陳正新 陳小英 魏合龍 黃曉彬 吳建政 朱龍海

(1.國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室 山東青島 266071;2.青島海洋地質(zhì)研究所 山東青島 266071; 3.加拿大阿爾伯達(dá)大學(xué)計算機(jī)系 埃得蒙頓 阿爾伯達(dá) 加拿大;4.中國海洋大學(xué) 山東青島 266071)

珠江口東平海域海采工程后泥沙蝕淤趨勢預(yù)測研究①

陳正新1,2陳小英1,2魏合龍1,2黃曉彬3吳建政4朱龍海4

(1.國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室 山東青島 266071;2.青島海洋地質(zhì)研究所 山東青島 266071; 3.加拿大阿爾伯達(dá)大學(xué)計算機(jī)系 埃得蒙頓 阿爾伯達(dá) 加拿大;4.中國海洋大學(xué) 山東青島 266071)

通過收集和實測到的研究區(qū)水位、潮位、潮流驗證、沉積物類型和粒度參數(shù)、水深地形、風(fēng)、徑流值等邊界條件,運用泥沙運動控制方程、泥沙再懸浮及再沉積方程,進(jìn)行了工區(qū)泥沙運移相關(guān)參數(shù)的計算和模擬分析,并預(yù)測了工程實施后,工區(qū)內(nèi)、外動力作用的程度和泥沙的蝕淤趨勢發(fā)展。結(jié)果表明:開采區(qū)海采項目結(jié)束后,其淤積速度自NE 2～5 cm/a向SW 0.2～0.5 cm/a減小,NE部離珠江口較近,其淤積速度可達(dá)5～10 cm/a,SE和SW波浪作用影響較小,沉積物搬運主要受潮流控制,淤積速率為0.2～0.5 cm/a;施工期間的一個潮周期內(nèi),懸浮泥沙最大增量為42.5 mg/L,近岸開挖點10 mg/L濃度懸浮泥沙在E-W向的最大可能擴(kuò)散距離約為3.0 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約2.2 km;遠(yuǎn)岸開挖點10 mg/L濃度懸浮泥沙在E-W向的最大可能擴(kuò)散距離約為1.7 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約1.6 km;珠江口門處最大侵蝕速率為10 cm/a,最大淤積速率為13 cm/a,海砂開采后對海底的蝕淤變化影響范圍僅局限于其附近海域,對近岸和珠江口門區(qū)沒有明顯影響;一個水深30～60 m,開挖深度為10 m的采坑以淤積速率0.2～5 cm/a速度計,要使開采區(qū)淤平至少要200a或更長時間。

珠江口 海采工程 模擬預(yù)測 泥沙淤蝕

為滿足日益增長的發(fā)展需要,近年來,許多學(xué)者基于潮汐動力學(xué),對三角洲及海灣區(qū)的潮流和泥沙的運動規(guī)律作了大量工作,取得了豐碩成果,特別是潮流數(shù)模和泥沙輸送方面的研究,已給沿岸工程保護(hù),圍墾造田,濱海礦產(chǎn)的開采等提供了精確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文以實際調(diào)查所得資料為依據(jù),輔以前人資料,采用ECOMSED三維數(shù)值模型,對珠江口外海域海采工程(圖1)結(jié)束后,泥沙運移趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

1 方法依據(jù)及邊界條件確定

1.1 方法依據(jù)

泥沙蝕淤趨勢預(yù)測研究選用方法主要是泥沙運動控制方程和泥沙再懸浮及再沉積計算。前者利用沉積物在水體中作三維空間運動時所發(fā)生的對流擴(kuò)散原理,在假定的邊界條件下,根據(jù)泥沙的懸浮濃度、沉降速度、水平和垂直擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計算(公式略)。后者根據(jù)水體中懸浮體密度、剪切速度、近底流速、水深、海底摩擦系數(shù)大小等參數(shù),分別對沉積物粗細(xì)不同粒級進(jìn)行計算。選用計算公式:Gailani[1]等粘性土再懸浮公式、Krone[2]等粘性土再沉積公式、van Rijn[3]等非粘性土再懸浮公式、Karim&Holly[4]和van Niekerk[5]等的非粘性土底床穩(wěn)定和再懸浮公式(具體公式略)

1.2 相關(guān)參數(shù)確定

潮位和潮流驗證是利用擔(dān)桿島驗潮站作為潮位驗證點,利用2005年8月16日～17日本調(diào)查的4#站位(圖1)海流觀測資料進(jìn)行驗證,驗證曲線見圖2。

沉積物類型、粒度參數(shù)是根據(jù)珠江口外海域取得的75個站位沉積物資料,確定沉積物的類型(粘性土和非粘性土)、含量、中值粒徑(圖3)等。

水深及地形是根據(jù)中國人民解放軍海軍航海保證部制作的15020和15300號海圖以及附近海域工程近期大比例尺水深圖確定。假定海采深度按10 m計算。

風(fēng)場為海洋動力數(shù)值模擬所需的重要資料,本研究利用國家海洋局第一海洋研究所于1997年4月-1998年10月在南海西江平臺的風(fēng)觀測統(tǒng)計資料,統(tǒng)計了各向各級風(fēng)頻率,為數(shù)值模擬提供參數(shù)。

徑流參數(shù)是根據(jù)珠江水文統(tǒng)計資料,多年平均徑流量為3 124 X108m3,多年平均含沙量為0.283 kg/m3。由于本模型輸入的水深地形資料是根據(jù)海圖確定,未獲得珠江河口區(qū)詳細(xì)的水深地形圖,模型區(qū)域未包括整個珠江河口區(qū),因此模擬部分河口區(qū)的納潮量小于珠江口整個河口區(qū)的納潮量,輸入模型計算的徑流量按珠江口多年平均徑流的1/25計算,含沙量按2倍平均含沙量計算。

圖1 工程區(qū)淤蝕趨勢示意圖Fig.1 The chart of deposition and erosion at the area ofmining engineering

圖2 潮流驗證曲線圖Fig.2 Tidal current validation curve

2 實施前泥沙分布現(xiàn)狀

陳耀泰[6]認(rèn)為,珠江口海域的沉積速率可分為四類:伶仃洋西灘至磨刀門和虎跳門的西、北江主要分流河口弧形帶為高速沉積區(qū),平均速率>2.5 cm/ a,淺海灣局部地段可高達(dá)4.0～5.0 cm/a,最高的西槽區(qū)沉積速率可達(dá)5.4～7.0 cm/a,平均為6.2 cm/a (表1);在等深線5～10 m的海域及潮道區(qū)沉積速率可達(dá)1.5～2.5 cm/a;在伶仃洋東灘及外伶仃洋海區(qū)10～20 m等深線一帶,沉積速率為0.5～1.5 cm/a;在水深20～30 m的海域,沉積速率只有0.5～1.0 cm/a(表1),局部地段甚至還出現(xiàn)侵蝕,如萬山群島附近海域。而由于近年來珠江河流上游來沙不斷減少,造成了原來以沉積為主的5 m等深線以深海域變得以侵蝕為主了[7]。徐峰俊[8]等認(rèn)為,在珠江口伶仃洋海域5 m以深的區(qū)域,從1974年以后沉積速率在逐年降低,1974～1989年統(tǒng)計,15年間沉積速率為-0.85 cm/a,到1998年的10年間,沉積速率為-2.27 cm/a。

圖3 珠江口海域沉積物中值粒徑Fig.3 Middle grain of sediments at Pearl River Mouth

3 討論

3.1 工程實施后泥沙蝕淤變化分析

擬定海采區(qū)位于珠江口外(圖1),項目設(shè)開采深度10 m,水深于30～60 m之間,遠(yuǎn)離破波帶,海采后工區(qū)填淤基本不受沿岸破碎波和沿岸流輸砂影響,主要受外海波浪與潮流共同影響。本研究利用沉積物取樣分析、海流觀測等方法,結(jié)合水深地形、工程地質(zhì)、風(fēng)速和徑流資料,運用ECOMSED三維模型模擬,在波、流共同作用下,海采工程結(jié)束后,泥沙的分布和海底蝕淤趨勢。

3.1.1 正常波浪作用下蝕淤模擬

盡管工作區(qū)周邊河口區(qū)淤蝕變化太快,本工作期間未有較詳細(xì)的水深地形資料,故攔門沙和河道處等不能準(zhǔn)確地反映出來,但不影響對水深≥20 m的工程區(qū)蝕淤模擬分析。根據(jù)上述所確定的邊界條件,模擬計算結(jié)果為:開采區(qū)從東北部到西南部由于水體逐漸變深,泥沙的運移和沉積速率也變成了一個淤積階梯,其淤積速率自NE2～5 cm/a向SW0.2～0.5 cm/ a減小,NE部離珠江口較近,最易得到口外的懸浮泥沙,因此該區(qū)淤積速率較大,其淤積速度可達(dá)5～10 cm/a(圖3);SE和SW部水深較大,最大水深約60 m,波浪作用的影響較小,沉積物的搬運主要受潮流控制,淤積速率為0.2～0.5 cm/a(圖3)。

從圖3可以看出,開采區(qū)周邊海域水深多在20 ～80 m之間,模型計算得出:水深40～60 m區(qū)域多以侵蝕為主,侵蝕速率在1 cm/a以下,西北和東北側(cè)侵蝕速率最大,侵蝕速率可達(dá)2 cm/a;水深60～80 m區(qū)域(西南海域)和近鄰采區(qū)的西北側(cè)以淤積為主,淤積速率約0.05 cm/a。珠江口門區(qū)侵蝕速率為5～ 10 cm/a,淤積速率為5～13 cm/a;近岸淺水(20 m水深以內(nèi))海域以侵蝕為主,年侵蝕速率為2～10 cm/a。

表1 珠江口海域沉積速率(單位:cm/a)*Table1 Sedimentation rate at Pearl River Mouth(cm/a)

從報導(dǎo)的資料[6,8]和本模型計算的分析中可以看出,海采工程前,周邊及采區(qū)都是以侵蝕為主,工程結(jié)束后,在一段時期內(nèi),緊鄰采區(qū)的周邊局部地區(qū)流速有所加快,同時也會加速泥沙運移,利于周邊航道的疏竣,但對采區(qū)稍遠(yuǎn)的周邊(水深在20 m以淺)海域,特別是近岸區(qū)其它工程沒有影響,這一點我們在模擬流場的潮流對采區(qū)及周邊泥沙影響的比對計算中得到證明:在水深為30～60 m,開采深度為10 m時,中心區(qū)的流速變化從0.08～0.54 cm/s增加到0.40～1.86 cm/s,距開采區(qū)內(nèi)邊界2 km時,流速變化為0.40～1.86 cm/s,距開采區(qū)外邊界2 km時,流速變化為0.34～2.07 cm/s,在距開采區(qū)外邊界4 km時,流速影響并減少了1 cm/s左右,在距開采區(qū)邊界外6 km時,流速影響并減少了0.5 cm/s,在距開采區(qū)邊界10 km時,流速影響并減少了0.1 cm/s,對距開采區(qū)6 km以外海域的潮流場影響甚微,流速只減少了0.1 cm/s,因此,海采工程結(jié)束后,其潮流場對距開采區(qū)邊界6 km范圍內(nèi)有一定影響,6 km外潮流對泥沙的運移沒有多大影響,可以說,對泥沙搬運取主要作用的潮流基本是海采工程前該海域的自然狀態(tài),那么其淤積也就保持了原有的自然狀態(tài)。

3.1.2 大風(fēng)浪條件下蝕淤模擬結(jié)果

南海是臺風(fēng)最活躍的地區(qū)之一,臺風(fēng)過境后海底特別是近岸海底會產(chǎn)生比較明顯的蝕淤變化。根據(jù)珠江口外海域多年風(fēng)統(tǒng)計資料,一年一遇各向最大風(fēng)速為30.1 m/s。模擬了S和E兩個方向典型風(fēng)作用10 h后海底的蝕淤變化情況,模擬結(jié)果表明,在大風(fēng)浪作用下,海底呈與風(fēng)向平行的溝-壟狀地形,近岸海底最大侵蝕量可達(dá)1.4 m。同時也表明在一年一遇大風(fēng)浪作用下開采區(qū)不會產(chǎn)生驟淤現(xiàn)象。

3.2 開采區(qū)淤積的泥砂來源

海砂開采區(qū)水深在30～60 m之間,在破波帶以外,且開采區(qū)附近海域流速一般小于20 cm/s。因此,波浪侵蝕海底產(chǎn)生的沿岸流輸砂和采區(qū)外(西南和東南)海底泥沙的影響較小。開采區(qū)位于珠江口外,而珠江灣海域接納了八大徑流的輸沙量(7098 X 104m3/a[1]),到1991年止,燈籠山站多年平均輸沙量為2 472 X104t,從虎門、蕉門、洪奇門、橫門水道年輸沙量為4 670 X104t[9],大量的入海泥沙勢必會成為采區(qū)的主要物質(zhì)來源。另外,徐峰俊[8]等認(rèn)為,伶仃洋海域從1953-1974年間5 m以深的區(qū)域以淤積為主,而1974-1998年則以侵蝕為主,頭15年侵蝕速率為0.85 cm/a,后10 a侵蝕速率則上升到2.27 cm/a(表2),表明了近十幾年來,珠江口區(qū)挖砂和圍墾等原因,導(dǎo)致了以磨刀門為代表的西四口門輸水輸沙量減少了3%～4%[10],這一結(jié)果既造成了河口侵蝕加劇,河口下切加強(qiáng)[11],也會導(dǎo)致原先沉積的泥沙會被再次運移,成為采區(qū)淤積的泥沙來源之一。

表2 伶仃洋不同水深范圍淤積量和沉積速率的年均變化**Table2 Annual deposition and sedimentation rate at the different depth of water area in Lingding Ocean

3.3 泥沙濃度分布對周邊海域蝕淤影響

模擬計算結(jié)果表明,一個潮周期內(nèi),施工期間懸浮泥沙最大增量為42.5 mg/L,近岸開挖點流速較大,10 mg/L濃度懸浮泥沙在潮流主流向即E-W向的最大可能擴(kuò)散-距離約為3.0 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約2.2 km。遠(yuǎn)岸開挖點流速較小,10 mg/L濃度懸浮泥沙在潮流主流向即E-W向的最大可能擴(kuò)散距離約為1.7 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約1.6 km。

結(jié)果還表明,從正常波浪和一年一遇大風(fēng)浪條件下,開采區(qū)蝕淤變化速率皆遠(yuǎn)小于近岸和珠江河口區(qū),與周圍海域基本一致,同時,開采區(qū)水深在30～ 60 m之間,遠(yuǎn)離破波帶,海砂開采后,可使其附近海域流速減小0.01～2.07 cm/s,對采區(qū)泥沙的沉淀是有利的。

3.4 模擬效果對比分析

根據(jù)珠江口磨刀門海圖1977年測量水深資料與2003年水深資料對比,1977-2003年海底最大為2.5 m,最大侵蝕速率為10 cm/a;攔門沙及其以外區(qū)域發(fā)生淤積,攔門沙處淤積量大于以外海域,攔門沙處淤積速率為4～10 cm/a,攔門沙外海域淤積較弱,淤積速率為4 cm/a。本次模擬結(jié)果,珠江口門處最大侵蝕速率為10 cm/a,最大淤積速率為13 cm/a,與水深地形圖對比結(jié)果基本一致。因此,海砂開采后對海底的蝕淤變化影響范圍僅局限于其附近海域,對近岸和珠江口門區(qū)沒有明顯影響。

3.5 海砂開采后最終淤積和地形變化

模擬計算結(jié)果認(rèn)為:項目實施后,在波流的長期作用下,開采坑會逐漸被淤積填平,以正常波浪的常態(tài)作用,開采區(qū)淤積速率以0.2～5 cm/a速度計,要使開采區(qū)淤平至少要過200 a或更長時間。工程結(jié)束后,主要是施工區(qū)海底地形發(fā)生改變,對周邊海域地形的變化影響較小,而現(xiàn)階段近岸海域與珠江口門區(qū)蝕淤變化較大是一種自然現(xiàn)象,有資料表明,從1974年整個珠江口海域及灣口區(qū)就出現(xiàn)不同程度的侵蝕,隨著珠江上游來沙的減少,且具有侵蝕加快的趨勢,所以采區(qū)周邊的地形和蝕淤變化是一個自然現(xiàn)象,與本項目的實施相關(guān)性不大。

4 結(jié)論

(1)在常態(tài)波流作用下,開采區(qū)從東北部到西南部由于水體逐漸變深,造成了泥沙沉積速率成為一個淤積階梯,自NE2～5 cm/a向SW0.2～0.5 cm/a減小,NE部離珠江口較近,最易得到口外的懸浮泥沙,其淤積速度可達(dá)5～10 cm/a;SE和SW部水深較大,最大水深約60 m,波浪作用的影響較小,沉積物的搬運主要受潮流控制,淤積速率為0.2～0.5 cm/a。

(2)在大風(fēng)浪作用下,海底呈與風(fēng)向平行的溝-壟狀地形,近岸海底最大侵蝕量可達(dá)1.4 m,在一年一遇大風(fēng)浪作用下開采區(qū)不會產(chǎn)生驟淤現(xiàn)象。

(3)珠江灣海域每年接納7 098 X104m3/a的泥沙,成為了采區(qū)淤積的主要物質(zhì)來源,近年來由于珠江的來沙在不斷的減少,已沉淀泥沙的再次運移,成了采區(qū)淤積泥沙的另一來源。

(4)施工期間的一個潮周期內(nèi),懸浮泥沙最大增量為42.5 mg/L,近岸開挖點10 mg/L濃度懸浮泥沙在E-W向的最大可能擴(kuò)散距離約為3.0 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約2.2 km;遠(yuǎn)岸開挖點10 mg/L濃度懸浮泥沙在E-W向的最大可能擴(kuò)散距離約為1.7 km,S-N向的最大可能擴(kuò)散距離約1.6 km。

(5)珠江口門處最大侵蝕速率為10 cm/a,最大淤積速率為13 cm/a,與水深地形圖對比結(jié)果基本一致,海砂開采后對海底的蝕淤變化影響范圍僅局限于其附近海域。

(6)以正常波浪的常態(tài)作用,開采區(qū)淤積速率以0.2～5 cm/a速度計,要使開采區(qū)淤平至少要過200 a或更長時間。

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Sedimentary Process Simulation after Dongping M ining Engineering at Pearl River M outh

CHEN Zheng-xin1,2CHEN Xiao-ying1,2WEIHe-long1,2HUANG Xiao-bin3WU Jian-zheng4ZHU Long-hai4
(1.Key Laboratory of M arine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,M inistry of Land and Resources,Qingdao Shandong 266071; 2.Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao,Shandong 266071; 3.Department of Com puter Science,University of Alberta,Edmonton,Alberta,Canada; 4.Ocean University of China,Qingdao,Shandong 266071)

This paper presents a data-based study ofwater level,tide level,tidal currents,sediment type and sediment grain size,winds,runoff,subaqueous bedforms and so on including the application of ECOMSEDmodel to ana-

陳正新 男 1955年出生 研究員 海洋地質(zhì)和動力海洋學(xué) E-mail:czx5755831@sina.com

P512.2

A

1000-0550(2011)06-1164-06

①國家自然科學(xué)基金青年基金(批準(zhǔn)號:40906033)資助

2010-12-20;收修改稿日期:2011-03-09