強潮河口進港航道水深保證率分析
——以上虞液體化工碼頭為例

俞婷婷，黃姿菡，楊元平，吳子嶸

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規劃設計研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018）

0 前 言

錢塘江河口段河道寬淺，潮強流急，含沙量高，河床沖淤變幅大，主流擺動頻繁[1]，且沒有固定的航道，不利于船舶航行及碼頭作業，河口段航運發展極為緩慢。鑒于錢塘江河口段南岸經濟發展，亟需提高錢塘江船舶通航能力，但因該段水域受上游徑流和下游潮汐的共同作用，河床沖淤變化劇烈，難以采用設計通航低水位下的水深確定碼頭通航水深條件，需通過潮位、水下地形聯合分析方法得出碼頭水域通航水深保證率[2-3]。

杭州灣港區液體化工碼頭位于錢塘江河口尖山河灣南岸上虞、余姚交界，地處河口凹岸（見圖1）。

圖1 擬建碼頭布置范圍示意圖

碼頭設計為開敞式碼頭，以油船和液化氣船為設計代表船型，等級為3 000 t 級，其中3 000DWT油船滿載和空載吃水分別為5.90 m 和4.00 m。實際承運船舶為“南嶼6 號”，滿載和空載吃水分別為5.00 m 和2.60 m。在徑潮流共同作用及人類活動影響下，碼頭所在河段河床沖淤幅度大，在此自然條件下，進港航道通航水深保證率分析是碼頭工程建設的關鍵問題。

以此為例，基于近年來錢塘江河口實測水文、地形資料，對上虞杭州灣港區液體化工碼頭工程進港航道通航水深保證率進行分析[4]，為該工程可行性研究提供技術支撐。

1 工程河段水文及航道沖淤分析

1.1 水文特征

工程區域潮流性質為非正規半日淺海潮流，最大漲落潮流速出現在中潮位附近，而高、低潮時附近則出現憩流，潮波趨近駐波。漲、落潮流向較為集中，屬于較為典型的往復流水域。碼頭前沿實測最大漲潮、落潮流速分別為4.44 m/s、3.51 m/s。

2009 年5 月以來，對上虞港區進行了連續的潮位觀測，港區多年平均高潮位3.93 m，多年平均低潮位-2.20 m，平均潮差6.13 m，多年平均漲潮歷時3 h 51 min，多年平均落潮歷時8 h 34 min。

1.2 工程河段河床沖淤分析

1）年際沖淤。工程河段河床自2007 年北岸尖山圍涂基本實施到位，北岸線向南最大推進約5.5 km，尖山河灣彎道的環流效應增強，凸岸（北岸）不斷淤積，尖山河段北岸近岸處河床淤積近1.00～2.00 m。北岸邊灘的淤漲，逼使落潮流快速南拐，漲潮流穩定地傍南側上溯。經南股槽上溯的漲潮流又受到水域內中沙的壓縮，致使南股槽的深槽線緊貼沿岸塘腳，隨著上虞-余姚河段圍墾逐步完成，貼岸深槽不斷北推，最終在上虞港區附近形成了貼岸深槽。2007 年以來上虞貼岸深槽處整體沖刷，局部河床在13 a 內沖刷幅度達4.00～5.00 m（見圖2）。

圖2 2007 年11 月—2020 年11 月河床沖淤圖

2）年內沖淤。工程河段2020 年4 月至11 月曹娥江-澉浦河段整體呈淤積態勢見圖3。河床容積統計結果表明，多高容積減小約0.41 億m3，年內表現為洪淤枯沖。工程河段河床沖淤主要表現為：一是洪水期北股槽淤積，局部淤高約3.00 m，南股槽-5.00 m 等高線向上游發展，頭部位置有所刷深，局部刷深約2.00～3.00 m；上虞至余姚離岸1.0～3.0 km 范圍發生明顯沖刷，但南岸貼岸深槽近岸500.0 m 范圍內淤積顯著，液體化工碼頭附近淤高4.00～5.00 m。二是枯水期北股槽沖刷，南股槽淤積；上虞至余姚離岸1.00～2.00 km 范圍略有淤積，但貼岸深槽近岸500.00 m 范圍內沖刷，液體化工碼頭附近刷深1.00～2.00 m。

圖3 2020 年4—11 月河床沖淤圖

1.3 進港航道沖淤分析

船舶經由南股槽進出上虞港，河段南支主槽、南股槽的沖淤變化十分劇烈，深泓游蕩性大，工程河段目前無固定航道。本文研究時假定不考慮航道軸線與水流的夾角對通航的影響，基于上虞-余姚規劃治導線基本實施到位后的2013—2020 年24 次江道測圖，將各主槽在各斷面的最深點連線（即深泓線）作為航道中心線（見圖4）。從圖4 中可以看出，航道擺幅較大，難以選擇固定的航線。航道整體上沿NE-SW 走向，在南股槽及貼岸深槽航行至液體化工碼頭處。

圖4 2013—2020 年南槽深泓線圖

圖5展示了航槽各斷面深泓線高程的歷年變化。由圖5 可知，各斷面航道平均高程為-9.60～-4.80 m。由于南股槽是漲潮沖刷槽，越往上游河床高程越高，該段航道礙航點主要位于液體化工碼頭附近水域，航道歷次礙航點高程為-5.10～-1.50 m，平均為-3.50 m。在2013—2020 年總計24 個測次中，航道礙航位置在液體化工碼頭至臨海浦新閘段共計出現15 次，在臨海浦新閘至陶家路閘段共計出現9 次。

圖5 南槽深泓線高程圖

2 通航水深保證率分析

2.1 計算方法

外海海床穩定，年際、年內沖淤變化對船舶通航水深保證率影響極小，《港口與航道水文規范》[5]（以下簡稱規范）常規方法就可滿足統計分析需求。錢塘江水域條件復雜，河床沖淤變化較大，與外海穩定的海床有極大差異，進港航道通航水深保證率的確定需結合錢塘江水文情勢和河床演變特點，分析各統計參數。

錢塘江河口船舶進港須乘潮運行，船舶乘潮通航情況下，通航水深保證率即為某個乘潮潮位累積頻率。依據《規范》，首先應分析乘潮所需時間，在此基礎上統計各潮中滿足此時間前提下的乘潮潮位累積曲線，再根據航道淺段河床地形和船舶通航水深要求，求得所需乘潮潮位，從乘潮潮位累積曲線中查得相應累積率即為乘潮通航水深保證率。

近10 a 來，錢塘江河口呈現高潮位抬升、潮差增大的趨勢。高潮位和潮差對乘潮水位的計算影響較大，為反映現狀潮汐特征下各潮位站的乘潮水位累積頻率，采用最新的2019 年潮位數據進行分析。上虞港站有連續1 a 的潮位觀測資料，統計乘潮水位累積頻率見圖6。

圖6 各乘潮歷時條件下上虞港累積乘潮水位圖

2.2 航道通航水深保證率結果分析

2.2.1 滿載乘潮水深保證率

假定碼頭前沿水深條件不影響船舶作業，考慮船舶裝卸時間為2 h、3 h、4 h 共3 種情況，船舶航速為8 節，采用液體化工碼頭潮位分析礙航點位于各河段所需的乘潮時間，乘潮歷時過程見圖7。

圖7 滿進滿出乘潮歷時示意圖

1）若礙航點位于QR72～QR75 斷面間，該段航道距碼頭前沿最遠距離約5.0 km，單程所需航行時間約0.35 h，則往返和裝卸作業總計需要的乘潮歷時為2.7 h、3.7 h、4.7 h；

2）若礙航點位于QR76～QR80 斷面間，該段航道距碼頭前沿最遠距離約12.7 km，單程所需航行時間約0.85 h，則往返和裝卸作業總計需要的乘潮歷時為3.7 h、4.7 h、5.7 h。

基于各代表船型所需的航道水深，考慮不同裝卸貨時間對應的的累積乘潮水位，計算航道的乘潮通航保證率。

對于本航段，若船舶裝卸貨時長為2 h，3 000 t級油船和液化氣船多年平均通航保證率分別為28.0%和11.1%，南嶼6 號多年平均通航保證率為56.4%；若船舶裝卸貨時長為3 h，3 000 t 級油船和液化氣船多年平均通航保證率分別為11.7%和2.9%，南嶼6 號多年平均通航保證率為33.2%；若船舶裝卸貨時長為4 h，3 000 t 級油船多年平均通航保證率為2.3%，3 000 t 級液化氣船多年平均通航保證率為0，即無法通航，南嶼6 號多年平均通航保證率為11.7%。上虞杭州灣港區液體化工碼頭出海航道乘潮通航保證率受航道地形變化影響極大，如2017—2018 年3 000 t 級油船和液化氣船全年平均通航保證率幾乎為0，南嶼6 號在裝卸貨4 h情況下全年平均通航保證率也為0。

2.2.2 滿進空出乘潮水深保證率

因實際運行過程中，船舶進港卸貨后即空載出港，水深保證率較低，現考慮3 000 t 級油船（設計船型）和南嶼6 號（實際船型）在滿載進港、空載出港的情況下，所需的乘潮通航水深保證率，空載出港時3 000 t 級油船吃水按4.00 m 考慮，南嶼6 號吃水按2.60 m 考慮。

在空載出港的情況下，若船舶裝卸貨時長為2 h，3 000 t 級油船和南嶼6 號多年平均通航水深保證率分別為53.7%和80.4%；若船舶裝卸貨時長為3 h，3 000 t 級游油船和南嶼6 號多年平均通航水深保證率分別為38.6%和74.5%；若船舶裝卸貨時長為4 h，3 000 t 級油船和南嶼6 號多年平均通航水深保證率分別為19.9%和60.1%?？梢园l現，相較滿載進港、滿載出港的運行過程，滿載進港、空載出港的情況下，設計船型和實際船型的乘潮通航水深保證率均有提高，尤其是南嶼6 號，在裝卸時間較長的方案下通航水深保證率有顯著提高。

3 結 論

選用長系列實測水下地形資料確定無固定航道的航線，通過潮位過程與河床高程確定通航水深，考慮航道運行調度，計算進港航道通航水深保證率，為強潮河口進港航道通航水深保證率確定提供計算方法。主要結論如下：

1）工程河段自2007 年以來上虞貼岸深槽處整體沖刷，局部河床在13 a 內沖刷幅度達4.0～5.0 m，河床年內呈洪淤潮沖特性。航道平均高程-9.60～-4.80 m，礙航點主要位于碼頭附近水域，歷次礙航點高程為-5.10～-1.50 m，平均為-3.50 m。

2）上虞港90%保證率下乘潮2 h、3 h、4 h 的乘潮水位分別為2.35 m、2.02 m 和1.53 m。

3）實際運營中，船舶以“三乘三避”為原則，采用滿載進港、空載出港的作業方式。對于設計船型（3 000 t 級油船液化氣船），船舶裝卸時間在2 h、3 h 和4 h 的情況下，多年平均乘潮通航保證率分別為53.7%、38.6%和19.9%。對于實際運營船型（南嶼6 號），船舶裝卸時間在2 h、3 h和4 h 的情況下，多年平均乘潮通航保證率分別為80.4%、74.5%和60.1%。

4）建議碼頭建設設計時盡可能優化裝卸工藝，減少船舶裝卸時間，以此提高船舶乘潮通航保證率，進而提高碼頭吞吐量和作業效率。