长江口横沙浅滩挖入式港区的规划思路和关键技术

丁平兴， 李树国

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引 言

上海港依托长江三角洲和长江流域广阔腹地，是我国最早对外开放的口岸之一.由于黄浦江吴淞导堤等整治工程的成功实施，给合长江口铜沙浅滩（今横沙浅滩）航道的疏浚，在20世纪30年代上海港已确立了亚洲国际航远中心的地位，通行当时国际海运最大等级（吃水9 m）的万吨巨轮.以后，由于战乱和帝国主义封锁等原因，港口运输萎缩.直至20世纪70年代我国改革开放，上海港重新焕发出勃勃生机，港区规模扩大，呑吐量快速上升.但是，由于受到长江口拦门沙的制约，通海航道水深始终在7 m上下徘徊，不仅明显滞后于国内其他沿海重要港口的发展，也与世界海运业持续已久的船舶大型化和散杂货运输集装箱化的潮流脱节.从20世纪90年代起，在浦东开发开放的国家战略推动下，随着长江口北槽12.5 m深水航道治理和洋山深水港建设两项跨世纪伟大工程的建成投运，大大缓解了上海港水深和集装箱泊位能力不足的困境；上海港再次成为东北亚囯际航远中心，并从2005年和2010年起，全港货物吞吐量与集装箱吞吐量分别跃居世界第一.

进入21世纪后，随着我国中西部崛起国家战略的加速推进，长江黄金水道（包括12.5 m深水航道）向上延伸到南京规划的实施，上海港务集团在长江沿线对集装箱内陆口岸的布局，以及国际金融危机和航运市场竞争催生的国际集装箱和散货运输船舶的进一步大型化等，这些都要求上海以更高的标准加快国际航运中心和上海港国际航运枢纽港的建设.国务院［2009］19号文对上海提出明确要求：“到2020年，基本建成航运资源高度集聚、航运服务功能健全、航运市场环境优良、现代物流服务高效，具有全球航运资源配置能力的国际航运中心；基本形成以上海为中心、以江浙为两翼，以长江流域为腹地，与国内其它港口合理分工、紧密协作的国际航运枢纽港；基本形成规模化、集约化、快捷高效、结构优化的现代化港口集疏运体系，以及国际航空枢纽港，实现多种运输方式一体化发展；基本形成服务优质、功能完备的现代航运服务体系，营造便捷、高效、安全、法治的口岸环境和现代国际航运服务环境，增强国际航运资源整合能力，提高综合竞争力和服务能力”＊.按照目前国际海洋运输的现状和发展要求，以及上海港的现状，上海要继续保持和强化国际航运中心和国际航运枢纽港的地位，必需拓展港口空间，扩大港口规模，并建成一批水深在20 m以上的集装箱及散货泊位，以及与之配套的20 m以上的深水航道，以适应1.8万TEU的集装箱船和40万t级散货船进出.华东师范大学陈吉余院士和交通部刘济舟院士曾提出在长江口北槽外吹填疏浚土建设人工岛的规划方案［1］，开创了跳出长江口，在外海建立上海新港的先河.

受陈吉余—刘济舟的人工岛规划方案和我们过去从事连云港扩建工程、长江口深水航道整治工程、洋山深水港建设工程等海港工程的研究启迪，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室与中交第三航务工程勘察设计院有限公司，成立专题研究组，针对长江口及外海沉积、地貌、水沙运动的特点，提出了在横沙浅滩建设大型半封闭海湾，即挖入式港区的上海新港建设方案，并开展了相应的自然条件与工程技术方面的论证研究工作.研究成果得到国内交通、港口、海岸工程等方面的著名专家、院士的充分肯定和高度评价［2］.

本文主要介绍在长江口横沙浅滩建设挖入式港区的规划思路和关键技术.有关港区建设的必要性论证、横沙浅滩及邻近海区的自然条件分析、挖入式港区与进港航道回淤分析以及港区建设对周边流场和生态环境的影响等在本专辑中各有专文论述.

1 横沙浅滩挖入式港区的规划思路

长江河口“三级分汊，四口入海”，航运资源丰富.历经12年的长江口深水航道整治工程极大地提高了南港－北槽航道的通航能力，改善了安全航行条件.长江口航道管理局［3］提出的近期重点发展“一主两辅一支”航道规划得到交通运输部的批复，其中“一主”指长江口南港北槽深水航道，“两辅”指北港航道和南槽航道，“一支”指北支航道（见图1）.与此同时，12.5 m深水航道向上游延伸到南京的工程和畅中游的航道治理工程正在实施.

图1 长江口航道规划示意图Fig.1 The navigation channel plan in the Yangtze Estuary

但由于受长江河口拦门沙、最大浑浊带以及整治工程后滩槽泥沙交换格局变化等影响，北槽12.5 m深水航道目前回淤严重；北港航道和南槽航道的整治还停留在规划论证阶段，且规划的目标水深均不超过10 m.为适应世界航运业的船舶大型化、泊位深水化发展的要求，在长江河口开辟深水大港，解决目前上海港没有超20 m深水航道和码头的困境，必需另辟蹊径.为此，我们研究组通过反复研究、论证、比较，形成以下规划思路：

（1）选择北槽与北港之间，水文、泥沙、沉积、地貌与工程地质等自然条件较为优越［4－7］，离口外深水海域和国际航线最近（距20 m深水区只有17 km），能够通江达海，具有优越江海联运条件的横沙浅滩建设新港区（见图1和图2）.

（2）为避开长江河口拦门沙与最大浑浊带以及破波带掀沙影响、获取深水岸线和泊位以及利用长江口深水资源，采用挖入式港区的港口形态.通过圈围浅滩，将港区口门布置到破波带以外的低含沙浓度区，使港区仅承接纳潮量进沙；通过港区内水陆域合理布置，形成包括水深20 m以上的大量深水码头岸线、长江货运泊位和港区陆域，实现江海联运零距离对接.

图2 上海新港址位置Fig.2 The map of new harbor plan in the Yangtze Estuary

图3 横沙浅滩大型挖入式港区规划示意图（北线方案）Fig.3 The sketch map of excavated－in harbor basin in the Hengsha Shoal（The North Line Scheme）

（3）整体规划，分期建设，分期形成码头能力，实现滚动开发.

按此规划理念提出的规划方案如图3和图4所示［8］，港区内可布置150个包括20 m以上水深的深水海轮泊位和100个长江驳船、货船泊位，可满足上海港今后20～30年的持续发展需要，维持、强化上海港作为国际航运中心和国际航运枢纽港的地位.

图4 横沙浅滩大型挖入式港区规划示意图（南线方案）Fig.4 The sketch map of excavated－in harbor basin in the Hengsha Shoal（The South Line Scheme）

在浅海建设大型挖入式港区的建港模式，在国内外多个淤泥－粉砂质海岸港口中都有成功的应用［9－11］.从技术角度看，在长江口横沙浅滩建设挖入式港池有以下一些优点：

（1）港区主要为纳潮量进沙，只要将港区口门布置在波浪破碎带之外的含沙量低值区就可有效减少港区进沙；且港池内泥沙滩槽交换少，只要港区水域布置得当可以有效控制港池内的泥沙回淤强度.在多沙海域环境中，挖入式港区通常优于通道式港区布置.

（2）挖入式港区可以有效规避长江口拦门沙和最大浑浊带影响，在港池内可以开挖20 m或更深的深水泊位，解决目前上海港没有超深水航道和码头的困境，适应世界航运业的船舶大型化、泊位深水化发展的要求.

（3）挖入式港区的围堤主要顺横沙浅滩－2 m～－3 m等深线布置，南以北槽北导堤、西以N23促淤堤为界，北与北港航道整治规划中的南导堤为界.围堤工程主要在水深较浅的浅滩布置，可避免大量的深水筑堤，工程量小且施工难度低；港区北围堤可以与江海联运码头的驳岸线和北港航道整治的治导线结合考虑，协调布置.

（4）挖入式港池的水域开挖可就近提供大规模陆域形成所需的优质土源，大大节省陆域回填成本；同时北槽深水航道的疏浚土也可用于横沙浅滩挖入式港池的前期促淤成陆和后期陆域加高，这对于降低北槽深水航道的维护成本和横沙浅滩挖入式港池建设无疑是互利双赢的好事.

（5）由于挖入式港池形成的港区范围大，单位护岸长度所取得的港区面积，即堤长与面积之比比较经济，建港的综合成本较低；港区圈围形成后，可分期建设，分期取得效益，滚动发展.

（6）由双堤环抱形成的挖入式港池具有水域平稳，泊稳条件好，年作业天数多的优点，可避免在开敞海域建港例如外海人工岛防浪掩护条件差，深水防波堤造价昂贵的不足.

（7）横沙浅滩圈围，消除了该浅滩风浪掀沙对北槽的泥沙供应，有利于北槽深水航道的维护.

不足之处是，目前规划港区水体的自净能力可能不及通道式港区.为有利于规划港区内外水体交换和扩大江海联运条件，我们提出在北线方案基础上的优化方案（见文献［8］）.

2 横沙浅滩挖入式港区规划的关键技术

2.1 挖入式港池与入海航道的回淤强度必需可控

横沙浅滩挖入式港池与入海航道规划设计的关键技术之一是回淤问题.由于挖入式港池及入海深水航道各自的动力条件、泥沙供给方式不同，需要分开进行计算.对于挖入式港池，我们［2，12］分别采用《JTJ 213－98海港水文规范》附录N－淤泥质海岸港池的淤积计算公式N.0.3、金鏐等［13］提出的底切应力计算模式和曹祖德［14］提出的计算公式进行初步估算；对于入海航道，分别采用海港水文规范公式及底切力模式两种方法进行初步估算；并就台风和寒潮天气下港池与入海航道的回淤进行估算.

若把港池口门放置于－7 m处，该处多年年平均含沙量为0.3 kg／m3，挖入式港池与入海深水航道年回淤强度与总淤积量见表1和表2.

表1 挖入式港池年回淤计算结果（北线方案）Tab.1 The computing results of annual deposition amount in the excavated－in harbor basin（The North Line Scheme）

表2 入海航道年回淤计算结果（北线方案）Tab.2 The computing results of annual deposition amount in the outer navigation channel（The North Line Scheme）

由于挖入式港池及入海航道所在的横沙浅滩及口外区域易受夏季台风和冬季寒潮大风的影响，我们分别釆用海港水文规范、底切力及纳潮淤积公式估算如大风天气持续影响5 d，－7 m处平均含沙量平均提高5倍，即在1.5 kg／m3情况下的港池回淤量和入海深水航道回淤量.计算结果分别为：港池总回淤约为165～260万m3，入海航道总回淤约100万m3［12］.

通过定量比较发现［2］，挖入式港池与入海航道的回淤强度，与港区口门位置关系密切.将口门位置从－5 m移至－7 m，港池回淤强度几乎可减少一半.因此，如何优化横沙浅滩挖入式港池和入海航道的平面布置至关重要，还需开展深入的研究及方案比选.

2.2 港区布局应避免对长江口深水航道产生负面影响

横沙浅滩挖入式港区规划的一项基本原则是不能对已建成的长江口北槽深水航道有负面影响.显然，横沙浅滩的成陆与挖入式港区的建设，可以基本消除横沙浅滩波浪掀沙进入北槽深水航道，有利于北槽深水航道的维护.但挖入式港区外轮廓线与入海航道的布置还需注意顺应横沙浅滩的发育规律和浅滩前沿的自然条件，避免对北槽深水航道出口段流场过多的干扰以及产生不利影响.

为此，我们提出了南线、北线二个规划方案［2，8］，然后采用国际上先进的、适合于河口海岸复杂地形的FVCOM模型［15，16］，分别计算并讨论南线、北线二个规划方案对周边流场，特别是对北槽深水航道的影响.

计算结果表明［17］，北线方案堤线主要沿－2 m等深线布置，北槽航道出口段及北槽中、下段涨、落急流场与无横沙浅滩挖入式方案时相比无明显变化；北槽北导堤下段与挖入式港区南堤之间三角区将出现局地环流，涨潮流时环流为顺时针向，对北槽口门段涨潮流有一定的分流抑制作用，而在落潮流期间，环流为逆时针向，对北槽口门段落潮流有一定程度的汇流加强作用，上述流态对北槽航道减少涨潮进沙，强化落潮出沙应属有利.南线方案围堤堤线与－2 m等深线更为贴合，流向归顺，北导堤下段与挖入式港区南堤之间的三角区范围很小.但挖入式港区圈围东南侧堤以及进港航道离北槽出口以及北槽口门外航道较近，对北槽口外深水航道的维护可能有一定程度的影响；同时，出口段两条航道基本共线，也不利于船舶航行安全.

此外，南线、北线二个规划方案在入海航道都有较为明显的跨越航道的横流，除易引起回淤加大外，对通航环境和通航安全的影响必需引起注意.

2.3 规划方案对周边生态环境的影响可控制并降之最小

尽管横沙浅滩挖入式港池与入海深水航道在自然条件、建设和运营条件以及施工技术上有一系列优势，应基本可行，但毋庸置疑，横沙浅滩的圈围及挖入式港池与入海航道建设对于水生生物的栖息、鱼类的索饵与洄游等会有所妨碍，施工和营运对于周边生态与环境也会有一定影响.但其影响程度多大？范围多广？能否可控？如何修复和补偿？均需做专门研究与评估.所以，优化横沙浅滩挖入式港池和入海航道的规划方案，把其对周边生态环境的影响降低到最小程度，也是横沙浅滩挖入式港区规划的关键技术之一.

3 结 语

（1）面对长三角，特别是长江流域社会经济发展对上海港的扩能要求和船舶大型化的新挑战，以及上海港港区及航道水深不足、吞吐能力饱和、深水岸线匮乏、土地资源短缺、市内交通紧张的局面，建设新的大型港区和一批水深达到和超过20 m的超大型集装箱及散货泊位，是上海维持和强化国际航运中心和国际航运枢纽港地位的战略要求，应抓紧谋划.

（2）横沙浅滩自然条件较为优越，离口外深水海域和国际航线最近，能够通江达海，实现江海无缝连接，是上海开辟新港区的最佳场所；建设挖入式港区，浅滩圈围成本低、施工方便；港池掩护条件好，泊稳条件容易满足；港池及入海航道可以规避长江河口拦门沙与最大浑浊带影响；若将港区口门布置到破波带以外的低含沙浓度区，港池及入海航道回淤强度较低；通过港区水陆域合理布置，可形成包括水深20 m以上的大量深水码头岸线，满足上海港今后20～30年的持续发展之需，维持、强化上海港作为国际航运中心和国际航运枢纽港的地位.

（3）目前，可把北槽深水航道的疏浚土用于横沙浅滩的前期促淤成陆，这对于降低北槽深水航道的维护成本和横沙浅滩挖入式港池建设应是互利双赢；挖入式港池水域的开挖可就近提供大规模陆域形成所需的优质土源，大大节省陆域回填成本；北港航道整治规划中的导堤建设可与横沙浅滩挖入式港区建设结合，其中北港航道南导堤与横沙浅滩挖入式港池北围堤可一并考虑.

（4）规划方案是否会对长江口深水航道工程产生不利影响是方案论证的重要内容.初步的工作成果表明，从潮流场来看，对深水航道的维护不会产生明显不利的影响；而且由于横沙浅滩的成陆，减少了横沙浅滩部分泥沙进入北槽航道，有利于北槽深水航道的维护.

通过初步论证，我们感到选择在横沙浅滩建设挖入式港区，在海床稳定性条件、围堤建设条件、港区及水域形成条件、泊位及航道等级及港口规模、港口及航道回淤条件、港内泊稳条件、港口集疏运及江海联运条件等方面，都有着显著的优点，是一个大有希望的方案.但是，要达到设计方案的深度，还需要大量研究工作的支撑.就自然条件分析方面，我们初步考虑至少要开展以下几方面的深入研究：一是围绕横沙浅滩挖入式港池方案对现场进行专门的勘察与调查，加深对横沙浅滩周围及邻近海域水文、泥沙运动，沉积、地貌过程和工程地质的认识，包括长江口外，尤其是北港以外海岸地貌的成因、工程后河口拦门沙演变趋势的研究和预测；二是长江口汊道（主要是北港、北支）演变趋势及北港航道整治治导线与挖入式港区北侧驳岸线的研究；三是港区平面布置和入海深水航道建设方案的优化，深挖槽大风天浮泥生成、运动规律的研究；波、流、泥沙综合三维数学模型的研究与完善；四是强化河口及海洋生态环境方面的研究，其中包括：横沙浅滩建港对河口湿地总体效应的研究，不同港区平面的港区内水体交换、环境容量的数值模拟研究，工程所在区域的河口、海岸渔业及生态动力学，以及生态修复技术的研究；全球变化及极端气候事件频发的环境影响等.上述这些方面需要有关部门组织各方面力量进行.我们也将责无旁贷，发挥专业及人才优势，继续积极地参与.

致谢 此项工作得到同盛集团原副总裁、洋山港指挥部原指挥归墨教授级高工的指导，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室和中交第三航务工程勘察设计院领导的支持；专题研究组虞志英教授、邵荣顺教授级高工、金镠教授、李身铎教授、徐海根教授、葛建忠博士等倾注了近二年的努力，金镠教授审阅全文并提出了许多建设性的修改意见，在此一并致以感谢！

［1］ 陈吉余，刘济舟.关于利用长江口深水航道工程疏浚土填筑人工岛的建议［R］.上海：华东师范大学，2005.

［2］ 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室.上海国际航运中心横沙浅滩挖入式港池规划方案研究报告［R］.上海：华东师范大学，2012.

［3］ 交通运输部长江口航道管理局.长江口航道发展规划［R］.上海：交通运输部长江口航道管理局，2010.

［4］ 李身铎，朱巧云，虞志英.长江口横沙浅滩及邻近海域水动力特征分析［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：25－41.

［5］ 徐海根，虞志英，钮建定，等.长江口横沙浅滩及邻近海域含沙量与沉积物特征分析［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：42－54.

［6］ 虞志英，张志林，金鏐，等.长江口横沙浅滩挖入式港池与入海航道区域海床稳定性分析［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：55－71.

［7］ 中交第三航务工程勘察设计院有限公司.上海新港区选址（横沙）项目研究前期工作报告［R］.上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2012.

［8］ 邵荣顺，程泽坤，丁平兴，等.长江口横沙浅滩挖入式港池方案的研究［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：17－24.

［9］ 吴今权，董文才.京唐港选址与规划，唐山港京唐港区粉沙质海岸泥沙研究与整治［M］.南京：河海大学出版社，2009：3－18.

［10］ 顾民权.曹妃甸取沙造地和建设挖入式港池［J］.港工技术，2007（6）：12－17.

［11］ 李晓铳，陈有文，郑斌.大型挖入式港池布局要点分析［J］.水运工程，2006（9）：68－70.

［12］ 葛建忠，金鏐，丁平兴，等.长江口横沙浅滩挖入式港池方案泥沙回淤估算［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：106－119.

［13］ 金镠，虞志英，陈德昌.淤泥质海岸浅滩人工挖槽回淤率计算方法的探讨［J］.泥沙研究，1985（2）：12－19.

［14］ 曹祖德，杨华，张书庄.环抱式与挖入式港池的纳潮淤积计算［J］.水道港口，2008，29（2）：77－81.

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［17］ 葛建忠，郭文云，丁平兴，等.长江口横沙浅滩挖入式港池对流场的影响分析Ⅱ：对周边流场影响［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：91－105.