上海洋山深水港區(qū)水文泥沙研究＊

吳明陽(yáng),許家?guī)?/p>

(1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

建設(shè)中的上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港地處長(zhǎng)江口南匯嘴東南約30 km的東海崎嶇列島,西靠杭州灣口,北部海域與長(zhǎng)江口海濱相連,南臨舟山群島,東瀕黃澤洋,是我國(guó)島群中開(kāi)發(fā)深水港口工程實(shí)例之一。洋山深水港區(qū)水域位于大、小洋山兩條島鏈圍成的漏斗形潮流通道,西起小烏龜—雙連山,東至小巖礁—大洋山,長(zhǎng)約11 km,西口門寬7.7 km,東口門寬1.0 km,水域面積約38 km2,是由已建和待建在小洋山島鏈上的北港區(qū)和規(guī)劃在大洋山島鏈上的南港區(qū)組成。北港區(qū)現(xiàn)已建成一、二、三期港區(qū),位于小洋山—小巖礁,碼頭岸線總長(zhǎng)5.6 km,待建的蔣公柱港區(qū)和西港區(qū)位于小洋山以西至小烏龜,碼頭岸線總長(zhǎng)約4.2 km。北港區(qū)原有5個(gè)汊道,現(xiàn)僅留有顆珠山1個(gè)汊道。大洋山島鏈處于自然狀態(tài),現(xiàn)有大洋山至唐腦山3個(gè)汊道(圖1)。

1 潮流泥沙及淤積基本特征

1.1 潮位

1)根據(jù)小洋山1997—2007年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),其特征(平均)值為：高潮位3.88 m,低潮位1.14 m,海平面2.54 m,潮差2.73m,漲潮歷時(shí)5 h 47m in,落潮歷時(shí)6 h 37m in。

2)2006—2008年小洋山、小洋山北(鉆頭嘴)和小巖礁(東口門)3地15周日同步驗(yàn)潮資料表明：

a.東口門存在壅水現(xiàn)象

表現(xiàn)在小巖礁平均低潮位高于小洋山0.06m,平均潮差小于小洋山0.07m。

b.港區(qū)通道內(nèi),外水面漲、落潮有不同的高低變化

圖1 洋山深水港區(qū)大、小洋山島鏈形勢(shì)圖Fig.1 Map showing the situation of Dayangshan and Xiaoyangshan island chains in Yangshan Deep-w ater H arbor A rea

在漲潮時(shí)段內(nèi),港區(qū)通道內(nèi)水面低于通道以北海域,不同潮時(shí)瞬時(shí)高差為0.02～0.12 m;在落潮時(shí)段內(nèi)反之,港區(qū)通道水面高于通道以北海域,高差為0.02～0.15 m。最大高差發(fā)生在半潮[1]。

1.2 潮流

2000—2008年港區(qū)通道內(nèi)定點(diǎn)水文全潮資料表明：

1)潮流屬正規(guī)半日潮性質(zhì)

根據(jù)歷次準(zhǔn)調(diào)和常數(shù)分析及橢圓要素計(jì)算,潮流形態(tài)系數(shù)F介于0.13～0.33,小于0.5,潮流類型應(yīng)屬正規(guī)半日潮流。淺水分潮流影響系數(shù)G介于0.06～0.38,除汊道內(nèi)淺水區(qū)域外,淺水分潮流影響并不顯著。

2)潮波近于駐波型

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

3)潮流運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的往復(fù)性

a.半日分潮流的橢圓率K 很小,僅為 0.02～0.11,一般小于0.06.

b.實(shí)測(cè)漲、落潮平均流向港區(qū)通道水域漲潮流向一般在260°～340°,落潮流向在100°～150°,漲、落潮平均流向分別為298°和119°,呈WNW-ESE向,與主通道走向基本一致。據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),各測(cè)點(diǎn)漲、落潮流向之差與180°相比,其差值小于10°的約占70%,小于15°的約占83%。表明本區(qū)潮流具有較強(qiáng)的往復(fù)流性質(zhì)。

4)潮流歷時(shí)漲潮短于落潮

平均漲、落潮流歷時(shí)分別為5 h 39min和6 h 47 min,漲潮流歷時(shí)較落潮流平均縮短約1 h。

5)屬?gòu)?qiáng)潮流港區(qū)、落潮流強(qiáng)于漲潮流

港區(qū)通道水域潮段漲、落潮平均流速分別為0.71和0.83 m/s,屬?gòu)?qiáng)潮流海區(qū),其中大潮分別為0.87和1.02m/s;落潮流大于漲潮流,其比值為1.17;漲、落潮垂線最大流速分別為1.97和2.07 m/s;漲、落潮表層最大流速分別為2.25和2.49 m/s(表1)。

6)底部潮流速具有床沙起動(dòng)的強(qiáng)度

根據(jù)歷年資料統(tǒng)計(jì),大、中、小潮潮段平均底層流速(海床面上約0.5 m)漲、落潮分別為0.50和0.55m/s,約為表層流速的55%,為潮段平均流速的68%;垂線最大流速時(shí)的底層流速,漲、落潮分別為1.63和1.55 m/s。

各潮段平均底流速(固定在海床面上0.2 m)漲、落潮分別為0.37和0.36 m/s,約為底層流速的70%;垂線最大流速時(shí)的底流速,漲、落潮分別為0.89和0.84 m/s。天然泥沙起動(dòng)流速約0.50 m/s,表明洋山港區(qū)水域底部潮流強(qiáng)度具有掀動(dòng)床面泥沙的能力[2]。

7)建港前,小洋山島鏈汊道主要屬落潮流為主通道,進(jìn)出潮量約為西口門潮量的50%(表2)。

表1 洋山港區(qū)通道水域?qū)崪y(cè)潮流速(m?s-1)Table 1 Tidal current velocity measured atw aterw ays in Yangshan harbour area(m?s-1)

表2 小洋山島鏈各通道周日潮量Table 2 Tidal volume through the waterways in Xiaoyangshan island chain

1.3 含沙量

洋山港區(qū)通道水域含沙量主要受控于長(zhǎng)江口、杭州灣大的泥沙環(huán)境,總體來(lái)講,港區(qū)維護(hù)疏浚、汊道封堵對(duì)水體含沙量大會(huì)產(chǎn)生大的變化[3]。

1)含沙量年際變幅不大,季節(jié)變化明顯

根據(jù)小洋山長(zhǎng)期表層觀測(cè)資料,年平均含沙量變幅在0.71～0.94 kg/m3,平均為0.86 kg/m3;每年從11月—翌年4月冬、春季節(jié)含沙量較高,平均為1.15 kg/m3,從5～10月夏、秋季節(jié)含沙量較低,平均為0.56 kg/m3,約有1倍之差。月平均含沙量最小為0.19 kg/m3,發(fā)生在 2003-07,最大為1.69 kg/m3,發(fā)生在 2002-02。

港區(qū)通道水域年平均含沙量為1.40 kg/m3,年際變幅不大,但近4年有減小跡象,年內(nèi)有明顯的季節(jié)性變化。

2)屬高含沙港區(qū)、漲潮含沙量大于落潮

a.根據(jù)2000—2008年資料統(tǒng)計(jì),潮段平均含沙量漲、落潮分別為1.24和1.07 kg/m3,其中,大潮分別為1.72和1.55 kg/m3,漲潮含沙量大于落潮,其比值為1.16。

b.垂線最大含沙量為5.21 kg/m3,平均2.99 kg/m3,底層(海床面上約0.5 m)最大含沙量為6.28 kg/m3,平均3.73 kg/m3(表3)。

3)水體含沙量大、小與潮流強(qiáng)度有關(guān)

a.從近年15周日含沙量資料來(lái)看,在半個(gè)月潮周期過(guò)程中,含沙量大小與潮差呈明顯的對(duì)應(yīng)變化,即大潮到小潮再到大潮過(guò)程中,含沙量則表現(xiàn)出由大到小,再到大的對(duì)應(yīng)漸變過(guò)程,而潮差與潮流密切相關(guān)(圖2)。

b.從歷年水文測(cè)驗(yàn)資料來(lái)看,大、中、小潮含沙量分別為1.64,1.24和0.68 kg/m3,大潮含沙量為中潮的1.3倍,為小潮的2.4倍,而潮流速大潮最大、中潮次之、小潮最小。

4)底部含沙量未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象

a.根據(jù)歷年定點(diǎn)水文全潮測(cè)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì),垂線最大時(shí)的底層含沙量漲、落潮分別為3.79和3.67 kg/m3,同步表層含沙量分別為1.82和2.03 kg/m3,底層含沙量與表層含沙量相比約有1倍之差。

表3 洋山港區(qū)通道水域?qū)崪y(cè)含沙量(kg?m-3)Table 3 Sediment contentmeasured at the waterways in Yangshan harbour area(kg?m-3)

圖2 2008-05日平均含沙量與潮差過(guò)程線圖Fig.2 Daily average silt content and tidal range processmeasured in M ay,2008

b.根據(jù)P1站4次15周日資料,垂線最大含沙量時(shí)的底含沙量在漲、落潮時(shí)分別為5.75和6.00 kg/m3,同步底層含沙量分別為3.88和4.11 kg/m3,底含沙量與底層含沙量相比,僅偏大約50%。從一般對(duì)底部高濃度渾水認(rèn)識(shí)來(lái)看,上述資料說(shuō)明迄今為止洋山港區(qū)通道水域底部含沙量正常,未出現(xiàn)所謂高濃度渾水現(xiàn)象。

5)港區(qū)通道水域含沙量基本自西向東遞減分布

根據(jù)15周日資料,港區(qū)通道西、東口門處含沙量,漲潮分別為1.55和1.28 kg/m3,西口門偏大21%,落潮分別為1.24和1.15 kg/m3,西口門偏大僅8%,總體來(lái)看,含沙量變幅不大。

1.4 懸沙粒徑

根據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料,洋山港區(qū)通道水域懸浮泥沙中值粒徑一般為0.008～0.011 mm,平均為 0.009mm;砂、粉砂、粘土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 10%,60%,3%,屬細(xì)顆粒粘性范疇。

1.5 底質(zhì)

根據(jù)歷年底質(zhì)采樣分析資料,港區(qū)通道水域底質(zhì)主要以粘土質(zhì)粉砂和粉砂類型為主,約占沉積物類型的90%。從各年平均中值粒徑變化來(lái)看,建港前2002年和三期工程建成后的2008年較細(xì),分別為0.020和0.019 mm,2003—2007年期間較粗,在0.023～0.029mm之間,主要受圍堤造陸工程泥沙流失形成的局部堆積體影響所致。在今后正常情況下,港區(qū)通道水域仍以粘土質(zhì)粉砂和粉砂類型為主,平均中值粒徑為0.020mm。

1.6 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,粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,底質(zhì)泥沙中值粒徑為0.020mm,粘土含量22%,基本界定在淤泥質(zhì)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(qiáng)潮流的潮汐通道內(nèi),強(qiáng)潮流特征為港口開(kāi)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(lái)源于長(zhǎng)江輸沙及長(zhǎng)江口外和杭州灣近岸淺灘潮流、風(fēng)浪掀沙。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三個(gè)變量,一是港區(qū)內(nèi)水流強(qiáng)度不宜有過(guò)大的降低;二是水流平順,避免產(chǎn)生較強(qiáng)的回流;三是保持通道內(nèi)水沙通暢,維持通道水深地形的穩(wěn)定。

2 結(jié) 語(yǔ)

1)洋山水深港區(qū)潮位特征值為：高潮位3.88m,低潮位1.14m,海平面2.54m,潮差2.73 m,漲潮歷時(shí)5 h 47 min,落潮歷時(shí)6 h 37min;

2)東口門潮位存在壅水現(xiàn)象,港區(qū)通道內(nèi)、外水面漲、落潮潮位有不同的高低變化。

3)港區(qū)潮流具有特性：潮流屬正規(guī)半日潮性質(zhì),潮波近于駐波型,潮流運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的往復(fù)性,潮流歷時(shí)漲潮短于落潮,屬?gòu)?qiáng)潮流港區(qū)、落潮流強(qiáng)于漲潮流,底部潮流速具有床沙起動(dòng)的強(qiáng)度,建港前,小洋山島鏈汊道主要屬落潮落為主通道,進(jìn)出潮量約為西口門潮量的50%。

4)洋山港區(qū)通道水域含沙量主要受控于長(zhǎng)江口、杭州灣大的泥沙環(huán)境,總體來(lái)講,港區(qū)維護(hù)疏浚、汊道封堵對(duì)水體含沙量大會(huì)產(chǎn)生大的變化。其性質(zhì)為：含沙量年際變幅不大,季節(jié)變化明顯;屬高含沙港區(qū)、漲潮含沙量大于落潮;水體含沙量大、小與潮流強(qiáng)度有關(guān);底部含沙量未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象;港區(qū)通道水域含沙量基本自西向東遞減分布。

5)洋山港泥沙淤積特征：港區(qū)水域懸沙中值粒徑為0.009 mm,粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%;底質(zhì)泥沙中值粒徑為0.020 mm,粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%,基本界定在淤泥質(zhì)范疇,泥沙淤積以懸沙落淤為主;港區(qū)處于高含沙、強(qiáng)潮流的潮汐通道內(nèi),強(qiáng)潮流特征為港口開(kāi)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;港區(qū)泥沙來(lái)源于長(zhǎng)江輸沙及長(zhǎng)江口外和杭州灣近岸淺灘潮流、風(fēng)浪掀沙。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三個(gè)變量,一是港區(qū)內(nèi)水流強(qiáng)度不宜有過(guò)大的降低,二是水流平順,避免產(chǎn)生較強(qiáng)的回流,三是保持通道內(nèi)水沙通暢,維持通道水深地形的穩(wěn)定。

[1] 吳明陽(yáng),馮玉林.上海洋山港定床泥沙模型試驗(yàn)研究[J].海洋學(xué)報(bào),2003,(3)：67-74.

[2] 吳明陽(yáng),馮玉林.潮汐河口的治理[J].水道港口,2004,(S1)：23-28.

[3] 吳明陽(yáng),許家?guī)?馮玉林.上海洋山深水港區(qū)二期工程方案潮流物理模型試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程,2010,(9)：1-6.