李淑玲,宋玉鵬,邊淑華,劉建強(qiáng),胡澤建

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266110;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

鰲山灣水動(dòng)力環(huán)境及泥沙運(yùn)動(dòng)特征研究＊

李淑玲1,2,宋玉鵬2,邊淑華2,劉建強(qiáng)2,胡澤建2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266110;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

文章通過(guò)對(duì)鰲山灣波浪及海流資料的深入分析,對(duì)區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境形成較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水域懸沙觀(guān)測(cè)資料、沉積物取樣及粒度分析資料,結(jié)合區(qū)域水動(dòng)力資料,對(duì)鰲山灣及周邊區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明:鰲山灣具有較長(zhǎng)的深水岸線(xiàn),岸灘穩(wěn)定,泥沙來(lái)源少,有岬角掩護(hù)和一定范圍較為平坦的后方陸域,具備建設(shè)深水大港的條件。

鰲山灣;水動(dòng)力環(huán)境;泥沙運(yùn)動(dòng)

水動(dòng)力條件及泥沙運(yùn)動(dòng)特征是港口建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題,是制約港口正常運(yùn)行與否的重要因素。如黃驊港建成后,就遭遇了航道淤積的嚴(yán)重問(wèn)題,極大地影響了港口航道的正常使用,帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失與相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題。港口淤積容易造成航道及港池水深減小,妨礙航行,淤積嚴(yán)重的港口甚至成為廢港。防淤減淤工程耗費(fèi)巨資,而疏浚維護(hù)費(fèi)用也常成為沉重的負(fù)擔(dān)。因此,淤積問(wèn)題在多泥沙活動(dòng)的海岸常是建港成敗的關(guān)鍵之一。

青島市擬在鰲山灣建設(shè)新港區(qū),以緩解青島港目前通過(guò)能力和日益增長(zhǎng)的吞吐量之間的矛盾。針對(duì)鰲山灣的相關(guān)研究工作相對(duì)較少。趙俊等[1]運(yùn)用直讀海流計(jì)對(duì)灣內(nèi)進(jìn)行了4個(gè)測(cè)站的海流觀(guān)測(cè),通過(guò)對(duì)鰲山灣海域的潮流數(shù)值模擬,較為詳細(xì)地闡述了鰲山灣的潮汐、潮流特征及海水交換率與交換期,認(rèn)為與其他海灣相比,鰲山灣水交換能力一般。劉軍曉[2]通過(guò)對(duì)鰲山灣自然資源及岸線(xiàn)情況的敘述,提出了鰲山灣的開(kāi)發(fā)利用設(shè)想,為岸線(xiàn)的可持續(xù)利用提供參考。陳碧娟等[3]在1996年11月—1997年9月間對(duì)鰲山灣進(jìn)行了5次環(huán)境調(diào)查,對(duì)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征、種類(lèi)、數(shù)量及季節(jié)性變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。欒光中等[4]對(duì)青島及臨近區(qū)域的NE、NW向的斷裂活動(dòng)性進(jìn)行研究,認(rèn)為鰲山衛(wèi)—即墨微震帶是NW向斷裂的現(xiàn)代活動(dòng)性的表現(xiàn)。而關(guān)于鰲山灣的泥沙特征及水動(dòng)力作用下的運(yùn)移趨勢(shì)研究工作尚未開(kāi)展。

筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)波浪、海流資料的分析,對(duì)鰲山灣的水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行深入研究,分析研究區(qū)域沉積物來(lái)源及分布特征,結(jié)合區(qū)域水動(dòng)力條件開(kāi)展泥沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及區(qū)域沖淤趨勢(shì)綜合研究。

1 研究區(qū)概況

鰲山灣位于黃海的中西部,山東省即墨市東郊,灣口朝南,呈“C”字(圖1),灣口長(zhǎng)約12 km,南北寬約9 km,面積約160 km2,平均水深約4 m,最大水深13 m,岸線(xiàn)長(zhǎng)度約65 km,海底地勢(shì)平緩的向東南(灣口)傾斜。

鰲山灣海岸為一段走向SN向、岬角突出較小的基巖海岸,其東側(cè)岬角為女島,在西側(cè)經(jīng)鰲山頭與小島灣隔開(kāi),習(xí)慣上將女島至嶗山頭一帶海域合稱(chēng)嶗山灣。

鰲山灣和小島灣中水深多0～5 m,灣口附近水深最大10 m左右,向外海水深持續(xù)增大,至外圍水深可達(dá)20 m。鰲山灣及周邊區(qū)域水域開(kāi)闊,陸域?qū)拸V,多低山丘陵和剝蝕準(zhǔn)平原,植被茂密,有多條近源時(shí)令小河由山地下流入海。海域?yàn)稠敵睘┍粐铋_(kāi)發(fā)為鹽田和養(yǎng)殖池,女島和鰲山頭等基巖岬角區(qū)修建了小型港口。

區(qū)域主要出露巖層為黑云母花崗和白崗巖,地層及巖體中有多期脈巖侵入,成為沿岸基巖岬角的主要組成巖體。本區(qū)有單斜構(gòu)造和斷裂出現(xiàn),但無(wú)新生斷裂和火山活動(dòng),地震活動(dòng)不強(qiáng)烈。

2 研究區(qū)水動(dòng)力特征

2.1 波浪

根據(jù)鰲山灣為期1年的波浪觀(guān)測(cè)資料,鰲山灣及附近海域浪高較小,小于0.4 m的波浪頻率占54.90%,不小于0.5 m而小于1.0 m的波浪頻率占 39.42%,不小于 1.0 m而小于1.5 m的波浪頻率占4.62%,不小于1.5 m而小于2.0 m的波浪占0.87%,不小于2.0 m而小于2.5 m的波浪僅占0.10%。較大的波浪主要出現(xiàn)在NNE向、E向、SE向和SSE各向,這些方向的波浪主要來(lái)自于外海,多數(shù)以涌浪為主。年各向波向及波高玫瑰圖見(jiàn)圖2。

圖2 鰲山灣年各向波向玫瑰圖

2.2 海流特征

在研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了8個(gè)站位的海流觀(guān)測(cè)(圖1),進(jìn)行了大、小潮兩次周日連續(xù)同步觀(guān)測(cè),使用儀器為挪威安德拉儀器公司生產(chǎn)的RCM4s和RCM9型自計(jì)海流計(jì),以及中國(guó)海洋大學(xué)科教儀器總廠(chǎng)生產(chǎn)的SLC9-2型直讀式海流計(jì)。在海流觀(guān)測(cè)的同時(shí)同步進(jìn)行了懸浮泥沙觀(guān)測(cè),含沙量的測(cè)定采用抽濾法,濾膜孔徑為0.45μm,使用1/10000 g電子天平稱(chēng)重,根據(jù)抽濾前后濾膜重量的變化及水量得出含沙量。

圖1 研究區(qū)地理位置及海流站位

根據(jù)實(shí)測(cè)海流資料分析結(jié)果,鰲山灣海流為規(guī)則半日潮流,潮流的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流兼存,其中鰲山灣內(nèi)水域以往復(fù)流為主,灣外則為旋轉(zhuǎn)流。潮流橢圓長(zhǎng)軸方向表、中、底3層基本都在WN—ES方向,潮流最大可能流速38.4～62.7 cm/s。調(diào)查區(qū)實(shí)測(cè)流速在灣內(nèi)為30～50 cm/s,灣外可達(dá)60～70 cm/s,漲潮流速大于落潮流速。漲潮流灣外為SW向,灣內(nèi)為偏N向,落潮流向相反。海流流速由岸向海逐漸增大,自表至底逐漸減小,流向在垂直線(xiàn)上的分布比較一致。

鰲山灣海域余流流速不大,大潮期最大余流流速為15.9 cm/s,流向?yàn)?7°,小潮期最大余流流速為13.2 cm/s,流向?yàn)?09°。遠(yuǎn)岸余流流速相對(duì)較大,近岸余流流速較小。大潮期各站的余流流向基本為偏N向,小潮期各站余流流向與漲潮流主流向基本一致。垂線(xiàn)上,各層余流流向基本一致。

各測(cè)站垂向漲、落潮流平均流速及流向見(jiàn)表1。

表1 各站垂向上漲、落潮流平均流速 V及流向

3 沉積物分布及運(yùn)動(dòng)特征

3.1 沉積物分布

在研究區(qū)采集了100多個(gè)站位的表層沉積物,并進(jìn)行了粒度分析,各粒級(jí)分布特征如下:

鰲山灣研究區(qū)海底沉積物有砂(S)、粉砂質(zhì)砂(TS)、粉砂(T)和黏土質(zhì)粉砂(YT)等幾種。其中,粉砂和黏土質(zhì)粉砂分布范圍最廣,占據(jù)了2 m以深水域的海底,部分近岸潮灘區(qū)如鰲山灣的大橋?yàn)?、小島灣的王哥莊灘近岸水域組成物質(zhì)為粉砂。粗顆粒的砂質(zhì)沉積物則主要分布在近岸區(qū),包括岬角兩側(cè)平直岸段的海灘以及凹入較小、開(kāi)敞程度較大的潮灘上。如小島灣的王哥莊灘和驢島以北的泊子灘,除近岸50～100 m范圍內(nèi)顆粒較細(xì)外,大部分水域海底沉積物為黏土質(zhì)粉砂(圖3)。

圖3 研究區(qū)表層沉積物分布特征

3.2 泥沙來(lái)源分析

根據(jù)自然地理位置、海岸類(lèi)型和周邊陸域情況,研究區(qū)泥沙來(lái)源主要有河流輸沙、海岸侵蝕來(lái)沙和外海來(lái)沙等幾種,現(xiàn)就各種泥沙來(lái)源進(jìn)行分析。

河流輸沙:研究區(qū)內(nèi)無(wú)大河注入,僅有抬頭河、黃官莊河、東皋虞河、水泊河、白廟河、曉望河、土寨河和王哥莊河等山溪雨源小河注入,向海輸入一定的泥沙。根據(jù)流域面積和侵蝕模數(shù)估算,每年向海輸沙量約10萬(wàn)t余。

海岸侵蝕來(lái)沙:研究區(qū)岸段海岸組成物質(zhì)主要是變質(zhì)巖、砂礫巖和花崗巖等,在波浪長(zhǎng)期作用下,崩塌破碎,可提供一定數(shù)量的入海沙源,但數(shù)量有限。

外海來(lái)沙:研究區(qū)海域水體較清,外海水體懸沙可通過(guò)水體交換擴(kuò)散至此,并在海底落淤。本區(qū)鄰近海灣丁字灣是泥沙來(lái)量豐富,淤積較為嚴(yán)重的典型海灣,其渾水懸沙很可能隨山東半島南下的沿岸流運(yùn)移至本區(qū)。

根據(jù)本區(qū)泥沙來(lái)源和海底泥沙分布情況,認(rèn)為近岸粗顆粒泥沙主要是河流輸沙和海岸侵蝕來(lái)沙堆積所致,而深水區(qū)細(xì)顆粒泥沙主要來(lái)自于懸沙落淤。

鰲山港海區(qū)是全新世海侵發(fā)生后,海水淹沒(méi)嶗山山脈東北麓余脈的丘陵谷地而成。伸入海中的丘陵崗嶺及臨海山麓準(zhǔn)平原,遭受侵蝕,發(fā)育基巖海蝕岸,因海崖不斷蝕退,在海蝕崖前形成了巖灘(海蝕臺(tái))。研究區(qū)內(nèi)有多條小型河流入海,帶來(lái)陸源物質(zhì)。河流來(lái)沙和海岸侵蝕下來(lái)的物質(zhì),在海洋水動(dòng)力作用下,細(xì)顆粒部分被帶至海蝕臺(tái)外海底堆積,形成堆積坡(水下岸坡),粗顆粒部分則在原地堆積,并在波浪作用下由基巖岬角向?yàn)稠斶\(yùn)移,形成了窄長(zhǎng)的海積、沖海積小平原及寬坦的潮灘。

目前,隨著海蝕臺(tái)的加寬,消耗了作用于海岸上的海洋動(dòng)力的大部分能量,海蝕崖日趨穩(wěn)定。由于人工水庫(kù)的修建,河流來(lái)水來(lái)沙量日趨減小,進(jìn)入研究區(qū)的泥沙來(lái)源主要還是海岸侵蝕來(lái)沙和河流來(lái)沙,但來(lái)沙量已少之又少,研究區(qū)岸線(xiàn)基本穩(wěn)定。小島灣和鰲山灣等岸線(xiàn)凹入程度較大的灣頂均修建了人工鹽田和蝦池,占據(jù)了原來(lái)潮灘的位置,鹽田和蝦池前人工堤形成了新的岸線(xiàn),海底地形略微調(diào)整,在原有細(xì)沙沉積物表層又沉積了5～10 mm厚的薄層細(xì)顆粒黏土粉砂類(lèi)物質(zhì)。而由于水體中懸浮物的存在,水下岸坡存在由懸沙落淤造成的輕微淤積。但由于研究區(qū)水體較清,懸沙含量較小,淤積程度很小。

3.3 水體懸沙含量調(diào)查

根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)水體懸沙含量,研究區(qū)水域海水含沙量不大。根據(jù)觀(guān)測(cè)結(jié)果(表2),海水含沙量為0.2～85.5 mg/L,平均在15.0～23.6 mg/L之間。含沙量變化符合一般規(guī)律,從表至底逐漸增大。漲潮和落潮時(shí)段水體懸沙含量差別不大,淺水區(qū)漲潮水體含沙量略高于落潮水體含沙量。

表2 各站垂線(xiàn)平均含沙量特征值 mg/L

含沙量受海流與波浪影響,含沙量值與流速正相關(guān),且在淺水區(qū)波浪作用顯著。其中0～5 m的淺水區(qū)域,小潮平均含沙量明顯大于大潮期,5～10 m水域小潮期含沙量偏大,但優(yōu)勢(shì)不如淺水區(qū)明顯便是明證;深水區(qū)水體含沙量則取決于潮流,基本不受風(fēng)浪影響,小潮期平均含沙量小于大潮期。此外,岬角區(qū)由于潮流流速較大,風(fēng)浪作用也不如潮流作用明顯。

3.4 全潮單寬輸沙量的計(jì)算

通過(guò)對(duì)單寬輸沙量的計(jì)算,可以判斷泥沙來(lái)源,輸移方向和海底沖淤變化。影響單寬輸沙量的因素很多,主要有流速、流向、水深、余流、泥沙特性和波浪作用。

本次測(cè)量是在天氣狀況正常的情況下、研究區(qū)泥沙特性差異不大,因此本次測(cè)算結(jié)果代表的是正常天氣情況、海流和地形作用下的泥沙輸移趨勢(shì)。

根據(jù)各站位單寬輸沙量計(jì)算結(jié)果,研究區(qū)日單寬輸沙量不大,全潮日單寬輸沙量大潮期為377.4～777.3 kg/d·m,小潮期為306.5～1109.2 kg/d·m(表3)。從平面分布來(lái)看,大潮期灣外各站懸沙單寬輸沙量大于灣內(nèi),輸沙方向?yàn)硟?nèi)各站指向?yàn)稠?灣外指向西南,均為漲潮流方向。小潮期靠近灣口各站輸沙量較大,而灣外和靠近灣頂?shù)貐^(qū)輸沙量有減小。輸沙方向?yàn)硟?nèi)各站為漲潮流方向,除3號(hào)站外,懸沙凈輸移方向均指向?yàn)稠?灣外各站指向東北向,為落潮流方向。

表3 各站單寬輸沙量

4 結(jié)束語(yǔ)

鰲山灣海底沉積物中粉砂和粉砂質(zhì)砂分布范圍最廣,占據(jù)了2 m以深水域的海底。海水較清,含沙量從表至底逐漸增大,含沙量值與流速正相關(guān)。泥沙來(lái)源主要有河流輸沙、海岸侵蝕來(lái)沙和外海來(lái)沙等幾種,其中近岸粗顆粒泥沙主要是河流輸沙和海岸侵蝕來(lái)沙堆積所致,而深水區(qū)細(xì)顆粒泥沙主要來(lái)自于懸沙落淤,海區(qū)外來(lái)沙源較少。目前鰲山灣海岸態(tài)勢(shì)總體較為穩(wěn)定,沖淤變化較小。由于該區(qū)域常浪向?yàn)闁|南方向,女島處岬角恰好對(duì)鰲山灣內(nèi)形成了掩護(hù),加之具有較長(zhǎng)的深水岸線(xiàn)以及一定范圍較為平坦的后方陸域,鰲山灣具備建設(shè)深水大港的條件。

[1] 趙俊,陳俊罰.鰲山灣水動(dòng)力狀況研究[J].海洋水產(chǎn)研究,2001,22(3):59-63.

[2] 劉軍曉.青島鰲山灣岸線(xiàn)及海域資源利用初探[J].高校講壇,2008(14).

[3] 陳碧鵑,李云平,邢紅艷,等.鰲山灣浮游植物的生態(tài)特征[J].海洋水產(chǎn)研究,2003,24(2):18-24.

[4] 欒光忠,任魯川,段本春.青島及其鄰區(qū) N E、NW向斷裂的活動(dòng)性研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1999,29(4):727-732.

國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金——波浪作用下黃河三角洲海底土穩(wěn)定性及管道電纜安全研究(2010306).