薛靖波，蔣雪中*，買佳陽

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

長江口橫沙東灘外側建設人工島的自然條件分析

薛靖波1，蔣雪中1*，買佳陽1

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

利用2001－2008年的海圖資料和2011－2012年枯季現場水文調查數據，分析長江口橫沙東灘外側海域的河勢、水動力條件及泥沙含量的潮周期過程，討論在此建設人工島的自然條件。結果表明，橫沙東灘外側海域，2001－2008年間沖淤有變化，由灘向海的斷面顯示上部淤積，下部侵蝕，沖淤轉換面在－7～－10 m之間，－10～－20 m海域整體呈現微沖趨勢，但侵蝕速率減緩，河勢趨于穩(wěn)定。橫沙東灘受北槽深水航道北導堤影響，向東南方向淤進。定點船測潮流表現出旋轉流性質，枯季大潮最大流速不超過188 cm／s，小潮最大流速小于134 cm／s；北港口外的定點余流顯示向口內輸運，北槽口外則是向海輸運。兩測站數據顯示枯季大小潮垂線平均含沙量處于0.061～0.116 kg／m3之間，水體泥沙含量整體處在較低水平。從自然條件上來說，不考慮風浪影響情況，研究區(qū)域內河勢漸趨穩(wěn)定，水深條件良好，水動力條件適宜，水體含沙量較低，在該區(qū)域內建設人工島具有可行性。

河勢變化，動力條件，橫沙東灘，人工島，長江口

1 引言

人工島的建設已成為世界沿海各國和地區(qū)開發(fā)海洋的一種新形式和新途徑。長江河口位于我國海岸帶的中部和長江流域水道的出海口，“弓箭形”江海格局的關鍵節(jié)點，經濟地理區(qū)位優(yōu)越，腹地廣闊，通江達海，交通便捷。受河口攔門沙影響，長江口的通航條件一般，進出長江的航道依靠疏浚維護才得以保持－12.5 m水深，而上海港作為在建中的國際航運中心，隨著水運量需求不斷增長和船只大型化發(fā)展，仍有必要開辟新的港區(qū)和－20 m以上超深水航道，建造深水大港［1］。

陳吉余教授曾在20世紀90年代提出，上海港深水岸線的不足可以通過挖入式港池，開發(fā)河口沙島深水岸線，建設人工島、人工半島和人工環(huán)礁等途徑來解決，并提出了在長江口三角洲外圍建設深水港的構想［2］。受當時長江口自然條件和工程技術水平的制約，這一構想并未得到實施。隨著長江河口整治工程的推進和長江口深水航道工程的建成，河口河勢多變局面正在改變，加上長江口越江通道的建成通車，在長江口外建設超深水港區(qū)及超深水航道的條件已漸趨成熟［1］。在多年調研的基礎上，陳吉余教授在2011年再次提出了“開發(fā)長江口亞三角洲和建海上人工島”的構想［1］，建議在橫沙島以東、東海20 m水深處，建設一個面積約40 km2的海上人工島，開辟深水港區(qū)，利用長江口越江通道等搭建的陸島集疏運體系，可以使人工島成為長江口水水中轉、海陸聯運的橋頭堡。

人工島的選址往往受到使用需求的制約，但綜合考慮地質、自然條件等因素仍是選址的重要內容［3］。河口海岸地區(qū)的水動力條件往往比較復雜，涉及到潮流、泥沙等各方面動力因素的相互作用［4］，需要對河口淺灘的沖淤及演變趨勢、周圍海域的水動力環(huán)境、泥沙輸移規(guī)律等進行必要的分析和研究。本文擬通過歷史海圖資料和實測水文泥沙數據，分析橫沙東灘外側海域的河勢穩(wěn)定性、水動力環(huán)境和泥沙含量及其潮周期過程，從自然條件的角度討論在該海域建設海上人工島的可行性，為規(guī)劃和以后的工程建設提供基礎數據和科學建議。

2 研究區(qū)域與數據

研究區(qū)域設在橫沙東灘東緣至－20 m等深線附近，西部邊界取122°15′E經線，東界取122°33′E經線，南北邊界分別包括北槽口和北港口，區(qū)域西北角靠近佘山島（圖1）。

圖1 研究區(qū)域及等深線和實測站點分布Fig.1 Isobath and locations for measured sites of the study area

以2001年、2004年和2008年1∶15萬的長江口及其附近海圖資料為基礎，運用地理信息系統技術，對海圖進行掃描、配準和數字化。利用數字化得到的離散水深點，建立研究區(qū)域內的三期數字地形（柵格單元大小為96 m×113 m），部分海圖由相近時期的測量數據鑲嵌成圖。

2011－2012年枯季實測站位K1101（31°21′N，122°30′E）和K1102（31°08′N，122°30′E）位于研究區(qū)域內，對應北港口和北槽口。施測時間自2011年12月26日至2012年1月3日，涵蓋完整的大潮和小潮周期。測驗期間上游大通站的水位和流量變化不大，對應的最大流量為13 100 m3／s（流量變幅在12 800～13 100 m3／s之間）?，F場流速流向觀測儀器采用美國TRDI公司生產的聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiles，（ADCP））進行，ADCP入水深度1.0 m，作連續(xù)記錄，并采用DGPS系統定位和羅經進行航跡校正和船艏校正。采用美國Compbell公司（原D＆A公司）生產的OBS自動記錄水體濁度，每1 h整點按照六點法拉垂線，采樣間隔為5 s。

同時，用采水器每整點取6層水樣，運回實驗室進行水體含沙量分析，研究區(qū)域內的兩個實測站點共采集水沙樣品數636個，室內水體含沙量測定采用烘干稱重法，使用0.45μm濾膜真空抽吸過濾，烘干后在電子天平秤（精度為萬分之一克重）稱重［5］。

3 河勢變化

3.1 等深線變化

從建立的三期數字地形中，提取出研究區(qū)域各年份－5 m、－7.5 m、－10 m、－15 m、－20 m等深線，圖1將歷年等深線疊加顯示，從圖中可以看出橫沙東灘外側的等深線從2001年到2008年的平面變化趨勢。－5 m等深線有崇明東灘東南角和橫沙東灘東部兩部分，2001—2008年－5 m等深線不斷向海推進，表明了兩個淺灘的淤漲；兩個灘涂外緣的－7.5 m等深線則變化不一，北端沖淤變化不大，南端有沖有淤；而－10 m、－15 m、－20 m則均顯示有向內蝕退的態(tài)勢。

等深線向海推進是淤積的結果，向陸推進則是侵蝕的結果，圖2、圖3顯示了2001—2004年間和2004—2008年間的平面沖淤變化。從圖2中可以看出，從2001—2004年，－5 m等深線的平面移動距離較大，最大的移動幅度發(fā)生在北港口外北側的崇明東灘東南角，3年間淤進達4 km左右；在橫沙淺灘的灘頭附近，也有很明顯的變化，北端沖刷南端淤積，顯示橫沙東灘依托深水航道北導堤，向東南角推進；－7.5 m等深線在北港口附近和橫沙東灘外側變化不大，在北槽口附近靠近深水航道的海域則有明顯的移動；－10 m等深線在北港口北側海域基本穩(wěn)定，只有小幅的遷移，但在橫沙淺灘的外側則有很明顯的后退；－15 m和－20 m等深線均向陸有較大幅度的平移，這種侵蝕應是受到長江徑流減沙的影響［6—8］。2004 －2008年間，在北港口外和橫沙淺灘附近的－5 m等深線有明顯的移動，顯示河口灘涂沖淤活躍，橫沙東灘外側的海域在這期間的偏移變化不大，河勢基本趨于穩(wěn)定（圖3）。

圖2 2001－2004年等深線Fig.2 The contour of water depth between 2001 and 2004

圖3 2004－2008年等深線Fig.3 The contour of water depth between 2004 and 2008

3.2 縱斷面變化

在研究區(qū)域內自北而南設7個縱斷面（Ⅰ－Ⅶ），其起始點為研究范圍西邊界122°15′E線，終端點是2008年－20 m等深線，斷面間隔4.5 km（見圖4a）。

圖4（見b～h）反映了2001—2008年研究區(qū)域內水深的垂向變化，從圖中可以看出，沖淤較為頻繁，最大淤積厚度約為2 m，發(fā)生在北港口的北側和橫沙淺灘上，最大沖刷深度約為1.5 m，主要是在122°25′E附近。

Ⅰ斷面的起始端位于佘山島附近，從剖面圖上可以看出，該斷面從2001—2008年整體呈現沖刷趨勢，但沖刷厚度不大，水深沒有很明顯的變化，最大的沖刷厚度有1 m左右。2004—2008年間，除局部淤積外，斷面位置的沖淤基本穩(wěn)定。

圖4 縱斷面平面分布及變化Fig.4 The planar distribution of cross-section profiles and their variations

Ⅱ斷面起始端位于北港口北側，從崇明東灘東南角到－7.5 m等深線附近發(fā)生明顯的淤積，淤積厚度達2 m左右，從－10 m等深線往東則發(fā)生沖刷，但從2004之后至2008年，該斷面沖淤明顯減弱，河勢趨于穩(wěn)定。

Ⅲ斷面位于北港口，從起始端（122°15′E）到2008年－20 m等深線的直線距離最短，斷面顯示在北港口內從2001—2008年發(fā)生淤積，但淤積厚度不大；從－7.5 m等深線往東，則呈現出沖刷的趨勢，但在2004—2008年間，北港口外側的水深基本沒有變化，沖淤減弱，河勢趨穩(wěn)。

Ⅳ斷面從橫沙淺灘的北側灘頭開始，在這附近沖淤基本達到平衡，從－5 m等深線往東，2001—2008年整體呈現沖刷的趨勢，但后一個階段的沖刷速率明顯減弱表明斷面所在的河勢也趨穩(wěn)。

Ⅴ斷面和Ⅵ斷面起始點都位于橫沙淺灘上，在淺灘上兩個斷面都顯示淤積，Ⅵ斷面的淤積厚度更大，最大淤積厚度達到2 m左右。－5 m等深線往東，兩個斷面都是呈現弱沖刷的趨勢。

Ⅶ斷面的起始端靠近北槽口，在－10 m以上的水域有比較明顯的淤積，－10 m等深線往東則是沖刷，其中2001—2004年間略有沖刷，之后水深基本穩(wěn)定。

3.3 河勢變化分析

流域來水來沙、汊道間的分流分沙變化、近底層較大流速和易懸浮顆粒是造成長江河口灘槽變化和水下三角洲沖淤的主要原因［9］。通過2001—2008年水下地形和固定斷面資料的對比分析，得到研究區(qū)域內動態(tài)演變的初步認識：橫沙東灘淺灘內側持續(xù)自然淤積，東北側受北港口門主泓擺蕩，出現沖刷；橫沙東灘以東，－10 m至－20 m等深線之間處于輕微沖刷狀態(tài)，且2004—2008年的侵蝕速率較2001—2004年有所減弱；多條縱斷面也表征橫沙東灘東緣的上部保持淤積，下部出現侵蝕，沖淤轉換面處于－7～－10 m之間。

而假設人工島的選址位置位于－20 m等深線附近，則可以避開長江口攔門沙的影響以及沖淤頻繁的海域，在潮流動力的控制下，該區(qū)域內近幾年總體呈現輕微侵蝕的態(tài)勢，且侵蝕速率減緩，河勢有利于開辟深水港口。

4 動力條件

由于流場對近海工程、航道利用等均具有重要的影響［10］，因此了解研究區(qū)域流場分布態(tài)勢及變化特征，對于在該區(qū)域選址具有重要的意義。根據2011年枯季水文綜合調查，得到K1101測站點和K1102測站點在一個完整的潮周期內各層的流速流向數據，并根據實測數據，進行潮流調和分析，計算出測站點表層、中層、底層及垂線平均的余流流速大小和方向。

4.1 定點流速流向

根據實測水文數據分別繪制了定點測站的分層流速流向和余流圖。圖5為K1101和K1102測站點枯季小潮期間流速流向的表層、中層、底層及垂線平均值。K1101測站點各層及垂線平均的流速要小于K1102測站點，這是由于K1102測站點靠近北槽深水航道，徑流對其有更大的影響。K1101測站點在小潮期間的平均水深為23.9 m，流速最大值為54 cm／s，出現在中層，最小流速為10 cm／s，垂線平均流速為29 cm／s，整個小潮周期內流速變化不大；K1102測站點在小潮期間的平均水深為16.5 m，最大流速出現在表層，可達114 cm／s；最小流速僅為7 cm／s，流速變幅較大，垂線平均的流速均值為45 cm／s。

圖6為兩測站點枯季大潮期間流速流向的表層、中層、底層及垂線平均值，大潮期間兩站的流速較小潮期間均有明顯變化，K1101站點在大潮期間測到的最大流速為134 cm／s，為小潮期間的2倍多，最小流速也有22 cm／s，垂線平均的流速值為70 cm／s；同期K1102站點錄得的最大流速較北側K1101站點更大，可達188 cm／s，最小流速為30 cm／s，垂線平均的流速值為88 cm／s。兩個測站點的流速最大值均出現在表層。

定點測量表明，在一個完整的潮周期內，K1101 和K1102的潮流大小和方向均發(fā)生明顯的變化，在不同的深度，流速的大小不同，存在比較明顯的垂向分層現象。兩個測站在大小潮周期內，最小流速均不為零，潮流均呈現旋轉流的特性，最大流速不超過200 cm／s，水流對于建筑物的影響可以估算，人工建筑可以得到有效防護。

4.2 定點余流

余流直接指示著水體的運移和交換情況，對海水中物質輸運、稀釋及擴散都起著十分重要的作用［10—11］。經過潮流調和分析，得到K1101和K1102站點的各層余流數據（如表1所示），并將得到的數據繪制成余流矢量（見圖7）。

圖5 枯季小潮流速流向Fig.5 The vector graphics of current during neap tide in dry season

表1 定點余流結果Tab.1 Calculation results of the residual current

K1101和K1102兩個站位的余流顯示了不同的特性。從表1中可以看出，在大、小潮期間，兩個測站點的最大余流值分別為32 cm／s和45 cm／s，都發(fā)生在K1102測站點的表層。從余流的垂直變化總體上看，余流自表層向底層流速逐漸減小，兩個測站點的表層余流流速，只有K1101測站點在小潮時表層余流小于10 cm／s，其余的都大于20 cm／s。

從余流流向來看（見圖7），K1101和K1102測站點小潮和大潮期間的余流流向在表層、中層和底層變化都較大，這可能與該處旋轉流的潮流特性相關。K1101測站點在一個潮周期內，余流流向主要指向口內；K1102測站點余流流向表明向海輸運，這應與兩個測站點的地理位置相關，K1101測站點受長江徑流作用要弱于潮流作用，而K1102測站點由于靠近北槽深水航道，徑流作用較強。

圖6 枯季大潮流速流向Fig.6 The vector graphics of current during spring tide in dry season

5 含沙量

懸浮泥沙含量變化是水動力作用下泥沙輸移、沉積和再懸浮等運動過程的直接體現［12—13］。研究懸沙濃度的變化規(guī)律，可以估算工程區(qū)域港區(qū)回淤量，對河口地區(qū)港口與航道工程建設具有重要的意義［14］，也為人工島的選址規(guī)劃方案的進一步論證提供基本依據。

根據實測各測站點大、小潮各層的平均含沙量濃度，繪制了含沙量的垂線變化曲線（圖8），K1101測站點，在大、小潮周期內垂線平均含沙量分別為0.075 kg／m3和0.061 kg／m3，K1102測站點，在大、小潮期間垂線平均含沙量分別為0.116 kg／m3和0.077 kg／m3。從垂線分布上看，兩個站點泥沙含量在一個大、小潮周期內的垂直結構分布基本符合斜線型［12］，其含沙量由表層向底層逐漸增加，底層的含沙量最大。

由于該處潮流動力強勁，泥沙由表及底混合比較均勻，底層含沙量與表層相比，并未出現太大的變動。

圖7 余流流速流向Fig.7 The vector graphics of the residual current

圖8 測站定點各層平均含沙量垂線分布Fig.8 The vertical distribution of the average suspended sediment in the measured sites

受潮流動力控制，懸沙濃度的變化存在潮周期的變化的特征，兩站點在實測期間，大潮懸沙濃度要高于小潮，顯示大潮期間潮流作用相對強勁，底部泥沙在底部剪切力的作用下有再懸浮，懸沙濃度增高；小潮期間則流速較小，部分泥沙落淤，水體的懸沙濃度降低。

與長江口的含沙量相比，由于K1101和K1102測站點離岸較遠，水深較大，受徑流輸沙影響小，水體含沙量較小。另外，長江口外水體懸浮泥沙的含量一般呈現冬高夏低的特點［13］，因此，可以認為這兩個測站點含沙量處在較低的水平。人工島在該海域選址，可以有效降低對泥沙回淤的擔憂。

6 結語

長江口橫沙東灘外側海域河勢，在2001—2008年期間，沖淤有一定變化，主要表現為淺灘上部保持自然淤積，淺灘下部及－10 m以深水域則呈現微沖態(tài)勢。沖淤轉換面在－7～－10 m之間，－10 m至－20 m海域整體呈現沖刷趨勢，但侵蝕速率減緩，該區(qū)域的河勢漸趨穩(wěn)定。研究區(qū)域內的K1101和K1102測點在枯季一個完整的潮周期內，潮流流速和流向都有明顯的變化，呈現出旋轉流的特性，大潮期間的最大流速不足200 cm／s；水體泥沙含量變化范圍為0.019～0.116 kg／m3，兩個站點的水體含沙量始終處在較低水平，可以避免人工島建成后的泥沙回淤導致航道變淺問題。在不考慮風浪影響情況下，實測的區(qū)域水沙條件為在該海域建設人工島的可行性提供了支撐。

另外，由于長江干支流水庫工程攔沙、上游水土保持工程、人工采沙及中游河道泥沙淤積等因素，預計流域進入河口的泥沙將持續(xù)減少［6，15—17］，同時河口主要河槽受人工控制，估計長江口外的水體含沙量在相當長一段時間內會處于較低的狀態(tài)，水下三角洲前緣在泥沙供應減少的情況下，可能面臨侵蝕加劇，這是未來工程建筑需要考慮的另外一面。

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Feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Hengsha East Shoal in the Changjiang Estuary

Xue Jingbo1，Jiang Xuezhong1，Mai Jiayang1
（1.State Key laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Shanghai harbor is to be built to an international shipping center，and needs deep-water harbor to meet the continuous increasing cargo transportation demands and larger vessels.Based on nautical charts during 2001 to 2008 and in-situ survey data obtained during 2011 to 2012，this paper discussed the feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Changjiang Estuary.The results showed that the sea bed of the study area was stable，and its topography changed little from 2001 to 2008.Seven cross-section profiles showed that there wasslight deposition in the upper part but erosion in the lower part，and the transforming depth from deposition to erosion was about－7 m to－10 m.The Hengsha East Shoal expands southeastwards due to the construction of north leading dike of the Changjiang Estuary deep-water navigation channel.The in-situ survey data showed that there was a rotary tidal current during the entire tide phase in winter，and the maximum current velocity was less than 188 cm／s during the flood of spring tide and no more than 134 cm／s during the ebb of neap.The residual current of the observation points showed some differences，e.g.，it was transported into the estuary outside of North Channel，and it was transported toward the sea outside of Northern Passage.The in-situ average suspended sediment concentration was 0.061 kg／m3to 0.116 kg／m3，corresponding to neap tide and spring tide，respectively.Based on analytical data provided above，we suggested that the hydrodynamic condition and the suspended concentration outside the Changjiang Estuary were suitable to build an artificial island，and weak local siltation could be expected due to rotary tidal current at the east edge of the Hengsha east shoal in the Changjiang Estuary.

river regime；hydrodynamic conditions；artificial island；Hengsha East Shoal；Changjiang Estuary

P751

A

0253-4193（2014）11-0163-10

2013-04-12；

2013-12-01。

上海市科學技術委員會重大項目（11dz1204900，12231203100）。

薛靖波（1987—），男，山東省濰坊市人，主要從事河口變化分析和地理信息系統（GIS）應用。E-mail：xjingbo＠hotmail.com

*通信作者：蔣雪中，副教授，主要從事河口海岸變化，地理信息系統（GIS）與遙感（RS）應用研究。E-mail：xzjiang＠sklec.ecnu.edu.cn

薛靖波，蔣雪中，買佳陽.長江口橫沙東灘外側建設人工島的自然條件分析［J］.海洋學報，2014，36（11）：163—172.doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.018

Xue Jingbo，Jiang Xuezhong，Mai Jiayang.Feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Hengsha East Shoal in the Changjiang Estuary［J］.Acta Oceanologica Sinica（in chinese），2014，36（11）：163—172.doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.018