上海臨港海上風(fēng)電二期工程區(qū)域海洋水沙特征分析

沈彥軍 陳亮 王國波

摘 要：本文重點(diǎn)分析上海臨港海上風(fēng)電二期工程區(qū)域海洋水沙特征，主要對潮汐、潮流、風(fēng)浪、泥沙及海床地形等實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。研究成果可為該海域的海洋風(fēng)電及其它工程項(xiàng)目的研究立項(xiàng)、開發(fā)及管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臨港海上風(fēng)電;潮汐;潮流;風(fēng)浪;含沙量;海床演變

中圖分類號：P75? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0138-03

1引言

上海臨港海上風(fēng)電場二期工程位于南匯邊灘以東，杭州灣與長江口南槽的交匯處，西起-5m等深線附近、東以長江口南支航道以西避航區(qū)為界、北至南匯大治河延長線、南為環(huán)球海底光纜以北（相距1km），可利用海域面積約45km2。風(fēng)電場規(guī)劃總裝機(jī)容量20萬kW，場址分為南北兩部分，本次研究區(qū)域?yàn)楸眰?cè)二期工程部分（見圖1），裝機(jī)容量10萬kW級。

本文研究區(qū)域位于長江口和杭州灣的交匯地帶，受長江口與杭州灣水沙交換相互影響，二十世紀(jì)以來，分別實(shí)施了南匯東灘圍墾工程、長江口北槽深水航道治理工程、南槽航道治理工程、洋山深水港工程、東海大橋工程等，工程的實(shí)施改變了原南匯邊灘外邊界。國內(nèi)學(xué)者研究方向多集中在南匯邊灘近岸段的動力過程、剖面塑造機(jī)制及演變規(guī)律等方面進(jìn)行了分析[1-3]，但未對南匯邊灘的離岸區(qū)域和本風(fēng)電場海域內(nèi)水沙特征進(jìn)行深入分析。本文將基于研究區(qū)域內(nèi)的潮汐、潮流、風(fēng)浪、泥沙及海床沖淤變化等實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該區(qū)域海洋水沙特征，為該海域的海洋風(fēng)電及其它工程項(xiàng)目的研究立項(xiàng)、開發(fā)及管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

2 海洋水文特征分析

2.1 潮汐特征

本風(fēng)電場海域內(nèi)沒有驗(yàn)潮資料，故以本風(fēng)電場東南約10km的大戢山、西約18km的蘆潮港長期驗(yàn)潮資料作為潮位分析的依據(jù)，以兩站驗(yàn)潮基準(zhǔn)面的高程關(guān)系作為風(fēng)電場工程高程基準(zhǔn)的依據(jù)，并以兩站驗(yàn)潮資料表征風(fēng)電場海域潮汐的基本特征。參考以上兩海洋站驗(yàn)潮資料，可知，本海域的潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮。

風(fēng)電場海域的最高、最低潮位極值的出現(xiàn)，是在重大天氣系統(tǒng)侵襲，風(fēng)暴增、減水造成。本海域最高潮位極值發(fā)生在9711號臺風(fēng)影響期，最低潮位極值發(fā)生在1980年10月25日。

杭州灣口內(nèi)和口外的潮差存在差異：潮差的大小口內(nèi)明顯大于口外，但最大潮差極值均出現(xiàn)在0012號（派比安）臺風(fēng)期;潮差的月際變化存在著兩種類型。蘆潮港月平均潮差一年中呈一高一低型。即9月最大，1月最下;大戢山的月平均潮差一年中呈兩高兩低型。兩高出現(xiàn)在3月和9月，兩低出現(xiàn)在6月和12月。

外海潮波進(jìn)入風(fēng)電場海域后，受地形和徑流的作用，潮波逐漸變形，前波增陡，后波變緩，使得落潮歷時(shí)長于漲潮歷時(shí)，歷時(shí)差從東向西逐漸增大。

2.2 潮流特征

本風(fēng)電場位于南匯嘴外、大戢洋的西北側(cè)，為杭州灣與長江口南槽的交匯處。長江口南槽是長江口與杭州灣水沙交換的直接通道，東海潮波進(jìn)入長江口與杭州灣交匯區(qū)后，進(jìn)入長江口的潮波方向?yàn)?05°，漲潮流的主導(dǎo)方向?yàn)?16°，進(jìn)入杭州灣北部的潮波方向?yàn)?57°，漲潮主導(dǎo)流向?yàn)?68°。

2007年6月30日～7月8日在本風(fēng)電場海域布設(shè)兩個(gè)流速流向測站N1、N2，進(jìn)行了流速流向觀測。N1、N2測站分別位于風(fēng)電場北側(cè)及南側(cè)。本次N1站實(shí)測漲潮平均流向?yàn)?55°，落潮為83°～92°，表明本風(fēng)電場海域主要為杭州灣流徙控制，同時(shí)也受到長江口流系的作用影響。本風(fēng)電場海域的潮波接近駐潮波，潮流與潮位存在位相差，在一個(gè)潮周期中有漲潮落潮流、漲潮漲潮流、落潮漲潮流、落潮落潮流四個(gè)階段，其中落潮落潮流時(shí)間最長，其次為漲潮漲潮流，漲潮落潮流，落潮漲潮流時(shí)間最短，一般在1小時(shí)左右。

本風(fēng)電場實(shí)測最大流速流向具有以下特征：以垂線流速看，實(shí)測最大流速在潮次間的變化為：N1站中潮最大，大潮次之，小潮略小;N2站大、中、小潮流速變化很小，表層流速大潮最大;本風(fēng)電場的優(yōu)勢流不顯著，且南、北相反;本風(fēng)電場的潮流成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，流向在垂向、潮次間有一定的變化，但大、中、小潮垂線最大流速的流向還是較穩(wěn)定。

全潮平均流速流向是一個(gè)全潮各時(shí)次漲潮、落潮實(shí)測流速流向的矢量平均。N1站全潮漲潮垂線平均流速大、中、小潮分別為61cm/s、77cm/s、62cm/s;落潮分別為68cm/s、79cm/s、67cm/s。N2站全潮漲潮垂線平均流速大、中、小潮分別為52cm/s、67cm/s、63cm/s;落潮分別為65cm/s、67cm/s、63cm/s;N1全潮平均流向與強(qiáng)流向有10°左右的偏差。平均流速的垂向變化為表層最大、中層次之、底層最小。

2.3 風(fēng)浪特征

本風(fēng)電場周邊有引水船、大戢山兩個(gè)長期波浪觀測站。引水船海洋站是借助于停泊在九段沙東側(cè)的引水船進(jìn)行風(fēng)、波浪等項(xiàng)目的觀測，距風(fēng)電場北側(cè)12km左右。大戢山海洋站位于風(fēng)電場東南約10km，測風(fēng)點(diǎn)位于山頂、海拔高度81m，四周空曠。測波點(diǎn)位于島的東北方向，離岸約500m，浮筒處水深18.8m，NW～S向的波浪有良好的代表性，包括了風(fēng)電場海域的常浪向、強(qiáng)浪向。

通過分析上述兩個(gè)站的資料得出：風(fēng)電場海域風(fēng)向的季節(jié)變化十分明顯，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，年常風(fēng)向?yàn)镹NE、NE，年強(qiáng)風(fēng)向?yàn)槠毕颍?978～2002年NNE向10分鐘平均風(fēng)速最大為28m/s（海面10m高度）。年常浪向?yàn)镹NE、NE向，年強(qiáng)浪向?yàn)槠保∟NW、N、NNE、NE）向，其中H1/10最大為7.0m（NNE向）。

2.4 泥沙和海床演變特征

本工程區(qū)域海床表面主要為淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。工程所在海域懸沙含沙量隨年內(nèi)季節(jié)變化和潮汐變化而相應(yīng)變化，冬季含沙量普遍大于夏季含沙量;大、中、小潮比較，大潮含沙量最高，中潮含沙量較小，小潮含沙量則明顯為低。根據(jù)水文測驗(yàn)資料，場址區(qū)大潮垂線平均含沙量為1.2kg/m3左右，懸沙級配比較均勻，平均粒徑基本上為0.008mm左右，為粉沙質(zhì)粘土。場址區(qū)海域泥沙底質(zhì)為比較均勻的粉沙質(zhì)淤泥，平均粒徑為0.010～0.015mm。

依據(jù)不同時(shí)期杭州灣水下地形測量成果及東海大橋2002-2003年水下地形測量成果，通過對場址區(qū)域斷面變化情況比較，分析了海床演變情況。東海大橋海上風(fēng)電場所在工程區(qū)1962年～1976年間處于淤積狀態(tài)，年平均淤積3cm左右;1976年～1997年間工程區(qū)離岸4～6km范圍內(nèi)沖刷，6km以外為淤積，沖淤幅度不大，21年間最大沖淤幅度0.6m左右，海床基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由近年的資料分析也可看出，海堤外水下邊坡區(qū)和海床內(nèi)邊緣有一定的沖刷，但離岸5km以外沖刷量趨小[4]。

本風(fēng)電場場址區(qū)西側(cè)距離岸線最近處9.2km，所在的岸線目前基本為人工海岸，岸線已被固定，本風(fēng)電場工程海域近岸6km范圍內(nèi)近年基本處于微沖狀態(tài)，6km以外海床基本處于微淤狀態(tài)。因此，本風(fēng)電場工程區(qū)海床總體上基本穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）本海域的潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮，海域落潮歷時(shí)長于漲潮歷時(shí)，歷時(shí)差從東向西逐漸增大。

（2）本風(fēng)電場海域的潮波接近駐潮波，潮流成旋轉(zhuǎn)流狀態(tài)，大、中、小潮垂線最大流速的流向較穩(wěn)定，平均流速的垂向變化為表層最大、中層次之、底層最小。

（3）風(fēng)電場海域風(fēng)向的季節(jié)變化十分明顯，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，年常風(fēng)向?yàn)镹NE、NE，年強(qiáng)風(fēng)向?yàn)槠毕?。年常浪向?yàn)镹NE、NE向，年強(qiáng)浪向?yàn)槠毕颉?/p>

（4）本工程區(qū)域海床表面主要為淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;所在海域冬季含沙量普遍大于夏季含沙量;大中小潮含沙量依次減小。

（5）本工程海域近岸6km范圍內(nèi)近年基本處于微沖狀態(tài)，6km以外海床基本處于微淤狀態(tài)，總體上工程區(qū)海床基本穩(wěn)定。

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