洋山港建设后的水动力泥沙监测

洋山港建设后的水动力泥沙监测

在自然状态下，河岸区水域的沉积物和水动力实现了动态平衡，大型工程的建设可能会破坏这一平衡。海洋工程建设会对周围的水文泥沙产生重要影响,一直受到地貌学家和工程学家的关注。例如,尼罗河口修建Damietta港改变了沿岸的水流状况,使港口航道发生淤积,港区周围也出现了比建港前预测更大的冲淤变化。韩国在Mokpo海岸修建的海堤改变了周围海域的潮汐和潮流的性质。类似的例子还有法国塞纳河河口LeHavre港口的扩建工程、湛江湾围填工程和乐清湾围填工程等。洋山港是离上海最近的具备15m以上水深的天然港址,拥有建设深水港的有利条件。港区码头位于小洋山岛链南沿,工程前由10多个孤立的岛屿组成。近年,港区建设的需要,进行了大规模的潮汐汊道封堵、炸礁和填海造陆(图1),现陆地面积约是工程前的3.8倍。洋山港工程实施前,对洋山海域的水文泥沙、沉积环境和沉积物运移趋势进行了很多研究,并通过潮流数值模拟和定床物理模型进行试验等。前人的研究认为,工程后洋山港港区局部的水沙动力将有所改变,港区和航道将会出现泥沙回淤问题。但这些研究大多是基于工程前的观测模拟,而对工程实施后的水动力和泥沙变化研究较少。为了解洋山港建设后该水域的水文泥沙特点,采用“海床基自动监测系统”对港区前沿进行了水文泥沙监测。根据现场实测资料,分析了港区前沿的动力泥沙现状,以期为洋山深水港的后续建设和已建港区的维护提供有益参考。1洋山港海域流场特征洋山港区位于杭州湾口、上海南汇芦潮港东南方32km处崎岖列岛内,由南北两支岛链合围而成。大、小洋山是其中两个主要岛屿。以小洋山为主的北支岛链自西北向东南排列,而以大洋山为主的南支岛链自西向东分布。峡道水域由于受岛链分布轮廓影响,形成东窄西宽,由1km逐渐展宽至7km,面向杭州湾的喇叭状水域(图1)。工程前岛链峡道两侧分布有较多的潮汐通道,它们是峡道和外海进行水沙交换的旁侧通道。洋山港周边海域水深一般7～10m,港域西部水深8～14m,东部峡道水深均在30m以上,具有峡道效应。洋山港海域流场主要由潮流控制,波生流和径流的影响较小,潮汐性质属非正规半日潮,平均潮差2.79m,最大潮差4.28m。海域处于以强潮和流作用为主要特点的强动力环境,潮波主要受东海前进波系制约的东南向西北方向传播,且以M2分潮起支配作用,M2分潮振幅最大为105～150cm。落潮历时(6.67h)大于涨潮历时(5.78h)。该海区(大戢山:洋山港域东偏北方向约22km)年平均波高0.9m,夏季多东南向浪,平均浪高0.8m,冬季多东北向和西北向浪,平均浪高1m。港区水域泥沙主要为长江直接扩散泥沙和潮流携带的海域泥沙,年平均悬沙浓度约为1.3kg/m3,悬沙中值粒径3.8～16.3μm,平均为6.62μm。港域内沉积物中砂和粉砂的含量平均近80%,黏土含量平均20%,平均粒径为13.4～20.3μm。工程后北岛链的潮汐汊道除颗珠山水道外全部封堵,涨落潮仅通过沈家湾和大洋山之间的通道。2实测点水质和水体净化测点(30.629°N,122.035°E)位于洋山港码头岸外约1.15km(图1)。于2007年9月17日～26日(农历8月7～16日)进行了水位、波浪、垂向分层流速流向和近底悬沙浓度的连续观测。波潮仪(SZS3-1)波浪采样间隔1h,潮位采样间隔1min,传感器离底床1.3m,通过压力传感器测量压力总值,减去海面压力值,再加上探头距底床距离即得测点水深。多谱勒海流剖面仪采用美国SonTek公司1000kHzADP,传感器距底床1.5m,盲区1m,垂直分层厚度为1m,采样间隔5min;采用Aanderaa声学海流计(RCM-9),观测近底层的水流,传感器距底床0.35m,采样间隔5min。安装了2台光学后向散射仪OBS-3A,探头距底床分别为0.35m和1.35m,采样间隔均为5min,用来观测近底的悬沙浓度。9月18日采离底床1.35m处水样并进行浓缩用于OBS-3A标定,同时采集表层水样和底床沉积物样(小于5cm)做悬沙粒径和底质粒径的对比分析。观测期间风的资料来自洋山港气象站,距观测位置约1.5km(图1),风向为16个方位的中心角度。OBS采用实验室标定。在实验室用高浊度水样和清水进行不同比例搭配,对OBS浊度进行标定,水样用0.45μm滤膜过滤,然后在60℃的温度下烘干称重,建立浊度和悬沙浓度之间的回归关系(图2)。泥沙粒径用Coulter(LS-100Q)激光粒度仪测试,测量范围0.375～948.200μm。3结果和讨论3.1洋山港观测点波浪特征有效波高(H1/3)0.21～1.37m,平均0.61m(图3),平均波高(Ha)0.49m,平均波周期为(Ta)4.2s。同期大戢山观测站(30°49′N,122°10′E)(位于洋山港东偏北22km,水深8m的开阔海域)的波浪,最大H1/3=3.2m,平均H¯¯¯1/3=1.68m‚Ha=1.4m(TaΗ¯1/3=1.68m‚Ηa=1.4m(Τa为5.1s),分别是洋山港观测点的2.3、2.8和2.9倍。可见,洋山港区波浪相对较弱。这主要是因为周围地形的屏蔽作用。如图1所示,观测点的北、东、南三面几乎都被陆地所遮挡,特别是面向外海的东面(涌浪的来向)在洋山港修建后被陆地完全遮挡,所以可推测洋山建港后波浪减弱明显。本观测发现,测点的波浪方向和风向非常一致。港区波浪受风况和水深联合控制。平静天气下(风速小于5m/s),水深对波高有显著影响,波高同水深的相关系数达到0.899(图4)。高潮时H1/3比低潮时大0.5～1.0m(图3);大潮高低、潮位波高的差异比小潮也更明显,通常大于1m(25-26日),因为大潮潮差大;低潮位时波高一般小于0.5m。强风条件下,风况对波浪的影响变得明显。9月19日受“0713”号台风(韦帕)影响,港区风力较大,6～20时的一个完整潮周期平均风速10.8m/s,最大风速14m/s;但因是东南风,受港区地形影响风区较小(图1),H1/3平均仅0.75m,最大仅1.03m(发生在最大风速时)。9月20日6～20时,虽然风速有所减弱(平均风速8.6m/s,最大风速11.4m/s),但因风向转为偏西(SW～NW),H1/3平均0.9m,最大1.37m。3.2潮差、潮流对潮速的影响由于潮差的关系,测流剖面最少有10层(大潮最低潮位,水深11m),最多为13层(大潮最高潮位,水深15m)(图5),把11～13层视为表层。港区潮流以往复流为主。涨潮主流向300°,落潮主流向120°,摆幅30°左右;落潮流向较之涨潮流向更集中(图5)。潮流方向与码头的岸线走向(310°～130°)基本一致。工程前涨、落潮流向分别为281°～297°和110°～120°,涨、落潮主流向与工程前相比偏转约10°。发生这种偏转的原因是北岛链几个潮汐通道被封堵后,E-W方向的涨、落潮流消失,潮水只能通过南北岛链间的峡道进出;顺直的码头岸线也起了一定的导流作用。偏转后潮流与码头走向夹角减小,对船舶停靠有利。风对表层和近表层流向的影响显著,特别是小潮、强风情况下。9月18～19日受韦帕台风影响港区吹东南风且风力较大,由于风向和涨潮流方向接近,11m层以上涨潮和落潮流几乎均为西北向,落潮流方向不显著(图5)。9月20～22日11m层以上流向均偏西南,和当时港区盛行的东北风有关。在风力较弱(平均风速小于5.0m/s)而潮差较大情况下,风向对表层流向的影响不明显(例如9月23～26日,图5)。港区潮流总体较强。观测期间中、上层(5m以上)平均流速都大于0.60m/s,最大流速都大于1.69m/s。流速从底层向表层递增(表1和图5),反映底床摩擦作用的影响。大潮各层流速是小潮的2～3倍(表1)。上层(8～9m以上)落急流速大于涨急流速,中下层则相反,反映来自长江和钱塘江的密度较小的冲淡水与涨潮流的相互顶托作用。大潮各层涨潮平均流速均大于落潮平均流速,而小潮各层的涨潮平均流速均小于落潮平均流速(表1)。所以,港区潮流大潮以涨潮流占优势,而小潮以落潮流占优势,反映径流(在10天左右的时段内可视为衡量)与潮流的对比在小潮是更显著。工程前,涨落潮对比在垂向上存在分异现象。说明工程后港区在垂向上涨落潮动力对比更趋一致。观测期间的最大流速为2.01m/s,明显小于工程前大小洋山的最大流速(2.46～2.84m/s,Q4、Q5站位和本观测位置非常接近)。与工程前谢文辉等研究成果比较,工程后涨落潮平均流速也均有所减小:大潮涨潮平均流速减小约15%,落潮平均流速减小约30%;小潮涨落潮平均流速减小更为显著,均减小30%～40%。可能是因为北岛链几个潮汐通道被封堵后,潮汐通道涨潮的汇流作用和落潮的分流作用消失,涨落潮仅从大、小洋山岛链间峡道进出,进潮量减少。工程后,涨潮流经过峡道后由于水面迅速展宽,水流呈辐射状,流速降低;而落潮时港区水域产生雍水,也使流速降低。所以,工程后涨落潮动力均有所减弱,这在一定程度上会促进悬沙中细颗粒物质的落淤。由表1可知,观测期间全潮垂线平均余流(该余流为大、小潮的平均。计算为封闭的潮周期,为混合余流,即包括径流、密度流、风致余流以及地形所引起的余流等)。除表层达到0.25m/s外,其他各层均小于0.12m/s,和工程前比较接近(垂向平均流速0.1m/s)。余流均为西北方向,和涨潮流方向一致,自底层向表层基本呈反时针方向旋转。工程前港区内余流(Q4、Q5站位和本观测位置非常接近)在垂向上存在分异,无论大、小潮,上层水体(表层、0.2H和0.4H层)的余流均为南东向(或北东向),与区域性的落潮流居优势一致,但下层水体(0.6H、0.8H和底层)的余流为西或北西向,即涨潮流居优势,这和工程后涨落潮动力对比相一致,说明上层水体涨潮相对落潮动力有所增强。余流的流向在一定程度上代表了悬浮泥沙的净输移方向,所以港区的泥沙输移方向可能为从外海到杭州湾方向。从径流扩散的角度,港区余流应该向外海或落潮流方向,在港区出现涨潮方向的余流,是一种受港区特定峡道地形影响的局部现象,港区东部水域为反方向余流,即东南向,从而形成余环流,以达成平衡。3.3潮周期内悬沙分布悬沙浓度与OBS浊度之间存在极显著的回归关系(图2)。从图6可知,观测期间离底高度1.35m和0.35m(以下简称1.35m和0.35m层)悬沙浓度的变化非常一致,两层悬沙浓度的相关系数达到0.981(图7)(说明两台仪器工作正常)。平均悬沙浓度分别为0.89和0.95kg/m3(表2)。近底层稍大,由重力作用引起;而两层悬沙浓度又相差很小,说明底床再悬浮引起的垂向混合作用强烈。现场纪录的浊度有一异常大值:2007年9月18日23h35min,1.35m和0.35m层都出现了观测期间的极大值,分别为3.03和3.80kg/m3,与前后5min的值差别都较大(1.35m层前后5min分别为1.34和2.43kg/m3,0.35m层前后5min为1.90和2.50kg/m3),但此时潮流流速、波浪都没有异常,所以该现象有待进一步研究。两层的悬沙浓度随时间的变化范围都极大,从小于0.04kg/m3到大于3.0kg/m3,相差两个数量级。这种变化主要受动力条件制约。港区的悬沙浓度主要受潮流影响,近底的悬沙浓度从小潮到大潮逐渐增大(9月21～26日),且潮周期中的变化规律较强。1.35m和0.35m层的悬沙浓度大潮平均分别为1.31和1.33kg/m3,小潮平均分别为0.24和0.27kg/m3,即大潮约为小潮的5倍。大潮涨潮阶段1.35m和0.35m层的平均悬沙浓度分别为1.43和1.45kg/m3,落潮阶段分别为1.17和1.19kg/m3,涨潮为落潮的1.22倍;小潮两层涨、落潮的平均悬沙浓度分别为0.27、0.30kg/m3和0.20、0.23kg/m3,涨潮为落潮的1.30～1.35倍(表2)。所以,无论大潮还是小潮,涨潮悬沙浓度均大于落潮。一个潮周期中,极低悬沙浓度往往出现在高、低潮位的憩流阶段,而极高悬沙浓度往往出现在中潮位附近的涨、落急阶段(图5、6)。港区悬沙浓度除受潮流影响外,大风影响也很显著。从图6可看出从9月17日22:00时～21日4:00时港区悬沙浓度相对比较高,潮周期平均悬沙浓度为1.32kg/m3,接近大潮近底悬沙浓度。潮汐环境的悬沙浓度主要受流速控制,最大悬沙浓度出现在涨急、落急,最小悬沙浓度出现在涨憩、落憩,然而从本次悬沙浓度较高的19-20日属于中潮,近底层流速并不大,明显小于大潮的流速(图6),且潮周期中悬沙浓度的变化规律也不强。由于港区近底层流速没有明显增大,高悬沙浓度的出现可能是“0713”号台风(图3)对周围海域(外海和杭州湾水域)的强烈扰动,所引起的泥沙的强烈再悬浮所致。因为研究区(观测点及其涨落潮流达到的周边水域)水深通常大于10m,正常天气条件下波浪对底床的扰动很小,大风天气下可能有一定影响。与工程前相比,港区悬沙浓度明显降低。工程前受杭州湾水动力和泥沙运动的影响,洋山港水域悬沙浓度较大。港区工程前1996年冬季观测显示大潮的平均垂线悬沙浓度为1.62～3.017kg/m3,小潮的垂线平均悬沙浓度为0.58～0.63kg/m3,且悬沙浓度从表层到底层递增(与其观测位置P1、P2基本一致),陈沈良(Q4、Q5站位