海道测量规范[S].