海南昌江海域表層沉積物特征及泥沙活動性分析

左書華，韓志遠，謝華亮，李懷遠，解鳴曉

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

0 引言

海岸與近海海床表層沉積物粒度是描述沉積環(huán)境的重要參數(shù)，其泥沙運動特征則反映了區(qū)域水動力與泥沙之間的相互作用，在很大程度上反映了區(qū)域動力作用以及地貌反饋的相互耦合機制，對港口航道、沿海旅游開發(fā)、海水養(yǎng)殖和海岸工程等方面研究具有重要意義[1-4]。

海南昌江位于海南島西北部，瀕臨北部灣，海岸線全長63.7 km，具有豐富的海洋資源。有關(guān)昌江沿岸海域水動力、沉積等方面的研究，至今不多見，其中中國海灣志（第十一分冊）中有關(guān)于“昌江棋子灣”海洋動力、地質(zhì)地貌與沉積環(huán)境描述[5]，王寶燦等在其論著中對瓊西中部（包括昌江沿岸）的地貌特征進行了論述[6]，陳丕翔等采用數(shù)學模型的方法對海南昌江核電廠低放廢水數(shù)值模擬研究[7]。而針對昌江沿岸海域表層沉積物特征、泥沙運動特征等研究至今未見報道。本文以昌江沿岸海域為研究區(qū)，通過近期的表層沉積物采樣資料，計算與分析了該海域表層沉積物特征與泥沙活動性參數(shù)，探討海床沉積物與沉積動力學之間的聯(lián)系，為相關(guān)研究提供依據(jù)與參考。

1 區(qū)域概況

昌江黎族自治縣西北部瀕臨北部灣，南起咸田港，北至儋州市海頭港，海岸線全長63.7 km，海岸基本呈NE—SW走向。在海洋動力（波浪、潮流）、河流動力、生物以及風力的作用下，在海、陸交會地帶及其后海濱帶發(fā)育了復雜多樣的地貌類型，主要有珊瑚岸礁、沙堤、沙嘴、河口三角洲以及風成沙丘。從沿海海域?qū)崪y水下地形資料顯示，2 m等深線以淺區(qū)域基本為相對平坦的平臺地形，寬度在400～1 000 m之間，主要為珊瑚岸礁平臺；2～10 m等深線之間為陡坡，坡度為1/50～1/80，10 m等深線以外坡度變緩，10～20 m等深線坡度約為1/300，20 m水深以外海床坡度約為1/600。

本海區(qū)的潮汐類型屬于正規(guī)日潮，根據(jù)昌江海域短期潮位資料顯示，最大潮差4.1 m，平均潮差2.1 m，平均高潮位1.77 m（國家85高程）。根據(jù)2008年夏季和冬季兩次水文測驗資料顯示，本海區(qū)的潮流性質(zhì)為不規(guī)則全日潮流，運動性質(zhì)表現(xiàn)為典型的往復流性質(zhì)，漲潮方向主要為ENE向，落潮方向主要為SW向；夏季大潮平均流速約為0.38 m/s，冬季大潮平均流速約為0.29 m/s。

根據(jù)昌江核電廠址外約1 km處（水深10 m）1 a波浪資料顯示，該海域以風浪為主，常浪向為N向，頻率為29.87%；次常浪向為NNE向，頻率為26.24%；觀測期間強浪向主要出現(xiàn)在N向與NNW向，H1/10最大波高分別為4.37 m、3.98 m；觀測期間，年平均值周期為2.97 s，年平均H1/10波高0.31 m。

該海域在水文全潮天氣條件下，整個海域含沙量較低，其垂線平均含沙量值均在0.01 kg/m3以下，底層含沙量平均值在0.05 kg/m3左右。

2 資料與方法

1）2010年11月在昌江沿海海頭新港—海尾港海域，進行了大范圍表層沉積物取樣工作，共采集樣品201個（圖1）。樣品均采用蚌式抓斗采樣器采集，采樣深度為5～10 cm，每次采樣前后均嚴格按照GB/T 12763.8—2007《海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》[8]的規(guī)定清洗采樣器，以防樣品污染，樣品采集后充分攪拌混合，經(jīng)現(xiàn)場描述后裝袋標識，運回實驗室以備分析。

圖1 海南昌江海域形勢及表層沉積物取樣點Fig.1 Situation of Changjiang sea area and sediment sampling points

2）所采樣品經(jīng)由實驗室處理之后，采用英國馬爾文儀器公司的MS-2000型激光粒度分析儀進行粒度分析，然后根據(jù)國家海洋調(diào)查規(guī)范計算出中值粒徑D50、分選系數(shù)σ、偏度Sk等粒度參數(shù)，并劃分粒級標準和進行沉積物命名。

3）采用國內(nèi)外比較經(jīng)典的經(jīng)驗公式、規(guī)范公式對泥沙在水流、波浪作用下的泥沙起動流速、波浪破碎和臨界起動水深進行計算，來分析泥沙活動性。

3 表層沉積物特征

3.1 沉積物類型

本區(qū)沉積物類型較為復雜，有礁石、珊瑚碎塊、礫石（G）、粗砂-礫（CS-G）、礫-粗砂（G-CS）、粗砂（CS）、中粗砂（MCS）、粗中細砂（CMFS）、中砂（MS）、中細砂（MFS）、砂質(zhì)粉砂（ST）、粉砂（T）及黏土質(zhì)粉砂（YT）等13種，其中以礫-粗砂、粗砂、中粗砂、粗中細砂、中砂及中細砂等砂質(zhì)沉積物在整個海區(qū)內(nèi)廣泛分布（圖2（a）），所占的比重最大，約占57.7%；其次為珊瑚碎塊、礫石及粗砂-礫等礫質(zhì)沉積，約占22.4%，主要分布在昌江核電廠取水明渠附近近岸和深水區(qū)以及海尾港北側(cè)；砂質(zhì)粉砂、粉砂及黏土質(zhì)粉砂等粉砂質(zhì)沉積占10.95%，主要分布在昌江核電廠區(qū)北側(cè)深水區(qū)及海尾港口門內(nèi)外；岸礁平臺區(qū)沉積物質(zhì)以粗顆粒的砂質(zhì)和礫石分布為主，約占8.95%。由圖2（a）可以看出，昌江核電廠取水明渠附近為粗砂、礫石、珊瑚礁等交錯區(qū)，取水明渠南北兩側(cè)10 m等深線以淺的區(qū)域以粗砂為主，間有少量的礫石及珊瑚碎塊；10 m等深線以深的區(qū)域珊瑚礁、礫石、粗砂及粉砂質(zhì)沉積交錯分布，沉積環(huán)境復雜。海頭附近主要為砂質(zhì)沉積區(qū)，以粗砂和中粗砂占優(yōu)，10 m等深線以深的深水區(qū)分布少量的粉砂沉積和礫石。海尾港內(nèi)及口門附近為粉砂沉積，北側(cè)近有礫石及珊瑚礁，其余區(qū)域主要分布粗砂沉積物。

圖2 昌江海域表層沉積物特征圖Fig.2 Surfacesediment characteristicsdistribution of Changjiang sea area

3.2 中值粒徑

本區(qū)沉積物中值粒徑除去礁石、珊瑚塊及部分礫石外，中值粒徑基本在0.006～8.640 mm之間變化，泥沙顆粒變化幅度較大。從斷面分布來看，各斷面泥沙平均中值粒徑在0.505～2.660 mm之間變化，以昌江核電廠為界，北側(cè)斷面平均中值粒徑為0.890 mm，南側(cè)斷面平均中值粒徑為1.400 mm，南側(cè)沉積物粗于北側(cè)。從圖2（b）可以看出，在海頭至昌江核電廠區(qū)域近岸，中值粒徑主要呈小于0.1～1.0 mm粒徑的分布區(qū)，泥沙粒徑偏細；在深水區(qū)則存在3部分面積不大，粒徑大于2 mm的礫石沉積區(qū)；昌江核電廠附近北部為小于0.5～1.0 mm粒徑的不規(guī)則分布區(qū)，其余基本被粒徑大于2 mm沉積區(qū)域所覆蓋；昌江核電廠以南和海尾港附近各有一處小于0.5 mm粒徑的分布區(qū)，深水區(qū)沉積物中值粒徑小于1 mm，其余區(qū)域泥沙中值粒徑均大于2 mm。

3.3 分選系數(shù)

分選系數(shù)反映的是泥沙顆粒均勻性，泥沙顆粒越均勻，分選越好，分選系數(shù)越??；反之，分選系數(shù)大。本區(qū)沉積物分選系數(shù)在0.10～2.07之間，以昌江核電廠為界，以北斷面的平均分選系數(shù)為0.83，南部斷面的平均分選系數(shù)為0.57。昌江核電廠附近斷面平均分選系數(shù)為0.84。按照《海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》[8]五級分選的劃分標準，該區(qū)域沉積物分選程度大部分屬于分選性好和分選性極好的級別，局部分選差和極差；分選程度很差的區(qū)域僅在昌江核電廠附近水下以北局部區(qū)域分布，分選程度中常的區(qū)域也集中在昌江核電廠附近區(qū)域，另外在海尾港附近及深水區(qū)和海頭港深水區(qū)呈局部分布（圖 2（c））。

3.4 砂組分含量

從整個取樣區(qū)看，砂組分平均含量約為40%，圖2（d）給出了該區(qū)域砂組分的含量分布情況，從中可以看出昌江核電廠北側(cè)10 m等深線以內(nèi)砂組分含量高達80%以上，南側(cè)2 m等深線以內(nèi)砂含量較低，在20%以內(nèi)；另外在海尾角北側(cè)有局部區(qū)域砂含量在20%以內(nèi)，其余大部分區(qū)域砂組分含量主要集中在50%～80%之間。

4 泥沙活動性分析

該海域?qū)儆谏百|(zhì)海岸，波浪是砂質(zhì)海岸侵蝕作用的主要動力因素。因此分析泥沙活動性，包括波浪破碎帶、臨界起動水深、泥沙起動流速等參數(shù)，對研究泥沙活動范圍和能力非常重要，有助于深化對該區(qū)域泥沙理論的認識，可以為海岸工程的建設(shè)提供參考。

4.1 沿岸波浪破碎分析

波浪破碎帶是沙質(zhì)海岸泥沙最為活躍的地帶，在波浪等動力作用下引起破波帶的泥沙產(chǎn)生橫向和縱向運動。因此，破波帶寬度的定量計算對輸沙量計算是極其重要的。本次分析采用昌江核電廠附近海域波浪資料?？紤]到岸段與波向關(guān)系的實際情況，選用對該岸段有影響的多個方向波浪特征值作為計算條件。

在忽略繞射效應的影響下，波浪由深水傳至近岸，僅受折射和淺水變形作用，其破波波高Hb可表示為[9]：

式中：Kr為折射系數(shù)，Kr=（cosθ0/cosθb）1/2；Ks為淺水變形系數(shù)，Ks=（Cg0/2Cgb）1/2；Cg0為深水波群速，Cg0=0.5C0=gT0/4π；Cgb為破波處波群速，Cgb=Cb=θ0和θb分別為深水和破波處的波向；H0為深水波高；hb為破波水深。

破波角θb可用snell定律計算[9]：

波浪破碎的判別式為：

式中：r為波浪破碎指標，對于沙質(zhì)海岸可采用Collins經(jīng)驗公式[10]：r=0.72+5.6tanβ，其中 tanβ為岸灘坡度，針對工程海域可取為1/50。

基于以上公式，經(jīng)反復迭代可得到工程海域在不同波向、波高入射條件下的破碎波高Hb和破碎水深hb。

表1和表2分別給出了工程海域在正常天氣下和極端波浪條件下（50 a一遇）的波浪破碎情況，其中正常天氣選擇N、NNE、NW和NNW四個方向；極端波浪選擇N、NW和W向。經(jīng)分析，在正常天氣下，工程海域各向破碎波高均在1.0 m以下，破碎水深亦基本控制在最低潮位下1.0 m水深處（85高程下2.0 m左右）；而在極端天氣情況下，較大的入射波高將會使得破波帶向外海延伸，其中NW向破碎波高可接近4.0 m，而破碎水深可推進至最低潮位下5.0 m水深處（85高程下6.3 m左右）。

表1 昌江海域正常天氣破碎波高、破碎水深Table 1 Breaking wave height and crushing depth of normal day in the Changjiang sea area

表2 工程海域50 a一遇破碎波高、破碎水深Table 2 Breaking wave height and crushing depth of 50 years return period in thesea area

4.2 泥沙起動的臨界水深

在波浪作用下，床面泥沙的運動形態(tài)將產(chǎn)生一定差異。因此，可將泥沙起動的臨界水深分為表層活動臨界水深和完全活動臨界水深。泥沙表層活動臨界水深指泥沙在波浪作用下，僅表面一個顆粒厚度的泥沙層處于臨界活動狀態(tài)；而對海底工程具有影響的是完全活動臨界水深，它反映在波浪作用下有數(shù)個顆粒厚度的泥沙層產(chǎn)生位移。

由于泥沙活動臨界水深在海岸工程中具有重要意義，這一問題的研究很早就引起研究工作者的注意。本次研究中，采用佐藤[11]等人的公式計算泥沙的表層和完全活動的臨界水深，見式（4）：

式中：H0和L0分別為深水波高和深水波長；H和L分別為計算處的波高和波長；D50為床面泥沙中值粒徑；hc為臨界作用水深；α為經(jīng)驗系數(shù)，當泥沙表層起動時取1.35，泥沙全面起動時取2.40。

表3中給出了不同入射波浪等級條件下，針對不同粒徑泥沙的臨界起動水深，包括表層起動和完全起動。

表3 不同波況作用下不同粒徑泥沙的臨界起動水深Table 3 The critical starting water depth of sediment of different sizes under different wave function m

經(jīng)分析計算結(jié)果，當深水波高H=0.7 m時，2.0 m水深內(nèi)的底質(zhì)泥沙可少量起動，但難以全面起動，顯示出較弱波浪條件下近岸泥沙運動微弱；當入射波高提高至H=1.5 m時，水深5.0 m內(nèi)的底質(zhì)泥沙少量起動，水深2.5 m內(nèi)的泥沙可大量起動，泥沙主要活動帶為5.0 m等深線內(nèi)，在該范圍內(nèi)，泥沙可作縱向或橫向運動。當H=2.5 m時（類似臺風浪作用下），表層泥沙起動可向外海延伸至水深8.0 m處，且5.0 m內(nèi)泥沙可大量起動。相對本海域而言，表層泥沙起動可達85高程下9.3 m處，泥沙大量起動可達85高程下6.3 m處。

此外，表中亦顯示出較粗泥沙抵御波浪作用的能力較細顆粒泥沙強，在波浪較弱時，粗顆粒泥沙（D50=1.00 mm）難以全面起動；在同一波浪條件下，粗顆粒的起動水深較細顆粒泥沙更小，其差異可超過1.0 m。

4.3 水流和波流作用下的泥沙起動流速

水流和波流作用下的泥沙起動是反映當?shù)厮畡恿l件對泥沙運動影響的重要指標之一[1，6]。根據(jù)國內(nèi)外學者對非均勻沙起動流速的研究，利用竇國仁公式和張瑞瑾公式分別對本工程海域底沙進行了理論計算。

竇國仁公式[12]：

式中：εk=2.56 cm3/s2；δ=0.213×10-4cm；ks為糙率；D＜0.5 mm時，取ks=0.5 mm，D＞0.5 mm時，取ks=D。

張瑞瑾公式[13]：

式中：h為水深，m；D為泥沙粒徑，m；γs為沙粒比重，水體比重取為γ=1。

近岸水流作用下泥沙起動流速計算結(jié)果如表4。

表4 近岸水流作用下泥沙起動流速計算結(jié)果Table 4 Calculation results of sediment starting velocity under the action of nearshore currents

由表4可以看出，在純水流作用下，泥沙起動基本在0.5～0.6 m/s之間，而當?shù)卮蟪贝咕€平均最大流速在0.4～0.5 m/s之間，因此單純水流基本不具有起動當?shù)啬嗌车臈l件；加上波浪作用則有所不同，由本海域泥沙水力特性實驗結(jié)果[14]顯示，0.8 mm泥沙在5 m水深4 s周期波高0.5 m情況下，泥沙起動流速在0.41 m/s左右。因此只有在波流共同作用下，當?shù)啬嗌巢啪邆淦饎拥臈l件，其中波浪起了關(guān)鍵性作用。

5 結(jié)語

1）海南昌江海域為正規(guī)全日潮類型，平均潮差2.11 m，潮流為不規(guī)則全日潮流；海域波浪以風浪為主，常浪向為N向。該海域?qū)儆谏百|(zhì)海岸，表層沉積物質(zhì)以礫-粗砂、粗砂、中粗砂、粗中細砂、中砂及中細砂等砂質(zhì)粗顆粒沉積物為主，中值粒徑在0.005 9～8.636 0 mm之間變化，泥沙顆粒變化幅度較大，以昌江核電廠為界南側(cè)沉積物平均中值粒徑1.400 mm粗于北側(cè)0.890 mm。

2）昌江核電廠取水明渠附近為粗砂、礫石、珊瑚礁等交錯區(qū)，取水明渠南北兩側(cè)10 m等深線以淺的區(qū)域以粗砂為主，間有少量的礫石及珊瑚碎塊；10 m等深線以深的區(qū)域珊瑚礁、礫石、粗砂及粉砂質(zhì)沉積交錯分布，沉積環(huán)境復雜。

3）泥沙活動性分析結(jié)果表明：在純流作用下，基本不具有起動當?shù)啬嗌车臈l件，波浪對泥沙運動起到關(guān)鍵性作用；泥沙活動區(qū)域一般集中在5 m等深線以內(nèi)；在正常天氣下，該海域各向破碎波高均在1.0 m以下，破碎水深亦基本控制在最低潮位下1.0 m水深處，在極端天氣情況下，則可推進至最低潮位下5.0 m水深處。