北侖港區(qū)岸灘演變和水下岸坡沖淤分析

倪云林，鞏明，沈良朵，高華喜，王晉寶

（1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

北侖港區(qū)岸灘演變和水下岸坡沖淤分析

倪云林1，鞏明2*，沈良朵1，高華喜1，王晉寶1

（1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

北侖港區(qū)是一個典型的峽道型淤泥質(zhì)海岸港口，研究該區(qū)域的岸灘演變和水下岸坡沖淤變化對于認識工程環(huán)境效應(yīng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。利用1935年、1962年、1987年、1996年和2004年5個年份的水深地形資料，應(yīng)用GIS技術(shù)建立了這些年份北侖港區(qū)的數(shù)字高程模型，結(jié)合地方史志和三維潮流泥沙數(shù)值模型，計算并分析了北侖港區(qū)不同時段的岸線變遷、潮灘演變、水下岸坡沖淤變化和沖淤動態(tài)趨勢。結(jié)果表明，岸線位置在1935—1976年間由于圍墾筑堤而持續(xù)向海推進，而在1976年以后，總體保持穩(wěn)定，只因碼頭建設(shè)而發(fā)生局部形態(tài)改變；受此影響，潮灘面積從1935年的18.16 km2銳減至2004年的3.83 km2；水下岸坡在1935—2004年間經(jīng)歷了緩慢沖刷—輕微沖刷—較快淤積—輕微淤積的調(diào)整過程，這種變化主要是受北侖港區(qū)建設(shè)和杭州灣灘涂圍墾等人類活動的影響。

北侖港區(qū)；岸灘演變；水下岸坡；沖淤變化

0 引言

北侖港區(qū)位于浙江沿海北部、金塘水道南岸（圖1），屬于峽道型淤泥質(zhì)海岸港口[1]。從20世紀70年代中期開始建造10萬噸級F型礦石中轉(zhuǎn)碼頭，北侖深水港區(qū)由此誕生，之后經(jīng)過多年的開發(fā)建設(shè)逐漸發(fā)展成為擁有多座深水泊位的綜合性深水大港。但是，隨著北侖港區(qū)及周邊岸線的不斷開發(fā)利用，港區(qū)的岸灘和水下岸坡沖淤發(fā)生了一定程度的變化。

現(xiàn)有的關(guān)于北侖港區(qū)岸灘變化方面的調(diào)查和研究主要集中于20世紀70—90年代。邱建立等（1987）[2]、戴賢凱等（1987）[3]通過水深測量資料的比對，指出北侖山以東礦石碼頭附近海域的水下岸坡在 1978—1981年間沖淤基本平衡，但從1981—1986年，水下岸坡呈現(xiàn)淤積趨勢。逢自安（1991）[4]討論了金塘水道的幾何特征和水力結(jié)構(gòu)，總結(jié)了北侖海岸現(xiàn)代岸灘冬沖夏淤的沖淤特征。上述研究一方面使用的水深數(shù)據(jù)較為陳舊，無法開展杭州灣南岸大面積圍墾背景下及北侖深水港區(qū)建后的沖淤計算，另一方面研究范圍較小，局限于北侖山以東、30 m以淺礦石碼頭附近2～3 km內(nèi)的岸段海域，缺乏對北侖港區(qū)水下岸坡整體沖淤特性的分析。因此，需要開展北侖港區(qū)的岸灘演變和水下岸坡沖淤研究，以更好的認識峽道型淤泥質(zhì)港口的沖淤演變過程和工程環(huán)境效應(yīng)，為港區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供必要的參考依據(jù)。

1 資料來源和處理方法

本文收集了1935年、1962年、1987年、1996年和2004年5個典型年份北侖港區(qū)附近海域的海圖或水深地形圖?；贐ursa-Wolf模型求得轉(zhuǎn)換參數(shù)（包括3個平移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)）[5]，將這5個不同年份水深地形資料的大地坐標系統(tǒng)和投影方式統(tǒng)一為WGS-84坐標系統(tǒng)下基準緯度為30°N的墨卡托投影。接著，將圖中水深點、等深線信息導入Surfer，采用Kriging內(nèi)插方法把離散數(shù)值網(wǎng)格化，建立北侖港區(qū)水下岸坡不同年份的數(shù)字高程模型。整個研究區(qū)西起算山，東至大榭島西側(cè)，南起北侖岸線，北至金塘水道主流線，東西長約13.9 km，南北寬約9.1 km（圖2）。最后，利用所得的數(shù)字高程模型，結(jié)合地方史志研究北侖港區(qū)不同時期的岸線變遷、潮灘演變和水下岸坡沖淤變化，并結(jié)合人類開發(fā)活動進行分析。

2 研究區(qū)岸灘演變

2.1 岸線變遷

1935—2004年間，北侖港區(qū)的岸線持續(xù)向海推進，年均推進速率約21.1 m/a，但不同時段的岸線推進速率有所差別，這種變化主要是人類活動的影響。

其中，1935—1962年間，受當時社會發(fā)展條件的限制，人們在岸線上的活動主要是修復海塘，1956年在修復原塘基礎(chǔ)上加固加高[6]。因此，這一時段的岸線推進相對緩慢，平均推進距離為200～600 m，年均推進速率約11.4 m/a。

1962—1976年間，由于生產(chǎn)水平的快速發(fā)展和各項建設(shè)的迫切需求，人們向海要地，圍墾技術(shù)由高灘圍墾向中灘圍墾、低灘圍墾乃至促淤圍墾發(fā)展。從1968年起開始圍筑算山塘、新碶西塘、新碶東塘、北侖港區(qū)塘和五七塘（圖3），至1976年共圍墾面積9.47 km2。這一時段岸線的推進速率相對較大，北侖山東西兩側(cè)的平均推進距離分別約為900 m和600 m，年均推進速率約51.2 m/a。

1976—1987年，在改革開放的大背景下，北侖深水岸線資源得到了初步的開發(fā)和利用：1977—1979年建成 5萬噸級算山原油碼頭，1979—1982年建成 10萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭，1986—1987年建成2.5萬噸級通用泊位[6]圖3）；同時，隨著1980年《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)范》的頒布，水利部門對算山塘、新碶西塘、新碶東塘、北侖港區(qū)塘和五七塘等當時的一線海塘按照省定標準進行了鞏固或重建[7]?？梢哉J為，這一時段岸線的形態(tài)只是在修建碼頭的局部岸段發(fā)生變化，而總體位置保持穩(wěn)定。

1987—1996年間，北侖港區(qū)進一步加緊建設(shè)高效專業(yè)化深水泊位。北侖山以東岸段在原有岸線的基礎(chǔ)上于1987—1992年建成由6座3～5萬噸級深水泊位組成的集裝箱二期碼頭，1992—1994年建成20萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭（圖3）；北侖山以西岸段因1991年北侖電廠灰?guī)斓慕ǔ啥蚝Ｍ埔萍s700 m，算山塘和新碶西塘由此成為二線海塘，同時在新的岸線上于1988—1990年建成5萬噸級的北侖發(fā)電廠煤炭碼頭，1995—1996年建成8萬噸級的金光糧油碼頭。因此，這一時段只是在北侖山以西的局部岸段向海推進了700 m。

1996—2004年間，北侖港區(qū)繼續(xù)推進綜合性深水大港的建設(shè)，在1998—1999年建成20萬噸級協(xié)和石化碼頭，1999—2001年建成5～10萬噸級的集裝箱三期碼頭，2001—2002年建成3～5萬噸級臺塑碼頭，2003—2004年建成3萬噸級建龍鋼廠碼頭（圖3），形成了擁有多個深水泊位的大型泊位群體。因此，這一時段的岸線得到了更為有效的開發(fā)利用，而岸線位置基本保持不變。

2.2 潮灘演變

潮灘是岸線和0 m等深線之間平緩寬坦的淤泥粉砂質(zhì)堆積體?？梢酝ㄟ^岸線和0 m等深線的變化研究潮灘演變。

1935—1962年間，北侖山以西的0 m等深線以向岸退移為主，潮灘面積由1935年的8.34 km2減少至1962年的6.18 km2（表1），減少了約25.9%；北侖山以東的0 m等深線普遍向海推移，但慢于岸線的推進速率，所以潮灘面積由1935年的9.82 km2減少至1962年的8.19 km2，減少了約16.6%。

1962—1987年間，北侖山東西兩側(cè)0 m等深線的分布變化幅度相對較小，反映出潮灘相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但由于60年代中期至70年代末大規(guī)模的圍墾，高灘和中灘消失，潮灘總面積銳減，到1987年為5.68 km2，僅為1962年的39.5%。

1987—1996年間，0 m等深線以向海推移為主，說明這一時段的潮灘處于緩慢淤漲狀態(tài)，但因碼頭工程和北侖電廠灰?guī)旃こ探ㄔO(shè)圍涂潮灘面積卻進一步減少，總面積4.81 km2，較1987年減少了38.7%。

1996—2004年間，0 m等深線也以向海推移為主。但在北侖山西側(cè)，受集裝箱三期碼頭建設(shè)工程的影響，潮灘面積繼續(xù)減少，到2004年為1.49 km2，較1996年減少了19.5%；而在北侖山東側(cè)，由于集裝箱二期碼頭樁基工程的挖后回淤現(xiàn)象使得原本消失的潮灘又重新出現(xiàn)，因此，潮灘面積增長至2.34 km2，較1996年增加了約43.6%?？偟膩砜?，這一時段的潮灘仍以淤漲為主，潮灘總面積增長了約10%。

3 研究區(qū)水下岸坡沖淤分析

3.1 水下岸坡沖淤變化

利用1935年、1962年、1987年、1996年和2004年5個年份的水下高程數(shù)字模型，可以分析不同年間水下岸坡的沖淤分布變化（圖4）及定量計算北侖港區(qū)水下岸坡的沖淤變化（表2）。

在1935—1962年間，研究區(qū)水下岸坡的沖淤幅度一般為1～6 m，但總體上以緩慢沖刷為主，全區(qū)平均沖刷厚度2.01 m，年均沖刷速率7.46 cm/a。在1962—1987年間，研究區(qū)水下岸坡的沖淤強度較上一時段有所減弱，沖淤幅度一般為0～3 m，但仍以沖刷為主，年均沖刷速率3.70 cm/a，其中F型礦石碼頭和通用碼頭附近以淤積為主，幅度約0～3 m。在1987—1996年間，研究區(qū)的沖淤性質(zhì)與1935—1987年間不同，且沖淤強度較1962—1987年間有了較為明顯的增加，達到2～6 m，據(jù)統(tǒng)計，全區(qū)平均淤積厚度2.02 m，年均淤積速率為22.45 cm/a；除20萬噸級礦石碼頭局部存在1 m左右的輕微沖刷外，其余碼頭前沿水域均以淤積為主，平均淤積厚度1～6 m。在1996—2004年間，研究區(qū)繼續(xù)處于淤積狀態(tài)，但淤積速率有所減緩，一般為0～5 m，全區(qū)平均淤積厚度0.24 m，年均淤積速率3.00 cm/a，其中，集裝箱三期碼頭前沿10～20 m部位淤積相對加大，約6～ 8 m，其余各碼頭前沿水域的沖淤性質(zhì)也以淤積為主，幅度約2～5 m?？梢钥闯?，在1935—2004年間，研究區(qū)經(jīng)歷了緩慢沖刷—輕微沖刷—較快淤積—輕微淤積的調(diào)整過程。

3.2 沖淤變化分析

從水下岸坡平面的沖淤計算結(jié)果來看，北侖港區(qū)的水下岸坡在自然狀態(tài)下以緩慢沖刷為主，1935—1962年的年均沖刷速率約7.46 cm/a，1978年以后，隨著北侖港區(qū)的開發(fā)建設(shè)，該區(qū)域在1962—1987年間的沖刷速率減小至3.70 cm/a，而在1987—1996年間和1996—2004年間，沖淤性質(zhì)由沖刷轉(zhuǎn)為淤積，兩個時段的年均淤積速率分別為22.45 cm/a和3.00 cm/a。這說明北侖港區(qū)的開發(fā)建設(shè)使碼頭附近的海域趨于淤積，并在一定程度上改變了北侖港區(qū)水下岸坡的沖淤性質(zhì)。同時，因為金塘水道是杭州灣口潮汐通道之一，所以水道南岸水下岸坡的沖淤變化可能與杭州灣納潮量的增減也有著一定的關(guān)系。根據(jù)大連理工大學對杭州灣南岸“十二五”規(guī)劃建設(shè)用海后的泥沙數(shù)值模擬，慈溪和鎮(zhèn)海兩地378.78 km2圍涂造地工程前后通過金塘水道斷面的最大峰值流量在漲落潮時將分別減少5.4%和3.3%左右[8]，由此可推知，1984—2010年間研究區(qū)上游杭州灣南岸多達249.34 km2的圍涂造地很可能間接地影響了1987年以后金塘水道南岸水下岸坡的淤積趨勢[9]。但是，從1935—2004年間不同時段的沖淤變化來看，在現(xiàn)有的邊界條件和水文泥沙條件下，金塘水道南岸的水下岸坡總體趨向沖淤平衡狀態(tài)，其強度朝著減緩的方向發(fā)展，如果進一步開展研究區(qū)周邊岸段的開發(fā)活動，水道南岸水下岸坡乃至整個金塘水道的淤積可能還會持續(xù)一段時間。

4 結(jié)語

1）在1935—1976年間，北侖岸段圍涂筑堤工程相對頻繁，岸線持續(xù)向海推進；1976年以后，岸線位置總體上保持穩(wěn)定，但岸線形態(tài)因碼頭泊位的建設(shè)發(fā)生變化。受此影響，北侖港區(qū)潮灘面積銳減，2004年較1935年減少了78.9%。

2）在自然條件下，北侖岸段水下岸坡以緩慢沖刷為主。但北侖港區(qū)的建設(shè)破壞了原有的水沙平衡，使水下岸坡經(jīng)歷了緩慢沖刷—輕微沖刷—較快淤積—輕微淤積的調(diào)整過程。此外，1984年以后杭州上游灣南岸大面積的灘涂圍墾也是北侖港區(qū)水下岸坡由沖轉(zhuǎn)淤的原因之一。因此，人類活動是研究區(qū)沖淤變化的主要原因。

3）在現(xiàn)有的邊界條件和水文泥沙條件下，北侖港區(qū)水下岸坡會向沖淤平衡的方向發(fā)展，但如果進一步開發(fā)周邊岸段，淤積還會持續(xù)一段時間。

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Coastal evolution and erosion-deposition analysis of underwater slope in Beilun Port

NI Yun-lin1,GONG Ming2*,SHEN Liang-duo1,GAO Hua-xi1,WANG Jin-Bao1
（1.Port and Transportation Engineering School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan,Zhejiang 316022,China; 2.Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou,Zhejiang 310012,China）

Beilun Port is a typical harbor alongside the tidal channel on muddy coast.It is great realistic significance to understand the engineering environmental effects via studying the coastal evolution and erosion-deposition analysis of underwater slope.Based on 5 bathymetric maps of 1935,1962,1987,1996 and 2004,GIS technology is taken to establish the digital elevation models of Beilun Port in these years.With local chronicles as well as 3D hydrodynamic,sediment transport model,we calculated and analyzed the changes of coastline,evolution of tidal flat and erosion-deposition of underwater slope. The results indicate that the position of coastline is advancing seaward due to reclamation and embankment during 1935-1976, while keeping relatively stable except in shape because of dock project after 1976.Affected by the changes of coastline,the tidal flat area is sharply reduced from 18.16 km2in 1935 to 3.83 km2in 2004.Meanwhile,the underwater slope experiences an adjustment from slowly erosion to slightly erosion then to fast deposition and then to slightly deposition.This change is mainly as a consequence of human impact,such as port construction and reclamation in Hangzhou Bay.

Beilun Port;coastal evolution;underwater slope;variation of erosion-deposition

U656.31

A

2095-7874（2017）03-0027-06

10.7640/zggwjs201703006

2016-10-13

2016-11-30

浙江省自然科學基金資助項目（LQ15D060005）

倪云林（1986— ），男，浙江舟山人，博士，講師，主要從事海岸過程及工程應(yīng)用研究。

*通訊作者：鞏明，E-mail：522535919@qq.com