高含沙高水流海區(qū)工程布置對泥沙運動的影響

吳明陽，許家?guī)?，?超

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

洋山港區(qū)位于大、小洋山兩列島嶼間的通道水域，眾多島嶼構成有利的掩護和天然良好的水深是建設深水港區(qū)的前提條件。多島嶼、多通道、高水流、高含沙、漲潮水流流態(tài)紊亂以及陸域面積較小是港區(qū)海域的基本特征。港口平面布置、流態(tài)平穩(wěn)程度、預見和處理港口布置可能帶來的泥沙淤積以及船舶安全航行和靠泊等則是建港關鍵問題［1］（圖1）。

圖1 洋山深水港區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical position of Yangshan Deep-water Harbor Area

1 洋山港區(qū)海域潮流動力及環(huán)境泥沙特征

1.1 潮流動力特征

1.1.1 潮流歷時

外海潮波進入港區(qū)后，一方面隨水深的變淺，逐漸發(fā)生變形，總體來講，漲潮歷時短于落潮歷時，另一方面受島嶼或碼頭樁基阻力影響，加劇了近岸水域漲落潮流歷時差。從外航道至西口門縱向上來看，漲落潮歷時差平均由+5 min 增至-48 min，從通道中部、調頭區(qū)至碼頭前沿橫向上來看，漲落潮歷時差平均分別為-34 min、-1 h19 min 和-2 h16 min，橫向歷時差遠大于縱向（表1）。

表1 洋山港區(qū)海域漲落潮歷時Tab.1 Flood and ebb tide duration of Yangshan Deep-water Harbor Area h

1.1.2 流向

（1）洋山港區(qū)東側外航道海域，漲潮平均流向在267°～281°，平均為271°，落潮流向在89°～103°，平均為97°，基本呈W—E 向。

（2）洋山港區(qū)中部小洋山水域，漲潮平均流向為273°～295°，平均為285°，落潮流向為96°～116°，平均為107°，基本呈WNW—ESE 向。

（3）一、二期工程港區(qū)水域，漲潮平均流向292°～326°，平均為308°，落潮流向為116°～145°，平均為128°，基本呈NW—SE 向。

1.1.3 流速

根據(jù)1996 年、1997 年和1999 年同步實測資料統(tǒng)計，洋山港區(qū)海域縱向潮流速分布如表2 所示。

表2 洋山港區(qū)海域縱向潮流速分布Tab.2 Longitudinal tidal velocity distribution of Yangshan Deep-water Harbor Area m/s

根據(jù)2000 年、2002 年和2004 年同步實測資料統(tǒng)計，一、二期工程港區(qū)水域潮流速分布如表3 所示。

表3 一、二期工程水域潮流速分布Tab.3 Tidal velocity distribution of area of phase I and phase II m/s

表2 和表3 中所示的流速值，由于施測的潮差不同，兩者并無可比性，但對各自表中流速值來講，由于同步施測，潮差相同，故有其可比性。洋山海域潮流速特征：

（1）落潮流速大于漲潮流速。從洋山港區(qū)海域縱向上來看，落潮流速與漲潮流速之比值，東部（外航道）、中部（大、小洋山之間，不含東口門）和西部（西口門內外）分別為1.02、1.13 和1.07，漲、落潮流速的差異，中部大于東、西兩側。

從一、二期工程港區(qū)水域橫向上來看，其比值，碼頭前沿、調頭區(qū)和通道中部分別為1.38、1.17 和1.06，愈靠近島岸，漲、落潮流速的差異愈大。

（2）潮段平均流速。洋山港區(qū)海域，大、中、小潮漲潮平均流速分別為1.03 m/s、0.87 m/s 和0.68 m/s，落潮平均流速分別為1.10 m/s、0.96 m/s 和0.71 m/s。一、二期工程水域，大、中、小潮漲潮平均流速分別為0.81 m/s、0.64 m/s 和0.54 m/s，落潮平均流速分別為1.00 m/s、0.85 m/s 和0.65 m/s。與小潮流速之比值，兩者大潮在1.50～1.55，平均為1.52，中潮在1.19～1.35，平均為1.28。

從潮流速平面分布來看，洋山港區(qū)海域，東部（外航道），中部（大、小洋山之間，不含東口門）和西部（西口門內外），大、中、小潮漲落潮平均流速分別為0.87 m/s、0.80 m/s 和1.00 m/s，西部潮流速最強，東部次之，中部相對較弱。一、二期工程水域，碼頭前沿、調頭區(qū)、通道中部，大、中、小潮漲落潮平均流速分別為0.72 m/s、0.78 m/s 和0.88 m/s，愈靠近島岸，潮流速相對愈弱。

（3）最大流速。根據(jù)實測資料：洋山港區(qū)海域測點最大流速，漲潮為1.90～2.91 m/s，落潮為2.35～3.22 m/s；垂線平均最大流速，漲潮為1.69～2.45 m/s，落潮為1.73～2.67 m/s。各水域測點最大流速如表4 所示。

（4）一、二期工程港區(qū)水域（碼頭前沿和調頭區(qū)），漲潮流平均歷時5 h19 min，落潮流歷時7 h07 min，而漲潮平均流速為0.66 m/s，落潮平均流速為0.84 m/s。漲潮流歷時短、流速低，落潮流歷時長，流速高，清楚表明落潮流是維持港區(qū)水深的主動力。

表4 洋山港區(qū)海域最大潮流速分布Tab.4 The maximum tidal velocity distribution of Yangshan Deep-water Harbor Area m/s

1.2 環(huán)境泥沙特征特征

有關洋山港海域含沙量特征參見有關報告，此處僅對一、二期工程港區(qū)水域含沙量特點作簡要補充。

1.2.1 年平均含沙量小洋山連續(xù)5 a 逐日高、低潮表層含沙量資料，年平均含沙量在0.85～0.94 kg/m3，平均為0.89 kg/m3。根據(jù)水文全潮測驗與固定站相同時間段的平均含沙量進行比較，兩者之比值平均為1.42，據(jù)此得出小洋山港區(qū)水域年平均含沙量為1.26 kg/m3（表5）。歷年在港區(qū)水域水文全潮實測平均含沙量在0.52～2.10 kg/m3，平均為1.36 kg/m3。

表5 固定站與水文測驗同步含沙量比較Tab.5 Synchronized sediment concentration between fixed station and hydrologic survey kg/m3

1.2.2 含沙量季節(jié)變化

根據(jù)小洋山固定站表層含沙量統(tǒng)計，每年從11 月～翌年4 月間冬、春季節(jié)含沙量較高，月平均為1.20 kg/m3，5 月～10 月夏、秋季節(jié)含沙量較低，月平均為0.59 kg/m3，不同季節(jié)有一倍之差；2 月和3 月含沙量可達1.30 kg/m3，而8 月僅為0.35 kg/m3，差約3 倍。

1.2.3 最大含沙量

洋山港區(qū)實測垂線最大含沙量在0.85～3.476 kg/m3，平均為2.26 kg/m3；底部最 大 含 沙 量 在2.72 ～11.61 kg/m3，平 均 為7.13 kg/m3。

2 工程方案布置的基本原則

分析自然條件、總結共性特征和建設深水大港的有利條件，不僅在于掌握環(huán)境因素的宏觀規(guī)律并加以合理利用，同時也為島群海域港口工程布置原則的制訂提供了基礎資料和基本依據(jù)［2－3］。建港自然條件的優(yōu)劣、選址及工程布置的合理性，直接影響著工程建設的難度、造價、工期以及港口建成后的維護費用，因而工程布置基本原則應包括如下幾方面：

（1）島群中港口的建設應根據(jù)不同島群區(qū)域的資源環(huán)境承載能力，現(xiàn)有開發(fā)密度和發(fā)展?jié)摿?，實行統(tǒng)籌規(guī)劃、遠近結合，分期實施，有效保護可貴的深水岸線。

（2）應充分利用已有灘涂，結合促淤、疏浚棄土陸拋及開山填海等方式，根據(jù)建設需要逐步形成陸域。

（3）應根據(jù)規(guī)劃港區(qū)各地段的水深條件、島嶼分布狀況及汊道堵留利弊等分析，統(tǒng)籌兼顧、合理分區(qū)以確定島嶼分片或整體連接的最佳形式。

（4）應充分利用并力求通過汊道封堵等方法擴展岸線資源和港口陸域，平順水流流態(tài)，減小波浪入侵，滿足港口波穩(wěn)條件。岸線布置應深水深用、淺水淺用。對淺水深用的岸線應充分論證港池、航道開挖后的泥沙淤積情況。

（5）當主水道與汊道分、匯流區(qū)的水流紊亂或在其上、下側回流現(xiàn)象較明顯時，可通過汊道封堵和合理的岸線布置，歸順港區(qū)水流和進港航道的流態(tài)，避免港池及航道大量淤積。

（6）對于一主、多汊的水道，一般不宜將汊道全部封堵。汊道封堵應以對主水道含沙量和潮量影響較小，維持槽、灘地形相對穩(wěn)定為前提，特別應注意防止主流向非港區(qū)側轉移不利情況的出現(xiàn)。

（7）在含沙量相對大的潮汐水道，不應采用挖入式和實體突堤。應采用整體連接順暢的順岸式，也可采用樁基跨度較大的棧橋式，以減輕工程對水道及臨近港區(qū)流場的不利影響。

（8）通常宜在漲、落潮流路趨于一致的水道側建筑碼頭。對于漲、落潮流路分歧，但寬度大、水流強、水深條件較好的水道，也可在其兩側分別布置岸線；岸線布置應從水道一側開始和延伸，以減少工程初期的淤積量，利于港口起步。

（9）當條件允許時，陸域圍填宜在近側水域取土陸拋。但應防止圍墾泥沙嚴重流失及港池、航道基建棄土水拋泥沙擴散對港口淤積和水環(huán)境的影響。

（10）拋泥地應選擇在開敞水域泥沙運動主導方向的港口下方。不宜在港區(qū)上下兩側的水道內實施疏浚棄土水拋。

（11）港口的通海航道，不宜選擇在淺灘段過長或水下礁石較多的水道口門一側。

（12）在港口淤積治理時，即使在水域寬度較大的水道內，也不應采用丁壩挑流；也不宜在中部水域布置順壩調整潮量分配。

根據(jù)洋山港區(qū)的自然條件提出了建設深水大港的基本原則：封堵汊道、平順水流、安全靠泊、減小淤積。

3 工程方案布置對泥沙運動的影響

洋山港區(qū)海域的基本特征可概括為多島嶼、多通道、強流速、高含沙、流態(tài)紊亂以及陸域面積狹小。洋山港區(qū)水域內的強潮流、-10 m 以上的天然水深，大、小洋山島鏈形成的天然屏障為港口的開發(fā)提供了有利條件，但高含沙和流態(tài)紊亂又為港口建成后泥沙淤積提出了問題，而工程方案布置又與此密切相關［4］。

（1）制約泥沙運動的外部動力主要是波浪和潮流，汊道封堵，陸域面積的增大更進一步削弱港區(qū)內波浪尺度，對于具有10 m 以上水深的港區(qū)來講，波浪掀沙能力有限，故在波浪動力條件下，產(chǎn)生驟淤的可能性不大。

（2）洋山港區(qū)海域含沙量主要受控于長江口、杭州灣大的泥沙環(huán)境，即使島鏈汊道全部封堵，港區(qū)內含沙量也不會有本質上的變化，因此，水流強弱就成為港口建成后，維護要求水深的關鍵，也是隨工程布置唯一可變的因素。為此，工程方案布置應盡量保持現(xiàn)有水流條件，特別是港池和航道水域［5］。

（3）回流是泥沙淤積較重的流態(tài)，從模型試驗清楚看出，汊道和主通道兩股水流交匯的下方，孤立島嶼和曲折岸段都是產(chǎn)生回流的區(qū)域，為此，除封堵汊道外，平順碼頭岸線特別是階段性的碼頭端部，如二期碼頭西端和一期碼頭東端與鑊蓋塘～小巖礁圍堤銜接外，在工程方案布置上，為防止由于挑流而產(chǎn)生回流，雖屬短時期影響，但也同樣值得注意。

（4）在岸線開發(fā)利用上，應視自然水深大小而定，如過深開挖，有可能造成水流強度大幅度降低，產(chǎn)生較大淤強，增加水深維護的難度［6］。

（5）小洋山汊道全部封堵后，勢必造成主通道漲、落潮量的減小，顯然對港區(qū)現(xiàn)有水深產(chǎn)生不利影響。適當縮窄西口門寬度，使之通道的單寬潮量保持堵口前水平，應是今后進一步研究的課題之一［7］。

4 結論

港口平面布置、流態(tài)平穩(wěn)程度、預見和處理港口布置可能帶來的泥沙淤積以及船舶安全航行和靠泊等是建港關鍵問題；而水流強弱是港口建成后，維護要求水深的關鍵，也是隨工程布置唯一可變的因素，因此，工程方案布置應盡量保持現(xiàn)有水流條件，特別是港池和航道水域；在岸線開發(fā)利用上，應視自然水深大小而定；小洋山汊道全部封堵后，勢必造成主通道漲、落潮量的減小，適當縮窄西口門寬度，確保主通道水流單寬流量維持現(xiàn)有水平，應是今后進一步研究的課題之一。

［1］錢寧, 萬兆惠.泥沙研究［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，1992.［2］嚴愷，梁其荀.海岸工程［M］.北京：海洋出版社，2002.

［3］薛鴻超，顧家龍，任汝述.海岸動力學［M］.北京：人民交通出版社，1980.

［4］楊華，吳明陽，馮玉林，等. 上海洋山深水港區(qū)泥沙觀測分析報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2005.

［5］吳明陽，馮玉林.上海洋山深水港區(qū)海域的泥沙環(huán)境特征［C］//朱德祥，魯傳敬，周連第.第十九屆全國水動力學研討會文集.北京：海洋出版社，2005.

［6］蔣睢耀，吳明陽. 上海國際航運中心洋山港區(qū)水文地形特性與建設方案選擇標準的分析研究［J］. 水道港口，2000（3）:1-6.JIANG J Y，WU M Y.Analysis of Hydrographic and Morphological Characteristics and Selection Standard of Construction Design of Yangshan Harbor Area of Shanghai International Shipping Center［J］. Journal of Waterway and Harbor，2000（3）:1-6.

［7］吳明陽，馮玉林. 潮汐河口的治理［J］.水道港口，2004（S1）:31-34.WU M Y，F(xiàn)ENG Y L. Control of Tidal Estuary［J］. Journal of Waterway and Harbor，2004（S1）:31-34.