興化灣海域泥沙特征及地形變化分析

王世儒,雷偉麗

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，重慶 402160)

興化灣海域泥沙特征及地形變化分析

王世儒,雷偉麗

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，重慶 402160)

為了查明興化灣海域泥沙特征及地形變化，基于2013年7月份興化灣海域水文泥沙測驗(yàn)資料，分析了研究區(qū)域的泥沙分布特性，并結(jié)合興化灣深槽歷年實(shí)測數(shù)據(jù)探討了懸沙運(yùn)移對其水下地形變化的影響。分析結(jié)果表明：測區(qū)含沙量較小，本次測驗(yàn)平均含沙量為0.062 kg/m3，大潮的平均含沙量較大，小潮的平均含沙量較小；含沙量的漲、落潮變化明顯，最大含沙量多出現(xiàn)在最大漲急時(shí)刻附近，最小含沙量多出現(xiàn)在最大落急時(shí)刻附近，表明測驗(yàn)海域泥沙受到的擾動(dòng)較?。桓鳒y點(diǎn)漲潮輸沙率占優(yōu)勢，但漲、落潮輸沙率絕對值都很?。谎芯亢Ｓ蚰嗌畴S潮流往復(fù)進(jìn)出，總體上為漲潮流方向，即由東南向西北運(yùn)移，這與江陰壁頭附近的情況相吻合，即深槽寬度不斷向兩側(cè)擴(kuò)展，而海底水深穩(wěn)中有沖，基本處于略有沖刷的平衡狀態(tài)。

興化灣; 泥沙特征;含沙量; 水沙輸移; 地形變化；潮汐

1 研究背景

興化灣位于福建省沿海中部，北與福州市和福清市相接，西與莆田市緊臨，是福建最大的港灣，四周被北部的龍高半島、西部的莆田平原及南部的石城半島所環(huán)繞，地理位置和自然環(huán)境十分優(yōu)越。灣內(nèi)水域?qū)掗煟瑬|西長達(dá)50 km，南北寬約21 km，灣內(nèi)主要水道水深基本都在-20 m以上[1-2]，水深條件較好，具備建設(shè)深水港的良好條件。

近年來，隨著興化灣港口工程、圍墾工程的不斷實(shí)施，以高灘為基礎(chǔ)的圍海造陸占用了大量海域，必然會(huì)在一定程度上改變?yōu)硟?nèi)原有的水動(dòng)力環(huán)境，引起泥沙的輸運(yùn)，進(jìn)而導(dǎo)致灣內(nèi)局部海域水下地形發(fā)生改變。為此，分析興化灣海域的泥沙特性及水下地形變化，可為研究灣內(nèi)泥沙輸運(yùn)及水下地形演變提供科學(xué)的依據(jù)。前人對興化灣海域的潮流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律做了大量的研究，取得了諸多成果[3-7]。

本文依據(jù)2013年7月份興化灣水文泥沙測驗(yàn)資料及江陰壁頭附近深槽歷年地形數(shù)據(jù)，分析研究了興化灣海域的泥沙輸運(yùn)特征，探討了其對灣內(nèi)江陰壁頭附近海域深槽水下地形變化的影響。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

現(xiàn)場水文測量在2013年7月16—24日大小潮期間進(jìn)行。流速流向測量采用SLC9-2型直讀海流儀，各垂線流速依據(jù)實(shí)際水深使用分層法施測。含沙量取樣采用橫式采樣器采取，采用過濾洗鹽、烘干稱重法分析。各測點(diǎn)位置見圖1。

圖1 興化灣2013年7月份水文泥沙測站布置

(1)

式中：ρAve為垂線平均含沙量；ρ表，ρ0.6H，ρ底分別為表層、0.6H層和底層的含沙量；V表，V0.6H，V底分別為表層、0.6H和底層的實(shí)測流速；Vm是加權(quán)垂線平均流速。

單寬輸沙量的計(jì)算公式為

(2)

式中：Q為輸沙量,分漲潮、落潮、全潮3個(gè)運(yùn)動(dòng)期,漲潮期時(shí)Q為漲潮輸沙量，落潮期時(shí)Q為落潮輸沙量，全潮期時(shí)Q為凈輸沙量；L為單位寬度，取1 m；T為輸沙時(shí)間段；H為水深;ρz為含沙量;Vz為流速。采用式(2)分別計(jì)算出單寬輸沙量數(shù)值的正北向分量和正東向分量后，再采用矢量合成法可計(jì)算出單寬輸沙量數(shù)值及其方向。

3 泥沙特征分析

3.1 懸移質(zhì)粒度及底質(zhì)分析

懸沙中值粒徑是指在對數(shù)概率累積頻率曲線圖中50%所對應(yīng)的懸沙粒徑值,它是懸沙粒度統(tǒng)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù),其結(jié)果列于表1中。

表1 工程海域各測站懸沙粒度特征值

注：φ=-log2d,d以mm計(jì)

由表1可知，懸沙的中值粒徑在(5.89～7.54)×10-3mm之間,對應(yīng)的φ在7.41～7.05之間，平均粒徑在(8.91～11.76)×10-3mm之間,對應(yīng)的φ在6.81～6.41之間，按照海洋規(guī)范分類為粉砂。

大、小潮懸移質(zhì)中值粒徑變化不大，各個(gè)測站之間懸移質(zhì)中值粒徑變化也不大，說明懸沙中值粒徑的時(shí)間分布和空間分布較均勻。

測驗(yàn)海域底質(zhì)以細(xì)顆粒的砂(S)、粉砂(T)和黏土(Y)為主，砂(S)約占30%，粉砂(T)約占35%，此外黏土(Y)約占35%。測區(qū)內(nèi)底質(zhì)類型狀況按《海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分:海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB 12763.8—2007)劃分命名，有4個(gè)類型，即砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土、黏土-粉砂-砂。

底質(zhì)中值粒徑范圍對應(yīng)的φ在4.05～7.34之間，平均值為6.27。底質(zhì)中值粒徑的空間分布較為均勻。

3.2 含沙量變化

含沙量的垂向變化明顯，隨著水深的增加，含沙量逐漸升高。最高含沙量出現(xiàn)在底層，最低含沙量出現(xiàn)在表層。各測站大、小潮的最大、最小及平均含沙量見圖2和表2。

圖2 大、小潮的最大、最小和平均含沙量

潮汛潮水狀態(tài)平均含沙量/(kg·m-3)J1J2J3J4J5J6大潮小潮漲潮0．0680．0670．0660．0670．0700．067落潮0．0670．0700．0620．0690．0670．063漲潮0．0610．0600．0610．0550．0530．064落潮0．0600．0540．0600．0530．0480．056

由于大潮期間海洋動(dòng)力更為強(qiáng)勁，底層懸浮泥沙更易懸浮，而小潮期間潮流動(dòng)力減弱，水體挾沙能力下降，部分泥沙落淤，因而使得大潮期間含沙量大于小潮期間含沙量。同時(shí)對各測站大、小潮的漲、落潮平均含沙量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由表2可知，興化灣測驗(yàn)海域以漲潮占優(yōu)，含沙量多為漲潮大于落潮且漲落潮含沙量相差不大。

3.3 流速與含沙量關(guān)系

由于興化灣海域大、小潮間流速相差不大，導(dǎo)致大、小潮過程中的含沙量相差亦不大。圖3—圖5分別為2013年J1,J4和J6測站大、小潮垂線流速與含沙量隨時(shí)間的變化過程。

由圖3—圖5可看出，由于興化灣海域潮流呈周期性變化，漲潮時(shí)，含沙量隨著漲潮流速的增加而逐漸增加，在漲潮流速最大值時(shí)即最大漲急時(shí)刻附近，含沙量達(dá)到最大值。此后，隨著漲潮逐步轉(zhuǎn)為落潮，最小含沙量出現(xiàn)于最大落急時(shí)刻附近。這一現(xiàn)象表明測驗(yàn)海域泥沙受到外界其他因素的擾動(dòng)較小。

圖3 J1垂線流速與含沙量隨時(shí)間變化過程Fig.3 Variations of vertical flow velocity and sediment concentration with time at station J1

圖4 J4垂線流速與含沙量隨時(shí)間變化過程Fig.4 Variations of vertical flow velocity and sediment concentration with time at station J4

3.4 水沙輸移

依據(jù)前文方法計(jì)算得到各測站單寬潮量、單寬輸沙率和單寬輸沙量的數(shù)值和方向,如表3—表5所示。

圖5 J6垂線流速與含沙量隨時(shí)間變化過程

站號潮汛漲潮落潮潮量/(m3·s-1)方向角/(°)潮量/(m3·s-1)方向角/(°)漲-落凈潮量/(m3·s-1)J1J2J3J4J5J6大潮2．7503001．8131770．937小潮1．7153171．3521740．363大潮3．6263263．7741670．148小潮2．8403292．4421740．398大潮3．9222944．165132-0．243小潮2．8492832．4091260．440大潮6．2642975．9401180．324小潮4．4102903．4101241．000大潮6．0162854．6741081．342小潮4．4452634．1251120．320大潮6．5782935．8521510．726小潮5．8222754．5901231．232

注:方向角表示方位，是由正北方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度

表4 興化灣海域各測站垂線單寬輸沙率

表5 興化灣海域各測站垂線單寬輸沙量

由表3可知：興化灣測驗(yàn)海域潮流主要以往復(fù)流為主，6個(gè)測站漲潮量略占優(yōu)勢。由表4可知：興化灣海域6個(gè)測站均以漲潮輸沙率占優(yōu)勢，但漲、落潮輸沙率絕對值都很小。其中J1,J3,J5,J6測站大潮輸沙率較大，小潮輸沙率較?。籎2,J4測站小潮輸沙率大于大潮輸沙率。由表5可知： J1,J4,J5,J6測站的輸沙均為漲潮流方向，其他兩個(gè)測站的輸沙均為落潮流方向。綜上所述，在測驗(yàn)期間，興化灣海域水沙隨潮流往復(fù)進(jìn)出，總體上為漲潮流方向，即由東南向西北運(yùn)移，懸沙輸移量較小，量級為103kg/d。

圖6 興化灣深槽水深變化對比Fig.6 Contrast of the depth of deep channel in Xinghua bay in different years

4 地形變化分析

為了解興化灣海域水下地形變化，依據(jù)1963年、1994年及2008年實(shí)測水深地形圖，并選擇相應(yīng)斷面對興化灣內(nèi)部深槽沖淤變化進(jìn)行分析研究。由圖6

和圖7可知，興化灣內(nèi)深槽西部(江陰壁頭南側(cè))有不同程度的擴(kuò)展，-5 m等深線向兩側(cè)沖刷后退約80 m，-10 m等深線擴(kuò)展50～100 m，航槽基本處于沖刷狀態(tài)。而江陰壁頭南側(cè)近岸淺灘，0 m線基本吻合，局部略有沖刷，1963—1994年地形變化，剖面A-A′和B-B′-5 m等深線沖刷后退80 m左右，平均每年沖刷后退2.5 m，-10 m等深線沖刷后退40～90 m，平均每年沖刷后退約1.5 m。在壁頭東部的剖面C-C′邊灘有沖有淤，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 興化灣深槽不同剖面水深變化Fig.7 Changes in the depth of deep channel profiles in Xinghua bay

綜合上述變化，由于興化灣深槽海域處于較強(qiáng)往復(fù)潮流作用，深槽寬度不斷向兩側(cè)擴(kuò)展，而海底水深穩(wěn)中有沖，基本處于略有沖刷的平衡狀態(tài)。而深槽海域泥沙以漲潮流方向輸運(yùn)為主，即東南至西北方向，這樣的泥沙輸運(yùn)方向是導(dǎo)致興化灣江陰壁頭附近深槽一直處于不斷的沖淤狀態(tài)的根本原因。

5 結(jié) 論

(1) 興化灣海域含沙量較小，大潮的平均含沙量大于小潮的平均含沙量。大潮的平均含沙量是漲潮稍大于落潮，而小潮的平均含沙量是落潮稍大于漲潮。

(2) 無論是白天還是夜間，含沙量的漲、落潮變化明顯，最大含沙量多出現(xiàn)在最大漲急時(shí)刻附近，最小含沙量多出現(xiàn)在最大落急時(shí)刻附近，表明測驗(yàn)海域泥沙受到的擾動(dòng)較小。

(3) 興化灣海域6個(gè)測站漲潮潮量及漲潮輸沙率占優(yōu)勢，但漲、落潮輸沙率絕對值都很小。測驗(yàn)海域水沙隨潮流往復(fù)進(jìn)出，總體上為漲潮流方向，即由東南向西北運(yùn)移，懸沙輸移量較小，量級為103kg/d。

(4) 興化灣內(nèi)江陰壁頭附近深槽處于較強(qiáng)往復(fù)潮流作用，深槽寬度不斷向兩側(cè)擴(kuò)展，而海底水深穩(wěn)中有沖，基本處于略有沖刷的平衡狀態(tài)，這與該海域由東南向西北的潮流泥沙輸運(yùn)方向相吻合。

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(編輯：占學(xué)軍)

Sediment Characteristics and Topography Evolution in Xinghua Bay

WANG Shi-ru, LEI Wei-li

(Department of Hydraulic Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160，China)

In the aim of investigating the sediment characteristics and topography evolution in Xinghua Bay, the distribution characteristics of sediment and the effects of suspended sediment transport on topography evolution were analyzed based on measured data of hydrology and sediment in Xinghua bay in July, 2013 and measured data of deep channels of Xinghua bay in the past years. Results show that sediment concentration is small in the study area,with the average sediment concentration only 0.062 kg/m3, and the average sediment concentration of spring tide is larger than that of neap tide. Moreover, sediment concentration changes obviously with tide fluctuation, and maximum concentration most appears when the velocity of rising tide reaches the maximum, while minimum concentration most appears when the velocity of falling tide reaches the maximum, indicating that sediment in the sea area is slightly disturbed. In addition, sediment discharge rates of rising tide are bigger than those of falling tide, but the absolute values of sediment discharge rate of two tides are very small. Finally, sediment in the area flows in and out with the tides, mainly transporting from the southeast to the northwest, which is the flow direction of rising tide. It accords with the phenomenon that width gradually expands in both sides of the deep channels near Bitou area and water depth is stable and increases a little, mainly in equilibrium with a bit more scouring.

Xinghua bay; sediment characteristics; sediment concentration; water and sediment transport; topography evolution; tide

2016-08-25；

2016-10-26

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA20009)；重慶市教委科研項(xiàng)目(KJ1403602)

王世儒(1981-)，男，黑龍江雞西人，講師，碩士，研究方向?yàn)樗そㄖ锘A(chǔ)及河流動(dòng)力學(xué)，(電話)15123081928(電子信箱)3591204@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160865

2017,34(8):1-5

TV142

A

1001-5485(2017)08-0001-05