李安龍， 楊肖迪， 羅小橋， 李春雨

(1. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；4. 勝利油田信科海洋勘察測繪有限公司，山東 東營 257055)

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防波堤建設(shè)前后廢黃河水下三角洲沖淤變化特征與成因研究?

李安龍1,2， 楊肖迪1,2， 羅小橋3， 李春雨4

(1. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；4. 勝利油田信科海洋勘察測繪有限公司，山東 東營 257055)

本文利用近幾年的水深斷面與區(qū)域測深資料分析了蘇北廢黃河三角洲突出部位海底在防波堤建設(shè)前后的沖淤變化特征。研究結(jié)果表明，廢黃河水下三角洲在防波堤修建之前已達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)，并形成水下斜坡和海底平原地貌單元，斜坡侵蝕下限在-15m水深。防波堤建成后水下斜坡和海底平原受到侵蝕，斜坡侵蝕下限下移到-16.7m而穩(wěn)定。其中侵蝕嚴(yán)重區(qū)主要發(fā)生在兩側(cè)防波堤的根部、堤頭及北堤轉(zhuǎn)折處，最大沖刷深度超過2m；淤積部位出現(xiàn)在南堤中部和防波堤內(nèi)，其中南堤中部淤積量在1～2m之間，而堤內(nèi)淤積厚度在0～6m左右，堤內(nèi)凈淤積量為4.9×106m3，占總淤積量的65%。數(shù)模結(jié)果顯示，防波堤的出現(xiàn)改變了原來的流場并在堤周圍形成渦流，造成了堤外沖刷懸浮的泥沙在潮流和渦流作用下向堤內(nèi)的搬運(yùn)與沉積；同時(shí)波浪場也因防波堤地形的突然變淺波高增加而下蝕海底能量增強(qiáng)。分析認(rèn)為，防波堤的修建是造成海底沖淤格局重新分布的重要原因。

廢黃河水下三角洲； 水深比對； 沉積物再分布； 數(shù)值模擬； 防波堤

自黃河1855年改道北歸渤海后，江蘇北部廢黃河水下三角洲在海洋動力侵蝕作用下受到劇烈沖刷[1-3]，在經(jīng)過一百多年的侵蝕后，海岸線已后退20多公里，張仁順等認(rèn)為水下三角洲基本沖刷殆盡[4-6]，-5、-10m等深線均基本順直。隨著底部泥沙粗化和老淤泥的出露，抗沖刷能力增強(qiáng)，近期侵蝕速率明顯趨緩，表現(xiàn)為岸坡侵蝕陡坡的整體內(nèi)移[3,6]。侵蝕主要發(fā)生在-10m水深以淺的近岸區(qū)，而-15m附近及其以下部分海床處在經(jīng)常性波浪作用的范圍之外[3,6-7]。在廢黃河三角洲突出部位，由于突出向海，受侵蝕最強(qiáng)烈，斷面形態(tài)已呈現(xiàn)全面侵蝕的下凹型，深水區(qū)更為貼岸，-15m等深線距岸僅3.95km[5]。多年的水深斷面觀測顯示，廢黃河三角洲海域-15m以深地形平緩，海床基本穩(wěn)定[9]，這為海港建設(shè)提供了優(yōu)越的水深條件[6]。經(jīng)過充分的論證，2008年12月，江蘇濱海港防波堤北堤開工建設(shè)，至2011年南堤建成，北堤末端位于水深-14.0m(當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面)。防波堤建成后對周圍海底地形將產(chǎn)生什么樣的變化目前還不清楚，而這個(gè)變化對今后防波堤的運(yùn)行將產(chǎn)生重要影響。本文根據(jù)研究區(qū)建堤之前后的區(qū)域測深資料和近幾年的斷面水深，分析了建設(shè)防波堤前后本海區(qū)海底沖淤變化特征與成因分析。該研究成果對于濱海港的港口航道工程的日常維護(hù)和防御風(fēng)暴災(zāi)害具有重要意義。

1 資料來源與方法

本文于防波堤建設(shè)前的2007年5月和建成后的2012年8月利用中海達(dá)雙頻測深儀對防波堤外側(cè)600 m范圍內(nèi)及內(nèi)部進(jìn)行了1∶10 000的水深測量，并重復(fù)測量了已收集到長江口水文資源勘測局于2004年5月測量的3條固定斷面 (見圖1)。斷面1位于廢黃河口南側(cè)，長8.5 km；斷面2位于翻身河口北南防波堤南側(cè)600m位置，長7.5 km；斷面3位于廢黃河三角洲突出部位，現(xiàn)穿過北堤，長6 km。本文中所有水深都通過翻身河閘實(shí)測潮位改正到當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面。將同點(diǎn)位置的水深值相減計(jì)算了調(diào)查區(qū)海底的沖淤量。為查明防波堤對周圍流場的影響，利用mike21數(shù)值模擬軟件對防波堤周圍漲潮流和落潮流流場的變化情況進(jìn)行了模擬。

2 研究結(jié)果

2.1 防波堤建設(shè)前后的水下地形特征

根據(jù)實(shí)測資料分別繪制建堤前(2007年)和建堤后(2012年)的水深圖(見圖2)，從圖上可以看出，建堤前調(diào)查區(qū)內(nèi)近岸-2m等深線平行于岸線分布，北部坡降略緩,南部略陡，平均坡降為5.6×10-3；-3～-9m等深線在海域岸線突出部位外密集，坡降明顯增大，可達(dá)10.75×10-3，向北和向南坡降分別趨緩為6×10-3左右；-9m以深等深線平行向外加深，海底平坦，坡降為3.6×10-3。-14m等深線以外，海底地形十分平坦。

圖1 研究區(qū)范圍及剖面位置(2007年水深)Fig.1 Study area and location of section (isobath of 2007)

建堤后防波堤內(nèi)由岸線向口門水深從0m逐漸增加到-11.7m。-3m等深線以淺海底地形平坦，坡降為1.8×10-3。-3m以深海底地形較為平坦，等深線呈南北走向，坡降為5.4×10-3。防波堤外北側(cè)600m范圍內(nèi)，-10m以淺海底地形較為平坦，等深線凹向海岸并向東增大，坡降為5.0×10-3。-16m等深線以外，海底地形變得十分平坦。從圖2可以看出，至2012年8月沿北堤海底已形成沖溝，較堤內(nèi)深5m左右。防波堤外南側(cè)600m范圍內(nèi)，等深線呈SW走向與南堤斜交并向岸偏轉(zhuǎn)到與海岸線平行排列，向外海水深加大，坡降為5.6×10-3。

2.2 防波堤建設(shè)前后的海底沖淤特征

2.2.1 整體沖淤變化 利用Surfer軟件，將同點(diǎn)位置的水深值相減得到調(diào)查區(qū)的海底沖淤變化圖(見圖3)。從圖3可以看出，防波堤北堤外側(cè)處于沖刷狀態(tài)，堤根部與堤頭沖刷最為強(qiáng)烈，沖刷深度1～2m；防波堤外北側(cè)轉(zhuǎn)折處，沖刷程度較弱，沖刷深度小于1m。防波堤南側(cè)調(diào)南堤根部和堤頭出現(xiàn)沖刷，沖刷深度最大達(dá)2m左右；中部出現(xiàn)淤積，最大淤積厚度不到2 m。而防波堤內(nèi)離岸1.1km的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)1～2 m的沖刷，其它部位均為淤積，最大淤積厚度位于靠近北堤中部，達(dá)6m之多；而兩堤之間的口門處淤積較輕，不到1m。利用Surfer軟件的體積計(jì)算功能計(jì)算出港池修建后出現(xiàn)了7.51×106m3的淤積，同時(shí)出現(xiàn)2.61×106m3的沖刷，凈淤積量為4.9×106m3，占總淤積量的65%。也就是說堤內(nèi)淤積的泥沙有65%來自于堤外。

圖2 防波堤建設(shè)前后廢黃河三角洲水下地形(2007,2012,當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面)Fig 2 Bathymetric map of the abandoned Huanghe River subaqueous delta before(2007) and after (2012) breakwater construction

2.2.2斷面水深變化 3條固定斷面位置見圖1。2004年5月、2007年5月和2012年8月的水深對比剖面如圖4所示。從圖上可以看出，在廢黃河口南部(見斷面1)，從2004年至今，海底地形剖面明顯地分成2段，即離岸5.3 km以近水深-15m以淺的水下斜坡和以深的海底平原。2004—2007年間斜坡段海底發(fā)生沖刷，以水深-7～-12m的區(qū)域沖刷最為強(qiáng)烈，平均下蝕1.1m。到2007年時(shí)形成稍微上凸的海底，至2012年時(shí)上凸段消失。統(tǒng)計(jì)顯示2007—2012年間平均下蝕0.75m，海底形成直線型斜坡，斜坡坡降2.5×10-3。斜坡坡角在水深-15m左右，水深大于-15m的海底已被夷平，形成海底平原，因此從某種程度上說-15m水深是2007年前的斜坡侵蝕下限。從2004年到2012年間斷面1水深大于-15m的海底平均下蝕0.4m，沖淤變化不顯著。

而翻身河口北廢黃河三角洲突出部位以南的區(qū)域(見斷面2)，海底地形剖面從2004年至今也明顯地分成2段，即離岸3.4km以近的水下斜坡和以遠(yuǎn)的海底平原。2004年時(shí)在水深-10～-14m的區(qū)域略為上凸的斜坡到2007年時(shí)已演變?yōu)橹本€型斜坡，平均下蝕深度0.7m。至2007年時(shí)斜坡坡角在-15.0m左右。水深大于-15.0m的區(qū)域地形平坦，2004—2007年間海底沖淤不明顯。防波堤修建(2012年)后在平行于南堤離岸距離在2.0～2.8km區(qū)域，水深-8～-13m之間的斜坡段出現(xiàn)淤積，最大淤積厚度1.8m左右。從平面位置看，該淤積區(qū)位于南堤堤頭南側(cè)600m處。而在離岸2.0km以近和2.8km以遠(yuǎn)的斜坡段出現(xiàn)了沖刷，最大沖刷深度約2m。原海底平坦段在防波堤建成后也受到了強(qiáng)烈沖刷。雖然斜坡坡角離岸位置沒有發(fā)生變化，但水深已增大至-16.7m，-16.7m以深海底地形平坦。也就是說海底的斜坡侵蝕下限已下蝕至-16.7m。

圖3 防波堤區(qū)域2007—2012年海底沖淤變化圖(-為沖，+為淤)Fig.3 change map of erosion and accumulation before and after breakwater construction during 2007—2012 (- erosion, + accumu lation)

在廢黃河三角洲突出部位的區(qū)域(見斷面3)，海底地形剖面在2007年以前分成2段，即離岸3.0km以近的水下斜坡和以深以遠(yuǎn)的水下平原。斜坡段斷面在2007年以前呈上凸下凹型，與平原海底之間呈漸近過渡，沒有明顯的坡角。從2004—2007年間整體略有沖刷，沖刷強(qiáng)烈部位發(fā)生在水深-6～-14m的區(qū)域，平均沖刷深度0.5m。水深大于-15 m的海底區(qū)域至2007年基本無沖淤。防波堤建成后，整條斷面發(fā)生巨大變化，堤內(nèi)斷面出現(xiàn)上沖下淤，海底地形變得平坦，最大淤積厚度5.3m；堤外海底斷面出現(xiàn)整體沖刷，水深加大，至水深-16.7m以深過渡至海底平坦段。同樣證明海底斜坡的侵蝕下限已下蝕至-16.7m。

綜上所述，無論是空間還是剖面變化的結(jié)果都顯示：防波堤的建成對蘇北廢黃河水下三角洲海底都帶來了較大的變化。主要表現(xiàn)為北堤外側(cè)普遍沖刷，其中北堤堤頭部位、東南向防波堤中部和北堤轉(zhuǎn)折處沖刷嚴(yán)重，最大沖刷厚度超過2m。南堤堤頭和南堤近岸段南側(cè)部位出現(xiàn)沖刷，其中近岸段沖刷嚴(yán)重，最大沖刷厚度超過2m。中部出現(xiàn)淤積，最大淤積厚度不到2m。防波堤建成后造成工程區(qū)周圍4km范圍內(nèi)的海底侵蝕下限下移，海底的侵蝕下限由-15m水深下蝕至-16.7m。而建堤之后堤內(nèi)以堆積為主，也伴隨著局部侵蝕。

圖4 2004—2012年間廢黃河水下三角洲典型斷面變化Fig.4 Typical Profile change of the abandoned Huanghe River delta during 2004—2012

3 沖淤變化成因分析與討論

利用mike21數(shù)值模擬軟件對防波堤周圍漲潮流和落潮流流場的變化情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，當(dāng)漲潮時(shí)，潮流流向東南，在防波堤北側(cè)轉(zhuǎn)彎處流速加大，起動泥沙。當(dāng)漲潮流流經(jīng)堤頭時(shí)，過水?dāng)嗝嫱蝗徽箤?，在慣性力作用下于南堤南側(cè)形成順時(shí)針的渦旋，渦旋中心流速較小，有利于防波堤南側(cè)泥沙淤積。隨著渦旋繼續(xù)發(fā)展和潮水涌入防波堤內(nèi)部，渦旋外側(cè)流速較快的潮流流經(jīng)南堤堤頭時(shí)，又會在防波堤內(nèi)形成一個(gè)逆時(shí)針的渦旋，渦旋繼續(xù)發(fā)展將會形成沿防波堤內(nèi)部邊緣順時(shí)針的渦流場。此時(shí)形成的渦流場能量減弱，流速很小。據(jù)實(shí)測潮流資料，防波堤內(nèi)部的流速小于0.2m/s。渦流中心在防波堤中部，此處流速很小，泥沙于此淤積。當(dāng)落潮時(shí)，潮流流向西北，當(dāng)?shù)竭_(dá)南堤時(shí)，由于南堤阻擋流速，流速增大起動泥沙。在南堤導(dǎo)流和北堤伸出部分的阻擋下，落潮流于此形成2個(gè)流場，一部分沿北堤外側(cè)流向西北，由于北堤的挑流作用和堤身方向的偏轉(zhuǎn)，在北堤外側(cè)中部形成一渦旋，但流速較大，泥沙不能在此落淤；另一部分沿北堤內(nèi)側(cè)進(jìn)入防波堤內(nèi)，在與堤內(nèi)落潮流的相互作用下形成順時(shí)針流場，流速降低，也將南堤南側(cè)的泥沙帶入防波堤內(nèi)轉(zhuǎn)折處堆積。與實(shí)測資料對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)模結(jié)果與實(shí)測結(jié)果正好一致。可見，潮流是造成堤內(nèi)淤積的主要?jiǎng)恿Α?/p>

圖5 漲落潮時(shí)的流場模擬結(jié)果Fig.5 The simulation result of flood and ebb tide current field

在防波堤外圍的廢水下三角洲海底，流場模擬結(jié)果顯示，由于防波堤的阻流作用，無論是漲潮流還是落潮流都會造成流速的局部增大。此外，堤外海底還受到波浪的淘洗。已有調(diào)查資料表明，廢黃河三角洲海域強(qiáng)浪向?yàn)镹E，實(shí)測最大波高(H1/10)為2.3m，次強(qiáng)浪向?yàn)镋NE和E，最大波高各為2.0m；常浪向?yàn)镋NE,發(fā)生頻率為27.14%，次常浪向?yàn)镋和NE，發(fā)生頻率分別為18.30%和16.55%[6-7]。因防波堤北堤近岸段和南堤走向均垂直于岸線，向NE方向延伸，類似于丁壩，與主波向平行[13]。當(dāng)主波向波浪來襲時(shí)，由于受到北堤和南堤的約束，在防波堤北側(cè)和南側(cè)波浪局部增強(qiáng)，波高增大，灘面下蝕加劇，導(dǎo)致防波堤外側(cè)近岸前灘區(qū)造成嚴(yán)重侵蝕。由此推測，堤外波浪應(yīng)是造成泥沙懸浮的主要?jiǎng)恿Α?/p>

可見，防波堤的出現(xiàn)改變了蘇北廢黃河水下三角洲海域原有的波浪場和潮流場，造成堤頭的流速增大和形成堤身中部的渦旋場。而堤身與主波方向垂直，又導(dǎo)致根部的波浪增強(qiáng)，波高增大，波浪擾動灘面的能量增加。在波流的共同作用下，廢黃河水下三角洲海底的沖淤格局發(fā)生了重新分布。

4 結(jié)論

通過以上分析得到以下結(jié)論：

(1)蘇北廢黃河水下三角洲海底在2007年防波堤建設(shè)之前已達(dá)到了準(zhǔn)平衡狀態(tài)，形成水下斜坡和海底平原，斜坡侵蝕下限在-15m左右；防波堤建成后，堤內(nèi)出現(xiàn)淤積，其中65%的淤積物質(zhì)來自于堤外。而堤外原水下三角洲斜坡和水下平原都受到了侵蝕，斜坡侵蝕下限下移至-16.7m達(dá)到穩(wěn)定。

(2)防波堤建成之后堤內(nèi)外的潮流場和波浪場發(fā)生較大的變化，是引起海底沖淤格局重新分布的重要原因。

致謝：中國海洋大學(xué)周良民老師提供了本論文所需要的潮流數(shù)據(jù)和2004年的水深斷面數(shù)據(jù)，在此表示感謝！

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

The Study on Characteristics and Mechanisms of Erosion/Accumulation in the Abandoned Huanghe River Subaqueous Delta Before and After Breakwater Construction

LI An-Long1,2， YANG Xiao-Di1,2， LUO Xiao-Qiao3，LI Chun-Yu4

(1 The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2 College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；3 CNPC Research Institute Of Engineering Technology,Tianjin 300451,China；4 Shengli Xinke Marine Survey & Mapping Co.Ltd, Dongying 257055, China)

The change characteristics of erosion/accumulation in the abandoned Huanghe river subaqueous delta was analyzed based on bathymetric survey and profile datum of several years. The studies showed that the dynamic of submarine slope and plain had reached to a quasi-equilibrium state in the abandoned subaqueous delta before breakwater construction, the erosion lower limit of submarine slope stopped at -15m bathymetric. The submarine slope and plain were eroded after breakwater construction and the erosion lower limit of submarine slope fell to -16.7m bathymetric. The areas of serious erosion occurred mainly in the afterbody, outer and end of the breakwater, the largest erosion depth was more than 2m. The areas of accumulation occurred mainly in the interior of the breakwater, the accumulation thickness was between 0 and 6m, the net accumulation volume reached to 4.9×106m3and accounted for 65% of the total accumulation volume. The results of numerical simulation indicated that the remodeled current field because of the construction of breakwater brought the abundant sediment into interior of the breakwater, the outer seabed was eroded again because of the increase of the wave energy brought by sudden change of seabed landform. The analysis found that construction of breakwater was an important factor of the sediment redistribution in the abandoned Huanghe river subaqueous delta.

the abandoned Huanghe river subaqueous delta; bathymetric contrast; the sediment redistribution; numerical simulation; breakwater

全球重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951202)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41476069)資助

2014-04-14；

2014-11-10

李安龍(1972-)，男，博士，副教授。E-mail:anlongli@ouc.edu.cn

P736.21

A

1672-5174(2015)06-085-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140133