徐雪蛟

(大連太平灣投資發(fā)展有限公司,大連116004)

大連太平灣位于遼寧省瓦房店市西北部遼東灣沿岸，北距營(yíng)口約80 km，南距大連約120 km，地理位置適中。大連太平灣背靠遼東半島，近岸水深條件較好，具有港口開發(fā)建設(shè)的潛力[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大連港擬在大連太平灣建設(shè)深水港區(qū)。

在近岸港口航道開發(fā)建設(shè)過程中，正確認(rèn)識(shí)海區(qū)的水動(dòng)力條件、泥沙運(yùn)移及海床沖淤變化等特征可為港口規(guī)劃設(shè)計(jì)提供必要的基礎(chǔ)資料，也有利于近岸海洋環(huán)境保護(hù)及資源開發(fā)利用[3-7]。本文基于太平灣海區(qū)實(shí)測(cè)水文泥沙資料，對(duì)太平灣海區(qū)水動(dòng)力泥沙環(huán)境特征進(jìn)行了研究，為港區(qū)規(guī)劃方案選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)及海洋環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)資料。

1 海岸地貌特征

太平灣海區(qū)沿岸地貌具有岬灣相間的特點(diǎn)，海岸地貌類型屬于岬灣沙質(zhì)海岸[2]，自南向北依次分布紅石咀、打狗咀子、將軍石、長(zhǎng)咀子、太平角、白沙山、仙人島和鲅魚圈等多個(gè)基巖岬角，岬角處多有海蝕崖和海蝕平臺(tái)發(fā)育，如仙人島、太平角、將軍石等處，岬角之間分布多個(gè)凹入程度不一的沙質(zhì)海灣，規(guī)模較大的為太平灣和白沙灣。浮渡河是本區(qū)較大的入海河流(圖1)。

圖1 太平灣海區(qū)示意圖Fig.1 Sketch of Taiping Bay sea area

太平灣海區(qū)沿岸潮間帶沉積物以礫-粗砂、粗砂、粗中砂為主，泥沙中值粒徑在0.35～2.33 mm，太平角南北潮間帶底質(zhì)有明顯差異，太平角以北潮間帶泥沙偏粗，太平角以南潮間帶泥沙偏細(xì)。

太平灣海區(qū)的海底地貌受基底構(gòu)造和現(xiàn)代水動(dòng)力所控制，是大陸邊緣被海水淹沒的水下自然延伸部分。長(zhǎng)咀子以北區(qū)域-10 m等深線以內(nèi)的水下地形復(fù)雜，太平角和仙人島之間水域發(fā)育多條相互平行的水下沙脊和深槽，其中最外側(cè)沙脊規(guī)模最大。水下沙脊基本呈NE-SW向展布，基本與岸平行。水下沙脊水深基本介于-7～0 m。潮流沖刷槽分布于水下沙脊之間，呈不連續(xù)分布，總體呈NE-SW向展布，沙脊和深槽之間的坡度很大。長(zhǎng)咀子以南區(qū)域-5 m、-10 m等深線基本緊貼岸線，近岸水深坡陡。

2 水動(dòng)力特征

2.1 風(fēng)和波浪

據(jù)太平灣附近溫坨子站1987～2003年風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)[8]：常風(fēng)向?yàn)镹NE向，頻率為12.1 %，次常風(fēng)向?yàn)镾向，頻率為11.8 %。全年平均風(fēng)速為5.8 m/s，主風(fēng)向以N-NE向、SE-S向?yàn)橹?。?qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW、N向，最大風(fēng)速分別為31 m/s、28 m/s。

太平角附近近年來未設(shè)置波浪觀測(cè)站，據(jù)附近江石底2008年8月～2009年9月1 a的波浪觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)(圖2)：常浪向?yàn)镹W向，出現(xiàn)頻率為18.3 %；次常浪向?yàn)镹NW和WNW，頻率分別為12.6%和11.1%。強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，實(shí)測(cè)最大H1/10為3.94 m。N、NNE、ENE、WSW與NNW向均有3 m以上的大浪發(fā)生[1]。這說明太平灣海域的波浪較強(qiáng)。

圖2 江石底站波浪玫瑰圖Fig.2 Wave rose of Jiangshidi station

從江石底站H1/10波高出現(xiàn)頻率看，0～1.0 m、2.1～3.0 m和大于3.1 m的波高頻率分別為82.2 %、6.7 %和0.8 %。江石底站H1/10波高春夏秋冬四季出現(xiàn)的頻率，0～1.0 m波高分別為93.9 %、88.0 %、62.4 %、74.6 %，2.1～3.0 m波高分別為1.2 %、2.4 %、18.8 %、5.1 %，大于3.1 m的波高頻率分別為0.0 %、0.5 %、1.7 %、3.4 %。由此可以看出，1 a中以秋、冬季節(jié)波高較大。

使用1988年～2007年20 a間影響太平灣海域的臺(tái)風(fēng)，推算得到了外海-20 m深水處的極值波要素，通過P-III型極值分布分析得到了深水處重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波要素[8]。計(jì)算結(jié)果表明，太平灣外海-20 m等深線50 a一遇強(qiáng)浪向N向H1/10波高5.13 m(有效波高4.22 m),平均周期7.52 s。波浪動(dòng)力總體不強(qiáng)。

2.2 潮汐

通過對(duì)2010年5～6月溫坨子站和太平角站潮位觀測(cè)資料調(diào)和分析計(jì)算，其潮汐性質(zhì)系數(shù)F=(HK1+HO1)/HM2值分別為0.93和0.68，其值大于0.5而小2.0，潮汐性質(zhì)均屬不規(guī)則半日潮。每個(gè)潮汐日(約24.8 h)有兩次高潮和兩次低潮，且兩次高潮和兩次低潮的高度相差較為明顯。

太平角站2010年5月29日～6月27日期間平均潮差為1.88 m，最大潮差為3.08 m，最小潮差為0.89 m，漲、落潮平均歷時(shí)分別為6 h:04 min、6 h:20 min，漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)短16 min。太平灣海區(qū)2010年10月1日～2011年9月30日期間平均潮差為1.88 m，最大潮差為3.14 m，最小潮差為0.37 m；漲、落潮平均歷時(shí)分別為6 h:05 min、6 h:19 min，漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)短14 min[9]。

2.3 潮流

2010年5～6月在太平灣海區(qū)進(jìn)行了7個(gè)測(cè)站(站位見圖3)大、小潮水文全潮觀測(cè)，實(shí)測(cè)潮流資料準(zhǔn)調(diào)和分析可知，1#～7#站的潮流性質(zhì)系數(shù)F=(WK1+WO1)/WM2值分別為0.21、0.26、0.31、0.23、0.18、0.23和0.25，潮流類型為規(guī)則半日潮流[10]。

潮流的運(yùn)動(dòng)形式由潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率K值來描述，K值為潮流橢圓的短軸和長(zhǎng)軸之比，當(dāng)|K|小于0.25時(shí)，潮流表現(xiàn)為往復(fù)，根據(jù)上述水文全潮潮流觀測(cè)資料的調(diào)和分析，計(jì)算各站|K|均小于0.25，表明太平灣海區(qū)潮流運(yùn)動(dòng)形式屬于往復(fù)流。潮流總體沿岸走向呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)(圖3)，其間受岬角、海灣等岸線及地形影響，流向有所差異。

3-a 大潮 3-b 小潮圖3 2010年實(shí)測(cè)流速矢量Fig.3 Tidal current vectors measured in 2010

潮流流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表1)，大、小潮漲落潮平均流速分別為0.35～0.51 m/s和0.28～0.37 m/s，大、小潮最大流速分別0.6～1.0 m/s和0.43～0.65 m/s。各站潮流流速總體不大，潮流動(dòng)力不強(qiáng)。除了1#站落潮流速大于漲潮流速外，其他各站均為漲潮流速大于落潮流速。流速分布總體呈現(xiàn)近岸略小于深水的特點(diǎn)。

表1 2010年實(shí)測(cè)流速統(tǒng)計(jì)Tab.1 Tidal current velocity measured in 2010 m/s

2.4 余流

余流一般是指實(shí)測(cè)海流扣除周期性潮流后的剩余部分，它包括海流、徑流、地轉(zhuǎn)流、密度梯度流等。2010年5～6月在太平灣海區(qū)進(jìn)行的7個(gè)測(cè)流站大、小潮的余流流速介于0.00～0.07 m/s。1#站余流方向?yàn)镹W、SW向，南側(cè)靠岸6#站余流方向?yàn)镾SE向，除上述兩站位外，方向均為NE、ENE、E向。也就是說，該海區(qū)除1#、6#余流向NW、SW或SSE向外，其他各站余流方向?yàn)橄虬痘騈E向?yàn)橹饕较騕10]。

3 泥沙特征

3.1 含沙量

根據(jù)太平灣海區(qū)2010年5～6月實(shí)測(cè)大、小潮實(shí)測(cè)含沙量資料統(tǒng)計(jì)(表2)，各站漲落潮平均含沙量，大潮介于0.002～0.009 kg/m3，小潮介于0.001～0.005 kg/m3；各站漲、落潮垂線平均最大含沙量分別為0.031 kg/m3、0.016 kg/m3。

表2 2010年實(shí)測(cè)含沙量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Suspended load concentration measured in 2010

含沙量衛(wèi)星遙感分析表明，太平灣海區(qū)在正常海況情況下，水體含沙量較小，在不利的風(fēng)況(向岸風(fēng))、波浪作用下海域含沙量可達(dá)0.1 kg/m3左右，冬季含沙量明顯高于夏季的含沙量，含沙量大小受潮型、季節(jié)、風(fēng)況等因素影響。

由此可見，該海區(qū)正常天氣水體含沙量是非常小的，在不利風(fēng)況下含沙量也沒有明顯增加，說明泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍。

3.2 表層沉積物分布特征

2010年6月，對(duì)太平灣海區(qū)北自仙人島、南至將軍石漁港近岸-20 m水深之內(nèi)進(jìn)行了大面積的底質(zhì)取樣工作，共取底質(zhì)樣212個(gè)，中值粒徑分布見圖4。

圖4 太平灣海區(qū)表層沉積物中值粒徑分布Fig.4 Distribution of medium grain-size of seabed sediment

由圖分析可知[11],本區(qū)沉積物中值粒徑在0.004～1.43 mm之間變化，分選系數(shù)在0.20～2.44，南側(cè)沉積泥沙粒徑明顯細(xì)于北部。中值粒徑大于0.5 mm的沉積物主要分布在太平角至仙人島之間-10 m等深線以內(nèi)區(qū)域，在太平角至大西山之間呈帶狀在-5～-10 m線之間分布；中值粒徑0.1～0.5 mm之間的沉積物主要分布在太平角北側(cè)-10 m線附近的水下沙脊上，在太平角和長(zhǎng)咀子之間也有分布；中值粒徑小于0.03 mm的沉積物主要分布在-10 m線以外的深水區(qū)及太平角近岸局部區(qū)域?？偟膩砜矗綖澈^(qū)近岸淺灘及水下沙脊主要分布分選較好的粗砂類沉積物，其中值粒徑多大于0.5 mm；而深槽內(nèi)則分布分選較差的粘土質(zhì)沉積物，其中值粒徑多在0.01 mm左右。

2014年12月在太平灣海區(qū)進(jìn)行了90個(gè)底質(zhì)采樣，泥沙中值粒范圍與2010年6月的取樣結(jié)果基本一致，泥沙分選系數(shù)約介于0.2～1.43，平均值為0.75，屬于分選較好的形態(tài)。灘、槽底質(zhì)差異明顯[12]。沙脊、深槽沉積物分布存在明顯的差異，這種差異性表明脊、槽之間泥沙交換非常微弱，底沙粒徑較粗，搬運(yùn)趨勢(shì)不明顯。

3.3 表層沉積物礦物特征

2010年6月在太平灣海區(qū)取了32個(gè)樣品做重礦物分析。研究海區(qū)的礦物特征表明[11]：

太平灣海域表層沉積物中重礦物含量很低，介于0.3%～6.9%，平均含量約為1.5%。此次調(diào)查結(jié)果與有關(guān)文獻(xiàn)[13]中關(guān)于遼東灣東岸為重礦物低值區(qū)的研究結(jié)論相一致。重礦物中以普通角閃石等不穩(wěn)定重礦物為主，其含量高達(dá)23.4%～84.7%，平均含量約為67.8%；石榴石、鈦鐵礦、鋯石、電氣石等穩(wěn)定重礦物含量較低，不到重礦物總量的10%。工程區(qū)域表層沉積物中的礦物成分主要為輕礦物，其中石英含量高達(dá)37.5%～86.8%，平均含量約為72.3%；其次為長(zhǎng)石和巖屑，平均含量均為11 %左右。石英、長(zhǎng)石等是組成花崗巖的主要礦物，顯示海域沉積物可能來源于火山巖或火山變質(zhì)巖。太平灣海域重礦物含量分布呈現(xiàn)太平角南側(cè)高于北側(cè)的平面分布特點(diǎn)，而浮渡河口附近重礦物沒有明顯增大，顯示近岸淺灘沉積物與浮渡河下泄泥沙關(guān)系不大。

太平灣淺灘重礦物中角閃石的百分含量普遍超過70 %，與長(zhǎng)興島南側(cè)普蘭店灣內(nèi)接近，但要高于長(zhǎng)興島馬家淺灘、遼河口、大清河口附近。馬家淺灘重礦物角閃石含量為50%～60%，遼河口附近為40%～50%，大清河口為20%～30%[8]。在重礦物搬運(yùn)過程中，不穩(wěn)定重礦物不斷磨損消失，而穩(wěn)定重礦物能較好的保存下來，因此不穩(wěn)定礦物的比重會(huì)不斷降低，穩(wěn)定礦物比重則會(huì)逐漸增加。但在遼東灣東岸近岸海區(qū)，由北向南，重礦物中角閃石百分含量有低—高—低—高的變化規(guī)律，這種變化趨勢(shì)表明太平灣海域表層沉積物并非由其它地方長(zhǎng)途搬運(yùn)而來。

太平灣海域表層沉積物中重礦物含量很低，且其中不穩(wěn)定重礦物含量偏高，穩(wěn)定重礦物含量極低，與遼東灣東岸其他區(qū)域有著明顯差異。因此可以推測(cè)太平灣海區(qū)的表層沉積物并非經(jīng)過長(zhǎng)距離搬運(yùn)過來，局部搬運(yùn)趨勢(shì)也不明顯。

3.4 泥沙來源

遼東灣沿岸入海河流眾多，每年有大量泥沙注入，其中以遼河入海沙量最大，其他輸沙量較大河流有灤河、大凌河、六股河等。遼東灣沿岸諸河下泄泥沙主要沉積在河口三角洲及附近水下淺灘上。太平灣沿岸為岬灣相間的沙礫海岸，周邊無大河注入、河流來沙偏少，有限的岸灘侵蝕供沙為該海域的主要泥沙來源[10]。

太平灣附近浮渡河、熊岳河皆為源短流小的山溪性小河，泄流泄沙主要發(fā)生在6～8月，且泄沙量有限，河流下泄泥沙主要在河口處堆積，形成規(guī)模不大的沙咀等堆積。另外，從不同年份不同季節(jié)的懸沙遙感影像中可以看出[10]，浮渡河和熊岳河口處不存在高含沙水體，與周邊海域一樣，含沙量均處于較低水平，由此也可以看出兩條河的來沙量是很有限的。

含沙量分布和底質(zhì)分布特征均表明附近沒有泥沙來源, 泥沙主要為灘槽泥沙的原地起動(dòng)再搬運(yùn)為主，而太平灣潮流動(dòng)力和波浪動(dòng)力不強(qiáng)，因此泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍，近岸泥沙搬運(yùn)趨勢(shì)不明顯。

4 海床穩(wěn)定性分析

4.1 14C測(cè)年分析

2010年6月在大連太平灣海域開展了柱狀取樣工作，在太平角附近淺灘上共采取6個(gè)柱狀樣(取樣位置見圖1)，進(jìn)行了14C測(cè)年分析。

太平灣鉆孔沉積物14C年代測(cè)試結(jié)果表明：2#孔埋深2.5 m處粗砂層中貝殼的14C年齡為3 510±31 a，埋深4.6 m處粘土質(zhì)粉砂層中貝殼的14C年齡為2 647±25 a；4#孔埋深2.2 m處粗砂層中貝殼的14C年齡為1 699±22 a，埋深3.5 m、7.3 m、9.4 m處粘土質(zhì)粉砂層中貝殼的14C年齡分別為2 892±26 a、4 319±27 a、8 146±31 a。

由此可以看出：太平灣淺灘及水下沙脊并非現(xiàn)代沉積物，其沉積年齡超過千年，為歷史地質(zhì)作用和過程中形成的，即太平灣海區(qū)水下淺灘沙脊地貌并非現(xiàn)代沉積動(dòng)力條件下形成的，為歷史地質(zhì)作用和過程中形成的古地貌。

4.2 210Pb沉積速率分析

2010年6月在大連太平灣內(nèi)開展了柱狀取樣工作，在太平角附近淺灘上共采取6個(gè)柱狀樣(取樣位置見圖1)，進(jìn)行了210Pb沉積速率分析。

210Pb半衰期為22.3 a，它在沉積物中含量的來源主要有兩個(gè)部分[14]：一部分來自沉積物自身的226Ra衰變，即本底值；另一部分來自大氣沉降，它從大氣進(jìn)入水體，被吸附在懸浮顆粒上，并隨之逐年沉積在海底，在海底自我封閉體系中隨沉積物的深度呈指數(shù)衰減，即過剩210Pb。根據(jù)這一原理，可以計(jì)算出某一深度沉積物的年齡和柱狀剖面的平均沉積速率。210Pb沉積速率結(jié)果表明，太平灣頂部沉積速率約為0.3 cm/a，這顯示該海域海床淤積變化很小，海床穩(wěn)定。

4.3 海床演變分析

為了對(duì)太平灣的水下沙脊地貌形態(tài)的灘槽演變及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，收集了1938年、1960年、1999年及2010年水下地形資料進(jìn)行水深對(duì)比分析，結(jié)果表明，多年來本區(qū)域的0 m、2 m、5 m、10 m及20 m等深線的位置和形態(tài)總體上保持穩(wěn)定，這說明了太平灣海區(qū)海床地貌形態(tài)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)[1,10]。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和有關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)建港條件，對(duì)太平灣海區(qū)水動(dòng)力特征、泥沙環(huán)境特征、海床穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，有以下結(jié)論：

(1)太平灣海區(qū)海岸地貌類型屬于岬灣沙質(zhì)海岸，長(zhǎng)咀子以北近岸水下沙脊和槽溝相間分布，長(zhǎng)咀子以南近岸水深坡陡。

(2)太平灣海區(qū)波流動(dòng)力總體不強(qiáng)，潮流總體順岸往復(fù)流動(dòng)，潮流動(dòng)力不強(qiáng)。正常天氣條件下的平均含沙量小于0.01 kg/m3，含沙量很低。

(3)太平灣海區(qū)近岸淺灘及水下沙脊底質(zhì)粒徑普遍較粗，外海深水區(qū)及槽溝內(nèi)底質(zhì)粒徑較細(xì)，灘、槽粒徑差異較大，底沙泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍。太平灣海區(qū)的水下沙脊地貌為歷史上形成的古地貌，灘槽地貌形態(tài)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)總的來看，太平灣海區(qū)波流動(dòng)力不強(qiáng)，底質(zhì)較粗，水體含沙量低，泥沙來源少，泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍，海床長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，建港條件良好。