徐 嘯，佘小建，崔 崢，毛 寧，張 磊

(南京水利科學研究院，南京 210024)

1 杭州灣動力和泥沙條件

1.1 杭州灣地理地形概況

圖1 杭州灣地理地形形勢(圖中五角星為海洋測站位置)Fig.1 Geographic and topographic map of Hangzhou Bay

杭州灣呈喇叭形河口灣，東西長90 km，灣頂澉浦斷面寬約20 km，到金山—庵東一線，寬度驟增，至灣口(南匯嘴—甬江口)南北寬達 100多km，灣口以內(nèi)面積約5 000 km2，平均水深8 m左右。灣口外東和東南有舟山群島掩護，眾多島嶼主要分布在10 m等深線以外海域。杭州灣東北與長江口相連。長江口徑流量是錢塘江的41倍，輸沙量更是錢塘江的127倍[1]。杭州灣的泥沙輸移趨勢主要受控于長江。

1.2 杭州灣潮汐潮流特征

1.2.1 杭州灣潮汐特征

杭州灣屬強潮海灣，外海潮波原為前進波性質(zhì)，進入舟山群島海域，由于邊界反射、磨擦等條件影響，潮波發(fā)生變形，本海域屬非正規(guī)半日淺海潮。潮波性質(zhì)基本上接近駐波形態(tài)。

由灣口至灣頂潮波逐步增強，表現(xiàn)為潮差增大，漲落潮波不對稱，淺水分潮的振幅從東往西隨著水深變淺而逐漸增大，灣口蘆潮港平均潮差為3.24 m，至灣頂浙江澉浦平均潮差為5.71 m。

1.2.2 杭州灣潮流特征

東海的潮流向西運動部分， 以南匯嘴—大戟山為界，北側漲潮流進入長江口，南側進入杭州灣。杭州灣內(nèi)相鄰的島嶼形成多個島鏈，進出杭州灣的潮流通過這些島鏈時，分別形成繞島水流和島鏈之間的通道水流，水流形態(tài)較為復雜。

由圖1可見，杭州灣灣口處南北各有一個潮流深槽向西延伸到杭州灣口門內(nèi)，外海漲潮流沿這兩個潮流深槽進入杭州灣中部水域，到達金山深槽后折向西南；落潮主流方向相反。受地形和岸線的約束，杭州灣潮流以往復流為主。總體上看，漲潮主流偏北，落潮主流偏南，從灣口向灣頂有逐漸增加的趨勢。

圖2 杭州灣部分海洋測站強浪向和常浪向玫瑰圖Fig.2 Rose charts of strong wave direction and regular wave direction at some ocean stations in Hangzhou Bay

1.3 杭州灣波浪分布規(guī)律[2]

圖2為杭州灣部分海洋測站強浪向和常浪向玫瑰圖。由圖可以看出，由于地理位置及地形條件不同，各測站在各方向上波能分布規(guī)律差別較大(各海洋測站位置見圖1)。

嵊山站代表開敞海域條件，主要強浪向為NE和SE，風浪頻率為65%。大戢山和灘滸站波向玫瑰圖形狀較接近，但大戢山東南有嵊泗列島掩護，而北方完全暴露，所以北向來浪要遠大于東南方向來浪，其風浪頻率約占72%。灘滸站受到杭州灣北岸的掩護作用。東南向來浪相對比重加大，且以風浪為主，風浪頻率占90%以上。至于金山嘴和乍浦，北向和東北向來浪作用明顯減弱，對近岸海域影響最大的是東南向風浪。位于杭州灣南岸的海黃山則主要受北向風浪的影響。

表1列出杭州灣部分海洋測站年平均波高和周期，可以看出，位于開敞海域的嵊山波高最大，其次為大戟山和引水船；掩護條件較好的金山和乍浦站波浪相對較弱。表2 為部分測站南北向來浪的頻率比和波能比。杭州灣不同部位波浪隨季節(jié)的變化呈一定的規(guī)律性。這是因為杭州灣主要受季風影響，各季風向的變化較大，冬季盛行偏北風，夏季盛行偏南風，春秋季為過渡季節(jié)，由于地形等因素的影響，灣內(nèi)各處風的分布不盡相同，直接影響波浪分布的規(guī)律性。

表1 杭州灣部分測站年平均波高和平均周期Tab.1 Average annual wave height and average period of some ocean stations in Hangzhou Bay

表2 杭州灣部分測站南北向頻率比及波能比(北:南)Tab.2 Frequency ratio and energy ratio of the north wave and south wave at some ocean stations in Hangzhou Bay

1.4 杭州灣泥沙運動

杭州灣泥沙以懸移運動為主，水體含沙量主要受三個因素制約:(1)長江來沙；(2)當?shù)爻绷魈卣鳎?3)風浪季節(jié)性變化。

1.4.1 杭州灣泥沙來源和輸移特征

杭州灣泥沙主要來源于長江口。長江上游來沙至河口后，較粗泥沙部分沉積在水下三角洲前緣和邊灘，這是南匯邊灘的泥沙來源，而且它處在長江口與杭州灣二股潮汐水流的交匯緩流區(qū)，邊灘區(qū)動力條件較弱，導致多年以來南匯邊灘穩(wěn)定地向外海淤漲延伸。

較細的泥沙在漲、落潮的反復搬運作用下，最終隨海水被輸入東海，除少量直接落淤于深海外，主要隨海流往南、北沿海輸移，其中向南沿海輸移泥沙的一部分，隨大戢洋、黃澤洋等潮汐通道的漲潮流進入杭州灣；由于杭州灣潮流強勁，懸沙輸移為泥沙基本運動形式，懸沙隨潮流基本上沿東西向在杭州灣海域往返輸移。

據(jù)有關分析，近百余年長江入海泥沙78%沉積在-50 m等深線內(nèi)海域，南匯嘴—嵊泗連線以北長江口側占2/5，杭州灣一側占3/5[3]。

杭州灣在南北橫向上的泥沙運動呈現(xiàn)北部進沙大于出沙、南部出沙大于進沙，中部進出相對平衡，僅有少量泥沙落淤，使杭州灣海域總體上呈現(xiàn)沖淤基本平衡、略有淤積形勢。

但是近年長江流域入海下泄沙量已趨于持續(xù)減少時期；而長江口大量淺灘區(qū)被圈圍，灘槽間泥沙的交換強度明顯受到阻隔削弱，大量泥沙又源源不斷地被吹填到圍墾區(qū)內(nèi)，造成了南匯海域含沙濃度的降低，進入杭州灣的沙源進一步減少。根據(jù)20世紀80年代的海岸帶調(diào)查結果，位于杭州灣灣口的南匯嘴南灘前緣水域歷來是杭州灣泥沙含量的高值區(qū)之一。冬季、夏季大潮時含沙量平均值分別達2.5～3.5 kg/m3、2.0～2.5 kg/m3，年均含沙量1.0～2.6 kg/m3。但近年來在南匯海域測得數(shù)據(jù)，垂線平均最大含沙量為1.5 kg/m3左右，比20世紀90年代前明顯減少[4]。

1.4.2 影響杭州灣泥沙運動特點的動力學因素

杭州灣泥沙運動有以下幾個特點：

(1)杭州灣是強潮河口灣，潮流是控制當?shù)啬嗌尺\動的主要動力條件。

據(jù)水文測驗及潮流數(shù)值計算可知，灣內(nèi)漲落潮平均流速可達1.0 m/s以上。但海灣中部水域平均波高只有0.6～0.7 m，灣內(nèi)平均水深達8.0 m，即作用于床面的波浪能量不到潮流能量的十分之一。表3為杭州灣部分測站處潮流和波浪平均摩阻流速之比較，可以看出，在正常天氣條件下，杭州灣內(nèi)含沙濃度場的分布、泥沙輸移以及海床的沖淤主要取決于當?shù)爻毕鳁l件。

表3 杭州灣部分測站處波浪和潮流摩阻流速Tab.3 Friction velocities of waves and tidal currents at some ocean stations in Hangzhou Bay cm/s

圖3 杭州灣冬季大潮平均含沙量分布Fig.3 Distribution of average sediment concentration in winter and flood tide in Hangzhou Bay

(2)對于部分區(qū)域，特別是近岸海域，波浪不僅對當?shù)啬嗌尺\動的作用起重要作用，還將影響杭州灣宏觀含沙量場的分布及泥沙輸移趨勢。

如前所述， 位于長江口南槽的引水船測站處灘淺浪大流急，這里水沙條件主要受控于長江逕流及供沙條件，但海相動力(潮汐、波浪)條件也不容忽視。長江口輸水輸沙主要集中在夏秋季，這時強烈的逕流將長江輸出的部分泥沙直接向東海深水區(qū)輸運，僅有部分泥沙堆積在長江口攔門沙淺灘及南匯嘴東側和南側淺灘上，導致南匯嘴淺灘夏季的淤長。冬季長江逕流減少，潮流作用加強，長江口和杭州灣水體交換量增大，而這時北向風浪將長江口外淺灘泥沙大量掀起，通過潮流、風吹流向杭州灣中部作舌狀擴散，使杭州灣北部及中部冬季回淤率增大，圖3為杭州灣冬季大潮含沙量分布情況，可以說明長江口高含沙水體向杭州灣輸移擴散。

(3)強風浪條件下開敞海域挖槽內(nèi)可能發(fā)生泥沙驟淤問題。

每年夏秋之季，臺風將會影響杭州灣，形成較大風浪。這時，杭州灣海域將會出現(xiàn)較強風浪，每年7、8月份臺風期內(nèi)最大波高可達2.5 m以上。如按波高H=2.5 m，T=4.5 s，水深h=10 m條件考慮，應用線性波理論，可以算得床面處最大軌跡速度Um=0.49 m/s，對應摩阻流速U*w=2.4 cm/s。根據(jù)杭州灣部分水域床面淤泥特性資料可知，當床面泥沙γs=1.42 g/cm3，臨界起動摩阻流速為2.34 cm/s。這時床面泥沙大量懸揚，水體含沙濃度急劇增大。

2 洋山深水港動力和泥沙條件

2.1 洋山海域地理及動力條件

圖4 大小洋山島鏈上各潮流通道[5]Fig.4 Current channels along the Yangshan island chain [5]

大、小洋山是由60幾個島嶼組成的崎嶇列島中兩個最大的島嶼。大洋山與西側的唐腦山、雙連山、大、小山塘和后門山等近10個島嶼組成東西走向的島鏈，島嶼之間為南北向水深較淺的潮流通道。小洋山與附近的大烏龜、顆珠山、鑊蓋塘、大巖礁和西門堂等20余個大小島嶼組成呈東南—西北走向的島鏈，各較大的島嶼之間形成東北─西南向的潮流通道。圖4為大、小洋山島鏈上各潮流通道情況，表4為各潮流通道幾何特性[5]。

大洋山與小洋山之間為一東西走向，長約16 km的潮流通道，此潮流通道水域可分為三部分：中間大洋山與大小巖礁之間為“窄口區(qū)”，南北寬僅1 km，東西方向長約2 km，最大水深達89 m，平均水深約為50 m。窄口區(qū)以西的“西海域”西端口門寬約8 km，水域面積約42 km2，平均水深為11 m，是洋山深水港港區(qū)主要布置區(qū)。窄口區(qū)以東的“東海域”水域面積約16 km2，平均水深28 m，是洋山深水港入海航道所在(表5)。

表4 大、小洋山島群間潮流通道幾何條件和分流比Tab.4 Geometric conditions and diversion ratio of tidal current channels between large and small Yangshan islands

注：各潮流通道平面位置見圖5。

2.2 洋山深水港海域潮流特征[5-6]

大、小洋山海域潮汐具有非正規(guī)半日潮淺水潮波性質(zhì)；平均潮差為279 cm。

大、小洋山海域潮汐水流具有以下特點：

(1)大小洋山海域為強潮海區(qū)，大潮全潮平均流速為1.20～1.30 m/s，中潮為1.05～1.00 m/s，小潮為0.70 m/s左右；

(2)因島嶼岸線一般具有“岬角”效應，小洋山島鏈上各島嶼附近水流流態(tài)一般比較復雜。

(3)因小洋山島鏈北側潮波傳播速度快于南側，且小洋山島鏈走向與漲潮潮波傳播方向有一夾角，以致小洋山島鏈上各潮流汊道內(nèi)強勁的東北—西南方向的漲潮流流出汊道后，在其“下游”島嶼南水域形成緩流區(qū)、產(chǎn)生回流或渦流現(xiàn)象。圖5為天然條件下大小洋山水域漲落潮漂流跡線圖，可以看出：在漲潮流階段，小洋山島鏈上各潮汐通道出口處均具明顯的繞流特征。

表5 大小洋山之間水域地理及水流條件Tab. 5 Geography and flow conditions of the water between the large and small Yangshan Islands

(4)大小洋山之間東西向深槽內(nèi)漲、落潮流主要為東東南─西西北方向的往復流。由表5可以看出，受小洋山島鏈上潮流通道水流的影響，窄口區(qū)及西海域落潮流強度略大于漲潮流，窄口以東水域則漲落潮流強度相當。窄口區(qū)最大流速可達2.6 m/s。

5-a 漲潮流跡線5-b 落潮流跡線圖5 洋山深水港天然條件下漲落潮漂流跡線試驗成果[6]Fig.5 Test results of flood-flow and ebb-flow trace under natural conditions in Yangshan water[6]

2.3 洋山深水港氣象條件

2.3.1 風況

根據(jù)測風資料分析可知，洋山海域常風向為偏北風(NNW， N， NNE)，頻率之和達32.9%。

次常向風為東南到南向風(SE， SSE， S)， 頻率之和達25.2%。偏西風(WSW， W， WNW)出現(xiàn)最少，頻率之和為6.9%。強風向為偏S向，其中SSE向最大風速達27 m/s，SE向達20.0 m/s，次強風向NW的最大風速22.7 m/s。大于6級風的歷時出現(xiàn)頻率為1.20%。

2.3.2 災害性天氣(臺風、寒潮)

影響洋山地區(qū)的臺風平均每年為3.6次，主要發(fā)生在7～9月間，一般以偏北大風占主導地位，其次為ESE向和SE向，七級以上大風平均持續(xù)時間小于12 h的占50%，小于36 h的占38%。影響洋山的寒潮平均每年3 次左右，主要發(fā)生在12月和1月，寒潮大風平均7級，最大陣風8～9級，占83%，風向偏北。

2.4 波況[5]

1997年8月在小洋山北端的楊梅嘴和南側的觀音山分別設置臨時海浪觀測站。楊梅嘴的波浪主要受制于當?shù)氐娘L，全年風浪頻率為95.69%，涌浪頻率為3.77%，與附近海洋站基本一致；觀音山全年“涌浪”頻率為38.5%。經(jīng)對實測資料的分析和現(xiàn)場考察，觀音山測站的“涌浪”，是由于崎嶇列島特殊的地理環(huán)境，外域波浪從各島鏈的口門間傳入到港域的折、繞射波，與外海傳入的涌有本質(zhì)的差別，其周期較短，一般為3.2～3.8 s，而且不像外海的涌有規(guī)則地成排傳入，甚至在港域不同點浪向上也有差異。

2.5 大小洋山海域泥沙運動特點及沖淤形勢

2.5.1 洋山海域底質(zhì)條件[7]

淺鉆資料表明，泥面以下0～4.2 m土層均為亞砂土、亞粘土和淤泥質(zhì)亞粘土。

多次底質(zhì)取樣資料分析表明，大小洋山海域最常見沉積物為粘土質(zhì)粉砂，底質(zhì)中徑為0.01～0.04 mm，平均粒徑為0.028 7 mm。

2.5.2 洋山海域懸沙條件[5]

多次水文測驗資料表明，本海域懸沙中值粒徑平均值為0.008 mm。洋山海域為高含沙量水域，大潮全潮平均含沙量為2.3～2.5 kg/m3，中潮全潮平均含沙量為1.5～1.8 kg/m3，小潮全潮平均含沙量為0.5 kg/m3。大中小潮平均含沙量為1.5 kg/m3。

2.5.3 小洋山碼頭表層水體含沙量

自1997年8月始，在小洋山島南側碼頭水域，進行了為期一年表層含沙量觀測。各月表層含沙量的平均值、(日)最大值、(日)最小值見表6。由表可看出，夏、秋二季(5～10月)含沙量較小，冬、春季(11～ 4月)含沙量較高，年平均表層含沙量為1.0 kg/m3左右。

2.5.4 水體含沙量與動力氣象條件之間關系初步分析[5]

經(jīng)分析，洋山海域月平均含沙量與月平均波高之間相關性較差。

表6 小洋山碼頭近岸水域表層含沙量(1997-08～1998-07)Tab.6 Surface sediment concentration in Small Yangshan wharf water (1997-08～1998-07) kg/m3

圖6 小洋山海域日平均含沙量與日平均潮差關系Fig.6 The relationship between daily average sediment concentration and daily average tidal range in small Yangshan water

圖6為小洋山碼頭水域日平均含沙量與日平均潮差之間關系，相關分析表明兩者相關系數(shù)為0.533，說明大小洋山海域含沙量主要取決于潮流動力條件。

大小洋山附近海域一般水深為10 m左右，平均流速為0.9 m/s，平均波高不大于0.7 m，可以算得潮流產(chǎn)生的摩阻流速為2.87 cm/s，而波浪摩阻流速為0.67 cm/s，即波浪作用于床面的能量僅為水流的1/20左右。以上分析表明，在正常氣象條件下，含沙量場的分布、泥沙輸移以及泥沙沖淤趨勢主要取決于潮汐水流條件。

2.5.5 洋山海域沖淤形勢和海床穩(wěn)定性

(1)大小洋山海域沖淤形勢[8-9]。

河海大學、華東師范大學和國家海洋局二所，采用不同的方法進行沖淤分析，幾家分析結果基本一致，即洋山港區(qū)海域近年處于微淤狀態(tài)，年淤積率1～2 cm/a。

(2)小洋山碼頭前局部海域沖淤形勢[7]。

2000年2月起在小洋山南麓水域一期工程岸線前沿3.4 km×1.5 km范圍內(nèi)布置了11條固定斷面，進行了為期2 a多共11次的斷面觀察，主要結論如下：

①觀測區(qū)域4～11月以沖刷為主，冬季(11～1月)以淤積為主。

②沖淤幅度最大區(qū)域為近岸水深較大深槽處。

2.6 從泥沙角度探討洋山深水港的可行性

大小洋山之間海域平均含沙量高達1.5 kg/m3，為此，港池航道泥沙回淤問題是確定洋山深水港是否可行的關鍵技術條件。下面分別從開敞海域航道挖槽內(nèi)泥沙回淤率計算及洋山深水港港區(qū)泥沙回淤趨勢分析來探討洋山深水港的可行性。

2.6.1 洋山深水港進港航道開挖段泥沙回淤估算

洋山深水港進港航道開挖段位于開敞海域，水流條件相對比較簡單。且由杭州灣泥沙條件可知，淺段開挖后的回淤主要是由懸沙淤積所引起。

根據(jù)經(jīng)驗，采用劉家駒公式計算航道開挖后泥沙回淤率[8]。

航道淺段最小水深12.1 m，規(guī)劃航道疏浚深度為16 m。根據(jù)多次水文測驗資料分析后確定外航道漲潮平均含沙量為1.21 kg/m3，落潮平均含沙量為1.24 kg/m3。據(jù)此算得開挖航道內(nèi)年平均淤厚0.85 m/a，最大淤厚1.19 m/a。

至于大風浪掀沙造成的短期驟淤，根據(jù)附近的杭州灣深水航道試挖回淤觀測研究有關成果，同時考慮到本海區(qū)航道海域天然水深較大的特點，這種驟淤對航槽回淤影響將很小。

2.6.2 大小洋山之間港區(qū)泥沙回淤問題研究成果簡介

如前所述，洋山一期工程各方案碼頭前水域均產(chǎn)生較大尺度的回流區(qū)。高含沙量水域回流區(qū)的泥沙回淤率將遠大于開敞海域，小洋山一期工程施工實踐也證實了這一結論[7]。通過大量物理模型試驗，認識到只要保持港區(qū)水流強度足夠大，且流態(tài)平順均勻，港區(qū)的泥沙回淤問題可以控制，亦即洋山深水港的可行性是可以保證的。據(jù)此總結出保證洋山深水港可行性的16字方針為：封堵汊道、歸順水流、減少回淤、航行安全。在物理模型中對洋山深水港一期工程方案進行了大量方案試驗，最后推薦方案條件下的定床渾水懸沙淤積試驗結果表明，這時碼頭前沿泊位區(qū)回淤率為1.32～1.83 m/a，調(diào)頭區(qū)為0.48～0.66 m/a，回淤量為(72～100)×104m3/a[9]。

3 結語

3.1 杭州灣

杭州灣為強潮河口灣，在杭州灣喇叭口地形條件下，潮流基本呈東西向往復流，向灣內(nèi)有逐漸增強的趨勢。

由于眾多島嶼的掩護作用，杭州灣以風浪為主， 由于各季風向變化較大， 地形地貌條件復雜，使灣內(nèi)各處波浪分布差別較大，不同部位處波浪隨季節(jié)的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

杭州灣水體中的泥沙主要來源于長江口，泥沙輸移主要受控于強勁的潮流，其次為各處風浪的季節(jié)性變化。在強勁的潮流作用下，懸沙隨潮流沿東西向往返輸移。在南北橫向上泥沙運動呈現(xiàn)“北進南出”趨勢。但對部分區(qū)域， 特別是邊界區(qū)域， 波浪不僅對當?shù)啬嗌尺\動起重要作用， 還將影響杭州灣宏觀泥沙場的分布及泥沙輸移趨勢。

3.2 洋山深水港

洋山深水港海域為強潮海區(qū)，潮流呈往復流，落潮流強度稍大于漲潮流。主流向與洋山深水港區(qū)規(guī)劃主航道線走向基本一致。

在正常氣象條件下，洋山海域平均含沙量高達1.5 kg/m3，港區(qū)泥沙回淤問題是確定深水港是否可行的關鍵因素。大小洋山海域泥沙輸移及泥沙回淤趨勢主要取決于潮汐水流條件。

根據(jù)潮汐水流物理模型試驗成果，總結出深水港方案規(guī)劃的16字方針：封堵汊道、歸順水流、減少回淤、航行安全。