洋山港四期工程水域水沙環境及港區增深方案研究

王施恩，張 征

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

洋山深水港是上海國際航運中心建設的重要組成部分，位于杭州灣口崎嶇列島內的大、小洋山海域(圖1)，于2002年6月開工建設，目前已投產的一期～三期工程水深良好。洋山港港區陸域面積主要是通過封堵汊道、大面積填海而成，開創了在遠離大陸、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，發展到目前的-10.5～-13.0 m，沖刷環境為四期港區工程深水化建設創造了有利條件。

眾多學者對洋山深水港一期～三期工程前后的水沙環境和地形變化進行了研究[1-7]，對近期規劃中的四期港區研究涉及并不多[8-9]，在上海市深水岸線缺乏的情況下，開發建設四期港區深水泊位及增深研究顯得尤為必要。本文依據洋山深水港區多年(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境基礎上，采用數學模型的方法對和四期港區增深方案進行了研究，為后期港區開發提供基本依據。

1 四期工程海域水沙環境及沖淤變化

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，主通道內水域自西向東水深逐漸增大[9]。

1.2 潮汐特征

根據小洋山2007～2009年實測潮位觀測資料分析，洋山港區屬非正規淺海半日潮型，每日兩漲兩落，日潮不等現象明顯；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月四期港區水域定點潮流資料分析，洋山港四期港區水域，漲、落潮水流呈明顯的往復流運動，港區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 四期港區潮流變化特征

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

(1)四期港區與顆珠山汊道水域，漲、落潮水流仍表現為與地形走向一致的往復流運動。根據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2013年7月資料所表現的流向特征基本一致。

(2)2016年10月四期港區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、四期港區落潮流速大于漲潮流速，比值為1.2，有利于四期港區的增深。

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%，均出現在顆珠山汊道測點。其中，港區水域漲、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，四期港區近一些年來，流速、流向的均相對保持穩定。

1.4 含沙量

四期港區含沙量季節變化與整個洋山海域是一致的，季節變化明顯，冬、春季節含沙量較高，夏、秋季節含沙量較低，特別是7月份左右含沙量最低。根據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、季節存在著很大的關系，因此不同時期定點觀測結果有一定差別。根據2013年7月含沙量資料，四期港區海域漲、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

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2008～2016年不同時期底質資料分析結果，該區域主要表層沉積物質為粘土質粉砂；在物質組成上，粉砂含量一般在49%～72%，粘土含量在12%～41%；底質泥沙顆粒中值粒徑一般在0.012～0.029 mm之間，平均為0.019 mm，四期港區和蔣公柱港區底質中值粒徑在0.02 mm左右；多年來該水域底質特征總體保持穩定。

1.6 四期港區沖淤變化

根據洋山港工程建設前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，洋山港通道內總體表現為“北沖南淤”的格局(港區受到一定人為挖深影響)，四期港區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”是西港區沖淤的基本特征，這種微沖的形勢無疑對四期港區的增深是有利的。

2 四期港區增深方案數學模型研究

本文中模型采用交通運輸部天津水運工程科學研究院自主開發的數學模型軟件TK-2D[10]，該模型基于無結構化網格可以很好的模擬固定邊界比較復雜的海域。該模型已在國內外多個海域得到了廣泛的應用[2,12-13]。模型原理在此不贅述，可以參考相關文獻[11-12]。

2.1 模型驗證

采用2016年10月現場實測資料對模型進行了驗證，四期港區附近驗證點位如圖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果

2.2.1 四期工程建設方案

在前期規劃研究中，四期工程有多個建設方案，下面針對兩個主要方案進行論述：

(1)第一種建設方案：按照7個7萬t級泊位設計，泊位設計水深-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)第二種建設方案：按照5個12萬t級+1個3萬t級設計，泊位設計水深-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 潮流計算結果

(1)7萬t建設方案。四期工程建設7萬t方案實施后洋山港通道和各個分港區漲、落潮水流均呈明顯的往復流運動，各港區潮流與港區岸線走向一致，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)相比規劃泊位、港區和航道水域流速有不同程度的減小，泊位區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；港區水域平均流速減小在4%～10%；西導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；對其他原有港區的水流基本沒有影響。受到水深開挖，水流歸槽和西導流堤導流作用，流向有有所變化，變化在5°以內，局部受導流影響較大，在10°；不過使得泊位和港區以及航道的流向更加平順，航道區域歸槽水流明顯。

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建設方案。四期工程12萬t建設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流運動，落潮流速一般大于漲潮流速，各港區潮流與港區岸線走向一致，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)；港區水域平均流速減小5%～15%；西導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，西導流堤附近局部較大，在10°左右的變化，港區和航道的流向在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。對蔣公柱港區影響在5%以內，對其他港區水流流速、流向沒有明顯影響。

2.2.3 潮量計算結果

四期工程建設方案實施后，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，四期港區的建設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鍵技術問題研究》中，楊華等[14]通過對洋山港區海域泥沙來源、動力條件的調查與室內水流作用下泥沙起動、沉降與輸移規律的試驗，研究含沙水體的平面與垂向分布規律及其與水流強度的對應關系。通過理論研究提出港池水流歸槽下槽內的流速變化規律，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水動力環境下的順岸式港池淤積計算公式，在洋山深水港區淤積預報中得到了良好的驗證。該公式被收入到修編的現行《港口與航道水文規范》[15]中，本文利用該公式(1)對四期工程港池淤積進行預測，公式(2)對四期工程內航道也進行了計算

(1)

(2)

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

2.3.2 計算公式中關鍵參數的確定

上述公式(1)、(2)中存在著大量的參數，參數的確定是預報結果是否合理的關鍵。

(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，根據洋山港其他港區實際淤積物情況，干容重取780 kg/m3。

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

(5)平衡含沙量指數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β=m(1-2n)：與平衡含沙量指數m，水流歸槽指數n(與港池長寬比有關)有關，可根據文獻[14]提供的關系確定β。

2.3.3 淤積計算結果

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

(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 結論

依據洋山深水港區多年(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境基礎上，采用數學模型的方法對和四期港區增深方案進行了研究，結果顯示：

(1)洋山港區屬非正規淺海半日潮型，平均潮差2.76 m，潮汐強度中等；洋山港四期港區水域，漲、落潮水流呈明顯的往復流運動，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，四期港區水域流速、流向的均相對保持穩定。

(2)四期港區含沙量季節變化與整個洋山海域是一致的，季節變化明顯，冬、春季節含沙量較高，夏、秋季節含沙量較低，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，主要為粘土質粉砂。

(3)多年和近期地形資料顯示，四期港區水域總體上呈現出沖刷的態勢，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境及地形沖淤特征對四期港區的開發處于有利狀態。

(4)四期工程建設方案數學模型研究結果顯示：工程實施后，潮流性質沒有發生變化，泊位、港區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。

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