洋山港建設(shè)后的水動(dòng)力泥沙監(jiān)測(cè)

洋山港建設(shè)后的水動(dòng)力泥沙監(jiān)測(cè)

在自然狀態(tài)下，河岸區(qū)水域的沉積物和水動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)平衡，大型工程的建設(shè)可能會(huì)破壞這一平衡。海洋工程建設(shè)會(huì)對(duì)周?chē)乃哪嗌钞a(chǎn)生重要影響,一直受到地貌學(xué)家和工程學(xué)家的關(guān)注。例如,尼羅河口修建Damietta港改變了沿岸的水流狀況,使港口航道發(fā)生淤積,港區(qū)周?chē)渤霈F(xiàn)了比建港前預(yù)測(cè)更大的沖淤變化。韓國(guó)在Mokpo海岸修建的海堤改變了周?chē)Ｓ虻某毕统绷鞯男再|(zhì)。類(lèi)似的例子還有法國(guó)塞納河河口LeHavre港口的擴(kuò)建工程、湛江灣圍填工程和樂(lè)清灣圍填工程等。洋山港是離上海最近的具備15m以上水深的天然港址,擁有建設(shè)深水港的有利條件。港區(qū)碼頭位于小洋山島鏈南沿,工程前由10多個(gè)孤立的島嶼組成。近年,港區(qū)建設(shè)的需要,進(jìn)行了大規(guī)模的潮汐汊道封堵、炸礁和填海造陸(圖1),現(xiàn)陸地面積約是工程前的3.8倍。洋山港工程實(shí)施前,對(duì)洋山海域的水文泥沙、沉積環(huán)境和沉積物運(yùn)移趨勢(shì)進(jìn)行了很多研究,并通過(guò)潮流數(shù)值模擬和定床物理模型進(jìn)行試驗(yàn)等。前人的研究認(rèn)為,工程后洋山港港區(qū)局部的水沙動(dòng)力將有所改變,港區(qū)和航道將會(huì)出現(xiàn)泥沙回淤問(wèn)題。但這些研究大多是基于工程前的觀測(cè)模擬,而對(duì)工程實(shí)施后的水動(dòng)力和泥沙變化研究較少。為了解洋山港建設(shè)后該水域的水文泥沙特點(diǎn),采用“海床基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”對(duì)港區(qū)前沿進(jìn)行了水文泥沙監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,分析了港區(qū)前沿的動(dòng)力泥沙現(xiàn)狀,以期為洋山深水港的后續(xù)建設(shè)和已建港區(qū)的維護(hù)提供有益參考。1洋山港海域流場(chǎng)特征洋山港區(qū)位于杭州灣口、上海南匯蘆潮港東南方32km處崎嶇列島內(nèi),由南北兩支島鏈合圍而成。大、小洋山是其中兩個(gè)主要島嶼。以小洋山為主的北支島鏈自西北向東南排列,而以大洋山為主的南支島鏈自西向東分布。峽道水域由于受島鏈分布輪廓影響,形成東窄西寬,由1km逐漸展寬至7km,面向杭州灣的喇叭狀水域(圖1)。工程前島鏈峽道兩側(cè)分布有較多的潮汐通道,它們是峽道和外海進(jìn)行水沙交換的旁側(cè)通道。洋山港周邊海域水深一般7～10m,港域西部水深8～14m,東部峽道水深均在30m以上,具有峽道效應(yīng)。洋山港海域流場(chǎng)主要由潮流控制,波生流和徑流的影響較小,潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)半日潮,平均潮差2.79m,最大潮差4.28m。海域處于以強(qiáng)潮和流作用為主要特點(diǎn)的強(qiáng)動(dòng)力環(huán)境,潮波主要受東海前進(jìn)波系制約的東南向西北方向傳播,且以M2分潮起支配作用,M2分潮振幅最大為105～150cm。落潮歷時(shí)(6.67h)大于漲潮歷時(shí)(5.78h)。該海區(qū)(大戢山:洋山港域東偏北方向約22km)年平均波高0.9m,夏季多東南向浪,平均浪高0.8m,冬季多東北向和西北向浪,平均浪高1m。港區(qū)水域泥沙主要為長(zhǎng)江直接擴(kuò)散泥沙和潮流攜帶的海域泥沙,年平均懸沙濃度約為1.3kg/m3,懸沙中值粒徑3.8～16.3μm,平均為6.62μm。港域內(nèi)沉積物中砂和粉砂的含量平均近80%,黏土含量平均20%,平均粒徑為13.4～20.3μm。工程后北島鏈的潮汐汊道除顆珠山水道外全部封堵,漲落潮僅通過(guò)沈家灣和大洋山之間的通道。2實(shí)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)和水體凈化測(cè)點(diǎn)(30.629°N,122.035°E)位于洋山港碼頭岸外約1.15km(圖1)。于2007年9月17日～26日(農(nóng)歷8月7～16日)進(jìn)行了水位、波浪、垂向分層流速流向和近底懸沙濃度的連續(xù)觀測(cè)。波潮儀(SZS3-1)波浪采樣間隔1h,潮位采樣間隔1min,傳感器離底床1.3m,通過(guò)壓力傳感器測(cè)量壓力總值,減去海面壓力值,再加上探頭距底床距離即得測(cè)點(diǎn)水深。多譜勒海流剖面儀采用美國(guó)SonTek公司1000kHzADP,傳感器距底床1.5m,盲區(qū)1m,垂直分層厚度為1m,采樣間隔5min;采用Aanderaa聲學(xué)海流計(jì)(RCM-9),觀測(cè)近底層的水流,傳感器距底床0.35m,采樣間隔5min。安裝了2臺(tái)光學(xué)后向散射儀OBS-3A,探頭距底床分別為0.35m和1.35m,采樣間隔均為5min,用來(lái)觀測(cè)近底的懸沙濃度。9月18日采離底床1.35m處水樣并進(jìn)行濃縮用于OBS-3A標(biāo)定,同時(shí)采集表層水樣和底床沉積物樣(小于5cm)做懸沙粒徑和底質(zhì)粒徑的對(duì)比分析。觀測(cè)期間風(fēng)的資料來(lái)自洋山港氣象站,距觀測(cè)位置約1.5km(圖1),風(fēng)向?yàn)?6個(gè)方位的中心角度。OBS采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定。在實(shí)驗(yàn)室用高濁度水樣和清水進(jìn)行不同比例搭配,對(duì)OBS濁度進(jìn)行標(biāo)定,水樣用0.45μm濾膜過(guò)濾,然后在60℃的溫度下烘干稱(chēng)重,建立濁度和懸沙濃度之間的回歸關(guān)系(圖2)。泥沙粒徑用Coulter(LS-100Q)激光粒度儀測(cè)試,測(cè)量范圍0.375～948.200μm。3結(jié)果和討論3.1洋山港觀測(cè)點(diǎn)波浪特征有效波高(H1/3)0.21～1.37m,平均0.61m(圖3),平均波高(Ha)0.49m,平均波周期為(Ta)4.2s。同期大戢山觀測(cè)站(30°49′N(xiāo),122°10′E)(位于洋山港東偏北22km,水深8m的開(kāi)闊海域)的波浪,最大H1/3=3.2m,平均Hˉˉˉ1/3=1.68m?Ha=1.4m(TaΗˉ1/3=1.68m?Ηa=1.4m(Τa為5.1s),分別是洋山港觀測(cè)點(diǎn)的2.3、2.8和2.9倍。可見(jiàn),洋山港區(qū)波浪相對(duì)較弱。這主要是因?yàn)橹車(chē)匦蔚钠帘巫饔?。如圖1所示,觀測(cè)點(diǎn)的北、東、南三面幾乎都被陸地所遮擋,特別是面向外海的東面(涌浪的來(lái)向)在洋山港修建后被陸地完全遮擋,所以可推測(cè)洋山建港后波浪減弱明顯。本觀測(cè)發(fā)現(xiàn),測(cè)點(diǎn)的波浪方向和風(fēng)向非常一致。港區(qū)波浪受風(fēng)況和水深聯(lián)合控制。平靜天氣下(風(fēng)速小于5m/s),水深對(duì)波高有顯著影響,波高同水深的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.899(圖4)。高潮時(shí)H1/3比低潮時(shí)大0.5～1.0m(圖3);大潮高低、潮位波高的差異比小潮也更明顯,通常大于1m(25-26日),因?yàn)榇蟪背辈畲?低潮位時(shí)波高一般小于0.5m。強(qiáng)風(fēng)條件下,風(fēng)況對(duì)波浪的影響變得明顯。9月19日受“0713”號(hào)臺(tái)風(fēng)(韋帕)影響,港區(qū)風(fēng)力較大,6～20時(shí)的一個(gè)完整潮周期平均風(fēng)速10.8m/s,最大風(fēng)速14m/s;但因是東南風(fēng),受港區(qū)地形影響風(fēng)區(qū)較小(圖1),H1/3平均僅0.75m,最大僅1.03m(發(fā)生在最大風(fēng)速時(shí))。9月20日6～20時(shí),雖然風(fēng)速有所減弱(平均風(fēng)速8.6m/s,最大風(fēng)速11.4m/s),但因風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西(SW～NW),H1/3平均0.9m,最大1.37m。3.2潮差、潮流對(duì)潮速的影響由于潮差的關(guān)系,測(cè)流剖面最少有10層(大潮最低潮位,水深11m),最多為13層(大潮最高潮位,水深15m)(圖5),把11～13層視為表層。港區(qū)潮流以往復(fù)流為主。漲潮主流向300°,落潮主流向120°,擺幅30°左右;落潮流向較之漲潮流向更集中(圖5)。潮流方向與碼頭的岸線走向(310°～130°)基本一致。工程前漲、落潮流向分別為281°～297°和110°～120°,漲、落潮主流向與工程前相比偏轉(zhuǎn)約10°。發(fā)生這種偏轉(zhuǎn)的原因是北島鏈幾個(gè)潮汐通道被封堵后,E-W方向的漲、落潮流消失,潮水只能通過(guò)南北島鏈間的峽道進(jìn)出;順直的碼頭岸線也起了一定的導(dǎo)流作用。偏轉(zhuǎn)后潮流與碼頭走向夾角減小,對(duì)船舶?？坑欣?。風(fēng)對(duì)表層和近表層流向的影響顯著,特別是小潮、強(qiáng)風(fēng)情況下。9月18～19日受韋帕臺(tái)風(fēng)影響港區(qū)吹東南風(fēng)且風(fēng)力較大,由于風(fēng)向和漲潮流方向接近,11m層以上漲潮和落潮流幾乎均為西北向,落潮流方向不顯著(圖5)。9月20～22日11m層以上流向均偏西南,和當(dāng)時(shí)港區(qū)盛行的東北風(fēng)有關(guān)。在風(fēng)力較弱(平均風(fēng)速小于5.0m/s)而潮差較大情況下,風(fēng)向?qū)Ρ韺恿飨虻挠绊懖幻黠@(例如9月23～26日,圖5)。港區(qū)潮流總體較強(qiáng)。觀測(cè)期間中、上層(5m以上)平均流速都大于0.60m/s,最大流速都大于1.69m/s。流速?gòu)牡讓酉虮韺舆f增(表1和圖5),反映底床摩擦作用的影響。大潮各層流速是小潮的2～3倍(表1)。上層(8～9m以上)落急流速大于漲急流速,中下層則相反,反映來(lái)自長(zhǎng)江和錢(qián)塘江的密度較小的沖淡水與漲潮流的相互頂托作用。大潮各層漲潮平均流速均大于落潮平均流速,而小潮各層的漲潮平均流速均小于落潮平均流速(表1)。所以,港區(qū)潮流大潮以漲潮流占優(yōu)勢(shì),而小潮以落潮流占優(yōu)勢(shì),反映徑流(在10天左右的時(shí)段內(nèi)可視為衡量)與潮流的對(duì)比在小潮是更顯著。工程前,漲落潮對(duì)比在垂向上存在分異現(xiàn)象。說(shuō)明工程后港區(qū)在垂向上漲落潮動(dòng)力對(duì)比更趨一致。觀測(cè)期間的最大流速為2.01m/s,明顯小于工程前大小洋山的最大流速(2.46～2.84m/s,Q4、Q5站位和本觀測(cè)位置非常接近)。與工程前謝文輝等研究成果比較,工程后漲落潮平均流速也均有所減小:大潮漲潮平均流速減小約15%,落潮平均流速減小約30%;小潮漲落潮平均流速減小更為顯著,均減小30%～40%。可能是因?yàn)楸睄u鏈幾個(gè)潮汐通道被封堵后,潮汐通道漲潮的匯流作用和落潮的分流作用消失,漲落潮僅從大、小洋山島鏈間峽道進(jìn)出,進(jìn)潮量減少。工程后,漲潮流經(jīng)過(guò)峽道后由于水面迅速展寬,水流呈輻射狀,流速降低;而落潮時(shí)港區(qū)水域產(chǎn)生雍水,也使流速降低。所以,工程后漲落潮動(dòng)力均有所減弱,這在一定程度上會(huì)促進(jìn)懸沙中細(xì)顆粒物質(zhì)的落淤。由表1可知,觀測(cè)期間全潮垂線平均余流(該余流為大、小潮的平均。計(jì)算為封閉的潮周期,為混合余流,即包括徑流、密度流、風(fēng)致余流以及地形所引起的余流等)。除表層達(dá)到0.25m/s外,其他各層均小于0.12m/s,和工程前比較接近(垂向平均流速0.1m/s)。余流均為西北方向,和漲潮流方向一致,自底層向表層基本呈反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。工程前港區(qū)內(nèi)余流(Q4、Q5站位和本觀測(cè)位置非常接近)在垂向上存在分異,無(wú)論大、小潮,上層水體(表層、0.2H和0.4H層)的余流均為南東向(或北東向),與區(qū)域性的落潮流居優(yōu)勢(shì)一致,但下層水體(0.6H、0.8H和底層)的余流為西或北西向,即漲潮流居優(yōu)勢(shì),這和工程后漲落潮動(dòng)力對(duì)比相一致,說(shuō)明上層水體漲潮相對(duì)落潮動(dòng)力有所增強(qiáng)。余流的流向在一定程度上代表了懸浮泥沙的凈輸移方向,所以港區(qū)的泥沙輸移方向可能為從外海到杭州灣方向。從徑流擴(kuò)散的角度,港區(qū)余流應(yīng)該向外?；蚵涑绷鞣较?在港區(qū)出現(xiàn)漲潮方向的余流,是一種受港區(qū)特定峽道地形影響的局部現(xiàn)象,港區(qū)東部水域?yàn)榉捶较蛴嗔?即東南向,從而形成余環(huán)流,以達(dá)成平衡。3.3潮周期內(nèi)懸沙分布懸沙濃度與OBS濁度之間存在極顯著的回歸關(guān)系(圖2)。從圖6可知,觀測(cè)期間離底高度1.35m和0.35m(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1.35m和0.35m層)懸沙濃度的變化非常一致,兩層懸沙濃度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.981(圖7)(說(shuō)明兩臺(tái)儀器工作正常)。平均懸沙濃度分別為0.89和0.95kg/m3(表2)。近底層稍大,由重力作用引起;而兩層懸沙濃度又相差很小,說(shuō)明底床再懸浮引起的垂向混合作用強(qiáng)烈?，F(xiàn)場(chǎng)紀(jì)錄的濁度有一異常大值:2007年9月18日23h35min,1.35m和0.35m層都出現(xiàn)了觀測(cè)期間的極大值,分別為3.03和3.80kg/m3,與前后5min的值差別都較大(1.35m層前后5min分別為1.34和2.43kg/m3,0.35m層前后5min為1.90和2.50kg/m3),但此時(shí)潮流流速、波浪都沒(méi)有異常,所以該現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。兩層的懸沙濃度隨時(shí)間的變化范圍都極大,從小于0.04kg/m3到大于3.0kg/m3,相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種變化主要受動(dòng)力條件制約。港區(qū)的懸沙濃度主要受潮流影響,近底的懸沙濃度從小潮到大潮逐漸增大(9月21～26日),且潮周期中的變化規(guī)律較強(qiáng)。1.35m和0.35m層的懸沙濃度大潮平均分別為1.31和1.33kg/m3,小潮平均分別為0.24和0.27kg/m3,即大潮約為小潮的5倍。大潮漲潮階段1.35m和0.35m層的平均懸沙濃度分別為1.43和1.45kg/m3,落潮階段分別為1.17和1.19kg/m3,漲潮為落潮的1.22倍;小潮兩層漲、落潮的平均懸沙濃度分別為0.27、0.30kg/m3和0.20、0.23kg/m3,漲潮為落潮的1.30～1.35倍(表2)。所以,無(wú)論大潮還是小潮,漲潮懸沙濃度均大于落潮。一個(gè)潮周期中,極低懸沙濃度往往出現(xiàn)在高、低潮位的憩流階段,而極高懸沙濃度往往出現(xiàn)在中潮位附近的漲、落急階段(圖5、6)。港區(qū)懸沙濃度除受潮流影響外,大風(fēng)影響也很顯著。從圖6可看出從9月17日22:00時(shí)～21日4:00時(shí)港區(qū)懸沙濃度相對(duì)比較高,潮周期平均懸沙濃度為1.32kg/m3,接近大潮近底懸沙濃度。潮汐環(huán)境的懸沙濃度主要受流速控制,最大懸沙濃度出現(xiàn)在漲急、落急,最小懸沙濃度出現(xiàn)在漲憩、落憩,然而從本次懸沙濃度較高的19-20日屬于中潮,近底層流速并不大,明顯小于大潮的流速(圖6),且潮周期中懸沙濃度的變化規(guī)律也不強(qiáng)。由于港區(qū)近底層流速?zèng)]有明顯增大,高懸沙濃度的出現(xiàn)可能是“0713”號(hào)臺(tái)風(fēng)(圖3)對(duì)周?chē)Ｓ?外海和杭州灣水域)的強(qiáng)烈擾動(dòng),所引起的泥沙的強(qiáng)烈再懸浮所致。因?yàn)檠芯繀^(qū)(觀測(cè)點(diǎn)及其漲落潮流達(dá)到的周邊水域)水深通常大于10m,正常天氣條件下波浪對(duì)底床的擾動(dòng)很小,大風(fēng)天氣下可能有一定影響。與工程前相比,港區(qū)懸沙濃度明顯降低。工程前受杭州灣水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)的影響,洋山港水域懸沙濃度較大。港區(qū)工程前1996年冬季觀測(cè)顯示大潮的平均垂線懸沙濃度為1.62～3.017kg/m3,小潮的垂線平均懸沙濃度為0.58～0.63kg/m3,且懸沙濃度從表層到底層遞增(與其觀測(cè)位置P1、P2基本一致),陳沈良(Q4、Q5站位