（水利工程专业论文）开敞式航道粉砂骤淤的随机分析.pdf

开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 摘要 我国自东北沿渤海湾向南至长江口北部存在不少粉砂质海岸段。近年来，随 着经济的发展，沿海地区相继提出了建港辟航的要求，如：河北京唐港、沧州港 ( 原黄骅港) ，山东潍坊港、东营港，江苏如东港。这些己建或在建港口及航道 相继发生了较严重的泥沙回淤问题。以沧州港为例，自2 0 0 1 年基本建成后至今， 沧州港为北煤南运开始发挥了巨大作用，取得良好的经济效益。但在大风浪条件 下，航道发生了较严重的骤淤现象。次大风的骤淤量可达到1 0 0 3 0 0 1 0 4 m 3 ， 风后水深淤浅1 5 2 o m ，尤其是2 0 0 3 年1 0 月1 0 日1 3 日发生的一次9 级大风， 外航道总淤积量达到8 7 6 x 1 0 4 n 2 3 ，最大淤强达3 5 m ，淤强大于2 m 的分布长度达 到1 6 k m ，严重影响港口的正常运营，造成了巨大的经济损失。鉴于现有的二维、 三维潮流数值模式难以预测粉砂在大风作用下的骤淤变化，因此，研究粉砂质海 岸的泥沙运动和淤积量的长期预测己提上议事日程，该问题的解决无疑具有重要 实际意义。本文主要研究内容包括： 1 广泛收集沧州港区海洋水文、气象、泥沙观测资料及数模、试验成果， 为开敞式航道粉砂骤淤计算公式的提出奠定基础。 2 采用以能量平衡为基础而建立的外航道粉砂骤淤计算公式，对大风条件 下的粉砂淤积量进行后报，并与收集到的实测骤淤量进行比较，率定公式中的待 定参数。根据1 9 7 9 年2 0 0 3 年期间的大风观测数据，后报的每年最大风况产生 的外航道粉砂骤淤量。 3 在有效风能概念的基础上，以变化过程为基础，建立外航道粉砂骤淤的 计算公式。根据长期大风观测数据，后报1 9 7 9 年2 0 0 3 年期间的每年最大粉砂 骤淤量。 4 基于优化理论，比选多种单因素极值统计模式，对年最大粉砂骤淤量进 行长期统计预测，估计骤淤量的重现值，为港口航道的防淤减淤工程提供必要的 技术参数。 关键词：粉砂；骤淤；有效风能；随机分析；防淤工程 s t o c h a s t i ca n a l y s i so fs u d d e ns i l t a t i o no fs i l t ys a n d i no p e nc h a n n e l a b s t r a c t f r o mb o h a ib a yt ot h en o r t h e mb a n ko fy a n g t z er i v e r , t h e r ee x i s tm a n y s i l t s a n d yb e a c h e s i nr e c e n ty e a r s ，t h es e ap o r t sa n dt h en a v i g a t i o nc h a n n e l sa r eb u i l t o rb e e nb u i l d i n gt os a t i s f yr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nt h ea b o v ec o a s t a la r e a s ， s u c ha sj i n g t a n gp o r ta n dc a n g z l l o up o r ti nh e b e ip r o v i n c e ，w e i f a n gp o r ta n d d o n g y i n gp o r t i ns h a n d o n gp r o v i n c e ，a n dr u d o n gp o r ti nj i a n g s up r o v i n c e m e a n w l l i l e ，s e r i o u ss i l to c c u r r e di nt h e s en e a r s h o r ea r e a s f o re x a m p l e ，c a n g z h o u p o r tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et ot r a n s p o r tt h en o r t h e r nc o a lt ot h es o u t ha n dm a k e s h u g ee c o n o m i cb e n e f i ts i n c ei t sc o m p l e t i o ni n2 0 0 1 h o w e v e r , s u d d e ns i l to c c u r r e di n i t sn a v i g a t i o nc h a n n e lu n d e rs t r o n gw i n d s t h es i l t a t i o nv o l u m em a yr e a c hl 3m m a f t e ras t r o n gw i n d t h es i l t a t i o nd e p t hc a nb eu pt o1 5 2m s of a r , t h em a x i m u ms i l t p h e n o m e n o nh a do c c u r r e da f t e ra9 一s c a l ew i n df r o m1 0 t ht o1 3 t hi nt h eo c t o b e ro f 2 0 0 3 t h et o t a lv o l u m ew a s8 7 6m m a n dt h em a x i m u ms i l td e p t hw a s3 5m t h e d i s t r i b u t i o nl e n g t ho fs i l ta r e aw i t h2 ms i l td e p t hi sm o r et h a n16 k i n t h es i l t ys a n d s i l t a t i o ns e v e r e l yi n f l u e n c e d t h en o r m a lo p e r a t i o no fc a n g z h o up o r ta n dm a d e e n o r m o u se c o n o m i cl o s s b e c a u s ep r e s e n tt w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e lc a n n o tb eu s e dt op r e d i c ts a n ds i l t a t i o nu n d e rs t r o n gw i n d s ，h o wt o c a l c u l a t es i l tv o l u m ei sp u to nt h ea g e n d a 1 1 1 em a i nc o n t e n to ft h i sp 印e ri sa s f o l l o w s ： 1 t oc o l l e c to c e a n o 伊a p l l i ch y d r o l o g i c a ld a t a , m e t e o r o l o g i c a ld a t a , s e d i m e n t d a t aa n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s t ，w h i c hc o n d u c et ot h ef o r m u l ad e r i v a t i o n f o re s t i m a t i n gs i l t a t i o nv o l u m ei no p e nc h a n n e l 2 b a s e do nt h ec o n c e p to fe n e r g yb a l a n c e ，a ne m p i r i c a lf o r m u l ai ss e tu pt o h i n d c a s tt h ev o l u m eo fs i l t s a n ds u d d e ns i l t a t i o nu n d e rs t r o n gw i n d s 1 1 1 ec o e f f i c i e n t s o ft h ee q u a t i o n sa r ed e t e r m i n e db yu s i n go b s e r v e dd a t a t h e nah i s t o r i c a ls e r i e so f s i l t a t i o nv o l u m e sc a nb eh i n d c a s t e db ys a m p l i n gm a x i m u ma n n u a lw i n do b s e r v e d f r o m1 9 7 9t o2 0 0 3 3 o nm eb a s eo fe f f e c t i v ew i n de n e r g y ，a n o t h e re m p i r i c a lf o r m u l ai sa l s o p r o p o s e dt oh i n d c a s tt l l es i l t a t i o nv o l u m e as t a t i s t i c a ls e r i e so fa n n u a lm a x i m u m s u d d e ns i l t a t i o nv o l u m e si so b t a i n e df o rl o n g t e r mp r e d i c t i o n 4 f o u rk i n d so fu n i v a r i a t es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o na r eu t i l i z e df o rs u d d e ns i l t a t i o n s t o c h a s t i ca n a l y s i s n l eo p t i m u md i s t r i b u t i o ni ss e l e c t e dw i t ho p t i m i z a t i o nt h e o r y n l er e t u r nv a l u e so fs u d d e ns i l t a t i o nv u l u m e sa r ee s t i m a t e df o re n g i n e e r i n gd e s i g no f s i l tp r e v e n t i o n k e yw o r d s ：s i l t - s a n d ；s u d d e ns i l t a t i o n ；e f f e c t i v ew i n de n e r g y ；s t o c h a s t i ca n a l y s i s ； s i l tp r e v e n t i o ne n g i n e e r i n g 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 0 前言 沧州港( 原黄骅港) 位于河北省沧州市以东约9 0 k m 的渤海之滨，东经 1 1 7 0 5 3 ，北纬3 8 0 1 8 ，北距天津港1 0 5 k m ，南至黄河入海口1 5 6 k m ，是我国西煤 东运第二大通道的出海口，一期工程设计年煤炭出海能力3 0 0 0 1 0 4 吨，建设2 座5 x 1 0 4 吨级和1 座3 5 1 0 4 吨级泊位，外航道长3 l k m 。其平面布置如图o 1 。 图o 1 沧州港平面布置图 自2 0 0 1 年基本建成后至今，为北煤南运发挥了巨大作用，取得良好的经济 效益。但在大风浪条件下，航道发生了较严重的骤淤问题。一次大风的骤淤量可 达到1 0 0 3 0 0 x 1 0 4 m 3 ，风后水深淤浅1 5 2 o m ，尤其是2 0 0 3 年1 0 月1 0b - 1 3 日发生的一次9 级大风，外航道总淤积量达到8 7 6 1 0 4 m 3 ，最大淤强达3 5 m ，淤 强大于2 m 的分布长度达到1 6 k m ，严重影响了港口的正常运营，造成巨大经济 损失。如何建立实用有效的航道淤积计算公式，准确泥沙预测淤积量，对于建设 防淤减淤工程，提供港口营运能力有重要实际意义。 0 1 研究目的和意义 河口海岸地区是能量流和物质流的重要聚散地带。该区域资源丰富、交通便 利、人1 2 1 密集、经济发达、开发程度较高，同时也存在着严重的环境变异、资源 破坏等问题，对区域发展造成了重大影响。我国具有相当长的海岸线和众多海湾， 各大流域的高强度开发对河1 2 1 和邻岸带来了直接和间接的深远影响。新世纪我国 中国海洋大学硕士学位论文 的河1 3 海岸面i 临着四个方面的挑战：入海泥沙量急剧减少；入海污染物质显著增 加：滨海湿地丧失；全球海平面对中国低海岸地带的严重威胁。为此，河口海岸 环境变异的研究，无疑是非常重要而迫切的问题，而河口海岸的泥沙问题是研究 河口海岸最为重要的基础性问题。 中国海岸线长约1 8 0 0 0 k m ，拥有3 7 k m 2 的领海和约3 0 0 1 0 4 k m 2 的海洋专属经 济区。天然的河口海岸地区长期处于多种动力因素的共同作用下达到了一种“准 平衡系统”。人们为了充分开发和利用海洋资源，促进国民经济的发展，在河1 3 海岸地区进行港口建设、河口治理、海岸防护、海涂围垦、排污入海、环境保护、 潮汐发电、海水养殖及旅游业等开发利用，这些活动将使原有的动力平衡系统重 新调整，达到一种新的平衡。因此，对河口海岸地区的自然现象进行认真而细致 的理论研究，充分揭示其内部运动规律，不仅可以了解河口及海岸的演变规律， 而且对保护海岸环境，控制并治理海洋污染有着深刻而重要的意义。 我国的泥沙研究在国际上是处于领先的，自1 9 5 8 年从天津新港回淤研究至 今，经专家、教授和工程师们的潜心钻研，我国在淤泥质海岸及粘性泥沙运动研 究领域取得了长足进展，在泥沙理论和工程实践方面取得了巨大成就，形成了我 国泥沙研究的特色。在松散泥沙研究方面，我国也取得了巨大成就，促进了沙质 海岸的防护与海岸工程的建设。但在泥质海岸与沙质海岸交接的粉砂质海岸方 面，以往研究甚少，一方面由于在粉砂质海岸上工程建设较少，另一方面也由于 粉砂质海岸的泥沙运动比粘性淤泥和松散泥沙复杂得多。在海洋动力作用下，粉 砂运动特别活跃，在该区建设港航工程，极易造成骤淤和断航的危险，风险极大， 因而有“谈粉色变”，视粉砂为禁区之说，不敢轻易在粉砂质海岸上建设港航工 程。 我国自东北沿渤海湾向南至长江口北存在不少粉砂质海岸段。近年来，随着 经济的发展，这些地区相继提出了建港辟航的要求，如：大连庄河港，河北京唐 港、沧州港，山东滨州港，潍坊港、东营港，江苏如东港。粉砂质海岸的航道淤 积成为该类海岸建港中的关键。在已经建成的或正在建设的港口航道相继发生了 较严重的泥沙回淤问题，影响了港口航道的正常建设与运营，有的甚至被迫停建， 因此研究粉砂质海岸的泥沙运动和淤积计算己提上议事日程，该问题的解决无疑 具有重要实际意义。 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 0 2 相关研究工作的回顾 目前，研究水沙问题的方法主要有两种：物理模型和数学模型。这两种方法 都是以现场资料作为试验的基础，但各有其适用范围和优缺点。就物理模型而言， 主要存在着比尺效应，投资大，周期长，可移植性差，很难完全适应多因素、大 范围、多方案的工程规划问题。而物理模型的缺点正好是数学模型的优点。近几 十年来，随着计算机与计算技术的发展，数学模型被越来越广泛地应用于解决近 岸工程实际问题 1 0 , 1 3 , 5 0 , 5 1 , 7 9 】。 近年来，用数学模型来解决河口、海岸大范围、多因素( 如风、浪、流、潮 汐、含盐度、泥沙) 等之间的相互作用及其在海岸工程中的应用越来越受到人们 的重视 7 , 1 5 , 6 8 , 7 3 】。潮流数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代，7 0 年代末便有大量研究成 果问世。潮流数学模型主要有两种：二维数学模型和三维数学模型。由于河口海 岸地区属于宽浅型区域，即水平尺度远大于垂直尺度，因此将实际的三维潮流运 动的三维模型沿垂向积分而得到的二维潮流模型得到了广泛的应用，被更多地用 于研究海湾与海峡区域的潮汐和潮流 2 2 , 4 5 , 4 7 , 5 2 1 。海岸工程潮流场计算2 】，为环 境工程提供潮流场【4 9 】，获得了不少经验 2 3 , 2 5 , 3 3 】。在一些需要了解潮流垂直结构的 课题中要求能模拟三维潮流场。随着计算机内存的增大和计算技术的发展，三维 流场模型得到了较广泛的应用 3 6 , 4 3 , 7 2 1 。根据河口海岸区尺度的不同，人们开发了 大量的一、二维衔接的数学模型1 ，6 7 1 ，既要能模拟象整个海湾那样的大海域的 潮流场( 研究其整体流场、分析潮流特性、为局部工程海域潮流场详细计算的数 学模型提供边界条件和验证条件) ，又要能模拟海岸工程、环境工程的工程海域 的潮流场，既有二维模拟又要有三维模拟。 泥沙数学模型的研究是从一维开始的，经过数十年的研究和应用，一维泥沙 数学模型已较成熟，在国内，诸裕良等【1 6 】建立了一维河网非恒定流及悬沙数学模 型，提出了节点悬沙控制法，并成功用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值 计算。林秉南等【3 9 1 通过分析泥沙沉积速度与含沙量之间的关系以及不同时段半潮 平均挟沙力，建立了钱塘江河口的一维悬沙模型。二维泥沙模型可以对泥沙的对 流、扩散、冲刷、淤积等动力过程以及底部泥沙固结机制进行模拟，二维泥沙模 型一般可分为平面二维和垂向二维模型，平面二维泥沙数学模型建立在垂向平均 的基础上，能够模拟出区域泥沙场的平面分布，而垂向二维能够反映泥沙剖面的 中国海洋大学硕士学位论文 分布以及泥沙底边界的某些动力过程。m e a d 7 4 时使用垂向二维和平面二维的 泥沙模型研究河口内挖槽区的淤积问题，并对其做了比较。在我国，利用二维数 学模型来研究泥沙问题发展也很迅速，如张士奇等【6 2 l 利用一、二维衔接的数学模 型对黄河口冲淤进行了研究，在河道中用一维模式，在河口用二维模式。叶锦培 等【删对涨落潮使用不同挟沙力公式，建立了二维泥沙模型并应用于珠江口磨刀门 潮流输沙的计算。曹文洪等【4 】开发建立了适合黄河河口近岸应用的平面二维动边 界非恒定水流泥沙数学模型。严以新等【5 6 】建立了三维水域全隐水沙数学模型并成 功应用于珠江三角洲航道整治工程。窦国仁等 2 0 l 建立了波浪和潮流作用下包括悬 沙和底沙在内的全沙数学模型。由于泥沙问题本身是个三维问题，二维模型不能 成分模拟出泥沙的三维特性，因此，不少学者及工程人员研究建立了三维泥沙模 型来模拟泥沙的运动。r j j n 7 7 , 7 5 】在研究了一些基本物理参数的影响下建立了一个 在缓变流下的三维悬沙输运模型。0 c o n n o r 和n i c h o l s o 7 5 1 建立了一个三维粘性 泥沙模型。国内学者也对三维泥沙数学模型进行了研究和应用l l l ，1 7 ，2 7 3 6 - 3 7 3 8 ，4 们。 随着计算机技术的迅速发展，模拟河口海岸水动力及物质输运的数学模型已 经向集成化、大型化、多功能化发展，如丹麦d h i 开发的m i k e 2 1 ，m i k e 3 、荷 兰d e l f th y d r a u l i c 开发的d e l f t 3 d 和美国f l u e n t 公司的f l u e n t 软件。 我国沿渤海湾向南至长江口以北存在不少粉砂质海岸段。随着这些地区建港 的要求，粉砂质海岸的泥沙研究是近年来得到快速的发展。其研究虽然只有4 5 年的时间，但已有不少成果问世。在粉砂质海岸的界定方面，韩西军【2 4 】提出在淤 泥质海岸或砂质海岸中，粉砂成份超过4 0 时，该海岸即为粉砂质海岸，这种海 岸泥沙的起动流速小，泥沙运动同时存在悬移质和推移质；徐宏明等【5 4 】认为海岸 泥沙平均中值粒径d 5 0 在o 0 3 l m m o 1 2 m m 之间为粉砂质海岸；曹祖德等f 4 7 结合 泥沙分类将粉砂质海岸泥沙平均中值粒径界定在0 0 3 l m m - - - 0 1 2 5 m m ，并提出要 考虑粘性物质含量的影响。曹祖德【6 】得出了粉砂质海岸泥沙运动时推移质与悬移 质之间的比例关系( 简称推悬比) ；赵冲久【6 3 】根据试验得出了底部高浓度含沙层 高度及含沙浓度的计算公式；孔令双【3 2 】提出了同时考虑悬移质、推移质和底部高 浓度含沙层的航道淤积计算：赵冲久6 4 1 利用水槽对波浪作用下潍坊港泥沙的推移 质输沙进行了专题试验；徐宏明【5 4 】利用水槽对沧州港和潍坊港泥沙进行了波、流 共同作用下的推移质输沙和悬移质输沙试验。曹祖德【5 】根据概率论建立了淤积概 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 化统计模型，分析了沧州港航道淤积统计特点。 o 3 本文完成的工作 鉴于现有的二维、三维潮流数值模式难以预测粉砂在大风作用下的骤淤变 化，本文在广泛收集沧州港区海洋水文、气象、泥沙观测资料的基础上，在有效 风能概念的基础上，建立粉砂骤淤的计算公式，并与大风条件下的实测骤淤量进 行比较，对粉砂骤淤计算公式中的待定参数进行率定。根据长期大风观测数据， 后报1 9 7 9 年一2 0 0 3 年期间的每年最大粉砂骤淤量。基于优化理论，比选单因素 极值统计模式，对年最大粉砂骤淤量进行长期预测，估计骤淤量的重现值，为港 口航道的防淤减淤工程提供必要的技术参数。 中国海洋大学硕士学位论文 1 沧州港区自然环境资料收集与分析 自1 9 8 4 年起，为了论证大口河港、沧州港建设的可行性，由神华集团沧州 港建港指挥部牵头 4 6 1 ，交通部天津水运工程科学研究所等单位对沧州港一带水域 展开了大量的勘测、试验和研究工作p 7 - 5 9 1 ，积累了详实的实测数据，这是进行泥 沙淤积研究的重要基础，本章主要收集、分析、整理现有资料，为进一步开展开 敞式航道粉砂骤淤计算奠定基础。 1 1 风 根据黄骅新村气象站实测气象资料，对2 0 0 2 年不同风速、风向进行了频率 分析。从泥沙淤积影响角度考虑，对1 3 年来的大风情况进行了统计分析。 1 1 12 0 0 2 年风况资料分析 风向：据2 0 0 2 年一整年的风资料统计，沧州港地区全年以e 、s w 风最多， s 、n e 风次之，w n w 风出现的频率最少。从季节分布看，春季s w 、e 风最多， s 风次之，n n e 风出现的频率最少；夏季e 风最多，s e 、s 、n e 、s w 、e n e 风 次之，w n w 风出现的频率最少；秋季s 风最多，n 、n e 、s 、n w 风次之，w s w 、 w n w 风出现的频率最少；冬季w s w 、e n e 风最多，n e 、n w 风次之，w s w 、 n n e 风出现的频率最少。见图l _ 1 1 2 。 图1 1 沧州港2 0 0 2 年风玫瑰图 6 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 ( a )( b ) 图1 2 沧州港2 0 0 2 年各季风向频率表 ( d ) 风速：沧州港地区全年以e n e 向风最强，平均风速为7 2 m s ，最大风速为 2 2 3m s ，e 向风次之平均风速为6 4m s ，最大风速为2 0 0r r g s 。全年共出现大 于6 级以上的大风2 7 次，风向大部分为n e e ，出现频率为8 2 ，大于7 级以 上的大风2 2 次，大于8 级以上的大风7 次，风向全部为n e e ，大于9 级以上 的大风1 次，风向为n e 。详见图1 3 和图1 4 。 申国海洋大学硬士学位论文 1 2 1 0 羹a 群- 2 - 2 6 襄 2 0 图1 3 沧州港2 0 0 2 年风频、平均和最大风速玫瑰图 毫擎冬拶弋皆毒旁2 爹辞爹 风向 基毒拿 图1 4 沧州港2 0 0 2 年各向大风出现次数统计表 1 1 21 9 9 1 年1 月2 0 0 3 年5 月大风资料统计分析 从沧州港外航道实际泥沙淤积情况分析，一般天气情况下外航道淤积很少， 在大于6 级风和特殊大风情况下表现出淤积和较强的淤积。根据沧州港新村站 1 9 9 1 年2 0 0 3 年1 3 年来的大风情况的统计分析，大风次数统计是以 6 级风连 续历肘4 小对以上( 含4 小时) 计，更大风级是在 1 6 级大风中，无历时限制进 行统计。 1 大风天年际变化特征 据1 9 9 1 年一2 0 0 2 年较为完整的资料统计，本区大风天的出现次数有明显的 年际不等现象，大风天出现次数呈波浪状，变化幅度较大。6 级以上的大风天 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 十二年平均出现次数为2 1 次，其中1 9 9 1 年出现较少为9 次，而在1 9 9 7 年和1 9 9 9 年则出现2 9 次。 7 级以上的大风天十二年平均出现次数为1 6 次，其中1 9 9 1 年出现较少为8 次，而在1 9 9 9 年和2 0 0 2 年分别出现了2 3 次和2 2 次； 8 级以 上的大风天十二年平均出现次数为5 次，其中1 9 9 1 年出现较少为1 次，而在2 0 0 1 年和2 0 0 2 年和1 9 9 4 年则分别出现8 次和7 次： 9 级以上的大风天十二年平均 出现次数为1 次，其中1 9 9 3 年、1 9 9 4 年、1 9 9 7 年出现2 次，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年 平均出现次数为2 次，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年每年出现1 次。详见图1 5 。 3 5 3 0 2 5 籁2 0 1 5 1 0 5 0 s 毋$ 擎章s p 萨拶萨毋 图1 51 9 9 1 年 2 0 0 2 年大风出现次数年际变化表 2 大风天年内分布特征 从1 9 9 1 年2 0 0 2 年大风天月季变化来看，夏、冬两季大风出现的次数较低， 分别占全年的1 2 6 ；而到秋季大风次数开始增加，大风天出现的次数占全年的 2 2 6 ，春季( 3 5 月) 大风天出现次数最多占全年的5 2 ，为本区的大风季。 见表1 1 。 3 各级各向大风分布特征 据1 9 9 1 年2 0 0 2 年2 5 2 场大于6 级以上大风资料统计，本海区e 向大风出 现频率高，e n e 、n e 次之，其出现频率分别为3 8 5 、1 8 3 和1 1 9 。十二年 中无s 向大风，s e 、s s e 、s s w 、w 向大风出现频率较低，出现频率均小于l 。 就本港区岸线走向( s e ) 而言，n n e 、n e 、e n e 、e 、e s e 为向岸风，占大风 天的7 6 6 ，其中e 、e n e 、n e 三个方向出现的频率达到6 8 7 ，为主要大风来 向。7 、8 、9 级以上的大风分别出现1 8 8 、5 5 、1 0 次，其中e 、e n e 、n e 三个 方向出现的频率之和分别达到7 0 2 、7 2 7 、1 0 0 。详见图见图1 6 ( a - - - d ) 。 中国海洋大学硕士学位论文 表1 11 9 9 1 年 2 0 0 2 年大风出现次数月统计表 大风风况 年份季节 6 级7 级8 级9 级 1 295 l 冬季 l l3 282 313 21 2l o2 34 33 063 4 春季 5 01 3 13 89 41 53 136 53 8 2 61 0 61 61 23 7 夏季 63 242 461 81 083l 91 4l o2 1 0秋季1 85 7 1 54 761 51 3 1 l2 52 272 合计 2 5 21 8 85 51 0 ( a ) ( c ) ( b ) ( d ) 图1 6 沧州港1 9 9 1 年- , - - , 2 0 0 2 年6 级大风各向出现频率统计 1 0 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 1 1 32 0 0 1 年- 2 0 0 3 年5 月大风情况 从大风出现的次数分析，2 0 0 1 年和2 0 0 2 年大风出现的次数要高于十年平均 出现次数。6 级以上大风出现次数2 0 0 1 年与前十年基本相当，2 0 0 2 年比前十年 平均次数多7 次：7 级以上大风出现次数2 0 0 1 年和2 0 0 2 年比前十年平均次数分 别夺2 次和7 次；8 级以上大风出现次数2 0 0 1 年和2 0 0 2 年比前十年平均次数分 别多4 次和3 次，基本增加一倍；9 级以上大风出现基本相近。2 0 0 3 年前4 个月 与2 0 0 0 年前十年同期相比，6 级和7 级以上大风出现次数基本相当，8 级和9 级 以上大风出现次数明显多于2 0 0 0 年前十年同期风况。见表1 2 。 表1 22 0 0 1 年- - 2 0 0 3 年4 月与其他年份大风次数比较 j 9 9 1 年2 0 0 0 1 9 9 1 年- 2 0 0 0 风级年平均每年 2 0 0 1 年出现2 0 0 2 年出现2 0 0 3 年1 月一 出现次数 次数 次数4 月出现次数 年同期平均每 年出现次数 6 级2 0 42 1 2 799 1 7 级 1 4 9 1 72 26 6 6 8 级 4 87 31 4 9 级 0 81 1lo 1 1 2 潮汐 1 2 1 潮汐性质 根据盐码头1 9 8 3 年1 月至1 9 8 4 年1 2 月、干吨码头1 9 8 6 年2 月至1 9 8 7 年 1 月、三干吨码头1 9 9 1 年1 2 月至1 9 9 2 年1 1 月和沧州港2 0 0 2 年5 月至2 0 0 3 年 4 月四个实测潮位资料的调和分析结果，计算其潮汐型态数分别为0 5 4 、o 5 6 、 0 5 7 和o 6 4 ，均介于0 5 2 0 之间，表明本海区潮汐属不正规半日潮，见表1 3 。 表1 3 沧州港海域潮汐性质 大口河 验潮站黄骅港 三千吨码头千吨码头盐码头 资料期限 2 0 0 2 5 2 0 0 3 41 9 9 1 1 2 1 9 9 2 1l1 9 8 6 0 2 1 9 8 7 o l 1 9 8 3 0 i 1 9 8 4 1 2 型态数 0 6 40 5 7o 5 60 5 4 ( h k l + h o l h m 2 ) 潮汐性质不规则半日潮 1 2 2 潮汐特征值 沧州港的位置见图1 7 ，而盐码头、千吨码头与三千吨码头的位置见图1 8 。 四个测站的实测潮位资料进行统计，所得本海区潮位特征值如表1 4 所示。 图1 7 沧州港位置示意图 图1 0 $ 盐码头、千吨码头与三千吨码头位置示意图 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 表1 4 潮位特征值统计表 验潮站沧州港三千吨码头千吨码头盐码头 资料期限 2 0 0 2 5 - 2 0 0 3 41 9 9 i 1 2 1 9 9 2 111 9 8 6 2 - 1 9 8 7 11 9 8 3 1 1 9 8 4 1 2 最高潮位 4 6 6 ( 2 0 0 3 4 1 7 ) 5 7 l ( 1 9 9 2 9 1 ) 4 2 7 ( 1 9 8 6 1 2 1 6 )4 5 3 ( 1 9 8 4 4 8 ) 最低潮位0 3 0 ( 2 0 0 3 1 2 8 ) 0 6 3 ( 1 9 9 23 2 2 ) 0 3 2 ( 1 9 8 6 4 1 6 )0 2 8 ( 1 9 8 3 3 1 8 ) 平均高潮位3 4 83 5 3 3 5 73 5 7 平均低潮位1 4 41 4 61 3 5l3 0 平均海面 24 4 2 4 42 4 22 4 0 最大潮差 3 8 7 ( 2 0 0 2 1 2 6 )36 6 ( 1 9 9 2 6 5 、 3 4 43 5 0 ( 1 9 8 4 7 1 3 ) 最低潮差0 4 4 ( 2 0 0 3 4 1 2 )0 1 9 ( 1 9 9 22 2 9 )0 6 9 ( 1 9 8 3 2 2 6 ) 平均潮差 20 42 0 7 2 2 6 2 2 8 1 2 3 潮汐的年变化 对沧州港、三千吨码头和盐码头三个测站的各月平均海面、平均高潮位和 平均低潮位进行统计，其结果如表1 5 1 7 所示。 表1 52 0 0 2 年5 , 5 1 - - 2 0 0 3 年4 月沧州港潮位月变化( 单位：m ) 淤 l234567891 0l l1 2 芷 平均高 30 93 2 73 3 034 435 937 238 33 8 03 6 43 5 232 433 23 4 8 潮位 平均低 ll l1 2 9 1 2 8 1 3 5 l5 l l6 51 7 3 l6 6l6 41 5 01 2 61 2 81 4 4 潮位 平均海 20 822 5 22 723 625 3 2 6 627 5 27 02 6 224 822 422 82 4 4 平面 表1 61 9 9 2 年大口河三千吨码头潮位月变化( 单位：m ) 淤 l 234567891 0 1 1 1 2 拒 平均高 32 i3 2 33 4 23 4 43 5 33 6 73 7 438 23 8 l 3 6 23 4 63 3 73 5 3 潮位 平均低 1 2 912 814 1l4 2l4 61 4 9i 5 6l5 51 5 91 5 01 4 9i 4 31 4 6 潮位 平均海 2 2 02 2 023 623 824 425 426 22 6 625 82 5 l2 4 32 3 42 4 4 平面 表1 71 9 8 3 年大口河盐码头潮位月变化( 单位：m ) 淤 l 234567891 0 l l 1 2 芷 平均高 31 932 53 53 5 93 7 13 7 638 73 9 33 8 63 6 93 3 832 4 35 8 潮位 平均低 i 1 01 1 7l1 4l1 5l2 213 71 4 81 4 7 1 5 01 2 81 1 li 1 31 2 6 潮位 平均海 2 1 22 2 723 02 3 224 425 726 82 7 2 26 924 521 62l l2 4 0 平面 中国海洋大学硕士学位论文 从表1 5 中可知沧州港潮位有明显的月季变化，1 月份最低，7 月份最高。 冬春两季与年平均状况相比，月平均海面平均低0 1 4 m ，最大低0 3 6 m ，月平均 高潮位平均低0 1 3 m ，最大低0 3 9 米，月平均低潮位平均低0 1 4 m ，最大低0 3 3 m ： 夏秋两季与年平均状况相比，月平均海面平均高0 1 4 m ，最大高o 3 1 m ，月平均 高潮位平均高0 1 5 m ，最大高0 3 5 m ，月平均低潮位平均高0 1 3 m ，最大高o 2 9 m 。 1 3 潮流 1 3 1 潮流性质 根据1 9 8 5 年一2 0 0 2 年水文多次实测资料的准调和分析，各站潮流型态数均 小于o 5 ，表明本海区潮流属规则半日潮型。1 0 m 等深线以外各站的椭率一般为 0 2 0 5 ，均为正值，表明各站的流速矢量都按逆时针方向旋转。 1 3 2 潮流的特征及平面分布规律 沧州海区潮流速较小，涨潮潮段平均流速在0 2 9 - 0 4 2 m s ，流向在2 4 0 3 0 0 0 ， 潮落潮段平均流速在0 2 5 0 3 7m s ，流向在4 6 - - 9 7 。，涨潮最大流速在0 5 0 - 0 7 9 m s ，流向在2 3 3 2 8 2 0 ，落潮最大流速在o - 3 1 - 0 5 3m s ，流向在4 4 - - 9 2 0 ，涨潮流 速大于落潮流速。 从总的平面分布趋势看，外海流速大于近岸流速。涨潮平均历时5 时4 0 分， 落潮平均历时6 时3 0 分，见表1 8 1 9 。 表1 8 各测点潮段平均流速( 单位：m s ) 2 0 0 1 年3 月1 9 8 7 年7 月1 9 8 5 盎 垂线平均垂线平均垂线平均 测点位置 涨潮落潮涨潮落潮 涨潮 落潮 流速 流向流速流向流速流向 流速 流向 流速 流向流速流向 l 捍 0 3 72 4 70 2 66 00 3 02 5 30 2 59 7 ( n - 2 5 ) 2 存 ( n 5 0 ) 0 4 1 2 6 40 t 3 79 0o 3 l2 6 6o 2 78 9 3 撑 ( n 8 o ) 0 4 22 6 90 3 68 80 3 62 7 3o _ 3 48 4 4 撑 ( s 2 5 ) 0 3 02 4 0o 2 74 6o 2 92 5 40 2 6 9 1 0 3 12 5 10 1 97 5 5 撑 ( s 5 o ) o 3 82 4 8o 3 58 40 3 43 0 0 o 3 4 8 4o 3 52 6 0o 2 86 7 6 群 ( s 8 0 ) o 3 62 5 30 3 58 40 3 62 7 3o 3 19 2 开敞式航道粉砂骤淤的随机分析 表1 9 各测点垂线最大流速( 单位：m s ) 2 0 0 1 年3 月1 9 8 7 年7 月1 9 8 5 芷 垂线平均垂线平均垂线平均 测点位置 涨潮落潮 涨潮落潮涨潮落潮 流速流向流速流向流速流向 流速流向流速流向流速流向 l 群 ( n 2 5 ) 0 5 52 4 3o 4 44 70 6 0 2 4 50 3 57 9 2 撑 ( n 5 0 ) 0 6 42 8 20 4 77 807 02 6 4 0 4 06 6 3 撑 ( n 8 0 ) o 5 92 6 80 5 l8 00 7 92 7 0o 5 39 2 4 拌 ( s 2 5 ) 0 5 02 3 3o 4 24 40 5 42 6 30 3 67 5 o 5 3 2 4 7 0 3 l4 5 5 捍 0 5 62 5 00 4 58 80 7 32 7 80 4 58 60 5 42 5 60 4 05 8 ( s 5 0 ) 6 拌 o 6 22 6 60 4 76 60 7 92 7 0o 5 39 2 ( s 8 0 ) 1 3 3 潮流的垂线分布 沧州海区潮流垂线分布上表现为中层流速最大，底层流速最小。从1 9 8 5 、 1 9 8 7 和2 0 0 1 年三次水文实验实测资料统计，底层流速一般为垂线平均流速的 7 5 左右。表1 1 0 列出了2 0 0 1 年实测底部流速与垂线平均流速的情况。 表1 1 0 各测点潮段平均流速表( 2 0 0 1 3 2 8 2 9 日) 1 #2 抖3 撑 4 拌 5 撑 6 抖 项目 ( n 一2 5 )( n - 5 o )( n - 8 0 )( s - 2 5 )( s - 5 0 1( s - 8 0 ) 涨 垂线平均流速( m s ) 0 3 70 4 10 4 2 0 3 00 3 8o 3 6 潮 平均流向( 。) 2 4 72 6 42 6 92 4 02 4 82 5 3 段 平均底流速( m s ) o 2 703 2o 3 20 2 6o 3 2o 2 7 落 垂线平均流速( m s ) o 2 60 3 70 3 6o 2 70 3 50 3 5 潮 平均流向( 。) 6 09 08 84 58 48 4 段 平均底流速( m s ) 0 2 20 2 8o 2 6o 2 l 0 2 70 2 2 1 3 4 工程后局部流场的变化 从上述三次水文测验的结果分析，沧州港海区2 5 米等深线以外潮流场基本 没有发生变化，但局部区域由于工程的影响发生了较大的变化，具体表现在以下 几个方面： 1 沧州港防波堤口门外流场的变化 根据2 0 0 2 年3 月2 6 日口门处水文测验资料初步分析，在低平潮以后的2 小 中国海洋大学硕士学位论文 时内，由于河口下泄水体与外海涨潮水体的顶托，在口门处产生自南向北的横流， 1 2 1f - j s b2 0 0 m 航道内0 4 h 水深最大流速为0 7 6 m s ，流向2 7 6 。，相对应的南、 北两侧浅滩最大流速分别为0 8 0 m s 和o 8 4 r r d s ，流向分别为2 5 2 。和2 8 0 。：口门 外7 0 0 m 航道内0 4 h 水深最大流速为0 5 4m s ，流向2 8 6 。，相对应的南、北两侧 浅滩最大流速分别为o 6 6 m s 和o 7 4 m s ，流向分别为3 1 8 。和3 2 0 0 ，航道两侧浅 滩处流速大于航道内流速；口门内5 0 0 m 航道内最大流速为0 4 0 m s ，流向2 3 6 0 ， 南侧浅滩最大流速为o 1 2 m s ，流向9 2 。，而北侧浅滩最大流速为o 7 m s ，流向 2 3 4 0 ，表现为潮涨时段，口门内存在逆时针的环流，涨潮水体主要通过北侧浅滩 进入港内。在高平潮前后l 小时，在口f - j 夕l