葛建忠， 郭文云， 丁平興， 虞志英， 金 鏐， 邵榮順，李身鐸， 徐海根

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062；2.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003；3.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計有限公司，上海 200032）

0 引 言

為應(yīng)對船舶大型化的趨勢以及長江口鄰近海域深水岸線用盡的情況，橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案旨在長江口淺灘區(qū)域建立相對于其他水道隔斷的挖入式港池，從而避免了口門區(qū)域的高含沙量水體的影響，有效降低了港池內(nèi)的泥沙濃度和隨之產(chǎn)生的泥沙回淤［1］.在規(guī)劃方案中沿橫沙淺灘－5 m等深線建有圈圍堤以及水深達－23 m的外航道，該方案北鄰北港航道，南抵北槽深水航道北導(dǎo)堤，西靠橫沙東灘N23潛堤.

橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案工程空間尺度巨大，必然對鄰近的北港，特別是北槽深水航道產(chǎn)生一定程度的影響.在工程實施前，須對方案可能產(chǎn)生的影響進行分析評估.一般采用物理模型和數(shù)值模型兩種方法進行分析，本文主要從數(shù)值模擬方法來進行研究，基于經(jīng)過檢驗的無結(jié)構(gòu)三角高分辨率長江口FVCOM模型［2］，對規(guī)劃方案的不同平面布置進行模擬分析對比，以計算其鄰近的北港和北槽航道的水動力場的影響.

1 計算條件

其中，ξ為潮位，ξ0為余水位，f為節(jié)點因子，Hi為振幅，ωi為角頻率，gi為遲角，Vi＋ui為訂正角.由于實測資料的缺乏，為給出合理的開邊界條件，首先建立了一個東中國海大區(qū)域的模型來計算各個天文分潮［3］.本文使用的調(diào)和常數(shù)從大區(qū)域在開邊界出的調(diào)和常數(shù)插值得來.上游徑流給大通站歷年實測流量（長江水文網(wǎng)，http：／／www.cjh.com.cn／）.流速和水位對外力響應(yīng)較快，初始場一般取為零；溫度、鹽度為慢過程，初始場取自《渤海、黃海、東海海洋圖集》［4］數(shù)字化資料.

數(shù)值計算采用三維模式進行，垂向分層總數(shù)為20層，分層方法為隨地形變化的sigma分層.底部糙率在整個計算域上進行分區(qū)表示，從深水向淺水糙率逐漸增大.采用Mellor－Yamada 2.5階湍流閉合模型，其中，水平混合系數(shù)取0.1，垂向混合系數(shù)取10－4.

模型模擬時間從2011年6月10日—7月20日，期間最大徑流量46 000 m3／s，最小徑

長江口模型三角形網(wǎng)格如圖所示，覆蓋長江口、杭州灣、舟山群島、東海內(nèi)陸架及鄰近海域.總?cè)菃卧獢?shù)為94088，節(jié)點數(shù)為49078，該網(wǎng)格在長江口北槽及橫沙淺灘區(qū)域具有較高的空間分辨率，最高達到200 m左右，網(wǎng)格分辨率最粗位置處于外海開邊界，約14.7 km，能夠較好地刻畫長江口區(qū)域的岸線水深特征.本文在長江口內(nèi)及口門海域主要采用2011年8月水深地形資料，長江口外水深變化較小，采用海圖數(shù)字化資料.開邊界水位主要采用8個天文分潮 M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1合成給出：流量為25 700 m3／s，平均徑流量為39 669 m3／s，其徑流特征與多年平均徑流量較為吻合，可作為河口動力計算的特征徑流驅(qū)動.7月是夏季季風(fēng)盛行期，模型采用WRF模型計算風(fēng)場.在40 d的模擬時間段內(nèi)，可以完整包含大小潮汐過程，可以作為特征潮汐（大潮、小潮）期的動力分析.

2 橫沙淺灘挖入式港池方案對周邊流場的影響

利用率定檢驗后的長江口及其鄰近水域FVCOM模型，討論橫沙淺灘挖入式港池方案實施前后的流場變化，以及對周邊流場可能的影響，在對北槽深水航道沒有負面影響的前提下提出推薦方案.

2.1 方案實施前后主要流態(tài)變化

（1）考慮2011年7月份地形、北槽及橫沙淺灘工程配置（導(dǎo)堤、丁壩、橫沙圈圍）、長江徑流以及潮汐為主要驅(qū)動因子，未考慮季風(fēng)、波浪和泥沙的作用；

（2）模型考慮北線方案（Case F）和南線方案（Case G），其網(wǎng)格如圖1所示，在橫沙淺灘工程區(qū)域模型分辨率為300～400 m，北槽250～300 m，口外500～1 000 m.

圖1 橫沙淺灘挖入式港池北線方案（上）及南線方案（下）模型計算網(wǎng)格Fig.1 Model grid for the north and south schemes of the planed excavated－in harbor in Hengsha Shoal

2.1.1 工程前后流場主要態(tài)勢

橫沙淺灘在未進行挖入式港池圈圍工程之前，主要受北槽深水航道及橫沙東灘一至四期促淤圈圍及橫沙潛堤影響，同時在橫沙淺灘東部，也受淺灘地形影響，其漲潮主要270°～300°方向.淺灘東部漲潮最大流速主要為北方向分布，此主要受北槽導(dǎo)堤及淺灘地形控制（如圖2－a）.

而落潮受地形控制影響更為明顯，其落潮主要順延淺灘等深線方向.其－3 m等深線所包圍的淺灘在落潮期間有顯著的露出過程，其淺灘落潮主流沿－5 m等深線.并在深水航道北導(dǎo)堤附近與北槽落潮流交匯.從北港出口橫沙潛堤至北槽出口區(qū)域，落潮方向由正東逐漸轉(zhuǎn)為正北（圖2－b）.在淺灘靠北導(dǎo)堤區(qū)域，有較強的落潮流沿導(dǎo)堤方向.

北線方案主要沿－2 m等深線位置，在橫沙淺灘前緣向東建有突出部港池出入口，在南部與北槽北導(dǎo)堤N8相連.其大潮期間漲潮漲急流場分布如圖2－c所示，港池內(nèi)由于圈圍工程影響流速較小，其流速較顯著的位置主要在港池出入口.外圍漲潮流主要沿工程圈圍線，在港池出口－20 m航道及鄰近區(qū)域存在較為明顯的流速分布差異，主要是受－20 m航道水深及附近較淺水深的空間差異造成的.

同時，在北槽區(qū)域，在航道出口段及以上位置漲潮流分布沒有發(fā)生顯著變化.在北導(dǎo)堤N8—N10與橫沙圈圍范圍內(nèi)存在顯著的局地環(huán)流，呈順時針方向，在挖入式港池出入口位置與漲潮主流交匯形成，從而在出入口位置形成較為顯著的局地擾流.

而在落潮期間的最大落潮流分布如圖2－d所示，較強的落潮流沿北港深泓，并在－5 m等深線位置附近方向向南偏轉(zhuǎn)，并在港池出入口位置與流出的港池流交匯，但形成的擾流與漲潮期間相比較弱.與漲潮期間類似，在港池出口航道附近有一定的流速空間不均勻分布.在N8—N10附近的淺灘，也存在受工程影響的局地水流，其強度顯著弱于漲潮流.

在落潮期間，圈圍工程并沒有顯著影響落潮流在橫沙淺灘前緣的流路，因此落潮期間與工程前相比較為類似.同樣，圈圍工程也并沒有顯著影響北槽深水航道在落潮期間的分布特征.

南線方案更加歸順－2 m等深線，其港池出入口與北導(dǎo)堤東端位置較近，圈圍工程與N9丁壩相連.

因該方案外輪廓線與－2 m線更加貼合，因此其漲潮流與工程前更加接近，其漲潮方向與港池出入航道走向較為貼近，因此在出入口位置擾流與北線方案相對較小.同時在港池外航道區(qū)域由于漲潮流方向一致，從而未形成顯著的空間差異性（如圖2－e）.

在北槽航道區(qū)域，航道出口漲潮流有小幅度減弱，而航道中上段漲潮流分布未有顯著變化.而在北導(dǎo)堤與港池外輪廓由于空間范圍較小，沒有顯著的漲潮流，整體呈現(xiàn)較小流速分布.

而在落潮過程中，由于港池外輪廓主要沿－5 m線，因此在輪廓線附近落潮流較為歸順.在橫沙淺灘東部流向由正東轉(zhuǎn)為正南，因此在港池出口附近與東偏南方向的落潮流交匯，從而在出入口附近形成較為顯著的流速切變，在出口航道外側(cè)落潮與航道走向較為歸順.而在北槽及航道附近，落潮流并沒有顯著差異，此分布與工程前較為接近（圖2－f）.

2.1.3 南線、北線方案實施對潮汐潮流的影響特征

為詳細分析南線、北線方案實施后對周邊流態(tài)的可能影響，分別在北港中部及外側(cè)、北槽中下部及口外位置、橫沙淺灘東部及外海位置選取部分控制點，通過比較這些控制點上規(guī)劃方案實施前后流場的變化討論規(guī)劃方案對周邊流場的影響.南線方案與北線方案控制點詳細分布如圖3和圖4所示.

工程前，這些控制點13 h表層潮流流矢分布如5所示，北槽深水航道下段區(qū)域以落潮流占優(yōu)，漲潮流較弱的往復(fù)流為主；北港區(qū)域具有較強的往復(fù)流特征，在漲潮期間有顯著的從橫沙淺灘向北的漲潮流.橫沙淺灘東部海域以旋轉(zhuǎn)流為主，主軸方向呈南北向.

圖3 北線方案控制點分布示意圖Fig.3 Distribution of controlling sites under north scheme of the planed excavated－in harbor

圖4 南線方案控制點分布示意圖Fig.4 Distribution of controlling sites under south scheme of the planed excavated－in harbor

北線方案完成后對鄰近水道及淺灘的水動力結(jié)構(gòu)如圖6所示，可見北槽下段區(qū)域落潮流為主的特征沒有改變，落潮流強度也沒有改變.但漲潮流有所減弱（BC2）.北港區(qū)域BG1點受工程導(dǎo)流堤的影響，原來有橫沙淺灘的漲潮流被顯著消弱，從而往復(fù)流特征更加明顯；接近擋沙堤的BG2點也呈現(xiàn)往復(fù)流特征，其中漲落潮流沿擋沙堤切線方向.在港池外航道以旋轉(zhuǎn)流為主，并存在較為顯著的橫流，方向以正南偏東為主（B6），在港池內(nèi)主要呈現(xiàn)往復(fù)流（B1—B3）.

南線方案完成之后的水動力分布如圖7所示，其對北槽下段深水航道區(qū)域及北港水道的影響與北線方案相似，主要體現(xiàn)為減弱北槽出口的漲潮流和北港從橫沙淺灘向北的漲潮流，總體上對落潮流影響甚小.港池外航道以旋轉(zhuǎn)流特征為主，但也存在較強的跨航道橫流，其強度與北方案相比較大，而方向以向南偏西為主.港池內(nèi)主航道的流場以碼頭岸線束縛的往復(fù)流為主，流速較低.

圖5 橫沙挖入式港池工程前大潮表層潮流流矢圖Fig.5 The vectors of surface current during the spring tide around the Hengsha Shoal

圖6 北線方案完成后大潮表層潮流流矢圖Fig.6 The vectors of surface current during the spring tide under the north scheme of the planed excavated－in harbor

從工程前后M2分潮的潮流橢圓要素長、短半軸分布圖（見圖8和圖9）也可以看出南北兩線方案對該區(qū)域潮流動力的影響.可以看出大部分站點受影響較小，只有工程港池內(nèi)及外航道的點受到的影響顯著，同時由于港池導(dǎo)流堤的影響B(tài)G1點向北的漲潮流受到抑制，因此該位置的往復(fù)流方向有約20°的逆時針偏轉(zhuǎn)，同時長軸有所增長.也可以看出BC4點受南線方案的影響較北線方案為大.北線方案后港池外航道橢圓長短半軸有明顯的逆時針偏轉(zhuǎn)，更加指向外海；而南線方案外航道長短半軸發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)，更加指向淺灘.

圖7 南線方案完成后大潮表層潮流流矢圖Fig.7 The vectors of surface current during the spring tide under the south scheme of the planed excavated－in harbor

圖8 工程前（黑色）和北線方案（藍色）完成后大潮表層M2分潮橢圓長、短半軸分布圖Fig.8 Distribution of ecllipse axis of M2constituents under current situation and north scheme

2.2 方案實施后對周邊流場的影響

為定量地評估方案實施后對周邊流場的影響，選擇部分具有代表性的站點進行工程前后的流場對比，其站點分布如圖3和圖4所示，包括北港中部BG1和BG2，以及北港下部BG3和BG4；北槽中部BC1，北槽口BC2、北槽口外BC3、BC4以及橫沙淺灘部分特征點進行方案前后的水位、流速及流向?qū)Ρ?以下為對北槽、北港及橫沙淺灘方案實施前后的對比結(jié)果.

Shakespeare was born in 1564 at a town（城鎮(zhèn)）in England.His father，John，was a glove-maker（手套制造者）.His mother，Mary，was a farmer’s daughter.He had seven brothers and sisters.

2.2.1 對北槽流場的影響

南線、北線規(guī)劃方案實施前后對于北槽中下部（點BC1）的潮位、流速和流向變化過程如圖10所示.由于該位置與圈圍工程距離較遠，并有北導(dǎo)堤為阻隔，從圖可發(fā)現(xiàn)規(guī)劃方案的實施對北槽航道的上中段區(qū)域水動力幾乎沒有影響.

圖9 工程前（黑色）和南線方案（紅色）完成后大潮表層M2分潮橢圓長、短半軸分布圖Fig.9 Distribution of ecllipse axis of M2 constituents under current situation and north scheme

在北槽出口位置（點BC2），工程前后潮位幾乎沒有影響，而流場具有一些影響，主要影響在漲潮期間（圖10）.工程后漲潮流弱于工程前，最大漲潮流由1.4 m／s左右減至0.6 m／s（北線方案）和0.7 m／s左右（南線方案）.受工程影響，漲潮弱流區(qū)流向也有所擾動.從影響幅度上看，南線和北線方案的影響程度較為一致.

在北槽外航道點BC3，由于離南線和北線圈圍工程位置較遠，影響很小，其差異主要體現(xiàn)在流速降低上，對比兩種結(jié)果發(fā)現(xiàn)，北線方案相對工程前對北槽外航道影響最小，其流速降幅明顯小于南線方案.特別是在大潮落急時間段北線方案結(jié)果與工程前較為吻合，而南線方案在此時間段內(nèi)較北線方案動力減弱明顯.

圖10 北槽下部BC1（左）、BC2（中）、BC3（右）控制點工程前（黑線）、北線方案（藍線）和南線方案（紅線）大潮期間潮位、流速、流向過程圖Fig.10 Comparisons of water level，velocity and direction at BC1，BC2 and BC3 under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

2.2.2 對北港流場的影響

在北港中下部BG1點位置，水動力受工程影響較弱，且南北兩線工程對該位置的水動力影響較為一致，如圖11所示，落急時刻流速有所增強，大潮最大流速從2.6 m／s增至2.9 m／s.南北兩線方案圈圍工程的主要影響發(fā)生在漲轉(zhuǎn)落時間段，受圈圍邊界影響該區(qū)域位置原來較弱的旋轉(zhuǎn)流特征被改變，呈現(xiàn)較強的往復(fù)流特征.因此漲轉(zhuǎn)落期間流速降低明顯，并轉(zhuǎn)為相反方向的落潮流.

而在北港口外BG2點，雖然與南線和北線方案的圈圍堤位置較近，但由于該區(qū)域圈圍線輪廓與等深線走向一致，因此動力上影響較弱（如圖11所示），其最大的差異與BG1點類似，也發(fā)生在漲轉(zhuǎn)落期間，其原因仍然是工程邊界改變了局部的旋轉(zhuǎn)流特性.

在北港口外BG3位置，由于離圈圍工程距離較遠，受邊界影響較弱，因此水動力上工程前后差異并不顯著，只存在幅度較小的流速流向變化.

圖11 北槽下部BG1（左）、BG2（中）、BG3（右）控制點工程前（黑線）、北線方案（藍線）和南線方案（紅線）大潮期間潮位、流速、流向過程圖Fig.11 Comparisons of water level，velocity and direction at BG1，BG2 and BG3 under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

（1）北線方案對港池外航道區(qū)域的影響

北線方案后外航道主要控制點如B4—B7的水動力過程較工程前的變化如圖12所示.在港池口B4點受圈圍堤壩的影響動力改變顯著，潮位影響不大，但流速流向差異較大.流速在大小潮過程呈現(xiàn)顯著降低的特征，最大流速從1.6 m／s降低至0.8 m／s，其降幅達50%，流向也發(fā)生了顯著變化.由于北線方案航道走向與該區(qū)域漲潮流方向存在顯著的夾角，因此在流向上存在跨越航道的橫向流.

由于外航道B5—B7水深控制在20 m，較周圍淺灘水深差異明顯，因此在航道內(nèi)的控制點受水深和圈圍的共同影響，流速和流向與工程前也存在較為顯著的差異.主要體現(xiàn)在流速值有所降低，其降幅從港池口位置的50%幅度（B4、B5）到口外20 m等深線B7點13%左右逐步降低，同時流向差異也呈現(xiàn)此種特征，從港池口往東部深水區(qū)域旋轉(zhuǎn)流特征越加明顯.

（2）南線方案對港池外航道區(qū)域的影響

南線方案外航道方向呈東南向，與長江口張潮流方向夾角較小，因此在港池口N4點跨航道的橫流并不顯著，主要呈現(xiàn)往復(fù)流特征（見圖13）.流速過程較工程前也有明顯的降低，其降幅也在40%～50%左右.

圖12 北線方案外航道B4、B5、B6、B7控制點工程前（黑線）和工程后（藍線）大小潮期間潮位、流速、流向過程圖Fig.12 Comparisons of water level，velocity and direction at B4，B5，B6 and B7 under current situation and north schemes of the planed excavated－in harbor

在橫沙淺灘東部外航道N5—N7工程后的水動力變化特征與北線方案的外航道動力變化特征類似，受圈圍堤壩和航道水深的影響，也存在從西往東的受工程的流速降幅逐步減小，流向差異也逐步減小.從N5點30～70 cm／s的流速降幅逐步減小至N7點的5～20 cm／s（見圖13）.由于在外航道區(qū)域受圈圍丁壩的影響逐步減弱，旋轉(zhuǎn)流特征逐步增強.

2.2.4 對周邊潮通量的影響

橫沙淺灘挖入式港池位于長江口攔門沙海域，北臨長江口北港水道，南靠北槽及其深水航道，為判斷橫沙淺灘挖入式港池對周圍潮汐通道的漲落潮流及其納潮量的影響，采用控制數(shù)值模式定量地模擬橫沙挖入式港池建成之后對周邊潮汐通道的漲落潮影響.控制斷面分布如圖14所示，共10個斷面，分別位于徐六涇、南支上部、北港上部、北港下部、南港上部、北槽上部、北槽中部、北槽下部、南槽上部和南槽中部.從而確定挖入式港池南線方案和北線方案對上述斷面在漲落潮過程中的斷面流量變化.

圖13 南線方案外航道N4、N5、N6、N7控制點工程前（黑線）和工程后（紅線）大小潮期間潮位、流速、流向過程圖Fig.13 Comparisons of water level，velocity and direction at N4，N5，N6 and N7 under current situation and south schemes of the planed excavated－in harbor

從圖15可見，各潮汐通道在潮汐過程中的流量在工程前后沒有發(fā)生顯著變化，從徐六涇至南槽、北港的斷面通量變化基本保持不變，所有斷面中變化幅度最大的位于北槽下斷面，并可以發(fā)現(xiàn)工程后潮汐通量有小幅度的增大過程.從表1也可看出，工程后各斷面的變化幅度均較小.口內(nèi)上部，包括徐六涇、南支上部、北港上部、南港上部及南槽上部工程前斷面流量變化基本保持一致，而與橫沙淺灘挖入式工程距離較近的北港下部、北槽上部及北槽中部、南槽中部也只是較為微弱的影響.

統(tǒng)計工程前后多個漲落潮過程中的斷面流量變化，得到橫沙淺灘挖入式港池對周邊潮汐通道的影響程度如表1所示.從總體上，北線方案對主要河槽的漲落潮通量的影響要顯著小于南線方案.在離挖入式港池位置較遠的徐六涇、南支區(qū)域，北線方案影響在2%以內(nèi)，而南線方案對漲潮流的影響較為明顯，在上述兩區(qū)域影響程度接近5%.對潮通量影響較為顯著的是與橫沙淺灘位置較近的北槽及南港區(qū)域，總體上看工程后北港、北槽及南槽落潮流都有所增大，其中，北槽增長最為顯著，南線方案增大15%，而北線在2%以內(nèi).而工程對漲潮流影響的區(qū)域主要集中在北槽及南港，主要表現(xiàn)為漲潮流減小，南線方案在北槽下段漲潮流量減小29%，而北線方案減小8%.可見，兩方案對北槽的影響總體表現(xiàn)為落潮流量增大，漲潮流量減小，此特征有利于北槽航道的維護建設(shè).同時，北線方案對周邊汊道的影響要小于南線方案.

圖14 長江口南支、北港、北槽、南槽主要控制斷面分布圖Fig.14 Distribution of selected sections in the South Branch，South Channel，North Passage and South Passage

表1 主要河槽特征斷面工程前后漲落潮流量對比Tab.1 Comparison of water flux during ebb and flood tide cycle under current and post－project situations

3 結(jié) 論

從上述流場整體態(tài)勢、典型站位的大小潮動力特征可以看出，橫沙淺灘挖入式港池南線、北線方案對北港和北槽的水動力特征并沒有造成非常顯著的變化，總體上呈現(xiàn)較為微弱的影響.北槽長江口深水航道區(qū)域的水動力結(jié)構(gòu)基本保持不變，流速、流向以及斷面水流通量上沒有顯著變化.由于挖入式港池北導(dǎo)堤的束流及其對漲潮的阻礙作用，落潮流速有較為明顯的增大，呈現(xiàn)較強的往復(fù)流特征.

圖15 工程前和南北工程方案后大潮期間主要控制斷面序列對比Fig.15 Comparison of timeseries water flux at selected sections under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

從典型站位的潮汐動力過程對比看，由于南線方案的圈圍擋沙堤以及外航道離北槽導(dǎo)堤丁壩以及外航道較近，對北槽口外深水航道外航道有一定程度的影響；而北線方案的擋沙堤與外航道與北槽深水航道工程區(qū)域距離較遠，影響幾乎可忽略.兩種方案都顯示出北港工程后往復(fù)流特征更趨明顯.

同時在南北兩線工程完成后的水動力模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩種方案在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，而南線方案橫流方向以向南偏西為主.

因此從總體上看，北線方案對北槽深水航道區(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)優(yōu)于南線方案，故推薦北線方案.

［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)河口海岸學(xué)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：華東師范大學(xué)，2012.

［2］ 葛建忠，郭文云，丁平興.長江口橫沙淺灘挖入式港池對流場的影響分析Ⅰ：數(shù)值模型和驗證［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（4）：79－90.

［3］ 葛建忠.東中國海和長江口FVCOM數(shù)值模型系統(tǒng)及應(yīng)用［D］.上海：華東師范大學(xué)，2011.

［4］ 海洋圖集編委會.渤海、黃海、東海海洋圖集［M］.北京：海洋出版社，1993.