依托橫沙淺灘開發大型深水港區的技術可能性

程澤坤，邵榮順

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

1 前言

上海港集裝箱吞吐量和貨物總吞吐量已連續多年位居世界第一，其在當今世界航運業中的地位和區域社會經濟發展中的作用舉足輕重。隨著世界航運業和長江三角洲、長江流域社會經濟發展，上海港發展面臨著吞吐能力已飽和、深水岸線用盡、深水航道疏浚維護量大、土地資源短缺、與城市發展爭資源等挑戰，港口可持續發展的空間處于難以再提升的境地。同時，上海港目前還存在沒有20m以上深水航道和深水泊位，江海聯運系統優勢未能充分發揮等劣勢，因此難以適應未來航運和物流市場的激烈競爭。如不及早落實相應的對策措施，2020年將難以實現上海國際航運中心建設總體目標。研究認為，可行的對策措施就是規劃開發建設具有大容量深水泊位和深水航道的新港區，以進一步提升航運競爭力，更好地服務經濟發展。

經調研，長江口橫沙淺灘可以作為新港址進行開發建設，其位于我國“黃金海岸”和“黃金水道”交匯處，距離國際習慣航線近，距離外海-20m等深線不足17 km，江海聯運條件十分優越；灘涂和深水資源豐富，港口開發潛力巨大，可以成為國內、國際市場的接軌點。本文將重點介紹依托橫沙淺灘開發建設大型深水港區的技術可能性和可行性。

2 依托橫沙淺灘開發大型港區的技術可能性[1，2]

2.1 橫沙淺灘港址的區位優勢

橫沙淺灘港址位于我國“黃金海岸”和“黃金水道”交匯處（見圖1），距離國際習慣航線近，距離外海-20m深水區不足17 km，出海進江、江海轉運極為方便，是國內、國際市場的極佳接軌點。其既可為10萬～40萬噸級散貨船和6 000～18 000 TEU集裝箱船提供大型深水泊位服務，又可為各類長江散貨船、駁船和內河集裝箱支線船提供服務，能夠更方便快捷地實現江海聯運的零距離對接，滿足國家發展戰略需求。因此，橫沙淺灘港址區位優勢十分明顯。

圖1 新港址位置圖Fig.1 Location of the new Shanghaiport site

2.2 橫沙淺灘自然條件分析

2.2.1 橫沙淺灘及附近海域穩定性

長江口分布有多個淺灘，其形勢見圖2。近年來，橫沙淺灘水沙運動趨于穩定，年沖淤變化在±20 cm以內，沖淤相對平衡，不存在大沖大淤現象，橫沙淺灘-5m等深線內面積多年保持在約300 km2。

圖2 長江口淺灘形勢圖Fig.2 Shoals distributionmap at the Yangtze River estuary

在橫沙淺灘東部-10m等深線內，隨著水深的增加，沖淤變幅沿程變小，一般在±10～±20 cm/a；而在-10～-20m海域，穩定存在著一條近南北向“沖刷走廊”；在-20m以外海床地形沖淤已基本上不受長江河口入海徑流的影響，近50年海床沖淤穩定的狀況持續保持。

橫沙淺灘及附近海床的穩定性，為充分利用灘涂和近岸深水資源開發建設大型港區提供了十分有利的條件。

2.2.2 潮流

該海域潮汐屬于不規則半日潮，近海徑流作用較弱。長江口北港和北槽的水道中潮流基本呈較強的東西向往復流動，而在-10～-20m海域，潮流具旋轉特性。北港水道口約-5m水深處，表層平均漲、落潮流速分別為94 cm/s和147 cm/s，口外-15m處平均漲、落潮流速分別為64 cm/s和107 cm/s；北槽水道口內漲、落潮流速分別為118 cm/s和179 cm/s，口外平均漲、落潮流速同為98 cm/s。依托橫沙淺灘布置港區，陸域可在-2m的灘脊上形成，對長江口周邊潮汐通道的動力格局影響較弱。

2.2.3 風浪

長江口地區受臺風影響平均每年約2次，風向以偏北風為主，風力以大于9級最多，大風持續時間約為2～3天。臺風期間常伴有大浪，每次臺風對長江口河床的影響均較大。寒潮平均每年2.6次，影響時間為1～2天。

長江口地區波浪以風浪為主，涌浪次之，平均周期為3.3 s。橫沙淺灘海域波高最大不超過3m。波浪傳播進入淺灘區后，發生變形破碎，掀起泥沙，對淺灘區水流和泥沙運動產生影響。依托橫沙淺灘規劃港區，實施淺灘圈圍后，可切斷該海區灘槽間的泥沙交換，挖入式港池只要處理好口門位置，港池的泥沙淤積回淤不大。

2.2.4 泥沙

橫沙淺灘所在海域水體含沙量主要來自長江流域下泄入海泥沙的擴散及波浪作用下淺灘區的灘槽泥沙交換。海區的泥沙分布基本特征為：在長江口北港、北槽口門附近以及橫沙淺灘以東海域水深-5m以淺的淺灘區，平均含沙量在0.5～1.0 kg/m3，在淺灘東側水深-5～-10m區域含沙量明顯降低，平均含沙量降至0.5 kg/m3以下；-15m以東的水域，懸沙濃度極低。海域的泥沙分布特征對進港深水航道的布置較為有利。

隨著長江下泄沙量的持續減少以及橫沙淺灘大片被圈圍，灘槽泥沙交換強度將會得到抑制，長江口北港、北槽口門附近水域含沙量亦將保持在較低水平，這對橫沙淺灘區港池和航道開挖后的減淤非常有利。

2.2.5 大霧

長江口水域常遭受濃霧“侵襲”，能見度不足500m，局部地區小于100m的情況時常發生。據統計，在長江口水域視程小于1 000m的天數分別為：2005年25天，2006年20天，2007年12天，2008年19天。濃霧給船舶航行和引航帶來一定的影響，大霧對橫沙淺灘挖入式港池和外航道的影響類似于對相鄰長江口北槽深水航道和外高橋港區的影響。

2.2.6 沉積物和工程地質

橫沙淺灘表層沉積物以粗顆粒物質為主，一般為細砂和粉砂質砂，泥含量不足20%。在規劃的深水航道海底表層沉積物以細顆粒為主，泥含量在50%以上，為淤泥質海岸。淤泥質海岸深水航道開發建設技術較成熟，成功案例較多，如天津港、連云港進港航道等。

根據勘探資料，本區均為第四紀全新世近代沖海-濱海相的粘散堆積物，無巖基出露，屬軟土地基。長江口地區地震烈度為七級。規劃深水航道和港池可挖性好，港區碼頭結構建設難度不大。

2.3 外配套條件

依托橫沙淺灘開發港區，集疏運和水電通信等配套設施相對較易解決。港區水路集疏運條件較好，陸路集疏運條件稍差，但是陸路集疏運系統建設難度不大，先期可以建設通道接線至長江隧道，遠期可再建另一條過江通道。與已建的洋山深水港區比較，外配套條件較易解決。

2.4 建設條件

本工程的建設可以依托橫沙本島，先實施陸域形成和疏浚工程，后進行碼頭結構、地基加固以及上部功能設施的建設，施工依托條件好，技術成熟。由于港區布置為挖入式港池，施工作業天數幾乎不受外面水文氣象因素的影響，施工難度不大。

2.5 環境條件

橫沙淺灘港址距離崇明東灘鳥類自然保護區、九段沙濕地自然保護區均較遠，且有北港和北槽水道分隔。初步分析認為，橫沙淺灘的圈圍及挖入式港池的建設對一些水產生物的棲息、索餌與洄游會有所妨礙，在其施工和營運期，對當地及周邊生態與環境也會有一定影響，但估計應屬于可控及能夠補償的行為。

綜上認為，在橫沙淺灘規劃建設大型港區具有區位優勢，自然條件、配套條件、建設條件和環境分析表明，港區開發在技術上不存在較大的技術難題。

3 港區初步規劃設想

在港址可能性分析的基礎上，結合資源條件初步布置了港區形態。所規劃的挖入式港池地處北港和北槽入海水道之間的橫沙淺灘，深水航道位于港池口門以東至長江口外-20m等深線之間，該段大部分海域平均懸沙濃度為0.1～0.5 kg/m3。由于長江口水域潮流泥沙運動較為復雜，因此本文重點分析港區初步規劃形態對周邊潮流場的影響以及港池和航道的回淤情況。

3.1 港區初步規劃形態布置

目前長江口內自然和人工岸線水深較淺，航道回淤較強，難以大幅提升碼頭水深等級。在長江口橫沙淺灘規劃挖入式港池，港池主要為納潮量進沙，若將口門布置在破波帶之外含沙量低值區，可以有效規避長江口渾濁帶影響，從而可以大大降低港池內的泥沙回淤強度。橫沙淺灘挖入式港池方案，大型船舶通過深水航道進入港池，利用北港水道和人工運河可實現江海聯運零距離對接，從而優化目前江海聯運運輸體系。

設計初步考慮了兩個形態方案：南線方案和北線方案，見圖3。方案布置的主要原則是工程后對長江口深水航道無不良影響，港池口門橫流和回淤控制在可以接受的范圍內。

圖3 南線方案和北線方案布置形態Fig.3 Layoutof the south channelplan and the north channelplan

3.1.1 進港深水航道

解決港池和進港深水航道的泥沙回淤問題是港區成敗的關鍵。初步選在長江口外海域-7～-20m等深線處；北線方案選在北港水道的出海口，航道走向90°～270°，長度為17 km，有效底寬450m，設計底標高-23.0m。南線方案的航道位置靠近長江口深水航道的外航道W 4～W 5段，其走向107°～287°，長度約30 km，其他尺寸和北線方案一樣。布置深水航道范圍海床穩定，水體含沙量低，沖淤變化小；開挖后回淤物的主要來源是大風天邊灘（0～-5m）波浪破碎帶的懸沙。由于該海域-5m以外海域底質屬于淤泥質海床，表層含泥量約50%，與類似海域航道建設條件比較，本港區深水航道開挖后回淤量不會太大，航道易于維護。

3.1.2 挖入式港池

橫沙淺灘灘面平坦、穩定，港區用地回填可以部分利用長江口深水航道維護疏浚土，以及港池和人工運河疏浚土，基本可以滿足土方的平衡。

挖入式港池的回淤很大程度上與港池口門的含沙量水平有關。港池口門設置在外海含沙量較低的海域，低濃度渾水進入港池后不會有過大的回淤。其主要泥沙來源是大浪破波帶的邊灘掀沙。港池口門設有南、北擋沙堤，以減少泥沙進入港池。

南線和北線兩個方案占地面積為208～252 km2，港池水域面積60～68 km2，具有-20m的深水岸線57～64 km，可布置深水和超大型深水泊位約150座。

挖入式港池方案可避免與外海惡劣自然條件直接接觸，具有水域平穩，航行安全，回淤少，施工條件好，工程投資少，年作業天數多，對周圍環境影響小等優點。

3.1.3 北港航道的長江貨船泊位

橫沙淺灘位于長江口北港水道的中段，岸線呈微彎的凹岸，水深-5～-10m的岸線約30 km，考慮長江貨船的吃水不大，此段岸線可以規劃為長江駁船和貨船泊位，符合北港航道5萬噸級的規劃。同時規劃人工運河連接港池和北港水域，實現江海零距離聯運。

3.2 工程前后潮流場分析

橫沙淺灘挖入式港池實施前后流場變化以及對周邊流場可能的影響可以通過數值模擬手段進行分析。此次長江口大模型覆蓋長江口、杭州灣、舟山群島、東海內陸架及鄰近海域[2]。

南線、北線方案實施前后流場主要態勢如圖4～圖6所示。

圖4 工程前大潮漲、落急流場Fig.4 Flow field of flood and ebb during spring tide before projects

圖5 北線方案后大潮漲、落急流場Fig.5 Flow field of flood and ebb during spring tide for thenorth channelp lan

圖6 南線方案后大潮漲、落急流場Fig.6 Flow field of flood and ebb during spring tide for the south channelp lan

從上述流場整體態勢可以看出，橫沙淺灘挖入式港池南、北線方案對長江口北港和北槽的水動力特征總體上呈現較為微弱的影響。長江口北槽深水航道區域的水動力結構基本保持不變，流速、流向以及斷面水流量沒有顯著變化，僅為2%～3%。

由于南線方案的圈圍擋沙堤和外航道離長江口北槽導堤丁壩以及外航道較近，對北槽下部納潮量的影響達到8.2%，對北槽中部納潮量的影響達到4%，對北槽口外深水航道有一定程度的影響；而北線方案的擋沙堤、外航道與北槽深水航道工程區域距離較遠，對北槽下部納潮量的影響只有3.6%，對北槽中部納潮量的影響程度也只有1.2%，影響幾乎可忽略。

同時通過對比南、北線工程完成后的水動力模擬結果發現，兩種方案在進港外航道都有較為明顯的跨越航道的橫流，北線方案橫流方向以向南偏東為主，而南線方案以向南偏西為主。

從總體上看，北線方案對長江口北槽深水航道區域流場影響最小，在工程后航道區域的水動力結構也優于南線方案，因此推薦北線方案。

3.3 港池與航道回淤分析

橫沙淺灘挖入式港池及進港深水航道規劃設計的關鍵之一是解決回淤問題。對挖入式港池分別采用海港水文規范公式、底切力模式和曹祖德挾沙納潮量模式[3]進行估算；對進港航道分別按海港水文規范公式、底切力模式和開敞式航道淤積公式等方法計算。

挖入式港池的回淤估算中，主要計算參數：港池口門-7m處水域的年平均含沙量取0.3 kg/m3；平均水深和港池開挖后的水深分別取7m和23m/16m；港池水下淺灘面積68 km2；細顆粒泥沙的絮凝沉降速度取0.000 4m/s，動水絮凝沉速為ω=0.04 cm/s，泥沙淤積臨界摩阻流速u?i=0.7 cm/s，泥沙沖刷臨界摩阻流速u*c=1.0 cm/s等。計算結果見表1。

表1 挖入式港池回淤估算Table1 Sedimentation estimation of the dig-in basin

深水航道回淤估算中，主要計算參數：口門-7 m處年平均含沙量取0.3 kg/m3，-10m處取0.2 kg/m3，-15m處取0.1 kg/m3等。計算結果見表2。

表2 進港深水航道回淤估算Table 2 Sedimentation estimation of the channel

大風天氣下港池及外航道回淤估算中，主要計算參數：大風天氣情況下的水體含沙量濃度取5倍年平均含沙量，即口門處為1.5 kg/m3；夏季臺風和冬季寒潮影響下的大風天氣持續影響時間約為5天。

采用底切力模式估算港池內回淤總量為1.83×106m3，采用總量預估的方法估算泥沙回淤量為1.65×106m3，采用海港水文規范計算方法估算泥沙回淤量為2.52×106m3。綜合3種方法計算得到的大風天氣下的挖入式港池泥沙回淤量為1.6×106～2.5×106m3。

大風天氣下外航道回淤估算采用海港水文規范計算方法，計算得外航道回淤量約為1×106m3。

3.4 初步規劃技術指標

規劃港區的基本定位為國際樞紐港和國際物流中心，港區平面上布置了進港航道、港池、物流園區和臨港工業區等。所推薦的北線方案主要技術指標：進港航道長度約17 km，航道基本尺度為450m×23m；港池規劃約60 km的深水岸線和約30 km的長江駁船岸線，可布置約150個大型深水泊位和100多個長江駁船、貨船泊位；規劃人工運河連接北港水道和港池實現江海對接，利于港池水體交換；規劃陸域面積約200 km2，分別規劃布置港口用地、物流園區和臨港產業及倉儲用地等；港口集疏運系統近期與長江隧道連接，遠期開辟新的通道等。港區資源基本上可以滿足上海港未來30年可持續發展的需求，將大大提升、完善上海國際航運中心的功能，大幅度提高國際航運競爭力，確保并壯大上海作為國際航運中心的地位。

橫沙淺灘新港址初步規劃示意圖見圖7。

圖7 橫沙淺灘新港址初步規劃示意圖Fig.7 Prelim inary plan layoutof the new Shanghaiport site

4 結論與建議

通過對依托橫沙淺灘開發挖入式港池技術的可能性以及建港關鍵技術的初步分析研究，可以得出以下幾點結論。

1）橫沙港址所擁有的資源條件能夠滿足未來30年上海港可持續發展的需求。橫沙港址東距外海-20m深水區不足20 km，北靠長江口北港水道，南鄰長江口深水航道，通江達海，地理位置優越，具有良好的江海聯運條件；依托橫沙淺灘吹填成陸，形成大型挖入式港池，可提供約60 km的深水岸線和約200 km2的土地資源；利用長江口外的深水資源規劃-20m以上深水航道，可以避開長江口泥沙回淤的問題；利用尚未開發的長江口北港水道南部約30 km的岸線資源以及通過建設人工運河規劃長江泊位，可以方便實現江海聯運對接的運輸系統。

2）依托橫沙淺灘開發建設大型港區技術上是可能的。橫沙淺灘灘面變化穩定，-5m等深線內面積多年保持約300 km2，陸域形成可以利用航道疏浚土和港池挖泥，總體保持平衡；長江口-10m外水體含沙量較低（僅有0.1～0.5 kg/m3），海床穩定，沖淤變化小，橫沙淺灘前沿穩定存在著一條近南北向沖刷帶，有利于橫沙港區外航道建設；港區形態布置可采用港池式布置，口門導堤伸入-7m以上水深，掩護條件好，作業天數多，回淤小；江海聯運可采用人工運河溝通，水水中轉便利，陸路集疏運可與長江隧道連接或通過新建通道解決；港區開發建設為先成陸后建設，地質條件較好，建設條件和施工技術難度不大，遠低于洋山深水港區工程的建設難度。港口開發建設對周邊生態環境影響可控。

3）依托橫沙淺灘布置港口的初步規劃形態分析結果表明其技術上是可行的。按照港區規劃布置形態盡可能減少對周邊水域的不利影響以及盡可能獲得較大資源的原則，所布置的初步形態方案通過流場數模分析，不僅對長江口北槽航道沒有負面影響，而且由于橫沙淺灘的成陸，減少了橫沙淺灘部分泥沙進入北槽深水航道，有利于北槽深水航道的維護。采用多種方法對橫沙淺灘挖入式港池和進港航道進行回淤估算，當港池出口位于-7m處時，港池內平均淤積強度約為0.34m/a，外航道年平均淤積強度約為1.10m/a；大風天氣持續影響時間5天，水體含沙量濃度5倍于正常天氣情況下，港池總回淤量為 1.65×106～2.6×106m3，外航道回淤量約1×106m3。

4）對于本港區挖入式港池規劃布置來說，關鍵問題是進港航道的可維護性以及港池口門位置處流態是否利于大型船舶安全進出，一旦這個問題處理得當，內部規劃形態可根據需要靈活布置。本文所設計的形態是初步的，隨著工作的深入將進一步優化。

綜上所述，初步研究認為依托橫沙淺灘開發建設大型港區，其區位優勢明顯，資源豐富，建設條件好，沒有不可克服的技術難題。建議有關部門抓緊組織橫沙淺灘圍墾后的新港址港口規劃工作。

[1] 中交第三航務工程勘察設計院有限公司，華東師范大學河口海岸國家重點實驗室.上海國際航運中心橫沙淺灘挖入式港池規劃方案研究報告[R].上海：中交第三航務工程勘察設計院有限公司，2012.

[2] 交通部規劃研究院.通過長江口貨運量發展預測[R].北京：交通部規劃研究院，2010.

[3] 曹祖德，楊 華，張書莊.環抱式與挖入式港池的納潮淤積計算[J].水道港口，2008，29（2）：77-81.