王玉海

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044）

膠州灣潮致余環(huán)流與水道-沙脊演化

王玉海

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044）

膠州灣保存了較為完整的水道-沙脊體系。在人類高強度工農(nóng)業(yè)活動干預(yù)下，水道的穩(wěn)定是關(guān)系到該地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要問題。數(shù)值模擬顯示，受海岸線和水下地形的控制，膠州灣內(nèi)外形成了若干規(guī)模、強度不等的潮致余環(huán)流系統(tǒng)；不同時期的水下實測地形圖的對比揭示出滄口水道作為膠州灣內(nèi)一條重要的黃金水道，呈現(xiàn)出不斷淤積萎縮的趨勢，據(jù)分析與余環(huán)流持續(xù)提供的細(xì)顆粒泥沙淤積有關(guān)。膠州灣潮致余環(huán)流對維系灣內(nèi)、外的水力泥沙聯(lián)系和水道-沙脊體系的演化具有重要作用。

水道-沙脊；余環(huán)流；演變；滄口水道；膠州灣

Biography：WANG Yu-hai（1970-），male，senior engineer.

膠州灣位于山東半島南岸、南黃海西北緣，灣內(nèi)平均水深約6.7 m，是一個半封閉的淺水海灣。膠州灣內(nèi)共有4條水道，從東向西依次為滄口水道、中央水道、大沽水道和島洱河水道；水道之間由東向西依次是滄口沙脊、中央沙脊和大沽沙脊；這些水道、沙脊以灣口為界呈指狀排列；膠州灣外有北沙、南沙、大竹、赤島4條沙脊和中央落潮水道、竹岔漲潮水道等［1］。膠州灣的水道-沙脊體系開始形成于晚更新世36 560 a B.P.，經(jīng)多次海侵過程中波流作用塑造而成［1］。本文針對這種背景下膠州灣內(nèi)重要水道的穩(wěn)定性問題進(jìn)行探討。

1 膠州灣余環(huán)流格局

膠州灣近海的潮流主要受南黃海海州灣外M2分潮無潮點左旋潮波的影響，屬于正規(guī)半日潮流。灣外潮波屬于前進(jìn)波，漲潮時潮波方向為西偏南方向，落潮時為東偏北方向；而灣內(nèi)的潮波則屬于駐波性質(zhì)；當(dāng)潮波傳入灣內(nèi)時，灣頂比灣口要晚10 min左右，振幅則較灣口處高10 cm左右［2-3］。受膠州灣海岸線及灣內(nèi)外水道-沙脊地形的控制，膠州灣內(nèi)外形成了若干規(guī)模、強度不同的潮致余環(huán)流系統(tǒng)［2-3］（圖1）。

余環(huán)流a位于婁山河口附近海域，呈逆時針旋轉(zhuǎn)，南北長約2.9 km，東西寬約3.9 km，最大余流速度約0.8 cm/s；余環(huán)流b位于滄口水道西側(cè)，呈順時針旋轉(zhuǎn)，東西寬約10.3 km，南北長約9.8 km，是膠州灣內(nèi)規(guī)模最大的余流，最大余流速度約3.1 cm/s；在黃島北側(cè)存在一個強度較弱、范圍較大的逆時針余環(huán)流c，東西寬約9.5 km，南北長約5.9 km，最大余流速度約4.4 cm/s；余環(huán)流d位于團島和黃島之間，呈順時針旋轉(zhuǎn)，東西寬約4.2 km，南北長約8.9 km，最大余流速度約13.2 cm/s，是強度最大的一個余環(huán)流；余環(huán)流e位于團島和薛家島之間，呈逆時針旋轉(zhuǎn)，最大余流速度約9.1 cm/s；膠州灣口門外的余流f范圍較大，大致呈順時針旋轉(zhuǎn)；在劉家島魚鳴嘴處也形成一對規(guī)模較小的余環(huán)流g和h［2-3］。

2 膠州灣灘槽穩(wěn)定性

2.1 總體格局

注入膠州灣的河流有漕汶河、島耳河、洋河、南膠萊河、大沽河、桃源河、洪江河、石橋河、墨水河、白沙河和李村河等11條；長度大于30 km的有大沽河、洋河、墨水河、白沙河、南膠萊河5條，其中大沽河最大，其流量約占大沽河、墨水河、白沙河及洋河4條河總流量的85.6%；上述河流均為季節(jié)性河流，汛期集中在7、8、9三個月［4］。

近百年來膠州灣水域面積不斷縮小。原因主要是膠州灣周邊各條河流輸入的泥沙和人類直接向灣內(nèi)傾倒的廢棄物，導(dǎo)致岸線快速淤進(jìn)；其次與近百年來人類在膠州灣沿岸進(jìn)行的各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關(guān)，例如在灣內(nèi)北部和西北部灘涂上匡圍了大規(guī)模的鹽田和蝦池，在東部沿岸和島嶼上修建了大量碼頭、工廠、防潮墻等，其中圍填最嚴(yán)重、岸線變化最大的岸段為膠州灣的西北部（宿流至紅石崖）、東北部（石油化工廠至紅島東大洋）和東岸（從魯能化工碼頭到青島港五號碼頭）［4］。20世紀(jì)80年代開始禁止將工農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾傾倒入膠州灣內(nèi)，同時修建水庫和流域水土治理等措施使得輸入膠州灣的泥沙數(shù)量大大減少，多年平均年輸沙量從1979年前的163萬t銳減到每年約2.89萬t［5］，膠州灣此前快速淤積縮小的趨勢得以遏制。但是近年來環(huán)膠州灣地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展加劇了不同單位對岸線水道資源的爭奪，圍填造陸成為膠州灣水域面積縮小的主要原因。

圖1 膠州灣M2分潮表層余流系統(tǒng)Fig.1 Surface residual eddies of M2 tide in Jiaozhou Bay

2.2 滄口水道演變

滄口水道位于膠州灣東岸，是膠州灣內(nèi)規(guī)模最大的黃金水道之一，以-5 m等深線計，其長度為15 km左右，寬度0.5～2 km，最大水深-26 m。著名的青島港大、中、小港區(qū)就位于該水道內(nèi)。

1963～1983年間滄口水道呈現(xiàn)快速淤積的態(tài)勢，淤積速率從深水區(qū)到淺水區(qū)在1.8～4.6 cm/a，其中海泊橋、沙嶺莊至李村河口一帶淤進(jìn)尤為顯著，-2 m等深線向南淤進(jìn)了3.3 km［6］；1985～2003年間水道總體繼續(xù)淤淺，年淤積強度不超過4.5 cm［5］。

通過對比分析2002年和2008年滄口水道內(nèi)從海泊河口至航務(wù)二公司后?；卮a頭1：10 000水下實測地形圖可知（圖2），該區(qū)域淤積總量約 66.32萬m3，侵蝕總量約20.02萬m3，凈淤積量46.30萬m3，凈淤積速率約2.2 cm/a。

國內(nèi)某單位可能最早于1997年做出預(yù)測，“預(yù)計2002年以后，滄口水道軸線以東，北至魯能碼頭的范圍不再出現(xiàn)-2.0 m等深線，取而代之的全是-5.0 m以下的等深線”［4］。事實上，圖2顯示2008年-2 m等深線不僅沒有消失，反而有所淤進(jìn)。說明1997～2008年滄口水道一直處于輕度淤積。

從水動力上來講，對于膠州灣東部水域而言，主要受到WNW向風(fēng)成浪的作用。-2 m等深線是否消亡與該向波浪的作用密切相關(guān)。

滄口水道波浪的破碎水深一般為-1 m以淺，頻率為80%以上；最大破碎水深為-2 m，頻率為0.3%；50 a一遇波浪的破碎水深為-3～-4 m［6］?？紤]到波浪破碎時與水位高低的關(guān)系，可以判斷年平均波浪破碎水深在1.42 m（大港理論基面，下同）線附近，年最大波浪破碎水深在0.4 m線附近，50 a一遇波浪破碎水深在-1.58 m附近；相應(yīng)地，0.5 m以上潮間帶為泥沙活躍區(qū)，0.5～-1.5 m淺水區(qū)為泥沙活動過渡區(qū)，-1.5 m以深為準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)，這里波浪的影響已變得不重要了。

由此可見，滄口水道軸線以東-2 m等深線處的海床很少有機會直接受到波浪的侵蝕作用；同時，這里潮流動力相對較弱，難以起動沉積下來的泥沙，-2 m等深線因而得以長期保留。

圖2 滄口水道2002～2008水下地形變化圖Fig.2 Bathymetrical variations of 2002～2008 in Cangkou waterway

膠州灣的泥沙主要來自河流輸沙。但是由于各條河流修建水庫，進(jìn)行流域水土治理，目前輸入膠州灣的河流泥沙量已經(jīng)很小；同時從膠州灣外隨漲潮流輸入灣內(nèi)的泥沙數(shù)量也很有限。在這種情況下，膠州灣整體上已由原先較快的淤積環(huán)境轉(zhuǎn)為目前的輕微淤積或者沖刷階段；灣內(nèi)泥沙活動的動力因素主要是淺灘上風(fēng)浪掀沙，然后通過潮流進(jìn)行輸移，并沉積在水流動力較弱的區(qū)域。而滄口水道淤積的細(xì)顆粒泥沙大部分應(yīng)該來自膠州灣內(nèi)大沽河口水下三角洲受風(fēng)浪掀沙作用懸浮的細(xì)顆粒泥沙，通過余環(huán)流b持續(xù)地輸移到滄口水道內(nèi)沉積下來。

總體而言，滄口水道將長期接受細(xì)顆粒泥沙的沉積而呈緩慢淤積趨勢，-2 m等深線將會長期存在；但如果在膠州灣東岸出現(xiàn)較大規(guī)模的圍填工程活動，將會導(dǎo)致局部岸段淤積加速；同時納潮水體的減少會直接削弱落潮流對滄口水道的刷深作用，不利于深水航道的維護。

3 結(jié)語

在河流輸沙大幅減少的背景下，膠州灣整體上已由原先的較為快速的淤積環(huán)境，轉(zhuǎn)為目前的輕微淤積或者沖刷階段；灣內(nèi)泥沙的活動主要是風(fēng)浪掀動0 m以上淺灘和潮間帶的泥沙，然后通過潮流特別是余環(huán)流將細(xì)顆粒泥沙輸移并沉積到水動力較弱的區(qū)域。這一“灘沖槽淤”的調(diào)整過程將會持續(xù)較長一段時間，直到建立新的動態(tài)平衡時為止。

在膠州灣沿岸進(jìn)行的諸如港口擴建、航道疏浚、灘涂圍墾、建筑采砂等各項工程活動都應(yīng)該在充分了解膠州灣水道-沙脊體系整體演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃、有序開發(fā)，努力維護重要水道的長期穩(wěn)定和健康發(fā)展。

［1］王玉海，劉自力，紀(jì)育強，等.海侵驅(qū)動下的膠州灣沙脊-水道體系形成與演變［J］.水道港口，2009，30（5）：311-315.

WANG Y H，LIU Z L，JI Y Q，et al.Evolution of sand ridge-channel systems of Jiaozhou Bay driven by sea transgression［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（5）：311-315.

［2］孫蘭英，孫長青，王學(xué)昌，等.青島海灣大橋?qū)δz州灣潮汐、潮流及余環(huán)流的影響預(yù)測I：膠州灣及臨近海域的潮流［J］.青島海洋大學(xué)學(xué)報，1994（8）：105-119.

SUN L Y，SUN C Q，WANG X C，et al.Forcast of impact of Qiangdao Bay bridge on tide，tidal current and residual current of Jiaozhou Bay I：Tidal current of Jiaozhou Bay and adjacent sea area［J］.Journal of Ocean University of Qingdao，1994（8）：105-119.

［3］萬修全，鮑獻(xiàn)文，吳德星，等.膠州灣及其鄰近海域潮流和污染物擴散的數(shù)值模擬［J］.海洋科學(xué)，2003，27（5）：31-36.

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［4］胡澤建.國家重點公路青島-紅其拉甫線青島高架路段工程海床演變分析［R］.青島：國家海洋局第一海洋研究所，2003.

［5］邊淑華，呂京福.膠州灣采砂與航運功能優(yōu)化相關(guān)研究［R］.青島：國家海洋局第一海洋研究所，2004.

［6］武桂秋.青島電廠附近海域泥沙問題調(diào)查研究報告［R］.青島：國家海洋局第一海洋研究所，1989.

Tidal residual eddies and evolving sand ridge-channel system in Jiaozhou Bay

WANG Yu-hai
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100044，China）

Jiaozhou Bay has preserved a sand ridge-channel system（SRCS）.As intervened by intense human engineering activities，the stability of waterways has been an important problem affecting the regional sustainable social and economic development.Numerical simulations indicate that tidal residual eddies of varying scales and strengths occur in Jiaozhou Bay.Comparisons of bathymetric surveys of different periods disclose that the Cangkou waterway，as one of the most important navigation channels of Jiaozhou Bay，has seen ongoing siltation as a result of continuous suspended-sediment supply.Tidal residual eddies maintain the water-sand connections inside and outside the Jiaozhou Bay and play an important role in SRCS′s evolving.

sand ridge-channel；tidal residual eddy；evolution；Cangkou waterway；Jiaozhou Bay

TV 143+.2

A

1005-8443（2010）05-0370-03

中國水利水電科學(xué)研究院青年專項（泥集1009）

王玉海（1970-），男，山西省襄汾人，博士，高級工程師，從事河口海岸泥沙運動基本理論及其工程應(yīng)用研究。