上海国际航运中心洋山深水港工程泥沙问题研究综述

杨 华，李 蓓，吴明阳，赵洪波，左书华

（交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

洋山深水港是建设上海国际航运中心的重要战略决策和部署。自1998年以来，作者参与了上海国际航运中心洋山深水港区建设中有关泥沙问题的研究工作，通过现场水文观测、遥感、泥沙水力特性实验、数学模型和物理模型等研究手段，对洋山深水港泥沙问题进行了深入的研究。本文根据1998年以来洋山深水港的泥沙问题研究资料，全面综述了研究工作中所采用的方法和手段，归纳总结了洋山深水港区泥沙问题研究的科研成果及其创新点，并对研究成果的科学性作出评述。

1 研究手段

1.1 现场水文、底质勘测和水深测量［1-7］

2000年以来，先后对洋山海域进行了十多次水文泥沙、底质取样和水深测量工作。水文泥沙测验使用的仪器设备主要包括3类：（1）测点垂线分层流速及流向测量采用传统的海流计，含沙量采用取样过滤法；（2）声学多普勒流速仪和超高浓度浊度仪，主要采用自容式观测大风浪天气和长时期状况下底部水流和含沙量分布情况；（3）走航式流速、流向和含沙量的测量采用声学多普勒流速剖面仪ADCP，底质取样采用蚌式取样器和震荡式柱状取样器。水深测量主要采用双频测深仪。洋山深水港外业勘测是研究工作的基础，外业测量设备结合了传统测量仪器和近年发展起来测量仪器，勘测规模和投入经费巨大。

1.2 泥沙水力特性实验研究［8］

泥沙水力特性包括泥沙的沉降、起动、悬扬、止悬和止动等，是泥沙研究中最基本的参数。洋山深水港泥沙水力特性实验在波浪水流槽和目前国内最大的环形水流槽中进行，环形水流槽可模拟无限长的均匀水流运动，是进行细颗粒泥沙起动和动水沉降实验的最理想设备。分别对洋山港港区悬沙、航道和港池底沙3个沙样进行了实验，实验资料表明，当流速逐渐增大，起动含沙量增大至10%左右，平均底流速值约为45 cm/s时，底沙开始起动；当起动含沙量增大至50%左右，平均底流速值约为57 cm/s时，悬沙大多能维持悬浮状态。当流速逐渐减小时，挟沙水体中的泥沙将随着水流的挟沙能力减弱而逐渐沉降，但由于粘性细颗粒泥沙沉降速度较慢，水体含沙量与初始含沙量比值并没有随着流速的减小而迅速减小，其减小的幅度相对较缓，且无明显转折点。对于同一水流条件和初始含沙量，泥沙在沉降过程中，粗颗粒先行下沉，其沉降速度远大于细颗粒泥沙沉降速度，沉降速度随着沉降量的增大而明显减小，30%的沉降量对应的沉降速度约为100%沉降量的3倍。实验结果表明，细颗粒泥沙在水中悬浮时间较长，近底层泥沙即使落淤下来，未经密实，又被接踵而来的水流掀起，造成泥沙难于落淤而随潮反复搬运，这是本区形成高含沙水体的原因之一。

1.3 悬浮泥沙遥感图片分析［9］

卫星遥感技术是宏观调查的良好手段，其优势在于能进行大面积同步观测，并能对同一海区进行周期性重复观测，前者为了解空间变化复杂的海区瞬时悬沙分布状况提供了真实的纪录，后者则为研究海区悬沙分布的时间变化及其风、浪、流等动力条件的关系提供了必要的条件。

为从宏观了解洋山港海域悬沙分布规律及运动趋势以及杭州湾、长江口泥沙运动对洋山港的影响，选取1996年以来美国陆地卫星Landsat-5 TM多时相遥感图像多幅（包括涨潮、落潮和春夏秋冬不同季节）作为研究依据。

1.4 数学模型［10-11］

采用东中国海、长江口和杭州湾整体海区三层嵌套的方法，建立了洋山港工程海域二维潮流、泥沙及海床冲淤数学模型，对工程海区潮流和地形冲淤变化进行计算；并联合应用美国夏威夷大学CFMS中飓风模型、全球潮汐模型、第三代深海波浪模型、第三代近岸波浪SWAN模型、潮汐风暴潮模型以及海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D，对洋山工程海区台风作用下的骤淤进行了数学模拟研究。

洋山港区工程局部水域数值模型的范围包括整个崎岖列岛，计算域南北宽33 km，东西长56 km，面积约1 848 km2。该数模根据平面二维潮流基本方程，采用任意三角形有限差分法进行计算，局部工程海区网格大小按技术要求加密，利用计算域内诸多台站的实测资料进行验证，工程边界条件考虑了码头桩群的作用，计算成果采用动态显示方式，直观逼真。对洋山港区总体规划方案、北港区规划方案及一、二期工程港区和航道建设方案，从潮位、流速、潮量的变化以及地形的变化等方面论证各方案的优劣，在定量计算的基础上，为工程的定性分析取得了良好的结论。利用强台风“韦帕”（2007年13号台风）的资料及区域内风、浪、气压、水文、泥沙等相关资料，系统模拟预报了洋山港附近海区的台风浪及泥沙骤淤情况。

在工程局部水域数值模型的基础上，建立了泥灰礁及附近水域三维潮流数值模型，通过潮流数值模拟计算，研究小岩礁—大洋山间航道水流状况及泥灰礁炸除对航道水流的影响，补充了二维数学模型难以反映的局部影响。

洋山港数学模型采取大、小计算域嵌套方式，从大范围计算域入手，避免了工程局部模型边界条件的任意假定，使计算结果更符合实际情况。同时二维数模为物理模型的四周开边界提供了边界条件，对物理模型的建立和调试发挥了重要作用。

1.5 物理模型试验研究［12-17］

交通部天津水运工程科学研究院在洋山港前后做了2个物理模型，1999年在长86 m、宽36 m的河口厅制作了第一个洋山港区整体物理模型，模型水平比尺λL=850，垂直比尺λh=135。2004年在长95 m、宽45 m新试验厅制作了第二个洋山港区整体物理模型，模型水平比尺λL=600，垂直比尺λh=100。模型均采用潮流动床泥沙模型，模型沙为煤粉，模型东、西两侧采用翻板尾门进行生潮控制，南、北两侧通过可逆泵调节进出水量，进出水量的变化由数学模型提供，采用四面开边界复演洋山海域的潮汐运动。模型按照不同时期水下地形和水文测验资料进行制作和验证，较好地预测了不同方案下港区潮流和泥沙淤积情况。洋山港物理模型四面开边界，与数学模型采用相互验证、互为结合的方式，构成一个非耦合的复合模型系统，目前在国内处于领先水平。

2 主要研究成果

2.1 洋山海区泥沙运动机理［18-20］

以现场资料为基础，根据室内实验成果和理论分析，解析了洋山港海域的海床性质、泥沙运移形态以及泥沙冲淤机理。洋山港海域为淤泥质海床，泥沙运动形态以悬移质为主，含沙量垂线分布差异不大。泥沙的冲淤除与背景含沙量有关外，主要与本地泥沙的再悬浮、搬运及沉积有关。水体中的粗颗粒泥沙、底部悬沙以及憩流附近时刻水体中的悬浮絮凝团是造成海床淤积的有效沙源。洋山港海域的泥沙运动及海床变化与其水流动力条件相适应，潮流的强弱在一定程度上决定了海床的冲淤变化，潮流对泥沙具有起悬和搬运双重作用。因此把握该海域的潮流动力变化对于研究其海床的冲淤变化至关重要，水流强弱是港口建成后水深维护的关键。在对泥沙运动机理认识的基础上，提出了建设深水大港的基本原则：封堵汊道，平顺水流，安全靠泊，减小淤积。

2.2 长江口下泄泥沙扩散对杭州湾及洋山港区的影响［9］

大量的遥感图片反映出，长江口下泄泥沙经常与杭州湾悬浮泥沙连成一体，表明长江口泥沙进入杭州湾的现象是存在的。长江口下泄泥沙进入杭州湾有2种形式：一种是夏季洪水季节，长江口高含沙水体沿杭州湾北侧进入杭州湾，悬沙浓度较高，但对大、小洋山一般不产生直接影响，而是通过杭州湾涨落潮水流运动，影响大、小洋山海区；长江口泥沙进入杭州湾的另外一种方式是在冬季，长江口外泄的泥沙随潮流的扩散有时直接影响到大、小洋山海域，但含沙量低于夏季洪水时，不会成为洋山港区局部高含沙形成的直接原因。

杭州湾大多数时间悬沙浓度较高。杭州湾北侧的高含沙现象除与长江口泥沙运动有一定关系外，另一个主要的原因是杭州湾涨、落潮流速较大，海底泥沙易被掀扬，憩流期沉积到底部的泥沙被水流再悬扬或细颗粒泥沙来不及完全沉降就被水流掀扬输送。所以，就长江口对杭州湾与洋山港区的影响而言，其长期影响主要在于，夏季洪水期长江口高含沙运动或冬季余流输送泥沙，为杭州湾提供丰富的悬浮泥沙沙源。

2.3 杭州湾泥沙运动与洋山港的关系［9］

杭州湾水域总体上来说含沙量较高。杭州湾内的高含沙水域为湾内中部和洋山深水港区西侧，洋山深水港区有时也包络在内。因而洋山深水港工程海域含沙场的变化主要受控于杭州湾高含沙场的变化。杭州湾内高含沙场分布的另一个特征是，湾口大量岛屿附近都表现出由岛屿效应引起的局部高含沙特性，岛屿周围含沙量明显高于附近海域含沙量，除了主要研究的崎岖列岛外，其他岛屿如岱山岛、衢山岛等都有此特性。可以说岛屿效应引起的局部高含沙是杭州湾岛屿群的共性。

从洋山深水港区海域的悬沙分布看，在多数情况下，洋山深水港区海域都显示局部高含沙现象，而且高含沙区往往分别沿大、小洋山岛链方向。这种高含沙现象主要是由潮流经过岛屿时掀起岛屿周围浅滩泥沙所致。另外，杭州湾涨落潮水流携带高浓度泥沙经过崎岖列岛时，水流围绕岛屿形成复杂回流区也可能造成局部高含沙区。卫星图片显示，大小洋山海域经常出现周围海域含沙量较低，而洋山港局部含沙量较高的现象。因此，洋山港局部含沙量较高的原因一方面源于杭州湾大的泥沙环境，同时局部岛屿效应引起水流流态的改变，岛屿间的潮汐通道内流速的增大，岛屿周围冲刷与背流面的回流效应等也是引起岛屿周围高浓度泥沙的主要原因。

2.4 洋山深水港远期规划方案的研究［12］

早期洋山深水港远期总体规划方案主要围绕着单通道和双通道2种不同布置方案开展优化和比选。改善港内水流强度及流态、控制窄口段水流强度变化是试验研究的重点，经多组试验成果分析，推荐单通道方案作为洋山港远期总体规划方案。单通道方案又进一步分为西口宽度分别为4.2 km、3.5 km的窄口门方案和西口宽度分别为5.8 km、5.0 km的宽口门方案，窄口门方案提高了西口流速，使窄口以西港内流速基本维持在天然条件下的1.15倍，可改善西口港区水深条件；而小岩礁窄口地区的流速维持在天然条件下的1.05倍左右，增幅较小，对船舶航行有利，但该方案在大洋山西港区南岸局部水域内，落潮时存在一定范围的回流区，且过大地改变了潮汐通道的进出总潮量；宽口方案改变通道潮量相对较小，且工程后仍能满足航运的要求，港区西口流速虽有所降低，但降低幅度有限，基本维持天然状态的0.95倍，其通道内的自然水深不会有大的变化，码头岸线可采用深水深用、浅水浅用的原则充分利用。从总体发展上比较，宽口门方案充分利用了洋山岛水域的水深条件，顺其自然，并可根据不同阶段港口发展情况及水流自然变化因势利导，合理调整。从水流泥沙条件上分析，西口宽度在5.0 km左右比较合适。

近期在北港区汊道方案的基础上，对大洋山一侧南港区规划方案进行了初步研究，根据潮流模型试验的初步成果，远景规划方案可采用南北双汊道规划方案，即保留颗珠山汊道和大山塘—双连山汊道，在大、小洋山岛链间，形成对称形的双汊道布置形式。南北双汊道规划方案结合了在建北港区新的边界条件，充分地利用南北双汊道的潮动力，代替单通道缩窄西口的作用，能维护海域目前出现的南淤北冲格局。既能保证北港区、西港区的水深维护，又符合大洋山港区远景规划。

2.5 洋山深水港北港区总体规划方案研究［12，21］

洋山深水港北港区总体规划方案主要围绕西部港区规划大通道方案和小乌龟—颗珠山汊道方案进行优化比选。大通道方案水流平顺，一、二期涨、落潮平均流速略有增强，小乌龟—颗珠山岸段水流强度降低较多。大通道方案将改变目前通道内“南淤北冲”的良好格局，通道西部将会出现大范围淤积。根据泥沙模型3年地形变化的预测，整个通道水域连续3年累计淤积总量分别为1 341万m3、1 953万m3和2 513万m3，呈逐年递增的趋势，其中淤积最强的区域主要集中在通道西北部，邻近西港区，3年累计淤积厚度平均达0.86 m。不仅增大西港区开挖水深比，在波浪潮流作用下，增加西港区的淤积量，影响西港区水深的维护，而且这个淤积体可能会进一步带来通道内涨落潮水流的变化，进而影响东部港区。

汊道方案小乌龟—颗珠山港区涨、落潮水流流态平顺，并保持一定水流强度，汊道内水流基本平顺，通道内流速变化不大，二期港区涨、落潮平均流速约有5%的减弱，一期约有2%的减弱。保留颗珠山汊道基本可以维持目前通道内地形及涨落潮水流条件，东部港区继续保持目前水平，西部港区西部继续处于微冲状态，这种地形的冲淤变化已经由2005～2010年的实践证明。根据泥沙模型3年地形变化的预测，整个通道水域汊道方案3年累计淤积160万m3，累计淤积厚度0.06 m。经综合比较认为汊道方案较为稳妥。

2.6 洋山深水港一、二期工程和中港区建设方案研究［12，22］

洋山深水港一、二期工程和中港区建设方案的研究主要是镬盖塘—小岩礁岸线的优化，岸线有3种走向，均起自一期码头东端，分别为125.5°与小岩礁相连；120°连至大、小岩礁之间；117°与大岩礁相连。码头分3种布置形式，即满堂式、栈桥式、长栈桥式，驳岸前沿距码头前沿分别为65 m、140 m、200 m。小岩礁治理工程分3类，即保留现状、削角和全部炸除，后2种均按1：1坡度炸至-18 m。小岩礁—中门堂岸段分2种布置形式，即自然状态和建堤。

试验结果表明，码头3种建设型式对各港区水流强度基本没有影响，但从流态角度来看，满堂式流态相对优于栈桥式。采用小岩礁—中门堂建堤工程措施，不仅对改善小岩礁附近水流流态起到一定作用，而且对小岩礁以西各工程港区水流都有所增强，同时是LNG码头所选岸段，工程量不大，故认为小岩礁—中门堂建堤势在必行。从原型水流强度分布来看，镬盖塘—小岩礁岸段水流强度较一、二期港区涨潮小约18%，落潮小约12%。不同岸线走向方案实施后，涨潮水流强度有所增加，落潮水流强度有所减小，但总体上仍小于一、二期港区；测点瞬时最大流速，码头前沿为1.62 m/s，港池为1.84 m/s，仍小于一、二期港区。综合考虑认为，125.5°岸线，保留小岩礁、小岩礁—西门堂建堤为可行方案。该方案驳岸全长2 600 m，涨潮回流范围约500 m，即使放弃此段岸线，尚有2 km岸线可以利用。125.5°岸线，小岩礁削角、小岩礁—西门堂建堤为相对较好方案。117°炸礁方案最为理想。

泥沙试验结果表明，125.5°岸线、小岩礁削角和小岩礁—西门堂建堤方案实施后，一期港区年平均淤强在0.56～0.66 m，平均约为0.60 m，年淤积量平均为76万m3；二期工程港池年平均淤强2.1 m，淤积总量约235万m3。与现港区维护量基本相当。中港区基本不需要维护。

2.7 洋山深水港深水航道和挖入式港池的研究［12，23］

在中港区东侧由小岩礁—大岩礁—大指头岛—西门堂诸岛围成1个挖入式工作船港池，简称东港池，主要满足中、小型船舶靠泊的需求，水域面积约90万m2，平均水深7.6 m。其中泊地及锚地水域面积56万m2，占总面积62%，自然水深-9.2 m，设计维护水深-5.5 m。港池内流态相当紊乱，大部分水域出现回流，在口门处水流往复振荡，与口门外水流交换时有发生。港池淤积原因主要是涨潮流挟沙落淤，其次是港池内外水量交换增大进沙量，港池内水流强度较弱和流态紊乱，增大了泥沙的落淤率。物模泥沙试验显示，东港池按维护水深投产后年淤强2.8 m，年维护挖泥量高达250万m3。与实测结果基本一致。表明在高含沙量、中等潮差为特征的水域，无论是建设深水还是浅水港池，不宜采用挖入式布置方式。

洋山深水港进港航道，虎啸蛇岛—小衢山海域约有8.9 km航道需疏浚挖槽予以贯通。该航道航线顺直、转向点少且人工疏浚与水流主流向交角较小，是进出洋山港综合条件最优的进港航道。泥沙试验结果表明，航道浚深至-16.0 m水深后，全航道年平均淤强为0.64 m，最大淤积强度为0.85 m，与实际基本相符。

2.8 理论研究的创新［18，24］

（1）海床冲淤演变预测公式。

洋山海域潮流泥沙运动规律十分复杂，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，以及含沙水体的平面与垂向分布规律与水流强度的对应关系等研究，采用现场勘测、理论分析、数模计算与物模试验等多种手段，提出了适用于洋山港区流急、水深和高含沙条件下的平衡含沙量公式，利用平衡含沙量和平衡水深，创建了适合于洋山深水港区水动力环境下的海床冲淤演变预测公式以及逐年冲淤计算公式，可以正确地预报由工程产生的水流变化而引起的附近水域地形变化，为工程设计、科研提供决策依据。利用该成果，预报了一、二、三期工程封堵汊道后，大、小洋山通道内的海床冲淤分布，与现场实测资料结果基本一致。海床冲淤演变预测公式为

式中：Δ为冲淤厚度，“+”为淤，“-”为冲；u1、u2为工程前、后流速，m/s；h1为工程前水深，m。

（2）顺岸式港池淤积计算方法。

利用港池水流归槽下槽内的流速变化规律和平衡含沙量理论，提出了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。预测与实测比较表明，所创建的淤积计算方法能够较好地预报顺岸式港池的淤强、淤积量。顺岸式港池淤积预报公式纳入新的《海港水文规范》中。公式形式为

式中：β＝m（1-2n）为落淤综合指数，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；Δt为计算时段的淤积厚度，m；α为泥沙沉降机率；γc为淤积土干容重，kg/m3；h1、h2分别为工程前、后水深，m；ω为泥沙沉降速度，m/s；S为含沙量，kg/m3；t为计算时段，s。

3 结语

洋山深水港区处于高含沙、高水流多通道的岛链之间，水流流态复杂，水下地形存在季节性变化，流态复杂，泥沙运动形式在国内外无相似的港口工程可借鉴，为建港工程的泥沙研究带来较大困难。本项研究以现场观测资料和泥沙环境条件分析为基础，采用理论分析、物理模型、数学模型、遥感图片分析、泥沙基本特性研究等综合研究手段，在研究的过程中采用了一些新仪器、新设备和新方法，使交通部天津水运工程科研院的泥沙研究工作提高到一个新水平。在现场观测方面，采用声学多普勒流速剖面仪和超高浓度浊度仪，可观测到大风浪天气下的水文泥沙情况，获得了人工观测无法得到的宝贵资料；在遥感技术方面，不断改进原遥感模型及分析技术，建立和完善了泥沙含沙量遥感定量分析模式；在数学模型方面，进一步开发和完善了网格自动生成、动边界模拟、嵌套边界控制和可视化仿真技术；在物理模型方面，开发研制了稳定的模型自动控制及试验数据采集处理系统，以数学模型提供的边界条件为基础，实现了四面开边界的模型控制，与数学模型相互验证、互为结合，构成一个非耦合的复合模型系统。在理论研究方面，基于平衡含沙量理论，创新性地提出了海床冲淤演变预测公式和顺岸式港池淤积预报公式，为洋山港海床演变分析和港池泥沙淤积预测提供了新的手段。本项目研究成果总体上达到国际领先水平。

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