連云港海域懸沙和表層沉積物交換研究

劉 紅，顧 勇，馬興華，金 鏐

(1. 中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120； 2. 中交上海航道局有限公司，上海 200002； 3. 交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003)

連云港海域懸沙和表層沉積物交換研究

劉 紅1，顧 勇2，馬興華1，金 鏐3

(1. 中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120； 2. 中交上海航道局有限公司，上海 200002； 3. 交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003)

采用粒度譜計算方法分析連云港及鄰近海域懸沙和表層沉積物交換特征，為徐圩防波堤口門布置和連云港港航道回淤研究提供理論支撐。連云港港主航道和徐圩航道5 m等深線以外的區(qū)域懸沙和表層沉積物交換率為0.1～0.2，表明航道回淤強度將處于較低水平，對今后航道維護有利；5 m等深線以內(nèi)區(qū)域的交換率為0.3～0.4，懸沙落淤對航道回淤有一定貢獻(xiàn)，表明該航道段回淤量相對較大，計算結(jié)果與實測航道回淤強度分布特征基本一致。灌河口沙嘴正常天氣條件下交換率小于0.2，說明懸沙落淤對沙嘴的影響較??；5 m等深線以內(nèi)破波帶水域交換率大于0.5，表明懸沙和表層沉積物交換頻繁。連云港港及鄰近海域懸沙和表層沉積物交換主要為粒徑小于62 μm的細(xì)顆粒組分。分析結(jié)果表明，為減少泥沙回淤對徐圩港區(qū)港池正常運行的影響，興建防浪擋沙堤并將堤頭布置在破波帶之外十分必要。

連云港港； 懸浮泥沙； 表層沉積物； 粒度譜計算； 泥沙交換

懸沙和表層沉積物的交換過程是泥沙運動力學(xué)的關(guān)鍵研究問題之一。泥沙交換不僅關(guān)系到懸移質(zhì)泥沙的輸沙特性和表層沉積物分布特征，而且對海床演變起著重要作用。在泥沙交換過程中，懸浮泥沙和表層沉積物的粒度組成相互發(fā)生改變[1]。2010年研究團隊創(chuàng)造性地提出了粒度譜計算方法，計算了長江口懸沙和表層沉積物的交換率，發(fā)現(xiàn)長江口外泥質(zhì)區(qū)充當(dāng)了長江口系統(tǒng)泥沙輸運和入海泥沙向南輸送的“泥庫”[2-3]。隨后對粒度譜計算方法進(jìn)行了改進(jìn)，分析了呂四進(jìn)港航道懸沙沉降對航道回淤的貢獻(xiàn)率，為研究輻射沙洲海域航道回淤提供了重要的技術(shù)支撐[4]。因此，研究懸沙和表層沉積物的交換不僅是海岸泥沙輸移研究的重要內(nèi)容，也是研究航道回淤的重要手段之一。

連云港港地處江蘇省北部，是我國東部沿海對外貿(mào)易的重要港口。連云港港30萬t級航道建設(shè)規(guī)模大，技術(shù)難度高，尤其是徐圩航道為新辟航道，需在淺灘上開展大規(guī)模的基建性開挖。徐圩防波堤口門位置、連云港主航道和徐圩航道的回淤問題一直是港口航道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文采用粒度譜計算方法研究連云港港及其鄰近海域懸沙和表層沉積物交換特征，為徐圩防波堤建設(shè)和航道回淤研究提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)港口航道工程的規(guī)劃和建設(shè)，也為粒度譜計算方法在工程上的應(yīng)用提供了研究實例。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

連云港海域的淤泥質(zhì)潮灘是歷史上黃河奪淮入海期間巨量泥沙堆積而成，1855年黃河北歸渤海后，岸灘處于侵蝕后退狀態(tài)，岸灘侵蝕物質(zhì)是近岸帶泥沙的主要物質(zhì)來源。一百多年來，廢黃河三角洲侵蝕逐漸趨于平衡，連云港海域總體呈現(xiàn)“沖淤基本平衡、局部略有沖刷”的態(tài)勢。

連云港港及其鄰近海域?qū)俜钦?guī)半日潮，由岸向海方向潮流由往復(fù)流向旋轉(zhuǎn)流過渡，漲潮流速大于落潮流速(圖1)。連云港海域5 m等深線以內(nèi)(經(jīng)常性破波帶內(nèi))大潮漲潮平均流速為0.29～0.84 m/s，落潮平均流速為0.30～0.67 m/s；5 m等深線以外(經(jīng)常性破波帶外)大潮漲潮平均流速為0.36～0.87 m/s，落潮平均流速為0.33～0.60 m/s[5]。根據(jù)連云港大西山海洋站波高統(tǒng)計，年平均波高0.6 m，大于2 m波高出現(xiàn)頻率僅為1.5%，波高小于0.5 m的出現(xiàn)頻率占56.5%。常浪向為偏NE向，強浪向為偏N向。

圖1 連云港及鄰近海域流速矢量圖和表層沉積物采樣站位Fig.1 Current vector and sampling locations of surface sediment in Lianyungang and adjacent sea waters

1.2 資料來源

水沙資料來源于長江委水文局長江下游水文水資源勘測局2005年9月同步24站水文測驗、中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司2013年4月徐圩海域同步4站水文測驗資料。懸沙粒度資料來源于上述水文測驗漲落急、漲落憩時段采集的懸沙樣品，表層沉積物粒度資料來源于2005—2009年連云港及其鄰近海域693個表層沉積物樣品。懸沙和表層沉積物樣品經(jīng)過洗鹽、去除有機質(zhì)和分散處理后，采用英國Master Size 2000 型激光粒度儀進(jìn)行泥沙粒度分析。

1.3 研究方法

根據(jù)物質(zhì)守恒定律，輸入的懸沙粒度分布應(yīng)該等于參與床面交換的部分與輸出的部分之和，采用粒度譜計算方法計算懸沙和表層沉積物的交換率[2-3]。具體計算式為：

(1)

(2)

粒度譜計算方法適用于大范圍、大尺度泥沙輸運規(guī)律的分析，得到的交換率是研究區(qū)域內(nèi)特定的動力條件泥沙造床作用的結(jié)果，不涉及某條垂線、某一具體時刻的泥沙沉降和起動過程的分析。

結(jié)合連云港及其鄰近海域懸沙輸運特征分析，將廢黃河口—開山島海域作為輸入?yún)^(qū)，灌河口—連云港區(qū)作為交換區(qū)，海州灣作為輸出區(qū)，分別將上述各區(qū)的泥沙粒度分布代入式(1)進(jìn)行計算，得到連云港及其鄰近海域懸沙和表層沉積物交換率。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 懸沙輸移特征

2013年4月實測徐圩海域(S2站)和廢黃河口北側(cè)(S4站)的流速與含沙量過程見圖2。

圖2 2013年4月連云港海域垂線平均流速矢量和含沙量過程Fig.2 Processes of vertical averaged current vector and SSC in Lianyungang sea waters in April 2013

由于波浪能量和近岸潮流速度由廢黃河口向連云港方向逐漸遞減，岸灘侵蝕強度和含沙量也由廢黃河口向連云港海域逐漸減小。廢黃河口—海州灣沿岸年平均含沙量以廢黃河口區(qū)最高，達(dá)1.00 kg/m3，灌河口沙嘴區(qū)年平均含沙量減小為0.50～0.60 kg/m3；連云港海域波浪掀沙作用減弱，含沙量明顯降低，徐圩港近岸區(qū)年平均含沙量為0.30～0.40 kg/m3，至連云港港近岸區(qū)年平均含沙量則減少為0.20～0.25 kg/m3。

連云港海域泥沙運動形式以懸沙輸移為主，呈“波浪掀沙、潮流輸沙”的規(guī)律，波浪是造成本區(qū)岸灘侵蝕的主要動力，潮流是泥沙輸移和擴散的主要動力[6]。含沙量的橫向分布與水動力的強度一致，表現(xiàn)為“破波帶內(nèi)含沙量大、破波帶外含沙量小”的特征，破波點附近為含沙量的峰值區(qū)，由破波點向岸和向海方向逐漸遞減，向岸的遞減較為緩慢，破波帶外泥沙主要來源于波浪掀沙在潮流作用下的平流和擴散輸移。連云港海域5 m等深線以內(nèi)的區(qū)域(經(jīng)常性破波帶內(nèi))大潮最大含沙量為0.12～0.24 kg/m3，5 m等深線以外的區(qū)域(經(jīng)常性破波帶外)大潮最大含沙量為0.11～0.30 kg/m3[7]。從大、小潮對比來看，大潮平均含沙量普遍大于小潮。

徐圩海域(S2站)含沙量由表層向底層逐漸增大，近底最大含沙量基本出現(xiàn)在流速最大的漲急和落急時刻，說明近底含沙量主要來自海床泥沙再懸??；而廢黃河口北側(cè)(S4站)近底最大含沙量基本出現(xiàn)在漲急和落急后2～3 h，這表明近底含沙量除來自海床泥沙再懸浮外，還有潮流的平流輸沙。王寶燦等[8]通過對岸灘的地貌動態(tài)、沉積規(guī)律、水文特征的分析，海州灣存在著兩股強度不同、物質(zhì)成分明顯差異的泥沙流，它們分別從嵐山頭方向和廢黃河口一帶向海州灣灣頂匯合。連云港及其鄰近海域懸沙主要由廢黃河口向海州灣輸運，含沙量空間分布特征呈現(xiàn)以廢黃河口為起點，沿NW方向沿程逐漸遞減的趨勢。

懸沙中值粒徑呈現(xiàn)與含沙量空間分布大致相同的變化特征，灌河口沙嘴海域懸沙中值粒徑相對較大，大潮懸沙中值粒徑為12～15 μm；開山島其次，懸沙中值粒徑為10～12 μm；連云港和徐圩海域懸沙中值粒徑相對較小，且二者較為接近，懸沙中值粒徑為6～9 μm；海州灣頂最小，懸沙中值粒徑為6～7 μm，泥沙類型主要為黏土質(zhì)粉砂(圖3)。

圖3 懸沙和表層沉積物粒度分布Fig.3 Grain size distribution of suspended and surface sediments

2.2 表層沉積物分布

連云港海域表層沉積物分布與歷史海岸變遷有密切關(guān)系。連云港海域?qū)購U黃河水下三角洲北翼及其延伸部分，歷史上黃河奪淮期間大量泥沙入海，并隨潮流向海州灣方向擴散運移并沉積在此[9-10]。從沉積過程上分析，表層沉積物以黃河三角洲粉砂沉積層為主，向周邊逐漸擴展變薄，并向黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土過渡。

連云港海域20 m等深線內(nèi)、外的沉積環(huán)境存在差異。灌河口沙嘴區(qū)至外海20 m等深線以淺區(qū)域的表層沉積物主要受廢黃河河口三角洲擴散沉積的影響，中值粒徑為62～125 μm，沉積物類型以砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂為主。灌河口沙嘴—埒子口—徐圩—連云港—海州灣灣頂沿岸10 m等深線以淺區(qū)域的表層沉積物中值粒徑為4～31 μm，沉積物類型主要以粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主；10～20 m等深線之間沉積物中值粒徑為62～125 μm，沉積物類型以粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂為主；20 m等深線以外表層沉積物為末次冰期陸相殘留砂沉積[8]，沉積物類型以粉砂和細(xì)砂為主(圖4和圖5)。海床沉積物的礦物組成以伊利石為主，約占60%，綠泥石約占20%，高嶺土約占10%，以及少量蒙脫石，與黃河口沉積物一致，說明沉積物主要來源于黃河奪淮期間入海泥沙的連續(xù)沉積。因受波浪沖蝕，近岸淺灘表面區(qū)為粉砂和粉砂質(zhì)砂的粗化沉積[11]。

表層沉積物分布特征的分析表明，埒子口以西基本為D50<31 μm的黏土質(zhì)沉積物分布區(qū)，灌河口沙嘴基本為D50>31 μm、黏粒含量<15%的粉砂質(zhì)沉積區(qū)。灌河口沙嘴表層沉積物最粗，中值粒徑為81 μm，開山島表層沉積物中值粒徑為25 μm，連云港主航道和徐圩航道近岸區(qū)域表層沉積物相對較細(xì)，中值粒徑分別為9和7 μm，海州灣頂表層沉積物粒徑最小，中值粒徑為6～7 μm(圖3)。

圖4 沉積物中值粒徑分布(單位：μm)Fig.4 Distribution of surface sediment D50 (unit: μm)

(Y為黏土; T為粉砂; S為砂; TY為粉砂質(zhì)黏土; SY為砂質(zhì)黏土; YT為黏土質(zhì)粉砂; ST為砂質(zhì)粉砂; YS為黏土質(zhì)砂; TS為粉砂質(zhì)砂; S-T-Y為砂-粉砂-黏土)圖5 表層沉積物組分Fig.5 Ternary diagram of sand/silt/clay proportions

圖6 連云港海域懸沙和表層沉積物交換率Fig.6 Spatial distribution of vertical sediment exchange ratio in Lianyungang and adjacent sea waters

2.3 懸沙與表層沉積物交換

懸沙和表層沉積物的交換率指示了二者粒度分布曲線上共有部分所占的比例，交換率越低，說明懸沙和表層沉積物粒度組分中共有部分的百分比越少。根據(jù)已有研究，當(dāng)交換率小于0.2時，懸沙主要以細(xì)顆粒泥沙組分為主、表層沉積物主要以粗顆粒泥沙組分為主，二者發(fā)生交換的幾率較??；當(dāng)交換率大于0.5時，懸沙和表層沉積物粒度分布上共有的粒度組分達(dá)50%以上，交換的幾率較大，懸沙參與造床的比例也較大。另外，結(jié)合連云港海域地形沖淤變化分析，懸沙和表層沉積物交換率小于0.2時，地形沖淤變化幅度很小，懸沙和表層沉積物交換頻率較低。

根據(jù)連云港海域懸沙和表層沉積物交換率的分析(圖6)，連云港港主航道5 m等深線以內(nèi)區(qū)段懸沙和表層沉積物交換率為0.3～0.4，5 m等深線以外區(qū)段懸沙和表層沉積物交換率約0.1～0.2；徐圩航道交換率為0.1～0.4，由防波堤口門向外海交換率逐漸減小。

上述分析表明，連云港港主航道和徐圩航道5 m等深線以外區(qū)域懸沙和表層沉積物交換率為0.1～0.2，該區(qū)域正處于經(jīng)常性破波帶外，且缺少豐富的泥沙供應(yīng)，整體含沙量水平較低，泥沙落淤的幾率較小，因此航道回淤強度將處于較小水平，有利于今后航道的維護。

連云港港主航道和徐圩航道5 m等深線以內(nèi)的區(qū)域懸沙和表層沉積物交換率為0.3～0.4，該區(qū)域處于經(jīng)常性破波帶內(nèi)，破波作用產(chǎn)生的紊動水流對底部泥沙產(chǎn)生沖刷，造成近底泥沙再懸浮，在近底層形成高含沙量區(qū)，所以該區(qū)域懸沙落淤對航道回淤有一定貢獻(xiàn)，其航道回淤量相對增大，這與實際的航道回淤情況基本一致[12]。

正常天氣條件下，灌河口沙嘴懸沙和表層沉積物交換率在0.2以下，表明正常天氣條件下灌河口沙嘴區(qū)域懸沙和表層沉積物交換較少。連云港港及其臨近海域懸沙和表層沉積物交換率大于0.5的區(qū)域主要集中在5 m等深線以內(nèi)的經(jīng)常性破波帶水域，說明懸沙和表層沉積物交換頻繁，懸沙大量參與造床。由于連云港港海域港池和航道回淤主要以懸沙落淤為主，因此，為減少泥沙回淤對徐圩港區(qū)港池正常運行的影響，建設(shè)防浪擋沙堤并將堤頭布置在經(jīng)常性大浪的破波帶之外十分必要。

根據(jù)連云港海域典型區(qū)域懸沙和表層沉積物的粒度組分分析(圖7)可知，開山島、徐圩航道和連云港主航道區(qū)懸沙和表層沉積物交換較為頻繁的是粒徑小于62 μm的細(xì)顆粒組分。灌河口沙嘴懸沙主要以細(xì)顆粒泥沙組分為主，表層沉積物主要以粗顆粒泥沙組分為主，懸沙和表層沉積物交換較少。

圖7 連云港海域懸沙和表層沉積物粒度對比Fig.7 Comparison between suspended and surface sediment grain sizes in Lianyungang and adjacent sea waters

需要說明的是，研究成果僅代表了正常天氣情況下的懸沙和表層沉積物交換特征，由于連云港海域大風(fēng)天波浪作用對懸沙和表層沉積物粒度的影響十分明顯，其懸沙和表層沉積物的交換特征可能有所不同。

3 結(jié) 語

連云港港及其鄰近海域懸沙中值粒徑呈現(xiàn)以廢黃河口為起點，沿NW方向沿程遞減趨勢。灌河口沙嘴海域懸沙粒徑相對較大，大潮懸沙中值粒徑約12～15 μm；開山島其次，懸沙中值粒徑10～12 μm；連云港和徐圩海域懸沙中值粒徑相對較小，二者較為接近，懸沙中值粒徑約6～9 μm；海州灣頂最小，懸沙中值粒徑約6～7 μm，泥沙類型主要為黏土質(zhì)粉砂。

連云港海域表層沉積物分布特征與歷史海岸變遷有密切關(guān)系。灌河口沙嘴區(qū)至外海20 m等深線以淺的表層沉積物主要受廢黃河河口三角洲擴散沉積的影響，20 m等深線以外表層沉積物為末次冰期前陸相殘留沙沉積。埒子口以西基本為D50<31 μm的黏土質(zhì)沉積物分布區(qū)，灌河口沙嘴基本為D50>31 μm、黏粒含量小于15%的粉砂質(zhì)沉積區(qū)。灌河口沙嘴表層沉積物最粗，中值粒徑為81 μm，開山島表層沉積物中值粒徑為25 μm，連云港港主航道和徐圩航道近岸區(qū)域表層沉積物相對較細(xì)，中值粒徑分別為9和7 μm，海州灣頂表層沉積物粒徑最小，中值粒徑為6～7 μm。

連云港港主航道5 m等深線以內(nèi)的區(qū)段懸沙和表層沉積物交換率為0.3～0.4，5 m等深線以外的區(qū)段交換率約0.1～0.2，徐圩航道為0.1～0.4，灌河口沙嘴交換率在0.2以下。懸沙和表層沉積物交換較為頻繁的主要為粒徑小于62 μm的細(xì)顆粒組分。連云港港主航道和徐圩航道懸沙和表層沉積物交換率由內(nèi)向外逐漸減小，說明航道回淤量由近岸向外海逐漸減小，與實測航道回淤強度分布特征基本一致，為研究航道回淤和航道維護提供了科學(xué)依據(jù)。交換率大于0.5的區(qū)域主要集中在5 m等深線以內(nèi)的破波帶水域，為減少泥沙回淤對徐圩港區(qū)港池正常運行的影響，建設(shè)防浪擋沙堤并將堤頭布置在破波帶之外十分必要。

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Analysis of exchange of suspended and surface sediments in Lianyungang harbor and adjacent sea waters

LIU Hong1, GU Yong2, MA Xinghua1, JIN Liu3

(1.ShanghaiWaterwayEngineeringDesignandConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200120,China； 2.ShanghaiDredgingCo.,Ltd.,Shanghai200002,China; 3.AdministrationBureauofNavigationChannelinYangtzeEstuary,MinistryofTransport,Shanghai200003,China)

The analysis of the exchange of the suspended and surface sediments in the Lianyungang harbor and adjacent sea area was carried out based on the grain-size spectral calculation method, which provides a theoretical basis for the general layout of the breakwater entrance in the Xuwei port and the siltation research on the navigation channels in the Lianyungang harbor. From the calculated results it is found that the sediment exchange ratio in the main Lianyungang navigation channels and Xuwei navigation channels 5 m outside the isobaths is between 0.1 and 0.2, and the siltation intensity is relatively low, which is beneficial to the channel maintenance. The exchange ratio in the navigation channel 5 m inside the isobaths is between 0.3 and 0.4, and the suspended sediment deposition adds a contribution to the channel siltation. It indicates that there is a greater sedimentation in the section of this navigation channel. And the calculated results are consistent with the distribution characteristics of the measured siltation intensity, being a scientific basis for further researches on the channel siltation and maintenance. The sediment exchange ratio of the sand spit in the Guanhe River estuary is below 0.2 under the normal climate conditions. The sediment exchange ratio in the surf zone 5 m inside the isobaths is more than 0.5, which indicates that the suspended and surface sediments exchange occurrs frequently. The particle size components of the sediment frequently exchanged are the fine particle size sediment (<62 μm). The analysis results show that it is necessary to construct a sediment barrier and its head should be placed outside the surf zone for reducing influences of siltation on the normal port operation. The above results provide a case study for applying the grain-size spectral calculation method to the harbor and waterway engineering.

Lianyungang harbor; suspended sediment; surface sediment; grain-size spectral calculation method; sediment exchange

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.005

2016-03-23

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA112509)

劉 紅(1978—)， 男， 湖北宜昌人， 高級工程師， 博士， 主要從事河口海岸水動力和工程泥沙研究。 E-mail: liuhongshiw@163.com

TV148

A

1009-640X(2017)03-0033-08

劉紅， 顧勇， 馬興華， 等. 連云港海域懸沙和表層沉積物交換研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(3): 33-40. (LIU Hong, GU Yong, MA Xinghua, et al. Analysis of exchange of suspended and surface sediments in Lianyungang harbor and adjacent sea waters[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 33-40. (in Chinese))