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

葛建忠， 郭文云， 丁平兴， 虞志英， 金 鏐， 邵荣顺，李身铎， 徐海根

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.交通运输部长江口航道管理局，上海 200003；3.中交第三航务工程勘察设计有限公司，上海 200032）

0 引 言

为应对船舶大型化的趋势以及长江口邻近海域深水岸线用尽的情况，横沙浅滩挖入式港池规划方案旨在长江口浅滩区域建立相对于其他水道隔断的挖入式港池，从而避免了口门区域的高含沙量水体的影响，有效降低了港池内的泥沙浓度和随之产生的泥沙回淤［1］.在规划方案中沿横沙浅滩－5 m等深线建有圈围堤以及水深达－23 m的外航道，该方案北邻北港航道，南抵北槽深水航道北导堤，西靠横沙东滩N23潜堤.

横沙浅滩挖入式港池规划方案工程空间尺度巨大，必然对邻近的北港，特别是北槽深水航道产生一定程度的影响.在工程实施前，须对方案可能产生的影响进行分析评估.一般采用物理模型和数值模型两种方法进行分析，本文主要从数值模拟方法来进行研究，基于经过检验的无结构三角高分辨率长江口FVCOM模型［2］，对规划方案的不同平面布置进行模拟分析对比，以计算其邻近的北港和北槽航道的水动力场的影响.

1 计算条件

其中，ξ为潮位，ξ0为余水位，f为节点因子，Hi为振幅，ωi为角频率，gi为迟角，Vi＋ui为订正角.由于实测资料的缺乏，为给出合理的开边界条件，首先建立了一个东中国海大区域的模型来计算各个天文分潮［3］.本文使用的调和常数从大区域在开边界出的调和常数插值得来.上游径流给大通站历年实测流量（长江水文网，http：／／www.cjh.com.cn／）.流速和水位对外力响应较快，初始场一般取为零；温度、盐度为慢过程，初始场取自《渤海、黄海、东海海洋图集》［4］数字化资料.

数值计算采用三维模式进行，垂向分层总数为20层，分层方法为随地形变化的sigma分层.底部糙率在整个计算域上进行分区表示，从深水向浅水糙率逐渐增大.采用Mellor－Yamada 2.5阶湍流闭合模型，其中，水平混合系数取0.1，垂向混合系数取10－4.

模型模拟时间从2011年6月10日—7月20日，期间最大径流量46 000 m3／s，最小径

长江口模型三角形网格如图所示，覆盖长江口、杭州湾、舟山群岛、东海内陆架及邻近海域.总三角单元数为94088，节点数为49078，该网格在长江口北槽及横沙浅滩区域具有较高的空间分辨率，最高达到200 m左右，网格分辨率最粗位置处于外海开边界，约14.7 km，能够较好地刻画长江口区域的岸线水深特征.本文在长江口内及口门海域主要采用2011年8月水深地形资料，长江口外水深变化较小，采用海图数字化资料.开边界水位主要采用8个天文分潮 M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1合成给出：流量为25 700 m3／s，平均径流量为39 669 m3／s，其径流特征与多年平均径流量较为吻合，可作为河口动力计算的特征径流驱动.7月是夏季季风盛行期，模型采用WRF模型计算风场.在40 d的模拟时间段内，可以完整包含大小潮汐过程，可以作为特征潮汐（大潮、小潮）期的动力分析.

2 横沙浅滩挖入式港池方案对周边流场的影响

利用率定检验后的长江口及其邻近水域FVCOM模型，讨论横沙浅滩挖入式港池方案实施前后的流场变化，以及对周边流场可能的影响，在对北槽深水航道没有负面影响的前提下提出推荐方案.

2.1 方案实施前后主要流态变化

（1）考虑2011年7月份地形、北槽及横沙浅滩工程配置（导堤、丁坝、横沙圈围）、长江径流以及潮汐为主要驱动因子，未考虑季风、波浪和泥沙的作用；

（2）模型考虑北线方案（Case F）和南线方案（Case G），其网格如图1所示，在横沙浅滩工程区域模型分辨率为300～400 m，北槽250～300 m，口外500～1 000 m.

图1 横沙浅滩挖入式港池北线方案（上）及南线方案（下）模型计算网格Fig.1 Model grid for the north and south schemes of the planed excavated－in harbor in Hengsha Shoal

2.1.1 工程前后流场主要态势

横沙浅滩在未进行挖入式港池圈围工程之前，主要受北槽深水航道及横沙东滩一至四期促淤圈围及横沙潜堤影响，同时在横沙浅滩东部，也受浅滩地形影响，其涨潮主要270°～300°方向.浅滩东部涨潮最大流速主要为北方向分布，此主要受北槽导堤及浅滩地形控制（如图2－a）.

而落潮受地形控制影响更为明显，其落潮主要顺延浅滩等深线方向.其－3 m等深线所包围的浅滩在落潮期间有显著的露出过程，其浅滩落潮主流沿－5 m等深线.并在深水航道北导堤附近与北槽落潮流交汇.从北港出口横沙潜堤至北槽出口区域，落潮方向由正东逐渐转为正北（图2－b）.在浅滩靠北导堤区域，有较强的落潮流沿导堤方向.

北线方案主要沿－2 m等深线位置，在横沙浅滩前缘向东建有突出部港池出入口，在南部与北槽北导堤N8相连.其大潮期间涨潮涨急流场分布如图2－c所示，港池内由于圈围工程影响流速较小，其流速较显著的位置主要在港池出入口.外围涨潮流主要沿工程圈围线，在港池出口－20 m航道及邻近区域存在较为明显的流速分布差异，主要是受－20 m航道水深及附近较浅水深的空间差异造成的.

同时，在北槽区域，在航道出口段及以上位置涨潮流分布没有发生显著变化.在北导堤N8—N10与横沙圈围范围内存在显著的局地环流，呈顺时针方向，在挖入式港池出入口位置与涨潮主流交汇形成，从而在出入口位置形成较为显著的局地扰流.

而在落潮期间的最大落潮流分布如图2－d所示，较强的落潮流沿北港深泓，并在－5 m等深线位置附近方向向南偏转，并在港池出入口位置与流出的港池流交汇，但形成的扰流与涨潮期间相比较弱.与涨潮期间类似，在港池出口航道附近有一定的流速空间不均匀分布.在N8—N10附近的浅滩，也存在受工程影响的局地水流，其强度显著弱于涨潮流.

在落潮期间，圈围工程并没有显著影响落潮流在横沙浅滩前缘的流路，因此落潮期间与工程前相比较为类似.同样，圈围工程也并没有显著影响北槽深水航道在落潮期间的分布特征.

南线方案更加归顺－2 m等深线，其港池出入口与北导堤东端位置较近，圈围工程与N9丁坝相连.

因该方案外轮廓线与－2 m线更加贴合，因此其涨潮流与工程前更加接近，其涨潮方向与港池出入航道走向较为贴近，因此在出入口位置扰流与北线方案相对较小.同时在港池外航道区域由于涨潮流方向一致，从而未形成显著的空间差异性（如图2－e）.

在北槽航道区域，航道出口涨潮流有小幅度减弱，而航道中上段涨潮流分布未有显著变化.而在北导堤与港池外轮廓由于空间范围较小，没有显著的涨潮流，整体呈现较小流速分布.

而在落潮过程中，由于港池外轮廓主要沿－5 m线，因此在轮廓线附近落潮流较为归顺.在横沙浅滩东部流向由正东转为正南，因此在港池出口附近与东偏南方向的落潮流交汇，从而在出入口附近形成较为显著的流速切变，在出口航道外侧落潮与航道走向较为归顺.而在北槽及航道附近，落潮流并没有显著差异，此分布与工程前较为接近（图2－f）.

2.1.3 南线、北线方案实施对潮汐潮流的影响特征

为详细分析南线、北线方案实施后对周边流态的可能影响，分别在北港中部及外侧、北槽中下部及口外位置、横沙浅滩东部及外海位置选取部分控制点，通过比较这些控制点上规划方案实施前后流场的变化讨论规划方案对周边流场的影响.南线方案与北线方案控制点详细分布如图3和图4所示.

工程前，这些控制点13 h表层潮流流矢分布如5所示，北槽深水航道下段区域以落潮流占优，涨潮流较弱的往复流为主；北港区域具有较强的往复流特征，在涨潮期间有显著的从横沙浅滩向北的涨潮流.横沙浅滩东部海域以旋转流为主，主轴方向呈南北向.

图3 北线方案控制点分布示意图Fig.3 Distribution of controlling sites under north scheme of the planed excavated－in harbor

图4 南线方案控制点分布示意图Fig.4 Distribution of controlling sites under south scheme of the planed excavated－in harbor

北线方案完成后对邻近水道及浅滩的水动力结构如图6所示，可见北槽下段区域落潮流为主的特征没有改变，落潮流强度也没有改变.但涨潮流有所减弱（BC2）.北港区域BG1点受工程导流堤的影响，原来有横沙浅滩的涨潮流被显著消弱，从而往复流特征更加明显；接近挡沙堤的BG2点也呈现往复流特征，其中涨落潮流沿挡沙堤切线方向.在港池外航道以旋转流为主，并存在较为显著的横流，方向以正南偏东为主（B6），在港池内主要呈现往复流（B1—B3）.

南线方案完成之后的水动力分布如图7所示，其对北槽下段深水航道区域及北港水道的影响与北线方案相似，主要体现为减弱北槽出口的涨潮流和北港从横沙浅滩向北的涨潮流，总体上对落潮流影响甚小.港池外航道以旋转流特征为主，但也存在较强的跨航道横流，其强度与北方案相比较大，而方向以向南偏西为主.港池内主航道的流场以码头岸线束缚的往复流为主，流速较低.

图5 横沙挖入式港池工程前大潮表层潮流流矢图Fig.5 The vectors of surface current during the spring tide around the Hengsha Shoal

图6 北线方案完成后大潮表层潮流流矢图Fig.6 The vectors of surface current during the spring tide under the north scheme of the planed excavated－in harbor

从工程前后M2分潮的潮流椭圆要素长、短半轴分布图（见图8和图9）也可以看出南北两线方案对该区域潮流动力的影响.可以看出大部分站点受影响较小，只有工程港池内及外航道的点受到的影响显著，同时由于港池导流堤的影响BG1点向北的涨潮流受到抑制，因此该位置的往复流方向有约20°的逆时针偏转，同时长轴有所增长.也可以看出BC4点受南线方案的影响较北线方案为大.北线方案后港池外航道椭圆长短半轴有明显的逆时针偏转，更加指向外海；而南线方案外航道长短半轴发生顺时针偏转，更加指向浅滩.

图7 南线方案完成后大潮表层潮流流矢图Fig.7 The vectors of surface current during the spring tide under the south scheme of the planed excavated－in harbor

图8 工程前（黑色）和北线方案（蓝色）完成后大潮表层M2分潮椭圆长、短半轴分布图Fig.8 Distribution of ecllipse axis of M2constituents under current situation and north scheme

2.2 方案实施后对周边流场的影响

为定量地评估方案实施后对周边流场的影响，选择部分具有代表性的站点进行工程前后的流场对比，其站点分布如图3和图4所示，包括北港中部BG1和BG2，以及北港下部BG3和BG4；北槽中部BC1，北槽口BC2、北槽口外BC3、BC4以及横沙浅滩部分特征点进行方案前后的水位、流速及流向对比.以下为对北槽、北港及横沙浅滩方案实施前后的对比结果.

Shakespeare was born in 1564 at a town（城镇）in England.His father，John，was a glove-maker（手套制造者）.His mother，Mary，was a farmer’s daughter.He had seven brothers and sisters.

2.2.1 对北槽流场的影响

南线、北线规划方案实施前后对于北槽中下部（点BC1）的潮位、流速和流向变化过程如图10所示.由于该位置与圈围工程距离较远，并有北导堤为阻隔，从图可发现规划方案的实施对北槽航道的上中段区域水动力几乎没有影响.

图9 工程前（黑色）和南线方案（红色）完成后大潮表层M2分潮椭圆长、短半轴分布图Fig.9 Distribution of ecllipse axis of M2 constituents under current situation and north scheme

在北槽出口位置（点BC2），工程前后潮位几乎没有影响，而流场具有一些影响，主要影响在涨潮期间（图10）.工程后涨潮流弱于工程前，最大涨潮流由1.4 m／s左右减至0.6 m／s（北线方案）和0.7 m／s左右（南线方案）.受工程影响，涨潮弱流区流向也有所扰动.从影响幅度上看，南线和北线方案的影响程度较为一致.

在北槽外航道点BC3，由于离南线和北线圈围工程位置较远，影响很小，其差异主要体现在流速降低上，对比两种结果发现，北线方案相对工程前对北槽外航道影响最小，其流速降幅明显小于南线方案.特别是在大潮落急时间段北线方案结果与工程前较为吻合，而南线方案在此时间段内较北线方案动力减弱明显.

图10 北槽下部BC1（左）、BC2（中）、BC3（右）控制点工程前（黑线）、北线方案（蓝线）和南线方案（红线）大潮期间潮位、流速、流向过程图Fig.10 Comparisons of water level，velocity and direction at BC1，BC2 and BC3 under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

2.2.2 对北港流场的影响

在北港中下部BG1点位置，水动力受工程影响较弱，且南北两线工程对该位置的水动力影响较为一致，如图11所示，落急时刻流速有所增强，大潮最大流速从2.6 m／s增至2.9 m／s.南北两线方案圈围工程的主要影响发生在涨转落时间段，受圈围边界影响该区域位置原来较弱的旋转流特征被改变，呈现较强的往复流特征.因此涨转落期间流速降低明显，并转为相反方向的落潮流.

而在北港口外BG2点，虽然与南线和北线方案的圈围堤位置较近，但由于该区域圈围线轮廓与等深线走向一致，因此动力上影响较弱（如图11所示），其最大的差异与BG1点类似，也发生在涨转落期间，其原因仍然是工程边界改变了局部的旋转流特性.

在北港口外BG3位置，由于离圈围工程距离较远，受边界影响较弱，因此水动力上工程前后差异并不显著，只存在幅度较小的流速流向变化.

图11 北槽下部BG1（左）、BG2（中）、BG3（右）控制点工程前（黑线）、北线方案（蓝线）和南线方案（红线）大潮期间潮位、流速、流向过程图Fig.11 Comparisons of water level，velocity and direction at BG1，BG2 and BG3 under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

（1）北线方案对港池外航道区域的影响

北线方案后外航道主要控制点如B4—B7的水动力过程较工程前的变化如图12所示.在港池口B4点受圈围堤坝的影响动力改变显著，潮位影响不大，但流速流向差异较大.流速在大小潮过程呈现显著降低的特征，最大流速从1.6 m／s降低至0.8 m／s，其降幅达50%，流向也发生了显著变化.由于北线方案航道走向与该区域涨潮流方向存在显著的夹角，因此在流向上存在跨越航道的横向流.

由于外航道B5—B7水深控制在20 m，较周围浅滩水深差异明显，因此在航道内的控制点受水深和圈围的共同影响，流速和流向与工程前也存在较为显著的差异.主要体现在流速值有所降低，其降幅从港池口位置的50%幅度（B4、B5）到口外20 m等深线B7点13%左右逐步降低，同时流向差异也呈现此种特征，从港池口往东部深水区域旋转流特征越加明显.

（2）南线方案对港池外航道区域的影响

南线方案外航道方向呈东南向，与长江口张潮流方向夹角较小，因此在港池口N4点跨航道的横流并不显著，主要呈现往复流特征（见图13）.流速过程较工程前也有明显的降低，其降幅也在40%～50%左右.

图12 北线方案外航道B4、B5、B6、B7控制点工程前（黑线）和工程后（蓝线）大小潮期间潮位、流速、流向过程图Fig.12 Comparisons of water level，velocity and direction at B4，B5，B6 and B7 under current situation and north schemes of the planed excavated－in harbor

在横沙浅滩东部外航道N5—N7工程后的水动力变化特征与北线方案的外航道动力变化特征类似，受圈围堤坝和航道水深的影响，也存在从西往东的受工程的流速降幅逐步减小，流向差异也逐步减小.从N5点30～70 cm／s的流速降幅逐步减小至N7点的5～20 cm／s（见图13）.由于在外航道区域受圈围丁坝的影响逐步减弱，旋转流特征逐步增强.

2.2.4 对周边潮通量的影响

横沙浅滩挖入式港池位于长江口拦门沙海域，北临长江口北港水道，南靠北槽及其深水航道，为判断横沙浅滩挖入式港池对周围潮汐通道的涨落潮流及其纳潮量的影响，采用控制数值模式定量地模拟横沙挖入式港池建成之后对周边潮汐通道的涨落潮影响.控制断面分布如图14所示，共10个断面，分别位于徐六泾、南支上部、北港上部、北港下部、南港上部、北槽上部、北槽中部、北槽下部、南槽上部和南槽中部.从而确定挖入式港池南线方案和北线方案对上述断面在涨落潮过程中的断面流量变化.

图13 南线方案外航道N4、N5、N6、N7控制点工程前（黑线）和工程后（红线）大小潮期间潮位、流速、流向过程图Fig.13 Comparisons of water level，velocity and direction at N4，N5，N6 and N7 under current situation and south schemes of the planed excavated－in harbor

从图15可见，各潮汐通道在潮汐过程中的流量在工程前后没有发生显著变化，从徐六泾至南槽、北港的断面通量变化基本保持不变，所有断面中变化幅度最大的位于北槽下断面，并可以发现工程后潮汐通量有小幅度的增大过程.从表1也可看出，工程后各断面的变化幅度均较小.口内上部，包括徐六泾、南支上部、北港上部、南港上部及南槽上部工程前断面流量变化基本保持一致，而与横沙浅滩挖入式工程距离较近的北港下部、北槽上部及北槽中部、南槽中部也只是较为微弱的影响.

统计工程前后多个涨落潮过程中的断面流量变化，得到横沙浅滩挖入式港池对周边潮汐通道的影响程度如表1所示.从总体上，北线方案对主要河槽的涨落潮通量的影响要显著小于南线方案.在离挖入式港池位置较远的徐六泾、南支区域，北线方案影响在2%以内，而南线方案对涨潮流的影响较为明显，在上述两区域影响程度接近5%.对潮通量影响较为显著的是与横沙浅滩位置较近的北槽及南港区域，总体上看工程后北港、北槽及南槽落潮流都有所增大，其中，北槽增长最为显著，南线方案增大15%，而北线在2%以内.而工程对涨潮流影响的区域主要集中在北槽及南港，主要表现为涨潮流减小，南线方案在北槽下段涨潮流量减小29%，而北线方案减小8%.可见，两方案对北槽的影响总体表现为落潮流量增大，涨潮流量减小，此特征有利于北槽航道的维护建设.同时，北线方案对周边汊道的影响要小于南线方案.

图14 长江口南支、北港、北槽、南槽主要控制断面分布图Fig.14 Distribution of selected sections in the South Branch，South Channel，North Passage and South Passage

表1 主要河槽特征断面工程前后涨落潮流量对比Tab.1 Comparison of water flux during ebb and flood tide cycle under current and post－project situations

3 结 论

从上述流场整体态势、典型站位的大小潮动力特征可以看出，横沙浅滩挖入式港池南线、北线方案对北港和北槽的水动力特征并没有造成非常显著的变化，总体上呈现较为微弱的影响.北槽长江口深水航道区域的水动力结构基本保持不变，流速、流向以及断面水流通量上没有显著变化.由于挖入式港池北导堤的束流及其对涨潮的阻碍作用，落潮流速有较为明显的增大，呈现较强的往复流特征.

图15 工程前和南北工程方案后大潮期间主要控制断面序列对比Fig.15 Comparison of timeseries water flux at selected sections under current situation，south and north schemes of the planed excavated－in harbor

从典型站位的潮汐动力过程对比看，由于南线方案的圈围挡沙堤以及外航道离北槽导堤丁坝以及外航道较近，对北槽口外深水航道外航道有一定程度的影响；而北线方案的挡沙堤与外航道与北槽深水航道工程区域距离较远，影响几乎可忽略.两种方案都显示出北港工程后往复流特征更趋明显.

同时在南北两线工程完成后的水动力模拟结果对比发现，两种方案在外航道都有较为明显的跨越航道的横流，北线方案横流方向以向南偏东为主，而南线方案横流方向以向南偏西为主.

因此从总体上看，北线方案对北槽深水航道区域流场影响最小，在工程后航道区域的水动力结构优于南线方案，故推荐北线方案.

［1］ 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.

［2］ 葛建忠，郭文云，丁平兴.长江口横沙浅滩挖入式港池对流场的影响分析Ⅰ：数值模型和验证［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2013（4）：79－90.

［3］ 葛建忠.东中国海和长江口FVCOM数值模型系统及应用［D］.上海：华东师范大学，2011.

［4］ 海洋图集编委会.渤海、黄海、东海海洋图集［M］.北京：海洋出版社，1993.