中国上海洋山深水港建设对残余电流和水流量的影响

潮汐余流与通量变化及其动量平衡机制研究。

　　
本文基于高分辨率非结构化网格数值模型，系统分析了 Yangshan 深水港（YDH）四期工程建设对黄浦江口海域水文动力的影响机制。研究采用嵌套两域 FVCOM 模型，通过 phases 1-4 的工程情景模拟，揭示了港口建设与区域水动力演变间的非线性关系，为大型滨海工程生态效应评估提供了理论支撑。

1. 工程背景与区域水文特征
黄浦江口 Qiqu群岛海域具有典型河口湾特征，研究海域平均水深达 25.3 米，潮差 3.6-4.2 米（以黄浦江为例）。自然状态下，该海域存在西北向-东南向主导的潮汐环流体系，通过东、西两门户实现水沙交换。东门户水深超 85 米，是黄浦江口最大深水航道；西门户平均水深仅 10 米，形成特殊浅海动力环境。

2. 工程阶段与水动力响应
（1）一期工程（2002-2003）：封闭 Xiaoyangshan-Huogaitang 通道后，形成约 12 平方公里的人工岛。数值模拟显示，工程导致内港区（IHA）平均流速下降 6.8%-9.5%，同时引发三个关键变化：a) 北部岛屿链附近残余电流转向东偏；b) IHA 中心区形成静止流区（最大范围达 15 平方公里）；c) 东门户流速提升 0.2 m/s。静止区的形成与 Eulerian 残余电流的西北-东南向竞争密切相关。

（2）二期工程（2003-2004）：封闭 Dawugui-Kezhushan 通道后，西门户形成连续东向回流。数值结果显示：a) IHA 静止区西扩 20%；b) 北部岛屿链间形成剪切流（流速梯度达 0.15 m/s2）；c) 东门户最大流速达 1.83 m/s（较自然状态提升 15%）。此阶段验证了地形破碎化与残余电流分化的耦合机制。

（3）三期工程（2004-2008）：大规模填海形成 6.9 平方公里人工岛，关闭 Jiangjunmao-Dazhitou 通道。工程效应显著：a) IHA 中心区流速下降至 0.72 m/s（较自然状态降低 9.5%）；b) 东门户出现周期性倒灌现象（最大反向流速达 -18.9 cm/s）；c) 南部岛屿链附近形成 5 公里长的弱流区。此阶段揭示工程规模与水文响应的非线性关系——填海面积每增加 1 平方公里，对应的潮流减弱区扩大 0.8 公里。

（4）四期工程（2009-2018）：实施 4.5 平方公里填海并建设导流堤。主要变化包括：a) IHA 静止区面积缩减至 8 平方公里，但流速梯度增强（达 0.22 m/s2）；b) 东门户出现连续外流（日均外流量 2.8×10? m3）；c) 西门户形成周期性涡旋（最大涡量 0.05 m2/s）。工程后期显示系统趋向动态平衡，如四期工程后东门户外流量较三期工程下降 12%，但流速仍保持 1.05 m/s。

3. 残余电流重构机制
研究揭示工程对 Eulerian 残余电流的调控存在三阶段特征：初期（phase 1-2）通过改变地形压力梯度主导残余电流方向，中期（phase 3）形成复合剪切流结构，后期（phase 4）发展出具有稳定分形结构的异流模式。具体表现为：
- 北部岛屿链区残余电流转向东偏 15°-25°
- IHA 中心区形成直径 3-5 公里的涡旋结构
- 东门户出现 1.5 米深剪切层（流速梯度 0.18 m/s2）
- 南部岛屿链区形成 8 公里长的弱流带

4. 水文交换效率演变
通过五条典型水道（S1-S5）的通量分析发现：
（1）东门户（S5）通量从自然状态的 1.2×10? m3/日增至 1.6×10? m3/日（phase 3），但工程后期回落至 1.4×10? m3/日，显示系统动态调整过程。
（2）西门户（S2）呈现特殊双循环模式：表层（<20米）存在 0.3-0.5 m/s 的外流，底层（>20米）形成 0.1-0.2 m/s 的内流，导致净通量持续为正（+7.2×10? m3/月）。
（3）新形成的南北向水道（S3）通量增幅达 40%，但受地形遮蔽效应影响，其交换效率较自然状态下降 18%。

5. 动力平衡重构机制
通过动量平衡方程分析发现，工程导致以下关键参数变化：
（1）压力梯度项贡献率从自然状态的 62% 提升至 78%（phase 4）
（2）平流项贡献率从 38% 降至 22%
（3）底摩擦项影响系数增加 30%
（4）科氏力主导区域扩大 25 公里2

这种动力平衡重构导致系统出现显著相变：初期（phase 1-2）表现为能量耗散型调整，中期（phase 3）形成耗散-耗散复合型系统，后期（phase 4）发展为耗散-集中复合型系统。特别值得注意的是，在 phase 3 与 phase 4 的过渡期（2012-2015），出现 18 个月的水动力适应期，期间最大流速波动达 ±12%。

6. 生态效应与工程优化
研究揭示工程对近海生态的调控存在时空异质性：
（1）内港区沉积通量增加 25%，主要源于残余电流剪切带（剪切强度达 0.18 m/s）
（2）东门户泥沙通量减少 40%，与外流增强相关（通量达 1.6×10? m3/日）
（3）北部岛屿链区出现周期性缺氧区（DO < 2 mg/L 持续时间 15-20 天/年）
（4）南部岛屿链区形成稳定的 5 公里2 沉积区，沉积速率达 5 cm/年

基于此，提出工程优化建议：
（1）采用分阶段施工策略，控制单期填海面积不超过 2 km2
（2）在东门户设置动态拦门沙（高度 3-5 米），维持通量波动幅度在 ±15%
（3）建立北部岛屿链区生态缓冲带（宽度 1-2 公里），配置人工湿地
（4）实施周期性疏浚（频率 3-5 年/次），保持底摩擦系数在 0.025-0.035 之间

本研究为大型滨海工程提供了重要科学依据，其揭示的残余电流重构机制（残余电流方向偏转角度与工程填海面积呈指数关系）和动力平衡相变规律（压力梯度项贡献率超过 70% 即触发系统重构）已被应用于长江口深水航道维护工程，使维护疏浚量减少 22%，同时提升航道通航能力 18%。