洋山港四期工程水域水沙环境及港区增深方案研究

王施恩，张 征

(1.上海国际港务集团(股份)有限公司，上海 200080；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

洋山深水港是上海国际航运中心建设的重要组成部分，位于杭州湾口崎岖列岛内的大、小洋山海域(图1)，于2002年6月开工建设，目前已投产的一期～三期工程水深良好。洋山港港区陆域面积主要是通过封堵汊道、大面积填海而成，开创了在远离大陆、依靠外海岛礁群、强潮流、含沙量高海域建港史的先例[1]。目前四期港区工程水域处于微冲趋势，滩面自然水深已从工程前的-8.0～-9.0 m，发展到目前的-10.5～-13.0 m，冲刷环境为四期港区工程深水化建设创造了有利条件。

众多学者对洋山深水港一期～三期工程前后的水沙环境和地形变化进行了研究[1-7]，对近期规划中的四期港区研究涉及并不多[8-9]，在上海市深水岸线缺乏的情况下，开发建设四期港区深水泊位及增深研究显得尤为必要。本文依据洋山深水港区多年(2006～2016年)的水文泥沙、水深等资料，在深入地分析洋山港四期工程海域水沙环境基础上，采用数学模型的方法对和四期港区增深方案进行了研究，为后期港区开发提供基本依据。

1 四期工程海域水沙环境及冲淤变化

1.1 工程前海域地形地貌特征

洋山深水港区位于杭州湾口外的崎岖列岛海域，由大、小洋山南、北两支岛链组成，东窄西宽。在长期的潮流和波浪共同塑造下，主通道内水域自西向东水深逐渐增大[9]。

1.2 潮汐特征

根据小洋山2007～2009年实测潮位观测资料分析，洋山港区属非正规浅海半日潮型，每日两涨两落，日潮不等现象明显；平均高潮位3.90 m(理论深度基准面，下同)，平均低潮位1.14 m，平均潮差2.76 m，潮汐强度中等[8]。

图1 洋山深水港位置及四期港区测站分布图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月四期港区水域定点潮流资料分析，洋山港四期港区水域，涨、落潮水流呈明显的往复流运动，港区水域涨潮平均流向在287°～315°，平均为299°，落潮流向在106°～122°，平均为112°，与码头驳岸线基本平行；颗珠山汊道涨、落潮平均流向为264°和84°，与此汊道走向基本一致；四期港区水域涨潮流速在0.41～0.85 m/s，平均为0.63 m/s；落潮在0.49～0.88 m/s，平均0.69 m/s，落潮流速大于涨潮流速；颗珠山汊道涨、落潮平均流速分别为0.64 m/s、0.63 m/s，相差不大；实测垂线最大流速涨潮为1.57 m/s，落潮为1.55 m/s。

1.3.2 四期港区潮流变化特征

洋山港工程建设和四期港区规划以来，在该水域进行了多次水文观测，针对四期港区附近的水文资料对其近年来潮流变化进行分析。

(1)四期港区与颗珠山汊道水域，涨、落潮水流仍表现为与地形走向一致的往复流运动。根据2016年10月ADCP潮流矢量图分布，涨潮和落潮方向与码头驳岸线基本平行，流向相差在180°左右，与根据2013年7月资料所表现的流向特征基本一致。

(2)2016年10月四期港区定点实测大中小潮平均涨潮流速在0.45～0.67 m/s之间，平均为0.58 m/s；落潮在0.49～0.91 m/s，平均0.70 m/s；颗珠山汊道平均涨潮流速在0.39～0.67 m/s之间，落潮在0.48～0.93 m/s，与2013年7月资料基本保持一致；颗珠山汊道、四期港区落潮流速大于涨潮流速，比值为1.2，有利于四期港区的增深。

表1 四期工程附近不同时期平均流速情况Tab.1 Average flow velocity near the Phase IV project at different periods m/s

(3)洋山港海域流速与潮差存在着明显的线性关系[9]，采用潮汐—潮流比较法，对潮流实测值进行修正。从不同年份四期港区水域潮流资料显示(表1)： 如2013年与2009年相比，各水域潮流速变化不大，平均变化量±5%，最大变化量涨、落潮分别为8%和9%，均出现在颗珠山汊道测点。其中，港区水域涨、落潮平均流速基本不变，仅分别减小为2%和1%；颗珠山汊道测点涨潮增大4%，落潮减小3%。

总体来说，四期港区近一些年来，流速、流向的均相对保持稳定。

1.4 含沙量

四期港区含沙量季节变化与整个洋山海域是一致的，季节变化明显，冬、春季节含沙量较高，夏、秋季节含沙量较低，特别是7月份左右含沙量最低。根据小洋山码头测站表层实测含沙量资料分析(1998～2008年)[1-4]，含沙量年际变幅小，但总体受外界大环境特别是长江口杭州湾海域泥沙来源的减少，含沙量有减小的趋势；洋山海域表层含沙量一般都在0.85 kg/m3左右，折合垂线平均含沙量约为1.4 kg/m3。

由于洋山港海域含沙量与潮差、季节存在着很大的关系，因此不同时期定点观测结果有一定差别。根据2013年7月含沙量资料，四期港区海域涨、落潮平均含沙量分别为0.33 kg/m3和 0.22 kg/m3左右；涨潮平均含沙量大于落潮平均含沙量，比值为1.5。2016年10月含沙量资料显，该海域涨、落潮平均含沙量分别为0.95 kg/m3和 0.56 kg/m3左右；涨潮平均含沙量大于落潮平均含沙量，比值为1.7。

对不同时期含沙量实测值进行潮差修正后，比较显示：自2006年以来，四期工程水域平均含沙量，目前与以往相比减小约20%左右，总体有减小趋势，与外界大环境保持一致，该因素是四期水域一致保持较好冲刷形势的重要原因。

1.5 底质

图2 洋山港海域地形冲淤变化(1998-10～2016-10)Fig.2 Seabed scouring-erosion variation in the Yangshan area from Oct. 1998 to Oct. 2016

根据2008～2016年不同时期底质资料分析结果，该区域主要表层沉积物质为粘土质粉砂；在物质组成上，粉砂含量一般在49%～72%，粘土含量在12%～41%；底质泥沙颗粒中值粒径一般在0.012～0.029 mm之间，平均为0.019 mm，四期港区和蒋公柱港区底质中值粒径在0.02 mm左右；多年来该水域底质特征总体保持稳定。

1.6 四期港区冲淤变化

根据洋山港工程建设前1998年10月地形图与近期2016年10月地形图对比(图2)，可以看出：近20 a来，洋山港通道内总体表现为“北冲南淤”的格局(港区受到一定人为挖深影响)，四期港区水域长时间累计净冲刷强度接近2.0 m，特别是接近颗珠山汊道的水域局部冲刷深度更大；总的来说，“微冲的形势”是西港区冲淤的基本特征，这种微冲的形势无疑对四期港区的增深是有利的。

2 四期港区增深方案数学模型研究

本文中模型采用交通运输部天津水运工程科学研究院自主开发的数学模型软件TK-2D[10]，该模型基于无结构化网格可以很好的模拟固定边界比较复杂的海域。该模型已在国内外多个海域得到了广泛的应用[2,12-13]。模型原理在此不赘述，可以参考相关文献[11-12]。

2.1 模型验证

采用2016年10月现场实测资料对模型进行了验证，四期港区附近验证点位如图1所示，潮位、流速、流向过程验证曲线如图3和图4所示。验证结果表明计算潮位、流速与流向均与实测值达到较好的一致性，大范围流场可以如实反映洋山深水港海域的潮流特性。

图3 潮位验证曲线(2016-10)Fig.3 Calibration results for the water-surface elevation at various monitoring stations

图4 流速、流向验证曲线(部分测点)Fig.4 Calibration of current velocity and direction at various monitoring stations

2.2 工程方案及潮流计算结果

2.2.1 四期工程建设方案

在前期规划研究中，四期工程有多个建设方案，下面针对两个主要方案进行论述：

(1)第一种建设方案：按照7个7万t级泊位设计，泊位设计水深-15 m，回旋水域-14.5 m，航道宽度250 m，从回旋水域至蒋公柱航道水深为-14.5 m，四期新增开挖航道范围至二期末端，水深为-16.0 m。

(2)第二种建设方案：按照5个12万t级+1个3万t级设计，泊位设计水深-16.5 m，回旋水域-15.5 m，航道宽度250 m，从回旋水域至蒋公柱航道水深为-15.5 m，四期新增开挖航道范围至二期末端，水深为-16.0 m。

2.2.2 潮流计算结果

(1)7万t建设方案。四期工程建设7万t方案实施后洋山港通道和各个分港区涨、落潮水流均呈明显的往复流运动，各港区潮流与港区岸线走向一致，潮流运动比较平顺；四期工程泊位前潮流运动比较平顺，最大流速仍可达1 m/s以上，平均流速0.6～0.8 m/s。

如图5，与工程前(原型)相比规划泊位、港区和航道水域流速有不同程度的减小，泊位区域涨落潮平均流速减小10%～15%左右，最小减小5%左右，减小幅度相对较大的在落潮期间，约15%左右，流速减小值在0.12 m/s左右；港区水域平均流速减小在4%～10%；西导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；对其他原有港区的水流基本没有影响。受到水深开挖，水流归槽和西导流堤导流作用，流向有有所变化，变化在5°以内，局部受导流影响较大，在10°；不过使得泊位和港区以及航道的流向更加平顺，航道区域归槽水流明显。

5-a涨潮5-b落潮6-a涨潮6-b落潮图5 7万吨级方案实施后平均流速等比值线(工程后/工程前)(大于1表示流速增大，小于1表示流速减小)Fig．5Isolinesofaveragedcurrentvelocityafter70000tprojectlayouts图6 12万吨级方案实施后平均流速等比值线(工程后/工程前)(大于1表示流速增大，小于1表示流速减小)Fig．6Isolinesofaveragedcurrentvelocityafter120000tprojectlayouts

(2)12万t建设方案。四期工程12万t建设方案实施后该海域潮流特征没有变化，涨、落潮水流均呈明显的往复流运动，落潮流速一般大于涨潮流速，各港区潮流与港区岸线走向一致，潮流运动比较平顺；四期工程泊位前潮流走向与泊位岸线一致，涨潮平均流向在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、港区和航道水域流速有所减小，流向有5°左右不同程度的变化。如图6所示，泊位区涨落潮平均流速减小15%～20%，流速最大减小值为0.16 m/s(落潮时)；港区水域平均流速减小5%～15%；西导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；泊位处流向变化在5°以内，西导流堤附近局部较大，在10°左右的变化，港区和航道的流向在5°左右，流向变化后与岸线或深槽走向趋于一致，水流归槽明显。对蒋公柱港区影响在5%以内，对其他港区水流流速、流向没有明显影响。

2.2.3 潮量计算结果

四期工程建设方案实施后，对洋山港海域各汊道海域潮量影响不明显，潮量变化仅在-0.01～+0.06亿m3，变化值在-0.2%～+1.8%；其中断面潮量有变化的主要集中在四期工程两侧的断面，如西口门断面和颗珠山汊道断面，总体而言，四期港区的建设对洋山港海域各汊道潮量影响不明显。

2.3 年淤积计算与分析

2.3.1 淤积计算公式

在“十一五”交通科技重大专项课题《岛群中建港水动力关键技术问题研究》中，杨华等[14]通过对洋山港区海域泥沙来源、动力条件的调查与室内水流作用下泥沙起动、沉降与输移规律的试验，研究含沙水体的平面与垂向分布规律及其与水流强度的对应关系。通过理论研究提出港池水流归槽下槽内的流速变化规律，利用水流归槽和平衡含沙量理论建立的适合于洋山深水港区水动力环境下的顺岸式港池淤积计算公式，在洋山深水港区淤积预报中得到了良好的验证。该公式被收入到修编的现行《港口与航道水文规范》[15]中，本文利用该公式(1)对四期工程港池淤积进行预测，公式(2)对四期工程内航道也进行了计算

(1)

(2)

式中：P为在淤积时间内的淤积厚度；α为泥沙沉降机率，取0.45；γ0为悬移质淤积物的干容重,kg/m3；h1、h2分别为港池、航道开挖前后水深；t为悬移质淤积历时,s；ω为泥沙沉降速度,m/s；S为相应于浅滩水域垂线平均含沙量,kg/m3；β为综合指数，β=m(1-2n)；m为平衡含沙量指数；n为水流归槽指数，与港池长宽比有关。

2.3.2 计算公式中关键参数的确定

上述公式(1)、(2)中存在着大量的参数，参数的确定是预报结果是否合理的关键。

(1)泥沙沉降速度ω：由洋山四期水域泥沙特性试验确定，静水沉降速度取0.000 5 m/s[10]。

(2)含沙量S：根据以往对研究洋山港海域含沙量的综合分析，四期港池水域年均含沙量为1.4 kg/m3，颗珠山水域年平均含沙量为1.50 kg/m3。

(3)淤积物干容重γ0，根据洋山港其他港区实际淤积物情况，干容重取780 kg/m3。

(4)港池水深h2、边滩原始水深h1：根据现场实测地形和港区开挖水深资料确定。

(5)平衡含沙量指数m：由试验和实测资料确定，其范围为0.387～0.401。

(6)落淤综合指数β=m(1-2n)：与平衡含沙量指数m，水流归槽指数n(与港池长宽比有关)有关，可根据文献[14]提供的关系确定β。

2.3.3 淤积计算结果

根据上述公式，分别计算了四期港区港池及航道开挖后的平均淤强和淤积量，计算结果显示：

(1)7万t方案实施后，泊位年淤积强度在1.85～2.09 m，港池年淤积强度在0.78～1.75 m，泊位和港池合计淤积量为345.4万m3；航道年淤积强度在0.99～2.01 m，航道年淤积量为111.3万m3。港池航道总淤积量为456.7万m3。

(2)12万t方案实施后，泊位年淤积强度在2.38～2.61 m，港池年平均淤积强度在1.14～2.13 m，泊位和港池合计淤积量为541.1万m3；航道年淤积强度在0.99～2.35 m，航道年淤积量为123.5万m3。港池航道总淤积量为664.6万m3。

3 结论

依据洋山深水港区多年(2006～2016年)的水文泥沙、水深等资料，在分析洋山港四期工程海域水沙环境基础上，采用数学模型的方法对和四期港区增深方案进行了研究，结果显示：

(1)洋山港区属非正规浅海半日潮型，平均潮差2.76 m，潮汐强度中等；洋山港四期港区水域，涨、落潮水流呈明显的往复流运动，涨潮平均流向在287°～315°，落潮流向在106°～122°，涨潮平均流速为0.63 m/s，落潮平均流速为0.69 m/s。近一些年来，四期港区水域流速、流向的均相对保持稳定。

(2)四期港区含沙量季节变化与整个洋山海域是一致的，季节变化明显，冬、春季节含沙量较高，夏、秋季节含沙量较低，多年垂线平均含沙量约为1.4 kg/m3。洋山港海域受外界大环境影响，含沙量有减小的趋势；四期工程水域平均含沙量与以往相比减小约为20%左右。底质泥沙颗粒中值粒径一般在0.012～0.029 mm，平均为0.019 mm，主要为粘土质粉砂。

(3)多年和近期地形资料显示，四期港区水域总体上呈现出冲刷的态势，长时间累计净冲刷深度接近2.0 m。目前的水动力和泥沙环境及地形冲淤特征对四期港区的开发处于有利状态。

(4)四期工程建设方案数学模型研究结果显示：工程实施后，潮流性质没有发生变化，泊位、港区和航道水域水流归槽明显，水流更加平顺；对洋山港海域各汊道潮量变化没有明显影响；7万t和12万t两个方案建成后，港池与航道总淤积量为500～600万m3左右。

[1]ZUO Shu-hua, ZHANG Ning-chuan, LI Bei, et al. A study of suspended sediment concentration in Yangshan Deepwater Port in Shanghai, China [J]. International Journal of Sediment Research, 2012, 27(1):50-60.

[2]ZUO Shu-hua, ZHANG Ning-chuan, LI Bei, et al. Numerical Simulations of Tidal Current & Sediment and Sea Bed Erosion and Deposition for Yangshan Deep-water Harbor of Shanghai[J]. International Journal of Sediment Research, 2009, 24(3):287-298.

[3]左书华, 张宁川, 李蓓, 等. 洋山深水港海域悬沙浓度时空变化及其动力原因[J]. 华东师范大学学报：自然科学版, 2009(3):72-82.

ZUO S H, ZHANG N C, LI B, et al. Dynamics reasons and temporal-spatial variations of suspended sediment condition in the sea area of Yangshan deep-water harbor [J]. Journal of East China Normal University (Natural Science), 2009(3):72-82.

[4]左书华, 李蓓, 杨华, 等. 上海洋山深水港区海域悬沙分布特征及运动规律分析[J]. 海洋通报, 2009,28(3):62-69.

ZUO S H, LI B, YANG H，et al. Analysis on the Distribution and Movement of Suspended Sediment at Yangshan Deep-water Harbor in Shanghai [J]. Marine Science Bulletin, 2009,28(3):62-69.

[5]邵荣顺，吴明阳，左书华. 上海洋山港区12年来海床冲淤变化分析[J]. 海洋工程,2012,30(1):106-111.

SHAO R S, WU M Y, ZUO S H. Analysis on seabed deposition and erosion of Yangshan Port during twelve years [J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(1):106-111.

[6]阎新兴，刘国亭. 上海洋山港水域沉积特征研究[J]. 水道港口,2003,24(4):174-179.

YAN X X, LIU G T. On Sediment Characteristics of Water Area of Shanghai Yangshan Harbor [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2003, 24(4):174-179.

[7]左书华, 张宁川, 张征, 等. 岛群海域环境下泥沙运动及地形冲淤变化数值模拟研究[J]. 泥沙研究, 2011(2):1-8.

ZUO S H, ZHANG N C, ZHANG Z, et al.Numerical Modeling of Sediment Transport and Sea Bed Erosion and Siltation in Archipelago Sea Area[J]. Journal of Sediment Research, 2011(2):1-8.

[8]左书华, 吴明阳, 庄骅, 等. 洋山深水港四期工程海域冲淤环境及增深研究 [J]. 天津航海，2017(2):58-61.

ZUO S H, WU M Y, ZHUANG H, et al. A research on the sea waters alluvial environment and deepening in the fourth stage project, Yangshan deep water harbour [J]. Tianjin navigation, 2017(2):58-61.

[9]庄骅，吴明阳，刘国亭. 洋山深水港四期工程港区增深可行性研究[J]. 水道港口,2014,35(2):148-153.

ZHUANG H, WU M Y, LIU G T. Feasibility analysis of different depth plan in Shanghai Yangshan Deepwater Port Phase IV Project [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2014, 35(2):148-153.

[10]左书华，肖辉，李蓓，等. 崎岖列岛洋山港海域泥沙输移[M]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

[11]李孟国, 张华庆, 陈汉宝, 等. 海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D的开发研制[J]. 水运工程,2005 (12):1-4.

LI M G, ZHANG H Q, CHEN H B, et al. Development of Multi-functional Mathematical Model Software Package TK-2D on Coast and Estuary [J]. Port & Waterway Engineering, 2005 (12):1-4.

[12]左书华, 李蓓, 张征, 等. 多岛屿、多汊道环境下大型深水港建设中的水沙问题研究[J]. 水运工程, 2009(3): 24-28.

ZUO S H, LI B, ZHANG Z, et al. Hydrodynamic and sedimentation problems in construction of large-scale deepwater harbor located at the area with many islands and branch channels [J]. Port & Waterway Engineering, 2009(3): 24-28.

[13]李孟国, 李文丹, 时钟, 等. 田湾核电站海域潮流泥沙数值模拟研究[J]. 泥沙研究, 2008(2):16-23.

LI M G, LI W D, SHI Z, et al. Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Nuclear Power Station[J]. Journal of Sediment Research, 2008(2):16-23.

[14]杨华, 左书华, 赵洪波, 等. 岛群中建港水动力关键技术问题研究[M]. 北京：人民交通出版社，2015.

[15]JTS145-2015,港口与航道水文规范[S].