丹東海洋紅海域水動(dòng)力泥沙環(huán)境分析

徐滿意，韓志遠(yuǎn)

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

丹東海洋紅海域水動(dòng)力泥沙環(huán)境分析

徐滿意，韓志遠(yuǎn)

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文泥沙資料，對(duì)丹東海洋紅海域的水文泥沙環(huán)境進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：該海域近岸波浪潮流動(dòng)力不強(qiáng)，正常天氣條件下水體含沙量小、潮流輸沙能力不強(qiáng)、泥沙來(lái)源少、具備建設(shè)大型港口的基本條件。由于該海區(qū)屬于粉沙質(zhì)海岸，航道泥沙驟淤將是建港中要考慮的重點(diǎn)問題。

水動(dòng)力；泥沙環(huán)境；底質(zhì)；泥沙活動(dòng)性；海洋紅

丹東海洋紅漁港位于遼寧丹東市大洋河河口西岸，北依遼東半島東部，南臨黃海北部，岸線整體呈WSW—ENE向（圖1）。根據(jù)海洋紅港總體規(guī)劃，海洋紅海域?qū)⒁?guī)劃建設(shè)30萬(wàn)t級(jí)的油碼頭2個(gè)、5萬(wàn)t通用泊位及專業(yè)泊位88個(gè)，規(guī)劃面積94 km2，總投資200億元。本海域基本處于自然狀態(tài)，進(jìn)行大規(guī)模的港口開發(fā)建設(shè)需要深入了解本海區(qū)的水動(dòng)力及泥沙環(huán)境，目前對(duì)其水文泥沙環(huán)境等相關(guān)研究較少。本文依據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，對(duì)本海域的水動(dòng)力及泥沙環(huán)境進(jìn)行分析，可作為港口開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)資料依據(jù)。

圖1 丹東海洋紅海域形勢(shì)圖Fig.1 Sketch of Haiyanghong sea area

1 地質(zhì)地貌環(huán)境

本海域位于遼東半島東部的北黃海沿岸，陸上為由新華夏系第二巨型隆起帶為主體形成的遼東丘陵山地。由鴨綠江河口向西延伸至大連登沙河口，沿岸分布著連續(xù)的、寬度不等的潮灘帶，從地貌學(xué)角度講其為淤泥質(zhì)海岸［1-3］。從海洋紅附近海域潮間帶和水下岸坡底質(zhì)取樣結(jié)果來(lái)看，底質(zhì)類型主要為砂質(zhì)粉砂和粉砂，在工程泥沙研究中該海域的海岸性質(zhì)可定義為粉沙質(zhì)海岸［4］。大洋河口以西海岸岬灣相間，岸線較為曲折，大洋河以東岸線則較為順直。

從工程海域水下地形看（圖1），各等深線基本呈平行岸線展布，近岸水下地形坡度較緩。0m等深線基本緊貼尖頭、海洋紅及樓上等岬角，-5m等深線距南尖頭、海洋紅及樓上等岬角距離5～6 km，-10m等深線距沿岸岬角10～12 km。大洋河口外側(cè)0m、-2m、-5m等深線略有向海突出，為大洋河河口水下三角洲地貌（圖1）；該水下三角洲規(guī)模并不大，表明大洋河現(xiàn)代河流來(lái)沙量較小。

2 水動(dòng)力條件

2.1 風(fēng)和波浪

據(jù)大鹿島海洋站1971年、1973～1977年共6 a風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)［4］：本海區(qū)常風(fēng)向?yàn)镹NW，次常風(fēng)向?yàn)镋SE、SE，其出現(xiàn)頻率分別為19.7%、8.8%、8.7%；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW，最大風(fēng)速達(dá)34m/s，次強(qiáng)風(fēng)向依次為NW、S、SE，最大風(fēng)速分別為24m/s、21m/s、20m/s。風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯，其中6～8月多為S向（包括SE—SSW向），10月至翌年3月多為N、NNW向，4～5月和9月則為季節(jié)風(fēng)向轉(zhuǎn)換季節(jié)；秋冬兩季受寒潮影響較多，平均每年影響3次，最多達(dá)5次，強(qiáng)寒潮影響時(shí)偏北風(fēng)可達(dá)7～8級(jí)；7～8月受臺(tái)風(fēng)影響，年平均影響為1.4次，臺(tái)風(fēng)影響時(shí)海上風(fēng)力可達(dá)7～8級(jí)，最大風(fēng)速可達(dá)28m/s，風(fēng)向多為SE。

據(jù)大鹿島1971、1973～1977年4～11月波浪資料統(tǒng)計(jì)［4］：該海域波浪風(fēng)浪占64.6%，涌浪占35.4%。各月風(fēng)浪的常浪向，4～8月為SE～S，9～11月為NNW，各月涌浪的常浪向?yàn)镾E—SSE。各月平均波高為0.5～0.7m，以7月為最大。各月平均波高為0.0～1.2m（0～3級(jí)）占95.8%、2.0～3.4m（5級(jí)）占0.5%；強(qiáng)浪向?yàn)镾向，最大波高為3.6m，次強(qiáng)浪向?yàn)镾和SSE，其波高分別為3.3m和3.0m。本海區(qū)北側(cè)背靠陸地，南臨北黃海，因而北、東、西3個(gè)方向的波浪都較小，僅南向浪相對(duì)較大。

2.2 潮汐

根據(jù)工程海域海洋紅驗(yàn)潮站2009年11～12月一個(gè)月實(shí)測(cè)潮位資料分析：該海域潮汐屬非正規(guī)半日潮性質(zhì)，日潮不等現(xiàn)象明顯；該海域?yàn)橹袕?qiáng)潮海區(qū)，平均潮差在4.00m，最大潮差可達(dá)6.00m；本海域最高潮位、平均高潮位、平均潮差均呈現(xiàn)由西向東逐漸增大的變化特點(diǎn)。

2.3 潮流

根據(jù)本海域?qū)崪y(cè)潮流資料分析，本海區(qū)的潮流有以下特征（圖2）：

（1）本海域潮流屬性F=(W01+Wk1)/WM2的值介于0.57～1.08，屬于不規(guī)則半日潮流；各垂線淺水分潮比值G=(WM4+WMS4)/WM20.26～0.68，表明淺水分潮影響系數(shù)有一定影響，因此該海域應(yīng)屬于不規(guī)則半日淺水潮流。

（2）本海域M2分潮流的橢圓率K值除大鹿島北側(cè)的1#站小于0.25，為往復(fù)流外，其余各站均在0.25以上，為旋轉(zhuǎn)流。且各站K值均為正值，因而本海域潮流為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流。

（3）各站漲潮主流向基本為N—NNE向，落潮主流方向基本為S—SSW向。大潮漲、落潮平均流速分別為0.32～0.48m/s和0.27～0.43m/s，最大流速分別為0.50～0.89m/s和0.42～0.82m/s。流速變化總體上具有大潮大于小潮、表層大于底層、漲潮大于落潮的變化特點(diǎn)。

（4）該海域大、小潮平均漲潮流歷時(shí)為5∶50，平均落潮流歷時(shí)為6∶34；漲潮憩流時(shí)刻發(fā)生在高潮位時(shí)刻前0 h20min，落潮流憩流時(shí)刻出現(xiàn)在低潮位時(shí)刻前0 h18min；漲急時(shí)刻發(fā)生在高潮位時(shí)刻前2 h58min～4 h00min，落急時(shí)刻發(fā)生在低潮位時(shí)刻前2 h43min～3 h52min。表明本海域潮波具有明顯的駐波性質(zhì)。

2.4 余流

余流一般是指實(shí)測(cè)海流和扣除周期性潮流后所剩留部分。通過(guò)實(shí)測(cè)資料計(jì)算，該海域余流較小，整個(gè)海域各垂線大、小潮垂線平均余流僅在0.01～0.10m/s，其中1#垂線小潮余流分別為0.10m/s、0.07m/s，為各垂線上最大值其余各垂線余流均在0.01～0.05m/s。

余流方向隨站位位置不同，潮型及水流狀態(tài)不同而呈現(xiàn)為多樣化：其中東部水域垂線平均余流1#～3#大潮由里向外呈SW—S—NE變化，小潮呈SW—SSW變化，中西部水域各垂線余流除個(gè)別均向NE外，以向ESE、S、SW、W變化為主。

圖2 2009年12月大潮流速矢量Fig.2 Tidal current rose in Dec.,2009

3 泥沙環(huán)境

3.1 水體含沙量

據(jù)2009年11～12月水文全潮含沙量觀測(cè)資料分析，本海域水體含沙量分布具有以下特點(diǎn)：（1）本海域大潮期間漲、落潮平均含沙量分別為0.029 kg/m3、0.028 kg/m3，漲、落潮最大含沙量分別為0.198 kg/m3、0.196 kg/m3；小潮期間漲、落潮平均含沙量分別為0.031 kg/m3、0.031 kg/m3，漲、落潮最大含沙量分別為0.093 kg/m3、0.050 kg/m3。海域大小潮平均含沙量?jī)H為0.029 kg/m3、0.031 kg/m3。這表明該海域在正常情況下含沙量較低。（2）從縱向分布上來(lái)看，本海域含沙量呈現(xiàn)近岸淺水區(qū)較高、而離岸深水區(qū)較低的分布特點(diǎn)，以大洋河口附近的1#站的含沙量最大，而離岸水深較大區(qū)域的9#、11#等站的含沙量較低。從橫向分布來(lái)看，本海域含沙量呈現(xiàn)由東向西含沙量逐漸降低的分布特點(diǎn)，其中東部、中部和西部大小潮平均含沙量分別為0.035 kg/m3、0.031 kg/m3、0.019 kg/m3。（3）本海域含沙量在垂線分布上呈現(xiàn)有表層至底層逐漸增大的分布規(guī)律。若以表層含沙量作為標(biāo)準(zhǔn)，則從表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H至底層，依次與表層的比值，平均含沙量漲、落潮分別為1.00、1.03、1.05、1.12、1.17、1.28和1.00、1.04、1.09、1.13、1.20、1.27。表明懸沙垂向分布較為均勻，且底層僅為表層的1.28倍。（4）本海域懸沙物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂，其砂、粉砂、粘土組成百分含量分別為2.9%、71.3%和25.7%，平均中值粒徑為0.009 4mm；分選系數(shù)在1.11～1.16，屬分選程度好的范疇。

3.2 表層沉積物分析

2009年12月，在本海域于布置10個(gè)底質(zhì)取樣斷面，共采取計(jì)136個(gè)底質(zhì)樣品，所有底質(zhì)樣品進(jìn)行粒度分析可知：（1）本海域底質(zhì)沉積物種類由粗至細(xì)分別為中粗砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂等。其中以砂質(zhì)粉砂分布最廣，廣泛分布于樓上至大洋河口外側(cè)的近岸及深水區(qū)域；粉砂質(zhì)砂主要分布在大洋河口南側(cè)及樓南尖以西-5m等深線外側(cè)水域，砂主要分布在大鹿島西側(cè)及青堆灣近岸區(qū)域；另外，本海域也有粉砂和粘土質(zhì)粉砂零星分布。（2）本海域底質(zhì)中值粒徑除青堆灣近岸局部大于0.1mm外，整個(gè)區(qū)域均小于0.1mm。其中絕大部分區(qū)域底質(zhì)中值粒徑在0.03～0.1mm，僅樓上岬角和南尖岬角南側(cè)-5m等深線附近局部區(qū)域中值粒徑小于0.03mm。這充分體現(xiàn)了本海域底質(zhì)類型以粉砂質(zhì)為主的沉積特點(diǎn)。（3）本海域沉積物分選系數(shù)在0.17～2.2變化，包括了0～0.6分選很好、0.6～1.4分選好和1.4～2.2分選中常三個(gè)等級(jí)，大部分水域?yàn)槟嗌撤诌x程度中常的水域，僅大洋河河口、清堆灣附近為分選很好的水域，大洋河西側(cè)近岸淺灘水域?yàn)榉诌x好的水域。（4）本海域沉積物粘土含量較低，在大洋河河口、大鹿島附近僅占5%左右，其外側(cè)一般在10%左右，在南尖西側(cè)可達(dá)15%以上，最高可達(dá)25%。工程海域沉積物粉砂質(zhì)含量較大，大洋河口東西兩側(cè)淺灘、南尖南側(cè)及清堆灣灣外基本上都大于50%，其余水域多在20%～50%。

3.3 灘面泥沙活動(dòng)性分析

3.3.1 破波水深

波浪是近岸淺水區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，由于波浪變形和破碎，使水體產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)，破波帶掀沙對(duì)港口航道的泥沙淤積影響較大。工程海域?yàn)┟嫫露仍?/1 000左右，據(jù)《港口水文規(guī)范》，該海底坡度對(duì)應(yīng)的波浪破碎指標(biāo)最大為0.6。經(jīng)計(jì)算分析：在2 a一遇H1/10波高情況下，破波水深為2m左右；在10 a一遇H1/10波高情況下，破波水深為5m左右；50 a一遇H1/10波高情況下，破波水深為6m左右。

該海域0～1.2m的波浪頻率占95.8%，因此在正常天氣情況下，破波帶都在-2m等深線以內(nèi)，只有在大浪并且低潮時(shí)才會(huì)延伸至-6m等深線附近，即正常情況下波浪對(duì)灘面泥沙的擾動(dòng)有限。

3.3.2 泥沙起動(dòng)流速

對(duì)擬建航道的-6m及-8m水深處床面泥沙在直流水槽進(jìn)行了波流共同作用下的泥沙起動(dòng)摩阻流速試驗(yàn)［4］，試驗(yàn)結(jié)果表明航道處底質(zhì)泥沙實(shí)測(cè)容重在1.65 t/m3以上，底質(zhì)密實(shí)程度較好，其對(duì)應(yīng)的起動(dòng)摩阻流速應(yīng)在2.5 cm/s以上。按現(xiàn)場(chǎng)水文全潮測(cè)驗(yàn)資料分析，本海域潮流的摩阻流速均在2.4 cm/s以下，小于其起動(dòng)摩阻流速，因而本海域現(xiàn)場(chǎng)泥沙在純水流作用下較難起動(dòng)。

3.4 泥沙來(lái)源及運(yùn)移趨勢(shì)

綜觀本研究海域，其泥沙來(lái)源包括陸源河流來(lái)沙、海域來(lái)沙和近岸淺灘就地起動(dòng)搬運(yùn)的泥沙3種：（1）大洋河為工程海域最大的河流，該河全長(zhǎng)198.2 km，流域面積6 504 km2。多年平均入海水量為20.5億m3，年均輸沙量為80.6萬(wàn)t，年內(nèi)分布主要集中于7～8月。大洋河口三角洲水下地形多年來(lái)變化不大，說(shuō)明該河下泄泥沙主要堆積在河口附近，對(duì)工程區(qū)附近的影響較小。（2）海向來(lái)沙。遼東半島鴨綠江至登沙河沿岸淤泥質(zhì)潮灘的形成發(fā)育與鴨綠江、大洋河等河流泥沙隨沿岸流的不斷由東向西搬運(yùn)，經(jīng)歷長(zhǎng)期的歷史過(guò)程沉積而成［1］。目前鴨綠江等河流來(lái)沙由于上游水庫(kù)的修建呈現(xiàn)大幅減少趨勢(shì)，因而目前鴨綠江和大洋河等河流來(lái)沙向西搬運(yùn)對(duì)本海域的影響較小。（3）工程海域近岸分布著寬廣的淤泥或粉砂質(zhì)潮灘和淺灘，灘面泥沙在波浪和潮流作用下起動(dòng)搬運(yùn)將構(gòu)成對(duì)工程泥沙淤積有直接影響的泥沙來(lái)源。在SE、S向風(fēng)作用下，海域和工程區(qū)附近淺灘泥沙被波浪掀起，并隨潮流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的泥沙淤積。由于海域水深較大，潮流輸沙有限，主要為淺灘水域的局部泥沙搬運(yùn)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究，得出主要結(jié)論如下：（1）研究海域海岸性質(zhì)屬于粉沙質(zhì)海岸，近岸水下地形坡度較緩。（2）研究海域強(qiáng)風(fēng)向、強(qiáng)浪向以偏SE、S向?yàn)橹鳎ɡ藙?dòng)力不強(qiáng)。（3）研究海域潮汐屬非正規(guī)半日潮性質(zhì)，海域潮差較大，平均潮差在4.0m；潮流作用較弱，平均流速在0.3m/s左右，最大流速在0.6m/s左右。（4）研究海域?qū)崪y(cè)平均含沙量約為0.03 kg/m3，最大含沙量為0.2 kg/m3。表層沉積物以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主。正常天氣條件下，近岸床面泥沙在波浪和潮流作用下不易起動(dòng)搬運(yùn)，大浪擾動(dòng)作用水深可至-5～-6m處。（5）綜上所述，工程海域波浪、潮流動(dòng)力不強(qiáng)，正常天氣條件下水體含沙量小，底質(zhì)泥沙不活躍，泥沙來(lái)源少，具備建設(shè)深水大港的良好水文泥沙環(huán)境。（6）由于本海域?qū)俜凵迟|(zhì)海岸，建港中應(yīng)重視航道泥沙驟淤問題。

［1］符文俠，何寶林，劉煒，等.遼東半島沿岸新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其影響［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，1992，11（4）∶64-71. FU W X，HE B L，LIU W，et al.The new tectonicmovement on the coast along Liaodong Peninsula［J］.Marine Environmental Science，1992，11（4）∶64-71.

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［3］高建華，高抒，董禮先，等.鴨綠江河口地區(qū)沉積物特征及懸沙輸送［J］.海洋通報(bào)，2003，22（5）∶26-33. GAO J H，GAO S，DONG L X，et al.Sediment Distribution and Suspended Sediment Transport in Yalu River Estuary［J］.Marine Science Bulletin，2003，22（5）∶26-33.

［4］麥苗，龐啟秀，韓志遠(yuǎn)，等.丹東港海洋紅港區(qū)總體規(guī)劃海岸演變及沖淤趨勢(shì)分析報(bào)［R］.天津∶交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

Analysis of natural conditions of Haiyanghong sea area

XUman?yi,HAN Zhi?yuan
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Tianjin 300456，China）

Based on observed field data of hydrology and sediment,the hydrodynamic sediment conditions of Haiyanghong sea area in Dandong were studied.The results show that the force of tidal current and wave is not strong in this area.The suspended sediment concentration is small under normal weather conditions.The sediment transport capacity by tidal current is not strong.The sediment resource is little,and the seabed is stable for a long time.However,as this sea area belongs to silt?sandy coast,the sudden sedimentation of navigational channel will be a key problem to be considered.

hydrodynamics;sedimentary environment;seabed sediment;sediment activity;Haiyanghong

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0210-04

2014-09-05;

2014-09-28

徐滿意（1963-），男，天津市人，高級(jí)工程師，主要從事水工構(gòu)造物檢測(cè)研究。

Biography：XUman?yi（1963-），male，senior engineer.