（自然地理学专业论文）洋山海域峡道效应对于工程的综合响应.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：堑坌孕辱 日期：盘墨：! ：1 9 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位敝储橼彻弓导师张却叭 日期：世哆日期：鲨! ：! 坐 致谢 提笔致谢，心中涌动的尽是感动和祝福! 感动于老师、同学、好友和家人为 我倾注的心血和无私的关怀，祝福他们一生平安，健康快乐! 在我人生最重要的求学和成长过程中，一直都得到了李九发老师无微不至的 关怀和谆谆教诲，正是在李老师的督促和关心下我才得以继续学习深造，并完成 了毕业论文的撰写，尤其是在论文的编写过程中，从大方向的把握到遣词造句都 凝聚了老师的心血和智慧，此时任何语言都无法表达我感激的心情，唯有祝李老 师永远健康! 还要感谢我的副导师，中交上海航道勘察设计研究院有限公司的总工徐元， 徐总作为我工作中的领导和学术上的导师，他严谨的工作和治学态度深深地影响 着我，本论文的选题也得益于徐总的支持和帮助，并提供了大量的资料给我学习 和参考，他经常关心论文的进展并提出了很多有益的意见，令我受益匪浅 河口海岸学国家重点实验室就是一个大家庭，虽然作为在职研究生，我没有 太多的时间在这里与大家一起学习和生活，但是也得到了老师和同学们很多的帮 助，这里要对他们表示由衷的感谢特别感谢丁平兴老师和何青老师，他们为我 能够顺利完成学业提供了无私的帮助；感谢王佩琴老师对我的鼓励和支持，以及 生活上无微不至的关怀；感谢王平、徐海根、茅志昌、唐跃敏、李蔚、金灿等老 师在学习争生活中给予的关心和指导；感谢应铭、时连强、李为华、左叔华、刘 启贞、付桂等同门师兄弟的情谊，在五年的求学时间里，你们为我提供了太多的 帮助，在此只能再说一句：“谢谢你们! ” 感谢中交上海航道勘察设计研究院有限公司的张华、曹慧江、张寒元、王超、 楼飞、姜琦等同事，与你们一起参与的课题给了我很多的启发，为本论文的完成 奠定了坚实的基础 最真诚的感谢还要送给我的父母和爱人周欢，我走的每一步都有你们殷切的 期望和无私的付出，你们与我分享每一次成功的喜悦和失败的沮丧，你们的鞭策 和祝福也将一直支持着我永远向前! 还要特别感谢我的好朋友们对我一贯的鼓励 和支持 最后向所有曾经给予我帮助、激励我成长的老师、同学和亲友送去我最真心 的感谢和美好的祝愿! 摘要 洋山海域位于崎岖列岛南北岛屿群之间，具有明显的峡道地形特点，自然状 态下该海域涨、落潮水流迅急，且落潮流强于涨潮流，在岛屿峡道效应作用下， 水流产生聚能，同时在波浪的叠加下，成为崎岖列岛周边海区冲刷和泥沙运移的 主要作用力峡道区流急、悬沙浓度高、泥沙运移强而落淤少，这是自然状态下 洋山海域峡道效应的显著特点 由于其具有良好的水深条件，2 0 0 2 年6 月上海国际航运中心洋山深水港区 工程在此开工实施，工程实施过程中，在洋山海域先后进行了堵汉工程、吹填工 程和疏浚工程等工程实施后，小洋山北岛链的三个主要汉道已被封堵，改交了 原有的峡道地形，水动力结构、泥沙分布及地形冲淤演变等都相应地发生了变化 工程实施后对于洋山海域潮流场最大的改变就是涨落潮流优势的转变，主通 道内由落潮动力占优势的格局逐步向涨落潮动力均衡的方向发展，这种变化在东 口门尤为显著，由于落潮流下泄不如堵汉前顺畅，东口门附近出现了壅水现象。 而作为北岛链上唯一没有封堵的汉道，通过颗珠山蒋公柱汉道的涨落潮量也有 增有减，但始终保持落潮流优势，且较为稳定，正是由于这条出水汉道的存在， 才使得颗珠山汉道附近水域成为为数不多的冲刷区域 相关分析表明，工程实施后洋山海域在宏观上仍受周边海域大环境的泥沙场 制约，工程前后含沙量没有异常变动但由于峡道地形的改变，局部含沙量分布 发生了一些变化自然状态下，由于岛屿周边紊流的影响，会形成局部高含沙区 域，但汉道封堵后，小洋山北岛链前沿水域基本形成了平顺的岸线，主通道内含 沙量等值线分布较为均匀同时，在自然状态下，洋山海域存在着底部高含沙水 体，随着工程的实施，虽然底层含沙量仍然高于表层含沙量，但表底层的差异与 工程前相比已经明显减小 工程前后，洋山海域主通道的泥沙来源及其颗粒成分基本不变在这样的条 件下，主通道底质的粗、细分布，主要与该区的水动力有关，而由于潮动力的变 化，洋山海域总体上形成弱淤积环境，洋山海域的沉积物经历了总体由粗到细、 局部区域存在粗化现象，沉积物的变化是对洋山海域的峡道地形改变的直接响应 的结果 随着洋山海域汉道封堵工程、吹填工程和疏浚工程的不断实施，洋山海域主 2 通道内的地形也发生了明显的调整变化，淤积范围不断扩大北岛链汉道封堵后， 洋山海域水流动力减弱，悬浮的泥沙颗粒易于沉降，在此背景下，吹填沙泄漏以 及疏浚抛泥区的选择等都造成了大范围淤积的产生，但是其中由堵汉工程产生的 峡道地形边界改变及其相应的流场变化才是根本原因所在；同时实测资料表明潮 周期过程中的最大含沙量主要出现在涨落憩前后也就是说，高低潮前后流速最 低，而含沙量最高，这成为最有利于泥沙落淤的时刻，是研究区域的泥沙淤积的 重要因素此外在实施了疏浚工程的区域内，疏浚增加了局部区域水深，随着疏 浚水深的增加淤积强度呈递增趋势 总体看来，由于小洋山北岛链各主要汉道的先后封堵，从根本上改变了原有 的地貌形态，形成了新的峡道地形，从而改变了峡道内的水动力、泥沙、地形等 综合峡道效应，这种变化仍处于调整过程中 关键词：洋山海域峡道效应水文泥沙地形工程 3 a b s t r a c t y 锄g s h 锄s 髭a r l i c si i ln l eq i q u 觚h i p c l a g o ，l e u 吐lo fc h 锄萄i 雒ge s t u 乏呵， l e 、e s to f e h s tc h i i l as 船，l eo 鹏i d en o m lo f h 锄铲h o ub a y ，锄d 叩吐l es o u 出一e a s t o fl u c h g 锄g0 f 套i 趴h u i i t sd ”锄i c 副c h a 删：t e r i s t i c s0 f ，a ：t 盯a i m n t 锄d s 吣p c n d e d d i m e n ta 坨v e d ，c o m p l 甑b c c a u o fi t s 吼i q 蚋m i p e t - s h a p c 锄d t o p o g 川i l y0 fs 咄i t sc h 嬲毗嘶s t i co fd y n 锄i cc o n d i t i i sd c c i d e db ym ec o 曲缄 o f 地f 0 i 优sb e 呐e r i v e r 咖o f f 锄dt i d cn a w 锄dw 盯e 1 1 l c 缸彻s p 嘲t i 锄d d 印o s i t i o no f s c d i m e n t sa m a i l l l yd c c i d e db y l e 舭s p d e ds e d i m e n tc o e n 臼枷傩 劬mc h a n 西i 锄ge s t 咖叮蚰dm cs 吮n g t i lo ft l l e n o w s i l t 缸锄s p o r t a t i 锄d d i m 曲t a 巧m e c h 锄i 锄i i l l e 眦aa 陀d i s c u s s e df 如md y n 锄i c s ，w k c hs h o w s 廿l a t r a p i d 叫r 陀n t h i g h 鲫s p e n d e d d i l t i e n tc o n c 锄也l t i o n 锄dl i t t l ed 印o s i t i o na 聆m c m a i nf c a t l l i l e so f l e 刮呤a y a n g s h 锄h a d ) o ra 陀ao fs h a n g l 埝ii n t e m a t i o n a js h i p p i r i gc e n t e rc o n s 缸1 l d c c d b c c a 吣eo fm ew e l lw a t c r - d e p t t lc o n d i t i o ni r ij 硼e ，2 0 0 2 t h ec o n 咖c t i o no fa r i e s o fp r i 町e c t sc h a n g e dt i l en a t u r a l5 胁i t - c h 锄e le f 茧画吐so fy a n g s h a ns e aa 嘞，l e ，a t e r d y n a i i l i c s ，t i l ed i s 仃i b u t i o no fs e d i m e n t 锄d 廿l e 州o l v 锄e n to ft o p o 鲫h ye t c t h e p a n mo fe 洲d ed o m i l l 锄th 嬲b e e nc h 甜唱e dt o 也eb a l a n c eo fe b b t i d e 锄d n 0 0 d - t i d c ，i ek e 吐u s h 锄s 仃a i _ t - c h 锄e lk c p t l ee 洲d ed o m i i l a n t 越t h eo n l y n o - b i o c k i i 唱s n a i t - c h 锄e 1 a n d l ey 弛g s h 锄s e aa r c ah 船b c e ni r i 廿l es i t i l a t i o no f w e a kd e p o s i t i t h er e t l r c co fs e d i m e n tw 雒c o n 心o l l e db y l eb i ge n v i l 0 胁e n to fa 由a c e n t a a r c 如b u tn l ed i 矧b u t i o no fs e d i m e n th 硒c h 锄g e di i ls o m ea r e 嬲b e c 踟s eo f 协e c h 锄g “喀 o fs 眈i t c h 猢c lt o p o 鲫h y t h ei l i i l e s o f 蛐s p c n d e dd i m e n t c o n c c n 眦i w e 托u n i f 0 册i 够 i i l t t l cm a i l lr o u t e w a y加n i e b l o c k i n g o f s n 。a i t c h 锄e i s t h ew a t 盯d ) ，l l 锄i cd c c r c a d ，l e 劬c t i o n o f p 盯a t i o n 锄d c o n v e 唱e n c co ft i d a lc u 玎c n td i s 印p c a 他d 锄d l ec 0 黜站rp a r t i c l e s 位i c d 如r 廿l e c o 璐协垃t i o no fp r o j c c t t h es e d i m e n tc h a n g e d 丘d mc o a r s et 0f m c 赳l dw 硒c o a 瑙e ri i l m ea 聆雒，、j 1 7 ：h i c h 阳f l e c t c dm es 妇i t - c h 锄e lo f y a n g s h 粕s 船a 他a 1 1 1 ee v o l v e m e n to ft o p 0 铲a p h yh 嬲c h 锄g e da l o n gw i d l l ec h 锄g i n g0 ft i d a l c u r r e n t 锄du l e d 砷e n t t h c 例1 9 eo fs 订t a t i 锄a g 班l d i z c d 栅也ec o n s 蚋】c t i o f p r o j e c t ，a n d l cc r o s i o nw a t c ra 比ao c c 啊1 c di i l l ef 0 心f i r o n to fd o c k 锄dk e 2 h u s h 锄 4 s 昀i t - c h 锄e 1 t h ec h 锄g i n go ft i d a lc u 玳m t 锄dt o p 0 轳l i ，h yo fs 昀i t c h 锄e i ，t l l e l 韶k a g eo ff i l l i n gs i l t 锄d l e 托g i o fm u dc a s t i l l gb r o l l g h t 伽t 廿圮b i ga a0 f s i l 伽o n a t 廿l es 锄et i m e ，n l e d i i i l e n tw 嬲e 嬲) 7t 0 t t l ew h 明n l e 缸co fb e f m 锄da n 盯l l i g l lt i d e 锄dl o wt i d eb e c a u o ft t l em i l l i i i l u mw 如rv e l o c i 锣锄dm 幽a l s 啪驴吧n d e d d i m e n tc 0 n c e n t r a t i f u m l e 锄。忿，l ew a 毛盯d 印mo fd r e d g i r i g 缸r e c t s t 量l ei n t c 邯i 咖o fs i l t a ：t i o l l w h i c hi i l c 陀硒c dw i t l l l ea d d i n g0 f w a ：t c rd 印m ( k n e r a i l ys p ea ：k i n g ，n l et 0 p 0 铲a p h y0 f 咖i t - c h 锄e lo fy 粕g s h 柚s 觚毛n l e t i d a lc u m n t 锄dd i s t r i b u t i o no f d i m e n th a v ec h 锄g e da f b e r l ec 0 璐1 咖c t i o f p 咧e 吒锄dt l l e a ：b e dl l a sa 由u s t e da c c o r d i n 翊ya n d 山e 喇u s i 缸l n tc o n t i i m e da ta l l t i m e s k 叮w o r d s ：y ，锄g s h 锄s 知l ；e a ，s 砌t 曲锄e le 仃c c t s ，h y d d y n 锄i c ，d i i i l e 咄 呻卿h y ，p r o j e c t 5 第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 峡道通常是指其两侧为陆地或岛屿，两端与较宽阔海峡沟通的狭长的海峡通 道，峡道在水动力、泥沙、沉积和地形等多方面所产生的综合效应，印峡道效应 传统上，按岸滩泥沙颗粒的组成将海岸分为3 类，即粉砂质海岸、砂质海岸 和淤泥质海岸国内外对于在淤泥质海岸建设港口，曾进行了深入研究，基本掌 握了其泥沙淤积规律，并有较成熟的建港实践经验对于在沙质海岸建设港口， 也有较完善的理论和实践经验而对于在粉砂质海岸建港，由于自然条件的原因， 相关理论与实践经验较欠缺，需要进一步深入研究在我国漫长的海岸线上分布 着不少粉沙质海岸段，如辽东、冀东、鲁北、苏北等部分海岸在这些粉砂质海 岸段，以前缺乏成规模的港口 伴随着经济全球化，世界航运市场正在迅速走向一体化、网络化，世界范围 内的市场竞争日趋激烈竞争的焦点也越来越明显，就是在全球市场上争夺航运 中心地位，抢占航运制高点近年来，随着我国经济建设的持续快速发展，许多 粉沙质海岸地区相继提出了建港、辟航、对已有小港进行扩建、提高港口等级的 要求但港口港池、航道的泥沙淤积问题始终是制约港口发展的瓶颈，有的港因 泥沙淤积，造成了巨大的经济损失从海岸动力学的角度来看，工程影响下港区 的冲淤问题也是极为重要的 本论文的研究区域是位于崎岖列岛的岛链汉道区域，因其由大小洋山的南北 岛链组成，因此也通称为“洋山海域”由于其天然的峡道地形，因此存在着满 足深水码头泊位和深水码头的水深要求，经过分析论证，选择在此建造上海国际 航运中心洋山深水港洋山深水港区一期工程于2 0 0 2 年6 月开工，2 0 0 5 年1 1 月通过交工验收，交付运营；二期工程2 0 0 4 年9 月开工，2 0 0 6 年1 1 月通过交 工验收，目前后续工程也正紧张有序地开展在工程建设过程中，由于岛链汉道 封堵造成水流条件的变化和施工抛沙的影响，海域附近地形发生了一定的淤积， 引起了许多专家和研究工作者的高度重视，洋山海域自选址至今，已积累了较为 丰富的第一手水文、泥沙和施工资料 崎岖列岛海区不仅是长江口和杭州湾水沙交换的特殊地带，而且更重要的是 其本身具有岛屿峡道地形的特点，该处水文泥沙和海底冲淤必然表现为独特的分 6 布变化规律，本论文将从水流运动、悬沙分布，底部沉积物及地形冲淤的角度分 析工程对于洋山海域的岛屿峡道效应的影响，通过泥沙淤积规律和影响因素的探 讨，以期从水文学、泥沙运动力学和地貌学等角度揭示峡道效应对于工程的综合 响应，为实现工程动态管理提供一定的科学依据 1 2 国内外研究现状 1 2 1 峡道及峡道效应 最早对峡道的研究是j w 觚g o d r ( 1 9 2 7 ) 对多佛峡道的发育及其与泰晤士河 ( t h a m e s ) 和莱茵河( r h i l l e ) 关系的研究，当时的研究重点是深水峡道的地貌和第四 纪地质自k e i l c r 和砥c 触( 1 9 6 7 ) 对马六甲海峡的峡道沉积开展了研究以来， 世界各地学者对峡道动力、泥沙、沉积、地貌等单一因素分别进行了研究，其中 h e s s e ( 1 9 7 1 ) 对o l 瑚t 0 海峡全新世沉积特性进行了系统研究；j 0 h 璐仰等( 1 9 8 4 ) 和l c d b e t c c r 等( 1 9 8 4 ) 初步建立了飞马海峡峡道环流流速和沉积物粒度之间的 关系；s t 肌l e y 等( 1 9 8 2 ) 以苏伊士运河为例对以潮流和波浪为主的浅水峡道进 行了研究；c 锄o n ( 1 9 8 4 ) 对p i l t g c ts o 岫d i l e 海湾的悬移质进行了研究；p a t t i 撇t c k ( 1 9 8 4 ) 对b r i s t o l 海峡s w 锄s 蚀海湾的床沙输移进行了研究；吉冈洋( 1 9 7 1 ) 对日本纪伊水道的海洋锋进行了研究上述研究工作主要集中在深海大洋的峡道 中，其水深甚至超过1 0 0 0 m 我国的峡道研究发展于2 0 世纪8 0 年代，金波( 1 9 8 2 ) 、周起舞( 1 9 9 5 ) 、邱建 立( 1 9 9 5 ) 、蒋国俊( 1 9 9 6 ，2 0 0 1 ) 、陈沈良( 2 0 0 0 ) 、李玉中( 2 0 0 3 ) 分别对琼 州海峡，金塘水道、连云港地区、舟山群岛峡道、杭州湾崎岖列岛岛屿间的峡道 效应进行了深入分析，丰富了我国峡道动力地貌和动力沉积的研究成果陈沈良 ( 2 0 0 0 ) 在研究崎岖列岛海区的水文泥沙特征和峡道效应以及近百年冲淤演变趋 势时，初步分析了洋山港海域的泥沙来源和底质沉积物的分布李玉中等( 2 0 0 2 ) 发现洋山港海域与长江口存在诸多相似性现象，认为同存在余流会聚的滞流区现 象导致了两区域悬沙、表层沉积和水下地形等相似特征的形成蒋东辉，高抒 ( 2 0 0 2 ) 用数值模型方法计算了渤海海峡区潮流引起的最大和平均底应力，以及 相应的活动层厚度的空问分布，并根据沉积物参数计算了沉积物临界起动切应 力 关于浅海和峡道海区的水动力、泥沙、沉积、地貌以及数值模拟等方面国内 7 外已开展了许多研究，而岛屿群及其之间峡道的动力泥沙条件较通畅的浅海或峡 道海区的情况更为复杂，对峡道内水动力、泥沙、沉积、地形所造成的综合影响， 即所谓的峡道效应，有关学者也进行了不同程度的研究和探讨但对峡道地形制 约下，实施工程造成岛屿群之间过水断面缩窄，从而产生的峡道效应变化的研究 尚显不足因此开展工程影响下的峡道效应研究能极大地丰富和发展河口海岸学 理论；同时充分认识峡道内水文泥沙特性和岸滩演变规律，有效地开发和利用深 水岸线资源等都有着重要的现实意义 1 2 2 不同海岸类型的研究 交通部港口工程技术规范中把我国的海岸以粒径o 0 5 n 吼为界划分为淤 泥质和沙质海岸两大类但粉砂质泥沙的运动特征，使得对海岸的分类提出了质 疑。淤泥质海岸的泥沙由粉沙及淤泥组成，但现场及室内观测资料显示，粉沙的 运动具有自己独特的特征从粉沙的粒径范围来看，其起动流速处于起动流速曲 线马鞍形部分的左侧逐渐增加的部分因此，粉沙的起动流速较通常意义下的非 粘性沙大，但比粘性沙的小 粉沙不具备絮凝作用，但静止时粉沙容易密实，表层密度很高，形成“铁板” 一样的表层，俗称“铁板沙”但当淤泥中含有百分之几的粉沙颗粒时，就会破 坏淤泥的絮凝作用，而粉粒往往与粘粒( 粘性沙) 混合的一起，这就使粉沙的作 用凸现出来从现场和室内实验中可以发现，粉沙分选好，级配曲线比较陡峭， 在静水中密实很快，不易起动，但遇振动容易液化，在动力作用下容易形成波纹； 粉沙起动后，当动力条件增强时，底部形成一高含沙水层，象浮云一样向下游“飘 动”，但粉沙起动时又不形成悬扬由于粉沙具有这些不同于非粘性沙又不同于 粘性沙的特点，因此，有学者建议将传统上对海岸的分类，加以修正和补充，增 加一类粉砂质海岸，这是很有见地的 目前，以淤泥质和沙质为主要成分的海岸与以粉沙为主要成分的海岸相比， 前者从理论上及经验上都相当成熟，而后者则研究的较少究其原因，以淤泥为 主要成分的泥沙是以悬移质运动为主，而以沙质为主要成分的泥沙则以推移运动 为主，二者的运动形态相对比较简单与之不同，以粉沙为主要成分的泥沙悬沙 运动及推移运动都占有相当的比重，二者不可偏舍。加之粉沙质海岸由于泥沙运 动相对较强，一般建设的都是小型港口，实践经验少，从而导致了对粉砂质海岸 方面的研究较少 张乔民，郑德廷( 1 9 9 2 ) 重点评述了美国研究沙质海岸汉道口门及其口内外 浅滩沉积动力学与现代地貌过程方面的进展特别对沙质海岸潮汐汉道的地貌控 制因素，汉道的特殊流场和波浪场，作为滤波器的汉道效应，泥沙转运( 或越过) 口门的方式，以及导堤工程人为因素对汉道发育的影响作了详细的介绍 张忍顺( 2 0 0 3 ) 以黄河三角洲沿岸为例，论述淤泥质海岸上潮汐汉道的发育 过程研究表明，淤泥质海岸潮汐汉道与废弃河口演化有密切关系它的外侧海 岸是在高海面时形成并被现代动力过程所切割的贝壳砂堤或砂堤废弃河口演化 成潮沟系统的主干海平面上升以及三角洲地面沉降是诱发汉道纳潮盆地形成的 重要因素。海岸迅速后退引起的潮沟溯源侵蚀过程扩大了纳潮面积一旦贝壳砂 岛或砂岛被侵蚀得低于海面，则潮汐汉道开始消亡 韩西军( 1 9 9 6 ) 根据近几年对一些粉砂质海岸的研究工作，提出了对粉砂质 海岸的淤积计算的方法另外王成环( 2 0 0 0 ) 和张庆河( 2 0 0 4 ) 等结合实际工作 对粉沙质海岸泥沙运动规律进行了分析 1 2 3 海岸泥沙运动的研究 对于海岸泥沙的研究，一直以来存在两种尺度的不同学科的研究方法，一种 为动力学的方法，以分析泥沙的受力、运动特征为切入点，对泥沙从细观上进行 研究，一种则从地学观点研究、分析泥沙沉积在地质年代中的变迁，两种研究方 法的时间尺度相差个量级 随着遥感技术的出现和应用，通过卫片可以了解某段海岸泥沙在较大范围内 的迁移情况，同时，有的学者正试图从微观上对泥沙颗粒的运动特征进行研究和 解释，比如对于淤泥质泥沙从粘性泥沙的矿物成分入手，通过流变特性确定起动 时的临界剪应力，从而得到起动时的动力条件，这样将会摆脱经验因素的影响， 使泥沙研究真正从根本上走上严格的理论探索之路 韩其为，何明民( 1 9 9 9 ) 论述了床面层泥沙静止、推移( 滚动与跳跃) 和悬浮 三种运动状态及它们转移的临界条件，四种基本转移概率和由它们构成的九种状 态转移概率接着利用数字计算结果，给出了四种基本转移概率，并分析了它们 的特性在这个基础上计算了泥沙在床面层处于静止( 床沙) ，推移( 推移质) 、悬 浮( 悬移质) 的状态概率最后作为状态概率的应用给出了推悬比的公式杨华等 9 ( 2 0 0 0 ) 通过水槽试验初步确定了洋山港区底沙的起动流速 一直以来，沉积物的粒度数据被广泛用于判断沉积物的沉积环境此外，许 多研究者试图将沉积物粒度参数的空间变化和其输运路径、方向联系起来。早期 研究主要分析单个粒度参数的变化如平均粒径或分选系数等，平均粒径被认为是 沿沉积物搬运方向逐渐变细( p e t i j o h ne ta i ，1 9 7 2 ；s e l f ，1 9 7 7 ) ，但是，相反情 形也同样存在0 c c a v e ，1 9 7 8 ；n o r d s 仃d m ，1 9 8 1 ) 因此，使用单个粒度参数分 析沉积物净输运方向，其效果有限m c l a r e n ( 1 9 8 1 、1 9 8 5 ) 提出运用三个参数( 平 均粒径、分选系数和偏态系数) 的组合去描述沉积物的搬运方向这项研究被逐 渐发展成为“粒度趋势分析”方法( g c ta i ，1 9 9 l 、1 9 9 2 ；l er o 嗽，1 9 9 4 a 、b ) g a o 等( 1 9 9 1 ) 的方法是根据沉积物粒度参数的二维空间分布，判断沉积物的净输 运格局这种方法己被应用于河口、海岸，潮汐汉道、潮流沙脊等多种海洋环境 ( g c t a l ，1 9 9 2 、1 9 9 4 a ；( h oc t a l ，1 9 9 4 ；p e d r c r o sc ta l ，1 9 9 6 ) ，其结果与流 场观测、示踪砂实验和地貌特征所显示的沉积物输运格局较为吻合高抒， m i c h a e lc o i l i 璐( 1 9 9 8 ) 利用粒径趋势分析，根据粒度参数的平面分布图式定义 粒径趋势矢量，进而将趋势矢量转换为沉积物净输运图像程鹏，高抒( 2 0 0 0 ) 根据对北黄海西部海底沉积物的粒度测试，运用“粒度趋势分析”方法，分析探讨 了北黄海西部( 渤海海峡区) 海底表层底质的粒度分布特征和净输运趋势。杨欧， 刘苍字( 2 0 0 2 ) 以长江口北支沉积物的粒度分析资料为根据，运用g c o l l i i l s 粒径趋势分析模型对该区域进行分析处理，获得采样区沉积物粒径趋势矢量分 布。梁娟，李春初等( 2 0 0 6 ) 根据珠江磨刀门河口的表层沉积物粒度分析结果， 运用g - c o l l m s 粒径趋势分析方法( g s t a 模型) ，计算河口的沉积物净输运趋势， 并分析河口底质沉积特征 上述研究也表明“粒度趋势分析”方法在大范围的陆架区域具有较好的适用 性在操作中，使用规则的正方形网格可以较全面判断、合成趋势矢量；进行高 密度的采样有助于揭示沉积物净输运趋势的细节特征 1 2 4 泥沙冲淤的研究 海岸泥沙运动的研究最终要归结到工程应用上，其中主要包括河口海岸、航 道、港池泥沙冲淤量的预报，沿岸输沙引起的岸线变迁预报、建筑物周围冲刷变 化的预测，闸下淤积的预测，海底管线周围的冲刷预报等，可以通称为工程泥沙 l o 预报 在预报推算中，常常要对泥沙条件、波浪条件、水( 潮) 流条件进行概化 而最终给出的预报结果是“确定”的量值，但实际上，各种动力条件都存在一个长 期分布规律的问题，波浪的长期分布中常用到重现期的概念，这一概念早已应用 到港口，海岸等工程中建筑物的设计中，并写入了相关的规范。但这种长期分布 的概念尚未应用到工程泥沙的预报中来因此，给出的预报值并不是指某一指定 的年份或指定时段必定发生的实际值，两者存在偏差是正常现象，如果预报值与 某一指定年份或时段发生的实际值恰好一致，则该预报值必然与其它年份或时段 发生的实际值很难一致因动力条件( 波浪、潮流、风暴潮、河口的下泄洪水等) 是在逐年逐月逐日地变化，所以工程泥沙的发生量( 冲、淤等) 也是逐年逐月逐 日在变化，即工程泥沙的发生量同样存在一个长期分布，也即概率分布展望未 来，工程泥沙应能预报出不同概率的发生量，给出工程泥沙发生量( 如某港航道 的年淤积量) 的概率分布，只有这样才能“说清楚”预报结果的准确性，才能把 工程泥沙与( 投资) 风险分析联系起来，为涉及工程泥沙问题的投资决策提供更 科学的依据由于泥沙数值模拟在理论上尚不完善，机理分析尚未清晰，因此在 泥沙淤积量估算中采用比较成熟的经验公式为广泛采取的手段，其计算结果也通 常较为合理 2 0 世纪5 0 年代，在研究天津新港回淤时突现了淤泥质海岸航道、港池的淤 积问题，并在2 0 世纪7 0 年代扩建江苏连云港时再次引起重视刘家驹 ( 1 9 8 心0 0 2 年) 在对新港和连云港的回淤研究中，在认识淤泥质海岸风浪掀沙 特性及其泥沙絮凝沉降特性的基础上，通过对悬移质泥沙淤积3 个因素的分析， 在国内首次提出了计算淤泥质海岸航道淤积厚度的方法同时认为只要海岸泥沙 属悬移质运动，用于淤泥质海岸航道淤积计算式也可用于粉沙淤泥质海岸。其中 的关键之处在于，计算式中的泥沙因素如沉速、含沙量s 和淤积物干重度等 的取值，要如实反映泥沙的特性 曹祖德( 2 0 0 2 ) 针对粉沙质海岸开敞航道的回淤特点提出了一个计算航道回 淤的统计概化模型曹祖德( 2 0 0 4 ) 认为在计算粉沙质海岸开敞航道的淤积时要 考虑三个内容：1 ) 主水体的悬移质淤积：2 ) 临底高浓度含沙水体的淤积；3 ) 推移质淤积这三部分淤积机理不同，需分别考虑罗肇森( 2 0 0 4 ) 按照风、浪、 流的作用机理，认为当d 5 0 0 0 3 哪时，淤积于航道的泥沙为底沙，即近底泥沙 并含部分悬移质泥沙，从而推导出应用于航道的输沙率公式，同时，根据大风期 航道骤淤积算的需要，不断用已有的实测资料对公式的计算结果进行比较，逐步 对方法完善对于d 5 0 郢0 0 7 m m 的泥沙，可用浮泥的输沙公式计算；对于 o 0 0 7 m m d 5 0 0 0 3 m m 的泥沙，可按泥沙的颗分曲线，分别就底沙和浮泥计算， 然后综合其计算结果，同时在计算中考虑风吹流对底沙及浮泥输移的作用 张欧阳等( 2 0 0 5 ) 认为水沙条件变化后河床形态的调整是河流地貌学中一个 极为重要的问题但国内外学者基于不同的含沙量变化范围得出的结论刚好相 反采用过程响应模型实验方法，研究和验证了河床形态调整对于不同含沙量水 流过程的复杂响应现象，从实验的角度部分地修正了s c b u m m 关于水沙条件变化 后河床形态调整方向的定性预测关系 李旺生( 1 9 9 4 ) 就河口海岸航道开挖后回淤预报公式中有关交角的影响问题 进行了分析和讨论，对刘家驹公式、罗肇森公式、曹祖德公式及乐培九公式的计 算结果进行了比较，认为其中一些公式的推导过程存在问题，并提出了自己的意 见 1 2 5 长江口一杭州湾海域水沙运动 南汇咀近岸水域位于长江口和杭州湾的交汇带，是长江三角洲南翼向海延伸 部分，是长江入海径流和泥沙进入杭州湾和东南沿海的主要输沙通道陈吉余等 ( 2 0 0 1 ) 根据长江口南汇咀近岸水域的水文泥沙观测和沉积地貌等资料，通过综 合分析研究，探讨了长江口入海水沙在南汇咀近岸水域与杭州湾的交换和泥沙输 移途径研究结果表明，沿南汇水下沙咀存在一个泥沙通道，长江口水沙在多种 动力因子的驱动下经过该通道直接进入杭州湾，参与杭州湾水沙的周期变化通 过进一步研究还发现，长江口泥沙以异重流的方式向杭州湾输移 夏小明( 2 0 0 4 ) 运用沉积地层同位素2 1 0 p b 、1 3 7 c s 测年技术，估算长江口一杭 州湾毗连海区的现代沉积速率研究结果表明，以泗礁水道为幂，东侧的马鞍列 岛区受外海高盐水的顶托，长江来沙少，淤积缓慢；西侧至长江口、杭州湾海岸 交汇点( 南汇咀) 之间水域，是长江泥沙扩散南下的主要通道其中，受长江冲 淡水次级锋和杭州湾锋面输沙影响的湾口浅滩区，沉积速率约3c i l 池；洋山港 区，水深大于2 0m 的峡道区，受强动力作用而处于侵蚀状态，峡道两端出口的浅 水区，沉积速率为03 】6c 叫a 马迹山港区位于典型的峡道沿岸淤泥质陡艘， 其沉积过程刁= 稳定，正常沉积速率为07 34c 州a ，但常有| 夹速泌积和地层滑塌 流失现象发生。 i3 本文研究内容 ( i ) 巷结分析自然状态下洋山海域的动力环境和冲融演变特征。 ( 2 ) 根据实删水又泥沙货辑，分析工程实施对于洋山海域的水动力结构， 悬沙分布，底部沉积物及地形冲淤变化等蛱道效应的综合黟响。 ( 3 ) 探讨不同工程条件下洋山毒域的冲淤规律，并分析其原因。 l4 地理位置与地形地貌概况 洋山海域即指位于崎】| | 区列岛内，北经大栽洋与长江口相接东经黄泽洋与 东海连通，南临岱衙洋。西靠抗州湾的附近海域( 图1 1 ) 。其中崎岖列岛由太小 6 0 多个岛屿组成，其主要分布在两条岛链上，南支岛链包括唐脑山双连山、 大山塘、大洋山等岛屿，主要形成7 最连山大山塘和大山塘一太贴饼岛两小王要 汉道，北支岛链包括大乌龟、颗珠山小洋山、中 堂、西门堂等岛屿，主要形 成7 大乌龟颗珠山、颗珠山小洋山、小洋_ 镬盖塘年口镬盖塘小岩礁四个扳 道，两岛链问水域西宽东窄，平面上形成t 一个从西北向东南的倒喇叭口的特殊 “涡”形操槽地貌，该“福斗”东西长约l lk m 西口宽度约8k m ，而东部最窄 处的大洋山与小岩礁王问的深槽宽约j 0 0 0 m 。 田1 1 洋山海蛾地理位置田 洋山海域以多岛屿、多汉道为基本特点，各岛屿问构成大小不等的众多潮流 通道，各水道的水域宽阔，是外海水进入杭州湾和长江口水域的畅通水道，亦是 其西和西北部钱塘江和长江巨大径流汇入东海的主要通道。地形西北高、东南低， 从东向西水深变化较大涨潮时，潮流从各岛屿之问的通道经过；落潮时，两条 岛链具有束流作用，从西向进入崎岖列岛的落潮流主要从两条岛链之间的狭口之 间通过，保持了狭口之间的深槽，深槽的最深处达8 7 0m ( 黄海高程) ，同时在 各岛屿之问湍急的涨、落潮流维持了较好的水深 崎岖列岛特殊的地貌环境，塑造了大小洋山前沿的深槽，列岛海域附近形 成水深在1 2 m 以上的广阔水域，在两岛链之间更进一步构成了水深在1 5 m 以上的 宽阔而掩护条件良好的深水区，为大、小洋山建港和船舶进离港航道的建设创造 了条件 1 5 工程类型 自2 0 0 2 年6 月上海国际航运中心洋山深水港区工程实施以来，在洋山海域 相继进行了围堤工程、疏浚工程、吹填工程等( 图1 2 ) ，现将三种工程类型的具 体实施情况说明如下： ( 一) 堵汉工程 在自然状态下，洋山海域北岛链共有四个主要汉道，自2 0 0 2 年6 月开始，先 后封堵了其中的三个汉道，分别是：小洋山镬盖塘( 2 0 0 2 年6 月2 8 日一2 0 0 3 年6 月2 5 日) 、大乌龟一颗珠山( 2 0 0 3 年1 1 月 2 0 0 4 年5 月) 和镬盖塘 大指头 岛( 2 0 0 4 年6 月一2 0 0 5 年4 月) 堵汉工程的实施不仅从根本上改变了洋山海域 原有的峡道地形，而且影响了海域的流场结构，从而引起泥沙的冲淤变化和地形 调整 ( 二) 疏浚工程 汉道封堵后，为了达到船舶进出港区水深的需要，在洋山海域主通道内( 港 区范围内) ，进行了疏浚，疏浚工程的实施人工地增加了局部区域的水深，而在 另外一些区域由于抛泥又造成了人为淤浅，从而造成了泥沙的搬运，但是这种结 果都是人工造成的，与泥沙的自然输运有所不同，它所形成的结果都是短期而明 显的 ( 三) 吹填工程 为形成港区陆域，需要对封堵汉道后方区域进行吹填成陆，此类工程通常在 1 4 汉道封堵工程尚未完成的时候就进行了，由于围堤尚未达到高程要求，因此不可 避免地会发生漏沙的现象，这对泄漏口附近的水域也会产生一定的影响 辍。 文 桑啊 一运0 7 烛k ；凇。 力一 。 。乙j 鲁 i t 1 一犬 - 丽茅7 拳。：固：，夕：p 1 a 。一 = 飞夕- 。0 7 h 沪 岛 图1 2 洋山深水港工程建设示意图 1 6 资料选择 1 9 9 触0 0 7 年在洋山海域共进行了1 5 期定点全潮水文测验( 图1 3 ) ，均是用 传统的海流计进行测点垂线分层流速、流向测量，获取了各站次的大、中、小潮 实测流速流向及悬沙和底质取样等工作 图l - 3 历年港区附近水文测验点圉 1 5 2 0 0 2 年3 月砣0 0 7 年1 0 月，还进行了2 1 次a d c p 潮流跟踪监测在不同 的位置布设了近3 0 条观测断面，根据本论文的研究需要和数据的连续性，选择 7 个断面的测量数据进行分析，各断面的位置见图l _ 4 图1 4 小洋山历次水文监测断面布置图 此外在洋山海域不同区域还进行了多次地形测量，根据测量的时间、范围和 本文的研究需要选择6 次大范围的地形测量资料进行分析，具体测量时间分别 为：1 9 9 6 年1 2 月、1 9 9 8 年1 1 月、2 0 0 4 年4 月、2 0 0 5 年4 月、2 0 0 6 年4 月和 2 0 0 7 年4 月 1 6 第二章自然状态下洋山海域动力环境和冲淤演变 2i 洋山海域水动力环境 2 1 1 费抖的选取 自然状态下在洋山海域进行7 多次潮位观刹和水文泥沙测量。根据当地潮 汐具有明显季节性变化的特点，在枯季和洪季各选取一个剥次的瑚位资科进行分 析第一期为1 9 9 7 年9 月8 日至1 0 月8 目，共设芦潮港、大戢山蝉山滩浒 岛小洋山、黄龙小衙山大渔山、长涂等9 个剥站；第二期观刹时闸为1 9 9 9 年1 月1 4 日至2 月1 3 日，共设1 0 个测站，取消7 第一期的大渔山测站，蜡设 7 大洋山和双连山剥站，观测站位见圉2 卜l 。 圈2l - l 洋山毒麓验潮站布量田 同时分别在洪、枯荦各选择一个刺次的海流观剥资料进行分析时间分别为 1 9 9 7 年9 月( 田2 卜2 ) 和1 9 9 9 年l _ 2 月( 图2 1 3 ) 。其中第一期观测布设2 0 个剥站；第二期观剥分两个测次，第一剥次为1 7 个站进行同步观剥；第二测次 为1 3 个站进行间步观测每剥次均进行t 大，中小湖三个潮汛下同步琏续2 8 小时的周日连续观测。 田2 1 - 21 9 9 7 年9 月洋山海：喊水文测验点布置图 圈2 1 31 9 势年2 月洋山海域水文测验点布置图 2 1 2 潮汐特性 2 1 2 1 潮汐性质 洋山海区以m 2 分潮起支配作用，但也受到黄海旋转潮波的影响，并以k l ， 1 8 0 1 分潮较为显著由于海域地处中纬度地带，本海域潮汐日不等现象明显，一 般从春分到秋分，夜潮大于日潮；秋分到翌年春分，日潮大于夜潮潮汐强度为 中等，涨潮潮差大于落潮潮差，平均涨潮历时小于平均落潮历时东海海洋工程 勘察设计研究院根据观测潮位站各一个月的验潮资料，进行调和分析计算，得出 调查海域的潮汐特征值见表2 1 1 表2 1 1 潮汐特征值分析计算表 站名滩浒芦潮 大渔 双连山小洋山大洋山大戢小衙长涂黄龙 嵊山 1 9 9 7 9 1 00 3 3 0 5 6 o 3 9o 4 2o 4 l0 5 lo 4 70 4 2o “ ( h k l + 量i o i ) h 眈 1 9 9 9 1 2o 3 2 o 3 7 o 3 40 3 7 o 3 5 0 “0 3 9 0 3 70 3 7 平均 0 3 5o 5 6o 3 70 3 7o 3 7o 3 9o 4 l0 4 8o 4 30 4 00 4 l 1 9 9 7 9 1 0o 0 80 0 70 0 90 0 60 0 5o 0 6o 0 4o 0 3o 0 4 凰，碣啦 1 9 9 9 1 2o 0 8o 0 50 0 80 0 40 0 40 0 50 0 40 0 3 o 0 3 平均 0 0 8o 0 70 0 5o 0 90 0 40 0 5o 0 5o 0 6o 0 4o 0 3o 0 4 1 9 9 7 9 l o2 6 61 5 63 21 51 2 21 2 1 39 28 99 1 蝎矿h m + i 1 9 9 9 1 也2 6 41 3 22 8 1l i 51 2 21 1 88 8 6 38 4 平均 2 6 51 5 61 3 23 0 0 51 1 51 3 61 2 21 2 0 597 68 7 5 1 9 9 7 9 l o1 0 21 2 63 03 7l 船1 2 99 32 8 89 8 辄啪 1 9 9 1 9 1 也1 0 1 31 1 5 91 2 1 31 0 4 18 9 91 3 1 1 1 69 8 51 0 3 8 平均 1 0 1 7 1 2 6 01 1 5 97