杭州湾及洋山深水港动力和泥沙条件分析

2019-11-19佘小建

水道港口 2019年5期

关键词：小洋岛链杭州湾

徐啸，佘小建，崔峥，毛宁，张磊

(南京水利科学研究院，南京 210024)

1 杭州湾动力和泥沙条件

1.1 杭州湾地理地形概况

图1 杭州湾地理地形形势(图中五角星为海洋测站位置)Fig.1 Geographic and topographic map of Hangzhou Bay

杭州湾呈喇叭形河口湾，东西长90 km，湾顶澉浦断面宽约20 km，到金山—庵东一线，宽度骤增，至湾口(南汇嘴—甬江口)南北宽达 100多km，湾口以内面积约5 000 km2，平均水深8 m左右。湾口外东和东南有舟山群岛掩护，众多岛屿主要分布在10 m等深线以外海域。杭州湾东北与长江口相连。长江口径流量是钱塘江的41倍，输沙量更是钱塘江的127倍[1]。杭州湾的泥沙输移趋势主要受控于长江。

1.2 杭州湾潮汐潮流特征

1.2.1 杭州湾潮汐特征

杭州湾属强潮海湾，外海潮波原为前进波性质，进入舟山群岛海域，由于边界反射、磨擦等条件影响，潮波发生变形，本海域属非正规半日浅海潮。潮波性质基本上接近驻波形态。

由湾口至湾顶潮波逐步增强，表现为潮差增大，涨落潮波不对称，浅水分潮的振幅从东往西随着水深变浅而逐渐增大，湾口芦潮港平均潮差为3.24 m，至湾顶浙江澉浦平均潮差为5.71 m。

1.2.2 杭州湾潮流特征

东海的潮流向西运动部分，以南汇嘴—大戟山为界，北侧涨潮流进入长江口，南侧进入杭州湾。杭州湾内相邻的岛屿形成多个岛链，进出杭州湾的潮流通过这些岛链时，分别形成绕岛水流和岛链之间的通道水流，水流形态较为复杂。

由图1可见，杭州湾湾口处南北各有一个潮流深槽向西延伸到杭州湾口门内，外海涨潮流沿这两个潮流深槽进入杭州湾中部水域，到达金山深槽后折向西南；落潮主流方向相反。受地形和岸线的约束，杭州湾潮流以往复流为主。总体上看，涨潮主流偏北，落潮主流偏南，从湾口向湾顶有逐渐增加的趋势。

图2 杭州湾部分海洋测站强浪向和常浪向玫瑰图Fig.2 Rose charts of strong wave direction and regular wave direction at some ocean stations in Hangzhou Bay

1.3 杭州湾波浪分布规律[2]

图2为杭州湾部分海洋测站强浪向和常浪向玫瑰图。由图可以看出，由于地理位置及地形条件不同，各测站在各方向上波能分布规律差别较大(各海洋测站位置见图1)。

嵊山站代表开敞海域条件，主要强浪向为NE和SE，风浪频率为65%。大戢山和滩浒站波向玫瑰图形状较接近，但大戢山东南有嵊泗列岛掩护，而北方完全暴露，所以北向来浪要远大于东南方向来浪，其风浪频率约占72%。滩浒站受到杭州湾北岸的掩护作用。东南向来浪相对比重加大，且以风浪为主，风浪频率占90%以上。至于金山嘴和乍浦，北向和东北向来浪作用明显减弱，对近岸海域影响最大的是东南向风浪。位于杭州湾南岸的海黄山则主要受北向风浪的影响。

表1列出杭州湾部分海洋测站年平均波高和周期，可以看出，位于开敞海域的嵊山波高最大，其次为大戟山和引水船；掩护条件较好的金山和乍浦站波浪相对较弱。表2 为部分测站南北向来浪的频率比和波能比。杭州湾不同部位波浪随季节的变化呈一定的规律性。这是因为杭州湾主要受季风影响，各季风向的变化较大，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，春秋季为过渡季节，由于地形等因素的影响，湾内各处风的分布不尽相同，直接影响波浪分布的规律性。

表1 杭州湾部分测站年平均波高和平均周期Tab.1 Average annual wave height and average period of some ocean stations in Hangzhou Bay

表2 杭州湾部分测站南北向频率比及波能比(北:南)Tab.2 Frequency ratio and energy ratio of the north wave and south wave at some ocean stations in Hangzhou Bay

1.4 杭州湾泥沙运动

杭州湾泥沙以悬移运动为主，水体含沙量主要受三个因素制约:(1)长江来沙；(2)当地潮流特征；(3)风浪季节性变化。

1.4.1 杭州湾泥沙来源和输移特征

杭州湾泥沙主要来源于长江口。长江上游来沙至河口后，较粗泥沙部分沉积在水下三角洲前缘和边滩，这是南汇边滩的泥沙来源，而且它处在长江口与杭州湾二股潮汐水流的交汇缓流区，边滩区动力条件较弱，导致多年以来南汇边滩稳定地向外海淤涨延伸。

较细的泥沙在涨、落潮的反复搬运作用下，最终随海水被输入东海，除少量直接落淤于深海外，主要随海流往南、北沿海输移，其中向南沿海输移泥沙的一部分，随大戢洋、黄泽洋等潮汐通道的涨潮流进入杭州湾；由于杭州湾潮流强劲，悬沙输移为泥沙基本运动形式，悬沙随潮流基本上沿东西向在杭州湾海域往返输移。

据有关分析，近百余年长江入海泥沙78%沉积在-50 m等深线内海域，南汇嘴—嵊泗连线以北长江口侧占2/5，杭州湾一侧占3/5[3]。

杭州湾在南北横向上的泥沙运动呈现北部进沙大于出沙、南部出沙大于进沙，中部进出相对平衡，仅有少量泥沙落淤，使杭州湾海域总体上呈现冲淤基本平衡、略有淤积形势。

但是近年长江流域入海下泄沙量已趋于持续减少时期；而长江口大量浅滩区被圈围，滩槽间泥沙的交换强度明显受到阻隔削弱，大量泥沙又源源不断地被吹填到围垦区内，造成了南汇海域含沙浓度的降低，进入杭州湾的沙源进一步减少。根据20世纪80年代的海岸带调查结果，位于杭州湾湾口的南汇嘴南滩前缘水域历来是杭州湾泥沙含量的高值区之一。冬季、夏季大潮时含沙量平均值分别达2.5～3.5 kg/m3、2.0～2.5 kg/m3，年均含沙量1.0～2.6 kg/m3。但近年来在南汇海域测得数据，垂线平均最大含沙量为1.5 kg/m3左右，比20世纪90年代前明显减少[4]。

1.4.2 影响杭州湾泥沙运动特点的动力学因素

杭州湾泥沙运动有以下几个特点：

(1)杭州湾是强潮河口湾，潮流是控制当地泥沙运动的主要动力条件。

据水文测验及潮流数值计算可知，湾内涨落潮平均流速可达1.0 m/s以上。但海湾中部水域平均波高只有0.6～0.7 m，湾内平均水深达8.0 m，即作用于床面的波浪能量不到潮流能量的十分之一。表3为杭州湾部分测站处潮流和波浪平均摩阻流速之比较，可以看出，在正常天气条件下，杭州湾内含沙浓度场的分布、泥沙输移以及海床的冲淤主要取决于当地潮汐水流条件。

表3 杭州湾部分测站处波浪和潮流摩阻流速Tab.3 Friction velocities of waves and tidal currents at some ocean stations in Hangzhou Bay cm/s

图3 杭州湾冬季大潮平均含沙量分布Fig.3 Distribution of average sediment concentration in winter and flood tide in Hangzhou Bay

(2)对于部分区域，特别是近岸海域，波浪不仅对当地泥沙运动的作用起重要作用，还将影响杭州湾宏观含沙量场的分布及泥沙输移趋势。

如前所述，位于长江口南槽的引水船测站处滩浅浪大流急，这里水沙条件主要受控于长江迳流及供沙条件，但海相动力(潮汐、波浪)条件也不容忽视。长江口输水输沙主要集中在夏秋季，这时强烈的迳流将长江输出的部分泥沙直接向东海深水区输运，仅有部分泥沙堆积在长江口拦门沙浅滩及南汇嘴东侧和南侧浅滩上，导致南汇嘴浅滩夏季的淤长。冬季长江迳流减少，潮流作用加强，长江口和杭州湾水体交换量增大，而这时北向风浪将长江口外浅滩泥沙大量掀起，通过潮流、风吹流向杭州湾中部作舌状扩散，使杭州湾北部及中部冬季回淤率增大，图3为杭州湾冬季大潮含沙量分布情况，可以说明长江口高含沙水体向杭州湾输移扩散。

(3)强风浪条件下开敞海域挖槽内可能发生泥沙骤淤问题。

每年夏秋之季，台风将会影响杭州湾，形成较大风浪。这时，杭州湾海域将会出现较强风浪，每年7、8月份台风期内最大波高可达2.5 m以上。如按波高H=2.5 m，T=4.5 s，水深h=10 m条件考虑，应用线性波理论，可以算得床面处最大轨迹速度Um=0.49 m/s，对应摩阻流速U*w=2.4 cm/s。根据杭州湾部分水域床面淤泥特性资料可知，当床面泥沙γs=1.42 g/cm3，临界起动摩阻流速为2.34 cm/s。这时床面泥沙大量悬扬，水体含沙浓度急剧增大。

2 洋山深水港动力和泥沙条件

2.1 洋山海域地理及动力条件

图4 大小洋山岛链上各潮流通道[5]Fig.4 Current channels along the Yangshan island chain [5]

大、小洋山是由60几个岛屿组成的崎岖列岛中两个最大的岛屿。大洋山与西侧的唐脑山、双连山、大、小山塘和后门山等近10个岛屿组成东西走向的岛链，岛屿之间为南北向水深较浅的潮流通道。小洋山与附近的大乌龟、颗珠山、镬盖塘、大岩礁和西门堂等20余个大小岛屿组成呈东南—西北走向的岛链，各较大的岛屿之间形成东北─西南向的潮流通道。图4为大、小洋山岛链上各潮流通道情况，表4为各潮流通道几何特性[5]。

大洋山与小洋山之间为一东西走向，长约16 km的潮流通道，此潮流通道水域可分为三部分：中间大洋山与大小岩礁之间为“窄口区”，南北宽仅1 km，东西方向长约2 km，最大水深达89 m，平均水深约为50 m。窄口区以西的“西海域”西端口门宽约8 km，水域面积约42 km2，平均水深为11 m，是洋山深水港港区主要布置区。窄口区以东的“东海域”水域面积约16 km2，平均水深28 m，是洋山深水港入海航道所在(表5)。

表4 大、小洋山岛群间潮流通道几何条件和分流比Tab.4 Geometric conditions and diversion ratio of tidal current channels between large and small Yangshan islands

注：各潮流通道平面位置见图5。

2.2 洋山深水港海域潮流特征[5-6]

大、小洋山海域潮汐具有非正规半日潮浅水潮波性质；平均潮差为279 cm。

大、小洋山海域潮汐水流具有以下特点：

(1)大小洋山海域为强潮海区，大潮全潮平均流速为1.20～1.30 m/s，中潮为1.05～1.00 m/s，小潮为0.70 m/s左右；

(2)因岛屿岸线一般具有“岬角”效应，小洋山岛链上各岛屿附近水流流态一般比较复杂。

(3)因小洋山岛链北侧潮波传播速度快于南侧，且小洋山岛链走向与涨潮潮波传播方向有一夹角，以致小洋山岛链上各潮流汊道内强劲的东北—西南方向的涨潮流流出汊道后，在其“下游”岛屿南水域形成缓流区、产生回流或涡流现象。图5为天然条件下大小洋山水域涨落潮漂流迹线图，可以看出：在涨潮流阶段，小洋山岛链上各潮汐通道出口处均具明显的绕流特征。

表5 大小洋山之间水域地理及水流条件Tab. 5 Geography and flow conditions of the water between the large and small Yangshan Islands

(4)大小洋山之间东西向深槽内涨、落潮流主要为东东南─西西北方向的往复流。由表5可以看出，受小洋山岛链上潮流通道水流的影响，窄口区及西海域落潮流强度略大于涨潮流，窄口以东水域则涨落潮流强度相当。窄口区最大流速可达2.6 m/s。

5-a 涨潮流迹线5-b 落潮流迹线图5 洋山深水港天然条件下涨落潮漂流迹线试验成果[6]Fig.5 Test results of flood-flow and ebb-flow trace under natural conditions in Yangshan water[6]

2.3 洋山深水港气象条件

2.3.1 风况

根据测风资料分析可知，洋山海域常风向为偏北风(NNW， N， NNE)，频率之和达32.9%。

次常向风为东南到南向风(SE， SSE， S)，频率之和达25.2%。偏西风(WSW， W， WNW)出现最少，频率之和为6.9%。强风向为偏S向，其中SSE向最大风速达27 m/s，SE向达20.0 m/s，次强风向NW的最大风速22.7 m/s。大于6级风的历时出现频率为1.20%。

2.3.2 灾害性天气(台风、寒潮)

影响洋山地区的台风平均每年为3.6次，主要发生在7～9月间，一般以偏北大风占主导地位，其次为ESE向和SE向，七级以上大风平均持续时间小于12 h的占50%，小于36 h的占38%。影响洋山的寒潮平均每年3 次左右，主要发生在12月和1月，寒潮大风平均7级，最大阵风8～9级，占83%，风向偏北。

2.4 波况[5]

1997年8月在小洋山北端的杨梅嘴和南侧的观音山分别设置临时海浪观测站。杨梅嘴的波浪主要受制于当地的风，全年风浪频率为95.69%，涌浪频率为3.77%，与附近海洋站基本一致；观音山全年“涌浪”频率为38.5%。经对实测资料的分析和现场考察，观音山测站的“涌浪”，是由于崎岖列岛特殊的地理环境，外域波浪从各岛链的口门间传入到港域的折、绕射波，与外海传入的涌有本质的差别，其周期较短，一般为3.2～3.8 s，而且不像外海的涌有规则地成排传入，甚至在港域不同点浪向上也有差异。

2.5 大小洋山海域泥沙运动特点及冲淤形势

2.5.1 洋山海域底质条件[7]

浅钻资料表明，泥面以下0～4.2 m土层均为亚砂土、亚粘土和淤泥质亚粘土。

多次底质取样资料分析表明，大小洋山海域最常见沉积物为粘土质粉砂，底质中径为0.01～0.04 mm，平均粒径为0.028 7 mm。

2.5.2 洋山海域悬沙条件[5]

多次水文测验资料表明，本海域悬沙中值粒径平均值为0.008 mm。洋山海域为高含沙量水域，大潮全潮平均含沙量为2.3～2.5 kg/m3，中潮全潮平均含沙量为1.5～1.8 kg/m3，小潮全潮平均含沙量为0.5 kg/m3。大中小潮平均含沙量为1.5 kg/m3。

2.5.3 小洋山码头表层水体含沙量

自1997年8月始，在小洋山岛南侧码头水域，进行了为期一年表层含沙量观测。各月表层含沙量的平均值、(日)最大值、(日)最小值见表6。由表可看出，夏、秋二季(5～10月)含沙量较小，冬、春季(11～ 4月)含沙量较高，年平均表层含沙量为1.0 kg/m3左右。

2.5.4 水体含沙量与动力气象条件之间关系初步分析[5]

经分析，洋山海域月平均含沙量与月平均波高之间相关性较差。

表6 小洋山码头近岸水域表层含沙量(1997-08～1998-07)Tab.6 Surface sediment concentration in Small Yangshan wharf water (1997-08～1998-07) kg/m3

图6 小洋山海域日平均含沙量与日平均潮差关系Fig.6 The relationship between daily average sediment concentration and daily average tidal range in small Yangshan water

图6为小洋山码头水域日平均含沙量与日平均潮差之间关系，相关分析表明两者相关系数为0.533，说明大小洋山海域含沙量主要取决于潮流动力条件。

大小洋山附近海域一般水深为10 m左右，平均流速为0.9 m/s，平均波高不大于0.7 m，可以算得潮流产生的摩阻流速为2.87 cm/s，而波浪摩阻流速为0.67 cm/s，即波浪作用于床面的能量仅为水流的1/20左右。以上分析表明，在正常气象条件下，含沙量场的分布、泥沙输移以及泥沙冲淤趋势主要取决于潮汐水流条件。

2.5.5 洋山海域冲淤形势和海床稳定性

(1)大小洋山海域冲淤形势[8-9]。

河海大学、华东师范大学和国家海洋局二所，采用不同的方法进行冲淤分析，几家分析结果基本一致，即洋山港区海域近年处于微淤状态，年淤积率1～2 cm/a。

(2)小洋山码头前局部海域冲淤形势[7]。

2000年2月起在小洋山南麓水域一期工程岸线前沿3.4 km×1.5 km范围内布置了11条固定断面，进行了为期2 a多共11次的断面观察，主要结论如下：

①观测区域4～11月以冲刷为主，冬季(11～1月)以淤积为主。

②冲淤幅度最大区域为近岸水深较大深槽处。

2.6 从泥沙角度探讨洋山深水港的可行性

大小洋山之间海域平均含沙量高达1.5 kg/m3，为此，港池航道泥沙回淤问题是确定洋山深水港是否可行的关键技术条件。下面分别从开敞海域航道挖槽内泥沙回淤率计算及洋山深水港港区泥沙回淤趋势分析来探讨洋山深水港的可行性。

2.6.1 洋山深水港进港航道开挖段泥沙回淤估算

洋山深水港进港航道开挖段位于开敞海域，水流条件相对比较简单。且由杭州湾泥沙条件可知，浅段开挖后的回淤主要是由悬沙淤积所引起。

根据经验，采用刘家驹公式计算航道开挖后泥沙回淤率[8]。

航道浅段最小水深12.1 m，规划航道疏浚深度为16 m。根据多次水文测验资料分析后确定外航道涨潮平均含沙量为1.21 kg/m3，落潮平均含沙量为1.24 kg/m3。据此算得开挖航道内年平均淤厚0.85 m/a，最大淤厚1.19 m/a。

至于大风浪掀沙造成的短期骤淤，根据附近的杭州湾深水航道试挖回淤观测研究有关成果，同时考虑到本海区航道海域天然水深较大的特点，这种骤淤对航槽回淤影响将很小。

2.6.2 大小洋山之间港区泥沙回淤问题研究成果简介

如前所述，洋山一期工程各方案码头前水域均产生较大尺度的回流区。高含沙量水域回流区的泥沙回淤率将远大于开敞海域，小洋山一期工程施工实践也证实了这一结论[7]。通过大量物理模型试验，认识到只要保持港区水流强度足够大，且流态平顺均匀，港区的泥沙回淤问题可以控制，亦即洋山深水港的可行性是可以保证的。据此总结出保证洋山深水港可行性的16字方针为：封堵汊道、归顺水流、减少回淤、航行安全。在物理模型中对洋山深水港一期工程方案进行了大量方案试验，最后推荐方案条件下的定床浑水悬沙淤积试验结果表明，这时码头前沿泊位区回淤率为1.32～1.83 m/a，调头区为0.48～0.66 m/a，回淤量为(72～100)×104m3/a[9]。