洋山港区堵汊工程对海底地形影响初探

杨忠勇，李娜，虞志英，程和琴，李身铎

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

洋山港区堵汊工程对海底地形影响初探

杨忠勇，李娜，虞志英，程和琴，李身铎

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

基于洋山港海域内长系列 ADCP断面走航及定点的水文观测资料进行统计分析，讨论洋山港区在Ⅰ—Ⅲ期工程影响下海域内潮动力的变化及其对海床冲淤的影响。结果表明，由于小洋山—镬盖塘、大乌龟—颗珠山及将军帽—大指头岛三个汊道的封堵及填海，在北岛链以小洋山岛为基础形成一长方形陆域，且在陆域南沿形成一长约5.7 km的顺直岸线。工程后由于潮流运动的底、侧边界发生改变，流场随之发生变化，突显潮波运动的非线性效应和科氏力效应，在以潮动力为绝对主要的水动力自然环境下：北港区潮流速随着工程的进行先剧减后又回增；工程后海域在涨、落潮流转流时段形成潮流弱环流；主通道北侧涨潮流增强，南侧落潮流增强。海床冲淤环境也随之改变，北港区前沿水域海床发生微冲，主通道西南海床则淤积，海域内的-10 m等深线也东西向呈现波状移动。

洋山港；堵汊工程；潮动力变化；非线性效应；海床冲淤

为充分发挥长江三角洲地区的经济龙头作用，上海正在努力建设成为我国的金融及航运中心，因此选择在杭州湾外崎岖列岛上以大、小洋山及其邻近岛屿为依托打造上海国际航运中心——洋山深水港，它也是中国首个在海岛上建设的离岸式港口。在远离大陆、依靠外海岛礁群，并在强潮流、高含沙量海域中通过封堵汊道、大面积填海形成港区陆域建设集装箱深水港，这开创了我国乃至世界建港史的先例[1]。新建的洋山港将主要承担腹地远洋航线及国际中转箱源，以满足第五、第六代和超大型集装箱船舶的全天候靠泊作业要求[2]。始于2002年4月的洋山港工程是我国目前最大的海港工程，其建设在崎岖列岛小洋山岛链上。工程必须堵汊陆连，从而改变海域地形，也必然会导致该水域潮动力、泥沙运动以及海床的冲淤变化，因此会影响甚至威胁港口的正常运行。本文根据洋山港一系列ADCP断面走航及其定点的实测水文、水深资料进行统计分析，并比较工程前后变化，得出洋山港海域在三期工程后的潮动力变化特征及其原因，以此对该区域海床冲淤变化特征进行初步的研究。

1 自然概况

1.1 地理环境

洋山港海域地处长江口外与杭州湾交汇处的崎岖列岛海域，距南汇咀芦潮港约30 km，属于现代长江水下三角洲前缘舌状堆积体地带，由小洋山岛链和大洋山岛链相围而成。北部小洋山岛链以小洋山为主体，包括大小乌龟岛、颗珠山、蒋公柱、小洋山、镬盖塘、大岩礁等26个岛屿，按NW－SE方向排列；南部大洋山岛链以大洋山为主体，包括双连山、大山塘、大洋山及马鞍山等34个岛屿，按W－E向排列。从地貌上看，大、小洋山岛链间东窄西宽，向杭州湾方向以约40°角成喇叭口状展开[3]。西口门喇叭口处的大乌龟—双连山岛断面宽约7.7 km，向东逐渐收缩，至东口门小岩礁处宽度仅约1 km。水域面积约20 km²，平均水深约20.5 m，西口门断面平均水深约9 m，向东不断递增，至小岩礁以东达约30 m，最大水深在60 m以上。洋山港海域工程位置见图1。

图1 洋山港海域工程位置Fig.1 Location of Yangshan Port project

1.2 潮动力

源于北太平洋的潮波以前进波的形式不断传入中国东海[4,5]，其中一部分进入杭州湾和长江口。杭州湾口外岛屿众多，潮流穿越岛屿间的通道，分成数股进入杭州湾，其中北股传向嵊泗和大衢山之间通道，自东向西途径崎岖列岛海域，主控本海域的潮汐运动。由于海域主通道和各汊道走向与潮流主轴方向基本一致，水流能较顺畅地流经该海域。

1.2.1 潮汐特征 对小洋山站十年水位资料进行调和分析，得潮汐的主要半日、全日和1/4日分潮的振幅H (HM2：主要太阴半日分潮M2的振幅，HK1：主要太阴太阳合成分潮K1的振幅，HO1：主要太阴日分潮O1的振幅，HM4：主要浅海分潮太阴1/4日分潮M4的振幅[6])，经统计得潮性判据 (HK1+HO1)/HM2和HM4/HM2分别在0.34 ～ 0.38和0.04 ～ 0.08之间，按海洋水文调查规范规定，属于非正规浅海半日潮。该海域平均潮差2.73 m，最大潮差5.03 m，平均涨、落潮历时分别为5h 51min和6h 34min。

1.2.2 潮流特征 对近百个测次的潮流周日观测资料进行准调和分析计算，得主要半日、全日和1/4日分潮流的椭圆长半轴 W(WM2：主要太阴半日分潮流的椭圆长半轴，WK1：主要太阴太阳合成分潮流的椭圆长半轴，WO1：主要太阴日分潮流的椭圆长半轴，WM4：主要太阴1/4日浅海分潮流的椭圆长半轴，WMS4：主要太阴太阳合成 1/4日浅海分潮流的椭圆长半轴[6]) 海域的半日分潮波 M2和 S2占绝对优势，日分潮波K1和O1其次，浅水分潮波相对较强。判据(WM4+WMS4)/WM2在0.05 ～ 0.15之间，(WK1+WO1)/WM2在0.15 ～ 0.25间，属非正规浅海半日潮流。主要半日分潮流M2椭圆长轴1.00 ～ 1.40 m/s，椭率-0.02 ～ -0.10，往复性极强，流矢基本随潮时顺时针方向旋转，最大流速约在3.00 m/s以上。

1.3 冲淤概况

近百年来，整个崎岖列岛海域以微淤为主要趋势，平均淤积速率约为2.3 cm/a，但淤积趋势在逐渐减弱[7]。20世纪50年代前年均淤高约3.6 cm，50年代至80年代年均刷深约1.6 cm[8]；20世纪80年代后，由于长江、钱塘江来水来沙量大量减少等原因[8-12]，海床有轻度刷深的趋势。21世纪来，该海区主要呈现夏秋季微冲，冬春季微淤的特点[14]。而处在狭道中的小洋山海域在百年来则总体呈轻度冲刷状态[7]。随着洋山港工程的进行，该海域地形发生了较为显著的变化（图2，3）。

2 工程简介

洋山港工程于2002年4月动工，至2003年6月，小洋山—镬盖塘封堵，一期工程完成； 2003年3月开始至2004年6月，封堵大乌龟山—颗珠山汊道，二期工程完成； 2004年8月至2006年7月，先后封堵将军帽—大指头岛汊道，连接镬盖塘—小岩礁岛，并进行东港区抛填成陆工程，三期工程完成，至此北岛链三个主要汊道均被封堵。基于三次堵汊造陆工程将小洋山岛链的各个孤立小岛链接起来，在北岛链形成一长方形港区陆域，并在其南沿形成一长约5.7 km的泊岸线。然而，洋山深水港区所处崎岖列岛海域是高含沙量、强潮流区[15]，大规模的堵汊填土造陆必然会较大地改变海域内的地形特征，形成一新的空间边界，从而引起新建港区内潮动力和泥沙运动的响应，进而发生海床冲淤变化，改变海底地形演变趋势。

3 工程后海域潮动力变化

3.1 潮汐

据工程前、后洋山海域潮汐特征值以及潮汐主要分潮振幅比较(表 1)，工程后平均高潮位略增，低潮位略降，潮差增加了约 3%，表明工程后形成的顺直岸线使潮动力有所增加。但是据各分潮振幅变化情况来看，两个主要半日分潮M2和S2变幅非常小，而两个浅水分潮M4和Ms4的变幅则分别达到60%和75%。另外从潮性判据指标来看，F值变化很小，潮汐性质未变；但G值增幅达50%，表明工程后该海域地形的改变使其浅水潮波增强，非线性效应更加明显。

表1 洋山港区堵汊工程前、后潮汐特征值及潮性指标Tab. 1 Eigenvalues and indices of tidal wave before and after Yangshan Harbor Branchblocking Project

3.2 潮流

3.2.1 流速变化 沿北岸近岸海域，2002年工程前小乌龟—小岩礁纵断面平均落、涨流速分别为104 cm/s和65 cm/s，至2005年东侧北围堤工程 (三期工程前半部分) 竣工后，落、涨流速分别减少34%和31%，其中一期码头前沿分别剧减53%和46%。至2006年第三期工程岸线东延后，落、涨流速分别比2005年增加23%和42%，落、涨流速分别为84 cm/s和64 cm/s，落潮流占优。与工程前相比，落潮流速减小，涨潮流速基本不变，落、涨潮流速比值 (落潮流速/涨潮流速) 由1.58减至1.31，落潮流速优势减弱。

港区主通道喇叭口海域西口宽约7 800 m的断面，工程前 (2002年)落、涨潮均速分别为123 cm/s和105 cm/s；工程中期(2005年)分别减至83 cm/s和77 cm/s；三期工程完成后 (2006年)，分别增至104 cm/s和84 cm/s。东口宽仅100 m的断面，工程前断面落、涨均速分别为117 cm/s和105 cm/s；工程中期减至97 cm/s和104 cm/s，三期工程完成后相应增至116 cm/s和114 cm/s。

3.2.2 呈现弱潮汐环流 北岛链三个汊道封堵后，形成一顺直的侧向新边界，新形成的岸线对近岸区域水流的影响较海域中央更大，因而使海域近岸线区域与中央潮流与潮位的相位发生差异，潮流转流时间不一致，形成特有的弱潮汐环流。根据2005年1月，2005年4月，2007年4月和10月的同步ADCP海流实测资料分析，在转流期间的欧拉流场图中均出现此类弱环流。这种弱环流在涨潮流转落潮流时段为顺时针的环流，而在落转涨时段内则为逆时针方向的弱环流。出现在潮流弱流时段的这类环流，流速比较小，且正处在浮泥主要沉降淤落阶段，对调节港区泥沙冲淤变化具有重要贡献。

3.2.3 通道海域南侧落潮流速相对增大，北侧涨潮流速相对增大 洋山港第三期工程是改变该海域地形程度最大的一次工程，因此从2005年4月（将军帽—大指头岛封堵完成）开始对全海域的流况分四个ADCP走航断面（图1）进行监测。从2005年4月至2006年10月（三期工程完成），据监测资料统计（表2），各断面北端、中间和南端落、涨潮流比值，工程后北端比值减小，而南端增大，这表明通道海域中间和南侧落潮优势持续增强，但南侧增强更加明显；而通道海域北侧落潮流优势却在逐渐的减弱。这种涨潮流优势范围的北偏和落潮流优势范围的南偏明显反应出北港区形成顺直边界以后海域内的科氏力效应增强。

表2 三期工程前后海域涨落潮流速比值变化(落/涨)Tab. 2 Tariation of the ratio of ebb velocity and flood velocity before and after the third project

4 工程后海床冲淤变化

4.1 堵汊后港区前海床的淤积

堵汊前各汊道水流顺畅，流速较大，堵汊后，原流路不复存在，流向为顺新岸线方向，流速剧减，这种流场的变化，必然会导致汊口岸线前沿床底冲淤格局的改变。一期北围堤堵汊工程 (1998.11－2004.04)后，在小洋山前沿产生大片淤积（图2a），淤积面积达581万m2。小乌龟—颗珠山汊道封堵 (2003.03－2004.02)后，在该汊道周围淤积面积约100万m2（图2b）。东侧北围堤堵汊工程 (2005.04－2006.04) 后，由于其堵汊规模最大，导致海域内出现最大规模的淤积，其淤积面积达2 500万 m2（图2c）。由此可见，洋山堵汊各期工程完工后，都在堵后岸线前形成一个相应的淤积体，并对主通道海域产生相当大的影响。

4.2 主通道海床 -10 m等深线变化

主通道喇叭形海域 -10 m等深线的变化反映了工程后海床冲淤变化的基本特征。工程前 (1998.11)-10 m等深线自大山塘西侧北上，至主通道中央向东，延伸到一、二期码头前水域向西北（图3）；而经过三期工程后，-10 m等深线不断波状变化，表明整个海域横向冲淤状况不一致，也揭示水动力结构在空间上具有明显的差异。一、二期工程后 (2004.04)，-10 m等深线南段呈舌状西移，最大移动了约1 400 m，而中段仅略向西移，北段基本不变。对应水动力，该时段海域南部涨、落潮流中，涨潮流相对增强；三期工程东侧北围堤建成后 (2005.04)，-10 m等深线南段继续西移，最大移动了约1 200 m，中段也呈现舌状西移，最大向西移动了1 500 m，而北段仅略向西移。对应水动力，该时段海域南部和中央，同样因为工程后涨潮流速相对增强，落、涨流速比值南部由1.29减至1.14，中央由0.88减至0.80；而北部落潮流相对略微增大，由0.68增至0.70。三期工程后阶段，汊道全面封堵，镬盖塘—小岩礁形成岸线（2006年4月）后，-10 m等深线南段突然转为东退，最大东移了2 600 m，基本回到工程前1998年的位置。对应潮动力，落潮流相对增大更快，落、涨流速比值达1.38，而-10 m等深线北段则明显向西推进，期间潮动力分别是涨潮流相对增大，落、涨流速比值减至0.63。三期工程全面结束后，经约9个月的调整（2007年4月），海域南侧-10 m等深线继续东退，而北侧则较2006年4月西进，整个海域呈现南淤北冲的格局。而这段时间内海域中央和南侧落潮流优势相对增强，而海域北侧涨潮流优势相对增强。

图2 洋山港区堵汊工程后海域冲淤变化Fig. 2 Silting and scouring variation in the seabed after three branch plugging projects in Yangshan Port

从上述实测通道水深和潮流资料分析表明，海床冲淤变化与工程后潮流结构变化密切相关，在本海域地形西浅东深的状况下，当落潮流相对增强，海床随流向自西向东逐渐淤涨，而当涨潮流相对增强时，海床则随流向自东向西刷深。

5 结 论

a) 崎岖列岛洋山港工程经一、二、三期工程后，将小洋山岛链四个主要汊道中的三个进行封堵，并在其南沿形成长达5.7 km的顺直岸线。汊道的封堵及顺直岸线的形成改变了海域内水流运动的底、侧边界条件，明显的增强了潮波运动的浅水非线性效应，潮流速也做相应的调整，并在潮流的转流时期形成特有的潮汐弱环流。同时海域北岸顺直岸线的形成增强了潮流运动中的柯氏力效应，造成主通道海域北侧涨潮流相对增强而南侧落潮流相对增强。

图3 洋山海域-10 m等深线变化Fig. 3 Change of -10 m isobath in Yangshan seabed

b) 工程后潮流场的变化同时必然会得到海域内地形冲淤的响应。每封堵一个汊道后，汊道前流速迅速减小，弱流范围的扩大和时间的延长导致在相应的区域形成大片淤积。同时，海域内的-10 m等深线也随着流场的改变不同程度的东西向呈现波状推动，工程后随着水沙运动不断调整，形成了当前洋山港水域北侧微冲而西南侧微淤的海床冲淤格局。

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Preliminary research on the impact of blocking branch on the topography of seabed in Yangshan Port

YANG Zhong-yong, LI Na, YU Zhi-ying, CHENG He-qin, LI Shen-duo

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

On the basis of statistic analysis of observational data from a series of ADCP cross-section as well as fixed-point in Yangshan Port, this thesis discusses the change of hydro-dynamic affected by Ⅰ-Ⅲ projects in Yangshan Port and its effect on the erosion and deposition of seabed. The results indicate that plugging and reclamation among Xiaoyangshan-Huogaitang, Dawugui-Kezhushan, Jiangjunmao-Dazhitoudao shape an approximate rectangular land based on Xiaoyangshan islands chain, and shape an approximate 5.7 km straight coastline on its southern margin.As the bottom and side boundary conditions of tide movement change, the flow filed changes subsequently, enhancing the nonlinear effect and Coriolis force effect of tide movement. In the area where hydrodynamic environment is mainly controlled by dynamical tide, the tidal velocity turn significant reduction in the first and later returns with the project work. Tidal general circulation is formed during weak flowing time after the project, and the flood tidal velocity is enhanced in the north area of the sea and ebb tidal velocity decreased in the south. The silting and scouring environment changes subsequently, a slight scouring takes place in the north area and silting takes place in the southwest. The 10 meter depth contour in the sea also takes on undulance movement in the east-west direction.

Yangshan Port; Branch Plugging Project; change of hydro-dynamic power; nonlinear effect; erosion and deposition in the seabed

TV148

A

1001-6932(2010)02-0166-06

2009-04-10；

2008-08-08

国家自然科学基金项目(40776056)资助

杨忠勇 (1984－)，男，重庆人，硕士研究生，专业方向：河口海岸工程地貌与环境。电子邮箱：ayong0710@163.com

李身铎 (1938－)，男，教授，电子邮箱：lliisd@163.com