楊忠勇，李娜，虞志英，程和琴，李身鐸

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

洋山港區(qū)堵汊工程對海底地形影響初探

楊忠勇，李娜，虞志英，程和琴，李身鐸

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

基于洋山港海域內(nèi)長系列 ADCP斷面走航及定點的水文觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，討論洋山港區(qū)在Ⅰ—Ⅲ期工程影響下海域內(nèi)潮動力的變化及其對海床沖淤的影響。結(jié)果表明，由于小洋山—鑊蓋塘、大烏龜—顆珠山及將軍帽—大指頭島三個汊道的封堵及填海，在北島鏈以小洋山島為基礎(chǔ)形成一長方形陸域，且在陸域南沿形成一長約5.7 km的順直岸線。工程后由于潮流運動的底、側(cè)邊界發(fā)生改變，流場隨之發(fā)生變化，突顯潮波運動的非線性效應(yīng)和科氏力效應(yīng)，在以潮動力為絕對主要的水動力自然環(huán)境下：北港區(qū)潮流速隨著工程的進(jìn)行先劇減后又回增；工程后海域在漲、落潮流轉(zhuǎn)流時段形成潮流弱環(huán)流；主通道北側(cè)漲潮流增強，南側(cè)落潮流增強。海床沖淤環(huán)境也隨之改變，北港區(qū)前沿水域海床發(fā)生微沖，主通道西南海床則淤積，海域內(nèi)的-10 m等深線也東西向呈現(xiàn)波狀移動。

洋山港；堵汊工程；潮動力變化；非線性效應(yīng)；海床沖淤

為充分發(fā)揮長江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)龍頭作用，上海正在努力建設(shè)成為我國的金融及航運中心，因此選擇在杭州灣外崎嶇列島上以大、小洋山及其鄰近島嶼為依托打造上海國際航運中心——洋山深水港，它也是中國首個在海島上建設(shè)的離岸式港口。在遠(yuǎn)離大陸、依靠外海島礁群，并在強潮流、高含沙量海域中通過封堵汊道、大面積填海形成港區(qū)陸域建設(shè)集裝箱深水港，這開創(chuàng)了我國乃至世界建港史的先例[1]。新建的洋山港將主要承擔(dān)腹地遠(yuǎn)洋航線及國際中轉(zhuǎn)箱源，以滿足第五、第六代和超大型集裝箱船舶的全天候靠泊作業(yè)要求[2]。始于2002年4月的洋山港工程是我國目前最大的海港工程，其建設(shè)在崎嶇列島小洋山島鏈上。工程必須堵汊陸連，從而改變海域地形，也必然會導(dǎo)致該水域潮動力、泥沙運動以及海床的沖淤變化，因此會影響甚至威脅港口的正常運行。本文根據(jù)洋山港一系列ADCP斷面走航及其定點的實測水文、水深資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，并比較工程前后變化，得出洋山港海域在三期工程后的潮動力變化特征及其原因，以此對該區(qū)域海床沖淤變化特征進(jìn)行初步的研究。

1 自然概況

1.1 地理環(huán)境

洋山港海域地處長江口外與杭州灣交匯處的崎嶇列島海域，距南匯咀蘆潮港約30 km，屬于現(xiàn)代長江水下三角洲前緣舌狀堆積體地帶，由小洋山島鏈和大洋山島鏈相圍而成。北部小洋山島鏈以小洋山為主體，包括大小烏龜島、顆珠山、蔣公柱、小洋山、鑊蓋塘、大巖礁等26個島嶼，按NW－SE方向排列；南部大洋山島鏈以大洋山為主體，包括雙連山、大山塘、大洋山及馬鞍山等34個島嶼，按W－E向排列。從地貌上看，大、小洋山島鏈間東窄西寬，向杭州灣方向以約40°角成喇叭口狀展開[3]。西口門喇叭口處的大烏龜—雙連山島斷面寬約7.7 km，向東逐漸收縮，至東口門小巖礁處寬度僅約1 km。水域面積約20 km2，平均水深約20.5 m，西口門斷面平均水深約9 m，向東不斷遞增，至小巖礁以東達(dá)約30 m，最大水深在60 m以上。洋山港海域工程位置見圖1。

圖1 洋山港海域工程位置Fig.1 Location of Yangshan Port project

1.2 潮動力

源于北太平洋的潮波以前進(jìn)波的形式不斷傳入中國東海[4,5]，其中一部分進(jìn)入杭州灣和長江口。杭州灣口外島嶼眾多，潮流穿越島嶼間的通道，分成數(shù)股進(jìn)入杭州灣，其中北股傳向嵊泗和大衢山之間通道，自東向西途徑崎嶇列島海域，主控本海域的潮汐運動。由于海域主通道和各汊道走向與潮流主軸方向基本一致，水流能較順暢地流經(jīng)該海域。

1.2.1 潮汐特征 對小洋山站十年水位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得潮汐的主要半日、全日和1/4日分潮的振幅H (HM2：主要太陰半日分潮M2的振幅，HK1：主要太陰太陽合成分潮K1的振幅，HO1：主要太陰日分潮O(jiān)1的振幅，HM4：主要淺海分潮太陰1/4日分潮M4的振幅[6])，經(jīng)統(tǒng)計得潮性判據(jù) (HK1+HO1)/HM2和HM4/HM2分別在0.34 ～ 0.38和0.04 ～ 0.08之間，按海洋水文調(diào)查規(guī)范規(guī)定，屬于非正規(guī)淺海半日潮。該海域平均潮差2.73 m，最大潮差5.03 m，平均漲、落潮歷時分別為5h 51min和6h 34min。

1.2.2 潮流特征 對近百個測次的潮流周日觀測資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析計算，得主要半日、全日和1/4日分潮流的橢圓長半軸 W(WM2：主要太陰半日分潮流的橢圓長半軸，WK1：主要太陰太陽合成分潮流的橢圓長半軸，WO1：主要太陰日分潮流的橢圓長半軸，WM4：主要太陰1/4日淺海分潮流的橢圓長半軸，WMS4：主要太陰太陽合成 1/4日淺海分潮流的橢圓長半軸[6]) 海域的半日分潮波 M2和 S2占絕對優(yōu)勢，日分潮波K1和O1其次，淺水分潮波相對較強。判據(jù)(WM4+WMS4)/WM2在0.05 ～ 0.15之間，(WK1+WO1)/WM2在0.15 ～ 0.25間，屬非正規(guī)淺海半日潮流。主要半日分潮流M2橢圓長軸1.00 ～ 1.40 m/s，橢率-0.02 ～ -0.10，往復(fù)性極強，流矢基本隨潮時順時針方向旋轉(zhuǎn)，最大流速約在3.00 m/s以上。

1.3 沖淤概況

近百年來，整個崎嶇列島海域以微淤為主要趨勢，平均淤積速率約為2.3 cm/a，但淤積趨勢在逐漸減弱[7]。20世紀(jì)50年代前年均淤高約3.6 cm，50年代至80年代年均刷深約1.6 cm[8]；20世紀(jì)80年代后，由于長江、錢塘江來水來沙量大量減少等原因[8-12]，海床有輕度刷深的趨勢。21世紀(jì)來，該海區(qū)主要呈現(xiàn)夏秋季微沖，冬春季微淤的特點[14]。而處在狹道中的小洋山海域在百年來則總體呈輕度沖刷狀態(tài)[7]。隨著洋山港工程的進(jìn)行，該海域地形發(fā)生了較為顯著的變化（圖2，3）。

2 工程簡介

洋山港工程于2002年4月動工，至2003年6月，小洋山—鑊蓋塘封堵，一期工程完成； 2003年3月開始至2004年6月，封堵大烏龜山—顆珠山汊道，二期工程完成； 2004年8月至2006年7月，先后封堵將軍帽—大指頭島汊道，連接鑊蓋塘—小巖礁島，并進(jìn)行東港區(qū)拋填成陸工程，三期工程完成，至此北島鏈三個主要汊道均被封堵。基于三次堵汊造陸工程將小洋山島鏈的各個孤立小島鏈接起來，在北島鏈形成一長方形港區(qū)陸域，并在其南沿形成一長約5.7 km的泊岸線。然而，洋山深水港區(qū)所處崎嶇列島海域是高含沙量、強潮流區(qū)[15]，大規(guī)模的堵汊填土造陸必然會較大地改變海域內(nèi)的地形特征，形成一新的空間邊界，從而引起新建港區(qū)內(nèi)潮動力和泥沙運動的響應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生海床沖淤變化，改變海底地形演變趨勢。

3 工程后海域潮動力變化

3.1 潮汐

據(jù)工程前、后洋山海域潮汐特征值以及潮汐主要分潮振幅比較(表 1)，工程后平均高潮位略增，低潮位略降，潮差增加了約 3%，表明工程后形成的順直岸線使潮動力有所增加。但是據(jù)各分潮振幅變化情況來看，兩個主要半日分潮M2和S2變幅非常小，而兩個淺水分潮M4和Ms4的變幅則分別達(dá)到60%和75%。另外從潮性判據(jù)指標(biāo)來看，F(xiàn)值變化很小，潮汐性質(zhì)未變；但G值增幅達(dá)50%，表明工程后該海域地形的改變使其淺水潮波增強，非線性效應(yīng)更加明顯。

表1 洋山港區(qū)堵汊工程前、后潮汐特征值及潮性指標(biāo)Tab. 1 Eigenvalues and indices of tidal wave before and after Yangshan Harbor Branchblocking Project

3.2 潮流

3.2.1 流速變化 沿北岸近岸海域，2002年工程前小烏龜—小巖礁縱斷面平均落、漲流速分別為104 cm/s和65 cm/s，至2005年東側(cè)北圍堤工程 (三期工程前半部分) 竣工后，落、漲流速分別減少34%和31%，其中一期碼頭前沿分別劇減53%和46%。至2006年第三期工程岸線東延后，落、漲流速分別比2005年增加23%和42%，落、漲流速分別為84 cm/s和64 cm/s，落潮流占優(yōu)。與工程前相比，落潮流速減小，漲潮流速基本不變，落、漲潮流速比值 (落潮流速/漲潮流速) 由1.58減至1.31，落潮流速優(yōu)勢減弱。

港區(qū)主通道喇叭口海域西口寬約7 800 m的斷面，工程前 (2002年)落、漲潮均速分別為123 cm/s和105 cm/s；工程中期(2005年)分別減至83 cm/s和77 cm/s；三期工程完成后 (2006年)，分別增至104 cm/s和84 cm/s。東口寬僅100 m的斷面，工程前斷面落、漲均速分別為117 cm/s和105 cm/s；工程中期減至97 cm/s和104 cm/s，三期工程完成后相應(yīng)增至116 cm/s和114 cm/s。

3.2.2 呈現(xiàn)弱潮汐環(huán)流 北島鏈三個汊道封堵后，形成一順直的側(cè)向新邊界，新形成的岸線對近岸區(qū)域水流的影響較海域中央更大，因而使海域近岸線區(qū)域與中央潮流與潮位的相位發(fā)生差異，潮流轉(zhuǎn)流時間不一致，形成特有的弱潮汐環(huán)流。根據(jù)2005年1月，2005年4月，2007年4月和10月的同步ADCP海流實測資料分析，在轉(zhuǎn)流期間的歐拉流場圖中均出現(xiàn)此類弱環(huán)流。這種弱環(huán)流在漲潮流轉(zhuǎn)落潮流時段為順時針的環(huán)流，而在落轉(zhuǎn)漲時段內(nèi)則為逆時針方向的弱環(huán)流。出現(xiàn)在潮流弱流時段的這類環(huán)流，流速比較小，且正處在浮泥主要沉降淤落階段，對調(diào)節(jié)港區(qū)泥沙沖淤變化具有重要貢獻(xiàn)。

3.2.3 通道海域南側(cè)落潮流速相對增大，北側(cè)漲潮流速相對增大 洋山港第三期工程是改變該海域地形程度最大的一次工程，因此從2005年4月（將軍帽—大指頭島封堵完成）開始對全海域的流況分四個ADCP走航斷面（圖1）進(jìn)行監(jiān)測。從2005年4月至2006年10月（三期工程完成），據(jù)監(jiān)測資料統(tǒng)計（表2），各斷面北端、中間和南端落、漲潮流比值，工程后北端比值減小，而南端增大，這表明通道海域中間和南側(cè)落潮優(yōu)勢持續(xù)增強，但南側(cè)增強更加明顯；而通道海域北側(cè)落潮流優(yōu)勢卻在逐漸的減弱。這種漲潮流優(yōu)勢范圍的北偏和落潮流優(yōu)勢范圍的南偏明顯反應(yīng)出北港區(qū)形成順直邊界以后海域內(nèi)的科氏力效應(yīng)增強。

表2 三期工程前后海域漲落潮流速比值變化(落/漲)Tab. 2 Tariation of the ratio of ebb velocity and flood velocity before and after the third project

4 工程后海床沖淤變化

4.1 堵汊后港區(qū)前海床的淤積

堵汊前各汊道水流順暢，流速較大，堵汊后，原流路不復(fù)存在，流向為順新岸線方向，流速劇減，這種流場的變化，必然會導(dǎo)致汊口岸線前沿床底沖淤格局的改變。一期北圍堤堵汊工程 (1998.11－2004.04)后，在小洋山前沿產(chǎn)生大片淤積（圖2a），淤積面積達(dá)581萬m2。小烏龜—顆珠山汊道封堵 (2003.03－2004.02)后，在該汊道周圍淤積面積約100萬m2（圖2b）。東側(cè)北圍堤堵汊工程 (2005.04－2006.04) 后，由于其堵汊規(guī)模最大，導(dǎo)致海域內(nèi)出現(xiàn)最大規(guī)模的淤積，其淤積面積達(dá)2 500萬 m2（圖2c）。由此可見，洋山堵汊各期工程完工后，都在堵后岸線前形成一個相應(yīng)的淤積體，并對主通道海域產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

4.2 主通道海床 -10 m等深線變化

主通道喇叭形海域 -10 m等深線的變化反映了工程后海床沖淤變化的基本特征。工程前 (1998.11)-10 m等深線自大山塘西側(cè)北上，至主通道中央向東，延伸到一、二期碼頭前水域向西北（圖3）；而經(jīng)過三期工程后，-10 m等深線不斷波狀變化，表明整個海域橫向沖淤狀況不一致，也揭示水動力結(jié)構(gòu)在空間上具有明顯的差異。一、二期工程后 (2004.04)，-10 m等深線南段呈舌狀西移，最大移動了約1 400 m，而中段僅略向西移，北段基本不變。對應(yīng)水動力，該時段海域南部漲、落潮流中，漲潮流相對增強；三期工程東側(cè)北圍堤建成后 (2005.04)，-10 m等深線南段繼續(xù)西移，最大移動了約1 200 m，中段也呈現(xiàn)舌狀西移，最大向西移動了1 500 m，而北段僅略向西移。對應(yīng)水動力，該時段海域南部和中央，同樣因為工程后漲潮流速相對增強，落、漲流速比值南部由1.29減至1.14，中央由0.88減至0.80；而北部落潮流相對略微增大，由0.68增至0.70。三期工程后階段，汊道全面封堵，鑊蓋塘—小巖礁形成岸線（2006年4月）后，-10 m等深線南段突然轉(zhuǎn)為東退，最大東移了2 600 m，基本回到工程前1998年的位置。對應(yīng)潮動力，落潮流相對增大更快，落、漲流速比值達(dá)1.38，而-10 m等深線北段則明顯向西推進(jìn)，期間潮動力分別是漲潮流相對增大，落、漲流速比值減至0.63。三期工程全面結(jié)束后，經(jīng)約9個月的調(diào)整（2007年4月），海域南側(cè)-10 m等深線繼續(xù)東退，而北側(cè)則較2006年4月西進(jìn)，整個海域呈現(xiàn)南淤北沖的格局。而這段時間內(nèi)海域中央和南側(cè)落潮流優(yōu)勢相對增強，而海域北側(cè)漲潮流優(yōu)勢相對增強。

圖2 洋山港區(qū)堵汊工程后海域沖淤變化Fig. 2 Silting and scouring variation in the seabed after three branch plugging projects in Yangshan Port

從上述實測通道水深和潮流資料分析表明，海床沖淤變化與工程后潮流結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，在本海域地形西淺東深的狀況下，當(dāng)落潮流相對增強，海床隨流向自西向東逐漸淤漲，而當(dāng)漲潮流相對增強時，海床則隨流向自東向西刷深。

5 結(jié) 論

a) 崎嶇列島洋山港工程經(jīng)一、二、三期工程后，將小洋山島鏈四個主要汊道中的三個進(jìn)行封堵，并在其南沿形成長達(dá)5.7 km的順直岸線。汊道的封堵及順直岸線的形成改變了海域內(nèi)水流運動的底、側(cè)邊界條件，明顯的增強了潮波運動的淺水非線性效應(yīng)，潮流速也做相應(yīng)的調(diào)整，并在潮流的轉(zhuǎn)流時期形成特有的潮汐弱環(huán)流。同時海域北岸順直岸線的形成增強了潮流運動中的柯氏力效應(yīng)，造成主通道海域北側(cè)漲潮流相對增強而南側(cè)落潮流相對增強。

圖3 洋山海域-10 m等深線變化Fig. 3 Change of -10 m isobath in Yangshan seabed

b) 工程后潮流場的變化同時必然會得到海域內(nèi)地形沖淤的響應(yīng)。每封堵一個汊道后，汊道前流速迅速減小，弱流范圍的擴大和時間的延長導(dǎo)致在相應(yīng)的區(qū)域形成大片淤積。同時，海域內(nèi)的-10 m等深線也隨著流場的改變不同程度的東西向呈現(xiàn)波狀推動，工程后隨著水沙運動不斷調(diào)整，形成了當(dāng)前洋山港水域北側(cè)微沖而西南側(cè)微淤的海床沖淤格局。

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Preliminary research on the impact of blocking branch on the topography of seabed in Yangshan Port

YANG Zhong-yong, LI Na, YU Zhi-ying, CHENG He-qin, LI Shen-duo

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

On the basis of statistic analysis of observational data from a series of ADCP cross-section as well as fixed-point in Yangshan Port, this thesis discusses the change of hydro-dynamic affected by Ⅰ-Ⅲ projects in Yangshan Port and its effect on the erosion and deposition of seabed. The results indicate that plugging and reclamation among Xiaoyangshan-Huogaitang, Dawugui-Kezhushan, Jiangjunmao-Dazhitoudao shape an approximate rectangular land based on Xiaoyangshan islands chain, and shape an approximate 5.7 km straight coastline on its southern margin.As the bottom and side boundary conditions of tide movement change, the flow filed changes subsequently, enhancing the nonlinear effect and Coriolis force effect of tide movement. In the area where hydrodynamic environment is mainly controlled by dynamical tide, the tidal velocity turn significant reduction in the first and later returns with the project work. Tidal general circulation is formed during weak flowing time after the project, and the flood tidal velocity is enhanced in the north area of the sea and ebb tidal velocity decreased in the south. The silting and scouring environment changes subsequently, a slight scouring takes place in the north area and silting takes place in the southwest. The 10 meter depth contour in the sea also takes on undulance movement in the east-west direction.

Yangshan Port; Branch Plugging Project; change of hydro-dynamic power; nonlinear effect; erosion and deposition in the seabed

TV148

A

1001-6932(2010)02-0166-06

2009-04-10；

2008-08-08

國家自然科學(xué)基金項目(40776056)資助

楊忠勇 (1984－)，男，重慶人，碩士研究生，專業(yè)方向：河口海岸工程地貌與環(huán)境。電子郵箱：ayong0710@163.com

李身鐸 (1938－)，男，教授，電子郵箱：lliisd@163.com