洋山深水港区海域和港区水域冲淤变化分析

洋山深水港区海域和港区水域冲淤变化分析

洋山港区由大洋山岛链组成。北港区位于小洋山岛链,西起小乌龟东至小岩礁,岸线长约10km,其间保留有颗珠山汊道。小洋山的一、二、三期港区5.6km码头岸线,16个深水泊位,先后建成营运,小洋山以西的四期港区正在建设中。洋山海域从1998年至今,十余年来主通道的地形冲淤仍保持着“南淤北冲”的格局,已投产的一期~三期工程水深良好,颗珠山汊道在发展,四期港区水域继续处于微冲趋势,滩面自然水深已从工程前的-8.0~-9.0m,发展到目前的-10.5~-13.0m,冲刷环境为建设深水港创造了有利条件,特别是在上海市深水岸线缺乏的情况下,开发建设四期港区深水泊位显得尤为必要。本文根据洋山深水港区近期(2009年~2013年)的水文泥沙、水深等现场测量资料和数值模拟技术研究成果,深入地分析洋山深水港区海域和四期港区水域冲淤变化情况,为四期港区增深的可行性研究提供基本依据。1工程总结和自然条件1.1工程建设和工程管理洋山深水港于2002年6月开工建设以来,小洋山北港区共有5个汊道,先后封堵了小洋山~镬盖塘、大乌龟~颗珠山、镬盖塘~大指头岛3个汊道,建成一期~三期工程、一~三期港池开挖工程,四期港区驳岸线已完成,各项工程进展顺利。2009年5月~2012年6月,维护疏浚工程量一~三期工程港区分别为130.6万m3、865.0万m3和7.0万m3,内航道和外航道分别为226.0万m3和790.0万m3,合计维护疏浚工程量为2018.6万m3。1.2自然条件1.2.1北tina东窄西宽海域洋山深水港区位于上海南汇咀东南海域的崎岖列岛,是由大、小洋山南、北两支岛链组成,形成东窄西宽面向杭州湾开口的喇叭状海域。在长期的潮流动力和波浪作用下,形成了洋山港海域特有的地形地貌分布特征:通道内水域自西向东宽度逐渐缩窄,水深逐渐增大(图1)。1.2.2不规海底半日潮型根据小洋山2007年~2009年实测潮位观测资料分析,洋山港区属非正规浅海半日潮型,日潮不等现象明显。平均高潮位3.90m,平均低潮位1.14m,平均潮差2.76m,潮汐强度中等。1.2.3涨、落潮水流根据2013年4月观测资料分析,洋山港区外航道、通道及其南、北和大、小洋山汊道等水域,涨、落潮水流均呈明显的往复流运动(图2),涨、落潮平均流向为292°~114°。(2)通道东部沿海地区洋山港区海域为强潮流海区,通道西部海区最大涨落潮流速分别为2.45m/s和2.67m/s,通道中部最大涨落潮流速分别为2.30m/s和2.55m/s,通道东部海区最大涨落潮流速分别为2.21m/s和2.30m/s,落潮流速大于涨潮流速。2013年4月实测涨潮流速在0.35~1.06m/s,平均为0.69m/s;落潮在0.33~1.29m/s,平均0.72m/s,落潮流速大于涨潮流速。其中,外围水域和进港航道水流强度较强,其次是通道东部和中部,海城西部、大山塘~大洋山汊道和颗珠山汊道相对较弱。1.2.4砂环境(1)平均含沙量的纵向变化特征根据2013年4月实测资料统计结果,定点实测含沙量平均为0.92kg/m3,涨、落潮分别为0.93kg/m3和0.90kg/m3,涨潮含沙量大于落潮。垂线最大含沙量涨、落潮分别为3.27kg/m3和3.38kg/m3;观测海域内,双连山~大山塘汊道、颗珠山汊道和大洋山南侧水域含沙量最高,双连山~大山塘汊道、港区中部和西部次之,港区东部、进港航道以及小洋山以北水域含沙量相对较低。从纵向变化讲,平均含沙量自东向西沿程逐渐增大,即进港航道最小,港区东部次之,港区中、西部最大;由横向分布来看,平均含沙量自南向北沿程逐渐降低,即大洋山以南水域最大,通道水域次之,小洋山以北水域最小;汊道的含沙量与其他水域相比,为观测海域的大含沙区。(2)沙量的季节变化根据小洋山站1998年~2008年每日高、低潮时表层含沙量资料统计分析:含沙量年际变幅很小,但季节变化明显,每年从11月~转年4月冬、春季节含沙量较高,在0.92~1.24kg/m3;5月~10月夏、秋季节含沙量较低,在0.33~0.81kg/m3。(3)流速大小对于粒径的影响2007~2009年洋山港区悬沙平均粒径一般为0.0064~0.0122mm变化,平均中值粒径d50为0.008mm,当流速较大时,其平均粒径稍大,而流速小时相对较小。这种悬沙皆属细粉砂和极细粉砂两种类型,悬沙颗粒较细,在水流的作用下具有极易活动的特性。2013年4月悬沙中值粒径平均为0.0059mm,2013年与2007~2009年相比,悬沙中值粒径平均偏细0.0025mm,细化程度大、小潮大于中潮。(4)泥沙粒径分布观测海域沉积物中值粒径为0.0195mm,其中,小洋山北侧近岸泥沙粒径细于大、小洋山通道和大洋山近岸南侧区域,港区东部海域泥沙粒径粗于小洋山北侧及大洋山南侧区域。沉积物质主要为砂质粉砂、粉砂和粘土等物质组成。2分析杨山深水港区海域走廊中短期地形变化2.1道中部及南部冲刷积验法图3为洋山深水港区海域通道内2009年4月~2013年4月海床地形冲淤变化情况。从图中可以看出,通道内总体上保持了“南淤北冲”的格局,即呈现通道北侧冲刷、通道中部及南部淤积的分布。计算海域的淤积量为2266万m3,合计淤积厚度为0.71m,平均每年淤积强度为0.18m。计算海域冲刷量为1712万m3、冲刷厚度0.99m,平均每年冲刷强度为0.25m,全水域冲淤量为554万m3,加上港区疏浚工程量1003万m3,实际冲淤量为1557万m3,年平均淤强为0.08m。说明洋山海域在工程全面竣工投产后,近期4a海床的冲淤变化幅度不大,在新的工程边界条件下处在调整后期,洋山海域的海床总体上是稳定的。2.2朱山道水体短期疏浚变化分析2.2.1款岸后道地土流沿面积的变化图4为颗珠山汊道水域2009年4月~2013年4月海床地形冲淤变化图。从图中可以看出,四期工程岸线形成以后,受岸线归顺水流的作用,颗珠山汊道水域总体上呈现出冲刷的态势,其中淤积强度比较大的区域主要分布于靠近颗珠山一侧及镬脐岛周围,冲刷比较大的区域主要分布于汊道中部,即颗珠山汊道深槽水深加大,而两侧浅滩水域水深变小。2.3合公水域冲淤情况图5为洋山深水港区四期工程水域2009年4月~2013年4月海床地形冲淤变化图。从图中可以看出,四期港区水域总体上呈现出冲刷的态势。由于四期工程码头岸线的建设,受陆域吹填的影响码头岸线前沿产生了较大淤积,同时在码头驳岸线的导流作用下岸线南侧水域形成冲刷坑,未来四期工程西侧导流堤建设以后,冲刷坑将继续西移,同时冲刷坑范围和冲刷强度将减小。34号港和4号公路的深港分析3.1海床冲淤变化洋山深水港区在工程全面竣工投产后4a期间(2009年~2013年),洋山海域海床的冲淤变化继续保持了“南淤北冲”的格局,每年平均冲刷和淤积强度分别为0.3m和0.2m,冲淤变化不大,海床总体上保持了稳定状态。洋山海域的稳定和西北部冲刷环境为四期港区和进港航道的增深创造了有利条件(图4)。3.2蒋公柱海域冲淤情况(1)四期工程水域位于洋山海域的西北部,东部紧临颗珠山汊道和已建成的洋山港一期~三期工程。为了缓解东口门的雍水,减轻泄流的负担;增强洋山海域北部的潮动力,确保洋山港一期、二期工程的水深维护,自2005年先后封堵了小洋山~镬盖塘汊道,大乌龟~颗珠山汊道,保留了颗珠山汊道。颗珠山汊道是以落潮为主的出水出沙通道,2005年以后汊道迅速地发展,涨落潮量也随之增强,占洋山海域西口门总潮量的10%和15%,增强了洋山海域西北部的潮动力,使四期工程水域处于冲刷状态,每年冲刷强度平均为0.3~0.5m,使四期工程水域的水深由2005年的-8.0~-9.0m增深至2008年的-10~11.0m;随着2008年12月洋山深水港区一期~三期工程竣工投产,和2009年底四期工程2.3km驳岸建成至今,经过了4a时间,在新边界条件下的水文泥沙、潮动力的调整和海床的冲淤变化,从2009年4月和2013年4月实测资料对比来看:颗珠山汊道的落潮量是涨潮量的1.96倍,比2009年的落涨潮比1.66增加18%,说明颗珠山汊道继续发展,出水出沙的作用日趋增强。四期工程水域的水深从2009年4月的平均水深11.0m,至2013年4月刷深至12.3m,4a内平均冲刷1.13m,年冲刷强度为0.26m,海床的冲刷环境为港区水深的增强创造了有利的条件(图5)。(2)四期工程的进港航道位于蒋公柱的南面,距一期~二期码头前沿以南780m,航道走向130°平行一期~二期码头和蒋公柱滚装船码头;15万t级航道为单向航道宽度为250m、长度5km、底高程为-16.5m、边坡1:5。该水域的海床在一期~三期工程竣工投产以及四期工程驳岸完成、蒋公柱码头建成后呈现相对稳定状态。从2009年4月至2013年4月4a水深对比变化来看,蒋公柱边滩处在稳定状态,航道部分海床处于微冲状态,冲刷强度为0.1~0.5m;从等深线变化来看,中央沙萎缩,航道处有400~200m,长1.2km;航道水域出现冲刷幅度0.3~1.2m的冲刷沟(图6)。(3)从断面水深变化来看,断面南部的进港航道,在一~二期工程水域内年淤积强度不大,仅为0.1m,位于蒋公柱水域内处于冲淤平衡状态(没有图对应)。综上所述,蒋公柱处在颗珠山汊道和洋山通道的分流口处,航道开挖后泥沙淤积是不可避免的。随着工程边界的调整,潮流会逐渐平顺、通畅;该区海床趋于稳定和近期的微冲态势,航道增深后的泥沙回淤量会逐渐有所减少。3.3工程建设已经完成洋山海域是强潮流、高含沙量的海域,潮流强度的减弱是引起泥沙回淤的原因,根据洋山港工程实践往往是建设后的工程边界对潮流的影响程度较大。随着2008年底一期~三期工程5.6km码头的建成使用、2009年底四期工程2.3km驳岸完工、2010年蒋公柱滚装船码头建成,目前该地区的工程建设已全部完成,工程边界条件已基本固定下来。对该地区的潮流起到导流作用,使潮流更加平顺、通畅以及潮流强度的增强。在新的工程边界经过4a的调整,2009年~2013年海床呈现总体冲淤平衡趋势,说明已建成的工程边界是有效的,为该地区水域的增深创造了有利的条件(图7)。3.4洋山海域潮动力颗珠山汊道是以落潮为主的出水出沙通道,自2005年封堵了2个汊道后,颗珠山汊道的涨落潮量迅速地增加,占西口潮量的10%和15%,大大地增强了洋山海域西北部的潮动力,使四期工程水域处于冲刷的趋势;随着2008年底洋山港一期~三期工程竣工投产和2009年底四期2.3km驳岸建成至今,经过4a的调整期,到2013年4月颗珠山汊道的涨落潮量为3.71亿m3和6.24亿m3,落潮量是涨潮量的1.96倍,比2009年1.66倍,增加18%,说明颗珠山汊道继续向着以落潮为主方向发展,有利于出水出沙作用的增强,继续为四期工程水域的增深在新的工程边界条件提供潮动力。3.5港池及港池的开挖和回淤量2005年洋山港的外航道10k浅段从-10.0m开挖至-16.0m,年回淤量在0.5m左右,目前使用良好。2006年二期港池的西部(靠近蒋公柱处)从-8.0m开挖至-16.0m,年回淤量2.0m左右,是洋山港回淤较大的区域,目前除定期地维护挖泥,使用情况良好。从洋山深水港区经历过的工程实例来看,开挖初期回淤量较大。洋山港的淤积量随着工程边界的固定,潮流会更加平顺、潮动力逐渐调整、海床冲淤变化会越来越小,开挖后的回淤量会逐渐减少的趋势。3.6港池航道适用标准及数据分析根据2013年4月和7月两次现场实测的水文泥沙资料建立了数学模型。利用模型的试验成果,采用顺岸式港池淤积计算公式和海港水文规范推荐的航道淤积计算公式,估算出回淤量如表1所示。由表1可以看出,港池和进港航道,7万~15万t级的年回淤强度为1.0~2.0m,与二期工程港区的实际淤强基本相当。港池航道吨级由7万t级增加至15万t级;回淤量由457万m3增至881万m3,增加1.93倍。增加的回淤量开挖初期是较大,但伴随着工程边界的固定,导流作用日益有效支持,回淤量会有逐年减少的趋势。4港池及航道对生长的影响(1)随着2008年底洋山深水港区一期~三期工程竣工投产、2009年底四期工程驳岸完工和2010年蒋公柱滚装船码头建成,洋山港海域海床冲淤变化经过4a在新的边界条件下的调整,逐渐趋于稳定。近期(2009年~2013年)的水