长江口横沙东滩外侧建设人工岛的自然条件分析

薛靖波，蒋雪中*，买佳阳

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

长江口横沙东滩外侧建设人工岛的自然条件分析

薛靖波1，蒋雪中1*，买佳阳1

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

利用2001－2008年的海图资料和2011－2012年枯季现场水文调查数据，分析长江口横沙东滩外侧海域的河势、水动力条件及泥沙含量的潮周期过程，讨论在此建设人工岛的自然条件。结果表明，横沙东滩外侧海域，2001－2008年间冲淤有变化，由滩向海的断面显示上部淤积，下部侵蚀，冲淤转换面在－7～－10 m之间，－10～－20 m海域整体呈现微冲趋势，但侵蚀速率减缓，河势趋于稳定。横沙东滩受北槽深水航道北导堤影响，向东南方向淤进。定点船测潮流表现出旋转流性质，枯季大潮最大流速不超过188 cm／s，小潮最大流速小于134 cm／s；北港口外的定点余流显示向口内输运，北槽口外则是向海输运。两测站数据显示枯季大小潮垂线平均含沙量处于0.061～0.116 kg／m3之间，水体泥沙含量整体处在较低水平。从自然条件上来说，不考虑风浪影响情况，研究区域内河势渐趋稳定，水深条件良好，水动力条件适宜，水体含沙量较低，在该区域内建设人工岛具有可行性。

河势变化，动力条件，横沙东滩，人工岛，长江口

1 引言

人工岛的建设已成为世界沿海各国和地区开发海洋的一种新形式和新途径。长江河口位于我国海岸带的中部和长江流域水道的出海口，“弓箭形”江海格局的关键节点，经济地理区位优越，腹地广阔，通江达海，交通便捷。受河口拦门沙影响，长江口的通航条件一般，进出长江的航道依靠疏浚维护才得以保持－12.5 m水深，而上海港作为在建中的国际航运中心，随着水运量需求不断增长和船只大型化发展，仍有必要开辟新的港区和－20 m以上超深水航道，建造深水大港［1］。

陈吉余教授曾在20世纪90年代提出，上海港深水岸线的不足可以通过挖入式港池，开发河口沙岛深水岸线，建设人工岛、人工半岛和人工环礁等途径来解决，并提出了在长江口三角洲外围建设深水港的构想［2］。受当时长江口自然条件和工程技术水平的制约，这一构想并未得到实施。随着长江河口整治工程的推进和长江口深水航道工程的建成，河口河势多变局面正在改变，加上长江口越江通道的建成通车，在长江口外建设超深水港区及超深水航道的条件已渐趋成熟［1］。在多年调研的基础上，陈吉余教授在2011年再次提出了“开发长江口亚三角洲和建海上人工岛”的构想［1］，建议在横沙岛以东、东海20 m水深处，建设一个面积约40 km2的海上人工岛，开辟深水港区，利用长江口越江通道等搭建的陆岛集疏运体系，可以使人工岛成为长江口水水中转、海陆联运的桥头堡。

人工岛的选址往往受到使用需求的制约，但综合考虑地质、自然条件等因素仍是选址的重要内容［3］。河口海岸地区的水动力条件往往比较复杂，涉及到潮流、泥沙等各方面动力因素的相互作用［4］，需要对河口浅滩的冲淤及演变趋势、周围海域的水动力环境、泥沙输移规律等进行必要的分析和研究。本文拟通过历史海图资料和实测水文泥沙数据，分析横沙东滩外侧海域的河势稳定性、水动力环境和泥沙含量及其潮周期过程，从自然条件的角度讨论在该海域建设海上人工岛的可行性，为规划和以后的工程建设提供基础数据和科学建议。

2 研究区域与数据

研究区域设在横沙东滩东缘至－20 m等深线附近，西部边界取122°15′E经线，东界取122°33′E经线，南北边界分别包括北槽口和北港口，区域西北角靠近佘山岛（图1）。

图1 研究区域及等深线和实测站点分布Fig.1 Isobath and locations for measured sites of the study area

以2001年、2004年和2008年1∶15万的长江口及其附近海图资料为基础，运用地理信息系统技术，对海图进行扫描、配准和数字化。利用数字化得到的离散水深点，建立研究区域内的三期数字地形（栅格单元大小为96 m×113 m），部分海图由相近时期的测量数据镶嵌成图。

2011－2012年枯季实测站位K1101（31°21′N，122°30′E）和K1102（31°08′N，122°30′E）位于研究区域内，对应北港口和北槽口。施测时间自2011年12月26日至2012年1月3日，涵盖完整的大潮和小潮周期。测验期间上游大通站的水位和流量变化不大，对应的最大流量为13 100 m3／s（流量变幅在12 800～13 100 m3／s之间）。现场流速流向观测仪器采用美国TRDI公司生产的声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiles，（ADCP））进行，ADCP入水深度1.0 m，作连续记录，并采用DGPS系统定位和罗经进行航迹校正和船艏校正。采用美国Compbell公司（原D＆A公司）生产的OBS自动记录水体浊度，每1 h整点按照六点法拉垂线，采样间隔为5 s。

同时，用采水器每整点取6层水样，运回实验室进行水体含沙量分析，研究区域内的两个实测站点共采集水沙样品数636个，室内水体含沙量测定采用烘干称重法，使用0.45μm滤膜真空抽吸过滤，烘干后在电子天平秤（精度为万分之一克重）称重［5］。

3 河势变化

3.1 等深线变化

从建立的三期数字地形中，提取出研究区域各年份－5 m、－7.5 m、－10 m、－15 m、－20 m等深线，图1将历年等深线叠加显示，从图中可以看出横沙东滩外侧的等深线从2001年到2008年的平面变化趋势。－5 m等深线有崇明东滩东南角和横沙东滩东部两部分，2001—2008年－5 m等深线不断向海推进，表明了两个浅滩的淤涨；两个滩涂外缘的－7.5 m等深线则变化不一，北端冲淤变化不大，南端有冲有淤；而－10 m、－15 m、－20 m则均显示有向内蚀退的态势。

等深线向海推进是淤积的结果，向陆推进则是侵蚀的结果，图2、图3显示了2001—2004年间和2004—2008年间的平面冲淤变化。从图2中可以看出，从2001—2004年，－5 m等深线的平面移动距离较大，最大的移动幅度发生在北港口外北侧的崇明东滩东南角，3年间淤进达4 km左右；在横沙浅滩的滩头附近，也有很明显的变化，北端冲刷南端淤积，显示横沙东滩依托深水航道北导堤，向东南角推进；－7.5 m等深线在北港口附近和横沙东滩外侧变化不大，在北槽口附近靠近深水航道的海域则有明显的移动；－10 m等深线在北港口北侧海域基本稳定，只有小幅的迁移，但在横沙浅滩的外侧则有很明显的后退；－15 m和－20 m等深线均向陆有较大幅度的平移，这种侵蚀应是受到长江径流减沙的影响［6—8］。2004 －2008年间，在北港口外和横沙浅滩附近的－5 m等深线有明显的移动，显示河口滩涂冲淤活跃，横沙东滩外侧的海域在这期间的偏移变化不大，河势基本趋于稳定（图3）。

图2 2001－2004年等深线Fig.2 The contour of water depth between 2001 and 2004

图3 2004－2008年等深线Fig.3 The contour of water depth between 2004 and 2008

3.2 纵断面变化

在研究区域内自北而南设7个纵断面（Ⅰ－Ⅶ），其起始点为研究范围西边界122°15′E线，终端点是2008年－20 m等深线，断面间隔4.5 km（见图4a）。

图4（见b～h）反映了2001—2008年研究区域内水深的垂向变化，从图中可以看出，冲淤较为频繁，最大淤积厚度约为2 m，发生在北港口的北侧和横沙浅滩上，最大冲刷深度约为1.5 m，主要是在122°25′E附近。

Ⅰ断面的起始端位于佘山岛附近，从剖面图上可以看出，该断面从2001—2008年整体呈现冲刷趋势，但冲刷厚度不大，水深没有很明显的变化，最大的冲刷厚度有1 m左右。2004—2008年间，除局部淤积外，断面位置的冲淤基本稳定。

图4 纵断面平面分布及变化Fig.4 The planar distribution of cross-section profiles and their variations

Ⅱ断面起始端位于北港口北侧，从崇明东滩东南角到－7.5 m等深线附近发生明显的淤积，淤积厚度达2 m左右，从－10 m等深线往东则发生冲刷，但从2004之后至2008年，该断面冲淤明显减弱，河势趋于稳定。

Ⅲ断面位于北港口，从起始端（122°15′E）到2008年－20 m等深线的直线距离最短，断面显示在北港口内从2001—2008年发生淤积，但淤积厚度不大；从－7.5 m等深线往东，则呈现出冲刷的趋势，但在2004—2008年间，北港口外侧的水深基本没有变化，冲淤减弱，河势趋稳。

Ⅳ断面从横沙浅滩的北侧滩头开始，在这附近冲淤基本达到平衡，从－5 m等深线往东，2001—2008年整体呈现冲刷的趋势，但后一个阶段的冲刷速率明显减弱表明断面所在的河势也趋稳。

Ⅴ断面和Ⅵ断面起始点都位于横沙浅滩上，在浅滩上两个断面都显示淤积，Ⅵ断面的淤积厚度更大，最大淤积厚度达到2 m左右。－5 m等深线往东，两个断面都是呈现弱冲刷的趋势。

Ⅶ断面的起始端靠近北槽口，在－10 m以上的水域有比较明显的淤积，－10 m等深线往东则是冲刷，其中2001—2004年间略有冲刷，之后水深基本稳定。

3.3 河势变化分析

流域来水来沙、汊道间的分流分沙变化、近底层较大流速和易悬浮颗粒是造成长江河口滩槽变化和水下三角洲冲淤的主要原因［9］。通过2001—2008年水下地形和固定断面资料的对比分析，得到研究区域内动态演变的初步认识：横沙东滩浅滩内侧持续自然淤积，东北侧受北港口门主泓摆荡，出现冲刷；横沙东滩以东，－10 m至－20 m等深线之间处于轻微冲刷状态，且2004—2008年的侵蚀速率较2001—2004年有所减弱；多条纵断面也表征横沙东滩东缘的上部保持淤积，下部出现侵蚀，冲淤转换面处于－7～－10 m之间。

而假设人工岛的选址位置位于－20 m等深线附近，则可以避开长江口拦门沙的影响以及冲淤频繁的海域，在潮流动力的控制下，该区域内近几年总体呈现轻微侵蚀的态势，且侵蚀速率减缓，河势有利于开辟深水港口。

4 动力条件

由于流场对近海工程、航道利用等均具有重要的影响［10］，因此了解研究区域流场分布态势及变化特征，对于在该区域选址具有重要的意义。根据2011年枯季水文综合调查，得到K1101测站点和K1102测站点在一个完整的潮周期内各层的流速流向数据，并根据实测数据，进行潮流调和分析，计算出测站点表层、中层、底层及垂线平均的余流流速大小和方向。

4.1 定点流速流向

根据实测水文数据分别绘制了定点测站的分层流速流向和余流图。图5为K1101和K1102测站点枯季小潮期间流速流向的表层、中层、底层及垂线平均值。K1101测站点各层及垂线平均的流速要小于K1102测站点，这是由于K1102测站点靠近北槽深水航道，径流对其有更大的影响。K1101测站点在小潮期间的平均水深为23.9 m，流速最大值为54 cm／s，出现在中层，最小流速为10 cm／s，垂线平均流速为29 cm／s，整个小潮周期内流速变化不大；K1102测站点在小潮期间的平均水深为16.5 m，最大流速出现在表层，可达114 cm／s；最小流速仅为7 cm／s，流速变幅较大，垂线平均的流速均值为45 cm／s。

图6为两测站点枯季大潮期间流速流向的表层、中层、底层及垂线平均值，大潮期间两站的流速较小潮期间均有明显变化，K1101站点在大潮期间测到的最大流速为134 cm／s，为小潮期间的2倍多，最小流速也有22 cm／s，垂线平均的流速值为70 cm／s；同期K1102站点录得的最大流速较北侧K1101站点更大，可达188 cm／s，最小流速为30 cm／s，垂线平均的流速值为88 cm／s。两个测站点的流速最大值均出现在表层。

定点测量表明，在一个完整的潮周期内，K1101 和K1102的潮流大小和方向均发生明显的变化，在不同的深度，流速的大小不同，存在比较明显的垂向分层现象。两个测站在大小潮周期内，最小流速均不为零，潮流均呈现旋转流的特性，最大流速不超过200 cm／s，水流对于建筑物的影响可以估算，人工建筑可以得到有效防护。

4.2 定点余流

余流直接指示着水体的运移和交换情况，对海水中物质输运、稀释及扩散都起着十分重要的作用［10—11］。经过潮流调和分析，得到K1101和K1102站点的各层余流数据（如表1所示），并将得到的数据绘制成余流矢量（见图7）。

图5 枯季小潮流速流向Fig.5 The vector graphics of current during neap tide in dry season

表1 定点余流结果Tab.1 Calculation results of the residual current

K1101和K1102两个站位的余流显示了不同的特性。从表1中可以看出，在大、小潮期间，两个测站点的最大余流值分别为32 cm／s和45 cm／s，都发生在K1102测站点的表层。从余流的垂直变化总体上看，余流自表层向底层流速逐渐减小，两个测站点的表层余流流速，只有K1101测站点在小潮时表层余流小于10 cm／s，其余的都大于20 cm／s。

从余流流向来看（见图7），K1101和K1102测站点小潮和大潮期间的余流流向在表层、中层和底层变化都较大，这可能与该处旋转流的潮流特性相关。K1101测站点在一个潮周期内，余流流向主要指向口内；K1102测站点余流流向表明向海输运，这应与两个测站点的地理位置相关，K1101测站点受长江径流作用要弱于潮流作用，而K1102测站点由于靠近北槽深水航道，径流作用较强。

图6 枯季大潮流速流向Fig.6 The vector graphics of current during spring tide in dry season

5 含沙量

悬浮泥沙含量变化是水动力作用下泥沙输移、沉积和再悬浮等运动过程的直接体现［12—13］。研究悬沙浓度的变化规律，可以估算工程区域港区回淤量，对河口地区港口与航道工程建设具有重要的意义［14］，也为人工岛的选址规划方案的进一步论证提供基本依据。

根据实测各测站点大、小潮各层的平均含沙量浓度，绘制了含沙量的垂线变化曲线（图8），K1101测站点，在大、小潮周期内垂线平均含沙量分别为0.075 kg／m3和0.061 kg／m3，K1102测站点，在大、小潮期间垂线平均含沙量分别为0.116 kg／m3和0.077 kg／m3。从垂线分布上看，两个站点泥沙含量在一个大、小潮周期内的垂直结构分布基本符合斜线型［12］，其含沙量由表层向底层逐渐增加，底层的含沙量最大。

由于该处潮流动力强劲，泥沙由表及底混合比较均匀，底层含沙量与表层相比，并未出现太大的变动。

图7 余流流速流向Fig.7 The vector graphics of the residual current

图8 测站定点各层平均含沙量垂线分布Fig.8 The vertical distribution of the average suspended sediment in the measured sites

受潮流动力控制，悬沙浓度的变化存在潮周期的变化的特征，两站点在实测期间，大潮悬沙浓度要高于小潮，显示大潮期间潮流作用相对强劲，底部泥沙在底部剪切力的作用下有再悬浮，悬沙浓度增高；小潮期间则流速较小，部分泥沙落淤，水体的悬沙浓度降低。

与长江口的含沙量相比，由于K1101和K1102测站点离岸较远，水深较大，受径流输沙影响小，水体含沙量较小。另外，长江口外水体悬浮泥沙的含量一般呈现冬高夏低的特点［13］，因此，可以认为这两个测站点含沙量处在较低的水平。人工岛在该海域选址，可以有效降低对泥沙回淤的担忧。

6 结语

长江口横沙东滩外侧海域河势，在2001—2008年期间，冲淤有一定变化，主要表现为浅滩上部保持自然淤积，浅滩下部及－10 m以深水域则呈现微冲态势。冲淤转换面在－7～－10 m之间，－10 m至－20 m海域整体呈现冲刷趋势，但侵蚀速率减缓，该区域的河势渐趋稳定。研究区域内的K1101和K1102测点在枯季一个完整的潮周期内，潮流流速和流向都有明显的变化，呈现出旋转流的特性，大潮期间的最大流速不足200 cm／s；水体泥沙含量变化范围为0.019～0.116 kg／m3，两个站点的水体含沙量始终处在较低水平，可以避免人工岛建成后的泥沙回淤导致航道变浅问题。在不考虑风浪影响情况下，实测的区域水沙条件为在该海域建设人工岛的可行性提供了支撑。

另外，由于长江干支流水库工程拦沙、上游水土保持工程、人工采沙及中游河道泥沙淤积等因素，预计流域进入河口的泥沙将持续减少［6，15—17］，同时河口主要河槽受人工控制，估计长江口外的水体含沙量在相当长一段时间内会处于较低的状态，水下三角洲前缘在泥沙供应减少的情况下，可能面临侵蚀加剧，这是未来工程建筑需要考虑的另外一面。

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Feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Hengsha East Shoal in the Changjiang Estuary

Xue Jingbo1，Jiang Xuezhong1，Mai Jiayang1
（1.State Key laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Shanghai harbor is to be built to an international shipping center，and needs deep-water harbor to meet the continuous increasing cargo transportation demands and larger vessels.Based on nautical charts during 2001 to 2008 and in-situ survey data obtained during 2011 to 2012，this paper discussed the feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Changjiang Estuary.The results showed that the sea bed of the study area was stable，and its topography changed little from 2001 to 2008.Seven cross-section profiles showed that there wasslight deposition in the upper part but erosion in the lower part，and the transforming depth from deposition to erosion was about－7 m to－10 m.The Hengsha East Shoal expands southeastwards due to the construction of north leading dike of the Changjiang Estuary deep-water navigation channel.The in-situ survey data showed that there was a rotary tidal current during the entire tide phase in winter，and the maximum current velocity was less than 188 cm／s during the flood of spring tide and no more than 134 cm／s during the ebb of neap.The residual current of the observation points showed some differences，e.g.，it was transported into the estuary outside of North Channel，and it was transported toward the sea outside of Northern Passage.The in-situ average suspended sediment concentration was 0.061 kg／m3to 0.116 kg／m3，corresponding to neap tide and spring tide，respectively.Based on analytical data provided above，we suggested that the hydrodynamic condition and the suspended concentration outside the Changjiang Estuary were suitable to build an artificial island，and weak local siltation could be expected due to rotary tidal current at the east edge of the Hengsha east shoal in the Changjiang Estuary.

river regime；hydrodynamic conditions；artificial island；Hengsha East Shoal；Changjiang Estuary

P751

A

0253-4193（2014）11-0163-10

2013-04-12；

2013-12-01。

上海市科学技术委员会重大项目（11dz1204900，12231203100）。

薛靖波（1987—），男，山东省潍坊市人，主要从事河口变化分析和地理信息系统（GIS）应用。E-mail：xjingbo＠hotmail.com

*通信作者：蒋雪中，副教授，主要从事河口海岸变化，地理信息系统（GIS）与遥感（RS）应用研究。E-mail：xzjiang＠sklec.ecnu.edu.cn

薛靖波，蒋雪中，买佳阳.长江口横沙东滩外侧建设人工岛的自然条件分析［J］.海洋学报，2014，36（11）：163—172.doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.018

Xue Jingbo，Jiang Xuezhong，Mai Jiayang.Feasibility of natural condition to build an artificial island outside the Hengsha East Shoal in the Changjiang Estuary［J］.Acta Oceanologica Sinica（in chinese），2014，36（11）：163—172.doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.018