鹽城濱海港區(qū)防波堤建設(shè)對(duì)水下地形的影響研究

劉 強(qiáng), 閆玉茹, 項(xiàng)立輝, 張曉飛, 彭修強(qiáng)

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鹽城濱海港區(qū)防波堤建設(shè)對(duì)水下地形的影響研究

劉 強(qiáng), 閆玉茹, 項(xiàng)立輝, 張曉飛, 彭修強(qiáng)

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇南京 210007)

利用雙頻測(cè)深儀和聲學(xué)多普勒流速儀對(duì)濱海港區(qū)附近海域進(jìn)行了區(qū)域測(cè)深和定點(diǎn)全潮水文觀測(cè), 通過與以往調(diào)查研究資料的對(duì)比, 分析了防波堤建成前后海底沖淤變化特征。研究結(jié)果表明: 近20年以來水下岸坡為侵蝕最劇烈的區(qū)域, 海底平原則處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài); 受自然侵蝕的影響, 水下岸坡繼續(xù)向岸內(nèi)移, 目前最強(qiáng)侵蝕區(qū)已內(nèi)移至–8~ –12 m水深的水下岸坡; 近年來自然侵蝕明顯減弱, 年均侵蝕速率約為前10年的1/4; 受防波堤擋流效應(yīng)的影響, 口門南側(cè)已由往復(fù)流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流; 目前已出現(xiàn)三大淤積區(qū)域, 其中以口門處淤積最嚴(yán)重, 最大淤積厚達(dá)3.5 m, 已造成口門處水深不足–10 m; 防波堤對(duì)周邊海域直接影響范圍約13.4 km2, 最遠(yuǎn)可達(dá)廢黃河口。分析認(rèn)為, 防波堤建設(shè)是引起港區(qū)海底沖淤格局發(fā)生變化的主因。該研究為防波堤的后續(xù)維護(hù)及濱海港區(qū)30萬t級(jí)航道工程論證提供了基礎(chǔ)資料。

濱海港區(qū); 防波堤; 沖淤變化; 廢黃河三角洲

蘇北廢黃河三角洲沿岸為開敞淤泥質(zhì)海岸, 由黃河1128~1855年南徙時(shí)帶來的巨量泥沙堆積而成[1-5]。供沙條件變化是海岸淤蝕的主要原因之一[6-8], 自1855年黃河改道之后, 泥沙供應(yīng)大幅減少, 廢黃河口也開始了自然侵蝕的進(jìn)程[8-11]。在經(jīng)過100多年的侵蝕后, 海岸線已后退約30 km[6, 8], 岸線快速后退的同時(shí)水下三角洲至今已侵蝕殆盡[3, 7-8], 而且這一蝕退過程仍在繼續(xù)。隨著底部泥沙粗化和老淤泥的出露, 抗沖刷能力增強(qiáng), 近期侵蝕速率明顯趨緩, 表現(xiàn)為侵蝕陡坎整體內(nèi)移[2, 6-8]。以往研究結(jié)果表明[10-15],侵蝕主要發(fā)生在–10 m水深以淺的近岸區(qū), 而–15 m附近及其以下部分海床處在經(jīng)常性波浪作用的范圍之外。

隨著護(hù)岸工程和港口建設(shè)等人類工程的實(shí)施, 廢黃河口不僅受自然侵蝕的影響, 而且也受到了人類工程活動(dòng)的影響[16-17]。鹽城市濱海港區(qū)防波堤于2008年12月開工, 至2011年建成。以往有關(guān)防波堤建成后對(duì)周圍海底地形產(chǎn)生的影響研究多集中于堤內(nèi)[12, 17], 李安龍等[17]認(rèn)為防波堤建成后, 堤內(nèi)出現(xiàn)淤積, 其中65%的淤積物質(zhì)來自于堤外, 但對(duì)于防波堤外部的影響尚不清楚。本文根據(jù)研究區(qū)建堤后(2014年)區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)與建堤前(1994年、2004年)資料的對(duì)比分析, 研究了防波堤建設(shè)對(duì)水下地形的影響, 并探討了海底沖淤對(duì)港區(qū)的影響。該研究為防波堤的后續(xù)維護(hù)及濱海港區(qū)30萬t 級(jí)航道工程論證提供了基礎(chǔ)資料。

1 研究資料與工作方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蘇北廢黃河口(圖1), 以廢黃河口北突咀為拐點(diǎn), 岸線走向由NW-SE向轉(zhuǎn)為S-N向, 屬侵蝕性淤泥質(zhì)粉砂海岸。波浪以風(fēng)浪為主, 常浪向?yàn)镹EE向, 強(qiáng)浪向?yàn)镹E向[18-20]。潮汐為規(guī)則半日潮, 以往復(fù)流為主, 漲潮主流方向?yàn)镾E向, 落潮主流方向?yàn)镹W向, 潮差為江蘇沿海最小的地區(qū)之一, 平均潮差1.98 m[21]。港池口門面向SE, 分為南、北兩堤, 出水口門寬800 m, 南堤長(zhǎng)1 735 m, 堤頭水深–8.5 m左右, 北堤起始段長(zhǎng)2 356 m, 至–8 m水深附近南偏35°后延伸至–12 m[21]。2007年(防波堤建堤前)濱海港區(qū)6站位(A—F)夏季全潮水文觀測(cè)站位如圖1所示, 2014年(建堤后)選擇了導(dǎo)堤口門南側(cè)的F站位進(jìn)行觀測(cè)。

1.2 調(diào)查資料與方法

本文于2014年5月利用中海達(dá)HD-380雙頻測(cè)深儀對(duì)港區(qū)周圍約120 km2范圍進(jìn)行了1: 5萬水深測(cè)量。測(cè)深儀測(cè)深范圍為0.5~ 300 m, 工作頻率為20 kHz (低頻)和200 kHz, 測(cè)量盲區(qū)為0.3 m。具體測(cè)量方法為: 測(cè)深儀安裝于前甲板船舷(距船頭約為1/3 船長(zhǎng)), 探頭入水深度為0.5 m, 信標(biāo)機(jī)安裝于其正上方; 本次測(cè)深工作頻率選用高頻(200 kHz), 水深點(diǎn)采集間隔設(shè)定為1 s(即1 s采集1 個(gè)水深數(shù)據(jù))。正式作業(yè)前, 首先進(jìn)行了儀器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和校準(zhǔn), 用聲速剖面儀測(cè)定測(cè)區(qū)的聲速值, 經(jīng)測(cè)定本次聲速采用1 500.8 m/s;其次在翻身河附近5 m水深處進(jìn)行了120 min的停泊穩(wěn)定性試驗(yàn), 與比對(duì)盤相比誤差均小于4 cm, 滿足測(cè)深要求; 再次, 在濱海港池外側(cè)進(jìn)行了航行穩(wěn)定性試驗(yàn), 測(cè)量船以低速(2~3 n mile)、中速(5~6 n mile)和全速(10~12 n mile)進(jìn)行測(cè)深試驗(yàn), 試驗(yàn)中測(cè)深儀工作正常穩(wěn)定。定位儀使用美國(guó)天寶公司SPS361 DGPS信標(biāo)機(jī), 精度為亞m級(jí), 導(dǎo)航系統(tǒng)使用中海達(dá)公司的Haida V6.21。測(cè)量過程中水深測(cè)量數(shù)據(jù)為數(shù)字記錄和模擬顯示, 在導(dǎo)航定位的同時(shí), 計(jì)算機(jī)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序給測(cè)深記錄定點(diǎn)打標(biāo), 將序號(hào)、日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)一同存入計(jì)算機(jī)中。外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后, 通過濱海港驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行了水位改正, 基準(zhǔn)面采用當(dāng)?shù)乩碚撋疃然妗?/p>

2014年6月28日和7月4日利用勞雷R(shí)TDP600 ADCP和AML Plus-X CTD在口門南側(cè)進(jìn)行了1 個(gè)站位(F站位)夏季大、小潮25 h定點(diǎn)全潮水文觀測(cè)。測(cè)量期間, 海況良好, 東北風(fēng)5~6 級(jí), 浪高0.1~0.5 m。測(cè)量過程中, 定位儀和ADCP采用固定安裝, 換能器安裝在船舷中部, 吃水固定在1~1.5 m之間。采樣間隔設(shè)置為3 min (即每3 min采集1 個(gè)數(shù)據(jù)), 單元層厚度為0.5 m, 盲區(qū)為0.5 m。溫鹽深剖面儀的施工方法為: 將溫鹽深儀固定在多功能支架中, 支架懸掛于絞車鋼纜之上, 由海面按一定速率釋放至海底, 進(jìn)行剖面連續(xù)觀測(cè), 每2 h觀測(cè)1 次; 整機(jī)調(diào)試至正常工作狀態(tài)后開始投放儀器, 將水下單元吊放至海面以下, 使傳感器浸入水中感溫3~5 min; 然后開始投放, 速度控制在1.0 m/s左右; 取儀器下放時(shí)獲取的數(shù)據(jù)為正式觀測(cè)值, 儀器上升時(shí)獲取的數(shù)據(jù)作為處理時(shí)的參考值。

本文同時(shí)收集了1994年(比例尺1︰5萬)、2004年(比例尺1︰2.5萬)2期的水深數(shù)據(jù)(均為當(dāng)?shù)乩碚摶?及2007年夏季6個(gè)站位的水文觀測(cè)資料。受限于3個(gè)時(shí)期水深數(shù)據(jù)范圍不一致, 所以本研究在進(jìn)行相關(guān)對(duì)比分析時(shí)僅限于3者之間的重合部分, 借助ArcGIS和Surfer平臺(tái)對(duì)各期水深數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理并生成水深DEM。

2 結(jié)果與分析

2.1 防波堤建成前后的海流特征

2014年觀測(cè)站位和2007年夏季6 個(gè)站位流矢圖如圖2所示, 2014年夏季大小潮水流剖面如圖3所示。2007年夏季6個(gè)站位同步水文觀測(cè)結(jié)果顯示[21-22], 6個(gè)站位海流均具有明顯的往復(fù)流特性, 海流漲潮主流向在SE-SSE附近, 落潮主流向在NW-NNW附近。2014年港池口門南側(cè)的F站位漲落急流向與等深線走向基本一致, 呈NW-SE向, 大、小潮流漲潮主流向在S附近, 落潮主流向在NNW-N附近。2014年測(cè)的F站位已具有旋轉(zhuǎn)流的特性, 而2007年該站位為往復(fù)流, 表明該站位附近海域潮流已發(fā)生改變, 其主要原因可能為2011年防波堤的建成改變了該海域的流場(chǎng)。由于該海域漲潮為SE-S向, 防波堤建成后漲潮流受到北堤阻擋, 而變成沿堤水流, 水流方向發(fā)生改變; 落潮為NW-N向, 港池口門SE向, 港池內(nèi)的落潮流被北堤反射流出口門[21]。因此, 無論是漲潮還是落潮均影響了潮流轉(zhuǎn)向過程, 導(dǎo)致本站的潮流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流, 該海域流場(chǎng)的變化勢(shì)必造成港池南部沖淤的改變。

2.2 防波堤建成前后的海底地形特征

根據(jù)本文實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)和收集的資料, 分別編制了防波堤建成前(2004年)和建成后(2014年)的海底地形圖(圖4)。從圖上可以看出, 建堤前研究區(qū)海底地形可分為–5 m以淺的近岸淺灘、–5~ –15 m的水下岸坡和–15 m以深的海底平原。淺水區(qū)等深線基本上平行岸線; 水下岸坡區(qū)等深線十分順直, 坡度較陡, 平均約為9‰, 其中在岸線拐角凸出部位坡度可達(dá)20‰; 海底平原等深線與岸線形態(tài)相反, 坡度較小, 一般在1‰以內(nèi)。

建堤后變化最大的為水下岸坡, 等深線已沒有2004年順直, 尤以口門附近變化最為劇烈, 其中口門南側(cè)800 m范圍內(nèi)–5 m線與–10 m線變化趨勢(shì)相反, –10 m線往東北向凸出, 而–5 m線向西凸進(jìn), 這反映出該區(qū)域–10 m線受到了一定的淤積, 而–5 m線受到了沖刷。造成這種現(xiàn)像的原因可能與口門及導(dǎo)堤的方位密切相關(guān), 口門面向東南, 區(qū)內(nèi)侵蝕而來的泥沙會(huì)自口門進(jìn)入, 而受北堤擋流作用的影響, 口門內(nèi)的泥沙不易搬運(yùn)出去, 故而導(dǎo)致口門處出現(xiàn)泥沙堆積, –10 m線也因此而向海凸出; 受南堤導(dǎo)流效應(yīng)的影響, 漲落潮時(shí)南堤南側(cè)會(huì)形成沿堤水流, 而近岸處因水深較淺受到的波浪作用較強(qiáng), 在波浪掀沙、潮流輸沙的作用下, 南堤南側(cè)局部區(qū)域的泥沙會(huì)往口門處堆積, 故而在南堤南側(cè)的–5 m線會(huì)出現(xiàn)一定的侵蝕。此外, 該時(shí)期在北堤?hào)|側(cè)已形成面積約1 km2的–15 m線包絡(luò)區(qū), 而在廢黃河口東北側(cè)–8~ –13 m等深線已向岸凸進(jìn), 表明區(qū)內(nèi)仍受到了一定的沖刷。

圖5為1994~2014年典型水深等深線的對(duì)比圖。從圖上可以看出, 1994~2004年, –5, –10和–15 m等深線整體向岸內(nèi)移, 尤以岸線拐角東南側(cè)的–10和–15 m線為甚, 最大內(nèi)移分別約1 300 和2 000 m, 反映出水下岸坡與海底平原接觸部位受到強(qiáng)烈的侵蝕。2004~2014年, 除口門附近外, 典型等深線總體上繼續(xù)向岸內(nèi)移, 但內(nèi)移明顯減緩。受防波堤建設(shè)的影響, –5 m線的南堤至廢黃河口段和–10 m線的口門往南1 km段向海外移, 這也表明防波堤對(duì)等深線的影響一般在數(shù)公里范圍內(nèi)。此外, 在口門以南, –15 m線向北移動(dòng), 最大北移約1 800 m, 這可能為防波堤間接影響的結(jié)果?？偟膩砜? 研究區(qū)等深線整體上以向岸內(nèi)移為主, 但相對(duì)前10 年來說, 近10 年內(nèi)移已明顯趨緩; 受防波堤建成的影響, 口門附近區(qū)域等深線出現(xiàn)外移, 但影響范圍并不大。

2.3 海底沖淤變化特征

2.3.1 總體沖淤變化特征

利用1994年、2004年和本文實(shí)測(cè)的水深數(shù)據(jù), 運(yùn)用ArcGIS軟件建立了水深DEM, 并進(jìn)行一系列定量化計(jì)算分析, 在ArcGIS軟件中創(chuàng)建這3個(gè)時(shí)段的沖淤變化圖(圖6)。受限于水深測(cè)量過程中的誤差, 本研究將兩期數(shù)據(jù)疊加誤差定為±0.5 m。

2.3.1.1 1994~2004年沖淤變化特征

1994~2004年除局部區(qū)域外, 大部分受到侵蝕。翻身河口至廢黃河口附近及–14 m以深大部分區(qū)域, 沖淤量小于0.5 m。該時(shí)期侵蝕最強(qiáng)烈的區(qū)域位于–10 ~ –14 m, 尤以港池口門東南側(cè)最為嚴(yán)重, 4 m以上的侵蝕區(qū)面積達(dá)1.2 km2, 最大侵蝕高達(dá)5 m。該時(shí)期研究區(qū)海底地形總體上受自然侵蝕的影響, 主要侵蝕區(qū)位于水下岸坡與海床接觸部位。

正值為淤積, 負(fù)值為沖刷

“﹢” deposition , “–” erosion

2.3.1.2 2004~2014年沖淤變化特征

該時(shí)期, 研究區(qū)大部分區(qū)域仍處于侵蝕狀態(tài), 最強(qiáng)侵蝕區(qū)與1994~2004年類似, 但侵蝕位置與強(qiáng)度稍有變化: 最強(qiáng)侵蝕區(qū)已移至翻身河口沿線區(qū)域, 水深也轉(zhuǎn)移至–8~ –12 m, 最大侵蝕厚度也減弱至3.5 m。由此可見, 近年來研究區(qū)最強(qiáng)侵蝕區(qū)具有向岸內(nèi)移的趨勢(shì), 且侵蝕強(qiáng)度逐漸變?nèi)? 這也反映出隨著侵蝕作用的持續(xù), 水下岸坡的坡度也日趨穩(wěn)定, 自然侵蝕也開始逐年減緩。

但該時(shí)期還有一個(gè)顯著的變化, 即在防波堤建成之后, 口門附近和北堤北側(cè)及研究區(qū)東南部已出現(xiàn)三大淤積區(qū), 其中口門處的淤積厚高達(dá)3.5 m。這很可能為防波堤建設(shè)造成的影響, 因此, 該時(shí)期海底地形沖淤變化受自然侵蝕和人類工程活動(dòng)的雙重影響, 但在此過程中自然侵蝕已逐漸變緩, 而受防波堤影響的淤積變強(qiáng)。

總體上來看, 該時(shí)期研究區(qū)仍以自然侵蝕為主, 侵蝕作用仍大于淤積作用, 這也反映出防波堤的建設(shè)雖然改變了局部區(qū)域的沖淤, 但整體上并未改變區(qū)內(nèi)的自然侵蝕環(huán)境, 因此, 在一定程度上來說, 人類工程活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的影響也相對(duì)較為有限。

2.3.1.3 兩時(shí)期沖淤變化對(duì)比

兩個(gè)時(shí)期的沖淤變化相比, 2004~2014年已出現(xiàn)三大淤積區(qū)域, 而1994~2004年淤積區(qū)極少, 反映出人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的影響十分明顯。近10年來侵蝕最為強(qiáng)烈的區(qū)域位于港池南側(cè)–8~ –12 m, 而1994~ 2004年期間在–10~ –14 m, 表明主要侵蝕區(qū)向岸內(nèi)移, 侵蝕強(qiáng)度較前10年有所變小。近20年以來海底地形沖淤變化劇烈, 一方面可能是受海岸帶海岸工程建設(shè)活動(dòng)的影響, 另一方面受現(xiàn)代海洋動(dòng)力作用與海岸地貌形態(tài)之間的不斷自適應(yīng)調(diào)整, 使得海底地形處于一種動(dòng)態(tài)變化過程中[9-10]。

2.3.1.4 沖淤量的計(jì)算結(jié)果

利用3D Analyst中體積和面積的計(jì)算工具, 計(jì)算不同時(shí)期整個(gè)區(qū)域的沖淤變化指標(biāo), 計(jì)算結(jié)果表明(表1), 1994~2004年, 研究區(qū)沖刷量達(dá)105.82×106m3,淤積量?jī)H為沖刷量的0.98%, 凈沖刷量約為104.78× 106m3, 年均凈沖刷速率為12.7 cm/a。2004~2014年, 沖刷量約為53.55×106m3, 淤積量為沖刷量的40%, 凈沖刷量為31.60×106m3, 年均凈沖刷速率為3.0 cm/a。與前10年相比, 近10年凈沖刷量大幅減少, 約為前者的1/3; 淤積面積大幅增加, 至2014年已達(dá)沖刷面積的50%; 年均凈沖刷速率大幅減小, 約為前者的1/4。據(jù)廢黃河口相關(guān)研究表明, 黃河改道后廢黃河口侵蝕的泥沙往其東南和西北兩側(cè)運(yùn)移, 凈輸沙為東南方向, 年輸凈沙能力在10萬m3以上[12], 這在一定程度上也驗(yàn)證了本文的計(jì)算結(jié)果。

2.3.2 典型斷面變化特征

3條典型斷面水深變化如圖7所示(斷面位置見圖1, 0為起點(diǎn), 1為終點(diǎn))。DM-Ⅰ位于廢黃河口南側(cè), 長(zhǎng)約8 km; DM-Ⅱ位于南防波堤南側(cè), 翻身河北側(cè), 長(zhǎng)約8.5 km; DM-Ⅲ位于廢黃河口凸出部位, 現(xiàn)穿過北堤, 長(zhǎng)約6.5 km。

1994~2004年, 3條斷面總體上都受到了侵蝕, 侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域一般位于水深–6~ –14 m的水下岸坡, –15 m以深的區(qū)域則相對(duì)穩(wěn)定。2004~2014年, DM-Ⅰ距岸4 400 m以內(nèi), 坡度繼續(xù)減小, 平均侵蝕量約0.8 m, 較前10年明顯減緩; 通過計(jì)算, 該剖面水下岸坡坡度逐年變緩, 三時(shí)期的坡度分別為11.5‰、5.1‰和3.1‰。DM-Ⅱ在港池口門附近出現(xiàn)淤積, 其他區(qū)段總體上為受到侵蝕, 受防波堤建成的影響, 在正對(duì)口門的區(qū)域淤積最為明顯, 最大淤積厚達(dá)3.5 m; 在4 000 m以遠(yuǎn), 也即–16 m以深, 水深變化在0.5 m以內(nèi), 也反映出近期水下岸坡侵蝕的下限在–16 m水深附近。DM-Ⅲ在距堤200 m以內(nèi)出現(xiàn)淤積, 而在距堤200 m以外, 受到一定的侵蝕, 但侵蝕量較小,一般小于1 m, 至–16 m水深左右基本達(dá)到?jīng)_淤平衡。

表1 濱海港區(qū)1994~2014年沖淤計(jì)算表

綜上所述, 在防波堤建成之前, 濱海港區(qū)已達(dá)到了準(zhǔn)平衡狀態(tài), 水下岸坡與海底平原兩種地貌分界較為明顯, 水下岸坡較為陡峭, 海底平原十分平緩, 侵蝕最為劇烈的區(qū)域?yàn)樗掳镀屡c海床接觸部位, 沖淤平衡點(diǎn)已由建堤前的–14~ –15 m下移至建堤后的–16 m左右; 受防波堤建設(shè)的影響, 在防波堤附近, 尤其口門附近出現(xiàn)較為明顯的淤積。

3 討論

3.1 沖淤變化原因初步探討

3.1.1 建堤前沖淤變化原因探討

1994~2004年研究區(qū)侵蝕強(qiáng)烈的區(qū)域主要在口門–10~ –14 m等深線附近, 也即岸線拐角外側(cè)水下岸坡海域。以拐角為界, 該時(shí)期南部侵蝕作用也略強(qiáng)于北部, 這與南部岸線與常風(fēng)浪方向夾角大, 受波浪作用強(qiáng)有關(guān)[18-20]。該時(shí)期翻身河至廢黃河口近岸淺水區(qū)處于弱侵蝕狀態(tài), 這可能為該時(shí)期主要侵蝕區(qū)離岸較遠(yuǎn)有一定的關(guān)系, 此外, 拐角北部的岸線泥沙運(yùn)移也有一定的掩護(hù)作用[10]。總體上來看, 該時(shí)期主要是受黃河改道的影響泥沙來源幾乎斷絕, 水動(dòng)力的改造開始起主導(dǎo)作用[1-3, 23], 處于自然侵蝕狀態(tài)。

3.1.2 建堤后沖淤變化原因探討

2004~2014年期間侵蝕最為強(qiáng)烈的區(qū)域與1994~ 2004年類似, 但侵蝕位置與強(qiáng)度稍有變化, 該時(shí)期最強(qiáng)侵蝕區(qū)稍有南移, 已移至翻身河口沿線區(qū)域, 水深也轉(zhuǎn)移至–8 ~ –12 m。該時(shí)期形成的三大淤積區(qū)域與廢黃河口所處的以侵蝕作用為主的大背景明顯相反, 這可能與濱海港防波堤建成之后該區(qū)域的流場(chǎng)發(fā)生改變有關(guān)[21], 這也與本文水文觀測(cè)結(jié)果一致。

據(jù)以往研究結(jié)果表明, 防波堤的建成后產(chǎn)生了口門回流、沿堤水流和口門橫流[21]。在港池口門附近, 漲潮時(shí)以SE流為主, 潮水自口門進(jìn)入港池, 產(chǎn)生順時(shí)針回流, 南堤南側(cè)水流流向淺水區(qū); 落潮時(shí), 潮流往NW向, 潮水自口門流出港池, 受南堤阻擋, 在口門南部產(chǎn)生逆時(shí)針方向的回流, 淺水區(qū)流水沿南防波堤流向深水區(qū); 與此同時(shí)在口門附近產(chǎn)生橫向水流, 在上述流場(chǎng)的作用下, 侵蝕帶來的泥沙逐漸在口門南部懸浮再沉積, 故而造成口門南部的淤積。

總之, 在長(zhǎng)期的侵蝕過程中, 海底形態(tài)要與海洋動(dòng)力趨于適應(yīng), 直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)[8], 這個(gè)演變過程與波浪、潮流等動(dòng)力要素的強(qiáng)度分布密切相關(guān)。區(qū)內(nèi)自然侵蝕逐漸向岸內(nèi)移, 且隨著水下岸坡逐漸變緩, 侵蝕作用也逐漸變?nèi)? 再加之防波堤建設(shè)引起的淤積, 最終形成了現(xiàn)在的沖淤分布格局。

3.2 防波堤對(duì)周邊海域影響范圍

以往研究成果表明, 自黃河改道以來廢黃河口長(zhǎng)期處于侵蝕狀態(tài)[1-2, 20], 但在防波堤建成之后, 已出現(xiàn)三大淤積區(qū), 因此從某種程度上來說, 淤積現(xiàn)像的出現(xiàn)為防波堤影響的結(jié)果。至于防波堤附近侵蝕區(qū)域, 可能為自然侵蝕的結(jié)果, 也可能為防波堤影響的結(jié)果, 故而不好判別, 因此, 本文主要分析防波堤建成之后對(duì)周邊海域產(chǎn)生的淤積(圖8)。

從圖8可以看出, 防波堤建成之后, 對(duì)周邊海域直接影響范圍面積約13.4 km2, 其中北堤北側(cè)和東側(cè)影響范圍較小, 最大影響范圍約為2 km; 而南堤南側(cè)影響較大, 最大可至廢黃河口, 距港池口門約5 km。根據(jù)區(qū)內(nèi)淤積情況, 可分為三大淤積區(qū)。

Ⅰ區(qū): 位于南堤南側(cè), 為區(qū)內(nèi)最主要的淤積區(qū), 尤以港池口門附近最為嚴(yán)重, 往南延伸至翻身河, 距港池口門約4 km, 寬度自北向南逐漸變窄。0.5 m以上淤積面積約為4.7 km2, 其中淤積2 m以上為2.2 km2。該區(qū)域的淤積對(duì)南堤有一定的防護(hù)作用, 但也易造成口門堵塞。

Ⅱ區(qū): 位于北堤?hào)|北部, 分布范圍較小, 0.5 m以上淤積面積約為1.1 km2, 其中1.5 m以上約為0.45 km2, 最大淤積厚度可達(dá)2.5 m。該區(qū)域分布較小, 且遠(yuǎn)離航道區(qū), 對(duì)港區(qū)影響較小。

Ⅲ區(qū): 位于東南部, 分布范圍較大, 但淤積厚度較小, 可能為防波堤間接影響區(qū)域, 0.5 m以上淤積區(qū)面積約為9.6 km2, 其中1 m以上為1.7 km2, 最大淤積厚度約為1.4 m。該區(qū)域東側(cè)為寬坦的海底平原, 遠(yuǎn)離航道, 因此該區(qū)域的淤積對(duì)港區(qū)的影響有限。

3.3 沖淤變化對(duì)港區(qū)的影響

泥沙淤積或沖刷是一柄雙刃劍, 如泥沙淤積對(duì)于防波堤的根部有一定的防護(hù)作用, 但沖刷則是有害的; 另一方面, 對(duì)港池航道而言, 泥沙淤積易堵塞航道, 而沖刷則是有利的。因此, 海底沖淤變化對(duì)港區(qū)而言不可避免會(huì)造成一些影響。基于前文分析將海底沖淤變化對(duì)港區(qū)的危害分為淤積和沖刷兩類。

一類: 位于港池口門附近區(qū)域, 主要表現(xiàn)為泥沙淤積對(duì)港池口門產(chǎn)生的危害, 目前急需采取相關(guān)措施進(jìn)行治理。近10 年該區(qū)域淤積較為嚴(yán)重, 最大淤積厚高達(dá)3.5 m, 口門處水深已不足–10 m, 極易造成航道堵塞。

二類: 位于北堤?hào)|側(cè), 主要表現(xiàn)為泥沙沖刷對(duì)防波沙堤產(chǎn)生的影響。該區(qū)域近10年來–1 m侵蝕線離防波堤僅數(shù)10 m, 有沖刷防波堤根部的風(fēng)險(xiǎn)。通過前文分析結(jié)果可知廢黃河口主要侵蝕區(qū)有向岸內(nèi)移的趨勢(shì), 因而該段防波堤很有可能會(huì)因侵蝕內(nèi)移而受到?jīng)_刷。

文中的研究結(jié)果目前暫未考慮正在建設(shè)的港區(qū)北部物流園和南部中海油的LNG碼頭的影響。

4 結(jié)論

1) 防波堤建成之前濱海港區(qū)以自然侵蝕為主, 達(dá)到了準(zhǔn)平衡狀態(tài), 水下岸坡和海底平原分界較為明顯, 水下岸坡為侵蝕最為劇烈的區(qū)域, 海底平原處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2) 受自然侵蝕的影響, 水下岸坡繼續(xù)向岸內(nèi)移, 目前最強(qiáng)侵蝕區(qū)域已內(nèi)移至–8~ –12 m, 沖淤平衡點(diǎn)已由建堤前的–14~ –15 m下移至建堤后的–16 m左右; 近10年侵蝕速率明顯減緩, 年均凈沖淤速率約為前10 年的1/4。

3) 受防波堤擋流效應(yīng)的影響, 濱海港區(qū)口門南側(cè)已由往復(fù)流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流, 防波堤周邊流場(chǎng)變化是引起海底沖淤格局重新分布的主因。

4) 在自然侵蝕和防波堤擋流效應(yīng)雙重影響下, 在港池口門南側(cè)、北堤北側(cè)和東南部已出現(xiàn)三大淤積區(qū)域, 尤以口門附近淤積最大, 最大淤積厚達(dá)3.5 m。防波堤對(duì)周邊海域直接影響范圍約13.4 km2, 其中主要分布于港池南側(cè), 最大影響范圍可達(dá)廢黃河口, 影響距離可達(dá)5 km。

5) 海底沖淤變化對(duì)港區(qū)的危害主要為口門淤積和北堤局部沖刷, 其中口門附近淤積已造成口門處水深不足–10 m, 北堤有因侵蝕內(nèi)移而受到?jīng)_刷的風(fēng)險(xiǎn), 建議后期加強(qiáng)重點(diǎn)淤積和侵蝕區(qū)域的監(jiān)測(cè)和防護(hù)工作。

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(本文編輯: 劉珊珊)

The influence of breakwater construction on the underwater terrain in the Binhai Port, Yancheng City

LIU Qiang, YAN Yu-ru, XIANG Li-hui, ZHANG Xiao-fei, PENG Xiu-qiang

(Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey, East China Mineral Exploration and Development Bureau, Nanjing 210007, China)

A bathymetric survey and fixed-point observation of marine hydrology at the Binhai Port was conducted using thedual frequency sounder and acoustic Doppler current profiler. The characteristics of erosion and deposition before and after breakwater construction were analyzed by comparing with data obtained from previous studies. The results showed that offshore slope was the major area of erosion, whereas sea-bottom plain was relatively stable in the last 20 years. Offshore slopes have a tendency of moving toward the shore. The area with the highest amount of erosion has a depth of around ?8 m to ?12 m. The rate of natural erosion has significantly lowered in recent times, and the average annual erosion rate is approximately 1/4 times of that observed in the last 10 years. The rectilinear flow was changed to rotating flow at the southern entrance, and it was influenced by the baffle effect of the breakwater. Three deposition areas have been identified in recent years, the most serious area being the one at the harbor entrance; the maximum deposition in this area was 3.5 m in thickness and ?10 m in depth. The breakwater construction influenced approximately 13.4 km2of the surrounding area, including the Yellow River Estuary. We observed that the construction of breakwater was an important factor for the redistribution of sediments. The study provided the basic data for the maintenance of the breakwater and the subsequent establishment of a 300 000 ton waterway project on the Binhai Port.

theBinhai Port; breakwater; erosion and deposition; abandoned the Yellow River Delta

Sep. 4, 2016

[Marine Geology Security Project of Geological Survey of China, No. GZH201200506; Comprehensive Geological Survey Project of Jiangsu Coastal Area, No. [2014]47]

P714.7

A

1000-3096(2017)03-0080-09

10.11759/hykx20160904002

2016-09-04;

2017-01-11

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局海洋地質(zhì)保障工程專項(xiàng)(GZH201200506); 江蘇沿海地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)(蘇國(guó)土資發(fā)[2014]47號(hào))

劉強(qiáng)(1985-), 男, 江西高安人, 碩士, 工程師, 主要從事海洋地質(zhì)調(diào)查研究工作, E-mail: lauqung@qq.com, 電話: 13951625243