萊州灣東部沙波地貌分布特征及其形成演化

李近元,范奉鑫,徐 濤,欒振東,張捷揚(yáng)

(1.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071; 2.中國科學(xué)院 研究生院,北京100049; 3.中能電力科技開發(fā)有限公司,北京 100034; 4.中國科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071)

海底沙波是一種脊線與潮流流向垂直的微地貌形態(tài),一般在40～100 cm/s 的流速時形成[1]。沙波的形成和發(fā)育同時和水深有微妙關(guān)系。海底沙波是砂質(zhì)海底最常見的底形地貌,它的遷移和運(yùn)動可以影響海底建筑的穩(wěn)定性,淘空或掩埋海底管線,危及工程設(shè)施的安全[2-10]。

萊州灣東部有典型沙波發(fā)育。在野外觀測和歷史地貌調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù),王慶[3]研究了現(xiàn)代萊州淺灘的地貌演變規(guī)律和人類活動對淺灘地貌沖淤動態(tài)的影響。

2009年3～4月,中國科學(xué)院海洋研究所在萊州灣東部進(jìn)行了該地區(qū)海底地形地貌調(diào)查,由所獲取的資料發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域廣泛發(fā)育了海底沙波地貌。利用調(diào)查中取得的資料,并結(jié)合當(dāng)?shù)厮馁Y料,就其形成演化進(jìn)行分析,得到了初步的認(rèn)識,對萊州灣海底地形地貌的研究、海底工程的建設(shè)等有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置

萊州灣是渤海三大海灣之一。位于渤海南部,山東半島北部。西起黃河口,東至龍口的屺姆角。有黃河、小清河、濰河等注入。萊州灣口周寬度 96 km,海灣面積6 060 km2,海底地形單調(diào)平緩,水深大部分在10 m以內(nèi),海灣西部最深處達(dá)18 m。平均潮差(龍口)0.9 m,最大可能潮差2.2 m。多沙土淺灘。西段受黃河泥沙影響,潮灘寬 6～7 km,東段寬僅500～1 000 m。由于濰河、膠萊河、白浪河、彌河,特別是黃河泥沙的大量攜入,海底堆積迅速,淺灘變寬,海水漸淺,灣口距離不斷縮短。本次研究區(qū)域位于萊州灣東部,分為多波束測區(qū)和單波束測區(qū)兩部分(圖 1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 區(qū)域地質(zhì)特征

萊州灣東岸(虎頭崖至欒家口) 屬膠東隆起區(qū),新生代在斷塊抬升過程中,斷塊間差異升降十分明顯,形成以破碎丘陵及山前低緩起伏的剝蝕平原為主的地貌,沿海形成基巖港灣海岸和沙壩-潟湖海岸。萊州灣東岸的海積平原,潟有連島砂洲、砂嘴、 湖等次級地貌形態(tài),砪

如屺 島連島砂洲,長約6 km,寬1 km。

砂質(zhì)海岸分布于萊州灣東岸除基巖海岸以外的其他岸段,呈現(xiàn)出開闊、平直的砂質(zhì)海岸與曲折的基巖海岸相間分布的特征。其中刁龍嘴至欒家口一帶沙壩-潟湖海岸發(fā)育,在這里由入海河流攜帶的大量泥砂在沿岸流作用下形成羽狀沙嘴和沙壩,在沙壩或沙嘴內(nèi)側(cè)形成斷續(xù)分布的潟湖帶。本區(qū)海岸帶發(fā)育過程有沙壩潟湖型和沙嘴潟湖型之分。沙壩內(nèi)側(cè)全新世海侵的古海灣、古潟湖發(fā)育,靠近河口地段的岸線向海推進(jìn)現(xiàn)象明顯。三山島青鱗鋪一帶,刁龍嘴式的沙嘴-潟湖海岸最為典型。在風(fēng)和波浪作用下,沙嘴末端沖淤變化明顯,據(jù)有關(guān)部門測算,刁龍嘴從1952～1976年,末端向西延伸了100 m左右[2]。

1.3 萊州灣氣象、水文條件

1.3.1 氣象狀況

萊州灣位于現(xiàn)代黃河三角洲的東南側(cè),冬季受寒潮影響較大,氣候寒冷,夏季比較炎熱,具有顯著的大陸性氣候特征。年平均氣溫11.9～12.6℃,最低氣溫出現(xiàn)在 1月,月平均氣溫為-2.8～-3.8℃; 最高氣溫出現(xiàn)在7月,月平均氣溫為25.9～26.4℃。年平均降水量為612.5～660.1 mm,降水多集中在6～9月,降水量占年降水量的72.4%～76.2%。年平均風(fēng)速為4.0 m/s,春季風(fēng)速較大,其中4月最大,月平均風(fēng)速為4.7～6.5 m/s; 冬季風(fēng)速最小,月平均風(fēng)速為2.7～4.3 m/s。年平均大于8級大風(fēng)時間為20.8～44.3 d[2]。該區(qū)的波浪主要受季風(fēng)控制,全海區(qū)的波浪以風(fēng)浪為主,其出現(xiàn)頻率在 80 %以上。由于受地形影響,波浪主要為由偏東風(fēng)引起的NE-SE向浪。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E,常浪向?yàn)镹E,是黃河三角洲風(fēng)暴潮影響最小的海域。

1.3.2 潮汐狀況

我國近海的潮汐主要是由太平洋傳入的潮波所引起的協(xié)振動。M2分潮波自太平洋進(jìn)入南黃海后,向著山東沿岸傳播,繼而進(jìn)入渤海。在老黃河口外和秦皇島外海附近形成兩個無潮點(diǎn)。其中,老黃河口外的無潮點(diǎn)對研究區(qū)域的潮汐、潮流類型和分布產(chǎn)生很大影響。

萊州灣的潮汐類型屬不正規(guī)混合半日潮,漲潮流歷時6.4 h,落潮流歷時6.0 h。高高潮差為1.16 m,低高潮差為0.62 m,平均潮差為0.89 m。漲潮流方向?yàn)?24°～245°(指向岸邊),平均流速為 29～37 cm/s; 落潮流方向?yàn)?49°～78°(為離岸流),平均流速為29～39 cm/s。

2 研究方法

2009年3月5日～4月9日,利用多波束水深測量系統(tǒng)及單波束水深測量系統(tǒng)對研究區(qū)域進(jìn)行高精度的海底地形地貌及沙波形態(tài)測量。

多波束系統(tǒng)包括各種集成傳感器,如：涌浪運(yùn)動補(bǔ)償器、聲速剖面儀、精密導(dǎo)航級電羅經(jīng)、數(shù)字高度計等。使用的多波速系統(tǒng)為GeoSwath Plus相干聲納多波束系統(tǒng)。在得到多波束測深數(shù)據(jù)的同時,還可以得到旁掃聲納數(shù)據(jù)。單波速測深系統(tǒng)為 HD-27數(shù)字單頻測深儀。工作期間投放水位計,進(jìn)行實(shí)地潮汐測量,利用取得數(shù)據(jù)進(jìn)行潮差校正。

GeoSwath Plus 帶有所有用于多波束數(shù)據(jù)的采集和處理所必需的軟件。在測量的同時,當(dāng)使用GeoSwath Plus 去生成完全處理過的掃測結(jié)果不方便時,Swath 程序?qū)σ延涗浀脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行處理生成完全校正的掃測條帶。

成圖采用“MAPGIS 地理信息系統(tǒng)”軟件及surfer軟件。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)海底地形地貌形態(tài)

通過對獲得數(shù)據(jù)處理,由作圖軟件 surfer 得到研究區(qū)域三維立體地貌圖(圖 2)及等深線(單位為 m)圖(圖 3)。

由圖2可以看出,該地區(qū)沙波地形發(fā)育顯著,沙波延伸方向垂直于岸線方向,多為二維直線型沙波,主要影響因素為刁龍咀南側(cè)的次生橫向環(huán)流[3]。沙波多發(fā)育于坡度較平緩地區(qū),坡度過陡不利于沙波發(fā)育。

圖2 研究區(qū)沙波地貌圖Fig.2 Sand wave geomorphology of the study area

圖3 研究區(qū)等深線圖Fig.3 Bathymetric chart of the study area

3.2 沙波的形態(tài)及分布

利用軟件mapgis沿平行于岸線方向做出沙波剖面圖(圖4),并統(tǒng)計得沙波參數(shù)(表1)。該地區(qū)波浪主要為由偏東風(fēng)引起的 NE-SE向浪,與沙波走向近乎垂直。由剖面圖可以看出,該地區(qū)沙波的波峰尖窄,波谷寬緩,對稱性較好,具有浪成沙波地貌的典型特點(diǎn)。

圖4 沙波剖面圖Fig.4 Section plan of the sand wave

表1 萊州灣海底沙波參數(shù)Tab.1 Sand wave parameters of Laizhou Bay

3.3 沙波與水深的關(guān)系

前人的研究表明,沙波的形成與水深有微妙關(guān)系。利用英曼經(jīng)驗(yàn)公式d0=H/sh (2πh/L),其中h為水深,H與L為波浪的波高和波長,λ接近d0。萊州灣地區(qū)波浪最大波高為 3.9 m,最大波長為 31.6 m,經(jīng)淺水矯正后為31.3 m[3]。由沙波剖面圖取不同水深沙波長度代入公式計算,結(jié)果顯示沙波長度與水深h大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.4 海平面升降與沙波的形成分布

周江、莊振業(yè)等[7]通過對萊州灣東部 Y86孔巖芯進(jìn)行巖性、粒度、微體化石、孢粉組合的分析和14C年代的測定,認(rèn)為該地區(qū)自全新世以來經(jīng)歷了3個主要地質(zhì)事件：8～7 ka B.P.全新世海侵前沉積間斷事件; 7～6 ka B.P.中全新世溫暖濕潤氣候地質(zhì)事件,此時海侵達(dá)到最大; 4.5 ka B.P.左右,發(fā)生明顯降溫事件[7]。

萊州灣東部在早全新世為低海面時期,地面較平緩,分布沖積物、沼澤沉積物和風(fēng)化殘積物,在8～7 ka B.P.左右海水開始侵入本區(qū),形成本區(qū)的沉積間斷的負(fù)地質(zhì)事件。在7～6 ka B.P.左右海侵達(dá)到最大范圍,氣候進(jìn)一步溫暖濕潤,稱為中全新世溫暖濕潤氣候地質(zhì)事件。隨后在4.5 ka B.P.左右出現(xiàn)明顯降溫事件,其后海平面緩慢下降,沙壩普遍發(fā)育生長,至海水退到現(xiàn)今岸線附近,形成大面積的沙壩-潟平原。

由該地區(qū)垂直于岸線的地形剖面圖(圖5)可以看出,在10 m左右水深處,沙波大規(guī)模發(fā)育,萊州灣東部地區(qū)淺水區(qū)沙波物源應(yīng)為最后一次海侵的濱海堆積物。

圖5 地形剖面圖Fig.5 Topographic profile of the study area

4 結(jié)論

根據(jù)研究區(qū)域取得的數(shù)據(jù)資料,繪出并分析研究區(qū)域地形地貌圖及剖面圖,可以得出以下結(jié)論：(1)研究區(qū)沙波主要為二維直線型沙波,延伸方向垂直于岸線,陡峭度為0.001,對稱指數(shù)為1.2,對稱指數(shù)較好,具有浪成沙波的典型特點(diǎn)。(2)沙波多分布于平緩廣闊的砂質(zhì)海底,坡度過緩或過陡均不利于沙波的形成。(3)萊州灣地區(qū)沙波具有典型浪成沙波特點(diǎn),利用英曼經(jīng)驗(yàn)公式d0=H/sh (2πh/L)通過計算可以看出,沙波波長和水深大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。(4)萊州灣東部地區(qū)水下沙波物源應(yīng)是在萊州灣10 m等深線的古海岸線上形成的濱海堆積體。

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