基于GIS的海南洋浦港洋浦深槽穩(wěn)定性分析

左書華 ，李 蓓 ，楊 華

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）

洋浦港區(qū)地處海南島西北部的洋浦灣內(nèi)，瀕臨北部灣（圖1），北依洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，南隔海與白馬井相望，洋浦灣以內(nèi)為寬闊的新英灣。洋浦港素有“水深、避風(fēng)、回淤量少、可用岸線長(zhǎng)、天然深水良港”之稱。

新英灣和洋浦灣共同構(gòu)成了洋浦灣潮汐汊道系統(tǒng)。洋浦灣深槽便處于潮汐汊道系統(tǒng)之中，東面始自白馬井角，西至小鏟附近的攔門沙淺灘，全長(zhǎng)約8.2 km，水深大部分在10～20 m，西段部分在越過(guò)洋浦鼻后逐漸變淺，直至攔門沙淺灘歸于消失。洋浦深槽的存在為深水航道建設(shè)和發(fā)展提供良好條件。本文基于水文、地形資料和前人研究，利用GIS和動(dòng)力地貌方法，對(duì)海南洋浦港深槽的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并討論了海域動(dòng)力地貌環(huán)境，包括水動(dòng)力（潮流、波浪）條件、泥沙環(huán)境特點(diǎn)對(duì)岸灘穩(wěn)定性的影響，以便為工程建設(shè)和設(shè)計(jì)提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 洋浦深槽地形沖淤分析

為了掌握洋浦深槽與攔門沙淺灘多年來(lái)的沖淤變化情況，基于GIS軟件，采用1963年、1975年、1996年、2003年海圖，通過(guò)不同年代等深線和橫斷面水深的變化，來(lái)反映深槽和攔門沙淺灘的沖淤變化情況，以判斷其穩(wěn)定性。

1.1 等深線變化

以0 m、-2 m、-5 m和-10 m等深線為例，1963～1975年0 m、-2 m等深線在凹形淺灘北側(cè)上略有沖刷，變化不大，東北—西南向等深線都普遍存在淤漲現(xiàn)象，-5 m、-10 m等深線由于在深槽附近，和水流方向比較一致，所以相對(duì)變化較小，南側(cè)有小幅度淤漲，而北側(cè)略有沖刷；1975～1996年0 m、-2 m等深線在凹形淺灘北側(cè)上變化不大，略有淤漲，東北—西南向等深線則轉(zhuǎn)變?yōu)槁杂袥_刷，-5 m、-10 m等深線變化仍然較??；1996～2003年建港以后，白馬井附近的0 m淺灘基本穩(wěn)定，變化較小，南側(cè)的淺灘普遍存在沖刷；-2 m等深線和0 m等深線變化基本一致；-5 m等深線變化也不大，而且南側(cè)存在沖刷，-10 m深槽總體保持穩(wěn)定。

從等深線形狀以及移動(dòng)距離來(lái)看，等深線變化不是很大，時(shí)有淤積沖刷，變化幅度均很小，表明洋浦深槽處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定之中。

1.2 橫斷面變化

在斷面變化上，選取4條不同的橫斷面，斷面方向都與深槽垂直，以反映深槽水深的變化。

在深槽的東西走向段，設(shè)置了AA1、BB1兩條斷面（圖1）。AA1斷面，1963～1975年深槽北邊坡基本沒(méi)有變化，南側(cè)有所南移，呈現(xiàn)出一定的沖刷，而南端的淺灘有少量的淤漲；1975～1996年整條斷面都是淤漲，深槽內(nèi)淤淺1～2 m；1996～2003年整條斷面基本保持穩(wěn)定（圖2）。

BB1斷面位處深槽轉(zhuǎn)彎地段，斷面寬度約800 m。1963～1975年深槽北側(cè)呈沖刷態(tài)勢(shì)，南側(cè)呈淤漲態(tài)勢(shì)；1975～1996年整條斷面仍和AA1一樣，都呈全面淤漲情況；1996～2003年斷面水深都呈現(xiàn)出沖刷的形勢(shì)，南淺灘向南有所運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)距離約20 m（圖3）。

2條斷面水深變化的分析表明，這2條斷面的沖淤變化與該斷面水動(dòng)力條件、新英灣納潮量密切相關(guān)。2條斷面3個(gè)時(shí)間段都呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律，特別是1975～1996年受新英灣納潮面積減小的影響，斷面一律都呈淤漲的形勢(shì)。AA1斷面的南段是南淺灘的凹形淺灣，當(dāng)漲潮過(guò)程達(dá)半潮位時(shí)水流漫越南淺灘，并經(jīng)其北部的凹形淺灣流入深槽，落潮過(guò)程中，這一凹形淺灣對(duì)經(jīng)深槽外泄水流產(chǎn)生一定的分流作用，使該斷面的水流流速相應(yīng)減弱，這有可能是導(dǎo)致該斷面-7.0 m以下地形呈淤積的原因；BB1斷面位處深槽轉(zhuǎn)彎地段，不論從漲潮流流速還是落潮流流速來(lái)講，北側(cè)都比較弱，才造成北側(cè)淤漲南側(cè)沖刷。

在深槽的東北-西南走向段，設(shè)置了CC1、DD1兩條斷面（圖1），這2條斷面不同程度地受到東部南淺灘泥沙活動(dòng)影響，其中CC1斷面西側(cè)邊坡有淤漲趨勢(shì)，深槽處的水深比較穩(wěn)定，一直保持在9.0 m以上，西側(cè)邊坡則有沖刷侵蝕趨勢(shì)，東側(cè)淺灘淤高（圖4）；從DD1斷面變化上看，兩側(cè)邊坡變化情況與CC1斷面相同，不同之處是深槽內(nèi)，1975前該處深槽還未形成，水深一直在6.0 m左右，1989年建港以后，航道開挖-5 m等深線南北貫通，其后1996～2003年深槽一直處于加深形勢(shì)（圖5）。

總之，在1975～1996年深槽、邊坡較大淤漲以后，1996～2003年深槽基本處于穩(wěn)定形勢(shì)，邊坡也處于基本穩(wěn)定或較小淤漲，因此整個(gè)深槽基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 討論

影響岸灘穩(wěn)定性的因素有很多，如地貌發(fā)育過(guò)程、海域的水動(dòng)力條件（潮流、波浪）、泥沙環(huán)境等。

2.1 洋浦灣地貌發(fā)育過(guò)程

洋浦灣屬于灣港型海岸，綜合以往研究結(jié)果分析，其潮汐汊道地貌發(fā)育過(guò)程經(jīng)歷了3個(gè)不同的階段［1-4］：（1）古河谷形成階段，河谷中砂礫堆積厚度在7.0 m，其年齡為8 000 a B.P.；（2）古河谷下切—沉溺階段，洋浦灣平原成為海灣，古河谷成為潮汐通道，其年齡在8 000～6 000 a B.P.；（3）潮汐汊道階段，在最高海面（海侵）以后，岸線有過(guò)間歇性的后退，北岸深水海蝕岸，岸線變化不明顯；南岸的中立線下移，岸上的海蝕作用減弱，沿岸泥沙流也大大減弱；充分發(fā)育的白馬井沙咀與北岸玄武巖呷角構(gòu)成了口門束窄段；南部海蝕崖前發(fā)生了堆積。

因此，從洋浦港潮汐汊道的地貌發(fā)育史來(lái)看，洋浦港自高海面以后，地貌發(fā)育已進(jìn)入了動(dòng)態(tài)平衡階段，即從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)講的穩(wěn)定階段。

2.2 海域動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn)

2.2.1 潮流特征

根據(jù)以往研究結(jié)果［1-6］以及2008年3月實(shí)測(cè)水文資料［7］可知，洋浦港潮流的特征主要表現(xiàn)為流速小、余流小；漲、落潮流路分歧，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，特別是表層流，漲潮流歷時(shí)約長(zhǎng)于落潮流歷時(shí)2～4 h，漲潮水流從洋浦灣南淺灘與深槽同時(shí)向新英灣進(jìn)水；落潮流出新英灣后，主要沿洋浦深槽下泄，60%以上的落潮流量由深槽通過(guò)，其他部分水流經(jīng)淺灘呈NE—SW向向外海下泄；新英灣面積廣闊，巨大的納潮量和流速是維持洋浦水道的主要?jiǎng)恿?，新英灣納潮量和白馬井?dāng)嗝娴姆€(wěn)定性也是深槽一直穩(wěn)定的主要因素。

2.2.2 波浪特征

洋浦港岸線曲折，港灣縱深，岸外還有十幾平方公里的珊瑚礁島的阻擋，波高小、周期短、波浪折射不強(qiáng)、波浪作用很弱。影響該海區(qū)的風(fēng)主要有NNE—ENE及SSW—WSW。前者是強(qiáng)風(fēng)，但該向?yàn)殡x岸方向，故吹程小而不能形成大浪。SW向風(fēng)來(lái)自開敞海區(qū)，形成大浪，促使洋浦灣外港海岸侵蝕，同時(shí)此方向的風(fēng)浪在灣頂受阻，外海波浪作用不到，使洋浦灣成為船只的避風(fēng)錨地。因此由波浪作用引起的突然淤積問(wèn)題幾乎不存在。

2.3 泥沙環(huán)境特點(diǎn)

2.3.1 海域泥沙來(lái)源

綜觀整個(gè)工程海域情況，工程海域泥沙來(lái)源有以下幾種途徑［3，7］：（1）海岸受波浪沖蝕而產(chǎn)生的細(xì)顆粒泥沙；（2）洋浦港北岸地表遭受水流沖刷后帶入港灣的泥沙；（3）北門江、新昌河（春江）的入海泥沙；（4）洋浦灣岸外有小鏟、大鏟2個(gè)珊瑚島，島礁四周均為珊瑚沉積，珊瑚礁生物沉積物是島礁附近沉積物的重要物質(zhì)來(lái)源，對(duì)攔門沙產(chǎn)生一定的影響。

洋浦灣—新英灣是由湛江組粘土組成的海岸，除個(gè)別地點(diǎn)至今仍在受波浪沖蝕外，絕大部分岸段皆已穩(wěn)定或轉(zhuǎn)為堆積性海岸，故第一種泥沙來(lái)源已經(jīng)很少；北岸陸地玄武巖地區(qū)地表植物覆蓋度好，其地表遭受徑流沖刷帶入的泥沙對(duì)海灣淤積影響甚微，而且只局限于局部河段；北門江、新昌河2條河流源短流小，年輸沙量分別為7.4×104t、6.7×104t，再加上上游修建水庫(kù)或大壩，故來(lái)水來(lái)沙量極為有限，其入海泥沙主要沉積在新英灣內(nèi)，形成灣內(nèi)淺灘，對(duì)洋浦灣的泥沙沉積影響甚?。簧汉鹘赋练e物更小，而且一般只限于島礁周圍區(qū)域?？傮w而言，洋浦灣海域的泥沙來(lái)源少。

2.3.2 懸沙特征

平常情況下，洋浦灣水域皆為一片藍(lán)綠，海水含沙量很低，平均含沙量約為0.06 kg/m3（表1），大風(fēng)暴雨天氣略大，可達(dá)0.1 kg/m3以上。正常天氣狀況下，落潮含沙量是漲潮含沙量的1.0～1.2倍，但大風(fēng)期，漲潮含沙量略大。含沙量垂向分布均勻，相差不到0.02 kg/m3。落潮含沙量的空間變化是從灣內(nèi)向?yàn)惩鉁p少，差值約為0.03 kg/m3，漲潮差值約為0.002 kg/m3。結(jié)合以上對(duì)泥沙來(lái)源的分析可知，洋浦港的泥沙來(lái)源很少，含沙量很低，潮流輸沙小，且大部分通過(guò)深槽輸向外海，并不存在大量泥沙落淤問(wèn)題，這也是洋浦深槽和攔門沙淺灘處于穩(wěn)定狀態(tài)的重要因素。

表1 洋浦灣海域含沙量分布（2008年3月）Tab.1 Suspended sediment concentration in the Yangpu Bay sea area kg/m3

2.3.3 沉積特征

根據(jù)2008年3月底質(zhì)取樣分析結(jié)果［7］，總結(jié)出洋浦港潮汐汊道的沉積物分布規(guī)律（圖6）：（1）平均粒徑從河口向外海逐漸變細(xì)；（2）分選系數(shù)從河口向外海逐漸變小，分選程度逐漸變好；（3）深槽與攔門沙的粒徑分布特征反映了攔門沙是深槽向外海的自然延伸；（4）深槽中以粉砂、淤泥為主的沉積物呈灰黑色，而且層次穩(wěn)定，無(wú)明顯粗細(xì)相間的變化，說(shuō)明其沉積過(guò)程極其緩慢。

根據(jù)鉆孔資料分析［1，6］，洋浦灣的沉積物代表了潮汐汊道的沉積，具有雙向特征，受現(xiàn)代人類活動(dòng)的影響極小。自晚全新世以來(lái)，沉積體系只有很微弱的變化，反映了主要水動(dòng)力的影響。通過(guò)對(duì)樣品210Pb同位素測(cè)定，獲得洋浦灣深槽的現(xiàn)代沉積速率為0.5～1.5 cm/a，由此看來(lái)洋浦灣深槽淤積速率低，穩(wěn)定性好。

2.4 穩(wěn)定性判斷

根據(jù)潮汐汊道穩(wěn)定性相關(guān)研究［4，8］，對(duì)洋浦灣潮汐汊道穩(wěn)定性進(jìn)行分析。如果在洋浦潮汐汊道系統(tǒng)中，洋浦灣沿岸年輸沙量為M，則M代表著洋浦灣泥沙運(yùn)動(dòng)的激烈程度，即進(jìn)入新英灣通道泥沙數(shù)量大小的指標(biāo)；新英灣在大潮時(shí)期的每潮納潮量Ps代表大潮落潮水流的沖刷能力。那么Ps/M比值作為檢查潮汐汊道穩(wěn)定性的指標(biāo)，Bruun［9］認(rèn)為當(dāng)Ps/M＞150時(shí)，潮汐汊道情況穩(wěn)定，較令人滿意；當(dāng)100＜Ps/M≤150時(shí)，潮汐汊道情況較好；當(dāng)50≤Ps/M≤100時(shí)，情況在較好和不好之間；當(dāng)Ps/M＜50時(shí)，潮汐汊道情況較壞。

根據(jù)相關(guān)研究和數(shù)據(jù)計(jì)算［1-7］，洋浦灣沿岸輸沙率為M=2.08～2.20×104m3，新英灣大潮納潮量為Ps=0.83～1.00×108m3，那么Ps/M=3 700～4 800。根據(jù)上述研究，判斷分析洋浦潮汐汊道系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

（1）洋浦灣潮汐汊道地貌發(fā)育經(jīng)歷了3個(gè)不同的階段，即古河谷形成階段、古河谷下切—沉溺階段、潮汐汊道階段，從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)講已進(jìn)入了穩(wěn)定階段。

（2）在1975～1996年深槽、邊坡較大淤漲后，1996～2003年深槽邊坡淤漲較小，基本處于穩(wěn)定形勢(shì)。

（3）地貌發(fā)育過(guò)程、海域的水動(dòng)力條件（潮流、波浪）、泥沙環(huán)境等因素都會(huì)影響岸灘穩(wěn)定性。經(jīng)分析，海域波浪作用較弱，潮流動(dòng)力因素是該海域泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?；洋浦灣海域泥沙?lái)源少，含沙量低，平均含沙量約為0.06 kg/m3；潮流輸沙小，且大部分通過(guò)深槽輸向外海，并不存在大量泥沙落淤問(wèn)題；深槽中以粉砂、淤泥為主的沉積物呈灰黑色，而且層次穩(wěn)定，無(wú)明顯粗細(xì)相間的變化；洋浦灣深槽的現(xiàn)代沉積速率較低，為0.5～2.0 cm/a；潮汐汊道穩(wěn)定性相關(guān)研究分析表明，洋浦潮汐汊道系統(tǒng)是穩(wěn)定的。綜上所述基于不同方面分析認(rèn)為洋浦灣深槽是穩(wěn)定的。

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［7］左書華.海南洋浦港洋浦港區(qū)及臨近海域河勢(shì)演變及岸灘穩(wěn)定性分析［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

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