外釣山島附近海域沖淤演變分析

宣勝男，曾 淵，尹 晶，倪云林，祝 悅

（1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.臺(tái)州市港航管理局,浙江臺(tái)州 318000；3.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家海洋局海域管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023）

外釣山島地處寧波-舟山港老塘山港區(qū)的中心位置，毗鄰眾多島嶼，東面與舟山本島隔海相望，北面被里釣山島、富翅島、冊(cè)子島等島嶼所包圍，西面是金塘島。島嶼之間形成的潮流峽道成為煤炭、糧食、原油等大宗貨物船舶進(jìn)出老塘山港區(qū)的重要通道。

關(guān)于外釣山島周邊海域的沖淤變化研究，主要圍繞金塘水道開(kāi)展。邱建立等[1-2]、汪家君等[3]在北侖港建港初期，重點(diǎn)研究碼頭工程前后金塘水道南岸水下岸坡的沖淤變化。倪云林等[4]利用不同年份的海圖資料，研究了1935-2004年間不同時(shí)段金塘水道海床沖淤變化的基本特征。倪云林等[5]通過(guò)測(cè)深資料，計(jì)算并探討了金塘水道北岸大浦口集裝箱碼頭前沿海域的沖淤變化。上述研究有助于更好地認(rèn)識(shí)自然環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)共同作用下金塘水道的沖淤變化特性，但研究范圍距離外釣山島有一定距離，隨著2011年以后外釣山島進(jìn)行整島開(kāi)發(fā)，有必要掌握外釣山島開(kāi)發(fā)前附近海域的沖淤動(dòng)態(tài)，為后期研究工程環(huán)境效應(yīng)提供研究基礎(chǔ)。

1 資料來(lái)源和處理方法

1.1 資料來(lái)源

本文收集了2004年、2007年、2010年和2011年4個(gè)年份的水深地形資料，具體信息見(jiàn)表1。水文泥沙資料由國(guó)家海洋局第二海洋研究所于2009年5-6月、2010年9月同步觀測(cè)得到。

表1 外釣山島附近海域水深地形資料Tab.1 Bathymetry material of the Waidiaoshan Island

1.2 處理方法

對(duì)上述4個(gè)年份的水深地形資料進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)Bursa-Wolf七參數(shù)模型（式1）[6]和MapInfo軟件把水深資料統(tǒng)一為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的墨卡托投影（基準(zhǔn)緯度為30°N），并利用Surfer軟件，采用Kriging插值方法把離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立不同年份的數(shù)字高程模型，進(jìn)而定量計(jì)算外釣山島的岸線變化及附近海域的海床平面沖淤變化和特征等深線分布變化，同時(shí)結(jié)合水文泥沙實(shí)測(cè)資料，分析沖淤動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。

式中，X1、Y1、Z1是北京 54 坐標(biāo)系統(tǒng)下的平面坐標(biāo)；X2、Y2、Z2是轉(zhuǎn)換后 WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)下的平面坐標(biāo)，X0、Y0、Z0是 3 個(gè)平移參數(shù)，著X、著Y、著Z是 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m 是尺度參數(shù)。

2 研究區(qū)概況

外釣山島周?chē)绷鲘{道的發(fā)育，主要有冊(cè)子水道、西堠門(mén)水道、富翅門(mén)水道等；東側(cè)為舟山本島，西側(cè)為金塘島，北側(cè)有冊(cè)子島、富翅島和里釣島（圖1）。外釣山島附近海域潮流為不正規(guī)淺海半日潮流類(lèi)型，具有明顯的往復(fù)流特征，平均流速0.3～0.6 m/s；平均含沙量為 0.312 kg/m3，主要為粘土質(zhì)粉砂；底質(zhì)沉積物類(lèi)型由粉砂（74.8%）、粘土質(zhì)粉砂（24.0%）和砂（1.2%）組成。外釣山島地貌類(lèi)型為低丘-灘涂-水下岸坡，北部水下岸坡坡度較陡，南部則相對(duì)較緩[7-8]。

3 研究區(qū)岸灘演變

3.1 岸線演變

根據(jù)2004年、2007年、2011年水深地形資料中的岸線數(shù)據(jù)，結(jié)合Google Earth中2004-2015年的影像資料，可以發(fā)現(xiàn)，外釣山島的岸線在2004-2015年間總體保持穩(wěn)定，只在局部岸段，由于圍海造地和碼頭修建導(dǎo)致岸線向海推進(jìn)或發(fā)生變化。其中，在2004-2007年間，外釣山島岸線保持不變；到2011年，島嶼東南、西南兩側(cè)進(jìn)行了圍海造地，面積約10.9公頃，使得岸線向海推進(jìn)約107～260 m；隨著光匯石油儲(chǔ)運(yùn)基地庫(kù)區(qū)項(xiàng)目的建設(shè)，到2012年，在東南側(cè)填海形成的岸線之上，新建了工作船碼頭和千噸級(jí)碼頭，并在島嶼東北通過(guò)填海新增陸域面積約1.5 hm2，到2014年，在島嶼西側(cè)新建了30萬(wàn)t級(jí)碼頭，到2015年，又新建了10萬(wàn)t級(jí)碼頭（圖2）。

圖1 外釣山島地理位置示意圖Fig.1 Geographic sketch of Waidiaoshan Island

圖2 外釣山島2004-2015岸線變化Fig.2 Coastline change of Waidiaoshan Island during 2004-2015

3.2 海床平面沖淤變化

通過(guò)Surfer軟件可以計(jì)算前、后兩個(gè)年份水下數(shù)字高程模型對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)上水深數(shù)據(jù)的差值，從而得到該時(shí)段海床平面的沖淤變化，其中，差值大于0時(shí)為淤積，小于0時(shí)為沖刷，等于0則表示不沖不淤，計(jì)算結(jié)果如圖3a～c和表2所示?？偟膩?lái)看，在2004-2011的8 a間，外釣山島附近海域沖淤相間，淤積區(qū)面積大于沖刷區(qū)面積，淤積區(qū)和沖刷區(qū)的平均淤積厚度和沖刷厚度分別為3.00 m和3.01 m，但整個(gè)區(qū)域以淤積為主，平均淤積0.61 m，淤積速率為7.6 cm/a（圖3a）。分不同時(shí)段來(lái)看，在2004-2007年間，外釣山島附近海域的沖淤幅度約為2 m，其中，外釣山島和舟山本島之間的老塘山港區(qū)進(jìn)港航道存在3 m左右的沖刷。這一時(shí)段，整個(gè)區(qū)域趨于沖刷，沖刷區(qū)面積和沖刷區(qū)平均沖刷厚度均大于淤積區(qū)面積和淤積區(qū)淤積厚度，全區(qū)平均沖刷厚度0.55 m，沖刷速率為13.7 cm/a（圖3b）。而在2007-2011年間，整個(gè)區(qū)域又趨于淤積，島嶼東南、西南兩側(cè)的圍海造地工程區(qū)及老塘山港區(qū)進(jìn)港航道亦表現(xiàn)為不同程度的淤積；淤積區(qū)面積大于沖刷區(qū)面積，淤積區(qū)平均淤積厚度2.59 m，沖刷區(qū)平均沖刷厚度2.03 m，全區(qū)凈淤積1.09 m，平均淤積速率21.8 cm/a（圖3c）。

上述沖淤變化反映了在2004-2011年間，外釣山島附近海域經(jīng)歷了從緩慢沖刷到較快淤積的沖淤調(diào)整過(guò)程，并總體上處于緩慢淤積的狀態(tài)。

圖3 外釣山島附近海域沖淤分布（m）Fig.3 Distribution of scouring-silting nearby Waidiaoshan Island（unit:m）

表2 外釣山島附近海域沖淤變化特征值Tab.2 Eigenvalue of changes in erosion-deposition nearby Waidiaoshan Island

4 研究區(qū)沖淤動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析

如上所述，在外釣山島整島開(kāi)發(fā)之前，其附近海域海床平面經(jīng)歷了由沖轉(zhuǎn)淤的調(diào)整過(guò)程。其中，在2004-2007年間，海床平面處于緩慢沖刷狀態(tài)，主要原因是該時(shí)段，外釣山島的岸線保持穩(wěn)定，其周邊島嶼也沒(méi)有大型的開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)，并且受先期局部岸段修建海堤的影響，原本彎曲的自然岸線變得順直，漲落潮流流速增大，有利于附近海域海床平面的沖刷。在2007-2011年間，實(shí)施了光匯石油儲(chǔ)運(yùn)基地庫(kù)區(qū)項(xiàng)目填海造地工程，在一定程度上導(dǎo)致了外釣山島南面海域及外釣山島和舟山本島之間老塘山港區(qū)進(jìn)港航道普遍淤積；同時(shí)，周邊舟山跨海大橋等大型水工結(jié)構(gòu)的建設(shè)也或多或少地影響著外釣山島附近海域的淤積。因此，在這一時(shí)段，外釣山島附近海域處于較快淤積狀態(tài)。

圖4 外釣山島附近海域大小潮期泥沙輸移圖Fig.4 Transportation map of sediment in Waidioashan island nearshore waters flood and ebb current

從實(shí)測(cè)水文泥沙資料來(lái)看，外釣山島附近海域的懸浮泥沙絕大部分是長(zhǎng)江入海泥沙南下時(shí)通過(guò)周邊水道進(jìn)入的細(xì)顆粒懸浮泥沙，這些泥沙成為本海區(qū)主要的泥沙來(lái)源。整個(gè)區(qū)域漲潮流歷時(shí)長(zhǎng)于落潮流歷時(shí)，優(yōu)勢(shì)流以漲潮流為主，這對(duì)該海域單寬凈輸沙特征具有重要的影響[9]。由外釣山島附近海域大小潮期泥沙輸移趨勢(shì)（圖4和表3）可知，2009年5-6月間，外釣山島西南側(cè)L1、L2站位大潮、小潮的凈輸沙量和凈輸沙量方向差別較大。其中，L1 站位大潮期凈輸沙量為 148.8 t/（m·d），輸沙方向319°（正北方向?yàn)?°，按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颍?，小潮期凈輸沙量?26.4 t/（m·d），輸沙方向 199°；L2 站位大潮期凈輸沙量為 224.1 t/（m·d），輸沙方向 312°，小潮期凈輸沙量為 16.0 t/（m·d），輸沙方向 196°。因此，L1、L2 站位泥沙凈輸運(yùn)方向?yàn)殡x岸方向，在2004-2011年間，外釣山島西南海域總體上以沖刷為主（圖3a）。在外釣山島東南側(cè)的L3、L4站位大潮、小潮的凈輸沙方向基本一致，且在輸沙量上也相差不大。其中，L3站位大潮期凈輸沙量為59.7 t/（m·d），輸沙方向315°，小潮期凈輸沙量為38.7 t/（m·d），輸沙方向 312°；L4 站位大潮期凈輸沙量為43.4 t/（m·d），輸沙方向 349°，小潮期凈輸沙量為16.2 t/（m·d），輸沙方向346°。因此，L3、L4站位泥沙凈輸運(yùn)方向?yàn)橄虬斗较?，?004-2011年間，外釣山島東南海域及外釣山島和舟山本島之間的老塘山港區(qū)進(jìn)港航道總體上趨于淤積（圖3a）。

2011年以后，隨著外釣山島的整島開(kāi)發(fā)，島嶼西側(cè)、東側(cè)和南側(cè)岸線上新建了多個(gè)超大型高樁碼頭（圖2）。這些碼頭平臺(tái)及引橋的樁基必然會(huì)對(duì)漲落潮流起阻礙和摩擦作用，進(jìn)而阻滯泥沙輸運(yùn)，促使過(guò)境泥沙落淤[10]。因此，在現(xiàn)有的泥沙條件和邊界條件下，外釣山島附近海域的淤積還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

表3 各站周日單寬輸沙量與方向Tab.3 Unit sediment discharge and direction every day of the stations t/（m·d）,°

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在2004-2011年這8 a間，外釣山島的岸線總體保持穩(wěn)定，只是在局部岸段由于圍海造地使得岸線向海推進(jìn)107～260 m，形成了10.9 hm2左右的陸域面積。外釣山島附近海域經(jīng)歷了由緩慢沖刷到較快淤積的調(diào)整過(guò)程，但總體上以淤積為主，平均淤積0.61 m，淤積速率為7.6 cm/a。

（2）外釣山島附近海域的泥沙來(lái)源、水沙運(yùn)動(dòng)及其強(qiáng)度變化是影響海床平面沖淤變化的本質(zhì)原因。受填海造地、興建碼頭等海岸工程阻水作用的影響，外釣山島附近海域的漲落潮流流速有所減小，挾沙能力減弱，泥沙沉積。特別是隨著外釣山島的整島開(kāi)發(fā)，其附近海域的淤積還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。這說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致外釣山島附近海域沖淤變化的主要原因。