黃浦江河口建閘研究40年回顧與展望

季永興

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200061; 2.上海市水務局防汛減災工程技術研究中心,上海 200061)

上海瀕江臨海,地勢低平,地面高程一般為3.0～4.0m(吳淞基面,下同),平均每年要遭遇6級風力以上熱帶氣旋影響3.2次,致使東海風暴潮倒流入長江口,逼近黃浦江,抬高黃浦江水位,威脅城市安全。來自上游太湖流域的洪水和本地區的澇水,會沿貫穿整個上海大陸,也是太湖流域最大的行洪排澇通道——黃浦江向東排泄。因此,遭遇洪水過境和風暴潮時,上海會發生嚴重的洪潮災害。黃浦江兩岸原來無防汛墻,20世紀50年代由于出現高潮位越岸,相關部門開始在兩岸修建防汛墻,至1974年市中心防汛墻基本封閉。1974年8月上海遭遇“7413”號臺風襲擊,沿岸出現嚴重險情,黃浦江公園水文站出現4.98m高潮位[1],上海市防汛指揮部頒布新的黃浦江防汛墻設計標準(俗稱“七四標準”,即百年一遇標準),之后的黃浦江防汛墻按此標準修筑。1981年9月上海遭遇“8114”號臺風襲擊,黃浦江沿岸出現漫溢險情,打開浦東支流納潮削峰,黃浦江公園水文站出現5.22m高潮位[1]。1982年8月21—28日,上海市政府、國家水利電力部、交通部在上海召開上海水利座談會,上海市水利局規劃設計室(上海市水利工程設計研究院有限公司前身,以下簡稱“上海市水利院”)代表上海市水利局提出黃浦江河口建設開敞式大閘方案的設想,以徹底解決上海防洪(潮)問題[1]。自黃浦江河口建閘提出至今已40年,黃浦江遭遇了“9711”號、“派比安”“桑美”“麥莎”“海葵”“菲特”“煙花”等多次臺風襲擊,黃浦江河口建閘研究也開展了規劃、選址、設防標準和規模、土地預控等相關研究工作。2021年7月上海遭遇“煙花”臺風襲擊,出現臺風、暴雨、洪水和天文大潮“四碰頭”情況,黃浦江中上游出現超歷史高潮位水情[2],黃浦江防洪(潮)能力提升方案又被社會各界提上議事日程。為更好地開展黃浦江河口建閘研究和盡快推進項目立項,有必要對前期研究成果進行總結,并提出下一步研究的重點,以供相關決策部門參考。

1 黃浦江概況

1.1 流域水系

黃浦江舊稱“黃浦”,為吳淞江(上海市區段稱“蘇州河”)的一條支流。明朝隆慶三年(1569年),巡撫海瑞疏鑿吳淞江黃渡至宋家橋(今福建中路橋)段的河道,黃浦江與吳淞江才開始在外白渡橋位置匯流(史稱“江浦合流”)[3]。其后,由于吳淞江逐漸淤積萎縮,而黃浦江因洪水下泄、潮流上溯逐漸變寬,從而轉變為太湖洪水下泄的主通道。目前,黃浦江已經發展成為上海城市的中心河流,成為上海的母親河,具有防洪、供水、排水、航運、生態、景觀、旅游等綜合功能。黃浦江自淀山湖至吳淞口總長約113km,流域面積約2.4萬km2,流經青浦、松江、奉賢、閔行、徐匯、黃浦、虹口、楊浦、寶山、浦東新區等區,至吳淞口注入長江(圖1)。黃浦江干流河面寬一般為300～770m,絕大部分河段面寬為400～600m,河底高程為-15～-5m,槽蓄容量約為3.65億m3。

圖1 黃浦江水系示意圖

1.2 水文特性

黃浦江為非正規半日潮感潮河流,每天兩漲兩落,平均漲潮歷時為4h33min,平均落潮歷時為7h52min,全潮歷時為12h25min。根據水文資料分析,吳淞站歷史最高潮位為5.99m(1997年8月19日),歷史最低潮位為0.25m,多年平均高潮位為3.24m;黃浦公園站歷史最高潮位為5.72m(1997年8月19日),歷史最低潮位為0.24m,多年平均高潮位為3.12m;米市渡站歷史最高潮位為4.79m(2021年7月26日),歷史最低潮位為0.64m,多年平均高潮位為2.71m。由于全球氣候變化、海平面上升、風暴潮加劇、地面沉降等自然環境因素以及人類社會活動影響等原因,黃浦江沿岸水位出現了趨勢性抬高,導致水文頻率分析結果不斷變化(表1)。

表1 黃浦江高潮位歷次分析結果

1.3 洪潮災害

黃浦江是長江下游南岸唯一一條未設閘控制的最大支流,也是太湖流域重要的泄洪通道,易受下游高潮、上游洪水和區域暴雨的共同影響。1949—2022年,共有28次較大的強風暴潮災害影響上海,其中“4906”“5612”“6207”“8114”“9711”“0012”“0509”“1323”“2106”“2212”號臺風引起的強風暴潮造成的災害尤為嚴重。統計資料表明,吳淞站年最高水位都與風暴潮有關(表1),1997年8月“9711”號臺風期間,吳淞站達歷史最高水位5.99m。來自黃浦江上游的太湖流域性洪水多發生在6—7月的梅雨期,降雨歷時長、總量大、范圍廣,易造成流域性洪澇;8—10月為臺風多發期,降雨集中、強度大,易造成區域性洪澇。由于河道水面比降小,平均坡降約十萬分之一,流速緩慢,泄洪時常受高潮頂托,洪水受阻在黃浦江上游地區,致使黃浦江上游水位抬高。新中國成立以來,流域性的大洪水有5次,分別為1954年、1991年、1999年、2016年和2020年,均造成黃浦江上游水位達到當年最高值。近年,受臺風、暴雨、高潮、洪水多災害疊加影響頻次增多,2021年7月“2106”號臺風期間,不僅吳淞口出現了5.55m高潮位,黃浦江上游地區潮位亦突破歷史極值,米市渡站最高潮位達4.79m(表2),超過設防水位4.10m。

表2 典型臺風期間黃浦江沿線3個水文站高潮位

1.4 防洪(潮)工程體系

歷史上的黃浦江兩岸為自然岸坡,20世紀50年代出現高潮位漫溢后才開始修建防汛墻,以后逐年建設和加固,1974年市區基本實現了封閉。在遭遇了多次臺風襲擊后,上海于1974年提出黃浦江防汛墻按百年一遇標準建設和加固。但是,1981年9月上海遭遇了“8114”號臺風風暴潮,黃浦江沿岸又出現漫溢。1984年9月17日,國家水利電力部同意上海市區防洪墻的加高加固可按千年一遇標準(相應黃浦公園水位5.86m,吳淞口水位6.27m)進行。1988—2001年上海完成了208km的市區防汛墻加高加固工程,2002—2005年完成了黃浦江干流徐浦大橋—千步涇段的新增防洪工程,1994—2004年完成了黃浦江上游干流千步涇—三角渡段的防洪工程。至此,黃浦江兩岸(含支河兩岸至第一座擋潮閘)已形成從吳淞口到江浙地界的封閉防線,其中市區段(吳淞口—千步涇)可防御千年一遇高潮位(1984年水文分析成果),上游干流(千步涇—三角渡)及其支流段(太浦河、攔路港、紅旗塘、大泖港)為50年一遇防洪標準。

2 前期研究回顧

2.1 河口變遷及治理

黃浦江河口在“江浦合流”以前為吳淞江河口[4]。不管吳淞江還是黃浦江都是湖源型河流,上游無沙或很少沙輸出,所以河口變遷主要受隨潮進入的長江泥沙和潮流影響,呈現沖淤交替和季節性變化。原河口有攔門淺灘(即吳淞外沙)將河口分為兩支,在距河約11km的高橋港處匯合。北支為輪船主航道(亦稱“老航道”),出口處亦有攔門淺灘(即吳淞內沙)(圖2)。鴉片戰爭后,為使吃水水深6.7m的大船能趁最低高潮進出,荷蘭和德國等多位工程師為如何治理黃浦江河口提出不同意見,最終時任黃浦河道局總工程師的荷蘭人奈格的意見獲得通過,主要是①建設左凹岸導堤(1910年10月完成)和右凸岸順壩(1911年4月完成),縮窄河口;②堵塞北支上口,開挖南支新航道。此后,1912年新成立的黃浦江浚浦局總工程師瑞典人海德生和繼任的英國人查得利基本沿用奈格的治理思路[3]。雖然奈格的增加進潮量減少黃浦江河口淤積的理論站不住腳,但河口還是被固定了下來。20世紀90年代末,上海市水利院對使用多年的吳淞左導堤開展修復設計,并在頭部新建了導航燈塔。右岸由于為凸岸,泥沙淤漲,為維持一定的航道水深和寬度,航運管理部門經常性疏浚維護[5]。

圖2 1900年初黃浦江河口示意圖

2.2 建閘研究過程

上海市區最初集中在黃浦江西側很小范圍,其余均為農村,所以遭受風暴潮高潮位影響后主要防御思路是建設防汛墻。1981年9月“8114”號臺風侵襲上海,黃浦公園站水位突破歷史記錄,外灘防汛墻出現漫溢,浦東支河打開納潮,降低黃浦江潮位。1982年,上海市水利院代表上海市水利局提出黃浦江河口建設開敞式大閘方案的設想。1996年,上海市水利局組織的海平面上升對上海影響及對策研究課題組建議把在黃浦江河口建閘作為上海市遠景規劃的防汛措施。

1997年8月上海遭遇“9711”號臺風后,上海市科委于1998年1月正式立題“黃浦江河口建閘工程規劃研究”。2000年12月,上海市水利局主持,22家高校、科研單位參與,對黃浦江防洪形勢、河口建閘必要性、建閘條件、擋潮閘功能、閘址選擇、工程布置、環境影響進行了初步研究。研究結果表明:上海市中心城區黃浦江防汛墻防洪能力已降為不足200年一遇,為恢復和提高上海市區的防汛能力,在黃浦江河口建擋潮閘勢在必行[6]。

2002年4月,在水利部支持下,上海市水務局組織編制《黃浦江河口建閘預可行性研究暨項目建議書》。上海市水利院聯合多家單位開展了勘測調查、水文分析、建閘選址等工作。由于經費、資料等原因,2005年后工作基本停滯。2008年2月16日,國務院以“國函〔2008〕12號”文批復的《太湖流域防洪規劃》提出,由于水情工情變化、海平面上升、地面沉降等原因,黃浦江防汛墻已不能滿足原定防洪標準要求,需采取相應措施提高防洪能力,黃浦江河口建閘是解決上海城市防洪的重要措施,也有助于流域防洪。據此,課題組對前期研究成果進行匯總分析,編制了《黃浦江防汛墻防汛風險初步分析》《黃浦江河口擋潮閘的設防標準和閘孔規模研究》兩份研究報告,重點論述了建閘的必要性,基本確定河口閘的基本功能為擋風暴潮、適應通航,擋潮閘設防標準為千年一遇,初擬閘孔總凈寬為375m,主通航孔凈寬為225m,底坎頂標高為-12.0m。

2011年,上海市水務局立項并組織開展“黃浦江河口建閘吳淞口選址可能性”專題研究。2013年,黃浦江建閘吳淞口選址的相關研究——吳淞口水勢河勢及河口形態優化利用研究得到水利部公益性科研專項計劃支持。兩項課題綜合運用數學模型、物理模型、船舶航行仿真試驗等多種手段,從水動力、河勢、防洪、通航、涉水工程等方面,對吳淞口形態優化進行合理性分析,結果認為吳淞口閘址建閘的可行性很低,不建議將河口擋潮閘選址在吳淞口口門。2014年,黃浦江河口建閘工程選址研究被列為上海市發改委重大工程前期研究項目。上海市水務局組織,上海市水利院主持,從黃浦江河口到河口第一直道段末端老白嘴約9.5km范圍內進行選址,委托上海海事大學開展了通航安全和通航規模專題分析,結合防洪效益、水流條件、通航影響、用地條件、制約因素等方面的對比分析,于2019年4月完成研究報告,結果表明,軍工路碼頭閘址目前建閘可行性相對最高,吳淞碼頭閘址若能解決海軍碼頭置換問題,防潮(洪)效益最大,兩個方案都應進行規劃控制。

2018—2020年,在上海市水務局科研計劃支持下,上海市水利院又主持開展了黃浦江河口建閘前期水沙及河勢動態跟蹤與研究和黃浦江河口建閘應對流域超標準洪水的行洪作用及功能定位深化研究,結論為:①吳淞口外河勢在人工干預下基本穩定,軍工路閘址呈沖刷趨勢,吳淞碼頭閘址沖淤基本平衡,整體河勢變化不大;②流域下墊面變化導致黃浦江洪量明顯增加,河口建閘對降低太湖高水位效果不明顯,對降低區域及片內水位作用有限;③鑒于已有水沙資料的不連續性,應及早制定長期觀測計劃,并開展吳淞口河勢演變和水沙輸運特性的動力機理研究。同期,上海市水利院主持開展了《黃浦江河口建閘前期技術儲備研究》,并被列入《2020年上海市水務重大工程“二庫一計劃”目標管理手冊》。2020年11月5日,經上海市人民政府以“(滬府〔2020〕75號)”批復的《上海市防洪除澇規劃(2020—2035年)》提出,黃浦江防汛墻達標主要依靠黃浦江河口建閘,盡快推進相關研究與論證工作,做好河口閘規劃選址和用地預控,條件成熟后擇機建設;過渡期間,須制訂并落實防汛防臺應急預案,保障城市安全。2020年底,上海市城市規劃設計研究院聯合上海市水利院完成了黃浦江河口建閘選址規劃,對吳淞碼頭閘址和軍工路碼頭閘址進行了土地預控。

2021年7月26—28日,遭遇“煙花”臺風襲擊后的黃浦江中上游出現超歷史高潮位,黃浦江河口建閘提升黃浦江防洪(潮)能力又被提上議事日程。上海市水務局于2021年9月17日向包括上海市水利院在內的國內較有名的設計單位發函,邀請參加黃浦江河口閘技術儲備研究投標。2021年12月17日,上海市水務局組織聽取了4家投標單位的方案匯報會,重點是對閘門門型的比選。2022年1月15日,上海市水務局又邀請了多位行業內院士參與的專家咨詢會,聽取了上海市水利院主持開展的黃浦江防洪能力提升總體方案(以下簡稱“總體方案”),一致認為河口建閘與中上游加高加固組合方案對提升黃浦江防洪(潮)能力總體合理可行。2022年8月15—17日,水利部水利水電規劃設計研究總院會同太湖流域管理局對總體方案進行審查,同意推薦采用“河口建擋潮閘與中上游堤防加高加固相結合方案”,并于10月11日以“水總規〔2022〕290號”文將審查意見報送水利部。2022年11月9日,水利部辦公廳以“辦規計函〔2022〕1017號”文將審查意見印送上海市水務局。

2.3 主要研究成果

2.3.1河口建閘是國內外濱海城市防潮經驗

世界上受臺風或颶風等影響嚴重、經濟發達的河口三角洲地區,如太平洋地區、波羅的海東岸地區、地中海北岸地區、北大西洋西岸等,英國、荷蘭、意大利、德國、俄羅斯等歐洲國家,以及美國、日本等各國沿海城市的防潮措施,均走過了從加高加固防洪堤、防洪墻到河口建擋潮閘歷程。我國在渤海灣、江蘇和浙江沿海主要入海河口也建有規模不同的擋潮閘。1974年,英國經投資、土地、建設周期比選加高加固防洪堤和建擋潮閘方案后,啟動了泰晤士河擋潮閘建設,1984年5月8日正式開閘運行。1987年,荷蘭開工建造鹿特丹新水道擋潮閘,1997年竣工,估算比加高加固防洪堤縮短工期約20a。目前,由于城市擴大和海平面上升、風暴潮災害加劇,英國正研究將泰晤士擋潮閘向河口外移[7-8],美國也在研究在韋拉札諾海峽建設擋潮閘保護紐約大都市區的防潮安全[9]。這些充分說明河口建閘是提高防汛能力的合理途徑,值得借鑒。

2.3.2河口建閘是黃浦江防洪(潮)唯一途徑

黃浦江設計高水位目前使用的是1984年水文分析成果。受全球氣候變化、城市熱島、雨島效應影響,臺風多發性、暴雨突發性、潮位趨高性以及風、暴、潮、洪遭遇的風險性更為復雜多變,致使上海洪澇水災頻次、量級、強度和風險呈增大趨勢,黃浦江沿線水位呈趨勢性抬升。2021年水文分析成果在吳淞站、黃浦公園站、米市渡站的設防高潮位分別上升了0.31、0.38、0.55m,相應堤防超高下降0.09～0.72m,堤防安全超高嚴重不足,2021年“煙花”臺風期間上游局部已經出現了漫溢險情。黃浦江上游高水位抬升尤為明顯,且越往上游抬升幅度越大,米市渡站在“9711”號臺風、2005年“麥莎”、2013年“菲特”以及2021年“煙花”臺風期間最高水位分別達4.27、4.38、4.61、4.79m,基本每隔8年刷新一次歷史最高水位。黃浦江市區段實際防御能力已從千年一遇降至20～300年一遇,上游段已從50年一遇降至10～20年一遇[10]。對吳淞口可能高潮位,2020年采用隨機水文過程等預測方法,考慮海平面上升、地面沉降和風暴潮事件,分析結果表明:①未來30年內如不出現大于5.80m的高潮位,2050年吳淞口千年一遇高潮位與現狀基本保持一致;②未來30年內,吳淞口出現1、2次超過5.50m高潮位時,其千年一遇設計高潮位相對現狀設防水位分別高出0.45m和0.55m[11]。然而,2021年“煙花”臺風期間吳淞口潮位達到了5.55m,2022年“梅花”臺風期間吳淞口潮位達到了5.53m。由于歷經5次加高加固完成的防汛墻基礎薄弱,中心城區兩岸濱水空間開發已基本完成,再次按最新水文分析成果全線加高1.5～2.0m防汛墻難以實現,而且投資巨大、影響城市景觀,為應對黃浦江高水位不斷抬升,完善流域和區域防洪體系,結合既有防汛墻,在黃浦江河口建閘,實現“閘+墻”組合提升黃浦江防汛能力非常必要和迫切。

2.3.3擋風暴潮是黃浦江河口閘的主要功能

黃浦江河口閘主要防止臺風風暴潮高潮位對沿岸的淹沒影響,數值計算結果顯示,河口建閘擋潮可明顯降低黃浦江沿程高水位[12],所以擋風暴潮是河口閘的主要功能。另外,黃浦江具有防洪、供水、排水、航運、生態、景觀、旅游等綜合功能,所以黃浦江河口閘應滿足和提升這些功能的發揮。黃浦江是上海港的發源地,航運是黃浦江不可或缺的功能,所以河口閘應滿足現狀和規劃的航道等級規模。黃浦江也是太湖流域東排的主要行洪通道,所以河口閘應不降低或有利于太湖流域行洪功能。數值計算結果顯示,對于以洪、潮疊加作用為代表的“煙花”臺風期間高水位,若能合理調度河口擋潮閘,可降低黃浦江干流及中上游沿程水位;對于以1999年梅雨期間為典型的洪水,河口閘啟閉對降低高水位作用有限。黃浦江是城市中心河流,承擔著區域排水功能,上游分布著一部分水源地,所以河口建閘后需要滿足水資源、水環境調度要求,并為黃浦江兩岸打造世界級濱水空間創造條件。因此,黃浦江河口閘的功能定位為:擋風暴潮,適應通航,兼顧流域、區域行洪及水環境應急調度。擋潮閘平時敞開,遇風暴潮關閘擋潮,同時可為超標準流域行洪、突發水環境事故應急調度、黃浦江兩岸濱水空間打造等創造條件。

2.3.4河口閘與堤防組合防潮體系的標準需考慮多種因素

1984年國家水利電力部以“(84)水電水規字第94號”文《關于“上海市區近期防洪水位標準的意見”的復函》批復的黃浦江加高加固按千年一遇標準、2008年國務院批復的《太湖流域防洪規劃》、2013年國務院批復的《太湖流域綜合規劃》,以及國務院以“國函〔2017〕147號”批復的《上海市城市總體規劃》(2017—2035年)、上海市政府以“滬府〔2020〕75號”批復的《上海市防洪除澇規劃》(2020—2035年)均明確黃浦江按千年一遇高潮位設防。所以,黃浦江河口閘的高水位設防標準應不低千年一遇,相應閘外防汛墻的設防標準也應一致。鑒于倫敦、荷蘭等國外大型城市的河口擋潮閘的設防標準均較高[7,13],黃浦江河口閘的設防標準可以采用千年一遇高潮位設防,并采用萬年一遇高潮位校核。河口建閘后,黃浦江的防洪(潮)體系由“單一堤防”防御轉變為“河口閘+堤防”組合防御。閘內防汛墻市區段堤防應同時滿足城市防洪(潮)千年一遇、流域防洪百年一遇和區域防洪百年一遇設防要求;上游干流段堤防應同時滿足城市防洪(潮)百年一遇、流域防洪百年一遇和區域防洪百年一遇設防要求;原則上按現狀高程予以加固保留。閘頂高程應采用考慮海平面上升、地面沉降等主要防汛風險因素在內的設計100年使用期末千年一遇潮位設計。

2.3.5規劃預控閘址涉及防洪效益與動拆遷難度

黃浦江河口到第一直道末端約9.5km范圍內,現有穿跨江建構筑物設施主要有500kV高壓架空線、DN2400原水管、合流一期污水總管、1.6MPa天然氣管、軌道交通10號線,長江路隧道、長江西路隧道、G1503隧道、S20隧道等,規劃穿跨江建構筑物設施主要有滬通鐵路、閘殷路-雙江路隧道、軌道交通21號線等,相對空余且順直的河段并不多。統籌考慮既有設施、城市規劃、防洪效益、河勢穩定、航運、拆遷等因素后,認為在該段最大支河口蕰藻浜以外較為合適的閘址為吳淞碼頭方案(距吳淞口約1.7km),蕰藻浜以內較為合適的閘址為軍工路碼頭方案(距吳淞口約6km)(圖3)。吳淞碼頭閘址最大優勢在于將蕰藻浜納入保護范圍,最大限制因素為海軍碼頭整體搬遷難度大。軍工路碼頭閘址優勢在于河道直段,河床偏槽不明顯,兩岸企事業單位規劃都將搬遷;劣勢在于未能將蕰藻浜納入保護范圍。因此,若海軍碼頭能夠搬遷,優先選擇防洪效益顯著和對城市發展帶動作用顯著的吳淞碼頭閘址,軍工路碼頭閘址為目前可行性相對較高的方案,建議對兩個方案都進行規劃控制。根據兩閘址位置城市規劃,初步對土地進行預控,吳淞碼頭閘址兩岸所需陸域用地約15.32hm2,軍工路碼頭閘址兩岸所需陸域用地約17.93hm2。

圖3 現狀及規劃黃浦江河口段穿跨江設施

2.3.6通航是影響閘孔總凈寬的主要因素

閘孔總凈寬的確定應以最大限度滿足行洪過流和最小通航凈寬為原則,同時考慮減少閘室淤積、減輕對上下游河勢的影響。規劃黃浦江航道規模為:河口段為3萬t級,至吳涇段為2萬t級,至巨潮港段為3000t級,再往上為1000t級。考慮未來黃浦江核心區段航運功能調整,2萬t級海輪和7萬t級國際郵輪是重點考慮的大型船型。基于現狀地形和規劃通航船型,經航模試驗分析,2萬t級及內河船舶(隊)雙向通航和7.6萬t級郵輪控制單向(或與千噸級船舶交會)通航,吳淞碼頭閘址最小通航凈寬為238m,軍工路碼頭閘址最小通航凈寬為225m,通航水深均為12.0m,以底檻頂高程為-12.0m控制。不同的閘址位置在不同水位情況下的過流斷面不同,現狀基本通過疏浚滿足9.0m水深的航道寬200m(圖4)。為分析閘孔過流能力,順應地形擬定單孔、雙孔、三孔和四孔方案(圖5),經數學模型分析,閘孔規模從250m到500m變化時,擋潮閘凈泄量變化在0.4%～3.7%左右,即閘孔規模大小對黃浦江泄洪能力和沿程最高水位影響較小,干流和各水利片平均最高水位差別均不超過2cm。各閘孔規模情況下,漲落急流速變化范圍均可控制在閘上下游400m范圍以內,從擋潮閘自身防護范圍分析看,閘孔總規模宜控制在300m以上。

圖4 吳淞碼頭閘址現狀斷面及維護示意圖

圖5 吳淞碼頭閘址擬定閘孔凈寬示意圖(單位:m)

2.3.7啟閉頻次對流域行洪的貢獻

黃浦江是太湖流域東排的重要通道。太湖流域發生的超標準洪水主要有兩種類型,一種是6—7月的梅雨季節全流域遭遇暴雨產生的洪水,另一種是下游高潮位頂托與上游洪水下泄組合。近年全球氣候變化和水情、工情發生變化,黃浦江中上游連續突破歷史高潮位。以2021年“煙花”臺風期間太湖流域水情實況為典型,經數學模型反演,結果顯示:若河口已實施擋潮閘,在漲潮時啟閉1次擋潮,可以降低黃浦江中上游高潮位約0.5m左右,對杭嘉湖地區高水位影響不明顯;若河口擋潮閘隨潮汐連續啟閉多次,不僅黃浦江上游水位下降明顯,杭嘉湖地區高水位也會下降,但仍不能滿足上游設防水位要求。以1999年6—7月梅雨期發生的特大洪水為典型,數學模型分析結果表明河口擋潮閘調度對太湖流域梅雨引起的洪水效果不明顯,也無不利影響。

2.3.8航運影響分析涉及閘孔凈寬及啟閉頻次

黃浦江河口擋潮閘的基本功能為擋潮,擋潮閘平時開敞,遭遇風暴潮且預報黃浦江將發生一定高水位情況下才關閉,所以擋潮閘啟閉的頻率非常低。同時,在風暴潮天氣情況下,船舶本身也會避風停航。因此,河口建閘對正常航行影響非常小。依據航道規劃、現場調研統計,并經船模仿真實驗,確定了吳淞碼頭和軍工路碼頭閘址的通航孔最小凈寬分別為238m和225m,比現行航道180m寬度還大。如果能研究采用單孔凈寬超300m以上閘型,則會改善閘址位置的通航條件。若為降低多災害組合造成的杭嘉湖地區高水位,連續啟閉擋潮閘調度,則擋潮閘關閉時間較長,可能會增加船舶停航時長。

2.3.9河口閘門型研究是建閘研究的重點

黃浦江河口擋潮閘防御外海風暴潮引起的高潮位,擋潮閘狀態是擋潮;協助太湖流域行洪可以利用低潮位關閘,減少漲潮對洪水的頂托,增加槽蓄量,擋潮閘狀態也是擋潮。所以,河口擋潮閘單向擋潮可以實現擋潮、協助行洪功能。國外既有的河口大跨度擋潮閘基本都是單向擋潮,如荷蘭新水道擋潮閘(總寬180×2m)[14]、俄羅斯涅瓦河擋潮閘(總寬110×2m)[15]、威尼斯潟湖擋潮閘(總寬20×78m)等[16]。國內蘇州河河口單跨100m的擋潮閘實現了雙向擋水[17-18]。根據大跨度擋潮閘建設成功經驗,荷蘭新水道擋潮閘和俄羅斯涅瓦河擋潮閘均采用同樣的浮箱扇形門門型,利用水體浮力減輕閘門重力影響,改變傳統閘門受力方式,化解跨度對受力的影響。后期建設的俄羅斯涅瓦河擋潮閘優化了閘門啟閉方式,改荷蘭新水道擋潮閘的鍋駝機帶動齒輪啟閉方式為動力機車推拉啟閉方式。所以,目前黃浦江河口擋潮閘較可行且有成功經驗借鑒的門型是浮箱扇形門,并可以借鑒此類門型在結構形態、材料、啟閉方式等方面進行優化改進。

3 研究展望

3.1 立項決策研究

大型擋潮閘規模大、投資多、影響廣,所以決策時間長。荷蘭在1953年1月遭遇北海特大風暴潮災害一個月后成立三角洲委員會,研究建設防潮防洪基礎設施建設,經歷30多年研究決策,于1987年開工建設世界上最大的擋潮閘工程,1997年竣工[14]。英國也是在1953年1月遭遇北海特大風暴潮災害后成立了以Waverley勛爵為首的部級委員會和泰晤士技術委員會,研究倫敦的擋潮防洪問題,最終決定修建擋潮閘[19],1973年7月開始招標,1984年5月8日開始運行[20]。前蘇聯在1955年遭遇波羅的海風暴潮后決定研究建設芬蘭灣擋潮閘,于1978年10月啟動建設,后因公眾懷疑建閘會影響水質和生態環境于1995年暫停,經再次調查論證無負面影響后復工,由于蘇聯解體和經濟危機,2005年才正式恢復建設,2011年8月12日正式啟動運行[15]。國外大型擋潮閘的建設都是在遭遇特大風暴潮災害后,經歷少則20多年、多則30多年的決策過程。黃浦江也是經歷了1981年9月“8114”號風暴潮、1997年8月“9711”號風暴潮、2021年7月“2106”號風暴潮災害,歷經40年研究尚未有明確決策建設的意見,說明河口建閘在黃浦江防洪減災體系中的不可替代性和緊迫性,以及協調解決各方面的相關關系等還未引起足夠重視。建議在決策中始終不能忘記擋潮防洪、降低災害損失是擋潮閘立項與否的決定性因素,否則會因各方面關系協調而拖滯。

3.2 彎道建閘與航運影響

黃浦江是上海國際航運中心建設的重要組成部分,河口閘建設必須充分重視黃浦江航運功能,適應航運現狀及未來發展需求。規劃預控的兩閘址均位于河道彎段,船舶在彎段水流影響下操控性較差,尤其是1000t級船舶會趁流航行,漲潮上行,落潮下行,以減少航行能耗,受漲落急流速影響較大。雖然前期以2萬t級雙向通航和7萬t級郵輪控制單向通航航模試驗確定了兩閘址的最小通航凈寬和水深,并且有英國泰晤士閘也建在微彎河段的經驗,說明寬大水域彎道建閘對航運影響可以接受,但是下一步還需要進一步論證不同漲落急流速對不同等級船舶在彎道航行的影響,在有條件情況下盡量拓寬主通航孔凈寬或直接采用單孔凈寬,尤其是航運管理部門建議水中盡量不設閘墩,采用單孔擋潮閘。彎道河槽斷面的不對稱性與單孔凈寬擋潮閘的對稱性是一對矛盾,所以需要研究確定大跨度單孔擋潮閘的合理凈寬,既要滿足閘室不淤積,也不會對上下游河勢造成大的影響。

3.3 關閘時機和頻次

河口擋潮閘的關閘時機和頻次與擋潮效果、漲潮時長、擋潮閘關閉準備時間和關閘時間關系密切,也與航運的響應和影響關系密切。初步研究成果顯示,較低潮位關閘對降低中、上游高水位效果較好,提前1d關閘和多次連續關閘還能降低杭嘉湖地區的高水位,也能增加太湖流域洪水凈泄量。但是,提前關閘和連續關閘對航運影響較大,且需要以潮汐和洪水準確預報為基礎。較低水位關閘縮短了擋潮閘關閉準備時間,可增加擋潮閘關閉時間;較高水位關閘,擋潮閘關閉準備增加,擋潮閘關閉時間則縮短。另外,影響河口擋潮閘擋潮效果和降低高水位風險,與預報什么樣的高潮位時擋潮閘必須關閘關系較大。這涉及擋潮閘關閘頻次,也會涉及關閘對航運和社會影響的程度。統計近30年風暴潮引起的吳淞站最高潮位,超過5年一遇潮位5.18m的最高潮位共有6次,超過2年一遇潮位4.90m的最高潮位共有18次。所以,在風暴潮期間關閘的頻次和時長應是流域防洪、城市防洪和航運等管理部門都能接受的。由于氣候變化、海平面上升和水情、工情變化等,導致了許多國家的河口高潮位持續抬升[21]。這導致了河口擋潮閘的關閘頻次增加,英國泰晤士河擋潮閘和荷蘭新水道的擋潮閘近些年的關閘頻次明顯增加[8,22]。

3.4 閘型設計要素

擋潮閘功能和閘孔凈寬是閘型設計的主要因素,但關閘頻次和閘門啟閉時長也是閘型確定的重要因素。蘇州河河口擋潮閘單跨100m,雙向擋水,每天啟閉兩次,可以說是國際上運行頻次最多的擋潮閘。擋潮閘閘型設計的另一項要素是擋潮閘閘門啟閉的時長。國際上既有的200m以上的大跨度擋潮閘閘門啟閉時間均較長,俄羅斯涅瓦河擋潮閘利用動力機車驅動將220m的擋潮閘啟閉時長控制在45min左右[15]。黃浦江河口的漲潮時間較短,如何在較短時間內實現大跨度閘門動水啟閉是閘門選型設計的重點。大跨度閘門短時間動水啟閉,造成了啟閉過程動水壓力巨大、擋水狀態閘門內力巨大和閘墩承擔的水平推力也巨大。國際上既有大跨度閘門都改變了傳統的閘門受力方式,化解了跨度對受力的影響。另外,荷蘭新水道擋潮閘、俄羅斯涅瓦河擋潮閘、威尼斯潟湖擋潮閘均利用了水的浮力,減輕了閘門重力的影響。這些都給黃浦江河口擋潮閘門型設計提供了很好的思路。與國際上大跨度擋潮閘相比,黃浦江河口擋潮閘還有一項突出的難點是河口水體泥沙含量較高,如何利用水流或擋潮閘啟閉減少閘室淤積,或者是擋潮閘設置沖淤系統,也是擋潮閘門型設計需要考慮的因素。

3.5 生態環境影響

黃浦江是一條受潮汐影響的湖源型自然河流,上通太湖,下連長江,直達東海。黃浦江上游有金澤水庫等水源地[23],出口直對長江口內最大的江心水庫——青草沙水庫[23-24]。雖然黃浦江河口閘平時敞開,風暴潮期才關閉擋潮閘,而且一次關閘時長僅4～6h,但是只要在河口建閘,不可避免會讓社會各界懷疑其是否會對黃浦江水環境質量、水環境容量和自然生態系統產生影響。俄羅斯圣彼得堡擋潮閘就因為公眾懷疑建閘會對水質和生態環境產生影響于1995年暫停,后經調查論證無負面影響后再復工建設[25]。所以,不管河口建閘對生態環境有無影響,應在決策時做好評價,以消除公眾疑慮。生態環境影響評價不僅要做負效應評價,也要做正效應評價。歷史上,2012年12月長江口發生過船舶溢油污染事件[26],2013年3月黃浦江上游曾發生過死豬事件[27],這些均對黃浦江生態環境造成了影響。如果有河口閘,可以通過擋潮閘啟閉調度減輕或消除突發性水污染事件對黃浦江水環境或長江口水環境的影響。

4 結 語

黃浦江是太湖流域沿長江唯一開敞支流,每年遭受臺風、暴雨、高潮和洪水多重災害疊加影響。受全球氣候變化、海平面上升、地面沉降、風暴潮和上游水情、工情變化,黃浦江水位呈現趨勢性抬升明顯,中上游堤防已發生多次堤頂漫溢險情。為滿足上海經濟社會發展要求,抵御風暴潮和洪水災害,提升流域和區域防洪(潮)能力,保障上海城市防洪(潮)安全,并為兩岸濱水空間更新改造創造條件,實施黃浦江河口擋潮閘工程非常必要和緊迫。40年研究表明,黃浦江河口建閘是解決上海永久防洪(潮)問題的必然選擇,擋潮閘的基本功能是擋風暴潮、適應通航,合理調度擋潮閘對洪、潮共同作用引起的流域超標準洪水具有一定作用,擋潮閘設防標準建議按100年使用期末千年一遇潮位設計,統籌考慮城市規劃、防洪效益、河勢穩定、航運影響、拆遷影響等因素。吳淞碼頭閘址和軍工路碼頭閘址均具有可行性,閘孔單孔總凈寬超過300m對行洪、航運、河勢影響較小且能控制閘室淤積。未來研究建議聚焦黃浦江河口建閘在防洪減災體系中的不可替代性及建閘時機的論證,彎道建閘可行性及對河勢、航運的相互影響,洪、潮遭遇組合可能性及擋潮閘調度原則的確定,關閘時機和頻次對擋潮效果、航運的影響,擋潮閘閘型對功能、關閘時長、河道淤積的適應性以及突破跨度對受力影響,生態環境影響負效應和正效應評價等。黃浦江河口建閘并不能完全解決中上游堤防的防洪能力提標,需要同步實施中上游堤防加高加固,并在兩項工作完成前做好防汛應急預案。