邵榮順, 程澤坤, 丁平興, 葛建忠, 虞志英, 俞 靈
(1.中交第三航務(wù)工程勘察有限公司,上海 200032;2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062)
上海港要發(fā)展,目前面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):吞吐能力飽和,深水岸線已用盡,土地資源短缺,城市交通緊張;上海港可持續(xù)發(fā)展的空間幾乎枯竭,到了無(wú)路可走的境地.上海港目前還沒(méi)有20 m水深的航道和泊位,隨著1.8萬(wàn)箱超大型集裝箱船和40萬(wàn)t超大型礦石船舶的問(wèn)世,上海港面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).為了落實(shí)國(guó)務(wù)院關(guān)于上海國(guó)際航運(yùn)中心建設(shè)2020年的總體目標(biāo),滿足上海市和長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,適應(yīng)船舶大型化的需要,規(guī)劃有20 m以上水深的深水航道和泊位的新港區(qū),并優(yōu)化海進(jìn)江運(yùn)輸系統(tǒng),進(jìn)一步發(fā)揮上海國(guó)際航運(yùn)中心作為國(guó)際航運(yùn)樞紐的龍頭作用,是十分必要的.
中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司與華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的專家學(xué)者通過(guò)近2年努力,于2012年10月完成了《上海國(guó)際航運(yùn)中心——橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報(bào)告》[1].本文介紹其中橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案與平面布置.
橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃位置位于122°05′~122°30′E、31°05′~31°17′N;西起橫沙東灘N23潛堤向東至外海的-20 m等深線;北靠北港入???、南至長(zhǎng)江口深水航道W4—W5外航道(見圖1).規(guī)劃的挖入式港池地處北港和北槽入海水道之間的橫沙淺灘,水深-5 m以內(nèi),處在長(zhǎng)江入海泥沙擴(kuò)散、堆積的攔門沙地區(qū);規(guī)劃的深水航道是在港池口門以東至長(zhǎng)江口外海濱-20 m等深線之間.
圖1 挖入式港池規(guī)劃南線方案Fig.1 The South Line Scheme of excavated-in harbor basin
規(guī)劃海域潮汐主要受控于東海的半日潮波系,因而一周日內(nèi)出現(xiàn)兩漲兩落的水流;同時(shí)又受黃海日潮波系的影響,從而漲落中呈現(xiàn)明顯的日不等現(xiàn)象.根據(jù)牛皮礁站資料(潮位基面為吳淞零點(diǎn))統(tǒng)計(jì)分析,本海域的歷史最高潮位5.27 m,歷史最低潮位-0.77 m;最大潮差5.17 m,平均潮差2.77 m;平均高潮位3.45 m,平均低潮位0.65 m;設(shè)計(jì)高潮位4.69 m,設(shè)計(jì)低潮位0.55 m.
在北港和北槽的水道中及其附近,潮流基本呈較強(qiáng)的東西向往復(fù)流動(dòng),且轉(zhuǎn)流時(shí)段較短;而在-10~-20 m海域,潮流極具旋轉(zhuǎn)特性,即逐時(shí)流矢一般按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),流速自口門向外海逐漸遞減.北港口門約-5 m水深處,表層平均漲、落潮流速分別為0.94 m/s和1.47 m/s;口外-15 m處分別為0.64 m/s和1.07 m/s;北槽口內(nèi)漲、落潮流速分別為1.18 m/s和1.79 m/s,口外漲、落潮流速同為0.98 m/s;落潮流速大于漲潮流速,規(guī)劃航道的走向與漲落急主流流向基本一致.
長(zhǎng)江口地區(qū)以風(fēng)浪為主,涌浪次之.常浪向NNE向,頻率為10.25%,次常浪向?yàn)镾E和N向,頻率各為8.75%,涌浪主要出現(xiàn)在NE—SE向,占涌浪出現(xiàn)頻率的57.5%.
長(zhǎng)江口風(fēng)向、浪向季節(jié)變化十分明顯,冬季以NW向浪為主,夏季以SSE向浪為主,春季以SE和SSE向浪為主,秋季以NE向浪為主.海區(qū)經(jīng)常性大浪破碎帶外緣在-3~-5 m處.
佘山站和引水船站多年平均波高為0.9 m,常浪向在NNE—ENE之間,大浪出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期,7413號(hào)臺(tái)風(fēng)期間引水航站實(shí)測(cè)最大波高為4.8 m(NE向);7708號(hào)臺(tái)風(fēng)期間,佘山站實(shí)測(cè)最大波高為5.2 m(ENE向);波高2.0m以上的大浪為偏北向浪,偏南向只偶爾出現(xiàn).
長(zhǎng)江口來(lái)沙量豐富,但近年長(zhǎng)江流域來(lái)沙量明顯趨少,1950—1984期間年平均輸沙量為4.72億t,而2000—2009年期間僅為1.92億t,其中2006年及2011年的年輸沙量分別僅為0.88億t和0.72億t.據(jù)大通站資料統(tǒng)計(jì):洪季(5月—10月)輸沙量占全年的81.2%,枯季(11月—次年4月)僅占18.8%,輸沙量峰值一般出現(xiàn)在7月份,占全年21.9%;2月份最小,僅占0.6%.長(zhǎng)江口外的主要泥沙來(lái)源是長(zhǎng)江口及口外邊灘的波浪掀沙.
長(zhǎng)江口外海域常年平均懸沙濃度約0.4 kg/m3,空間分布見[文獻(xiàn)2]圖3.分布特征是:西高東低、南高北低、淺水大于深水、底層大于表層.冬高夏低、季節(jié)變化顯著,其季節(jié)變幅隨水深而異.長(zhǎng)江口外懸沙分布可以-10 m等深線為界,以西含沙量相對(duì)較高,平均含沙量≥0.5 kg/m3;以東懸沙等值線分布與等深線走向一致,平均含沙量0.3~0.1 kg/m3;在31°15′N以北,-15 m等深線以東挖入式港區(qū)深水航道所在水域,懸沙濃度洪季約0.3 kg/m3左右,枯季約0.4 kg/m3.
挖入式港池所在地橫沙淺灘,西與橫沙東灘相連,歷史上曾與九段沙連在一起稱為銅沙淺灘.20世紀(jì)50年代初的兩次特大洪水作用,使北槽上下貫通,成為新的入海通道.此后數(shù)次洪水作用,加大了北槽的發(fā)展,促使橫沙東灘與橫沙淺灘間串溝的形成擴(kuò)大.1998年開始深水航道工程,橫沙東灘和橫沙淺灘受北導(dǎo)堤攔沙、導(dǎo)流和堵汊影響下而彼此相連,并在北導(dǎo)堤北側(cè)形成沿堤流而發(fā)育沿堤溝槽,成為橫沙淺灘向海域水沙的通道.2003年于橫沙東灘竄溝以東修建的N23促淤潛堤等工程,橫沙淺灘西部和南部被N23堤和北導(dǎo)堤所固定,而淺灘此側(cè)受北港水流和波浪共同作用,產(chǎn)生自然沖淤.據(jù)5 m等深線變化,于N23潛堤以西的橫沙東灘北側(cè)灘坡受北港主泓沖刷而后退,形成凹岸陡坡.主泓向東于橫沙淺灘,使橫沙淺灘北沿趨于穩(wěn)定淤淺.而淺灘東南側(cè)受波流沖刷,5 m線內(nèi)縮,被沖泥沙向東南延伸淤淺,使5 m等深線從2002—2010年向東南方向移動(dòng)約為3 km,在該期間橫沙淺灘-5 m面積從269 km2擴(kuò)大到302 km2[3].
規(guī)劃航道附近海床穩(wěn)定性主要取決于所在海域的水動(dòng)力條件、泥沙來(lái)源和地形的沖淤特征之間是否相互適應(yīng).從1958—2009年50年資料對(duì)比來(lái)看,水深在10~20 m處是稍有淤積的,在20~30 m區(qū)間沖刷,年均沖淤幅度僅2~4 cm,表明長(zhǎng)期以來(lái)海床基本上是穩(wěn)定的.從2002—2010年期間,水深10~20 m區(qū)間是有所沖刷的,年均沖刷僅10 cm,水深5~10 m處是淤積的,幅度0.6 m,年均淤積7 cm,表明近期在規(guī)劃航道附近海床是略有沖刷的,海床基本是穩(wěn)定的,近岸段略有沖淤,幅度不大[3].
參考長(zhǎng)江口深水航道整治工程的多次勘探資料,本區(qū)上層覆蓋為第四紀(jì)全新世近代沖積-濱海相的以細(xì)顆粒為主的粘土堆積物,無(wú)基巖出露,屬軟土地基.本次在規(guī)劃的挖入式港池口門-5 m處進(jìn)行了地質(zhì)鉆孔[4],發(fā)現(xiàn)水深-5~-10 m處為粉細(xì)砂,-10 m以深為淤泥質(zhì)粘土,可見港池和外航道可挖性好.本海域懸移質(zhì)d50為0.01 mm,河床質(zhì)d50為0.006~0.008 mm,含泥量在50%以上,屬于淤泥質(zhì)海岸,淺灘以上的深槽大風(fēng)天發(fā)生泥沙驟淤往往以浮泥形式出現(xiàn).由于浮泥生成、運(yùn)移的特性,大風(fēng)天發(fā)生驟淤礙航的可能性不大.
該地區(qū)全年以偏N風(fēng)最多,風(fēng)向NNW-N-NNE三個(gè)方向頻率為30%,其次是偏SE向,WSW風(fēng)出現(xiàn)頻率最少,SW-WSW-W三個(gè)方位頻率為6%.
引水船站年平均風(fēng)速為7.2 m/s,以NW風(fēng)為最大,達(dá)9.1 m/s.最大風(fēng)速一般出現(xiàn)在夏季及初秋的臺(tái)風(fēng)季節(jié),風(fēng)向多偏N,引水船上測(cè)得的最大風(fēng)速達(dá)30.3 m/s.
長(zhǎng)江口地區(qū)屬于受臺(tái)風(fēng)影響頻繁的區(qū)域,根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[5],自1884年至2005年共121年間,影響上海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)共發(fā)生225次,平均每年發(fā)生約2次.風(fēng)向以偏N風(fēng)(包括NNW和NNE向)為主,偏E向和S向其次,風(fēng)力為8~9級(jí)占最多,風(fēng)力≥10級(jí)也占有一定的比例.臺(tái)風(fēng)影響下瞬時(shí)極大風(fēng)速可達(dá)44 m/s,出現(xiàn)在1915年7月28日.臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)在每年的5—10月,主要集中在7—9月三個(gè)月,占全年的90%以上.大風(fēng)持續(xù)時(shí)間約為2~3 d,長(zhǎng)的可達(dá)5~6 d.
在1980—1996年間,受寒潮過(guò)程的影響共45次,平均每年2.6次,最多的年份有7次(1980年),最少為1次.每年寒潮影響時(shí)間為1~2 d.年內(nèi)以12月份最多(平均0.76次),其次是1月份(平均0.59次).寒潮最早出現(xiàn)在11月上旬(1985、1992和1995年),最晚在12月中旬[6].
長(zhǎng)江口是喇叭形的河口,目前三級(jí)分叉,四口入海,即有北支,北港,北槽和南槽四個(gè)入海通道.并形成了崇明東灘(577 km2),橫沙淺灘(493 km2),九段沙(377 km2)和南匯東灘(509 km2)等四大淺灘的灘槽相間的河口地貌.作為瀕海陸地的四個(gè)淺灘,其中崇明東灘為上海市級(jí)鳥類自然保護(hù)區(qū),九段沙為上海市級(jí)自然保護(hù)區(qū),南匯東灘與上海浦東相連,通過(guò)大規(guī)模灘涂圍墾成為上海市重要的土地后備資源,但近岸水域水深較淺.按長(zhǎng)江口航道規(guī)劃目標(biāo)[7],南槽航道作為5萬(wàn)t級(jí)以下中、小型船舶的通海航道.橫沙淺灘,為本次規(guī)劃的淺灘.
橫沙淺灘位于長(zhǎng)江入??冢幵谖覈?guó)海岸線中部與長(zhǎng)江的交匯點(diǎn),出??芍苯优c我國(guó)南北航線和國(guó)際航線相接,沿長(zhǎng)江口連接我國(guó)中西部和長(zhǎng)江流域,通江達(dá)海,具有良好的江海中轉(zhuǎn)聯(lián)運(yùn)開發(fā)條件,是發(fā)展上海國(guó)際航運(yùn)中心國(guó)際物流中轉(zhuǎn)樞紐的理想?yún)^(qū)域.
橫沙淺灘最靠近外海深水區(qū),距-20 m等深線僅17 km,在本規(guī)劃大型港區(qū)和航道可以充分利用長(zhǎng)江口外的深水資源.
橫沙淺灘灘面平坦,-5.0m以上的灘地面積493 km2,灘勢(shì)穩(wěn)定,目前橫沙東灘1—4期促淤圈圍工程已經(jīng)完成,#23丁壩以東灘地面積320 km2尚未圍墾,處于潮水淹沒(méi)的潮間帶,是規(guī)劃挖入式港池的理想?yún)^(qū)域.同時(shí)由于灘涂面積大,為規(guī)劃大型港區(qū)提供了足夠的陸域.
橫沙東灘和橫沙淺灘北岸為未開發(fā)的北港航道的下段,北港河勢(shì)穩(wěn)定,岸線平直微彎,水深良好,有13 km長(zhǎng)的天然岸線,可規(guī)劃長(zhǎng)江泊位52個(gè).在橫沙淺灘規(guī)劃挖入式港區(qū),可提供具有-20 m及以上的深水岸線80 km,建成大型深水泊位145個(gè).
橫沙淺灘北靠北港航道,南貼長(zhǎng)江口深水航道,距外海-20 m等深線僅有17 km,具有20 m水深的出海航道,港區(qū)通江達(dá)海,具有良好的江海聯(lián)運(yùn)的水運(yùn)條件.
橫沙淺灘的陸域形成可以吸納長(zhǎng)江口深水航道的疏浚土.目前,長(zhǎng)江口深水航道每年維護(hù)量在8 000萬(wàn)m3以上,而疏浚土的利用率僅為20%.橫沙淺灘的陸域形成利用長(zhǎng)江口深水航道疏浚土既減少了資源浪費(fèi),還有利于減少海洋污染,從而減少對(duì)海洋的污染.
橫沙淺灘的西側(cè)長(zhǎng)興島已經(jīng)建成了上海至崇明的越江隧道和大橋,橫沙淺灘開發(fā)后,集疏運(yùn)交通將十分便利,水上有長(zhǎng)江口深水航道和北港航道,海上有規(guī)劃的深水外航道;陸上可利用北導(dǎo)堤擴(kuò)建公路,在橫沙島上建越江隧道或者橋梁與上海至崇明的越江隧道相接,解決與上海市的集疏運(yùn)問(wèn)題,繁忙的江海聯(lián)運(yùn)和大量的集裝箱中轉(zhuǎn)則可避免穿越市區(qū).
鑒于橫沙淺灘具有的區(qū)位優(yōu)勢(shì),靠近外海的淺水區(qū),具有廣闊的灘涂資源,以及集疏運(yùn)交通便利的江海聯(lián)運(yùn),因此是理想的大型深水港區(qū)的港址.目前,橫沙淺灘尚未開發(fā),又不在自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi);橫沙淺灘的開發(fā)也符合水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)[8]2008年3月批準(zhǔn)的“關(guān)于長(zhǎng)江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃”,有利于長(zhǎng)江口河口的穩(wěn)定和安全.因此,上海新港址選擇在橫沙淺灘是比較理想的.
橫沙淺灘位于長(zhǎng)江出???,-5 m東端距外海-20 m等深線僅有17 km;北靠北港航道,南鄰長(zhǎng)江口深水航道,通江達(dá)海,地理位置優(yōu)越,具有良好的江海中轉(zhuǎn)聯(lián)運(yùn)條件.
橫沙淺灘灘面平坦,灘面穩(wěn)定,-5 m以上的灘地面積為302 km2,東西長(zhǎng)47.4 km,南北寬10.4 km.目前已進(jìn)行了五期促淤圍墾,具有廣闊的灘涂資源,可以為新港區(qū)提供足夠的水域和陸域,滿足更多的深水碼頭布置.
大規(guī)模圍堤修筑可在中低灘進(jìn)行,避免如外海人工島那樣昂貴和技術(shù)難度高的深水筑堤,通過(guò)港區(qū)自身挖填平衡形成港區(qū)水域和陸域,并可補(bǔ)充吸納長(zhǎng)江口深水航道疏浚棄土,陸域形成土源的土質(zhì)總體較好,減少地基處理的大量投入.
與外海開敞式人工島相比,挖入式港池可以避免外海風(fēng)浪的侵襲,水域平穩(wěn),碼頭泊穩(wěn)條件和航運(yùn)條件良好,而外海人工島難以形成良好的靠泊、作業(yè)條件,需修筑昂貴的深水防浪堤.
橫沙淺灘圈圍成封閉的港池,消除了灘地波浪掀沙,有利于減少北槽的深水航道的泥沙來(lái)源.
(1)南線方案(見圖1),外輪廓線主要順延橫沙淺灘-2 m等深線,但靠近北槽,從流場(chǎng)數(shù)模結(jié)果來(lái)看[9],對(duì)已建成的長(zhǎng)江口深水航道有一定的影響.規(guī)劃的深水航道(-23 m)長(zhǎng)度達(dá)31.2 km.航道段處于淤積區(qū)內(nèi),回淤狀況相對(duì)較為復(fù)雜.況且規(guī)劃航道出入口與目前長(zhǎng)江口深水航道出口段共線.通航密度較大,因此南線方案問(wèn)題較多.
(2)北線方案(見圖2),為避免對(duì)長(zhǎng)江口深水航道產(chǎn)生負(fù)面影響,港池規(guī)劃方案盡可能離北槽遠(yuǎn)些.經(jīng)流場(chǎng)數(shù)模分析[9],北線方案對(duì)北槽的影響較小.規(guī)劃的-23 m深水航道長(zhǎng)度為17 km,大部處于海床沖刷區(qū),其泥沙回淤量不大;規(guī)劃的深水航道與北港航道有較好的結(jié)合,可以作為推薦方案.
圖2 挖入式港池規(guī)劃北線方案Fig.2 The North Line Scheme of excavated-in harbor basin
通過(guò)征求國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域院士、專家意見,為有利于港區(qū)內(nèi)外水體交換和擴(kuò)大江海聯(lián)運(yùn)條件,我們提出在北線方案基礎(chǔ)上的優(yōu)化方案(見圖3).其特點(diǎn)是港池與北港連通,并設(shè)船閘一座.圍繞優(yōu)化方案的研究有待下一步展開.
圖3 挖入式港池規(guī)劃優(yōu)化方案Fig.3 The improved Scheme of excavated-in harbor basin
港池北區(qū)規(guī)劃的進(jìn)口大宗散貨,以礦石,煤等為主;40萬(wàn)t礦砂泊位10個(gè),20萬(wàn)t煤炭泊位13個(gè),液體化工泊位40個(gè);南港池以集裝箱為主.1.8萬(wàn)TEU集裝箱泊位12個(gè),6 000~10 000 TEU集裝箱泊位20個(gè),雜貨泊位50個(gè).規(guī)劃總吞吐量為2億t,集裝箱3 000萬(wàn)TEU;陸域面積208 km2.水域面積71 km2,規(guī)劃碼頭岸線總長(zhǎng)93 km.規(guī)劃泊位總數(shù)為197個(gè).挖入式港池規(guī)劃指標(biāo)見表1.
挖入式港池方案關(guān)鍵之一在港池的泥沙回淤條件,挖入式港池的回淤屬于納潮回淤,港區(qū)進(jìn)沙總量主要與口門所在的含沙量水平和港區(qū)納潮量有關(guān).由于港池的口門設(shè)置在外海含沙量較低的海域,加之港池納潮量遠(yuǎn)低于通道或港池通過(guò)的水量,因此港池進(jìn)沙有限,回淤量較低.由于口門位置已避開了長(zhǎng)江口的攔門沙,處在海床穩(wěn)定,含沙量較低的海域,因此隨納潮水體進(jìn)入港池泥沙總量和人工挖槽的回淤量不會(huì)很大,利用曹祖德等[10]提出的計(jì)算公式初步估計(jì)港池年平均回淤?gòu)?qiáng)度約為0.3 m/a.
推薦的北線方案,港區(qū)通海航道上口位于-5 m處,航道走向270°~90°,有效底寬1 km,邊坡1∶30,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-23.0m,航道長(zhǎng)17 km,如圖2所示.設(shè)計(jì)船型為40萬(wàn)t礦石船,其主尺度為船長(zhǎng)375 m,船寬62.5 m,滿載吃水24 m.18000TEU集裝箱船,其主尺度為船長(zhǎng)400 m,船寬60 m,滿載吃水21.0m.
采用大型挖入式港區(qū)方案的重要依據(jù)之一,就是港區(qū)及航道的回淤量較小,港區(qū)航道避開了長(zhǎng)江口攔門沙;所在海區(qū)是選在海床穩(wěn)定、略有沖刷的深水區(qū);潮流為旋轉(zhuǎn)流,有利于泥沙的擴(kuò)散;規(guī)劃深水航道屬于淤泥質(zhì)海床,大風(fēng)天氣航道的泥沙回淤以浮泥形式出現(xiàn),驟淤礙航可能性較小.因此,總體上維護(hù)條件較好.
表1 橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃指標(biāo)一覽表Tab.1 A list of planning index on the excavated-in harbor in Hengsha Shoal
按照海港水文規(guī)范公式,底切應(yīng)力模式等多種方法估計(jì)規(guī)劃深水航道的回淤?gòu)?qiáng)度[11],當(dāng)港區(qū)開口在-5 m的水深處時(shí),年平均的回淤厚度為0.7~1.6 m/a,大風(fēng)情況5 d深水航道回淤量為100萬(wàn)m3.對(duì)比國(guó)內(nèi)與本工程相類似的連云港30萬(wàn)t航道和洋山港外航道來(lái)看,其泥沙回淤不大.
[1] 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.上海國(guó)際航運(yùn)中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報(bào)告[R].上海:中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2012.
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華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2013年4期