王施恩，張 征

(1.上海國際港務(wù)集團(股份)有限公司，上海 200080；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

洋山深水港是上海國際航運中心建設(shè)的重要組成部分，位于杭州灣口崎嶇列島內(nèi)的大、小洋山海域(圖1)，于2002年6月開工建設(shè)，目前已投產(chǎn)的一期～三期工程水深良好。洋山港港區(qū)陸域面積主要是通過封堵汊道、大面積填海而成，開創(chuàng)了在遠離大陸、依靠外海島礁群、強潮流、含沙量高海域建港史的先例[1]。目前四期港區(qū)工程水域處于微沖趨勢，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)境為四期港區(qū)工程深水化建設(shè)創(chuàng)造了有利條件。

眾多學(xué)者對洋山深水港一期～三期工程前后的水沙環(huán)境和地形變化進行了研究[1-7]，對近期規(guī)劃中的四期港區(qū)研究涉及并不多[8-9]，在上海市深水岸線缺乏的情況下，開發(fā)建設(shè)四期港區(qū)深水泊位及增深研究顯得尤為必要。本文依據(jù)洋山深水港區(qū)多年(2006～2016年)的水文泥沙、水深等資料，在深入地分析洋山港四期工程海域水沙環(huán)境基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型的方法對和四期港區(qū)增深方案進行了研究，為后期港區(qū)開發(fā)提供基本依據(jù)。

1 四期工程海域水沙環(huán)境及沖淤變化

1.1 工程前海域地形地貌特征

洋山深水港區(qū)位于杭州灣口外的崎嶇列島海域，由大、小洋山南、北兩支島鏈組成，東窄西寬。在長期的潮流和波浪共同塑造下，主通道內(nèi)水域自西向東水深逐漸增大[9]。

1.2 潮汐特征

根據(jù)小洋山2007～2009年實測潮位觀測資料分析，洋山港區(qū)屬非正規(guī)淺海半日潮型，每日兩漲兩落，日潮不等現(xiàn)象明顯；平均高潮位3.90 m(理論深度基準面，下同)，平均低潮位1.14 m，平均潮差2.76 m，潮汐強度中等[8]。

圖1 洋山深水港位置及四期港區(qū)測站分布圖Fig.1 Location of Yangshan Deep-water Port, Phase IV project and measured stations

1.3 潮流特征

1.3.1 流速、流向基本特征

基于2013年7月四期港區(qū)水域定點潮流資料分析，洋山港四期港區(qū)水域，漲、落潮水流呈明顯的往復(fù)流運動，港區(qū)水域漲潮平均流向在287°～315°，平均為299°，落潮流向在106°～122°，平均為112°，與碼頭駁岸線基本平行；顆珠山汊道漲、落潮平均流向為264°和84°，與此汊道走向基本一致；四期港區(qū)水域漲潮流速在0.41～0.85 m/s，平均為0.63 m/s；落潮在0.49～0.88 m/s，平均0.69 m/s，落潮流速大于漲潮流速；顆珠山汊道漲、落潮平均流速分別為0.64 m/s、0.63 m/s，相差不大；實測垂線最大流速漲潮為1.57 m/s，落潮為1.55 m/s。

1.3.2 四期港區(qū)潮流變化特征

洋山港工程建設(shè)和四期港區(qū)規(guī)劃以來，在該水域進行了多次水文觀測，針對四期港區(qū)附近的水文資料對其近年來潮流變化進行分析。

(1)四期港區(qū)與顆珠山汊道水域，漲、落潮水流仍表現(xiàn)為與地形走向一致的往復(fù)流運動。根據(jù)2016年10月ADCP潮流矢量圖分布，漲潮和落潮方向與碼頭駁岸線基本平行，流向相差在180°左右，與根據(jù)2013年7月資料所表現(xiàn)的流向特征基本一致。

(2)2016年10月四期港區(qū)定點實測大中小潮平均漲潮流速在0.45～0.67 m/s之間，平均為0.58 m/s；落潮在0.49～0.91 m/s，平均0.70 m/s；顆珠山汊道平均漲潮流速在0.39～0.67 m/s之間，落潮在0.48～0.93 m/s，與2013年7月資料基本保持一致；顆珠山汊道、四期港區(qū)落潮流速大于漲潮流速，比值為1.2，有利于四期港區(qū)的增深。

表1 四期工程附近不同時期平均流速情況Tab.1 Average flow velocity near the Phase IV project at different periods m/s

(3)洋山港海域流速與潮差存在著明顯的線性關(guān)系[9]，采用潮汐—潮流比較法，對潮流實測值進行修正。從不同年份四期港區(qū)水域潮流資料顯示(表1)： 如2013年與2009年相比，各水域潮流速變化不大，平均變化量±5%，最大變化量漲、落潮分別為8%和9%，均出現(xiàn)在顆珠山汊道測點。其中，港區(qū)水域漲、落潮平均流速基本不變，僅分別減小為2%和1%；顆珠山汊道測點漲潮增大4%，落潮減小3%。

總體來說，四期港區(qū)近一些年來，流速、流向的均相對保持穩(wěn)定。

1.4 含沙量

四期港區(qū)含沙量季節(jié)變化與整個洋山海域是一致的，季節(jié)變化明顯，冬、春季節(jié)含沙量較高，夏、秋季節(jié)含沙量較低，特別是7月份左右含沙量最低。根據(jù)小洋山碼頭測站表層實測含沙量資料分析(1998～2008年)[1-4]，含沙量年際變幅小，但總體受外界大環(huán)境特別是長江口杭州灣海域泥沙來源的減少，含沙量有減小的趨勢；洋山海域表層含沙量一般都在0.85 kg/m3左右，折合垂線平均含沙量約為1.4 kg/m3。

由于洋山港海域含沙量與潮差、季節(jié)存在著很大的關(guān)系，因此不同時期定點觀測結(jié)果有一定差別。根據(jù)2013年7月含沙量資料，四期港區(qū)海域漲、落潮平均含沙量分別為0.33 kg/m3和 0.22 kg/m3左右；漲潮平均含沙量大于落潮平均含沙量，比值為1.5。2016年10月含沙量資料顯，該海域漲、落潮平均含沙量分別為0.95 kg/m3和 0.56 kg/m3左右；漲潮平均含沙量大于落潮平均含沙量，比值為1.7。

對不同時期含沙量實測值進行潮差修正后，比較顯示：自2006年以來，四期工程水域平均含沙量，目前與以往相比減小約20%左右，總體有減小趨勢，與外界大環(huán)境保持一致，該因素是四期水域一致保持較好沖刷形勢的重要原因。

1.5 底質(zhì)

圖2 洋山港海域地形沖淤變化(1998-10～2016-10)Fig.2 Seabed scouring-erosion variation in the Yangshan area from Oct. 1998 to Oct. 2016

根據(jù)2008～2016年不同時期底質(zhì)資料分析結(jié)果，該區(qū)域主要表層沉積物質(zhì)為粘土質(zhì)粉砂；在物質(zhì)組成上，粉砂含量一般在49%～72%，粘土含量在12%～41%；底質(zhì)泥沙顆粒中值粒徑一般在0.012～0.029 mm之間，平均為0.019 mm，四期港區(qū)和蔣公柱港區(qū)底質(zhì)中值粒徑在0.02 mm左右；多年來該水域底質(zhì)特征總體保持穩(wěn)定。

1.6 四期港區(qū)沖淤變化

根據(jù)洋山港工程建設(shè)前1998年10月地形圖與近期2016年10月地形圖對比(圖2)，可以看出：近20 a來，洋山港通道內(nèi)總體表現(xiàn)為“北沖南淤”的格局(港區(qū)受到一定人為挖深影響)，四期港區(qū)水域長時間累計凈沖刷強度接近2.0 m，特別是接近顆珠山汊道的水域局部沖刷深度更大；總的來說，“微沖的形勢”是西港區(qū)沖淤的基本特征，這種微沖的形勢無疑對四期港區(qū)的增深是有利的。

2 四期港區(qū)增深方案數(shù)學(xué)模型研究

本文中模型采用交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院自主開發(fā)的數(shù)學(xué)模型軟件TK-2D[10]，該模型基于無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很好的模擬固定邊界比較復(fù)雜的海域。該模型已在國內(nèi)外多個海域得到了廣泛的應(yīng)用[2,12-13]。模型原理在此不贅述，可以參考相關(guān)文獻[11-12]。

2.1 模型驗證

采用2016年10月現(xiàn)場實測資料對模型進行了驗證，四期港區(qū)附近驗證點位如圖1所示，潮位、流速、流向過程驗證曲線如圖3和圖4所示。驗證結(jié)果表明計算潮位、流速與流向均與實測值達到較好的一致性，大范圍流場可以如實反映洋山深水港海域的潮流特性。

圖3 潮位驗證曲線(2016-10)Fig.3 Calibration results for the water-surface elevation at various monitoring stations

圖4 流速、流向驗證曲線(部分測點)Fig.4 Calibration of current velocity and direction at various monitoring stations

2.2 工程方案及潮流計算結(jié)果

2.2.1 四期工程建設(shè)方案

在前期規(guī)劃研究中，四期工程有多個建設(shè)方案，下面針對兩個主要方案進行論述：

(1)第一種建設(shè)方案：按照7個7萬t級泊位設(shè)計，泊位設(shè)計水深-15 m，回旋水域-14.5 m，航道寬度250 m，從回旋水域至蔣公柱航道水深為-14.5 m，四期新增開挖航道范圍至二期末端，水深為-16.0 m。

(2)第二種建設(shè)方案：按照5個12萬t級+1個3萬t級設(shè)計，泊位設(shè)計水深-16.5 m，回旋水域-15.5 m，航道寬度250 m，從回旋水域至蔣公柱航道水深為-15.5 m，四期新增開挖航道范圍至二期末端，水深為-16.0 m。

2.2.2 潮流計算結(jié)果

(1)7萬t建設(shè)方案。四期工程建設(shè)7萬t方案實施后洋山港通道和各個分港區(qū)漲、落潮水流均呈明顯的往復(fù)流運動，各港區(qū)潮流與港區(qū)岸線走向一致，潮流運動比較平順；四期工程泊位前潮流運動比較平順，最大流速仍可達1 m/s以上，平均流速0.6～0.8 m/s。

如圖5，與工程前(原型)相比規(guī)劃泊位、港區(qū)和航道水域流速有不同程度的減小，泊位區(qū)域漲落潮平均流速減小10%～15%左右，最小減小5%左右，減小幅度相對較大的在落潮期間，約15%左右，流速減小值在0.12 m/s左右；港區(qū)水域平均流速減小在4%～10%；西導(dǎo)流堤附近流速有所增大，流速增加2%～22%，增大后平均流速在0.84～1.05 m/s；對其他原有港區(qū)的水流基本沒有影響。受到水深開挖，水流歸槽和西導(dǎo)流堤導(dǎo)流作用，流向有有所變化，變化在5°以內(nèi)，局部受導(dǎo)流影響較大，在10°；不過使得泊位和港區(qū)以及航道的流向更加平順，航道區(qū)域歸槽水流明顯。

5-a漲潮5-b落潮6-a漲潮6-b落潮圖5 7萬噸級方案實施后平均流速等比值線(工程后/工程前)(大于1表示流速增大，小于1表示流速減小)Fig．5Isolinesofaveragedcurrentvelocityafter70000tprojectlayouts圖6 12萬噸級方案實施后平均流速等比值線(工程后/工程前)(大于1表示流速增大，小于1表示流速減小)Fig．6Isolinesofaveragedcurrentvelocityafter120000tprojectlayouts

(2)12萬t建設(shè)方案。四期工程12萬t建設(shè)方案實施后該海域潮流特征沒有變化，漲、落潮水流均呈明顯的往復(fù)流運動，落潮流速一般大于漲潮流速，各港區(qū)潮流與港區(qū)岸線走向一致，潮流運動比較平順；四期工程泊位前潮流走向與泊位岸線一致，漲潮平均流向在285°左右，落潮流向在105°左右，最大流速在1 m/s左右，平均流速0.49～0.72 m/s。

工程后，泊位、港區(qū)和航道水域流速有所減小，流向有5°左右不同程度的變化。如圖6所示，泊位區(qū)漲落潮平均流速減小15%～20%，流速最大減小值為0.16 m/s(落潮時)；港區(qū)水域平均流速減小5%～15%；西導(dǎo)流堤附近流速有所增大，流速增加4%～22%，增大后平均流速在0.82～1.04 m/s；泊位處流向變化在5°以內(nèi)，西導(dǎo)流堤附近局部較大，在10°左右的變化，港區(qū)和航道的流向在5°左右，流向變化后與岸線或深槽走向趨于一致，水流歸槽明顯。對蔣公柱港區(qū)影響在5%以內(nèi)，對其他港區(qū)水流流速、流向沒有明顯影響。

2.2.3 潮量計算結(jié)果

四期工程建設(shè)方案實施后，對洋山港海域各汊道海域潮量影響不明顯，潮量變化僅在-0.01～+0.06億m3，變化值在-0.2%～+1.8%；其中斷面潮量有變化的主要集中在四期工程兩側(cè)的斷面，如西口門斷面和顆珠山汊道斷面，總體而言，四期港區(qū)的建設(shè)對洋山港海域各汊道潮量影響不明顯。

2.3 年淤積計算與分析

2.3.1 淤積計算公式

在“十一五”交通科技重大專項課題《島群中建港水動力關(guān)鍵技術(shù)問題研究》中，楊華等[14]通過對洋山港區(qū)海域泥沙來源、動力條件的調(diào)查與室內(nèi)水流作用下泥沙起動、沉降與輸移規(guī)律的試驗，研究含沙水體的平面與垂向分布規(guī)律及其與水流強度的對應(yīng)關(guān)系。通過理論研究提出港池水流歸槽下槽內(nèi)的流速變化規(guī)律，利用水流歸槽和平衡含沙量理論建立的適合于洋山深水港區(qū)水動力環(huán)境下的順岸式港池淤積計算公式，在洋山深水港區(qū)淤積預(yù)報中得到了良好的驗證。該公式被收入到修編的現(xiàn)行《港口與航道水文規(guī)范》[15]中，本文利用該公式(1)對四期工程港池淤積進行預(yù)測，公式(2)對四期工程內(nèi)航道也進行了計算

(1)

(2)

式中：P為在淤積時間內(nèi)的淤積厚度；α為泥沙沉降機率，取0.45；γ0為懸移質(zhì)淤積物的干容重,kg/m3；h1、h2分別為港池、航道開挖前后水深；t為懸移質(zhì)淤積歷時,s；ω為泥沙沉降速度,m/s；S為相應(yīng)于淺灘水域垂線平均含沙量,kg/m3；β為綜合指數(shù)，β=m(1-2n)；m為平衡含沙量指數(shù)；n為水流歸槽指數(shù)，與港池長寬比有關(guān)。

2.3.2 計算公式中關(guān)鍵參數(shù)的確定

上述公式(1)、(2)中存在著大量的參數(shù)，參數(shù)的確定是預(yù)報結(jié)果是否合理的關(guān)鍵。

(1)泥沙沉降速度ω：由洋山四期水域泥沙特性試驗確定，靜水沉降速度取0.000 5 m/s[10]。

(2)含沙量S：根據(jù)以往對研究洋山港海域含沙量的綜合分析，四期港池水域年均含沙量為1.4 kg/m3，顆珠山水域年平均含沙量為1.50 kg/m3。

(3)淤積物干容重γ0，根據(jù)洋山港其他港區(qū)實際淤積物情況，干容重取780 kg/m3。

(4)港池水深h2、邊灘原始水深h1：根據(jù)現(xiàn)場實測地形和港區(qū)開挖水深資料確定。

(5)平衡含沙量指數(shù)m：由試驗和實測資料確定，其范圍為0.387～0.401。

(6)落淤綜合指數(shù)β=m(1-2n)：與平衡含沙量指數(shù)m，水流歸槽指數(shù)n(與港池長寬比有關(guān))有關(guān)，可根據(jù)文獻[14]提供的關(guān)系確定β。

2.3.3 淤積計算結(jié)果

根據(jù)上述公式，分別計算了四期港區(qū)港池及航道開挖后的平均淤強和淤積量，計算結(jié)果顯示：

(1)7萬t方案實施后，泊位年淤積強度在1.85～2.09 m，港池年淤積強度在0.78～1.75 m，泊位和港池合計淤積量為345.4萬m3；航道年淤積強度在0.99～2.01 m，航道年淤積量為111.3萬m3。港池航道總淤積量為456.7萬m3。

(2)12萬t方案實施后，泊位年淤積強度在2.38～2.61 m，港池年平均淤積強度在1.14～2.13 m，泊位和港池合計淤積量為541.1萬m3；航道年淤積強度在0.99～2.35 m，航道年淤積量為123.5萬m3。港池航道總淤積量為664.6萬m3。

3 結(jié)論

依據(jù)洋山深水港區(qū)多年(2006～2016年)的水文泥沙、水深等資料，在分析洋山港四期工程海域水沙環(huán)境基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型的方法對和四期港區(qū)增深方案進行了研究，結(jié)果顯示：

(1)洋山港區(qū)屬非正規(guī)淺海半日潮型，平均潮差2.76 m，潮汐強度中等；洋山港四期港區(qū)水域，漲、落潮水流呈明顯的往復(fù)流運動，漲潮平均流向在287°～315°，落潮流向在106°～122°，漲潮平均流速為0.63 m/s，落潮平均流速為0.69 m/s。近一些年來，四期港區(qū)水域流速、流向的均相對保持穩(wěn)定。

(2)四期港區(qū)含沙量季節(jié)變化與整個洋山海域是一致的，季節(jié)變化明顯，冬、春季節(jié)含沙量較高，夏、秋季節(jié)含沙量較低，多年垂線平均含沙量約為1.4 kg/m3。洋山港海域受外界大環(huán)境影響，含沙量有減小的趨勢；四期工程水域平均含沙量與以往相比減小約為20%左右。底質(zhì)泥沙顆粒中值粒徑一般在0.012～0.029 mm，平均為0.019 mm，主要為粘土質(zhì)粉砂。

(3)多年和近期地形資料顯示，四期港區(qū)水域總體上呈現(xiàn)出沖刷的態(tài)勢，長時間累計凈沖刷深度接近2.0 m。目前的水動力和泥沙環(huán)境及地形沖淤特征對四期港區(qū)的開發(fā)處于有利狀態(tài)。

(4)四期工程建設(shè)方案數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果顯示：工程實施后，潮流性質(zhì)沒有發(fā)生變化，泊位、港區(qū)和航道水域水流歸槽明顯，水流更加平順；對洋山港海域各汊道潮量變化沒有明顯影響；7萬t和12萬t兩個方案建成后，港池與航道總淤積量為500～600萬m3左右。

[1]ZUO Shu-hua, ZHANG Ning-chuan, LI Bei, et al. A study of suspended sediment concentration in Yangshan Deepwater Port in Shanghai, China [J]. International Journal of Sediment Research, 2012, 27(1):50-60.

[2]ZUO Shu-hua, ZHANG Ning-chuan, LI Bei, et al. Numerical Simulations of Tidal Current & Sediment and Sea Bed Erosion and Deposition for Yangshan Deep-water Harbor of Shanghai[J]. International Journal of Sediment Research, 2009, 24(3):287-298.

[3]左書華, 張寧川, 李蓓, 等. 洋山深水港海域懸沙濃度時空變化及其動力原因[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2009(3):72-82.

ZUO S H, ZHANG N C, LI B, et al. Dynamics reasons and temporal-spatial variations of suspended sediment condition in the sea area of Yangshan deep-water harbor [J]. Journal of East China Normal University (Natural Science), 2009(3):72-82.

[4]左書華, 李蓓, 楊華, 等. 上海洋山深水港區(qū)海域懸沙分布特征及運動規(guī)律分析[J]. 海洋通報, 2009,28(3):62-69.

ZUO S H, LI B, YANG H，et al. Analysis on the Distribution and Movement of Suspended Sediment at Yangshan Deep-water Harbor in Shanghai [J]. Marine Science Bulletin, 2009,28(3):62-69.

[5]邵榮順，吳明陽，左書華. 上海洋山港區(qū)12年來海床沖淤變化分析[J]. 海洋工程,2012,30(1):106-111.

SHAO R S, WU M Y, ZUO S H. Analysis on seabed deposition and erosion of Yangshan Port during twelve years [J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(1):106-111.

[6]閻新興，劉國亭. 上海洋山港水域沉積特征研究[J]. 水道港口,2003,24(4):174-179.

YAN X X, LIU G T. On Sediment Characteristics of Water Area of Shanghai Yangshan Harbor [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2003, 24(4):174-179.

[7]左書華, 張寧川, 張征, 等. 島群海域環(huán)境下泥沙運動及地形沖淤變化數(shù)值模擬研究[J]. 泥沙研究, 2011(2):1-8.

ZUO S H, ZHANG N C, ZHANG Z, et al.Numerical Modeling of Sediment Transport and Sea Bed Erosion and Siltation in Archipelago Sea Area[J]. Journal of Sediment Research, 2011(2):1-8.

[8]左書華, 吳明陽, 莊驊, 等. 洋山深水港四期工程海域沖淤環(huán)境及增深研究 [J]. 天津航海，2017(2):58-61.

ZUO S H, WU M Y, ZHUANG H, et al. A research on the sea waters alluvial environment and deepening in the fourth stage project, Yangshan deep water harbour [J]. Tianjin navigation, 2017(2):58-61.

[9]莊驊，吳明陽，劉國亭. 洋山深水港四期工程港區(qū)增深可行性研究[J]. 水道港口,2014,35(2):148-153.

ZHUANG H, WU M Y, LIU G T. Feasibility analysis of different depth plan in Shanghai Yangshan Deepwater Port Phase IV Project [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2014, 35(2):148-153.

[10]左書華，肖輝，李蓓，等. 崎嶇列島洋山港海域泥沙輸移[M]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

[11]李孟國, 張華慶, 陳漢寶, 等. 海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包TK-2D的開發(fā)研制[J]. 水運工程,2005 (12):1-4.

LI M G, ZHANG H Q, CHEN H B, et al. Development of Multi-functional Mathematical Model Software Package TK-2D on Coast and Estuary [J]. Port & Waterway Engineering, 2005 (12):1-4.

[12]左書華, 李蓓, 張征, 等. 多島嶼、多汊道環(huán)境下大型深水港建設(shè)中的水沙問題研究[J]. 水運工程, 2009(3): 24-28.

ZUO S H, LI B, ZHANG Z, et al. Hydrodynamic and sedimentation problems in construction of large-scale deepwater harbor located at the area with many islands and branch channels [J]. Port & Waterway Engineering, 2009(3): 24-28.

[13]李孟國, 李文丹, 時鐘, 等. 田灣核電站海域潮流泥沙數(shù)值模擬研究[J]. 泥沙研究, 2008(2):16-23.

LI M G, LI W D, SHI Z, et al. Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Nuclear Power Station[J]. Journal of Sediment Research, 2008(2):16-23.

[14]楊華, 左書華, 趙洪波, 等. 島群中建港水動力關(guān)鍵技術(shù)問題研究[M]. 北京：人民交通出版社，2015.

[15]JTS145-2015,港口與航道水文規(guī)范[S].