长江口横沙浅滩挖入式港池方案的研究

2013-10-31邵荣顺程泽坤丁平兴葛建忠虞志英

华东师范大学学报（自然科学版） 2013年4期

邵荣顺，程泽坤，丁平兴，葛建忠，虞志英，俞灵

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

0 引言

上海港要发展，目前面临着严峻的挑战：吞吐能力饱和，深水岸线已用尽，土地资源短缺，城市交通紧张；上海港可持续发展的空间几乎枯竭，到了无路可走的境地.上海港目前还没有20 m水深的航道和泊位，随着1.8万箱超大型集装箱船和40万t超大型矿石船舶的问世，上海港面临严峻的挑战.为了落实国务院关于上海国际航运中心建设2020年的总体目标，满足上海市和长江流域经济发展的需要，适应船舶大型化的需要，规划有20 m以上水深的深水航道和泊位的新港区，并优化海进江运输系统，进一步发挥上海国际航运中心作为国际航运枢纽的龙头作用，是十分必要的.

中交第三航务工程勘察设计院有限公司与华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的专家学者通过近2年努力，于2012年10月完成了《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》［1］.本文介绍其中横沙浅滩挖入式港池规划方案与平面布置.

1 工程区的概况

1.1 地理位置

横沙浅滩挖入式港池规划位置位于122°05′～122°30′E、31°05′～31°17′N；西起横沙东滩N23潜堤向东至外海的－20 m等深线；北靠北港入海口、南至长江口深水航道W4—W5外航道（见图1）.规划的挖入式港池地处北港和北槽入海水道之间的横沙浅滩，水深－5 m以内，处在长江入海泥沙扩散、堆积的拦门沙地区；规划的深水航道是在港池口门以东至长江口外海滨－20 m等深线之间.

图1 挖入式港池规划南线方案Fig.1 The South Line Scheme of excavated－in harbor basin

1.2 潮汐潮流

规划海域潮汐主要受控于东海的半日潮波系，因而一周日内出现两涨两落的水流；同时又受黄海日潮波系的影响，从而涨落中呈现明显的日不等现象.根据牛皮礁站资料（潮位基面为吴淞零点）统计分析，本海域的历史最高潮位5.27 m，历史最低潮位－0.77 m；最大潮差5.17 m，平均潮差2.77 m；平均高潮位3.45 m，平均低潮位0.65 m；设计高潮位4.69 m，设计低潮位0.55 m.

在北港和北槽的水道中及其附近，潮流基本呈较强的东西向往复流动，且转流时段较短；而在－10～－20 m海域，潮流极具旋转特性，即逐时流矢一般按顺时针方向旋转，流速自口门向外海逐渐递减.北港口门约－5 m水深处，表层平均涨、落潮流速分别为0.94 m／s和1.47 m／s；口外－15 m处分别为0.64 m／s和1.07 m／s；北槽口内涨、落潮流速分别为1.18 m／s和1.79 m／s，口外涨、落潮流速同为0.98 m／s；落潮流速大于涨潮流速，规划航道的走向与涨落急主流流向基本一致.

1.3 波浪

长江口地区以风浪为主，涌浪次之.常浪向NNE向，频率为10.25%，次常浪向为SE和N向，频率各为8.75%，涌浪主要出现在NE—SE向，占涌浪出现频率的57.5%.

长江口风向、浪向季节变化十分明显，冬季以NW向浪为主，夏季以SSE向浪为主，春季以SE和SSE向浪为主，秋季以NE向浪为主.海区经常性大浪破碎带外缘在－3～－5 m处.

佘山站和引水船站多年平均波高为0.9 m，常浪向在NNE—ENE之间，大浪出现在台风期，7413号台风期间引水航站实测最大波高为4.8 m（NE向）；7708号台风期间，佘山站实测最大波高为5.2 m（ENE向）；波高2.0m以上的大浪为偏北向浪，偏南向只偶尔出现.

1.4 泥沙

长江口来沙量丰富，但近年长江流域来沙量明显趋少，1950—1984期间年平均输沙量为4.72亿t，而2000—2009年期间仅为1.92亿t，其中2006年及2011年的年输沙量分别仅为0.88亿t和0.72亿t.据大通站资料统计：洪季（5月—10月）输沙量占全年的81.2%，枯季（11月—次年4月）仅占18.8%，输沙量峰值一般出现在7月份，占全年21.9%；2月份最小，仅占0.6%.长江口外的主要泥沙来源是长江口及口外边滩的波浪掀沙.

长江口外海域常年平均悬沙浓度约0.4 kg／m3，空间分布见［文献2］图3.分布特征是：西高东低、南高北低、浅水大于深水、底层大于表层.冬高夏低、季节变化显著，其季节变幅随水深而异.长江口外悬沙分布可以－10 m等深线为界，以西含沙量相对较高，平均含沙量≥0.5 kg／m3；以东悬沙等值线分布与等深线走向一致，平均含沙量0.3～0.1 kg／m3；在31°15′N以北，－15 m等深线以东挖入式港区深水航道所在水域，悬沙浓度洪季约0.3 kg／m3左右，枯季约0.4 kg／m3.

1.5 海床稳定性

挖入式港池所在地横沙浅滩，西与横沙东滩相连，历史上曾与九段沙连在一起称为铜沙浅滩.20世纪50年代初的两次特大洪水作用，使北槽上下贯通，成为新的入海通道.此后数次洪水作用，加大了北槽的发展，促使横沙东滩与横沙浅滩间串沟的形成扩大.1998年开始深水航道工程，横沙东滩和横沙浅滩受北导堤拦沙、导流和堵汊影响下而彼此相连，并在北导堤北侧形成沿堤流而发育沿堤沟槽，成为横沙浅滩向海域水沙的通道.2003年于横沙东滩窜沟以东修建的N23促淤潜堤等工程，横沙浅滩西部和南部被N23堤和北导堤所固定，而浅滩此侧受北港水流和波浪共同作用，产生自然冲淤.据5 m等深线变化，于N23潜堤以西的横沙东滩北侧滩坡受北港主泓冲刷而后退，形成凹岸陡坡.主泓向东于横沙浅滩，使横沙浅滩北沿趋于稳定淤浅.而浅滩东南侧受波流冲刷，5 m线内缩，被冲泥沙向东南延伸淤浅，使5 m等深线从2002—2010年向东南方向移动约为3 km，在该期间横沙浅滩－5 m面积从269 km2扩大到302 km2［3］.

规划航道附近海床稳定性主要取决于所在海域的水动力条件、泥沙来源和地形的冲淤特征之间是否相互适应.从1958—2009年50年资料对比来看，水深在10～20 m处是稍有淤积的，在20～30 m区间冲刷，年均冲淤幅度仅2～4 cm，表明长期以来海床基本上是稳定的.从2002—2010年期间，水深10～20 m区间是有所冲刷的，年均冲刷仅10 cm，水深5～10 m处是淤积的，幅度0.6 m，年均淤积7 cm，表明近期在规划航道附近海床是略有冲刷的，海床基本是稳定的，近岸段略有冲淤，幅度不大［3］.

1.6 工程地质

参考长江口深水航道整治工程的多次勘探资料，本区上层覆盖为第四纪全新世近代冲积－滨海相的以细颗粒为主的粘土堆积物，无基岩出露，属软土地基.本次在规划的挖入式港池口门－5 m处进行了地质钻孔［4］，发现水深－5～－10 m处为粉细砂，－10 m以深为淤泥质粘土，可见港池和外航道可挖性好.本海域悬移质d50为0.01 mm，河床质d50为0.006～0.008 mm，含泥量在50%以上，属于淤泥质海岸，浅滩以上的深槽大风天发生泥沙骤淤往往以浮泥形式出现.由于浮泥生成、运移的特性，大风天发生骤淤碍航的可能性不大.

1.7 风

该地区全年以偏N风最多，风向NNW－N－NNE三个方向频率为30%，其次是偏SE向，WSW风出现频率最少，SW－WSW－W三个方位频率为6%.

引水船站年平均风速为7.2 m／s，以NW风为最大，达9.1 m／s.最大风速一般出现在夏季及初秋的台风季节，风向多偏N，引水船上测得的最大风速达30.3 m／s.

长江口地区属于受台风影响频繁的区域，根据资料统计［5］，自1884年至2005年共121年间，影响上海地区的台风共发生225次，平均每年发生约2次.风向以偏N风（包括NNW和NNE向）为主，偏E向和S向其次，风力为8～9级占最多，风力≥10级也占有一定的比例.台风影响下瞬时极大风速可达44 m／s，出现在1915年7月28日.台风出现在每年的5—10月，主要集中在7—9月三个月，占全年的90%以上.大风持续时间约为2～3 d，长的可达5～6 d.

在1980—1996年间，受寒潮过程的影响共45次，平均每年2.6次，最多的年份有7次（1980年），最少为1次.每年寒潮影响时间为1～2 d.年内以12月份最多（平均0.76次），其次是1月份（平均0.59次）.寒潮最早出现在11月上旬（1985、1992和1995年），最晚在12月中旬［6］.

2 横沙浅滩建设上海新港区的优势

长江口是喇叭形的河口，目前三级分叉，四口入海，即有北支，北港，北槽和南槽四个入海通道.并形成了崇明东滩（577 km2），横沙浅滩（493 km2），九段沙（377 km2）和南汇东滩（509 km2）等四大浅滩的滩槽相间的河口地貌.作为濒海陆地的四个浅滩，其中崇明东滩为上海市级鸟类自然保护区，九段沙为上海市级自然保护区，南汇东滩与上海浦东相连，通过大规模滩涂围垦成为上海市重要的土地后备资源，但近岸水域水深较浅.按长江口航道规划目标［7］，南槽航道作为5万t级以下中、小型船舶的通海航道.横沙浅滩，为本次规划的浅滩.

2.1 区位优势

横沙浅滩位于长江入海口，处在我国海岸线中部与长江的交汇点，出海可直接与我国南北航线和国际航线相接，沿长江口连接我国中西部和长江流域，通江达海，具有良好的江海中转联运开发条件，是发展上海国际航运中心国际物流中转枢纽的理想区域.

横沙浅滩最靠近外海深水区，距－20 m等深线仅17 km，在本规划大型港区和航道可以充分利用长江口外的深水资源.

2.2 土地资源的优势

横沙浅滩滩面平坦，－5.0m以上的滩地面积493 km2，滩势稳定，目前横沙东滩1—4期促淤圈围工程已经完成，＃23丁坝以东滩地面积320 km2尚未围垦，处于潮水淹没的潮间带，是规划挖入式港池的理想区域.同时由于滩涂面积大，为规划大型港区提供了足够的陆域.

2.3 岸线资源的优势

横沙东滩和横沙浅滩北岸为未开发的北港航道的下段，北港河势稳定，岸线平直微弯，水深良好，有13 km长的天然岸线，可规划长江泊位52个.在横沙浅滩规划挖入式港区，可提供具有－20 m及以上的深水岸线80 km，建成大型深水泊位145个.

2.4 航道资源的优势

横沙浅滩北靠北港航道，南贴长江口深水航道，距外海－20 m等深线仅有17 km，具有20 m水深的出海航道，港区通江达海，具有良好的江海联运的水运条件.

2.5 陆域形成的土源的优势.

横沙浅滩的陆域形成可以吸纳长江口深水航道的疏浚土.目前，长江口深水航道每年维护量在8 000万m3以上，而疏浚土的利用率仅为20%.横沙浅滩的陆域形成利用长江口深水航道疏浚土既减少了资源浪费，还有利于减少海洋污染，从而减少对海洋的污染.

2.6 集疏交通十分便利

横沙浅滩的西侧长兴岛已经建成了上海至崇明的越江隧道和大桥，横沙浅滩开发后，集疏运交通将十分便利，水上有长江口深水航道和北港航道，海上有规划的深水外航道；陆上可利用北导堤扩建公路，在横沙岛上建越江隧道或者桥梁与上海至崇明的越江隧道相接，解决与上海市的集疏运问题，繁忙的江海联运和大量的集装箱中转则可避免穿越市区.

鉴于横沙浅滩具有的区位优势，靠近外海的浅水区，具有广阔的滩涂资源，以及集疏运交通便利的江海联运，因此是理想的大型深水港区的港址.目前，横沙浅滩尚未开发，又不在自然保护区范围内；横沙浅滩的开发也符合水利部长江水利委员会［8］2008年3月批准的“关于长江口综合整治开发规划”，有利于长江口河口的稳定和安全.因此，上海新港址选择在横沙浅滩是比较理想的.

3 横沙浅滩挖入式港池规划方案

3.1 挖入式港池方案

横沙浅滩位于长江出海口，－5 m东端距外海－20 m等深线仅有17 km；北靠北港航道，南邻长江口深水航道，通江达海，地理位置优越，具有良好的江海中转联运条件.

横沙浅滩滩面平坦，滩面稳定，－5 m以上的滩地面积为302 km2，东西长47.4 km，南北宽10.4 km.目前已进行了五期促淤围垦，具有广阔的滩涂资源，可以为新港区提供足够的水域和陆域，满足更多的深水码头布置.

大规模围堤修筑可在中低滩进行，避免如外海人工岛那样昂贵和技术难度高的深水筑堤，通过港区自身挖填平衡形成港区水域和陆域，并可补充吸纳长江口深水航道疏浚弃土，陆域形成土源的土质总体较好，减少地基处理的大量投入.

与外海开敞式人工岛相比，挖入式港池可以避免外海风浪的侵袭，水域平稳，码头泊稳条件和航运条件良好，而外海人工岛难以形成良好的靠泊、作业条件，需修筑昂贵的深水防浪堤.

横沙浅滩圈围成封闭的港池，消除了滩地波浪掀沙，有利于减少北槽的深水航道的泥沙来源.

3.2 挖入式港池平面布置

（1）南线方案（见图1），外轮廓线主要顺延横沙浅滩－2 m等深线，但靠近北槽，从流场数模结果来看［9］，对已建成的长江口深水航道有一定的影响.规划的深水航道（－23 m）长度达31.2 km.航道段处于淤积区内，回淤状况相对较为复杂.况且规划航道出入口与目前长江口深水航道出口段共线.通航密度较大，因此南线方案问题较多.

（2）北线方案（见图2），为避免对长江口深水航道产生负面影响，港池规划方案尽可能离北槽远些.经流场数模分析［9］，北线方案对北槽的影响较小.规划的－23 m深水航道长度为17 km，大部处于海床冲刷区，其泥沙回淤量不大；规划的深水航道与北港航道有较好的结合，可以作为推荐方案.

图2 挖入式港池规划北线方案Fig.2 The North Line Scheme of excavated－in harbor basin

通过征求国内本领域院士、专家意见，为有利于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（见图3）.其特点是港池与北港连通，并设船闸一座.围绕优化方案的研究有待下一步展开.

图3 挖入式港池规划优化方案Fig.3 The improved Scheme of excavated－in harbor basin

港池北区规划的进口大宗散货，以矿石，煤等为主；40万t矿砂泊位10个，20万t煤炭泊位13个，液体化工泊位40个；南港池以集装箱为主.1.8万TEU集装箱泊位12个，6 000～10 000 TEU集装箱泊位20个，杂货泊位50个.规划总吞吐量为2亿t，集装箱3 000万TEU；陆域面积208 km2.水域面积71 km2，规划码头岸线总长93 km.规划泊位总数为197个.挖入式港池规划指标见表1.

挖入式港池方案关键之一在港池的泥沙回淤条件，挖入式港池的回淤属于纳潮回淤，港区进沙总量主要与口门所在的含沙量水平和港区纳潮量有关.由于港池的口门设置在外海含沙量较低的海域，加之港池纳潮量远低于通道或港池通过的水量，因此港池进沙有限，回淤量较低.由于口门位置已避开了长江口的拦门沙，处在海床稳定，含沙量较低的海域，因此随纳潮水体进入港池泥沙总量和人工挖槽的回淤量不会很大，利用曹祖德等［10］提出的计算公式初步估计港池年平均回淤强度约为0.3 m／a.

4 深水航道规划方案

推荐的北线方案，港区通海航道上口位于－5 m处，航道走向270°～90°，有效底宽1 km，边坡1∶30，设计底标高－23.0m，航道长17 km，如图2所示.设计船型为40万t矿石船，其主尺度为船长375 m，船宽62.5 m，满载吃水24 m.18000TEU集装箱船，其主尺度为船长400 m，船宽60 m，满载吃水21.0m.

采用大型挖入式港区方案的重要依据之一，就是港区及航道的回淤量较小，港区航道避开了长江口拦门沙；所在海区是选在海床稳定、略有冲刷的深水区；潮流为旋转流，有利于泥沙的扩散；规划深水航道属于淤泥质海床，大风天气航道的泥沙回淤以浮泥形式出现，骤淤碍航可能性较小.因此，总体上维护条件较好.