程澤坤，邵榮順

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

1 前言

上海港集裝箱吞吐量和貨物總吞吐量已連續(xù)多年位居世界第一，其在當(dāng)今世界航運業(yè)中的地位和區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用舉足輕重。隨著世界航運業(yè)和長江三角洲、長江流域社會經(jīng)濟發(fā)展，上海港發(fā)展面臨著吞吐能力已飽和、深水岸線用盡、深水航道疏浚維護(hù)量大、土地資源短缺、與城市發(fā)展?fàn)庂Y源等挑戰(zhàn)，港口可持續(xù)發(fā)展的空間處于難以再提升的境地。同時，上海港目前還存在沒有20m以上深水航道和深水泊位，江海聯(lián)運系統(tǒng)優(yōu)勢未能充分發(fā)揮等劣勢，因此難以適應(yīng)未來航運和物流市場的激烈競爭。如不及早落實相應(yīng)的對策措施，2020年將難以實現(xiàn)上海國際航運中心建設(shè)總體目標(biāo)。研究認(rèn)為，可行的對策措施就是規(guī)劃開發(fā)建設(shè)具有大容量深水泊位和深水航道的新港區(qū)，以進(jìn)一步提升航運競爭力，更好地服務(wù)經(jīng)濟發(fā)展。

經(jīng)調(diào)研，長江口橫沙淺灘可以作為新港址進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，其位于我國“黃金海岸”和“黃金水道”交匯處，距離國際習(xí)慣航線近，距離外海-20m等深線不足17 km，江海聯(lián)運條件十分優(yōu)越；灘涂和深水資源豐富，港口開發(fā)潛力巨大，可以成為國內(nèi)、國際市場的接軌點。本文將重點介紹依托橫沙淺灘開發(fā)建設(shè)大型深水港區(qū)的技術(shù)可能性和可行性。

2 依托橫沙淺灘開發(fā)大型港區(qū)的技術(shù)可能性[1，2]

2.1 橫沙淺灘港址的區(qū)位優(yōu)勢

橫沙淺灘港址位于我國“黃金海岸”和“黃金水道”交匯處（見圖1），距離國際習(xí)慣航線近，距離外海-20m深水區(qū)不足17 km，出海進(jìn)江、江海轉(zhuǎn)運極為方便，是國內(nèi)、國際市場的極佳接軌點。其既可為10萬～40萬噸級散貨船和6 000～18 000 TEU集裝箱船提供大型深水泊位服務(wù)，又可為各類長江散貨船、駁船和內(nèi)河集裝箱支線船提供服務(wù)，能夠更方便快捷地實現(xiàn)江海聯(lián)運的零距離對接，滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略需求。因此，橫沙淺灘港址區(qū)位優(yōu)勢十分明顯。

圖1 新港址位置圖Fig.1 Location of the new Shanghaiport site

2.2 橫沙淺灘自然條件分析

2.2.1 橫沙淺灘及附近海域穩(wěn)定性

長江口分布有多個淺灘，其形勢見圖2。近年來，橫沙淺灘水沙運動趨于穩(wěn)定，年沖淤變化在±20 cm以內(nèi)，沖淤相對平衡，不存在大沖大淤現(xiàn)象，橫沙淺灘-5m等深線內(nèi)面積多年保持在約300 km2。

圖2 長江口淺灘形勢圖Fig.2 Shoals distributionmap at the Yangtze River estuary

在橫沙淺灘東部-10m等深線內(nèi)，隨著水深的增加，沖淤變幅沿程變小，一般在±10～±20 cm/a；而在-10～-20m海域，穩(wěn)定存在著一條近南北向“沖刷走廊”；在-20m以外海床地形沖淤已基本上不受長江河口入海徑流的影響，近50年海床沖淤穩(wěn)定的狀況持續(xù)保持。

橫沙淺灘及附近海床的穩(wěn)定性，為充分利用灘涂和近岸深水資源開發(fā)建設(shè)大型港區(qū)提供了十分有利的條件。

2.2.2 潮流

該海域潮汐屬于不規(guī)則半日潮，近海徑流作用較弱。長江口北港和北槽的水道中潮流基本呈較強的東西向往復(fù)流動，而在-10～-20m海域，潮流具旋轉(zhuǎn)特性。北港水道口約-5m水深處，表層平均漲、落潮流速分別為94 cm/s和147 cm/s，口外-15m處平均漲、落潮流速分別為64 cm/s和107 cm/s；北槽水道口內(nèi)漲、落潮流速分別為118 cm/s和179 cm/s，口外平均漲、落潮流速同為98 cm/s。依托橫沙淺灘布置港區(qū)，陸域可在-2m的灘脊上形成，對長江口周邊潮汐通道的動力格局影響較弱。

2.2.3 風(fēng)浪

長江口地區(qū)受臺風(fēng)影響平均每年約2次，風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，風(fēng)力以大于9級最多，大風(fēng)持續(xù)時間約為2～3天。臺風(fēng)期間常伴有大浪，每次臺風(fēng)對長江口河床的影響均較大。寒潮平均每年2.6次，影響時間為1～2天。

長江口地區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，涌浪次之，平均周期為3.3 s。橫沙淺灘海域波高最大不超過3m。波浪傳播進(jìn)入淺灘區(qū)后，發(fā)生變形破碎，掀起泥沙，對淺灘區(qū)水流和泥沙運動產(chǎn)生影響。依托橫沙淺灘規(guī)劃港區(qū)，實施淺灘圈圍后，可切斷該海區(qū)灘槽間的泥沙交換，挖入式港池只要處理好口門位置，港池的泥沙淤積回淤不大。

2.2.4 泥沙

橫沙淺灘所在海域水體含沙量主要來自長江流域下泄入海泥沙的擴散及波浪作用下淺灘區(qū)的灘槽泥沙交換。海區(qū)的泥沙分布基本特征為：在長江口北港、北槽口門附近以及橫沙淺灘以東海域水深-5m以淺的淺灘區(qū)，平均含沙量在0.5～1.0 kg/m3，在淺灘東側(cè)水深-5～-10m區(qū)域含沙量明顯降低，平均含沙量降至0.5 kg/m3以下；-15m以東的水域，懸沙濃度極低。海域的泥沙分布特征對進(jìn)港深水航道的布置較為有利。

隨著長江下泄沙量的持續(xù)減少以及橫沙淺灘大片被圈圍，灘槽泥沙交換強度將會得到抑制，長江口北港、北槽口門附近水域含沙量亦將保持在較低水平，這對橫沙淺灘區(qū)港池和航道開挖后的減淤非常有利。

2.2.5 大霧

長江口水域常遭受濃霧“侵襲”，能見度不足500m，局部地區(qū)小于100m的情況時常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，在長江口水域視程小于1 000m的天數(shù)分別為：2005年25天，2006年20天，2007年12天，2008年19天。濃霧給船舶航行和引航帶來一定的影響，大霧對橫沙淺灘挖入式港池和外航道的影響類似于對相鄰長江口北槽深水航道和外高橋港區(qū)的影響。

2.2.6 沉積物和工程地質(zhì)

橫沙淺灘表層沉積物以粗顆粒物質(zhì)為主，一般為細(xì)砂和粉砂質(zhì)砂，泥含量不足20%。在規(guī)劃的深水航道海底表層沉積物以細(xì)顆粒為主，泥含量在50%以上，為淤泥質(zhì)海岸。淤泥質(zhì)海岸深水航道開發(fā)建設(shè)技術(shù)較成熟，成功案例較多，如天津港、連云港進(jìn)港航道等。

根據(jù)勘探資料，本區(qū)均為第四紀(jì)全新世近代沖海-濱海相的粘散堆積物，無巖基出露，屬軟土地基。長江口地區(qū)地震烈度為七級。規(guī)劃深水航道和港池可挖性好，港區(qū)碼頭結(jié)構(gòu)建設(shè)難度不大。

2.3 外配套條件

依托橫沙淺灘開發(fā)港區(qū)，集疏運和水電通信等配套設(shè)施相對較易解決。港區(qū)水路集疏運條件較好，陸路集疏運條件稍差，但是陸路集疏運系統(tǒng)建設(shè)難度不大，先期可以建設(shè)通道接線至長江隧道，遠(yuǎn)期可再建另一條過江通道。與已建的洋山深水港區(qū)比較，外配套條件較易解決。

2.4 建設(shè)條件

本工程的建設(shè)可以依托橫沙本島，先實施陸域形成和疏浚工程，后進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)、地基加固以及上部功能設(shè)施的建設(shè)，施工依托條件好，技術(shù)成熟。由于港區(qū)布置為挖入式港池，施工作業(yè)天數(shù)幾乎不受外面水文氣象因素的影響，施工難度不大。

2.5 環(huán)境條件

橫沙淺灘港址距離崇明東灘鳥類自然保護(hù)區(qū)、九段沙濕地自然保護(hù)區(qū)均較遠(yuǎn)，且有北港和北槽水道分隔。初步分析認(rèn)為，橫沙淺灘的圈圍及挖入式港池的建設(shè)對一些水產(chǎn)生物的棲息、索餌與洄游會有所妨礙，在其施工和營運期，對當(dāng)?shù)丶爸苓吷鷳B(tài)與環(huán)境也會有一定影響，但估計應(yīng)屬于可控及能夠補償?shù)男袨椤?/p>

綜上認(rèn)為，在橫沙淺灘規(guī)劃建設(shè)大型港區(qū)具有區(qū)位優(yōu)勢，自然條件、配套條件、建設(shè)條件和環(huán)境分析表明，港區(qū)開發(fā)在技術(shù)上不存在較大的技術(shù)難題。

3 港區(qū)初步規(guī)劃設(shè)想

在港址可能性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合資源條件初步布置了港區(qū)形態(tài)。所規(guī)劃的挖入式港池地處北港和北槽入海水道之間的橫沙淺灘，深水航道位于港池口門以東至長江口外-20m等深線之間，該段大部分海域平均懸沙濃度為0.1～0.5 kg/m3。由于長江口水域潮流泥沙運動較為復(fù)雜，因此本文重點分析港區(qū)初步規(guī)劃形態(tài)對周邊潮流場的影響以及港池和航道的回淤情況。

3.1 港區(qū)初步規(guī)劃形態(tài)布置

目前長江口內(nèi)自然和人工岸線水深較淺，航道回淤較強，難以大幅提升碼頭水深等級。在長江口橫沙淺灘規(guī)劃挖入式港池，港池主要為納潮量進(jìn)沙，若將口門布置在破波帶之外含沙量低值區(qū)，可以有效規(guī)避長江口渾濁帶影響，從而可以大大降低港池內(nèi)的泥沙回淤強度。橫沙淺灘挖入式港池方案，大型船舶通過深水航道進(jìn)入港池，利用北港水道和人工運河可實現(xiàn)江海聯(lián)運零距離對接，從而優(yōu)化目前江海聯(lián)運運輸體系。

設(shè)計初步考慮了兩個形態(tài)方案：南線方案和北線方案，見圖3。方案布置的主要原則是工程后對長江口深水航道無不良影響，港池口門橫流和回淤控制在可以接受的范圍內(nèi)。

圖3 南線方案和北線方案布置形態(tài)Fig.3 Layoutof the south channelplan and the north channelplan

3.1.1 進(jìn)港深水航道

解決港池和進(jìn)港深水航道的泥沙回淤問題是港區(qū)成敗的關(guān)鍵。初步選在長江口外海域-7～-20m等深線處；北線方案選在北港水道的出海口，航道走向90°～270°，長度為17 km，有效底寬450m，設(shè)計底標(biāo)高-23.0m。南線方案的航道位置靠近長江口深水航道的外航道W 4～W 5段，其走向107°～287°，長度約30 km，其他尺寸和北線方案一樣。布置深水航道范圍海床穩(wěn)定，水體含沙量低，沖淤變化??；開挖后回淤物的主要來源是大風(fēng)天邊灘（0～-5m）波浪破碎帶的懸沙。由于該海域-5m以外海域底質(zhì)屬于淤泥質(zhì)海床，表層含泥量約50%，與類似海域航道建設(shè)條件比較，本港區(qū)深水航道開挖后回淤量不會太大，航道易于維護(hù)。

3.1.2 挖入式港池

橫沙淺灘灘面平坦、穩(wěn)定，港區(qū)用地回填可以部分利用長江口深水航道維護(hù)疏浚土，以及港池和人工運河疏浚土，基本可以滿足土方的平衡。

挖入式港池的回淤很大程度上與港池口門的含沙量水平有關(guān)。港池口門設(shè)置在外海含沙量較低的海域，低濃度渾水進(jìn)入港池后不會有過大的回淤。其主要泥沙來源是大浪破波帶的邊灘掀沙。港池口門設(shè)有南、北擋沙堤，以減少泥沙進(jìn)入港池。

南線和北線兩個方案占地面積為208～252 km2，港池水域面積60～68 km2，具有-20m的深水岸線57～64 km，可布置深水和超大型深水泊位約150座。

挖入式港池方案可避免與外海惡劣自然條件直接接觸，具有水域平穩(wěn)，航行安全，回淤少，施工條件好，工程投資少，年作業(yè)天數(shù)多，對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點。

3.1.3 北港航道的長江貨船泊位

橫沙淺灘位于長江口北港水道的中段，岸線呈微彎的凹岸，水深-5～-10m的岸線約30 km，考慮長江貨船的吃水不大，此段岸線可以規(guī)劃為長江駁船和貨船泊位，符合北港航道5萬噸級的規(guī)劃。同時規(guī)劃人工運河連接港池和北港水域，實現(xiàn)江海零距離聯(lián)運。

3.2 工程前后潮流場分析

橫沙淺灘挖入式港池實施前后流場變化以及對周邊流場可能的影響可以通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析。此次長江口大模型覆蓋長江口、杭州灣、舟山群島、東海內(nèi)陸架及鄰近海域[2]。

南線、北線方案實施前后流場主要態(tài)勢如圖4～圖6所示。

圖4 工程前大潮漲、落急流場Fig.4 Flow field of flood and ebb during spring tide before projects

圖5 北線方案后大潮漲、落急流場Fig.5 Flow field of flood and ebb during spring tide for thenorth channelp lan

圖6 南線方案后大潮漲、落急流場Fig.6 Flow field of flood and ebb during spring tide for the south channelp lan

從上述流場整體態(tài)勢可以看出，橫沙淺灘挖入式港池南、北線方案對長江口北港和北槽的水動力特征總體上呈現(xiàn)較為微弱的影響。長江口北槽深水航道區(qū)域的水動力結(jié)構(gòu)基本保持不變，流速、流向以及斷面水流量沒有顯著變化，僅為2%～3%。

由于南線方案的圈圍擋沙堤和外航道離長江口北槽導(dǎo)堤丁壩以及外航道較近，對北槽下部納潮量的影響達(dá)到8.2%，對北槽中部納潮量的影響達(dá)到4%，對北槽口外深水航道有一定程度的影響；而北線方案的擋沙堤、外航道與北槽深水航道工程區(qū)域距離較遠(yuǎn)，對北槽下部納潮量的影響只有3.6%，對北槽中部納潮量的影響程度也只有1.2%，影響幾乎可忽略。

同時通過對比南、北線工程完成后的水動力模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方案在進(jìn)港外航道都有較為明顯的跨越航道的橫流，北線方案橫流方向以向南偏東為主，而南線方案以向南偏西為主。

從總體上看，北線方案對長江口北槽深水航道區(qū)域流場影響最小，在工程后航道區(qū)域的水動力結(jié)構(gòu)也優(yōu)于南線方案，因此推薦北線方案。

3.3 港池與航道回淤分析

橫沙淺灘挖入式港池及進(jìn)港深水航道規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵之一是解決回淤問題。對挖入式港池分別采用海港水文規(guī)范公式、底切力模式和曹祖德挾沙納潮量模式[3]進(jìn)行估算；對進(jìn)港航道分別按海港水文規(guī)范公式、底切力模式和開敞式航道淤積公式等方法計算。

挖入式港池的回淤估算中，主要計算參數(shù)：港池口門-7m處水域的年平均含沙量取0.3 kg/m3；平均水深和港池開挖后的水深分別取7m和23m/16m；港池水下淺灘面積68 km2；細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度取0.000 4m/s，動水絮凝沉速為ω=0.04 cm/s，泥沙淤積臨界摩阻流速u?i=0.7 cm/s，泥沙沖刷臨界摩阻流速u*c=1.0 cm/s等。計算結(jié)果見表1。

表1 挖入式港池回淤估算Table1 Sedimentation estimation of the dig-in basin

深水航道回淤估算中，主要計算參數(shù)：口門-7 m處年平均含沙量取0.3 kg/m3，-10m處取0.2 kg/m3，-15m處取0.1 kg/m3等。計算結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)港深水航道回淤估算Table 2 Sedimentation estimation of the channel

大風(fēng)天氣下港池及外航道回淤估算中，主要計算參數(shù)：大風(fēng)天氣情況下的水體含沙量濃度取5倍年平均含沙量，即口門處為1.5 kg/m3；夏季臺風(fēng)和冬季寒潮影響下的大風(fēng)天氣持續(xù)影響時間約為5天。

采用底切力模式估算港池內(nèi)回淤總量為1.83×106m3，采用總量預(yù)估的方法估算泥沙回淤量為1.65×106m3，采用海港水文規(guī)范計算方法估算泥沙回淤量為2.52×106m3。綜合3種方法計算得到的大風(fēng)天氣下的挖入式港池泥沙回淤量為1.6×106～2.5×106m3。

大風(fēng)天氣下外航道回淤估算采用海港水文規(guī)范計算方法，計算得外航道回淤量約為1×106m3。

3.4 初步規(guī)劃技術(shù)指標(biāo)

規(guī)劃港區(qū)的基本定位為國際樞紐港和國際物流中心，港區(qū)平面上布置了進(jìn)港航道、港池、物流園區(qū)和臨港工業(yè)區(qū)等。所推薦的北線方案主要技術(shù)指標(biāo)：進(jìn)港航道長度約17 km，航道基本尺度為450m×23m；港池規(guī)劃約60 km的深水岸線和約30 km的長江駁船岸線，可布置約150個大型深水泊位和100多個長江駁船、貨船泊位；規(guī)劃人工運河連接北港水道和港池實現(xiàn)江海對接，利于港池水體交換；規(guī)劃陸域面積約200 km2，分別規(guī)劃布置港口用地、物流園區(qū)和臨港產(chǎn)業(yè)及倉儲用地等；港口集疏運系統(tǒng)近期與長江隧道連接，遠(yuǎn)期開辟新的通道等。港區(qū)資源基本上可以滿足上海港未來30年可持續(xù)發(fā)展的需求，將大大提升、完善上海國際航運中心的功能，大幅度提高國際航運競爭力，確保并壯大上海作為國際航運中心的地位。

橫沙淺灘新港址初步規(guī)劃示意圖見圖7。

圖7 橫沙淺灘新港址初步規(guī)劃示意圖Fig.7 Prelim inary plan layoutof the new Shanghaiport site

4 結(jié)論與建議

通過對依托橫沙淺灘開發(fā)挖入式港池技術(shù)的可能性以及建港關(guān)鍵技術(shù)的初步分析研究，可以得出以下幾點結(jié)論。

1）橫沙港址所擁有的資源條件能夠滿足未來30年上海港可持續(xù)發(fā)展的需求。橫沙港址東距外海-20m深水區(qū)不足20 km，北靠長江口北港水道，南鄰長江口深水航道，通江達(dá)海，地理位置優(yōu)越，具有良好的江海聯(lián)運條件；依托橫沙淺灘吹填成陸，形成大型挖入式港池，可提供約60 km的深水岸線和約200 km2的土地資源；利用長江口外的深水資源規(guī)劃-20m以上深水航道，可以避開長江口泥沙回淤的問題；利用尚未開發(fā)的長江口北港水道南部約30 km的岸線資源以及通過建設(shè)人工運河規(guī)劃長江泊位，可以方便實現(xiàn)江海聯(lián)運對接的運輸系統(tǒng)。

2）依托橫沙淺灘開發(fā)建設(shè)大型港區(qū)技術(shù)上是可能的。橫沙淺灘灘面變化穩(wěn)定，-5m等深線內(nèi)面積多年保持約300 km2，陸域形成可以利用航道疏浚土和港池挖泥，總體保持平衡；長江口-10m外水體含沙量較低（僅有0.1～0.5 kg/m3），海床穩(wěn)定，沖淤變化小，橫沙淺灘前沿穩(wěn)定存在著一條近南北向沖刷帶，有利于橫沙港區(qū)外航道建設(shè)；港區(qū)形態(tài)布置可采用港池式布置，口門導(dǎo)堤伸入-7m以上水深，掩護(hù)條件好，作業(yè)天數(shù)多，回淤小；江海聯(lián)運可采用人工運河溝通，水水中轉(zhuǎn)便利，陸路集疏運可與長江隧道連接或通過新建通道解決；港區(qū)開發(fā)建設(shè)為先成陸后建設(shè)，地質(zhì)條件較好，建設(shè)條件和施工技術(shù)難度不大，遠(yuǎn)低于洋山深水港區(qū)工程的建設(shè)難度。港口開發(fā)建設(shè)對周邊生態(tài)環(huán)境影響可控。

3）依托橫沙淺灘布置港口的初步規(guī)劃形態(tài)分析結(jié)果表明其技術(shù)上是可行的。按照港區(qū)規(guī)劃布置形態(tài)盡可能減少對周邊水域的不利影響以及盡可能獲得較大資源的原則，所布置的初步形態(tài)方案通過流場數(shù)模分析，不僅對長江口北槽航道沒有負(fù)面影響，而且由于橫沙淺灘的成陸，減少了橫沙淺灘部分泥沙進(jìn)入北槽深水航道，有利于北槽深水航道的維護(hù)。采用多種方法對橫沙淺灘挖入式港池和進(jìn)港航道進(jìn)行回淤估算，當(dāng)港池出口位于-7m處時，港池內(nèi)平均淤積強度約為0.34m/a，外航道年平均淤積強度約為1.10m/a；大風(fēng)天氣持續(xù)影響時間5天，水體含沙量濃度5倍于正常天氣情況下，港池總回淤量為 1.65×106～2.6×106m3，外航道回淤量約1×106m3。

4）對于本港區(qū)挖入式港池規(guī)劃布置來說，關(guān)鍵問題是進(jìn)港航道的可維護(hù)性以及港池口門位置處流態(tài)是否利于大型船舶安全進(jìn)出，一旦這個問題處理得當(dāng)，內(nèi)部規(guī)劃形態(tài)可根據(jù)需要靈活布置。本文所設(shè)計的形態(tài)是初步的，隨著工作的深入將進(jìn)一步優(yōu)化。

綜上所述，初步研究認(rèn)為依托橫沙淺灘開發(fā)建設(shè)大型港區(qū)，其區(qū)位優(yōu)勢明顯，資源豐富，建設(shè)條件好，沒有不可克服的技術(shù)難題。建議有關(guān)部門抓緊組織橫沙淺灘圍墾后的新港址港口規(guī)劃工作。

[1] 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，華東師范大學(xué)河口海岸國家重點實驗室.上海國際航運中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2012.

[2] 交通部規(guī)劃研究院.通過長江口貨運量發(fā)展預(yù)測[R].北京：交通部規(guī)劃研究院，2010.

[3] 曹祖德，楊 華，張書莊.環(huán)抱式與挖入式港池的納潮淤積計算[J].水道港口，2008，29（2）：77-81.