上海洋山深水港區水文泥沙研究

2023年12月9日發(作者：最強維修工)

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上海洋山深水港區水文泥沙研究

吳明陽;許家帥

【摘 要】根據洋山深水港區歷年數次水文測驗資料,對洋山深水港區水域潮流泥沙分布特征進行了分析研究,得出該區為典型的高流速、高含沙量海區,且具有通常海域截然不同的水文泥沙特性,為洋山深水港區工程方案設計及模型試驗提供了科學依據.

【期刊名稱】《海岸工程》

【年(卷),期】2011(030)002

【總頁數】7頁(P43-49)

【關鍵詞】水文泥沙;港區;潮流

【作 者】吳明陽;許家帥

【作者單位】交通部天津水運工程科學研究所,天津,300456;工程泥沙交通行業重點實驗室,天津,300456;交通部天津水運工程科學研究所,天津,300456;工程泥沙交通行業重點實驗室,天津,300456

【正文語種】中 文

【中圖分類】U65

建設中的上海國際航運中心洋山深水港地處長江口南匯嘴東南約30 km的東海崎嶇列島,西靠杭州灣口,北部海域與長江口海濱相連,南臨舟山群島,東瀕黃澤洋,是我國島群中開發深水港口工程實例之一。洋山深水港區水域位于大、小洋山兩條島鏈圍成的漏斗形潮流通道,西起小烏龜—雙連山,東至小巖礁—大洋山,長約11 km,西口門寬7.7 km,東口門寬1.0 km,水域面積約38 km2,是由已建和待建在小洋山島鏈上的北港區和規劃在大洋山島鏈上的南港區組成。北港區現已建成一、二、三期港區,位于小洋山—小巖礁,碼頭岸線總長5.6 km,待建的蔣公柱港區和西港區位于小洋山以西至小烏龜,碼頭岸線總長約4.2 km。北港區原有5個汊道,現僅留有顆珠山1個汊道。大洋山島鏈處于自然狀態,現有大洋山至唐腦山3個汊道(圖1)。

1 潮流泥沙及淤積基本特征

1.1 潮位

1)根據小洋山1997—2007年觀測資料統計,其特征(平均)值為：高潮位3.88 m,低潮位1.14 m,海平面2.54 m,潮差2.73m,漲潮歷時5 h 47m in,落潮歷時6 h 37m

in。

2)2006—2008年小洋山、小洋山北(鉆頭嘴)和小巖礁(東口門)3地15周日同步驗潮資料表明：

a.東口門存在壅水現象

表現在小巖礁平均低潮位高于小洋山0.06m,平均潮差小于小洋山0.07m。

b.港區通道內,外水面漲、落潮有不同的高低變化

圖1 洋山深水港區大、小洋山島鏈形勢圖Fig.1 Map showing the situation of

Dayangshan and Xiaoyangshan island chains in Yangshan Deep-w ater H

arbor A rea

在漲潮時段內,港區通道內水面低于通道以北海域,不同潮時瞬時高差為0.02～0.12

m;在落潮時段內反之,港區通道水面高于通道以北海域,高差為0.02～0.15 m。最大高差發生在半潮[1]。

1.2 潮流

2000—2008年港區通道內定點水文全潮資料表明： 1)潮流屬正規半日潮性質

根據歷次準調和常數分析及橢圓要素計算,潮流形態系數F介于0.13～0.33,小于0.5,潮流類型應屬正規半日潮流。淺水分潮流影響系數G介于0.06～0.38,除汊道內淺水區域外,淺水分潮流影響并不顯著。

2)潮波近于駐波型

憩流即流向轉換,漲、落潮一般分別出現在高、低潮后約1 h,漲、落潮最大流速一般分別出現在高、低潮前約2 h。憩流和最大流速略遲后高、低潮和半潮,表明潮波從外海前進波進入本區已具有以駐波為主的合成潮波。

3)潮流運動具有較強的往復性

a.半日分潮流的橢圓率K 很小,僅為 0.02～0.11,一般小于0.06.

b.實測漲、落潮平均流向港區通道水域漲潮流向一般在260°～340°,落潮流向在100°～150°,漲、落潮平均流向分別為298°和119°,呈WNW-ESE向,與主通道走向基本一致。據觀測資料統計,各測點漲、落潮流向之差與180°相比,其差值小于10°的約占70%,小于15°的約占83%。表明本區潮流具有較強的往復流性質。

4)潮流歷時漲潮短于落潮

平均漲、落潮流歷時分別為5 h 39min和6 h 47 min,漲潮流歷時較落潮流平均縮短約1 h。

5)屬強潮流港區、落潮流強于漲潮流

港區通道水域潮段漲、落潮平均流速分別為0.71和0.83 m/s,屬強潮流海區,其中大潮分別為0.87和1.02m/s;落潮流大于漲潮流,其比值為1.17;漲、落潮垂線最大流速分別為1.97和2.07 m/s;漲、落潮表層最大流速分別為2.25和2.49 m/s(表1)。

6)底部潮流速具有床沙起動的強度

根據歷年資料統計,大、中、小潮潮段平均底層流速(海床面上約0.5 m)漲、落潮分別為0.50和0.55m/s,約為表層流速的55%,為潮段平均流速的68%;垂線最大流速時的底層流速,漲、落潮分別為1.63和1.55 m/s。

各潮段平均底流速(固定在海床面上0.2 m)漲、落潮分別為0.37和0.36 m/s,約為底層流速的70%;垂線最大流速時的底流速,漲、落潮分別為0.89和0.84 m/s。天然泥沙起動流速約0.50 m/s,表明洋山港區水域底部潮流強度具有掀動床面泥沙的能力[2]。

7)建港前,小洋山島鏈汊道主要屬落潮流為主通道,進出潮量約為西口門潮量的50%(表2)。

表1 洋山港區通道水域實測潮流速(m?s-1)Table 1 Tidal current velocity

measured atw aterw ays in Yangshan harbour area(m?s-1)潮段平均流速時 間

大、中、小潮平均 大 潮垂線最大流速 表層最大流速漲潮 落潮 漲潮 落潮 漲潮 落潮 漲潮 落潮2000-01-02 0.70 0.84 0.87 1.03 2.40 2.39 2.61 2.77 2002-06-07

0.67 0.81 0.75 0.94 1.73 1.79 1.89 1.89 2003-10-11 0.72 0.83 0.97 1.15 2.05

2.29 2.52 2.54 2004-05 0.73 0.91 0.92 1.13 2.06 2.42 2.40 2.79 2005-01 0.67

0.81 0.80 0.96 1.70 1.80 1.89 2.14 2005-07 0.64 0.71 0.71 0.80 1.47 1.50

1.93 1.80 2006-04-05 0.79 0.87 0.97 1.10 1.95 2.06 2.10 2.94 2007-04-05

0.74 0.81 0.94 1.06 2.37 2.11 2.56 2.68 2008-05 0.76 0.85 0.90 1.04 1.97

2.28 2.38 2.84平均 0.71 0.83 0.87 1.02 1.97 2.07 2.25 2.49

表2 小洋山島鏈各通道周日潮量Table 2 Tidal volume through the waterways

in Xiaoyangshan island chain潮流通道 尺 度/m 潮 量/億m3寬 度 平均水深 漲

潮 落 潮 凈潮量小烏龜—雙連山(西口門) 7 200 -12.1 28.26 31.10 -2.84汊道大烏龜—顆珠山 1 120 -11.2 1.54 1.66 -0.12顆珠山—小洋山 1 030 -19.8 2.98

3.04 -0.06小洋山—鑊蓋塘 1 300 -17.1 3.46 3.22 +0.24鑊蓋塘—大巖礁 1 840

-13.9 4.54 8.34 -3.80合 計 12.52 16.26 -3.74汊道/西口門 44% 52% 1.3 含沙量

洋山港區通道水域含沙量主要受控于長江口、杭州灣大的泥沙環境,總體來講,港區維護疏浚、汊道封堵對水體含沙量大會產生大的變化[3]。

1)含沙量年際變幅不大,季節變化明顯

根據小洋山長期表層觀測資料,年平均含沙量變幅在0.71～0.94 kg/m3,平均為0.86 kg/m3;每年從11月—翌年4月冬、春季節含沙量較高,平均為1.15 kg/m 3,從5～10月夏、秋季節含沙量較低,平均為0.56 kg/m3,約有1倍之差。月平均含沙量最小為0.19 kg/m3,發生在 2003-07,最大為1.69 kg/m3,發生在 2002-02。

港區通道水域年平均含沙量為1.40 kg/m3,年際變幅不大,但近4年有減小跡象,年內有明顯的季節性變化。

2)屬高含沙港區、漲潮含沙量大于落潮

a.根據2000—2008年資料統計,潮段平均含沙量漲、落潮分別為1.24和1.07

kg/m3,其中,大潮分別為1.72和1.55 kg/m3,漲潮含沙量大于落潮,其比值為1.16。

b.垂線最大含沙量為5.21 kg/m3,平均2.99 kg/m3,底層(海床面上約0.5 m)最大含沙量為6.28 kg/m3,平均3.73 kg/m3(表3)。

3)水體含沙量大、小與潮流強度有關

a.從近年15周日含沙量資料來看,在半個月潮周期過程中,含沙量大小與潮差呈明顯的對應變化,即大潮到小潮再到大潮過程中,含沙量則表現出由大到小,再到大的對應漸變過程,而潮差與潮流密切相關(圖2)。

b.從歷年水文測驗資料來看,大、中、小潮含沙量分別為1.64,1.24和0.68 kg/m3,大潮含沙量為中潮的1.3倍,為小潮的2.4倍,而潮流速大潮最大、中潮次之、小潮最小。

4)底部含沙量未發現異常現象

a.根據歷年定點水文全潮測驗資料統計,垂線最大時的底層含沙量漲、落潮分別為3.79和3.67 kg/m3,同步表層含沙量分別為1.82和2.03 kg/m3,底層含沙量與表層含沙量相比約有1倍之差。

表3 洋山港區通道水域實測含沙量(kg?m-3)Table 3 Sediment

contentmeasured at the waterways in Yangshan harbour area(kg?m-3)潮段平均含沙量時 間 大、中、小潮平均 大 潮垂線最大含沙量 底層最大含沙量漲潮 落潮 漲潮 落潮 漲潮 落潮 漲潮 落潮2000-01-02 1.43 1.21 1.91 1.64 3.03 3.17

3.53 3.45 2002-06-07 0.61 0.44 0.65 0.62 1.97 1.87 2.82 2.60 2003-10-11

0.50 0.46 0.78 0.70 1.43 1.56 1.86 2.25 2004-05 1.46 1.19 2.03 1.76 3.36

2.99 3.95 3.73 2005-01 1.42 1.32 1.70 1.55 2.49 2.32 3.22 2.60 2005-07 0.41

0.40 0.57 0.60 1.06 1.31 1.27 1.44 2006-04-05 1.62 1.52 2.30 2.25 3.63 4.27

5.04 5.23 2007-04-05 1.64 1.46 2.95 2.72 5.08 5.21 6.28 5.69 2008-05 2.10

1.64 2.63 2.07 4.46 4.55 6.18 6.01平均 1.24 1.07 1.72 1.55 2.95 3.03 3.79

3.67

圖2 2008-05日平均含沙量與潮差過程線圖Fig.2 Daily average silt content

and tidal range processmeasured in M ay,2008

b.根據P1站4次15周日資料,垂線最大含沙量時的底含沙量在漲、落潮時分別為5.75和6.00 kg/m3,同步底層含沙量分別為3.88和4.11 kg/m3,底含沙量與底層含沙量相比,僅偏大約50%。從一般對底部高濃度渾水認識來看,上述資料說明迄今為止洋山港區通道水域底部含沙量正常,未出現所謂高濃度渾水現象。

5)港區通道水域含沙量基本自西向東遞減分布

根據15周日資料,港區通道西、東口門處含沙量,漲潮分別為1.55和1.28 kg/m3,西口門偏大21%,落潮分別為1.24和1.15 kg/m3,西口門偏大僅8%,總體來看,含沙量變幅不大。

1.4 懸沙粒徑 根據歷年實測資料,洋山港區通道水域懸浮泥沙中值粒徑一般為0.008～0.011 mm,平均為 0.009mm;砂、粉砂、粘土的質量分數分別為 10%,60%,3%,屬細顆粒粘性范疇。

1.5 底質

根據歷年底質采樣分析資料,港區通道水域底質主要以粘土質粉砂和粉砂類型為主,約占沉積物類型的90%。從各年平均中值粒徑變化來看,建港前2002年和三期工程建成后的2008年較細,分別為0.020和0.019 mm,2003—2007年期間較粗,在0.023～0.029mm之間,主要受圍堤造陸工程泥沙流失形成的局部堆積體影響所致。在今后正常情況下,港區通道水域仍以粘土質粉砂和粉砂類型為主,平均中值粒徑為0.020mm。

1.6 洋山港泥沙淤積特征

1)洋山港區水域懸沙中值粒徑為0.009 mm,粘土質量分數為30%,底質泥沙中值粒徑為0.020mm,粘土含量22%,基本界定在淤泥質范疇,泥沙淤積以懸沙落淤為主。

2)洋山港區處于高含沙、強潮流的潮汐通道內,強潮流特征為港口開發提供了有利條件,而水體高含沙也為港口提供了不容忽視的泥沙回淤環境。

3)洋山港區泥沙來源于長江輸沙及長江口外和杭州灣近岸淺灘潮流、風浪掀沙。在含沙量難以改變的特定條件下,港區泥沙淤積的輕重主要取決于三個變量,一是港區內水流強度不宜有過大的降低;二是水流平順,避免產生較強的回流;三是保持通道內水沙通暢,維持通道水深地形的穩定。

2 結 語

1)洋山水深港區潮位特征值為：高潮位3.88m,低潮位1.14m,海平面2.54m,潮差2.73 m,漲潮歷時5 h 47 min,落潮歷時6 h 37min;

2)東口門潮位存在壅水現象,港區通道內、外水面漲、落潮潮位有不同的高低變化。

3)港區潮流具有特性：潮流屬正規半日潮性質,潮波近于駐波型,潮流運動具有較強的往復性,潮流歷時漲潮短于落潮,屬強潮流港區、落潮流強于漲潮流,底部潮流速具有床沙起動的強度,建港前,小洋山島鏈汊道主要屬落潮落為主通道,進出潮量約為西口門潮量的50%。

4)洋山港區通道水域含沙量主要受控于長江口、杭州灣大的泥沙環境,總體來講,港區維護疏浚、汊道封堵對水體含沙量大會產生大的變化。其性質為：含沙量年際變幅不大,季節變化明顯;屬高含沙港區、漲潮含沙量大于落潮;水體含沙量大、小與潮流強度有關;底部含沙量未發現異常現象;港區通道水域含沙量基本自西向東遞減分布。

5)洋山港泥沙淤積特征：港區水域懸沙中值粒徑為0.009 mm,粘土質量分數為30%;底質泥沙中值粒徑為0.020 mm,粘土質量分數為22%,基本界定在淤泥質范疇,泥沙淤積以懸沙落淤為主;港區處于高含沙、強潮流的潮汐通道內,強潮流特征為港口開發提供了有利條件,而水體高含沙也為港口提供了不容忽視的泥沙回淤環境;港區泥沙來源于長江輸沙及長江口外和杭州灣近岸淺灘潮流、風浪掀沙。在含沙量難以改變的特定條件下,港區泥沙淤積的輕重主要取決于三個變量,一是港區內水流強度不宜有過大的降低,二是水流平順,避免產生較強的回流,三是保持通道內水沙通暢,維持通道水深地形的穩定。

參考文獻：

[1] 吳明陽,馮玉林.上海洋山港定床泥沙模型試驗研究[J].海洋學報,2003,(3)：67-74.

[2] 吳明陽,馮玉林.潮汐河口的治理[J].水道港口,2004,(S1)：23-28.

[3] 吳明陽,許家帥,馮玉林.上海洋山深水港區二期工程方案潮流物理模型試驗研究[J].水運工程,2010,(9)：1-6.

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