6.2　建议

长江口横沙浅滩成陆物理模型水动力试验研究报告

南京水利科学研究院

院　　长：张建云（院长、工程院院士）

总工程师：窦希萍（院总工、教授级高工）

主管所长：陆永军（所长、教授级高工）

项目负责：窦希萍（教授级高工）

　　　　　曹民雄（教授级高工）

主要参加人员：赵晓冬（教授级高工）　　徐　群（教授级高工）

马进荣（教授级高工）　　　　　　　　　王红川（教授级高工）

罗小峰（教授级高工）　　　　　　　　　韩玉芳（教授级高工）

路川藤（高级工程师）　　　　　　　　　张新周（教授级高工）

●长江口演变特征和水沙特性

●物理模型设计

●水流验证

●物理模型试验结果分析

1　概述

1.1　研究背景

在上海现有的滩涂资源中，横沙东滩是一个集“区位、土地、岸线、航道”等众多优势资源于一身的区域。其南贴长江口北槽12.5 m深水航道，北靠北港航道（规划10 m航道），东临东海，经吹填成陆可新增土地约480 km2（72万亩），可新增深水岸线100多km，并且依托东接外海深水区的优势，可建设大型挖入式港区，实现20 m深水港的突破。

横沙的开发可在较大程度上缓解目前上海城市发展面临的诸多问题，如：可解决上海土地瓶颈，增加城市竞争力；可突破上海港水深和岸线制约，提升上海港口竞争力，奠定国际航运中心建设基础。此外，在长江入海泥沙日益减少的情况下，长江疏浚土资源依然可为横沙成陆提供丰富的泥沙资源，同时还缓解了目前疏浚土处理面临的诸多问题。

本子课题从横沙成陆的规模以及成陆建港条件等角度出发，重点分析横沙成陆建港与长江口河势格局的关系、对周边相关涉水工程的影响。

1.2　研究依据

1.2.1　有关文件及行业标准

（1）《长江口综合整治开发规划要点报告》（2004年修订版），水利部长江水利委员会，2005年2月。

（2）《长江干线航道总体规划纲要》，交通运输部，2009年5月。

（3）《长江口航道发展规划》，交通运输部长江口航道管理局，2010年8月。

（4）《长江干线航道建设规划（2011—2015年）》，交通运输部长江航道局，2011年1月。

（5）《上海市滩涂资源开发利用与保护“十二五”规划》，上海市水务（海洋）局，2009年12月。

（6）《全国河口海岸滩涂开发管理规划》，水利部规划计划司，2013年11月。

1.2.2　基础资料

（1）长江口历次水文测验资料（长江口航道管理局组织测量）、大通水文站水沙资料、长江口主要潮位站资料，以及长江口水文、泥沙、波浪自动监测系统数据等。

（2）长江口历次水下地形监测资料（长江口航道管理局组织测量）、部分数字化海图等。

（3）有关涉水工程建设信息以及其他相关的实测资料和数据等。

1.3　质量标准

（1）《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》（JTS／T 231—2—2010），中华人民共和国交通运输部发布，2010年5月。

（2）《质量手册QM-NHRI-2012》（按照GB／T 19001—2008，ISO 9001：2008标准），南京水利科学研究院，2012年9月。

1.4　主要研究内容

建立长江口整体物理模型，研究横沙东滩圈围工程对周边水域水动力影响。

2　长江口演变特征和水沙特性

随着1958年以来长江口航道治理研究工作的有序开展，对长江口自然规律的研究也取得了一些有价值的认识。在已有研究成果的基础上，本章简要总结长江口水动力、泥沙运动特征以及总体河势格局演变。

2.1　长江口河势格局

2.1.1　三级分汊四口入海格局

近2000年，长江河口的发育模式呈单向演变性质，代表了长江口演变的总趋势，主要有以下几个变化特征：①河口不断在向外延伸、束窄，上游段江面束狭，河槽加深；②由于潮波传播方向及柯氏力的作用等原因，泥沙循东偏南方向输移出口；③北岸沙岛并岸，南岸边滩推展，河口向南偏转。

1842年时，长江口主要还是南、北二支一级分汊，北港呈现为南港的一条涨潮槽属性，上口5 m等深线未与南支贯通。1860年前后，北港上口冲开，1954年后北槽形成，北港和北槽相继发展为两条新的以落潮流作用为主的新入海水道。至此，长江口形成了三级分汊四口入海的河势格局。

洪水对长江口河床演变的影响非常明显。长江口新的入海汊道均是在大洪水期间，强大的落潮水流冲开已有涨潮槽上口而形成的。北港正式形成于19世纪60年代的大洪水时期；北槽正式形成于1954年特大洪水。

图1　长江口三级分汊四口入海总体格局

伴随长江口三级分汊四口入海河势格局的形成，长江口的边界条件也发生了巨大变化。一是横沙、长兴两岛出水成岛，南北两港间形成固定边界；二是徐六泾河段在20世纪60年代初北岸江心砂经过人工围垦并靠北岸，使江面宽度由13 km缩窄到5.8 km，形成了能基本控制落潮主流进入南支上段稳定性的准节点河段。

在具备了上述重要的稳定边界条件下，长江口“三级分汊、四口入海”的基本格局将长期稳定，不可能再次出现重大、明显的兴衰变化。例如，1958年以来，南北港分汊口虽发生过二次剧烈变化，但南、北港分流、分沙比均保持在各50%左右，并无明显增减趋势。

2.1.2　主汊道分流分沙状况

1）南、北支

南北支为长江口第一级分汊，南支为主汊。1998年以来，南支分流比继续保持在95%以上，分沙比变化不大。

2）南、北港

南北港为长江口的第二级分汊。现场实测资料表明，1998年以来，尤其2007年新浏河沙护滩及南沙头通道潜堤工程、中央沙圈围及青草沙水库工程实施后，南、北港的分流比和分沙比总体上仍在50%左右，各测次结果因测验期间的径潮流差异存在一定的波动，其波动幅度未超出历史变化范围（图2）。

3）南、北槽

南北槽为长江口的第三级分汊。1998年长江口深水航道治理工程开工以来，北槽入口段落潮分流比总体呈减小趋势（图3）。至2011年2月，北槽下断面落潮分流比为42.24%。可以认为，北槽仍是一条有发展潜力的汊道，北槽已出现的进口分流比的变化总体上是正常的、可以接受的。

图2　近年来长江口南港落潮分流分沙比变化

图3　近年来北槽落潮分流比变化

2.2　长江口近期主要人类活动

长江口两岸为冲积平原，历史上河道两岸无天然节点控制。近百年来，为防御水害在两岸陆续修筑的海塘工程以及因经济发展需要实施的两岸边滩圈围工程、码头工程等，形成了多处较稳定的岸段，起到了束水导流、稳定河势的作用。特别是1958年徐六泾人工节点的形成对河势起到了较好的控制作用。

尤其近期（主要指1998年以来），随着我国经济的高速发展，对河口地区的开发强度迅速增大，长江口水域实施了大量涉水工程，河道岸线边界条件的人工控制作用越来越强。如图4所示，已建涉水工程主要包括长江口深水航道治理工程、新浏河沙护滩及南沙头通道潜堤工程、中央沙圈围及青草沙水库工程、促淤圈围与吹填工程、港口码头工程、桥梁工程、人工采砂活动等。其中促淤圈围工程包括：徐六泾河段北岸围垦工程、东风西沙圈围工程、常熟边滩圈围、横沙东滩促淤圈围工程、南汇嘴人工半岛、长兴岛北沿滩涂促淤圈围工程、浦东机场外侧促淤圈围工程。人工采砂包括瑞丰沙采砂及白茆沙采砂等。这些人类活动对河口河势及水沙变化等均产生了明显影响。具体阐述如下。

1）长江口深水航道治理工程

长江口深水航道治理工程位于南港—北槽河段，工程平面位置见。工程分三期实施，采用整治与疏浚相结合的方式，实现12.5 m的航道水深目标。一、二期工程（1998—2004年）累计建造了长约48 km的南导堤、49 km的北导堤和总长约30 km的19座丁坝。三期工程以疏浚为主，于2006年开工，2008年12月—2009年11月分别实施了YH101减淤工程（延长北侧N1～N6丁坝和南侧S3～S7丁坝，累计加长4621 m）和南导堤加高工程（在S3～S8南坝田间新建一座长约21 km的防沙堤）。此外，长江口深水航道治理一、二、三期工程共累计完成约3.2亿m3的基建性疏浚量。

图4　长江口近期主要涉水工程布置示意图

2）新浏河沙护滩及南沙头通道潜堤工程

新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程位于长江口南北港分汊口水域。于2007年9月开工，其中新浏河沙护滩工程（长约8610 m）于2008年8月完成（堤顶高程均达到2.0 m，吴淞基面），南沙头通道限流潜堤（长约2390 m）于2009年2月完成。此外，2010年9月起还实施了长江口12.5 m深水航道向上延伸（三期航道上口至太仓港区）工程，其中新浏河沙护滩南堤向下游延伸2.7 km。

3）中央沙圈围及青草沙水库工程

该工程位于南北港分汊口河段。中央沙圈围工程于2006年11月开工，2007年5月全部完工。青草沙水库于2007年11月开工建设，2009年1月完成主龙口合龙，2009年7月环库大堤连成一体（总长约48 km）。

4）促淤圈围与吹填工程

南支河段主要有徐六泾河段北岸围垦工程（2007年以后，主要指新通海沙圈围工程）、东风西沙圈围工程（2001—2002年）、常熟边滩圈围（2007—2008年）。

南北港河段以下，主要有：①横沙东滩促淤圈围工程。始于2000年，其中一、二、三和四期促淤工程基本于2008年完成，五期圈围工程和三期围内吹填工程也分别于2009、2010年开工，目前尚在建设中；②南汇嘴人工半岛；③长兴岛北沿滩涂促淤圈围工程（2007—2008年）；④浦东机场外侧促淤圈围工程（2008年至今）。

5）其他主要涉水工程

港口码头工程：①南支南岸沿线有宝钢码头、石洞口电厂码头、美孚码头、远太国际城码头等；②南港南岸主要有上海国际航运中心外高桥港区1～6期码头、外高桥造船基地码头、外高桥发电厂码头以及打捞局码头等；③南港北岸有中海长兴基地、中船长兴造船基地、振华重工等大型工业基地港口码头、马家港客运码头等。以上码头均采用高桩梁板结构。

桥梁工程，包括苏通长江大桥（2003—2008年）和上海长江大桥（2005—2009年）。

6）人工采砂活动

据有关报道，长江口近期主要采砂区域为南港瑞丰沙和南支白茆沙河段区域。其中南港瑞丰沙采砂主要的时间为2000—2005年，采砂量为5000万～6000万m3。而2003—2006年期间，太仓港二期至六期围滩工程在南支白茆沙河段区域累计采砂约5140万m3。

2.3　长江口的动力及泥沙运动特性

2.3.1　上游来水来沙条件

大通站是长江中下游最后一个径流控制站，其实测水文资料基本可代表长江口的流域来水、来沙变化。

长江口多年平均径流量约为9000亿m3，径流量年际间虽有一定幅度的波动，但无明显的趋势性变化（图5）。而且，径流量的年内洪枯季分配规律也基本没变（图6）。

洪水对长江口的河床演变的影响较为明显。统计表明，1950年以来，长江口约每隔10～15年有一次较大的洪水过程。2010年是继1998、1999年以来最大的一次洪水过程，大通流量超过6万m3／s天数达36 d。受三峡工程水量调度（削峰填谷）的影响，长江发生大洪水的级别有所降低。但在流域洪季降雨量较大情况下，三峡进入长江口大径流量的持续时间可能会有所延长，如2010年大通流量超过6万m3／s天数达36 d。

长江口来沙量丰富，但年输沙量自20世纪80年代中期以来呈明显的减小趋势（图7）。尤其，2006年平均输沙量仅为0.85亿t，创下了1950年以来的最低纪录。2009年，大通站的年平均输沙量也仅为1.11亿t（表1）。

图5　长江大通站年径流量的变化（1950—2012年）

图6　大通站洪季（5—10月）径流量、输沙量占全年的百分比

表1　1998年以来大通站来水、来沙的年际变化

注：数据来源于《中国河流泥沙公报》。

长江来沙量的减小与近年来长江流域的水土保持、植被固沙、人工取沙和高坝拦沙（葛洲坝工程、三峡工程）有直接关系。未来一段时间内，长江上游还将建设一定数量的水库、大坝工程，加之人工挖沙的影响等，流域来沙仍会有进一步减少的可能。

图7　长江大通站的年输沙量变化（1950—2012年）

2.3.2　河口水动力特性

河口水动力因素包括径流、潮流、波浪、风和盐水楔异重流等。这些因素中，对长江口河床演变起到主要作用的是径流和潮流。

长江口属大径流、中等潮差河口。径流和潮流两股动力在时，空范围内的复杂变化及相互消长作用，是导致长江口复杂演变的主要原因。长江口水动力特性主要概述如下。

长江口潮量大。口门处总进潮量，枯季小潮为13亿m3，枯季大潮为39亿m3；洪季小潮为16亿m3，洪季大潮为53亿m3。口外潮汐为正规半日潮，口内潮汐变为非正规半日浅海潮。潮波在河口内传播过程中发生变形，沿程高、低潮位增加、潮差减小、涨潮历时缩短、落潮历时增长。

长江口在有固定岸线的口内潮流方向以往复流为主，口外为顺时针旋转流。由于河宽较大，口内、外均存在涨、落潮流路分歧现象。涨、落潮主流路分歧是宽浅河段中形成落潮主槽和涨潮副槽的重要原因，也是长江口形成分汊河型及呈现周期性演变规律在动力条件方面的重要原因。

南、北支两汊中，北支分流比不足5%。南、北港潮量及径流分配比较稳定，大体上“五五开”。南、北槽落潮量分配比：北槽落潮量自20世纪60年代的30%左右至90年代治理工程前与南槽基本相当。这说明自然条件下北槽处于不断发展过程中。

2.3.3　泥沙运动特性

长江口泥沙主要来自长江流域。流域来沙经沿程分选，至长江口主要以悬移方式输运入海，较粗部分沉积在口外三角洲；细颗粒则被带到外海。在河口地区水动力条件下，咸、淡水交汇，形成河口环流系统并产生细颗粒泥沙絮凝沉降。

长江水体多年平均含沙量约为0.5 kg／m3，由于水量大，多年平均年输沙总量约4亿t。长江口南支水域水体含沙量总体上与上游来沙关系密切，呈洪季大、枯季小的变化特点。但口外水体含沙量则更易受风浪和潮流动力条件控制，表现为枯（冬）季大，洪（夏）季小；大潮大、小潮小；大潮涨潮含沙量明显大于落潮。

同级汊道相比，北支含沙量高于南支，北港高于南港，南槽高于北槽。

自然条件下，长江入海各汊道（北支、北港、北槽、南槽）的局部区段均相对稳定地存在水深浅于其相邻上、下河段的拦门沙。其原因主要是：河道的急剧展宽，减小了输沙入海的水流动力，河床变形调整，形成了多条以巨大浅滩作边界的泄流汊道。河口汊道内径、潮流两股强大动力交汇，盐淡水混合，垂向密度梯度的存在，在盐水入侵区形成了上层水流净向海，下层水流净向陆的“垂向环流”。滞流点附近含沙量出现较大垂直梯度，相对水深0.5 m以下含沙量急剧增大。上游径流引起的泥沙下泄输移与外海潮汐动力及盐度梯度引起的一定时段内的上溯输移形成汊道内泥沙净输移的滞沙点，为其附近最大混浊带的形成提供了物质来源。另外，细颗粒泥沙絮凝沉降是最大混浊带形成的又一重要原因。最大混浊带的位置随洪枯季和大小潮而上下摆动。摆动范围即汊道内拦门沙的滩顶位置。

拦门沙滩顶位置受控于洪季滞流点摆动范围，拦门沙滩顶高程长期稳定。以不足10 m水深的滩长计，北港、北槽和南槽的拦门沙纵向长度依次为60 km、69 km和74 km。拦门沙河段的泥沙十分活跃，含沙量高，为长江向外海输沙的“转运站”。

2.4　长江口近期演变

2.4.1　拦门沙河段

长江口拦门沙区域是横亘于口门河段的大片浅水区，该区域在涨落潮流交汇和盐淡水混合结构作用下，形成河口最大浑浊带，大片泥沙滞留沉积，成为通海航道的瓶颈区域。

拦门沙浅于10 m水深的滩长的多年平均值，在北港为43.8 km，最浅滩顶水深为5.1 m左右；北槽滩长为56.2 km，在深水航道治理工程前，最浅点水深为6.1 m；南槽拦门沙滩长为71.6 km，目前滩顶最浅水深为5.0 m左右。

各拦门沙滩顶变化，年变幅甚小，季节性变化明显，表现为洪淤枯冲。而拦门沙两侧的崇明东滩、横沙浅滩、九段沙及南汇边滩，还受风浪显著作用，冬季在寒潮大风和夏秋受台风影响下，冲刷滩面引起滩槽泥沙强烈交换，为含沙浓度最高的浑浊带所在，亦是北槽航道主要泥沙来源地，滩面沉积物粗化明显，河槽地形复杂多变，年际冲淤变幅最大一般可达到1～2 m，年内季节变幅基本在1 m以内，上、下段时冲时淤，存在交替变化。

图8　近年来横沙浅滩水域5 m等深线平面变化

1998年长江口深水航道治理工程实施后，北槽拦门沙区段12.5 m航槽已经贯通。南槽受深水航道工程、南汇东滩圈围等周边涉水工程的影响，上段主槽河床冲刷下延，下段拦门沙缩短淤高。北港拦门沙尚处于自然状态，其河槽形态、滩顶水深等变化均不大。各拦门沙滩顶高程的年变幅较小，季节性变化特征仍为洪淤枯冲。由于长江口拦门沙区段分布着大量浅滩，在风浪和潮流作用下，滩槽泥沙交换频繁，为拦门沙河段提供了丰富的泥沙来源，同时也大大减弱了流域来沙的减少对该区域产生的影响。近年伴随着流域泥沙下泄量明显减少，海域泥沙相对有所加大，对冲淤变幅亦带来影响，应引起注意。

2.4.2　口外区域

拦门沙浅滩向海便进入河口口外海滨区，即为水下三角洲的范围，面积约10 000 km2，其上端为河口拦门沙滩顶，下界水深为30～50 m。

长江口水下三角洲的冲淤变化与长江流域下泄入海沙量相关，也与波浪作用和口外潮流作用所引起的泥沙扩散能力相关。

20世纪90年代以前，长江每年下泄泥沙量达4亿t以上，泥沙入海后扩散沉积，三角洲不断淤积外涨（图9）。各汊道淤涨速率与出口泥沙量的分配和口外淤积环境有关。淤涨外伸速率最大的南汇嘴—南槽口，该区为长江口泥沙主要聚集区（泥库），泥沙交换十分频繁，成为长江口悬浮泥沙的中转站，既是长江入海泥沙向口外输送的泥沙“汇”，也是涨潮输入河口、杭州湾以及闽浙沿岸泥质带的泥沙“源”。因其兼具向长江河口随潮搬运泥沙的功效，在长江入海泥沙日趋减少的今天，长江口水下三角洲前缘潮滩仍处于缓慢淤涨状态，“泥库”可能在其中扮演着重要的角色。

图9　1973—1983年长江口冲淤图

1998年深水航道工程以来，随着长江流域入海泥沙的减少，水下三角洲冲刷强度得到加大，但当上游出现大洪水年份，入海泥沙量的增加，仍会带来水下三角洲的明显淤积。

2002—2010年，随着长江上游来沙量持续减少，同时受大洪水影响较小，对口门外海域冲淤带来影响，其中在北港、北槽口外5 m至10 m区海域出现普遍冲刷（图10），尤其是北槽口外潮流扩散最为强烈，近年海床冲刷明显，使北槽深水航道出口畅通，12.5 m水深维护较为稳定，口门附近10 m以外才出现局部淤积。在口外两侧5 m以内的浅滩区，如横沙浅滩、九段沙和南汇东滩则以滩面淤高为主，但滩面面积受外海冲刷影响，淤涨不明显。

图10　2002—2010年长江口冲淤图

2010—2015年，长江口外海床继续冲刷，北槽上半段冲刷明显，下半段基本处于冲淤平衡状态，北港拦门沙呈淤积趋势，深水区有所冲刷。在口外两侧5 m以内的浅滩区，横沙浅滩有冲有淤，但以略冲为主，九段沙以滩面淤高为主。

图11　2010—2015年长江口冲淤图

总之，口外水域在流域大幅减沙影响下，淤积趋势减缓，部分区域出现冲刷，北槽口外5～10 m水深区局部水域冲刷明显，口门内外浅滩的滩槽泥沙交换和口外水域水沙环境变化对口内河槽冲淤和航道回淤的影响将日益增强。

2.5　长江口总体河势变化特征

（1）近年来长江口总体河势基本稳定，而且长江口大规模的人工工程对稳定长江口河势起到了重要作用，近十年来没有发生大的切滩和新沙洲生成，长江口“三级分汊、四口入海”的总体格局将稳定存在。

（2）横沙东滩周邻河势状况总体如下：南港河段瑞丰沙下沙体冲刷消失，中下段河槽向宽浅型发展，深泓相应有所北偏；北港上段水深优良，主槽微弯程度有所加剧，下段拦门沙水深较浅；北槽处于长江口深水航道治理工程的影响范围内，坝田淤积、深槽冲刷，12.5 m航槽已经贯通；南槽上段及口门段冲刷、水深增大，拦门沙浅段缩短淤浅；北支水深条件相对较差，但深泓稳定性加强，河槽仍在束窄。

（3）在拦门沙河段，受其特殊水沙环境的影响，流域来沙的变化尚未显现在地形变化上，其中北槽及南槽主槽容积的扩大更多来自长江口深水航道治理工程、南汇东滩促淤圈围等周边涉水工程的影响。

（4）在口外，长江下泄泥沙的减少，使得水下三角洲部分区域呈现出由淤积转为冲刷的特征。

3　物理模型设计

3.1　模型范围及边界

本次物理模型采用南京水利科学研究院的长江口整体物理模型，模型水平比尺1∶2000，垂直比尺1∶150。模型范围如图12所示，模型上边界为长江口潮区界（安徽大通），通过扭曲水道连接至天生港附近，模型南边界至南汇咀附近，北边界位于北支口的启东咀，外海有效地形至－30 m等深线处。

图12　长江口整体物理模型示意

3.2　模型设计

3.2.1　基本方程

连续方程：

运动方程：

式中：ζ为潮位；h为水深；t为时间；g为重力加速度，g＝9.8 m／s2；，分别为x、y方向垂线平均流速；C为谢才系数，；n为曼宁系数。

3.2.2　水流相似

潮汐河口模型试验主要遵循重力相似和阻力相似，由此可推导出各相似比尺表达式。设模型水平比尺为λL，垂直比尺为λH。

潮汐水流运动相似条件如下：

重力相似：λv＝λH1／2；

阻力相似；

水流连续相似：。

式中：λL为水平比尺；λH为垂直比尺；λt1为水流时间比尺。

3.2.3　模型相似比尺

根据上述相似条件，模型设计的各种相似比尺见表2。

表2　模型相似比尺

3.3　模型仪器设备

1）生潮设备

模型的试验控制系统在Windows平台上采用VB语言编程实现模型控制与数据处理的一体化过程，通过友好的动态汉化图示界面，为试验者提供直观、简便的操作向导和丰富快捷的处理。

采用变频技术对潮汐控制系统控制，使潮水箱的控制潮型与给定值之间绝对误差平均缩小到0.3 mm以内，实现水量的闭环控制如图13和图14所示。

图13　生潮设备控制界面

图14　潮水箱图

2）往复流双向泵系统

由变频器精确控制的往复流双向泵系统，能够保证模型开边界具有足够的涨落潮流量，同时，往复流双向泵系统可以调节模型流场、流向等因模型尺度问题而无法解决的天然流场问题，如图15所示。

图15　双向泵系统

3）水位仪、流速仪

该模型采用的水位仪、流速仪等量测仪器均在仪器仪表上实现了数字化信号的转换和传输，仅用单一的通信线路与主控室计算机相连，即可下达指令和采集数据，不仅可以节约大量电缆等材料，而且运行的故障率低，检查和维护都十分方便。

模型水位测量采用瑞士进口的超声波非接触式水位仪，分辨率能达到0.1 mm（相当于现场1.5 cm，能够满足试验要求），如图16所示。

定点流速测量采用日本KNEK公司生产的电磁流速仪。电磁流速仪基于导电性流体在磁场中运动时所产生的感应电势来量测流体的瞬时流速，直杆探头可测量纵向和横向的流速变化，实现流速大小和方向的同时测定。电磁流速仪的主要组成设备包括计算机处理系统、数据采集系统、数据转换系统和探头四个部分，数据以Excel形式存储在电脑上，便于分析，如图17和图18所示。

4）流场测量系统

大范围的流场则通过流场实时测量系统（VDMS），该系统是南京水利科学研究院基于粒子图像测速技术（PIV）技术中的粒子跟踪测速技术（PTV）研制开发的大范围同步测速系统，广泛应用于水工模型、河工模型和港工模型等试验系统中表面流速场的测量。该系统可实现对大范围的非恒定流试验表面流场的实时测量，快速方便地得到模型试验范围研究区域内的流场、断面流速分布以及单个或多个测点的流速矢量变化过程，如图19所示。

图16　超声波水位仪图

图17　电磁流速仪操作界面图

图18　电磁流速仪使用效果图

图19　VDMS系统操作界面

图20　模型定床部分制作

3.4　模型制作

模型设计和比尺确定之后开始制作模型，即根据最新的水下地形图2016年8月地形制模，基面均统一到吴淞基面。

模型制作包括水下地形的制作和边界的定位。水下地形和岸线边界的几何相似是保证模型与原型相似的基本条件，其准确性直接影响试验成果的质量（图20）。

模型地形高程偏差控制在±1 mm（相当于原型±15 cm）之内，平面偏差不超过3 cm。

4　水流验证

4.1　验证试验条件

验证是物理模型试验的关键。通过流场验证，可以判断物理模型是否具有模拟实际潮流运动的能力。本次试验徐六泾以下地形采用2016年08月长江口实测地形，徐六泾至天生港采用2013年地形，天生港以上采用扭曲水道连接至大通。水流验证时间为2016年7月21日11∶00—22日11∶00大潮全潮。图21为模型验证点位置示意图。

4.2　水流验证试验结果

图22为潮位过程验证，表3为潮位误差统计，潮位过程验证结果表明，高低潮位偏差均在0.10 m之内，相位偏差不超过0.5 h，满足规范要求。图23为潮流流速流向过程验证，表4为潮流误差统计。潮流验证结果表明，各测点涨落急流速大小偏差基本都在10%之内，相位偏差不超过0.5 h。图24为北槽口外和南槽口外旋转流流向验证，NCH9＃、CS10＃点旋转流流向偏差在15°之内，满足规范要求。潮位和潮流验证结果表明模型相似性良好，说明模型具有复演长江口潮流运动的能力。

图21　模型验证站示意图

图22　潮位过程验证

图23　潮流验证

图24　旋转流验证

表3　高低潮位值误差统计分析

表4　潮流验证误差统计分析

5　物理模型试验结果分析

5.1　试验方案

5.1.1　布置原则

横沙新陆域成陆范围主要设置依据有以下几点：

（1）考虑现有沙体形态和滩涂水深，基本以5 m等深线区域为主。

（2）与已在建和即将建设的横沙圈围七期、八期工程的衔接。

（3）结合已建的北槽深水航道北导堤和规划的北港航道南导堤位置。

（4）考虑上海城市总体规划中海洋空间区划在该区域的布设思路。

5.1.2　横沙新陆域平面布置方案

方案布设与科委项目第一阶段研究中的布设方案基本一致，以横沙浅滩滩面形态为主，兼顾北港规划整治工程布设，同时调整了与横沙八期工程的衔接布设，总成陆面积299 km2（图25）。

图25　横沙新陆域开发方案

5.2　流场变化分析

图26～图33为横沙东滩围垦前后，工程附近流迹线变化。图34～图37为工程前后涨落急流场图。

工程前，外海涨潮水流越过横沙东滩向上游运动，受N23潜堤的阻挡作用，一部分水流绕过堤头进入北港向上游运动，另一部分水流越过潜堤向上游运动。落潮时，水位较低，落潮水流在N23潜堤的作用下，相当一部分水流绕过潜堤进入横沙东滩，进而向外海运动，横沙东滩的落潮水流相对平顺。

图26　本底横沙东滩外侧涨潮流迹线

图27　本底横沙东滩南北侧涨潮流迹线

方案实施后，由图30～图33知，受围垦区的影响，原涨潮越滩水流绕过围垦区，直接进入北港拦门沙区域，向上游运动，落潮时，水流沿围垦堤线向下游运动。

从工程前后流迹线看，围垦区东侧水流流态变化较大。

图28　本底横沙东滩外侧落潮流迹线

图29　本底横沙东滩南北侧落潮流迹线

图30　方案后横沙东滩外侧涨潮流迹线

图31　方案后横沙东滩南北侧涨潮流迹线

图32　方案后横沙东滩南外侧落潮流迹线

图33　方案后横沙东滩南北侧落潮流迹线

图34　本底涨急流场

图35　本底落急流场

图36　工程后涨急流场

图37　工程后落急流场

5.3　航道采样点流速分析

为分析横沙东滩圈围工程对北港航道及北槽航道的流速影响，在二航道设置4个流速采样点，采样点位置如图38所示。

图38　物理模型航道采样点位置示意图

物理模型试验结果与数学模型（数学模型采样点如图39所示）进行对比，图40和图41为物理模型试验结果，图42和图43为数学模型计算结果。数学模型计算结果引用《新水沙条件下横沙浅滩成陆的关键技术研究》结果。数学模型计算边界条件为大潮，物理模型为中等偏大潮汐条件，两者有所差别。

由图40和图41物理模型试验结果知，对于北港航道BG1＃、BG2＃、BG3＃采样点，横沙岛北侧BG1＃点涨落急流速基本不变，BG2＃点落急流速变化相对较小，涨急流速减小明显，减小幅度约为0.08 m／s，BG3＃点落急流速基本没有变化，涨急流速变化有所增大，幅度在0.05 m／s之内，幅度微小。对于北槽BC1＃、BC2＃、BC3＃采样点，北槽上中下涨落急流速基本不变。

由图42和图43数学模型计算结果知，对于北港航道，横沙岛北侧采样点涨落急流速变化不大，拦门沙上下游水域落急流速变化较小，涨急流速有所增大，增大幅度大于物理模型。对于北槽航道，北槽上中下游落急流速变化较小，北槽中上段，涨急流速变化较小，出口处涨急流速有所增大。

总体来说，方案实施后，物理模型与数学模型采样点流速变化趋势一致，由于试验潮型不同，流速变化幅度有所差异。

图39　数学模型航道采样点位置示意图

图40　物理模型北港航道采样点流速变化

图41　物理模型北槽航道采样点流速变化

图42　数学模型北港航道采样点流速变化

图43　数学模型北槽航道采样点流速变化

6　结论与建议

6.1　结论

本阶段物理模型试验研究内容较为简易，主要结论如下：

（1）基于物理模型相似准则，建立了长江口整体物理模型，利用2016年8月长江口实测水文测验对模型进行验证，验证结果良好。

（2）横沙东滩圈围工程实施后，围垦区东侧水流流态变化相对较大。工程前，外海涨潮水流越过横沙东滩向上游运动，工程后，受围垦区的影响，原涨潮越滩水流绕过围垦区，直接进入北港拦门沙区域，向上游运动。落潮时，水流在N23潜堤的作用下，相当一部分水流绕过潜堤进入横沙东滩，进而向外海运动，方案实施后，落潮水流沿围垦堤线向下游运动。

（3）横沙东滩圈围工程实施后，对于北港航道，横沙岛北侧涨落急流速变化不大，拦门沙上下游水域落急流速变化较小，涨急流速有所增大。对于北槽航道，北槽涨落急流速变化较小。通过与前期数学模型计算结果对比分析，物理模型与数学模型航道采样点流速变化趋势一致。

6.2　建议

本阶段物理模型仅研究横沙东滩圈围工程实施后的水动力变化，建议后续开展动床物理模型研究泥沙问题。