长江口横沙浅滩挖入式港池与入海航道区域海床稳定性分析
长江口横沙浅滩及邻近海域含沙量与沉积物特征分析
长江口横沙浅滩及邻近海域含沙量与沉积物特征分析徐海根;虞志英;钮建定;李身铎;郑建朝【摘要】长江口在河流动力和海洋动力相互作用和相互制约下,在河口口门形成了庞大的河口拦门沙系,在河口口外形成了巨大的水下三角洲.横沙浅滩是河口拦门沙系的重要组成部分.横沙浅滩含沙量不仅受到流域来水来沙条件的影响,更主要的是受到台风暴潮和寒潮大风的影响,除了大潮含沙量大于小潮含沙量的特征外,冬季含沙量大大大于夏季含沙量.横沙浅滩5 m水深含沙量的总体水平约为0.459 kg/m3.横沙浅滩邻近海域含沙量在向海方向上迅速降低.除潮汐大小含沙量呈现大小变化之外,冬季含沙量大于夏季含沙量是其主要特征.长江流域来沙近年来呈现减少趋势,邻近海域含沙量有所减少,局部海床出现冲刷现象.横沙浅滩沉积以细粉砂为主,水下三角洲沉积物以粘土质粉砂为主,横沙浅滩及邻近海域沉积物的平面分布和垂向分布均反映了横沙浅滩沉积物和水下三角洲沉积物的组合结构.拟建横沙浅滩挖入式港池和外航道沉积地层均为第四纪疏松沉积层,特别是水下三角洲地层,可挖性好,容易成槽,对工程建设有利.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】13页(P42-54)【关键词】长江口;横沙浅滩;水下三角洲;含沙量;沉积物【作者】徐海根;虞志英;钮建定;李身铎;郑建朝【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;中交第三航务工程勘察有限公司,上海200032;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;中交第三航务工程勘察有限公司,上海 200032【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言拟选横沙浅滩挖入式港池及外航道位于长江口横沙浅滩及邻近海域.长江全长6 300 km，流域面积180万km2，流域来水来沙丰富.长江口潮汐强度属于中等.口门多年平均潮差2.66 m，最大潮差4.62 m.长江口潮量巨大.在多年平均流量和平均潮差的情况下，洪季大潮进潮量有53亿m3，枯季小潮进潮量也达13亿m3.长江河口河流作用显著，海洋作用强劲，两者相互作用和相互制约，导致在河口口门泥沙集聚和沉积，形成河口拦门沙系，包括拦门沙航道和拦门沙浅滩，两者相间分布.拦门沙浅滩有崇明东滩、横沙东滩和横沙浅滩、九段沙等.横沙东滩和横沙浅滩以N23丁坝分界，以西与横沙岛相接，称横沙东滩，以东为横沙浅滩.长江口拦门沙向海方向为巨大的长江水下三角洲.面积达1万km2以上，下界水深30～50 m，北面与苏北浅滩相接，南面连接杭州湾海底平原.它是长江入海泥沙扩散沉积形成的一个巨大地貌单元.1 含沙量横沙浅滩含沙量具有长江口拦门沙浅滩含沙量的共同特征.含沙量不仅受上游来水来沙的影响，更加受到台风、寒潮、波浪和潮汐潮流的巨大影响.我们在邻近的佘山水文站从1998年到2001年连续三年观测含沙量资料（见表1），得到多年平均含沙量为0.459 kg／m3.佘山水文站在崇明东滩5 m水深处，可以代表横沙浅滩5m水深处的含沙量总体水平.20世纪80年代，上海市海岸带和海涂资源综合调查时，横沙浅滩5 m水深处含沙量为0.5 kg／m3，与上述数据相当［1，2］.横沙浅滩含沙量季节性变化明显（见图1）.7月最小，11月最大，月均值前者为0.21 kg／m3，后者为0.74 kg／m3.11月最大含沙量曾出现过17.29 kg／m3.含沙量的季节性变化，显然不是上游来水来沙变化为主因，而是台风暴潮和寒潮大风影响的结果.表1 1998—2001年佘山站含沙量统计表Tab.1 Statistic table of concentration of Sheshan Station from1998 to 2001 kg·m－31 0.46 1.76 8 0.384.20 2 0.44 1.39 9 0.40 3.02 3 0.53 3.86 10 0.47 4.34 4 0.42 2.75 11 0.74 17.29 5 0.26 1.48 12 0.44 1.76 6 0.24 1.10 年平均0.42 17.29 7 0.21 1.81横沙浅滩邻近海域含沙量降低.如表2所示，北港口门含沙量比口外大.含沙量向海方向急剧降低，在洪季北港口门平均含沙量为0.786 kg／m3，口外20 m等深线附近仅为0.153 kg／m3.图1 佘山全年含沙量Fig.1 Monthly suspended sediment concentration at Sheshan Station表2 1982年含沙量同步观测结果Tab.2 Observed suspended sediment concentration in 1982 kg·m－32301（北港口门） 0.728 0.844 0.7860.803 0.746 0.774 2302（北港口外） 0.167 0.139 0.153 2401（北槽口门）0.329 0.587 0.458 1.130 1.068 1.091 2402（北槽口外） 0.242 0.238 0.2401982年洪季平均含沙量分布如图2所示.大潮含沙量大，小潮含沙量小；含沙量等值线大潮外推，小潮内移；含沙量分布向海方向急剧降低.图2 洪季大小潮平均含沙量分布图（kg·m－3）Fig.2 Distribution of average concentration of flood season（kg·m－3）1982年枯季平均含沙量分布如图3所示.大潮含沙量大，小潮含沙量小；含沙量等值线大潮外推，小潮内移；含沙量平面分布，向海方向急剧降低.图3 枯季大小潮平均含沙量分布图（kg·m－3）Fig.3 Distribution of average concentration of dry season（kg·m－3）根据图2和图3分析，含沙量季节性变化明显.冬季含沙量比夏季大.0.2 kg／m3含沙量等值线，洪季大潮分布在20 m等深线以西，枯季大潮可东移到40 m等深线附近.1998年北槽深水航道建设工程开始，横沙东滩促淤圈围工程跟着开工建设，到2004年横沙浅滩及邻近海域的含沙量有如下的分布特征.如表3所示，横沙浅滩5 m水深以浅地区，平均含沙量均在0.5 kg／m3至1.0kg／m3；在横沙浅滩东侧前沿水深5～10 m的鸡骨礁附近含沙量明显降低，平均含沙量降至0.5 kg／m3以下.实测最大含沙量分布在底层，可达1.0kg／m3 以上［5］.表3 2004年含沙量同步观测结果Tab.3 Observed suspended sediment concentration in 2004 kg·m－312 N2（北导堤外） 0.40 0.60 0.43 0.89 N4（横沙鸡骨礁－10 m） 0.19 0.35 0.22 0.54 CS5D（－10 m航道侧）0.53 0.86 1.07 1.CS4D（口内） 0.42 0.59 0.74 1.512004年北槽口及附近海域含沙量平面分布如图4所示.从中可以看出，北槽口含沙量大，向海方向急剧降低.0.1 kg／m3含沙量等值线介于10 m和20 m等深线之间，含沙量等值线走向与地形等深线走向相似.长江流域来沙近年发生了显著变化，对河口含沙量已经产生了影响.长江多年平均径流总量约9 000亿m3，年内分布具有季节性（见图5）.流域来沙，在各种因素的影响下近年呈现减少趋势.以安徽大通站为例，年均输沙量1951—1989年为4.71亿t，1990—2000年为3.46亿吨，2000—2009年为1.92亿t，2006年为0.848亿t，2011年仅为0.77亿t（见表4和图6）.流域来沙减少已致长江口口内含沙量降低，邻近海域也有所降低［4］.长江口邻近海域海底地形出现冲刷带，可能与流域来沙减少有关.不过，这方面还得进行进一步的现场测量和研究工作.图4 2004年长江口全潮平均含沙量分布图Fig.4 Distribution of average tidal concentration of Changjiang Estuary in 2004表4 长江大通站输沙量Tab.4 Sediment discharge of Changjiang Datong Stationmm 1950—2000 4.33 0.486 0.年份年输沙量／亿t 年均含沙量／（kg·m－3） D50／017 2003 2.06 0.223 0.010 2011 0.77图5 大通站年径流量变化过程Fig.5 Annual runoff of the Changjiang River in Datong Station图6 大通站年输沙量变化过程Fig.6 Annual sediment discharges of the Changjiang River in Datong Station2 沉积物横沙浅滩及邻近海域动力条件和泥沙运动十分复杂，沉积环境也有多样，因此沉积物类型较多.沉积物类型，粗至细砂，细至粘土，各种类型都有.如细砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土和粘土［2，3，5，7］.但是，它们分布有序，很有规律.横沙浅滩基本上由粉细砂物质组成.图7为取样站，表5为颗粒分析成果表.有细砂、粉砂质砂、砂质粉砂组成.个别滩地也有粘土质粉砂等细物质沉积，但不是主要的. 图7 横沙浅滩沉积物取样站位图Fig.7 Sediment sampling stations around Hengsha Shoal1982年横沙浅滩及邻近海域沉积物平面分布如图8所示.横沙浅滩由粉砂质砂组成.拦门沙航道由粘土质粉砂组成.邻近海域水下三角洲由粉砂和粘土质粉砂等细颗粒物质组成.2004年横沙浅滩及邻近海域沉积物平面分布如图9所示.横沙浅滩由粉砂质砂组成.拦门沙航道由粘土质粉砂组成.邻近海域5～10 m等深线之间沉积物由粉砂组成，10 m等深线以深的水下三角洲由粘土质粉砂组成.表5 沉积物粒度分析成果统计Tab.5 Statistics of sediment grain sizeQ179 65.8 20.4 13.8 0.126 0.116 TS 2001.5 Q180 50.4 34.9 14.3 0.063 0.067 TS 2001.5 Q181 44 40.5 15 0.051 0.054 TS 2001.5 Q182 75.3 14.75 9.95 0.136 0.125 S 2001.5 Q188 60.52 39.44 27.34 0.122 0.111 Y－TS 2001.5 Q189 76.7 15.58 7.54 0.140 0.129 S 2001.5 Q190 12.5 61.78 25 0.012 0.028 YT 2001.5 Q191 70.9 18.85 10 0.132 0.128 S 2001.5 Q199 20.3 60.56 18.6 0.0200.048 ST 2001.5 Q200 20.2 60.15 19.1 0.019 0.047 ST 2001.5 Q201 73.1 15.29 11.3 0.139 0.120 S 2001.5 Q208 57.7 29.03 12.90.096 0.093 TS 2001.5 Q209 50.9 31.87 16.7 0.067 0.076 TS 2001.5图8 1982年长江口底砂D50（mm）分布图Fig.8 Distributions of Changjiang Estuary sediment（D50）in 1982图9 2004年长江口底砂D50（mm）分布图Fig.9 Distributions of Changjiang Estuary sediment（D50）in 2004长江口表层沉积物中泥的百分含量平面分布图（见图10）和砂的百分含量平面分布图（见图11），是20世纪80年代上海市海岸带和海涂资源综合调查沉积调查的资料.从中可以看出，横沙浅滩表层沉积物泥的百分含量不足10%或20%，砂的百分含量在50%～80%以上.横沙浅滩邻近海域水下三角洲表层沉积物中泥的百分含量在50%以上，砂的百分含量不足20%.应予指出，长江口东北部分，东经122°30′以东和北纬31°20′以北一大片海域，泥的百分含量不足10%，砂的百分含量大于80%，是一个粗颗粒沉积物的存在区.横沙浅滩拟建挖入式港池建议提出以后［6］，中交第三航务工程勘察设计院有限公司在横沙浅滩及邻近海域布置和进行了4个工程地质钻孔（见表6，图12和图13），为研究工程区域沉积物垂向分布提供了资料［7］.地质历史上，长江口经过复杂的变化.冰后期海侵，长江口成为溺谷.河流入海泥沙堆积，溺谷变成河口湾，再变成三角洲河口.三角洲河口发育阶段，河口拦门沙发育（包括拦门沙航道和拦门沙浅滩），水下三角洲发育.C3孔可以代表河口拦门沙沉积剖面.表层为河口拦门沙航道沉积，物质细，粉质粘土，第二层为河口拦门沙浅滩沉积，物质粗，粉细砂.根据历史海图分析，1842年北港口航道在佘山附近入海，现在北港口航道已在佘山以南，已经移到以前的横沙浅滩位置.根据目前横沙浅滩表层沉积物对比分析，实际上第二层粗物质粉细砂与目前滩面表层沉积物相似.所以C3孔可以代表横沙浅滩沉积物的沉积剖面.横沙浅滩粉细砂沉积层的底板高程约在鸡骨礁（122°22.9′E、31°10.4′N）理论最低潮面下13.20 m 左右.第三层、第四层、第五层，物质变细，粉质粘土、淤泥粘土到粘土，为全新世水下三角洲沉积.底板高程约在鸡骨礁理论最低潮面下48.50 m左右.第六层，物质有所粗化，粉质粘土夹粉砂，属晚更新世沉积地层.图10 长江口沉积物泥百分含量分布图Fig.10 Distributions of Changjiang Estuary mud percentage concentration图11 长江口沉积物砂百分比含量分布图Fig.11 Distributions of Changjiang Estuary sand percentage concentration表6 勘探点位置表Tab.6 Locations of drilling coresC1 31°14.9997′122°25.0110′ 长江口锚地，鸡骨礁外C2 31°15.0029′ 122°20.2960′ 横沙浅滩东侧，鸡骨礁北约8 km C3 31°20.3153′ 122°07.9836′ 横沙浅滩北侧，长江口北港水道C4 31°7.4900′ 122°19.9900′ 横沙浅滩南侧，鸡骨礁南约5 km，长江口南港水道C1孔位于横沙浅滩以东邻近海域，在10 m等深线以外的水下三角洲上.第一层，淤泥；第二层，淤泥质粉质粘土；第三层，淤泥质粘土；第四层，粘土.都是细颗粒沉积物，都属第四纪全新世水下三角洲沉积.与C3孔水下三角洲沉积剖面相似.底板高程在鸡骨礁理论最低潮面下58 m左右.第四层向下的地层为晚更新世沉积地层.C2孔介于C1孔和C3孔之间，在横沙浅滩东侧5 m等深线附近.第一层为粉细砂，属于河口拦门沙浅滩沉积.第二层，淤泥质粘土；第三层，粘土，属于水下三角洲沉积.这与C3、C1的水下三角洲沉积剖面相似.底板高程在鸡骨礁理论最低潮面下46.80 m左右.该层以下为晚更新世沉积地层.实际上，C3、C2、C1三个钻孔可以构成从横沙浅滩到水下三角洲的一个沉积纵剖面.剖面上部河口拦门沙浅滩沉积，以灰色粉细沙为主，局部为灰黄色，饱和，松散～稍密，砂质不纯，颗粒较均匀，含云母和贝壳碎片，夹粘性泥层.剖面下部呈现灰黄色淤泥质粉质粘土，饱和，流塑，土质均匀，切面较光滑，夹少量粉砂层，含少量有机质，偶见粉砂小团块，摇振见反应，韧性中等，再现灰色淤泥质粘土，饱和，流塑，土质均匀，切面光滑，有光泽，夹少量粉砂或粉土微粒层，含少量贝壳碎片，无摇振反应，韧性高，标准贯入击数＜1；最后为灰色粘土，饱和，软塑，土质均匀，切面光滑，有光泽，夹粉砂微粒层，含少量贝壳碎片，无摇振反应，韧性高，标准贯入击数2～5击.构成的沉积纵剖面，从横沙浅滩到水下三角洲，沉积物有两大类型，上部为河口拦门沙浅滩沉积，物质粗，向海方向尖灭；下部为水下三角洲沉积，物质细，遍及横沙浅滩和水下三角洲.晚更新世地层在全新世地层之下，标准贯入击数高.这种沉积物沉积剖面结构对横沙浅滩挖入式港池和外航道建设十分有利.C4孔位于横沙浅滩南侧10 m等深线附近，依然显示河口浅滩沉积和水下三角洲沉积的二元结构特征.但是，在鸡骨礁理论最低潮面下48.00m以下的晚更新世地层确为粉细砂，并不是其余3个钻孔所显示的粉质粘土夹粉砂，说明晚更新世沉积地层平面变化比较复杂.在现有资料情况下，C3、C2、C1沉积物垂向分布特征，已经包涵了横沙浅滩及邻近海域，而且沉积物分布有序、规律，可以作为拟选工程横沙浅滩挖入式港池和外航道建设的沉积物分布的特征资料.疏松沉积层，可控性好，对拟建工程建设有利.3 小结综合以上讨论分析，可得：① 长江口在河流和海洋相互作用与相互制约下，形成了庞大的河口拦门沙系和水下三角洲两大地貌单元.拟选横沙浅滩挖入式港池和外航道就在河口拦门沙浅滩和水下三角洲上.② 横沙浅滩5 m水深处含沙量在0.459 kg／m3左右.大潮含沙量大于小潮，冬季含沙量大于夏季，台风暴潮、寒潮大风对浅滩地区泥沙运动作用明显.邻近海域含沙量低，向海方向急剧减小.含沙量大潮大于小潮，冬季大于夏季.近年来长江流域来沙呈现减小趋势，邻近海域含沙量也因此有所降低，局部海床有所冲刷.③ 横沙浅滩表层沉积物粗，以粉细砂为主，水下三角洲表层沉积物细，以粘土质粉砂为主.根据地质钻孔资料分析，C3孔、C2孔、C1孔显示的沉积物垂向分布，全新世地层可以分为两层，上层由粉细砂组成，属于河口拦门沙浅滩沉积，下层由淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粘土组成，属于水下三角洲沉积.都是疏松沉积层，可挖性好，对横沙浅滩挖入式港池和外航道建设有利.上述意见仅根据现有资料所做的初步分析.实际上，含沙量和沉积物特征及其分布十分复杂，随着研究工作进展，还应做更多、更广泛的调查研究工作.［参考文献］［1］陈吉余.中国河口海岸研究与实践［M］.北京：高等教育出版社，2007.［2］陈吉余.上海市海岸带和海涂资源综合调查报告［M］.上海：上海科学技术出版社，1988.［3］郭蓄民，许世远，王靖泰，等.长江河口地区全新统的分层与分区［G］／／严钦尚，许世远.长江三角洲现代沉积研究.上海：华东师范大学出版社，1987. ［4］何青.河口泥沙［M］／／陈吉余.21世纪的长江河口初探.北京：海洋出版社，2009.［5］虞志英.长江口北槽口外水下地形［G］／／沉积环境变化和对三期外航道的影响.上海：华东师范大学河口海岸国家重点实验室，2004.［6］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.［7］中交第三航务工程勘察设计院有限公司.上海新港区选址（横沙）项目研究前期工作报告［R］.上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2012.。
长江口横沙东滩外侧建设人工岛的自然条件分析
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【摘要】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。
%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 littlefrom 2001 to 2008.Seven cross-section profiles showed that there was slight deposition in the upper part but erosion in the lower part,and the transforming depth from deposition to ero-sion was about -7 m to -10m.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 cur-rent 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 sedi-ment concentration was 0.061 kg/m3 to 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 concen-tration 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.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】10页(P163-172)【关键词】河势变化;动力条件;横沙东滩;人工岛;长江口【作者】薛靖波;蒋雪中;买佳阳【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062【正文语种】中文【中图分类】P751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。
长江口不同河段近期河床演变特点及碍航特性分析
长 江 口航 道是 长 江黄 金 水道 的咽 喉 ， 关 系 国 民经 济发 展 和 国 防建 设 全 局 的水 上 运输 通 道 ， 是 战略 地 位 非 常 重 要 。 江 口深 水 航 道 治 理 三 期 工 程 已于 ２ １ 长 ００年 ３月 １ 日通 过 交 通 运 输 部 组织 的 交 工验 收 ， 达 ４ 长
表 １ 长 江 口主 要 航 道 现 状
Ｔ ｂ １ ｕ ｒ ｎ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｅ Ｙａ ｇ ｚ ｓｕ ｒ ｔｒ ａ ａ． Ｃ ｒｅ ｔ ｔ ｔ ｆ ｈ ｎ ｔｅ Ｅ ｔａ ｙ ｗａｅ ｗ ｙ ｓｕ ｏ ｔ
注： 主航道徐六 泾一南港段宽度为设标宽度 ， 南港北 槽段为航道底 宽； 北支暂 以灵甸 港 、 红阳港 、 五仓
势， 并结合航道发展规 划 目标 ， 从航 道水 深、 宽度 、 向及稳定性等指标 ， 走 分析 了长江 口不同河段 的碍航特 性。 结果表明 ， 长江 口多数河段 尚未得 到有效 的人工控制 ， 局部河段航槽稳定性较差 ， 部分航段水深较浅 ， 制约了航道资源的开发利用。 为合理 开发利用 和有 效保 护长江 口航道资源 ， 迫切需要 根据近期 河势变化 特点和碍航特性 ， 进一步 明确航道治理基本 原则 与思路 ， 提出科学合理 的工程布置方案 。 关键词 ： 航道 ； 河床演变 ； 碍航特性 ； 长江 口
１ 河 势及 航道 现 状 概 况
长 江 口是丰 水 多沙 、 中等 强度 潮 汐 的三 角洲 分 汊河 口 ， 起徐 六 泾 ， 讫 人海 口。 过 两 千 多年 的 自然 上 下 经 演 变和 区域 人类 活动 的影 响 ， 江 口河 道 已演 变为 三级 分 汉 、 口人海 的 喇叭状 平 面形 态 。 长 四 徐六 泾 节点 形成
长江口横沙浅滩及邻近海域水动力特征分析
长江口横沙浅滩及邻近海域水动力特征分析李身铎;朱巧云;虞志英【摘要】主控本海域泥沙运动和海床冲淤演变的水动力是水体中具有强周期性的潮汐运动和弱周期性的长江径流之耦合.潮汐运动主要由源潮波即半日潮波和日潮波叠加而成,因浅海非线性效应而衍生的浅水潮波也有相当贡献,从而形成具有以半日潮周期为主,且伴有日不等现象的水体流动.基本沿陆岸呈南北向传播的潮波,经长江口门在本海域顺势折向,入横沙浅滩南北的北槽和北港水槽,基本转成东西向的流动.本海域滩槽相间,且处在口门和滨坡交接段,复杂地势制约着潮流运动形式:顺河槽和沿横沙浅滩东侧分别为东西和南北主流向的往复流；而其间的海域基本呈南向流强于北向流的旋转流.正由于这种形式的旋转流存在,造成口外滨坡海床的冲刷以及挖入式港池的深水航道段会有较强的横流出现.长江径流顺河槽下泄东流,出口门后浮置于海外盐水之上,随不同季节,或东南或东北向汇入大海,由此往往造成上下水层流向不一致的垂向结构.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】17页(P25-41)【关键词】潮流运动;水动力;径流;往复流;旋转流;潮流椭圆;地形特征;风浪;季风【作者】李身铎;朱巧云;虞志英【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;长江水利委员会长江口水资源勘测局,上海 200213;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言研究海域处于长江口门段至口外海滨的过渡段，由长江水沙汇集的拦门沙区逐渐过渡到径流和泥沙的扩散沉积区，水动力主要由潮汐运动和长江下泄的径流耦合而成的.其中潮汐运动源于西北太平洋的潮波，其横穿琉球群岛传入中国东海后，其中半日潮波以自由潮波的形式输向西北，沿江浙岸线北上，途径杭州湾和长江口折向西而传入；而部分日潮波北上进入黄海中部形成旋转潮波系统，然后自北向西传到长江口外海域.长江丰沛的径流随季节而变，源源不断顺南北支水槽下泄至外海滨，一般在洪季浮置于口外盐水之上，转向东北扩散，而在枯季则向东偏南方向流散.海域中其他定常性的沿岸流和风海流相对比较弱.因此表现在水流运动中凸显潮汐周期性特征：每太阴日内随月相两涨两落，并日不等明显，一般落潮流强于涨潮流.波浪运动主要以风浪为主，且明显受季风影响，冬季浪向偏东北，夏季浪向偏东南.除台风季节或冬季寒潮大风时偶现6级以上的大浪，一般风浪较小.1 潮汐1.1 潮汐性质根据验潮站的水位资料和潮波数学模拟的分析，选得长江口主要分潮的调和常数振幅分布列于表1.据表可知，在潮汐中以太阴半日分潮M2占绝对优势，且自东向西递增，越近口的越强；日分潮亦有此变化趋势，但变化较缓.（HK1＋HO1）／HM2比值大部分为0.35左右，属半日潮性质.浅水分潮在长江口门附近明显增大，（HM4＋HMS4）／HM2达到0.20左右，而在水深10 m处的鸡骨礁附近和南槽口外较小，仅仅是0.05～0.07.据此长江口门海域潮汐属非正规半日浅海潮类型.1.2 潮汐特征潮差和涨落潮时是表述潮汐特征的重要指标.沿河槽纵向上，潮差由河口外经河口至河口内先增后减；如表2所示，平均潮差在南槽口外的绿华山为2.53 m，向西至北槽的鸡骨礁为2.57 m，入北槽口内的九段东达2.84 m，再沿河道西至横沙东减为2.60 m；在横向上长江南支多槽口门自北向南潮差渐增：佘山2.12 m，横沙东2.60 m，下浚2.91 m，芦潮港达3.33 m［1，2］.潮汐越向南越强.潮差随时间也有一定的变化.长江口门处的横沙，九段沙洪季潮差大而枯季小，口外如大戢山，鸡骨礁潮差则具天文周期，一般3月和9月最大，1月和6月最小.本海域涨潮历时短于落潮历时，在口门内的横沙和南端的芦潮港，落潮历时一般有7 h，长于涨潮历时2 h，向口外涨落潮历时差渐减，口门处佘山、下浚和九段东等落潮历时长1 h，至口外海域鸡骨礁、大戢山，涨潮历时仅短0.75 h，至绿华山，涨落潮历时几乎相等.表1 长江口主要分潮的调和常数振幅分布Tab.1 Harmonic constants of major tide constituents around the Changjiang Estuary北支外庙港 138 28 19 1517 0.34 0.23北港外横沙 132 29 17 16 10 0.35 0.2北槽外中浚 138 3018 16 13 0.35 0.2南槽外芦潮港 150 32 20 11 10 0.35 0.14水深5～15m范围测站调和常数振幅（H）HM2HK1HO1HM4HMS HK1＋HO1）／HM2 （HM4＋HMS4）／HM2 4北支外 1＃ 118 27 16 4 4 0.36 0.07北港外佘山 118 24 15 7 6 0.33 0.11北槽外鸡骨礁 117 28 15 4 2 0.37 0.05南槽外大戢山 122 30 16 5 3 0.38 0.07水深20～30 m范围测站调和常数振幅（H）HM2HK1HO1HM4HMS HK1＋HO1）／HM2 （HM4＋HMS4）／HM2 4北支外 114 25 14 6 5 0.34 0.1北港外 3＃ 111 23 13 7 7 0.32 0.12北槽外 4＃ 109 21 12 7 7 0.3 0.12南槽外绿华山 119 28 16 4 30.37 0.06表2 长江口海域潮差和涨落潮历时Tab.2 Tidal ranges and durations around the Changjiang Estuary58最大潮差／m 4.49 5.05 5.98 4.96 4.52 5.45 4.89涨潮历时／（h：min） 5：45 5：10 5：27 5：26 5：42 6：30 5：50 6：03落潮历时／（h：min） 6：39 7：15 6：58 7：00 6：44 5：56 6：35 6：测站佘山横沙下浚芦潮港九段东鸡骨礁大戢山绿华山平均潮差／m 2.45 2.60 2.91 3.33 2.84 2.57 2.89 2.242 潮流2.1 潮流特征根据本海域众多测流站资料准调和分析后算得的潮流椭圆要素的长轴分析［3］，（WK1＋WO1）／WM2在各槽较小，约0.16～0.39，显示半日分潮流占绝对优势，在口外渐大，约0.35～0.55，显示日分潮流的作用增强，故而潮流运动的日不等现象明显.浅水分潮流在口门附近相对较大（见表3），（WM4＋WMS4）／WM2比值约为0.12～0.21，口外海域相对较小，约在0.03～0.12左右，因此本海域潮流属于非正规浅海半日潮流类型.潮汐和潮流虽属同一类型，但潮流中的日分潮流相对较大，因而在潮流运动中一周日前后两潮的潮流不等现象较更明显. 表3 长江口海域潮流类型分布Tab.3 The distribution of tide current type around the Changjiang Estuary41（WM4＋WMS4）／WM2 0.24 0.23 0.24 0.19～0.18 0.18～0.（WK1＋WO1）／WM2 0.42 0.34 0.24 0.23～0.34 0.34～0.142.2 潮流运动形式研究海域主要以太阴半日分潮流M2主控着潮流运动.根据大量M2分潮流椭圆要素的统计分析（见表4），在北港、北槽和南槽附近，表层椭圆长轴约100～130 cm／s，方向约90°～110°，椭率－0.30～0.45左右，表明潮流较强，基本是沿各槽的走向往复流动，其中港池工程区北侧的北港相对较弱，而工程区横沙南侧的北槽口，特别在深水航道工程后流速较大.自口门至岸滨10 m水深附近为长江口地形过渡段，由沿河槽东西走向的水深线转为沿陆岸南北走向的水深线，水域变得宽阔，从而随之流动的形式也有所改变，流速相应减小，长轴约为80～110 cm／s，潮流旋转性增强，椭率大都在－0.60以上，已具逐时流矢呈顺时针方向旋转的旋转潮流性质，特别在挖入式港池外的深水航道段，椭率大致为－0.70～－0.90，且主轴方向为350°左右的强南北向流动，其流矢常会横穿航道.按流动垂向变化，一般底层往复性质较强，而表层旋转性相对明显（见图1）.图1 1982年M2分潮流椭圆长短轴、椭率（表层）Fig.1 Ecllipse axis and ellipticity of the M2tidal current at 1982表4 长江口海域半日分潮流M2表层椭圆要素分布Tab.4 Ecllipse axis and ellipticity of the M2tidal current around the Changjiang Estuary?2.3 流态和流势本海域的潮流主要由东海沿大陆等深线从东海自东南向西北传播的半日分潮流和由黄海形成的旋转潮波自北向南传播的日分潮流合成而成.传播中不断受到地形制约，当达到长江口附近海床等深线呈横T形分布海域，潮流由南北转折向东西方向，从而该海域在空间上流态相当复杂.在横T形外的岸滨斜坡海域，南北向潮流历时较长，基本呈旋转流状态，而也正是因为这强劲的南北向水流定向冲刷，在海床形成沿等深线走向的冲刷带；在横T形内侧，潮流进入各河槽，受地形约束，即呈现出主轴东西向、流速迅增的往复流，而沿河槽两旁的浅滩东侧，如横沙浅滩东沿，潮流呈现沿滩的往复流.据大量同步测流资料分析，长江口外整体流场呈有与潮位同步的潮周期，如以本海域鸡骨礁设为主港，在其低平潮时前1至2 h，潮流为落潮时段，全海域呈向东偏南外泄的强流（图2－a）；在该港高平潮时前1至1.5 h，产生涨急流（图2－b），全海域呈向西偏北入长江各河槽的强流；而该港低平潮时后的1.5 h，潮流为落憩时段（图2－c），槽口附近呈流向混乱的弱流，10 m水深外为南向潮流；该港高潮时后的1.5 h，潮流为涨憩时段（图2－d），各槽附近为流向不定的弱流，外海则为向北偏西的潮流.一周日内潮流随潮汐两涨两落，但在河口内日不等现象明显，在约10 m以浅的滩槽内，东西向的往复流速基本相当，但通常涨潮流历时长于落潮流时段；而在10 m水深的外海域，特别在北港和北槽口外的10～20 m之间，潮流旋转性较强，但其中沿斜坡等深线的南向流延续时间较长，流速相对较大，这会对海床造成相当的冲刷作用.2.4 流场特征值2.4.1 特征值概况长江口海域西濒诸槽口，槽底较平缓，滩槽交替，等深线大体呈东西走向.向东渐深，约在水深8 m外，底坡变陡，等深线基本呈南北走向，水下地形相对较多变.加之源潮波中的半日和全日两潮波系统在传播过程中的差异以及长江径流外泄的影响，造成流场特征值分布和变化较为复杂.按水深自西向东渐深，即自口门向外海为序，统计测流资料如下.在口门（5～8 m）水深处：最大流速150～240 cm／s（涨潮流）＜180～240 cm／s（落潮流）；平均流速90～240 cm／s（涨潮流）＜210～230 cm／s（落潮流）.在口门外（10～15 m）水深附近：最大流速150～200 cm／s（涨潮流）＜210～230 cm／s（落潮流）；平均流速100～120 cm／s（涨潮流）＞90～100 cm／s（落潮流）.在口门外（20 m）水深附近：图2－a 长江口落潮流矢量场（落转涨）Fig.2－a Distribution of surface current during transient from ebb to flood tide图2－b 长江口涨潮流矢量场（涨急）Fig.2－b Distribution of surface currentat flood maximum图2－c 长江口涨潮流矢场（涨转落）Fig.2－c Distribution of surface currentat transient from flood to ebb tide图2－d 长江口落潮流矢场（落急）Fig.2－d Distribution of surface current at ebb maximum最大流速100～120 cm／s（涨潮流）＜110～130 cm／s（落潮流）；平均流速80～100 cm／s（涨潮流）＜90～120 cm／s（落潮流）.据流向分布统计，与M2分潮流和日分潮流合成流矢方向一致.在水深5～8 m的水域的槽内，落潮流方向为东略偏南，涨潮流方向为西略偏北，潮流流矢为顺时针向旋转的往复流动；在浅滩处则沿边滩线作往复流动；向东至深水区，水流主轴不断缩短，方向不断右转，落潮流向渐由东南转成南向，而涨潮流渐由西北向转为近北向，潮流转变为流矢作顺时针向旋转的旋转流动.据潮流垂向分布统计分析，由于长江径流流出口门后浮置于外海盐水上向外输送扩散，在口门外往往造成水流流向上下不一致，也造成上下水层涨、落潮流大小和历时的差异，这种上下层水流运动不一致的现象，特别在各槽口外海域的洪季表现更为明显，经常出现表底层水流方向几乎相反的现象.2.4.2 工程区水域流场特征值（1）挖入式港池横沙浅滩水域在横沙浅滩区南北侧潮流强度主要受北港、北槽潮流的影响，涨潮流时以浸滩流为主，落潮流则沿滩面地形，流向深水区呈归槽性质，在横沙北沿近北港，涨落潮流特征值列于下表（见表5）.表5 横沙北域潮流特征值Tab.5 Characteristics of tide current around the north region of Hengsha Shoal前潮 0.54 1.16（275°） 0.86 1.22（105°）后潮 0.57 1.03（267°） 0.78 1.39（97°）由于受北港下泄径流的影响，落潮流明显大于涨潮流，涨落潮流流向差为170°，潮流主要呈往复性质.横沙南沿为北槽主汊道，受其影响与北港略有不同（见表6）.表6 横沙南沿水域潮流特征值Tab.6 Characteristics of tide current around the south region of Hengsha ShoalN2 站前潮 0.86 1.31（315°） 1.09 1.75（118°）后潮 0.86 1.58（327°） 0.85 1.26（125°）N3 站前潮 0.781.24（299°） 1.05 1.43（118°）后潮 0.76 1.15（299°） 0.72 1.21（117°）南沿潮流日不等现象比较明显，一周日两涨两落的潮周期中，前潮的落潮流明显大于涨潮流，而后潮涨、落潮流的大小几乎相等，而且南沿的涨潮流向更偏北，而落潮流更偏南.此外，由于北港、北槽间存在着明显的水位差，由此产生横比降，大潮落急时，北港高于北槽0.29 m，水面横比降达万分之0.03.在1998年8月长江洪水洪峰过境，横沙南侧的水文站和北侧的共青圩站月均水位明显高于枯季，月均水位分别达2.30 m和2.40 m，南北两侧水位差落急时均高出枯季0.06～0.08 m，反映了北港部分潮量可通过横沙浅滩滩面补给进入北槽，这种现象，当北导堤建成后，受北导堤影响，得到拦截，加大北导堤外侧的沿堤流强度，加强了沿堤串沟的发育. （2）外航道海域由表7可知，在北港和北槽口门横沙浅滩前端的2301、2401站，涨落潮平均流速表层为1.30～1.40 m／s左右，最大1.5～2.0m／s，底层平均为0.50～0.80m／s，平均落涨潮流方向分别约为100°和285°，为往复流，落潮大于涨潮；向海方向水深10～15 m间的2302、2402站，表层涨落平均流速为0.8～0.9 m／s，底层为0.5 m／s左右；该段水域潮流日不等现象明显，一周日内前后两潮流速相差甚大，且落潮流向差30°～50°.水深15～25 m间的2108、2109站，平均流速表层涨潮流为0.6～0.85 m／s左右，落潮流为0.74～0.79 m／s，底层涨落潮流0.4～0.5 m／s，涨落潮流速相近，日不等现象不明显，受长江径流影响甚小，经推算该水深范围最大流速一般不超过1.0m／s.据测流资料绘出的逐时流矢图（见图3）明确显示，在横沙浅滩东侧10～15 m水深的外航道区，有较强的横穿航道的南向流矢.表7 外航道海域洪季大潮潮流特征值Tab.7 Characteristics of tide current around the outer shipping channel测站层次流速／（cm·s－1）流向／（°）流速／（cm·s－1）流向／（°）落潮流历时／h涨潮流历时／h 2301表 128 107 105 290 7.0 5.8口门2401底 34 96 52 280 6.9 6.9表 140 119 126 280 5.2 6.8底 78 126 63 312 6.1 5.1 2302表 95 137 83 247 6.7 4.0水深10～15 m 2402底 44 119 44 274 6.1 5.9表75 103 122 239 5.3 7.1底 39 111 59 259 6.2 7.0 2108表 76 116 72 18 4.1 6.2水深15～25 m 2109底 44 188 39 334 7.3 5.1表 56 136 101 298 9.8 5.8底 65 107 64 278 8.1 5.1测站层次流速／（cm·s－1）流向／（°）流速／（cm·s－1）流向／（°）落潮流历时／h涨潮流历时／h 2301表 165 90 82 336 7.4 4.8口门2401底 60 107 43 299 6.5 4.7表 160 109 110 311 6.9 6.0底 90 109 50 296 7.3 6.5 2302表 116 95 48 245 8.9 5.3水深10～15 m 2402底 4385 42 289 5.1 7.9表 120 79 73 257 6.9 5.7底 37 87 40 292 5.7 6.1 2108表 81 87 98 8 7.1 8.1水深15～25 m 2109底 40 131 62 314 6.2 6.1表 92 92 25 15 7.2 2.1底 41 77 54 288 6.0 6.0图3 长江口洪季大潮表层矢量图Fig.3 Surface current’s distribution of a spring－tidal cylce during summertime2.5 北槽深水航道工程后流场变化近年长江口有众多的港口和水利工程，其中最大并离工程区最近的是北槽深水航道工程.为了探明该工程建成后对口门和周边海域流场的影响，分别将北槽口门及口外在工程前后相近的测点的观测结果作一比较.同时为了能较客观的对比，统一取洪季大潮期间，并且根据潮差对流速予以订正.于2004年长江口北槽深水航道南北导堤竣工后，在北导堤前端及横沙浅滩东侧进行了多站点潮流观测，计算所得的M2分潮流椭圆要素及特征值列于下表（见表8和表9）.在特征值表中我们特别分列了前潮和后潮的流速、流向，意在表明该海域潮流在一周日中前后两个涨落潮中存在着值得关注的不等现象，见表10.表8 工程后（2004年）北槽口外M2分潮潮流椭圆要素Tab.8 Ellipse parameters of tidal current of M2 constituent out the North Passage after 2004站位长轴W／（cm·s－1）短轴ω／（cm·s－1）椭率K（－ω／W）长轴向θ／（°）发生时间τ／h CS4D 103 26 －0.26 120 3.76 CS5D 91 44 －0.49 96 2.95 N2 93 61 －0.65 98 3.28 N3 58 47 －0.80 1132.88 N4 59 53 －0.89 175 5.51表9 工程后（2004年）北槽口外海域潮流特征值Tab.9 Characteristics of tide current out the North Passage after 2004 cm·s－1站位层次最大流速（流向）平均流速（流向）最大流速（流向）平均流速（流向）最大流速（流向）平均流速（流向）最大流速（流向）平均流速（流向）CS4D 表 259（116°） 147（108°） 180（313°） 147（308°） 222（120°） 138（168°） 212（108°）170（303°）底 117（113°） 66（113°） 93（291°） 65（287°） 138（114°）73（114°） 148（291°） 91（294°）CS5D 表 218（92°） 149（93°） 145（271°） 94（282°） 196（94°） 157（89°） 178（273°） 273（122°）底98（95°） 69（95°） 116（275°） 71（277°） 97（95°） 61（98°） 121（267°） 76（280°）N2 表 203（149°） 134（120°） 191（229°） 153（241°） 222（114°） 165（86°） 145（262°） 111（253°）底 107（148°）68（115°） 83（280°） 65（264°） 122（96°） 71（81°） 94（276°） 65（279°）N3表 190（168°） 97（134°） 183（185°） 136（218°） 175（80°） 119（88°） 123（188°） 82（234°）底 45（160°） 38（123°） 57（242°） 49（257°） 57（71°） 37（84°） 50（235°） 37（311°）N4 表258（124°） 124（157°） 182（189°） 122（247°） 167（169°） 123（102°） 135（184°） 84（240°）底 168（88°） 61（109°） 74（197°） 53（262°） 61（74°） 44（91°） 68（277°） 53（284°）表10 北槽深水航道工程前后潮流特征值比较Tab.10 Comparison between current characteristics before and after the Deep Waterway Project注：W，θ和K 所表示的意义同表4.为验证深水航道工程后对口门和周边海域流场的影响，分别将南北槽口门及口外在工程前后相近测点的观测结果作一比较.其中如CS4D位于北槽口门，与1982年未建工程前的2401站相比，潮流速仍保持了落潮流强于涨潮流强劲优势，但由于南北导堤工程后，限制了潮流的侧向运动，潮流椭圆趋于扁平，往复流加强，M2分潮椭圆率表层由－0.32减小为－0.26，特别工程后，涨潮流速明显增大，由工程前的平均落潮流速150 cm／s大于涨潮流速118 cm／s，转成落潮流速143 cm／s小于涨潮流速159 cm／s.在口门外横沙浅滩以东的N4和CS5D站与1982年测量的2402站比较，2004年潮流主轴方向，特别表层比1982年明显偏南北，南向潮流更大（见图4）.此外，工程后潮流椭率明显增大，特别底层达－0.93，成为典型的旋转流.这无疑是受到长江口深水航道工程影响，北导堤阻挡了横沙北部北港越滩水流，抬高水位，加大水面比降，从而也加大由北而南的落潮流强度，在洪季其影响可及横沙浅滩以东的鸡骨礁水深10～15 m水域.由此估计也会对横沙浅滩港区工程的外航道海域产生影响.图4 长江口工程前后M2分潮椭圆要素及余流（表层）Fig.4 Residual current and elliptic parameters of M2tide of Yangtze Estuary3 余流本文所述余流特指在近河口海岸的有潮海域中，在实测流中分离出具有潮周期的主要流动后余下的水体流动.由此所得的余流是一种流场中特定地点的欧拉型流.余流包括所有非潮周期性的定常流动.长江口每年有巨量的径流外泄入海，是本海域余流的最主要部分；还有潮波入浅水后变形而生的潮汐余流；此外有多种成因而生的风海流、密度流、倾斜流等影响本海域极为有限.由于余流相对较小，而且在观测中由于气象因素的不规则扰动、海况的差异以及人为的差错，不易测准.但据我们统计了大量资料，得到长江口门外的余流尚有相当的规律性［4］.大约可以横沙浅滩向外一线为界，该线以北洪季表层余流方向为向东偏北，在北港口门内流速极大，至佘山附近流速减为48 cm／s，流向75°，继而延向东偏北方向，流速略减约40 cm／s，浮置于海水表层流向大海，这一条余流流路明示长江夏季最强一股下泄径流入海的途径（见图5）.横沙浅滩以南表层余流出口门后则沿滩槽向东南方流去，流速较小约30 cm／s左右，至鸡骨礁附近，流向在159°～206°之间，流速约45 cm／s，接着便与北槽和南槽外泄的东向偏南的余流相汇而入外海.由于余流的成分较多，因而其垂直结构复杂多变，一般底层余流甚小，约在5 cm／s左右，在河口内表底层流向一般均一致，而在口外底层以西北方向最多，表底层方向不一致居多.图5 长江口表层余流Fig.5 Surface residual current around the Changjiang Estuary4 波浪长江口区的波浪主要取决于风的盛衰，同时也受到海域地理形态的限制.根据本海区仅有的横沙、佘山、引水船、芦潮港、大戢山和嵊山等测站的观测资料分析，获知海浪和台风浪的分布状况及变化规律.4.1 风浪浪向分布本区风浪主要取决于风向，沿海盛行浪向与盛行风向颇为一致.冬季以偏北向浪占优势，西北到东北方向的波浪点频率超过60%，其中佘山为64%，大戢山为63%，嵊山为75%.夏季以东南偏南向浪占优势，东南到南向浪频率之和为40%～50%，其中佘山、引水船以东南偏南向浪为主，频率分别为14%和24%，大戢山以东向浪为主，频率为17%，嵊山以南向浪为主，频率为22%.春季：由于气旋和反气旋交替活动，风向不稳定，浪向比较分散，海区一般以东南浪和东南偏南浪占多数，频率在20%左右.秋季：海域以偏北浪为主，佘山和引水船频率分别为22%和18%，嵊山频率为24%.4.2 风浪波高和周期分布据海区内佘山、引水船、大戢山和嵊山4测站多年风浪资料统计如下表（见表11）.4.3 横沙浅滩区的波浪根据1999年6—11月间在横沙浅滩相邻的崇明东滩东侧5 m水深处的佘山岛东侧进行了为期半年的波浪观测，统计结果列于表12和表13.表11 长江口区风浪分布Tab.11 Distribution of wind－induced wave around the Changjiang Estuary?表12 佘山实测波周期、波高表Tab.12 The measured wave period，wave height at Sheshan?表13 佘山各向波浪频率统计Tab.13 Anisotropic wave frequency statistics at SheshanN NNE NE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C波向频率波向9 17 7 6 13 6 8 7 7 2 1 0 1 1 4 3风浪频率13 21 6 1 2 7 9 8 8 2 2 1 1 1 4 17涌浪频率－－3 8 18 2－－－－－－－－－70上述观测资料表明的，以风浪为主，风浪出现频率99%，涌浪出现为30%，混合型浪频率为30%，平均周期为3.3 s，最大周期为8 s.风与波浪关系密切，在观测期间≥8级的大风天数为16 d，实测最大风速为25 m／s，出现日期为9月，相应风向为NNE，实测最大波高为3.5 m，出现日期为同样的9月，波向NNE. 4.4 北槽口外近岸海域的波浪位于长江北槽口外九段沙浅滩东侧的引水船站观测的波浪资料，亦可作为横沙浅滩工程区参考应用（见表14、15和图6）.表14 引水船累年各月波要素（1979—1998）Tab.14 The wave elements of Yinshuichuan by month（1979—1998）1 1.0 2.7 3.4 8.1 2 0.9 2.9 3.4 7.9 3 0.9 2.6 3.4 8.3 4 0.9 2.6 3.5 11.2 5 0.9 2.6 3.5 11.7 6 0.9 2.8 3.4 9.4 7 0.9 2.7 3.3 11.7 8 0.9 2.5 3.3 10.7 9 1.02.73.3 10.4 10 0.9 2.6 3.4 14.5 11 0.9 2.7 3.3 8.9 12 0.9 3.03.2 7.5年均 0.9表15 引水船累年各向波要素（1979—1998）Tab.15 The wave parameters at Yinshuichuan（1979—1998）?图6 引水船站全年风向、浪向玫瑰图Fig.6 Rose diagram of wave and wind direction at Yinshuichuan波浪传播进入浅滩区后，发生变形形成破碎波，产生紊动的破波水流直接对浅滩区水流和泥沙运动产生影响，按不同波高频率统计，推算得横沙浅滩不同波高条件下的破波水深如表16.表16 不同波高频率的破波水深Tab.16 Wave－breaking depth at differentwave height and frequency77 0.5～1.0 44.2 1.54 1.0～1.5 21.7 2.31 1.5～2.0 9.4 3.08 2.0～3.0 7.0 4.62 3.0～3.5 0.4 5.0～0.5 19.3 0.38 由此可见，在横沙浅滩大部分滩区内，可置于破波水流作用之下，从而加强了破浪对滩面泥沙的冲刷和粗化，并影响滩面地形冲淤，台风浪对滩面的冲刷作用将更为强烈.同时可引起沿岸堤防的摧毁破坏，如1997年出现的9711号台风所产生的增水和大浪，对横沙东滩堤边高滩陡坎冲刷，直接暴露光滩，引起海塘出险.4.5 长江口外海域的波浪根据嵊山站（1979—1998年）的资料，本海区地处季风区，冬天盛行偏北风，夏季盛行偏南风，波浪明显受季风影响.根据位于工程区南约65 km，水深约26 m，具有开阔海面的嵊山测波资料分析，累年的年平均波高为1.2 m.最大波高为13.0m，出现在9月，其次是11.5 m，出现在8月，波高均为偏东向.全年除4、5、6三个月平均波高略小，在1.0～1.1 m外，其余各月平均波高均为1.3 m，全年平均波高的波级出现频率：0～2级为35.5%；3级浪为34.9%；4级浪为23.0%；5级浪为6.1%，6级和7级以上的大浪极少出现，仅为0.5%和0.3%.该测站5 m以上的大浪几乎都出现在台风季节，浪向NNE－SSE.冬季寒潮大风也能在本海域形成5 m大浪，但很少出现.累年平均周期为5.1 s，最大周期为13.6 s （见表17和表18）.表17 嵊山累年各月波高周期统计（1979－1998）Tab.17 The climatological wave height and period at Shengshan（1979—1998）月份 H／m Hmax／m T／s Tmax／s 1 1.3 3.7 4.7 7.9 2 1.3 3.5 4.9 9.0 3 1.3 3.8 4.7 11.1 4 1.1 3.6 4.2 7.8 5 1.0 4.0 4.2 9.6 6 1.1 5.7 4.4 8.3 7 1.2 5.2 4.6 9.9 8 1.3 10.0 4.8 12.4 9 1.3 13.0 4.9 13.6 10 1.3 6.8 4.7 11.2 11 1.3 4.3 4.8 9.0 12 1.3 4.5 4.7 9.2年1.2 13.0 4.6 13.6表18 嵊山累年各向波高、频率统计（1979－1998）Tab.18 The climatological wave height and frequency at Shengshan（1979—1998）N 1.6 6.3 4.0 S 1.1 3.7 5.6 NNE 1.3 6.3 10.9 SSW 1.2 3.2 2.2 NE 1.3 8.5 17.6 SW 1.2 5.2 0.6 ENE 1.3 11.0 16.2 WSW 0.6 4.0 0.2 E 1.2 13.0 8.3 W 0.7 2.1 0.2 ESE 1.2 10.0 7.9 WNW 0.8 3.5 0.4 SE 1.2 6.8 10.7 NW 1.0 3.8 2.9 SSE 1.2 4.2 9.1 NNW 1.5 4.3 3.9 图7 嵊山站全年风向、浪向玫瑰图Fig.7 Rose diagram of wave and wind direction at Shenshan5 结论挖入式港池工程区地处横沙浅滩及其以东临近水域.潮波运动和入海径流主控着该区水动力.潮波中基本的半日分潮波和日分潮波由不同来向进入本区滩槽交替和滩坡交接的地形环境，形成了该水域相对复杂的水流运动：主轴为东西方向的往复流和南向流较强的旋转流交替的流势.于北港和北槽河槽及其延伸地段一般以明显的往复流为主，最大流速约为220 cm／s左右；槽间的横沙浅滩以东，近滩为以西北向为主的贴滩往复流，以东海域为南北向较强的往复流，其中南向流可达258 cm／s.长江径流外泄入海对流场也有较大的贡献，除了增强落潮流势外，还影响了流场的垂直结构.据本文水动力的分析，建议在挖入式港池的平面设计的外廓界布置中，尽可能沿等深线周围；深水航道及其入池口尽可能向南和向东移以减小横流的影响.由于港池被圈围在河口最大浑浊带，阻隔了滩槽的泥沙交换，常年平均小于1 m的风浪，不会对港池和航道有明显的影响.［参考文献］［1］丁文兰.东海潮汐和潮流特征的研究［J］.海洋科学集刊，1984，21：135－148.［2］李身铎.长江口潮流垂直结构［J］.海洋与湖沼，1980，11（2）：98－108.［3］方国洪.潮汐和潮流的分析和预报［M］.北京：海洋出版社，1986. ［4］李身铎.长江口北槽口外海域流场分析［R］／／长江北槽深水航道三期工程研究报告.上海：华东师范大学，2005.。
无围堰条件下横沙浅滩接纳长江口深水航道维护疏浚土的可能性分析
无围堰条件下横沙浅滩接纳长江口深水航道维护疏浚土的可能性分析金镠;楼飞【摘要】受流域来沙持续减少影响,长江河口拦门沙区域已普遍进入侵蚀状态,滨海湿地资源流失日趋明显.同时,长江口深水航道疏浚维护量也有所减少,疏浚土资源日趋宝贵.近年来疏浚维护量基本稳定在5500万～6000万m3∕a.利用航道疏浚土就近补给受侵蚀浅滩,可成为未来疏浚土资源化利用的重要方向.从培育生态滩涂角度出发,无围堰条件下的吹填上滩是需要研究的工艺选项.以横沙浅滩为例,借鉴淤泥质海床在波浪作用下动力响应的黏弹性模型和连云港外航道疏浚土实测流变特性参数,研究分析了淤泥海床在不同来波波高和不同浮泥密度下的波高衰减率,得到浮泥密度1.20～1.30 g∕cm3时消浪效果最大等结果.该思路和方法可为长江口航道疏浚土无围堰吹填工艺论证提供参考.建议对长江口航道疏浚土的动态流变特性等开展试验研究.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】7页(P75-80,157)【关键词】横沙浅滩;疏浚土上滩;无围堰条件;波高衰减率【作者】金镠;楼飞【作者单位】交通运输部长江口航道管理局, 上海200003;中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 上海200120【正文语种】中文【中图分类】U651长江口深水航道位于长江口北槽-南港区段,是长江黄金水道的咽喉所在。
受河口水沙环境影响,该航道回淤量大,常年需实施维护疏浚。
2012年时维护量曾高达9 716万 m3,之后逐年有所下降,近几年基本稳定在6 000万 m3a。
目前,深水航道疏浚土的处置或作为废弃物外抛至海洋倾倒区,或通过吹泥上滩实现疏浚土的资源化利用。
其中,结合横沙东滩工程形成的围堰环境进行疏浚土安置,最终形成+3.0 m高程的陆域区域,是目前深水航道疏浚土主要的资源化利用途径。
但根据工程进度,横沙东滩工程将至2020年全部完工。
届时无论从疏浚土的资源化利用还是从海洋环境保护角度出发,均急需要进行新的纳泥区规划。
南通港吕四港区“挖入式”港池的总体布置
刘铮;杨玉森;杨希宏
【摘 要】Based on oceanographic data,sediment observation data and model testing result, full discussion is made to determine the feasibility of onshore continuous quays built on the radial sandbanks at Nantong Port Lusi Harbor. The general layout plan of large dredged-in basin is put forward, which updates the traditional layout of offshore quays with wide marginal bank and long trestle. The above plan will develop local deep-water shoreline and beach resources effectively, promote harmonious development of port and port industries, and provide references for the port construction of Jiangsu-north-coast radial sandbanks.%根据多年的水文、泥沙观测资料和模型试验研究成果，深入探讨在南通港吕四港区这类古辐射沙洲地区建近岸式连片码头的可能性，提出建设大型“挖入式”港池的工程设想和总体布置方案。该方案突破了传统意义上“宽边滩、长栈桥”的离岸式码头布置型式，有效开发利用当地的深水岸线和滩涂土地资源，促进港口与临港产业的协调发展创造了有利条件，为苏北海岸辐射沙洲地区的港口建设提供了新思路。
长江口横沙浅滩挖入式港池方案泥沙回淤估算
长江口横沙浅滩挖入式港池方案泥沙回淤估算葛建忠;金鏐;丁平兴;邵荣顺;虞志英;郭文云【摘要】针对横沙浅滩挖入式港池建设和维护中核心的泥沙回淤问题,本文采用海港水文规范、底切应力公式和纳潮总量估算等多种不同方法对横沙挖入式港池规划方案中的港池和外航道泥沙回淤问题进行预估,其结果较为一致.若港池出口位于-7m泥沙浓度0.3 kg/m3的区域,港池年回淤量约为2 000万～2 200万m3,平均回淤强度约为0.3～0.4 m/a;外航道平均淤积强度约为0.3～0.4 m/a,年回淤600万～1 200万m3.且回淤分布主要集中在近靠港池口4～6 km的区域.计算表明,港池口若设于泥沙浓度更低的深水区域,泥沙回淤将显著降低.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】14页(P106-119)【关键词】挖入式港池;横沙浅滩;泥沙回淤【作者】葛建忠;金鏐;丁平兴;邵荣顺;虞志英;郭文云【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;交通运输部长江口航道管理局,上海 200003;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;中交第三航务工程勘察设计有限公司,上海 200032;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言我国大陆海岸线长超过18 000 km，海岸类型众多，是我国发展航运的重大基础.而海岸的物质组成也在一定程度上影响了当地航运条件.根据海岸泥沙运动的性质可将海岸分为基本稳定平衡型、侵蚀型和淤积型.对于没有大量河流泥沙输入的海域主要呈现稳定平衡型；在输沙河口附近多属淤积型海岸［1］.在漫长的海岸线当中，有4 000 km以上的淤泥质海岸，分布在长江、黄河、钱塘江、海河等河流入海口的冲积平原地区.而在此类海域，径流和潮流交汇，流场异常复杂；咸淡水混合，平面和垂向梯度大且变化迅速，引起泥沙复杂的絮凝.复杂的流场、波浪场、泥沙和地形的相互作用塑造了滩槽交错的复杂地貌形态.人工开挖的港池航道往往有泥沙回淤的问题.长江口地处长江冲淡水和东海潮波相互作用的区域，河流泥沙供给充足，潮流作用显著，风浪引起的泥沙冲刷和淤积都较为明显，冲淡水混合引起的泥沙絮凝也加剧了泥沙沉降.因此长江口有非常显著的泥沙淤积情况，在长江口主要港区和航道都受到了泥沙回淤的显著影响，例如外高桥新港区岸段的强烈淤积［3］，长江口深水航道一至三期工程后持续的泥沙回淤［4－6］.对于上海国际航运中心横沙浅滩挖入式港池规划方案的前期研究来说，必须对泥沙回淤进行细致研究，对挖入式港池的进沙量、港内泥沙浓度、回淤强度分布和总回淤量须根据方案布置、水文泥沙条件等进行预测.本文在历次水文泥沙调查资料的基础上，采用我国海港水文规范建议的挟沙能力方法和水流切应力方法等多种方法，对挖入式港池和外航道的泥沙回淤强度、分布及回淤量进行估算.1 回淤公式的选取横沙浅滩挖入式港区主要由挖入式内港池及外侧深水航道组成，由于这两部分动力条件、泥沙供给方式不同，需要分开进行计算.为便于比较，本报告采用多种方法估算回淤量.其中对于挖入式港池，分别采用《JTJ 213－98海港水文规范》附录N－淤泥质海岸港池的淤积计算公式、底切应力计算模式［7］和曹祖德［8］近期提出的计算公式；对于外侧航道，分别按海港水文规范推荐的挟沙能力公式及底切力模式两种方法计算.1.1 海港水文规范港池回淤计算公式（刘家驹公式［2］）按《JTJ 213－98海港水文规范》附录，对基本处于冲淤平衡状态的淤泥质浅滩水域中开挖的港池，其年淤积强度按下式计算：式中，P2为航道底面的年淤积厚度（m）；ω为细颗粒泥沙的絮凝沉降速度（m ／s）；K0为经验系数，在缺少现场资料的情况下，可取0.14－0.17；为相应于口门处平均水深水域的平均含沙量（kg／m3）；为分别代表港口口门外一定范围水域的平均水深和港池开挖后的水深（m）；A为港池内水下浅滩的水域面积（m2）；A0为包括港池和港内的水下浅滩的港池内总水域面积（m2）.对于大型挖入式港池，考虑到进港浑水沿程落淤引起港内含沙量的变化，回淤计算应从口门向里分区块进行.1.2 底切力模式港池回淤计算方法（金鏐－虞志英方法［8］）该方法考虑大型半封闭挖入式港池浑水纳潮进港过程中流速及含沙量的沿程变化，港内外含沙量差引起的斜压效应以及在涨潮、落潮过程中的淤积、冲刷及其综合作用，给出港池区域回淤强度的分布.基本原理与方法如下.如在海湾内的潮波计算中不计摩擦和地转效应，则谐振动波长M2分潮周期，h为平均水深，取h＝8 m，得λM2＝400 km，远超海湾长度，即驻波的振动节线在湾外，潮差Δh沿纵向不变.通过口门内x断面涨潮期间进入的水量为Ax，有该断面处涨潮流断面平均流速uf，有其中，H为平均潮位下水深，Tf为涨潮历时，l为港池纵向长度.（1）浑水密度梯度引起的流动考虑一端封闭，一端与主河相接的支河.主河为浑水，由于主、支河间的密度梯度，将发生从主河向支河的浑水入侵，范家骅［10］给出入侵速度在支河入口处为其中，h′为总水深的1／2，Δρ为主、支河密度差.从口门向里，入侵速度递减：式中，λ≈0.03；vη＝0.02S0，为垂向速度，S0为进口断面含沙量（kg／m3）.潮汐引起的流动和密度梯度引起的流动合成为挖入式港池内的实际流速.后面的计算表明，密度梯度引起的流动在合成流速中的比重随港池纵向尺度增加而减小. （2）水流切应力和动量交换系数在二维性质明显的潮流运动中，大部分时间内流速的垂向分布符合对数分布，窦国仁［11］给出垂线平均流速与摩阻流速u＊的换算关系：当粒径d≤0.5 mm时，床面粗糙度Δ可取1 mm.当平均水深H＝8 m时，有u＊≈为床面水流切应力.水流的动量交换系数ε，许多研究给出为相对水深.所以，在潮周期中，当摩阻流速小于泥沙的淤积临界摩阻流速u＊i时，发生淤积.以性质较为相似的连云港淤泥所得实验值作为参考：u＊i＝0.7 cm／s.取H＝8 m，算得u＊i×8＝19.4 cm2／s.（3）海湾淤积的物理过程挖入式港池内的净淤积是一潮中淤积量和冲刷量的差值.由于一潮中进入港区的泥沙量与纳潮量有关，因此，港区的净淤积量及其在港区内的分布，可以用沉沙率及其分布来表示.〈i〉一潮中的冲淤历时在切应力模式中，当u＊≥u＊c期间，沉积物发生冲刷；在u＊≤u＊i期间发生淤积，在u＊i＜u＊＜u＊c期间不冲不淤.由此得到一全潮中的淤积历时T淤和全潮内冲刷历时T分别为式中，σ≐29°／hr为潮波圆频率；u＊0，滩为开挖水域周边自然滩面的水流摩阻流速峰值；H2和H1分别为挖槽和天然滩面平均水位下水深.〈ii〉涨潮流期间即挖入式港区纳潮期间的淤积过程涨潮流期间，浑水进入港区.由于港区内各断面水力条件不同，各断面的涨潮流平均含沙量也不同.这种不同，可概括为三种过程的综合：一是近底含沙量的沿程变化，它产生于T淤期间，从前一断面到后一断面水流经过的时段ΔT；二是某一计算断面淤积开始时的垂线含沙量分布在经历T淤后的变化；三是u＊＞u＊c即T 冲期间的冲刷.具体分述如下.挖入式港区口门处主流涨潮流阶段平均含沙量分布可表示成其中，Sa为临底含沙量，Z为离底高度，ε、ω如前述.垂线平均含沙量a）从上一断面到下一断面临底含沙量Sa的变化涨潮流水体从x1断面到x2断面，历时ΔT与该区段内平均流速有关，考虑泥沙以同样的沉速下沉，则x2处的临底含沙量Sa2可认为等于x1断面处临底高度Z＝ω·ΔT上的含沙量，即b）港区内各断面的含沙量港区内任一断面涨潮流期间淤积开始时刻的临底含沙量为Sa，t0，其垂线平均含沙量可由式（11）表示.该断面从淤积开始经历T淤后的临底含沙量t1时刻的垂线平均含沙量进而可计算t2→t3期间的平均含沙量，并用类似方法递推之后各时段.由港区内各断面涨潮流期间的平均含沙量和流速，可得断面输沙量，从而得到相邻断面间的淤积量.c）T冲内的冲刷量在Tf内当u＊＞u＊c期间，沉积物将发生冲刷，通常是将在T淤期间暂时落淤尚未明显密实的淤泥重新扬起.单位面积的冲刷量E′为d）落潮流期间的淤积量和全潮沉沙率由于所论港区假定涨、落潮历时相差不大，即Tf≈Te，所以落潮流期间的水流摩阻流速过程与涨潮流相仿，只是提供淤积的水体含沙量少了.因此，近似地采用Tf 期间的沉沙率kf，即k e≈kf.沉沙率k定义为潮内总淤积率（沉沙率）1.3 纳潮进沙沉沙率计算方法（曹祖德经验公式［9］）对于双堤环抱式港池，曹祖德提出考虑纳潮进沙后的悬沙落淤，其淤积公式如下式表示：式中，Q为港内全年淤积量（m3）；n，全年进港的潮个数，半日潮海区，n＝706；A0为港内总水域面积（m2）；hΔ—全年平均潮差；S0—口门处年平均含沙量；γc为港内淤积物干容量（kg／m3）；η为经验沉沙率.1.4 海港水文规范航道回淤计算公式（刘家驹公式［2］）按《JTJ 213－98海港水文规范》附录，在冲淤平衡状态下的淤泥质浅滩水域中开挖的航道，其年回淤强度按下式计算：式中，P1为航道底面的年淤积厚度（m）；ω为细颗粒泥沙的絮凝沉降速度（m ／s）；S1为相应于平均水深d1的浅滩水域的平均含沙量（kg／m3）；t为淤积历时（s）；γ0为淤积物的干密度（kg／m3）；K1，K2为分别为横流和顺流淤积系数，在缺少现场资料的情况下，可取K1为0.35，K2为0.13；d1，d2为分别为浅滩平均水深和航道开挖后的水深（m）；θ为航道走向与水流流向之间的夹角（°）.1.5 底切力模式航道回淤计算方法根据金缪等研究［7］，淤泥质海岸浅滩上开挖港池航道后，其回淤量主要取决挖槽区域的水动力条件、供沙条件及泥沙特性、地形和开挖尺度等因素，回淤计算公式的确定应主要考虑这些因素并根据冲淤物理过程构造半经验半理论经验公式，即在一个全潮过程中，当水流切应力（以底切τb力或者摩阻流速表示）低于泥沙的淤积切应力τi（或淤积临界摩阻流速）时发生落淤，高于沉积物的冲刷临界切应力τc（或冲刷临界摩阻流速）时则发生冲刷和悬扬.在淤泥质海床条件下，冲刷率与沉积物的固结状态有关.挖槽与相邻滩地相比，全潮内水动力降低，淤积历时加长且淤积率增大，冲刷历时缩短，冲刷率减小，从而导致开挖后港池和航槽的回淤.将潮流过程概化为正弦曲线并认为滩、槽单宽流量相等，计算模式为：1／4全潮内淤积历时T槽，1／2全潮内冲刷历时T′槽，1／4全潮挖槽内淤积量Dt，1／2全潮内挖槽冲刷量E，上述各式中，σ—潮波圆频率；h槽、h滩—挖槽及两侧滩地平均潮位下水深；u＊i—悬沙淤积临界摩阻流速；K—挖槽走向及主流向不一致时挖槽流速折减系数，此处k＝1；u＊0—潮周期内挖槽附近滩面水流峰值摩阻流速；u＊c—挖槽内沉积物的起动摩阻流速；S滩—挖槽所在海床或海滩的水体含沙量；εS—水体含沙量垂线分布中的垂向泥沙交换系数；ω—细颗粒泥沙的絮凝沉速；M—沉积物的冲刷系数；u＊0槽—挖槽内水流摩阻流速，与挖槽相对深度和水流夹角有关2 挖入式港池的回淤估算2.1 海港水文规范公式计算港池回淤有关计算参数设置如下：ω为细颗粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s），取0.000 4m／s；K0为经验系数，取0.14；S′1为相应于口门处平均水深d′1范围内水域的平均含沙量（kg／m3），取－7 m处年平均含沙量为0.3 kg／m3；d′1、d′2为港口口门外一定范围水域的平均水深和港池开挖后的水深，分别取7 m和23 m；A为港池内水下浅滩的水域面积（m2），考虑港池内全部挖深，没有浅滩，因此该值取0；A0为港池内总水域面积，包括港池和港内的水下浅滩（m2），南线方案60 km2，北线方案68 km2.横沙浅滩挖入式港池为水域面积超大的现代大型港口，可设计多种类型港池，根据初步规划港内具有较深的矿石及原油码头和较浅的散货码头.因此需要分区域进行不同港池的回淤计算.对于港内不同港池的回淤计算，仍采用经验公式（1），但要分区进行，根据分区特点，可写为如下形式：式中，Si＋1为计算第i＋1港池单元的含沙量；h2（i＋1）为第i＋1港池单元的开挖水深；Ai＋1，A0（i＋1）分别代表第i＋1港池单元的浅滩水域面积和该单元总水域面积，ΔH为平均潮差；N为相应淤积历时内的潮数.港池水域划分如图1所示，主要分为主槽及航道区域及边侧的港池区域.图1 横沙浅滩挖入式港池内区域划分Fig.1 Domain decomposition of the planned excavated－in harbor in the Hengsha Shoal经计算横沙浅滩挖入式港池的淤积强度和年淤积量见表1.从计算结果看，邻近港区出口的主槽航道区域（A区）淤积强度较大，约为0.71 m／a，离口门越远，含沙量浓度逐渐降低，回淤强度逐步减小，在港区中部主槽区域的淤积强度在0.3～0.4 m／a，统计港区内所有主槽和旁侧港池的淤积量，总约2 175万m3，港区内的平均年淤积强度约为0.35 m／a.可见在一般情况下，横沙浅滩挖入式港池的泥沙回淤强度和回淤量都较小，港池建成后的运行维护费用较省.表1 横沙挖入式港池年回淤强度预估Tab.1 Estimation of siltation in the excavated－in harbor in the Hengsha Shoal注：年回淤总量为2 175万m3，全港池平均淤积强度为0.35 m／a港内计算区域划分港区面积A／km2东口门外浅滩水深h1／m港内开挖水深h2／m分区计算含沙量S1／（kg·m－3）年回淤量Q／（×104 m3）年回淤强度P／（m·a－1）A（主槽） 8.57 7 23 0.3612 0.13 71 B（主槽） 10.97 7 23 0.25 664 0.61 C（港池） 5.40 7 15 0.19 227 0.42 D（港池） 7.72 7 15 0.19 325 0.42 E（主槽）7.47 7 23 0.16 288 0.38 F（港池） 4.92 7 15 0.11 116 0.23 G （港池） 5.00 7 15 0.11 118 0.23 H（港池） 10.87 7 20 0.06 147 0.2.2 底切力模式（金－虞方法）计算港池回淤根据模式要求及横沙浅滩挖入式港池实际水深、泥沙及动力条件按（式2至式16）递推计算.计算参数设置如下：（1）摩阻流速根据窦国仁［10］的方法进行计算；（2）动水絮凝沉速为ω＝0.04 cm／s；（3）泥沙淤积临界摩阻流速u＊i＝0.7 cm／s；（4）新淤泥沙冲刷临界摩阻流速u＊c＝1.0cm／s；（5）新淤海床冲刷系数取M＝0.69×10－4 kg／（m2·s）；（6）口门处初始垂向年平均含沙量为0.3 kg／m3（－5 m水深处）和0.5 kg／m3（－7 m水深处），其含沙量值参考徐海根等人的观测研究［13］；（7）平均潮差2.6 m；（8）涨潮时间为Tf＝6.2 h；（9）挖入式港池口门设置于－5 m和－7 m水深处.口门放置在－5 m处时，对北线方案，涨潮流期间1 m宽，沿整个内港池23 km 长度的平面空间上的净淤积量（以下简称跨航道方向单宽淤积量）为12 472 kg，一潮涨潮流期间口门的单宽进沙量＝（＋v）×0.5 kg／m3×23 m×6.2 hr＝61 182 kg.所以，涨潮流期间沉沙率，假设落潮期沉沙率ke＝kf，落潮流期单ef宽回淤量＝（61 182 kg－12 472 kg）×20.38%＝9 929 kg.kg×1 000／720 kg／m3×706／10 000 m3＝2 196万 m3.考虑旁侧港池的淤积，全港池淤积约为2 196＋731×2＋239×2＝4 136万m3.由于内航道长度较短，水动力较弱，因此主要的淤积带处于距离港池口3～4 km航道段内，潮动力所造成的淤积和冲刷主要发生在港池内距口门3～4 km段内（如图2所示）.在港池内泥沙逐渐沉降，水体含沙量沿程逐步减低，内航道10～18 km段内含沙量小于0.1 kg／m3（如图3所示）.而其峰值淤积强度达到5.3m／a，呈现两头小中间大的分布特征（如图4所示）.图2 北线方案一个涨潮过程挖入式港池回淤量沿内航道分布Fig.2 Distribution of siltation along the middle channel in the planned excavated－in harbor of the Hengsha Shoal in single flood tide图3 北线方案全潮过程中挖入式港池内平均含沙量沿内航道分布Fig.3 Distribution of siltation along the outer shipping channel of the planned excavated－in harbor图4 北线方案全潮过程中挖入式港池内淤积强度沿内航道分布Fig.4 Distribution of siltation along the inner shipping channel of the planned excavated－in harbor北线方案在其淤积峰值之后都出现一个回淤显著降低的过程，主要是由于泥沙浓度的斜压效应引起的水体入侵速度达到稳定.如果将港池出口东移至含沙量更低的－7 m水深处，根据历史调查该处的年平均含沙量为0.3 kg／m3.在此种情况下，涨潮流期间一潮净单宽淤积量为7 503 kg，一潮涨潮期口门的单宽进沙量＝（＋v）×0.3 kg／m3×23 m×6.2 hr＝41 535 kg. 所以，涨潮流期间沉沙率，假设落潮期间沉沙率k＝k，落潮流期ef单宽回淤量＝（41 535 kg－7 503 kg）×18.07%＝6 148 kg.kg×1 000／720 kg／m3×706／10 000 m3＝1 338万 m3.考虑旁侧港池的淤积，全港池淤积约为1 338＋332×2＋97×2＝2 196万m3.可见当港池口外延至－7 m水深处时，潮周期回淤量及年平均回淤强度都显著降低，如图5和图6所示，回淤峰向港池内侧偏移了约1.5 km，港区内的平均年淤积强度约为0.36 m／a，最大年平均回淤强度小于3 m／a.图5 北线方案一个涨潮过程挖入式港池回淤量沿内航道分布Fig.5 Distribution of siltation along the middle channel in the planned excavated－in harbor of the Hengsha Shoal in single flood tide图6 北线方案全潮过程中挖入式港池内淤积强度沿内航道分布Fig.6 Distribution of siltation along the inner shipping channel of the planned excavated－in harbor2.4 纳潮进沙量沉沙率经验方法（曹祖德方法）计算参数的选取如下：hΔ—港内年平均潮差用中浚站数据取为2.6 m；S0—根据多年实测资料统计，对不同的口门位置设置，－5 m～－7 m水深，可取0.5～0.3 kg／m3；γc—淤积土干容重，本文计算取720 kg／m3；η—纳潮回淤率与港内水域总面积A0、泥沙沉降速度ω及港池平面形式等多种因素有关，根据本海区及平面布置形态情况，经验系数η可取为0.40～0.60，本报告取平均值0.5；A0—港内水域总面积约为南线方案60 km2、北线方案68 km2.根据上述参数代入公式计算，考虑在口门设置在－7 m，平均含沙量为0.3 kg／m3的回淤结果如表2.表2 挖入式港池内水域年淤强和淤积量计算结果Tab.2 The siltation rate and total deposition in the planned excavated－in harbor年平均淤积强度南线方案 0.30 m／a北线方案 0.30 m／a年淤积量南线方案 1 800万m3北线方案2 040万m3从进入港池泥沙总量上估算，整个港池内的泥沙回淤强度大致约为0.3 m／a，年回淤量南北线方案分别为2 040和1 800万m3.3 深水航道回淤估算3.1 海港水文规范（刘家驹公式）计算外航道回淤计算参数选取如下：ω—细颗粒泥沙的絮凝沉降速度（m／s），取0.000 4 m／s；S1—相应于平均水深d1的浅滩水域的平均含沙量（kg／m3），其沿程年平均含沙量分布如表3；t—淤积历时（s）；γ0—淤积物的干密度（kg／m3），取720 kg／m3；K1，K2—分别为横流和顺流淤积系数，在缺少现场资料的情况下，可取K1为0.35，K2为0.13；d1，d2—分别为浅滩平均水深和航道开挖后的水深（m）；θ—航道走向与水流流向之间的夹角（゜）.表3 挖入式港池外航道不同水深处年平均含沙量Tab.3 Climatological SSC at typical bathymetry out of the planned excavated－in harbor长江口横沙浅滩挖入式港池外航道的回淤结果如图7所示.图7 按海港水文规范计算北线方案挖入式港池外航道回淤强度分布图Fig.7 Distribution of siltation rate along the outer shipping channel under the north scheme of the planned excavated－in harbor with the Code of Hydrology for Sea Harbor经计算，北线方案在外航道年回淤量分别为1 110万m3，但是其回淤分布特征差异明显.北线方案在外航道0～8 km段泥沙回淤较显著（如图7），主要由于该段北线方案水深相对较浅，滩槽高差较大，对回淤的影响明显.由于8～18 km段北线方案水深梯度较大，其两侧滩地水深与主航槽水深差异较小，而且水体含沙量低，因此回淤开始显著变小.全航道平均年回淤强度为1.06 m／a.3.2 底切力模式（金鏐－虞志英方法）计算外航道回淤水动力及泥沙参数选定如下：1）摩阻流速根据窦国仁［11］的方法进行计算；2）动水絮凝沉速为ω＝0.04 cm／s；3）泥沙淤积临界摩阻流速u＊i＝0.7 cm／s；4）泥沙冲刷临界摩阻流速u＊c采用区域分布，从港池口1 cm／s逐渐过渡到－20 m水深处2.0cm／s；5）新淤泥沙海床冲刷系数取M＝0.69×10－4 kg／（m2·s）；6）泥沙垂向扩散系数取εs＝40 cm2／s；7）含沙量浓度取值分布如表3；8）外航道底部流速采用第三章中高分辨率三角形FVCOM模型计算的流速经过窦国仁（1999）年算法得到底部的平均摩阻流速.经计算得到沿航道底部摩阻流速分布如图8所示，从港池口至外海－20 m水深处摩阻流速整体呈现逐步增大的特征，在航道前段0～6 km内，摩阻流速小于2 cm／s，而在6 km之外摩阻流速增大并超过2 cm／s.运用底切力模式，综合考虑全潮过程中的淤积、冲刷，从而得到沿航道回淤分布（如图9所示），在航道近港池口及4 km区域段，航道回淤明显，主要是由于港池口区域水体含沙量较大，泥沙供给充足，滩槽水深比较大，从而形成显著泥沙回淤.而在航道4 km段位置，由于受北港水道泥沙下泄影响，横流影响显著，水动力垂向差异明显，造成泥沙在该区域较易沉降.在航道外侧水深较大处，由于海床底部较为密实，且水体含沙量较低，水动力较强，从而呈现一定的冲刷特征.从整体上计算得到航道沿程年回淤总量约607万m3，且主要集中在0～6 km航道段内.由于近港池口航道段呈现淤积状态，而航道8～18 km段呈现冲刷特征，因此全航道平均回淤强度较小，约为0.19 m／a.图8 底切力模式所得近底摩阻流速沿外航道分布Fig.8 Distribution of shear velocity along the outer shipping using bottom－shear－stress model图9 底切力模式所得沿外航道回淤强度分布Fig.9 Distribution of siltation ratae along the outer shipping using bottom－shear－stress model4 大风天气下的回淤估算夏季台风和冬季寒潮大风侵袭期间，波浪显著增强，水体泥沙浓度急剧增大，从而造成短时间较厚的浮泥层和较高的回淤量.因大风及强浪的的直接作用是水体含沙量浓度的显著身高，因此在本文中直接考虑风浪作用之后的含沙量浓度以体现大风强浪的作用，不在模式是另外考虑波浪的计算方程.即直接考虑外航道中在大风大浪情况下的含沙量异常升高，及挖入式港池口门去在大风天气下的含沙量显著增大.在此含沙量情况下采用上述的回淤计算方法进行大风天气下的回淤估算.4.1 外航道大风回淤估算考虑大风天气情况下的水体含沙量为平常天气情况下含沙量的3～10倍，取平均值为5倍.考虑夏季台风和冬季寒潮影响下的大风天气持续影响时间约为5 d.采用上述方法估算，大风天气影响5 d的外航道回淤量如表4所示.表4 大风天气影响下外航道回淤量Tab.4 Total siltation within the outer shipping channel under strong wind weather全航道平均回淤厚度为0.1 m.4.2 挖入式港池大风回淤估算采用底切力模式估算大风天气情况下高浓度含沙量水体引起的泥沙回淤.经估算，北线方案在大风天气作用5 d的情况下港池内回淤总量为183万m3，在此期间的沿内航道的淤积厚度如图10所示，最大淤积厚度约为0.7 m，位于距口门6～7 km位置处，其余淤积厚度较小，一般小于0.3 m.而在口门位置，由于水动力较强，还呈现较弱的冲刷特征.图10 大风天气影响下内港池航道主槽的回淤厚度分布Fig.10 Distribution of siltation thickness along the outer shipping using bottom－shear－stress model采用纳潮进沙沉沙率回淤公式估算，大风持续作用期为5 d，口门处的平均含沙量约为平时的3～10倍，取平均值5倍，为1.5 kg／m3，经估算大风期间挖入式港池内的泥沙回淤为165万m3.采用海港水文规范刘家驹公式计算方法，考虑相同的大风情况下的含沙量和持续时间，经分区递推计算得到大风情况下泥沙回淤量为252万m3.5 结语横沙浅滩挖入式港池方案的关键技术之一是回淤问题.通过采用海港水文规范推荐的公式、底切应力方法和经验公式等多种不同方法估算港池与进港航道回淤，结果较为一致，若港池出口门位于－7 m处，当地年均含沙量降为0.3 kg／m3，北线方案港池内平均淤积强度约为0.3～0.4 m／a，总回淤量约为2 000万～2 200万m3；外航道年平均淤积强度约为0.3～0.4 m／a，总回淤量约为600万～1 200万m3.粗步估算大风天气情况下港池与外航道的回淤，取夏季台风和冬季寒潮影响下的大风天气持续影响时间约为5 d，水体含沙量浓度比平常天气情况下平均高5倍，分别采用海港水文规范计算公式等，对于北线方案，5 d港池总回淤量约为165万～260万m3，外航道约为100万m3.计算得到港池内淤积分布呈现两头小中间大的特征，在港池口门和内侧淤积较小，而在离港池口4～6 km处为显著回淤区域；而在外航道港池口门～4 km区域为显著回淤区域，长约18～20 km的内航道和外航道，整体平均的回淤强度较小.计算表明，如果将港池出口移至含沙浓度更低的深水区域，港池内和外航道的回淤总量和回淤强度都将显著降低.。
长江口横沙地区演化过程及保护利用思考
长江口横沙地区演化过程及保护利用思考
郭兴杰
【期刊名称】《上海国土资源》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】长江口横沙地区的保护和利用一直是近年来的热门话题。
本文对横沙岛、横沙新洲的成陆过程以及浅滩的近期演化特征进行了总结和回顾,基于国家战略和
前人的利用设想,提出了横沙地区目前面临的灾害和未来利用需要论证的制约因素。
横沙岛于1958年定界成陆,横沙新洲(东滩)在历史大洪水切割以及航道工程和促淤圈围等作用下于2021年成陆,横沙浅滩目前“长高不长大”,处于萎缩性演化态势。
文章基于“长江大保护”国家战略,总结了前人提出的一些利用设想,认为需要综合
研判横沙地区的保护利用模式。
目前横沙地区主要面临流域输沙偏低和海平面上升带来的浅滩侵蚀问题,建议结合固沙保滩工程利用周围航道的疏浚土资源,未来利用
也需要深入研究横沙地区生态保护、基底稳定、航道冲淤、盐水入侵以及极端气候等承载力问题。
【总页数】6页(P16-20)
【作者】郭兴杰
【作者单位】上海市地质调查研究院;上海市国土资源调查研究院
【正文语种】中文
【中图分类】P303.5;F301.24
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长江口横沙浅滩挖入式港池与入海航道区域海床稳定性分析虞志英;张志林;金鏐;徐海根;李身铎【摘要】提议中的横沙浅滩挖入式港池和入海航道区域位于长江口北港和北槽之间的横沙浅滩以及长江口外的水下三角洲海域.长江河口长期以来承受数亿万吨计流域来沙在河口区的堆积,发育了巨大的陆上和水下三角洲,横沙浅滩则是与崇明东滩、九段沙同为长江河口拦门沙地区的三大浅滩之一,长期以来位置和海床均十分稳定,是建设挖入式港池的理想区域.长江水下三角洲形成历史悠久,地形平坦,以三角洲沉积为主.随着近年来长江来沙量的逐渐减少,使长年来地形变幅甚小,对深水航道建设提供了有利的稳定环境.本文主要从海床稳定性的角度,对海床演变环境及演变趋势作出分析研究,为在长江口建设深水港提供参考.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】17页(P55-71)【关键词】挖入式港池;横沙浅滩;海床稳定性【作者】虞志英;张志林;金鏐;徐海根;李身铎【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;长江水利委员会长江口水文水资源勘测局,上海 200213;交通运输部长江口航道管理局,上海200003;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062【正文语种】中文【中图分类】P7510 引言拟议中的横沙浅滩挖入式港池和出口航道，位处长江口北港、北槽两汊道之间的横沙浅滩以及水下三角洲海域.众所周知，长江河口为水丰沙多的中等潮汐河口，数千年来承受长江流域数以亿万吨计泥沙的下泄沉积，发育了巨大的陆上和水下三角洲，随着水下三角洲的不断向海延伸，前缘水深已达－30～－50 m处.长江口历史演变经历了一个河口分汊，沙洲并岸，河口束狭，河槽加深的过程，才形成了目前三级分汊、四口入海的格局［1，2］，在河口口门区则覆盖广为发育的河口拦门沙沉积区，挖入式港池拟选的横沙浅滩则是其中一个组成部分.设想中的上海国际航运中心横沙浅滩挖入式港池和航道的建设规模，是世界级的深水大港，对自然和环境条件具有特殊要求，其中选址所在的横沙浅滩和水下三角洲的海床地形稳定性及所在区域的水动力条件，以及沉积特性，是建港可能性中必需具备的重要基础.对此本文专门就横沙浅滩和水下三角洲海床地形的稳定性作出分析研究.1 横沙浅滩地形稳定性横沙浅滩与横沙东滩相连，原有横沙串沟分隔.横沙浅滩介于长江口北港与北槽两大入海汊道之间，与崇明浅滩和九段沙浅滩同为长江口三大浅滩之一，均位于长江口拦门沙沉积区内（见图1）.19世纪初，当时横沙岛尚未露水（见图2），横沙东滩、横沙浅滩与九段沙统称铜沙浅滩，横贯在长江口门.至19世纪中叶，横沙岛露水（见图3），1880年开始围垦，1908年成陆面积16 km2，成陆后，受东南季风波浪和潮流侵蚀，岛东南部冲刷，沙体向西北方移动，至1958年累计移动了约10 km.1931年前长江口北港成为入海主汊，横沙岛及相近的横沙东滩，与东部横沙浅滩分离，中间由横沙串沟相隔.1931年后，长江主汊由北港改为南港，由洪水形成的落潮槽成为北槽上段.以后又受1949年、1954年两次特大洪水的作用（大通站洪峰流量分别达68 500 m3／s、92 600 m3／s），在横沙东滩与九段沙之间形成上下贯通的北槽，成为长江口又一条新生的入海汊道（见图4）.此后的数次洪水作用（1973年、1983年和1988年），在北港与北槽之间水面横比降作用下，北港水、沙越横沙东滩而入北槽，加大了北槽的进一步发展，同时促使横沙东滩与横沙浅滩间串沟发育扩大，直至北槽最终被选为长江口深水航道［3］.1998年开始修建深水航道南北导堤工程，横沙串沟被堵并淤浅消亡，横沙浅滩与横沙东滩相连.同时，横沙浅滩滩面下泄潮流受北导堤阻挡产生沿堤流，导堤北侧形成水深可达5～7 m以上沿堤冲刷沟槽，成为横沙浅滩滩面重要的向海泄水泄沙通道.2003年在原横沙东滩串沟以东建成长达8 km的N23南北向促淤潜堤，以后又开始对横沙东滩实施促淤圈围工程和北导堤加高工程，整个横沙东滩均置于围堤工程之下被人工稳定.N23潜堤东部的横沙浅滩区，除西、南两边缘分别被N23潜堤和北导堤所固定，北侧仍置于北港水流作用之下，东侧则向大海开敞，在风浪和潮流的作用下对横沙浅滩的冲淤产生影响（见图5）.图1 长江口形势图Fig.1 The map of Yangtze River Estuary图2 1842年长江口图Fig.2 The 1842 map of Yangtze River Estuary图3 1864—1869长江口图Fig.3 The map of Yangtze River Estuary（1864—1869）图4－1 1945年长江口北槽形成前后河势图Fig.4－1 Bathymetry map of the Yangtze River Estuary in 19451.1 横沙浅滩面积的变化横沙浅滩是在历史上早已存在的铜沙浅滩基础上稳定发育的河口浅滩，其位置长年很少变化，尤其是1998年长江口深水航道工程建设以来，横沙浅滩西侧边界受N23促淤潜堤人工固定，南侧则以深水航道北导堤为界成为稳定边界，仅有北侧和东侧边界受江、海水动力影响，从1997年、2002年、2010年三次实测地形资料以－5 m等深线为代表的横沙浅滩边线的变化进行比较，横沙浅滩北侧处于弱淤涨状态，东北侧稍有冲刷，东南侧受下滩流影响，－5 m滩线逐渐向东南方向呈舌状外伸淤涨.其主要原因，与近年来北港主泓变化有关.由于北侧滩边线横沙东滩段北港主泓南靠，形成凹岸冲刷（见图6），主泓向东进入横沙浅滩区.图4－2 1958年长江口北槽形成前后河势图Fig.4－2 Bathymetry map of the Yangtze River Estuary in 1958图5 横沙东滩和横沙浅滩工程分布Fig.5 Eastern Hengsha shoal and Hengsha Shallow shoal因受N23潜堤坝头挑流，主泓偏离横沙浅滩一侧，造成滩边线稳定淤涨外伸，外伸速度年均约0.25 km.东南侧则受到横沙浅滩滩面东南向落潮归槽水流冲刷影响，带动滩面泥沙向东南方向推移，形成了舌状砂咀状淤积体向东南方向延伸，－5 m 等深线年均延伸达0.4 km左右，前端已延伸至北导堤堤头附近.而介于浅滩北侧和东南侧淤涨区之间的横沙浅滩东北侧，处在来自东北东向波浪顶冲以及近岸强潮流作用下，不再淤涨，而是处在冲刷状态.从横沙浅滩－5 m等深线的变化（见图7）得出，－5 m等深线所包络的横沙浅滩面积见表1.图6 北港主泓线变化Fig.6 Change of main channel in the North Channel图7 －5 m等深线变化、面积Fig.7 The changes of－5 m Isobaths change and its enclosed area from1997 to 2010表1 横沙浅滩－5m滩线包络面积变化Tab.1 Changes of Hengsha shoal－5 m isobath enclosed area表1和图7反映了自长江口深水航道工程建设以来，横沙浅滩－5 m等深线所包络面积和范围.由图、表可见2002年以前少有变化，至2010年，局部淤涨，浅滩面积缓慢增加，8年增加了33 km2，年均约4 km2，占浅滩面积约1.3%.由此可以认为：横沙浅滩－5 m滩边线平面位置及其包络的浅滩面积，自长江口深水航道等大型工程实施以来，基本处在稳定状态，这将为未来挖入式港池的平面规划提供了稳定的边界条件.1.2 横沙浅滩滩面地形冲淤横沙浅滩与西侧的横沙东滩，均为介于长江口北港与北槽之间的沙洲浅滩.在长江口深水航道工程以及横沙东滩圈围工程以前，受上游来水来沙影响，北港、北槽间滩槽泥沙横向交换甚为强烈，又受到外海波浪及强潮流作用，横沙浅滩滩面长期受到冲刷，沉积物粗化，滩面地形处在自然冲淤状态下.自1998年后长江口深水航道工程、N23促淤潜堤和横沙东滩圈围工程先后实施，横沙浅滩边界受人工工程的制约，大大改变了浅滩滩面的水、沙条件和滩槽间泥沙交换的途径和强度.由于主要受到来自北港主泓偏离以及N23潜堤阻流影响，在浅滩北沿形成东北西南走向的长形淤积带，在滩面落潮主流作用下，浅滩中、南部发育呈脊、槽相间的波状地形，在浅滩南沿顺北导堤一侧，发育沿堤流沟槽，整个滩面高程北高南低，在横沙浅滩东侧，面向外海，受波浪及强潮流作用，－5 m以深的滩坡变陡. 2006—2010年横沙浅滩实测地形对比显示（见图8），四年间滩面共冲刷泥沙3 325万m3，淤积14 884万m3，净淤积11 559万m3，年均淤2 889.75万m3，平均淤高13.5 cm／年.图8 2006—2010年冲淤图Fig.8 The sedimentation change from2006 to 2010再从2010—2012年两年间测图对比（见图9），其间共冲刷7 193万m3，淤积1 793万m3，净冲刷5 400万m3，年均2 700万m3，平均冲刷厚度12.6 cm／年.从这两个时间段内的冲淤变幅来看，无论是冲刷或是淤积，横沙浅滩年均冲淤厚度均在20 cm／年以内（计算横沙浅滩面积，均按2010年－5 m线以上面积），足以说明横沙浅滩滩面的冲淤强度基本处在相对稳定状态，反映了近年来长江流域来沙量的持续减小状态下，以及在长江口深水航道及横沙东滩圈围工程后横沙浅滩水动力及泥沙运动明显削弱，直接造成滩、槽泥沙交换和冲淤强度不断调整并趋于缓和.图9 2010—2012年冲淤图Fig.9 The sedimentation change from2010 to 2012目前，横沙浅滩滩面基本稳定，为今后挖入式港池的实现提供了较为有利的地形环境.2 水下三角洲海床地形稳定性横沙浅滩挖入式港池的出海外航道，初步考虑拟选在横沙浅滩东侧鸡骨礁以北，暂按正东方向向水下三角洲海床－5 m～－25 m水深区延伸，全长约25～30 km，平均滩坡0.77‰.若以鸡骨礁为起点，自122°20′～122°40′间不同水深间距离和坡度列于表2.表2 拟选外航道长度、坡度统计Tab.2 The parameters of channel length and slope5 800 8 640 5 880 6 120 26 400坡度／‰ 0.85 0.57 0.85 0.82 0.长度／m 77据表2可知，在全长26.4 km距离内，拟选外航道轴线，平均坡度0.77‰，不足千分之一，床面十分平坦.历史上，长江水下三角洲发展过程中的地形变化是随着长江流域来沙的不断下泄淤涨所致，而外涨速度又与年际间入海泥沙量和各汊道间分水分沙相关.19世纪中叶的长江口海图显示，当时长江口主泓由南港入海，北港与南支受浅滩阻隔，北港口门拦门沙在佘山以西约13 km，水深达－8～－9 m，－10 m等深线在南港以外的鸡骨礁外2.8 km处.1860—1880年长江主泓由北港入海，北港分水分沙倍增，北港北侧崇明东滩迅速外涨，此时－5 m等深线已外推至距佘山岛5 km外，推进了8 km，北港口外－10 m线向东南方向呈“舌状”伸出，而南港口外相应发生冲刷，－5 m等深线距牛皮礁10 km，－10 m等深线已内移至鸡骨礁西侧.至20世纪20年代主泓改道南港，1931年海图反映崇明东滩持续淤涨，－5 m等深线已外推至佘山以东3.5 km，－10 m线亦向海推进了11～16 km，南港口外再度冲刷，－10 m等深线又退至鸡骨礁以西4.3 km.进入20世纪50年代，水下三角洲各等深线又发生了进退变化.1958—1997年长江口入海泥沙量年均达4.7亿t，处较高水平.恽才兴对1958—1997年的长江口地形图进行数字化处理，对1958—1985年、1985—1989年、1989—1997年间的水下三角洲等深线进行比较（见图10—12）.图10 1958—1985年长江口外各等深线变化Fig.10 Change of the isobath from1958 to 1985 around the Yangtze River Estuary图10显示，1958—1985年27年间长江入海泥沙量年均4.73亿t，整个水下三角洲呈淤涨趋势，淤涨速度南侧大于北侧，南槽口最大，北槽口—北港口外淤涨速度较小，横沙浅滩东侧最小；－15 m～－20 m等深线间除南部淤涨较为明显外，其余稍有蚀退内移.1985—1989年4年间，长江流域泥沙来源减少，年均为3.7亿t，各等深线变化比较稳定，北部北港—北槽口外处在弱冲刷状态，南半部南槽口外呈弱淤涨状态.1989—1997年间，长江流域泥沙来源进一步减少为年均3.4亿t左右，入海泥沙量减少，造成水下三角洲不同程度冲刷，等深线普遍内移，其中北槽口、南槽口外各等深线后退较为明显，－15 m线基本稳定，－15 m～－20 m线又普遍出现冲刷.1997—2010年的12年期间，长江口开展大规模工程建设，加之长江口下泄泥沙又进一步减少.1998年、1999年两年为连续丰水年，年径流量分别达12.440亿m3、10.370亿m3，洪季最大洪峰流量达81 700 m3／s、84 500 m3／s，相应年输沙量达4.10亿t和3.17亿t，其余年的年输沙量均低于3亿t.2003年6月长江三峡工程关闸蓄水以后，2003—2009年平均大通站下泄流量比关闸前（1950—2002年平均）减少了10.3%.同时，由于三峡水库拦沙作用，其间出现了连续4年的枯水年，2003年、2004年和2005年大通站年均输沙量分别仅为2.06亿t、1.47亿t和2.16亿t，2006年更是出现0.85亿t的低值，2003年以后的（2003—2009年平均）大通站年均输沙量较以前（1950—2002年平均）减少了65.4%.此外在此期间南汇东滩和横沙东滩促淤圈围工程，又大量拦截了长江下泄泥沙，使入海泥沙量进一步减少，直接对长江口水下三角洲地形冲淤造成影响.图11 1985—1989年长江口外各等深线变化Fig.11 Change of the isobath from1985 to 1989 around the Yangtze River Estuary图12 1989—1997年长江口外各等深线变化Fig.12 Change of the isobath from1989 to 1997 around the Yangtze River Estuary1979年、2002年、2010年长江三角洲－5 m、－10 m、－15 m、－20 m等深线变化见图13，各等深线之间的移动距离统计列于表3.图13 1997年、2002年和2010年长江口外等深线变化Fig.13 Isobath at 1997，2002 and 2010 around the Yangtze River Estuary表3 1997年、2002年和2010年间各等深线进退变化距离Tab.3 The distance changs among 1997，2002 and 2010 m注：“＋”淤进“－”蚀退年代等深线北港口～横沙东（断面一～断面二）横沙东～北槽口（断面二～断面三）北槽口～南槽口（断面三～断面四）10 ＋20 －96 －386 1997—2002 15 ＋188 ＋308 －1 163 20 ／／－231 10 ＋250 －390 －2 969 2002—2010 15 －838 －713 －1 147 20 ／／＋1 103 10 ＋270 －486 －3 355 1997—2010 15 －650 －405 －16 20 ＋187 ＋419 ＋871由图13和表3可知，在1997—2002年期间，1998年、1999年为丰水丰沙年，结果造成1997—2000年各等深线出现比较明显的向海淤进（见图14）.而进入2000年以后至2002年间，由于长江下泄泥沙减少，加上多次台风暴潮对三角洲表层的强烈冲刷，各等深线又出现冲刷内移（见图15）.冲刷范围较广，几乎遍布－5 m线范围以内的浅水区以及北槽口动力较强区（见图16），但冲刷幅度不大，基本在0.5 m以内.图14 1997—2000年长江口外各等深线比较Fig.14 Comparion of typical isobath in 1997 and 2000 around the Yangtze River Estuary图15 2000—2002年等深线变化Fig.15 Comparion of typical isobath in 2000 and 2002 around the Yangtze River Estuary总之，在1997—2002年5年间的海床冲淤状况，可以在1997—2002年间冲淤图上得到集中反映（见图17）.图16 2000—2002年冲刷区分布Fig.16 Distribution of erosion from2000 to 2002图17 1997—2002年冲淤图Fig.17 The sedimentation change from1997 to 2002根据图17对各等深线间的平均水深统计，算得冲淤幅度列于表4.表4 1997—2002年不同等深线间冲淤值Tab.4 Sedimentation change of typical contour from1997 to 2002 m北港口（断面Ⅰ）±0 －0.1 －0.3横沙东（断面Ⅱ）＋0.3 ＋0.1 ＋0.1北槽口（断面Ⅲ）＋0.3 ±0 ＋0.1南槽口（断面Ⅳ）＋0.2 ＋0.1 ＋0.1由表4，1997—2002年5年累计冲淤变幅在0.1～0.3 m之间，年均仅0.02～0.06 m，冲淤变幅甚小，表示整个水下三角洲海床床面处在相对稳定状态. 2002—2010年间共8年期间，长江口流域来杀沙减幅最大，其间的2004年、2006年、2007年、2008年均为连续枯水少沙年，此期间大通站年均沙量2亿t，同时此期间受长江口浅滩大规模的促淤圈围工程对入海泥沙拦截影响，入海泥沙更加减少［4］.相应加大了水流对水下三角洲泥沙的冲刷强度.由等深线位置变化（见图18）和统计得出的等深线间距离变化统计（见表5）可知，2002—2010年间除北港口外－10 m等深线和南槽口外－15 m、－20 m等深线出现淤进外，其余各断面各等深线间均出现蚀退，其中－10 m～－15 m等深线出现连片冲刷；图18为2002—2010年冲淤图，图中反映冲刷范围较大，但冲刷幅度不大.从表5可知，8年间累计淤进和蚀退幅度在－0.6～＋0.7 m之间.图18 2002—2010年冲淤图Fig.18 The sedimentation change from2002 to 2010表5 2002—2010年间不同等深线冲淤值Tab.5 The change of typical bathymetry contour from2002 to 2010 m北港口（断面Ⅰ）＋0.5 －0.1 －0.1横沙东（断面Ⅱ）＋0.4 －0.2 ＋0.1北槽口（断面Ⅲ）－0.6 －0.3 －0.1南槽口（断面Ⅳ）－0.2 ＋0.7 －0.1表5显示，－5 m～－10 m之间海床，横沙东及北港口外稍有淤积，年均约为0.06 m.－10 m～－15 m之间南槽口外海床出现淤积，年均0.09 m；其余均为冲刷，冲刷幅度年均0.02 m～0.03 m；－15 m～－20 m之间，冲淤变幅年均在±0.01 m～0.02 m之间，冲淤平衡.因此从－5 m～－20 m间的水下三角洲海床床面看，冲淤变化甚小，仍然基本上处于冲淤平衡状态.再从1997—2010年共12年间冲淤图看，长江口外水下三角洲海床床面冲淤特征（见图19）为，总体上，近岸部分，－10 m～－15 m间出现大面积南北向连续的“冲刷走廊”，－15 m水深以东的外海海床略有淤积.无论冲刷、淤积变幅，年均最大±0.05～0.1 m范围以内，可视为冲淤基本稳定，不存在大冲大淤现象.这与整个水下三角洲海域海床现代沉积环境有关，是近年来长江来水来沙条件、潮流场和泥沙场相互适应调整的结果.这种相对稳定的冲淤环境，为今后深水航道的规划选线提供了广阔的空间条件.图19 1997—2010年冲淤图Fig.19 The sedimentation change from1997 to 20103 海床稳定性建港条件初步评估拟议中的上海新港大型挖入式港池布置在横沙浅滩.历史上横沙浅滩是长江河口铜沙浅滩的一个组成部分，早在170年前的我国第一张英制海图（1842年）上已经稳定存在.当时的铜沙浅滩与九段沙一起成为独立沙洲，存在于长江北槽和北港汊道之间.横沙浅滩与其西侧的横沙东滩间有横沙串沟相隔，直至1998年长江口北槽深水航道整治工程实施，受北导堤导流拦沙、堵汊影响，横沙串沟淤塞，横沙东滩与横沙浅滩相连.2003年在横沙东滩串沟以东修建长达8 km的南北向促淤潜堤分割了横沙东滩和横沙浅滩.横沙浅滩边界线随着深水航道北导堤修建完成，北沿边滩受北港主泓走向控制，滩边线较为稳定.浅滩东部则濒临东海，受外海波浪和潮流作用，对东部浅滩造成冲刷，稳定性较差，－5 m滩边线有冲有淤.自1997年以来，横沙浅滩－5 m等深线包络面积基本稳定保持在300 km2左右，滩面有冲有淤，冲淤变幅小.在北港水流漫滩和归槽落潮流作用下形成西北东南向脊槽相间的波状地形，长期稳定少变，滩面高程差别小，高程普遍在吴淞－1～＋1 m之间，浅滩沉积根据钻孔资料揭示，上层以灰黄色粉砂层为主，厚达9 m左右，以下为灰色泥质粉质粘土和灰色粘土为主，－30 m以下为灰色粉土夹砂，对挖入式港池而言，不仅易于开挖，同时开挖泥土又是良好的陆域回填材料.为挖入式港池工程顺利进行，首先必需在横沙浅滩周边进行筑堤工程以稳定边界，目前浅滩南、西边界已建成长江口深水航道的北导堤和横沙东滩圈围工程的东部边界的N23潜堤已初步得到人工控制；而对尚属开敞的北、东侧自然边界亦应采用圈围工程来固定滩边线，其中北边界以－5 m等深线为基点，可结合长江口北港航道的南导堤修建工程共同规划，这样既保证了北港航道建设的需要，又确保了挖入式港池北部岸线的稳定，起到互利共补、一石二鸟的功效.对横沙浅滩东部边界，由于濒临东海，是挖入式港池的东边界，又是深水航道的起点所在，能否保证此项巨大建设工程建成后的地形长期稳定和足够水深将是此项工程规划能否顺利进行及实施可能的重要关键.从地形演变趋势上分析，横沙浅滩东部是北港与北槽两个汊道之间舌状浅滩的端部，历史上长期处在向外淤涨状态，但20世纪90年代以来，随着长江流域来沙量的持续减少，在外海波浪和潮流对浅滩的冲刷作用下，大大减缓了河口浅滩淤涨过程，横沙浅滩东端0～－5 m等深线外涨速度明显减小，在东南侧受滩面落潮归槽流以及北导堤沿堤流影响下，滩面泥沙顺东南向下泄造成近似砂咀形外伸，前端已接近深水航道北导堤堤端，形成新的局部淤积区.而浅滩东端又处在北港拦门沙区，沉积物以粉砂—细砂为主，在外海潮流和波浪的冲刷下，泥沙运动甚为复杂，尤其台风暴潮期间，易出现较为强烈的泥沙运动，将对挖入式港池出口及入海航道的衔接区造成影响，并有可能在短期内产生集中淤积，不利于水深的维护.对此，对于挖入式港池的出海口和航道位置的选择必须作深入调查研究.从目前研究成果上看，挖入式港池出口，选择在浅滩东部鸡骨礁以北与规划中的外海航道相接尚较合理.规划中的外航道从横沙浅滩鸡骨礁北以正东方向向外海延伸至－25 m水深处，全长26 km，所经海床坡度平均为0.77‰，较为平缓，钻孔揭示海床沉积物深度在－10 m～－15 m以上为粉砂沉积层，－15 m以下为粉质粘土沉积层，均为易于开挖的沉积土层.此外，长江口下泄泥沙持续减少，泥沙在口外旋转潮流场影响下扩散，含沙量沿航道向海方向沿程逐渐降低，－5 m～－10 m近岸处含沙量为0.5 kg／m3或以上，至－10 m～－20 m的远岸处，含沙量逐渐递降为0.1 kg／m3.航道沿线水下三角洲海床冲淤稳定，1997～2010年近12年期间，在－5m～－10 m水深区稍有淤积，年均淤积仅在0.1 m以内，－10 m～－15 m间，处在水下三角洲海床南北向冲刷带内，以冲刷为主，年均冲刷0.02～0.07 m之间，－15 m～－20 m之间及以深海床冲淤变幅更小，大致在±0.02 m上下，不存在大冲大淤，这为航道建设提供了稳定的冲淤环境.由于长江水下三角洲海域潮流特征以旋转流为主，均与航道走向形成一定夹角，尤其在近岸浅水区，主要是－5 m～－10 m间，由于受河口及岸线走向影响，潮流由河口出口的东西向往复流向口外旋转流过渡，落潮优势明显，最大流速可达2.0m／s以上，流向偏南为110°.由于与航道轴向夹角较大，横流将对深水航道回淤以及航行产生影响.由于本区海洋调查资料不足，尚需进一步调查研究，尤其要对外航道沿线长达30 km的水下三角洲海床海域更需开展全面系统的调查.［参考文献］［1］陈吉余.长江口拦门沙及水下三角洲的动力沉积、演变和深水航道治理［J］.华东师范大学学报：自然科学版，长江口深水航道治理与港口建设专辑，1995：1－22.［2］恽才兴.图说长江河口演变［M］.北京：海洋出版社，2010.［3］虞志英，恽才兴.长江口北槽外水下地形、沉积环境和对三期外航道的影响［R］.上海：华东师范大学，2004.［4］虞志英，恽才兴.横沙东滩吹泥上滩促淤造地工程自然条件和促淤效果分析［R］.上海：华东师范大学，2002.。