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上海洋山深水港區(qū)海域海床演變分析*

吳明陽1，2，劉國亭1,2

(1.交通運輸部 天津水運工程科學研究所，天津 300456；

2. 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室， 天津 300456)

摘要：根據(jù)洋山深水港區(qū)近期(2004—2013年)的水文泥沙、水深現(xiàn)場觀測資料，較深入地分析了洋山港區(qū)海域海床沖淤變化情況，闡明了海床的沖淤變化原因，為后續(xù)工程規(guī)劃設計提供基本依據(jù)。主要結論如下：洋山深水港區(qū)海域海床總體上保持了穩(wěn)定狀態(tài)，西北端顆珠山汊道的泄流出沙，對維持洋山深水港區(qū)前沿水域的安全起到?jīng)Q定性的作用；洋山港海域的泥沙運動及海床變化是與其水流動力條件相適應的，一、二、三期工程碼頭的建設、小洋山北島鏈的封堵和四期碼頭岸線工程的建設是導致通道北側沖刷，通道南側淤積的主要原因。

關鍵詞：演變分析；地形；港區(qū)

洋山深水港區(qū)由大、小洋山島鏈組成。北港區(qū)位于小洋山島鏈，西起小烏龜東至小巖礁，岸線長約10 km，其間保留有顆珠山汊道。小洋山的一、二、三期港區(qū)碼頭岸線長5.6 km，共有16個深水泊位，先后建成營運，小洋山以西的四期港區(qū)正在建設中[1]。洋山海域從1998年至今，10余a來主通道的地形沖淤仍保持著“南淤北沖”的格局，已投產的一、二、三期港區(qū)工程水深良好，顆珠山汊道在發(fā)展，四期港區(qū)水域繼續(xù)處于微沖趨勢，灘面自然水深已從工程前的-8.0～-9.0 m，發(fā)展到目前的-10.5～-13.0 m，沖刷環(huán)境為建設深水港創(chuàng)造了有利條件。本文根據(jù)洋山深水港區(qū)近期(2004-2013年)的水文泥沙、水深等現(xiàn)場測量資料，深入地分析了洋山深水港區(qū)海域海床沖淤變化情況，為后續(xù)工程港區(qū)規(guī)劃設計提供基本依據(jù)。

1工程概況及自然條件

1.1　工程概況

洋山深水港于2002-06開工建設，小洋山北港區(qū)共有5個汊道，先后封堵了小洋山-鑊蓋塘、大烏龜-顆珠山、鑊蓋塘-大指頭島三個汊道，建成一、二、三期工程。一、二、三期港池開挖工程和四期港區(qū)駁岸線已完成，各項工程進展順利。2009-05-2012-06，維護疏浚工程量一、二、三期港區(qū)分別為130.6，865.0和7.0萬m3，內航道和外航道分別為226.0和790.0萬m3，合計維護疏浚工程量為2 018.6萬m3。

1.2　自然條件

1.2.1工程前海域地形地貌特征

洋山深水港區(qū)位于上海南匯嘴東南海域的崎嶇列島，是由大、小洋山南、北兩支島鏈組成，形成東窄西寬、面向杭州灣開口的喇叭狀海域。在長期的潮流動力和波浪作用下，形成了洋山港海域特有的地形地貌分布特征：通道內水域自西向東寬度逐漸縮小，水深逐漸增大(圖1)。

1.2.2潮汐

根據(jù)小洋山2007-2009年實測潮位資料分析，洋山港區(qū)屬非正規(guī)淺海半日潮型，日潮不等現(xiàn)象明顯。平均高潮位3.90 m，平均低潮位1.14 m，平均潮差2.76 m，潮汐強度中等[2]。

1.2.3潮流基本特征

1)潮流性質

根據(jù)歷次準調和常數(shù)分析及橢圓要素計算，潮流形態(tài)系數(shù)F介于0.13～0.33，小于0.5，潮流類型屬正規(guī)半日潮流。淺水分潮流影響系數(shù)G為0.06～0.38，淺水分潮流影響不顯著。

2)潮波波型

憩流即流向轉換，漲、落潮一般出現(xiàn)在高、低潮后約1 h，漲、落潮最大流速一般出現(xiàn)在高、低潮前約2 h。憩流和最大流速略滯后高、低潮和半潮，表明潮波從外海前進波進入本區(qū)已具有以駐波為主的合成潮波。

3)潮流流向

根據(jù)歷年水文測驗資料分析，洋山港區(qū)外航道、通道及其南、北和大、小洋山汊道等水域，漲、落潮水流均呈明顯的往復流運動(圖2)，漲、落潮平均流向為WNW-ESE。

圖1　1998-11通道內水域地形圖Fig.1　Topographic map in the main channel in November, 1998

圖2　洋山深水港區(qū)潮流矢量圖(2013-04)Fig.2　Tidal vector graph of the Yangshan Deepwater Port area (2013-04)

4)漲、落潮流流速

港區(qū)通道水域潮段平均漲、落潮流速分別為0.71和0.83 m/s，屬強潮流海區(qū)，其中大潮分別為0.87和1.02 m/s；落潮流大于漲潮流，其比值為1.17。垂線最大流速漲、落潮分別為1.97和2.07 m/s；表層最大流漲、落潮分別為2.25和2.49 m/s。

5)底部潮流速

根據(jù)歷年資料統(tǒng)計，底流速(固定在海床面上0.2 m)：潮段平均漲、落潮流速分別為0.37和0.36 m/s；垂線最大底流速，漲、落潮分別為0.89和0.84 m/s。天然泥沙起動流速約0.50 m/s，表明洋山港區(qū)水域底部潮流強度具有掀動的床面泥沙的能力[3]。

1.2.4含沙量

1)海區(qū)含沙量特征

根據(jù)歷年實測資料統(tǒng)計結果，實測漲、落潮平均含沙量分別為0.93和0.90 kg/m3，漲潮含沙量大于落潮。垂線最大含沙量漲、落潮分別為3.27和3.38 kg/m3；觀測海域內，雙連山-大山塘汊道、顆珠山汊道和大洋山南側水域含沙量最高，雙連山-大山塘汊道、港區(qū)中部和西部次之，港區(qū)東部、進港航道以及小洋山以北水域含沙量相對較低。

從縱向變化講，平均含沙量自東向西沿程逐漸增大，即進港航道最小，港區(qū)東部次之，港區(qū)中、西部最大；由橫向分布來看，平均含沙量自南向北沿程逐漸降低，即大洋山以南水域最大，通道水域次之，小洋山以北水域最小；汊道的含沙量與其他水域相比，為觀測海域中的大含沙區(qū)。

2)含沙量季節(jié)變化

根據(jù)小洋山站1998-2008年每日高、低潮時表層含沙量資料統(tǒng)計分析：含沙量年際變幅很小，但季節(jié)變化明顯，每年從11月至次年4月冬、春季節(jié)含沙量較高，在0.92～1.24 kg/m3；5-10月夏、秋季節(jié)含沙量較低，在0.33～0.81 kg/m3。

1.2.5洋山港泥沙淤積特征

1)洋山港區(qū)水域懸沙中值粒徑為0.009 mm，黏土含量為30%，底質泥沙中值粒徑為0.020 mm，黏土含量為22%，基本界定在淤泥質范疇，泥沙淤積以懸沙落淤為主。

2)洋山港區(qū)處于高含沙、強潮流的潮汐通道內，強潮流特征為港口開發(fā)提供了有利條件，而水體高含沙也為港口提供了不容忽視的泥沙回淤環(huán)境。

3)洋山港區(qū)泥沙來源于長江輸沙及長江口外和杭州灣近岸淺灘潮流、風浪掀沙[4]。在含沙量難以改變的特定條件下，港區(qū)泥沙淤積的輕重主要取決于3個變量；一是港區(qū)內水流強度不宜降低過大；二是水流平順，避免產生較強的回流；三是保持通道內水沙通暢，維持通道水深地形的穩(wěn)定。

2洋山深水港區(qū)海域通道內近期地形變化分析

圖3和圖4為洋山深水港區(qū)海域通道內2004-04-2013-04期間共3次測圖海床地形沖淤變化圖。根據(jù)港區(qū)位置和水下地形將通道內水域劃分為16個區(qū)。由圖可見，通道內總體保持“南淤北沖”的格局，呈現(xiàn)通道北側沖刷、中部及南部淤積的分布狀態(tài)。

圖3　2004-04-2009-04和2009-04-2013-04沖淤變化圖Fig.3　Changes of scouring and silting in the main channel from April, 2004 to April, 2009 and from April,2009 to April,2013

圖4　2004-04-2013-04沖淤變化圖Fig.4　Changes of scouring and silting in the main channel from April, 2004 to April, 2013

2.1　2004-04-2009-04海床沖淤變化

2004-04-2009-04通道內海床地形北側沖刷，南側淤積，并且沖淤幅度較大，北側沖刷深度大于2 m的區(qū)域面積為803.54萬m2，占通道內1～16區(qū)總面積的17%，南側淤積厚度大于2 m的區(qū)域面積為757.39萬m2，占通道內1～16區(qū)總面積的16%。通道外周邊水域以沖刷為主并且沖刷幅度較大。其中，主通道測圖沖淤變化呈沖刷態(tài)勢，其沖刷量為1 389萬m3，期間一、二期工程港區(qū)的疏浚工程量為2 124萬m3，實際沖淤量為735萬m3，表現(xiàn)為淤積狀態(tài)，淤積厚度為0.16 m，年淤積強度為0.03 m；其中北部水域(1～8區(qū))呈現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，沖刷量為1 414萬m3，年沖刷強度為0.19 m，而南部水域(11～14區(qū))則表現(xiàn)為淤積狀態(tài)，淤積量為1 541萬m3，年淤積強度為0.20 m；顆珠山汊道(17區(qū))、東口門以東(18區(qū))、大洋山島鏈以南(19～21區(qū))以及小洋山以北和小烏龜西北水域均呈現(xiàn)為沖刷趨勢，沖刷深度為0.8～2.3m，年沖刷強度為0.2～0.5 m；測量水域總體上處于沖刷狀態(tài)，沖刷深度為0.41 m，年沖刷強度為0.08 m。

總體來看，主通道水域呈現(xiàn)微淤狀態(tài)，淤積量為734萬m3，淤積厚度為0.16 m，年平均淤積強度為0.03 m；顆珠山汊道和大洋山島鏈周邊水域表現(xiàn)為沖刷，沖刷量為3 659萬m3，沖刷深度為1.57 m，年沖刷強度為0.31 m；測量水域處于為沖刷環(huán)境，年平均沖刷深度為0.08 m。

2.2　2009-04-2013-04海床沖淤變化

2009-04-2013-04沖淤格局基本維系，沖淤幅度大為減少，通道內沖淤幅度基本在±0.5 m，淤積在0.5～1.0 m的區(qū)域基本集中在一、二期工程到大山塘連線區(qū)域。總體來看，主通道水域呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，淤積量為1 728萬m3，淤積厚度為0.36 m，年平均淤強為0.09 m；其中西北部水域(1～4區(qū))呈沖刷狀態(tài)，沖刷量為549萬m3，年沖刷強度為0.21 m，而南部水域(11～14區(qū))表現(xiàn)為微淤，淤積量為510萬m3，年淤積強度為0.07 m；顆珠山汊道和大洋山島鏈周邊水域表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，沖刷量為1 135萬m3，沖深為0.49 m，年沖刷強度為0.12 m；測量水域處于為微淤環(huán)境，年平均淤強為0.02 m。

2.3　2004-04-2013-04海床沖淤變化

2004-04-2013-04沖淤情形與2004-04-2009-04類似，通道北側沖刷深度大于2 m的區(qū)域面積為1 054.12萬m2，占通道內1～16區(qū)總面積的22%，通道南側淤積厚度大于2 m的區(qū)域面積為964.94萬m2，占通道內1~16區(qū)總面積的20%?？傮w來看，主通道水域呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，淤積量為2 353萬m3，淤積厚度為0.50 m，年平均淤強為0.06 m；其中北部(1～8區(qū))呈現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，沖刷量為968萬m3，年沖刷強度為0.13 m，而南部(11～14區(qū))仍表現(xiàn)為淤積狀態(tài)，淤積量為1 983萬m3，年淤積強度為0.26 m；顆珠山汊道和大洋山島鏈周邊水域表現(xiàn)為沖刷狀況，沖刷量為4 647萬m3，沖刷深度為2.00 m，年沖刷深度為0.22 m；測量水域處于為微沖環(huán)境，年平均沖刷深度為0.04 m(圖4)?？傊^測海域的地形沖淤變化不大，其泥沙來源及去向主要為大、小洋山島鏈周邊淺灘水域。

3海床沖淤演變原因分析

總體來看，2004-04-2013-04期間，主通道水域海床地形總體保持“南淤北沖”的格局，呈現(xiàn)通道北側沖刷、通道中部及南部淤積的分布狀態(tài)；大洋山島鏈周邊水域處于沖刷環(huán)境，年平均沖刷深度為0.22 m。眾所周知，工程的建設將有可能引起工程港區(qū)周邊水域的潮流、泥沙運動變化，進而導致海床的沖淤變化。由于各水域位置不同，故其水動力及泥沙環(huán)境不盡相同，因而產生了不同的沖淤變化。根據(jù)洋山深水港區(qū)海域歷年潮流、泥沙觀測資料分析得知，其海床的沖淤變化原因各不相同。

3.1　洋山港海域泥沙沖淤機理解析

根據(jù)現(xiàn)場分析和泥沙水力特性研究結果，洋山港海域為淤泥質海床，泥沙運動形態(tài)以懸移質為主，含沙量垂線分布差異不大。泥沙的沖淤除與背景含沙量有關外，主要與本地泥沙的再懸浮、搬運及沉積有關。水體中的粗顆粒絮凝團以及靠近底部的懸沙是造成海床淤積的有效沙源。洋山港海域的泥沙運動及海床變化是與其水流動力條件相適應的，潮流的強弱在一定程度上決定了海床的沖淤變化，潮流對泥沙具有起懸和搬運雙重作用。

3.2　汊道封堵的影響

無論從島群缺少港口建設所需的天然陸域面積還是從增加深水岸線長度出發(fā)，進行汊道封堵都是必要的。洋山港自2002-04-2005-09先后完成了小洋山北島鏈中的小洋山-鑊蓋塘等5條汊道的封堵。從汊道封堵對港區(qū)水沙條件和港區(qū)地形演變的影響出發(fā)，堵汊是成功的[5]。

3.2.1汊道封堵的正效應

1)有利于港區(qū)水流歸順

洋山港的現(xiàn)碼頭岸線基本沿主水道北側島鏈的延伸方向布置，岸線走向(310°～130°)與水道中部的漲落潮流向(308°及128°)的交角，全線均維持在5°以內，水流順暢、流態(tài)良好。位于一、二期東側的中港區(qū)，其岸線走向與碼頭前沿漲、落潮流向的交角也都在10°以內。無論從船舶靠離，還是從港口減淤的角度看，汊道封堵帶來的良好效應都非常明顯。

2)有利于主流向港區(qū)靠近

水道的主流向取決于島群的總體走勢、汊道與主水道的交角大小、汊道水流強度及其位置等復雜條件的組合。在一主、多汊的條件下，汊道堵、留對水道主流向的影響常表現(xiàn)得較為突出。對比封堵汊道前后的水深圖可以看出，汊道封堵后，二期碼頭南側的-10 m線西移300 m(表現(xiàn)為沖刷)；遠離港區(qū)的水道南側-10 m線則相反向東推進約3 000 m(表現(xiàn)為強淤進)；-15 m線的變化在性質上與-10 m線相似，一、二期碼頭前沿的-15 m線向西移動(沖刷)，水道中、南部則東移(淤積)。由于在含沙量一定時，地形的沖淤是水流強弱在平面變化上的最終體現(xiàn)，從而可以認為，上述汊道封堵后，主水道中線附近的強流區(qū)有向北部港區(qū)偏轉的現(xiàn)象。

3)有利于港區(qū)水體含沙量的降低

對工程前的原型資料勘測及分析表明，小洋山-鑊蓋塘汊道以漲潮向主水道匯流、落潮向外分流、漲潮進沙量大于落潮出沙量為特征，封堵該汊道對減輕一期工程港區(qū)淤積趨于有利。實測資料顯示，該汊道封堵前，一期港區(qū)的漲、落潮平均含沙量為1.52 kg/m3，而當汊道封堵后，迄止2013年港區(qū)的平均含沙量即降至0.92 kg/m3，下降率達39%。

總體來看，汊道封堵后，水流歸順、主流偏轉港區(qū)和港區(qū)含沙量的降低是港口淤積較輕的主要原因。同時，水流歸順加上港區(qū)浚深的引流作用給西北部的沖刷提供了有利條件。

3.2.2汊道封堵的負影響

島群的豐富深水岸線資源是以水流強勁為條件的，當水流減弱或水流形式發(fā)生變化、水體含沙量又較大時，地形將出現(xiàn)相應的迅速調整。盡管北側汊道封堵在導引水道主流向港區(qū)靠近、減輕港區(qū)淤積、歸順流態(tài)等方面效果良好，但主流北移也帶來了水道地形的強烈變化。由于主流北移導致水道南側的水流強度減弱，進而引起通道中、南部產生淤積。

3.3　碼頭岸線工程的建設

1)洋山深水港區(qū)，自2002-06開工以來，已先后建成一、二、三期工程碼頭,駁岸線長5.6 km，港池基建、疏浚量近2 700萬m3，一、二、三期工程的相繼建成有利于近岸水流的順暢流通。但由于一、二期工程港區(qū)分別開挖2.0～6.0 m，港區(qū)的浚深造成港池水域潮流強度降低，由此產生港區(qū)淤積；而三期工程港區(qū)水深基本滿足設計要求，主通道主流北偏以及東口門潮量的增加，引起港區(qū)產生沖刷。

2)四期工程陸域吹填于2008-12開始，至2009-05結束，駁岸線長2.35 km，于2009-06開始施工，2009年底基本完成。四期工程碼頭駁岸線的導流作用，促使駁岸線西部水域的沖刷和顆珠山汊道繼續(xù)向著以落潮為主方向發(fā)展，有利于出水出沙作用的增強，為四期工程水域的增深在新的工程邊界條件提供潮動力。

3.4　大洋山島鏈周邊水域

大洋山島鏈周邊水域處于沖刷環(huán)境主要有兩個原因：一是島鏈南側落潮潮量的增加；二是周邊大環(huán)境泥沙來源的減弱。

綜上所述，一、二、三期工程碼頭的建設封堵了北島鏈小洋山-鑊蓋塘、鑊蓋塘-大指頭島和大指頭島-沈家灣等主要的潮流通道，引起主通道內各汊道水動力的自我調整，主流北偏，南部潮流強度減弱，從而導致通道北側沖刷，通道南側淤積，主通道呈現(xiàn)了“南淤北沖”的格局；一期和二期工程港區(qū)的浚深，造成港池水域潮流強度降低，由此產生港區(qū)淤積；主通道主流北偏以及東口門潮量的增加，引起三期工程港區(qū)產生沖刷；四期工程碼頭駁岸線的導流作用，促使駁岸線西部水域的沖刷，四期工程港區(qū)的沖刷和顆珠山汊道繼續(xù)向著以落潮為主方向發(fā)展，有利于洋山深水港區(qū)一、二、三期工程的水深維護。

4結語

1)隨著2008年底洋山深水港區(qū)一、二、三期工程竣工投產、2009年底四期工程駁岸完工和2010年蔣公柱滾裝船碼頭建成，洋山深水港區(qū)海域海床沖淤變化經(jīng)過4 a在新的邊界條件下的調整，逐漸趨于穩(wěn)定。本文根據(jù)洋山深水港區(qū)近期(2004-2013年)的水文泥沙、水深測量現(xiàn)場觀測資料，深入地分析洋山深水港區(qū)海域沖淤變化情況，為后續(xù)工程規(guī)劃設計提供基本依據(jù)。

2)洋山深水港區(qū)海域在工程全面竣工投產后4 a期間，通道內總體上繼續(xù)保持了“南淤北沖”的格局，即呈現(xiàn)通道北側沖刷、通道中部及南部淤積的態(tài)勢。年沖、淤強度為0.25 m和0.18 m，沖淤變化不大，海床總體上保持了穩(wěn)定狀態(tài)。

3)二期港區(qū)水域呈現(xiàn)淤積狀況，三期港區(qū)呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，一期工程水域介乎二者之間，有沖有淤；蔣公柱港區(qū)水域總體呈現(xiàn)淤積；顆珠山汊道水域總體呈現(xiàn)沖刷；近期顆珠山汊道繼續(xù)向著以落潮為主的方向發(fā)展，增加了顆珠山汊道出水出沙的作用，繼續(xù)保持四期工程水域的沖刷趨勢，有利于洋山港一、二、三期工程的水深維護。

4)洋山港海域的泥沙運動及海床變化是與其水流動力條件相適應的，潮流的強弱在一定程度上決定了海床的沖淤變化，潮流對泥沙具有起懸和搬運雙重作用。一、二、三期工程碼頭的建設、小洋山北島鏈的封堵和四期碼頭岸線工程的建設是導致通道北側沖刷、南側淤積的主要原因。

5)島群的豐富深水岸線資源是以水流強勁為條件的，當水流減弱或水流形式發(fā)生變化、水體含沙量又較大時，地形將出現(xiàn)相應的迅速調整。鑒于某些港口工程的實施往往是利弊兼存，因此在避免不利因素出現(xiàn)的同時，應力求通過工程的合理布置，減小其弊、擴大其利，從而達到有利于地形穩(wěn)定和減輕港口淤積的目的。洋山港的工程實踐表明，理想的汊道封堵，應以滿足增加陸域、延伸岸線、實現(xiàn)導流引沙和弱分水強分沙、保持槽灘地形基本穩(wěn)定為條件。

參考文獻：

[1]邵榮順，吳明陽. 上海洋山深水港區(qū)的選址和規(guī)劃[J].水運工程,2013,(增刊1):40-46.

[2]楊華，馮學英. 上海洋山港區(qū)和進港航道水域泥沙特性及回淤分析研究[J]. 水道港口，2000,(3):17-22.

[3]吳明陽，許家?guī)? 上海洋山深水港區(qū)水文泥沙研究[J].海岸工程,2011,30(2):43-49.

[4]吳明陽,許家?guī)?馮玉林. 杭州灣灣口水體含沙量的時空分布[J].泥沙研究,2011,(1):33-37.

[5]吳明陽,許家?guī)?吳超. 高含沙高水流海區(qū)工程布置對泥沙運動的影響[J].水道港口，2013,34(3):214-218.

Analysis of Seabed Evolution in the Yangshan

Deepwater Port Area, Shanghai City

WU Ming-yang1,2, LIU Guo-ting1,2

(1.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,MinistryofTransport,

Tianjin 300456, China; 2.KeyLaboratoryofEngineeringSediment，MinistryofCommunications,

Tianjin 300456, China)

Abstract:Based on the hydrological, sediment and sounding data measured in situ in the Yangshan Deepwater Port area in 2004-2013, changes in the scouring and silting of seabed in the Yangshan Deepwater Port area are analyzed, reasons for the changes are interpreted and a fundamental basis is provided for the subsequent engineering planning. The main conclusions are: the seabed in the Yangshan Deepwater Port area is generally in a stable state. The discharge of sands from the Kezhushan Inlet located at the northwest end of the port area has plaid a decisive role for maintaining the safety of the waters in the apron of the Yangshan Deepwater Port. The sediment movement and the seabed changes in the Yangshan Deepwater Port area are adaptable to the flow dynamics. The wharf construction of the Phase 1 to 3 Project, the blocking off of the island chain north of the Xiaoyangshan and the water front construction of the Phase 4 wharf are the main causes for scouring at northern side and silting at southern side of the channel.

Key words:evolution analysis； topography； port area

中圖分類號：U65

文獻標識碼：A

作者簡介：吳明陽(1963-)，男，研究員，主要從事海岸河口泥沙運動及淤積方面研究.E-mail：mingyangwu@163.com(張騫編輯)

收稿日期：*2014-12-10

文章編號：1002-3682(2015)02-0024-09