江蘇啟東碧海金沙圍堤工程海域水文泥沙環(huán)境特征分析

王江南

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

江蘇啟東碧海金沙圍堤工程位于長江口北支口門北側(cè)啟東嘴附近，屬于江蘇省啟東市范圍(圖1)。工程的選址往往受到使用需求的制約，但綜合考慮地質(zhì)、自然條件等因素仍是選址的重要內(nèi)容。擬建工程毗鄰長江口，長江河口海岸地區(qū)的水動力條件比較復雜，涉及到潮流、泥沙等各方面動力因素的相互作用，需要對河口淺灘的沖淤及演變趨勢、周圍海域的水動力環(huán)境、泥沙輸移規(guī)律等進行必要的分析和研究。

本文擬通過實測水文泥沙數(shù)據(jù)和歷史海圖資料，分析江蘇啟東嘴附近水動力環(huán)境和泥沙含量與海床沖淤變化及其穩(wěn)定性規(guī)劃，為以后的工程建設提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學建議。

圖1 工程附近海域2011年4月遙感影像

1 資料與方法

2003、2010和2011年洪季(7月份、8月份)在工程區(qū)附近設置了若干實測點位，涵蓋完整的大潮和小潮周期。現(xiàn)場流速流向觀測儀器采用美國TRDI公司生產(chǎn)的聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)，同時采用美國Compbell公司生產(chǎn)的OBS自動記錄水體濁度，并用整點采集的六層泥沙水樣所測得含沙量進行率定，最終得到全時段全測點的含沙量。

以不同時期的遙感衛(wèi)片，上世紀70年代、80年代和90年代工程區(qū)附近海圖資料為基礎(chǔ)，運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對海圖進行掃描、配準和數(shù)字化。利用數(shù)字化得到的離散水深點，建立研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)字地形，鑲嵌成圖。

2 海岸地形地貌特征

工程附近岸段位于長江口北支口門北側(cè)，屬于長江三角洲組成部分，海岸發(fā)育演變與長江口演變密切相關(guān)。長江口的北岸是一系列沙洲或沙洲群通過夾江淤阻，和岸相連的，使廖角咀(現(xiàn)“啟東咀”)逐漸向東南方向發(fā)展[1]。20世紀初年，許多小沙島連接起來才成為今日的啟東市，廖角咀才移動到現(xiàn)在的位置[2]。

工程附近區(qū)域陸地地貌以沖積海積平原地貌為主，海岸地貌以人工改造的海岸地貌(海堤、碼頭等)、海陸交互作用的潮間帶地貌和水下三角洲地貌為主[3]。工程附近海域?qū)儆诮稖\水海域，海域海底地形總的變化趨勢為從近岸向海逐漸變深，具體可以分為淺水灘涂區(qū)、沙洲區(qū)、水道區(qū)和淺海區(qū)，該海區(qū)-10 m等深線以內(nèi)的水下淺灘地形相對復雜，水下發(fā)育著水下沙洲(攔門沙)和沖刷槽。

3 水動力條件

3.1 波 浪

根據(jù)引水船站資料[1-3]，長江口海域波浪以風浪為主，其中累年平均的風浪出現(xiàn)頻率大于90%。冬季以偏N向浪為主，NW～NNE向浪占59%；夏季以偏S向浪為主，ESE～S向浪占48%；秋季浪向與冬季類似，春季為過渡季節(jié)，浪向多變。從多年來看，引水船站波浪頻率最大的是E向，但波高主要集中在0.5～1.5 m；波高大于1.5 m的波浪主要出現(xiàn)在N、NNE向。

引水船站多年平均波高為1.0 m，以NW、NNW向平均波高最大，為1.3 m；以SW、WSW向平均波高最小，為0.7 m；各向平均波高和最大波高和季節(jié)風向相對應，均表現(xiàn)為冬半年的波浪大于夏半年；實測最大波高為3.2 m，浪向為WNW向。由于在熱帶氣旋影響長江口海域時，引水船往往因避風而無法進行波浪觀測，因此缺少部分大浪資料。據(jù)上海市地方志辦公室資料顯示，引水船區(qū)域曾出現(xiàn)過的最大波高達6.1 m(1970年8月19日)，浪向為E向，由7008號臺風引起。

引水船站波浪多年平均周期為3.6 s，各月平均值為3.5～3.7 s，各波向多年平均周期有一定的變化。

3.2 徑 流

工程區(qū)地處江海之交的長江口北支口門北側(cè)。北支河槽曾是長江入海主泓，18世紀后長江主流改道南支，北支徑流開始減少，1915年北支入海分流量占南北總量的25%，1923年降為23%，1958年洪季北支年均分流比減至8.7%[2]。1971-1987年漲潮期間出現(xiàn)了北支水、沙倒灌南支的現(xiàn)象；1988-2001年北支年平均分流比保持在1%～4%之間，其中2001年僅為1.4%；2003、2004和2005年北支分流比分別為1.55%、1.96%和2.80%，平均為2.1%[2]；如果以長江口多年平均年徑流量8 962.5×108m3計算，北支徑流量約為188.2×108m3。

北支水道徑流分流量逐年漸小，徑流對北支水道的影響越來越小，北支水道主要受漲潮流的作用更加明顯。

3.3 潮 汐

工程附近海域潮汐屬于正規(guī)則半日淺海潮，平均潮周期為12 h 25 min左右，日潮不等現(xiàn)象明顯。根據(jù)工程區(qū)附近的三條港和連興港水文站多年實測潮位資料(1987-2001年)，潮汐特征見表1。

表1 工程區(qū)潮汐特征值

注：吳淞高程基面。

3.4 潮 流

工程海域受東海前進潮波控制，潮波自長江口外向西北方向傳播，近岸漲潮流至長江口北支口外北側(cè)分異，一部分南偏后進入長江口北支，一部分繼續(xù)北上進入江蘇省岸外海域[3]。

根據(jù)工程附近不同時期實測潮流資料調(diào)和分析結(jié)果，工程海域潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日潮流為主，潮流總體沿岸(等深線)走向呈往復運動(圖2-圖4)。水流主流向與地形走向一致，北支水道內(nèi)的測站走向基本與-5 m等深線走向一致；啟東東側(cè)岸外水域的測站流向基本呈NNW～SSE走向。近岸及水道內(nèi)測站往復流特征明顯，相對開敞的海域表現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流特征。

從流速統(tǒng)計結(jié)果來看，海域內(nèi)大小潮流速強度存在一定差別，明顯表現(xiàn)出大潮流速大于中潮，中潮大于小潮的特征；在大潮期間，工程附近海域漲落潮垂線平均流速一般在0.5～1.1 m/s，最大流速可達1.4 m/s以上；中潮時，垂線平均流速一般在0.35～0.82 m/s，最大流速可達0.8～1.2 m/s之間；小潮時，垂線平均流速一般在0.3 m/s左右，最大流速在0.5～0.7 m/s之間。

在潮段流速變化上，最大流速和垂線平均流速大多數(shù)表現(xiàn)為漲潮流速大于落潮流速，特別是深槽內(nèi)的點表現(xiàn)突出，這些均與北支喇叭狀的河槽形態(tài)及漲潮槽性質(zhì)有關(guān)。

圖2 工程區(qū)海域大潮潮流矢量圖(2003年)

圖3 工程區(qū)海域大潮潮流矢量圖(2010年)

圖4 工程區(qū)海域水文測站大潮潮流矢量圖(2011年)

從潮流分層流速過程來看(圖5)，該海域表層流速一般是底層流速的2倍左右，相對開闊的水域大潮表層流速可達1.1 m/s，而底層流速只有0.4 m/s；靠近岸灘或水深相對較淺的水域受邊灘影響，表底流速相差較小。

圖5 工程區(qū)海域各測站大潮分層流速過程(2011年)

4 泥沙環(huán)境

4.1 含沙量分布特征

4.1.1 大范圍含沙量分布特征

采用衛(wèi)星遙感反演技術(shù)，獲取了研究海區(qū)大范圍含沙量分布特征，見圖6。從圖6中可以看出：

從空間分布上，總的來看長江口區(qū)域、北面的輻射沙洲附近和南面的杭州灣附近區(qū)域，由于沉積物供應量豐富，動力作用強，含沙量都較高。最高濃度出現(xiàn)在長江口口門攔門沙附近的最大渾濁帶，長江河口外的懸沙濃度相對較低，江蘇海岸靠近輻射沙洲區(qū)域濃度略高，長江口南側(cè)的杭州灣海域的含沙量也較高。長江口北支的濃度要高于南支，南槽、北槽、崇明東灘附近是高懸浮泥沙濃度分布帶?？谕獾貐^(qū)的濃度一般不高于0.2 kg/m3，口內(nèi)大部分地區(qū)的含沙量都在0.3～0.5 kg/m3，最高可達0.7 kg/m3。

長江口口門地區(qū)含沙量較高，相對較高的含沙量主要集中在淺灘水域，入海泥沙進入口外進一步擴散沉積，含沙量顯著減小，在東海近岸流系及風海流的側(cè)向牽動影響下，其外緣向北偏轉(zhuǎn)，泥沙擴散方向指向蘇北沿海[2]。

圖6 工程附近海域含沙量分布(2007.11.20)

在一個潮周期內(nèi)，含沙量的大小與流速大小有關(guān)。潮流流速大時，底部再懸浮作用強烈，懸浮泥沙濃度較高。大小潮周期內(nèi)，大潮時濃度高于小潮。不同季節(jié)中，在洪季，口內(nèi)徑流作用占優(yōu)，長江口內(nèi)含沙量明顯高于枯季，且隨著不同潮型和潮段變化較小，河口外局部含沙量明顯高于周圍海域，表現(xiàn)出洪季長江徑流攜帶泥沙對河口地區(qū)含沙量有較大影響；而口外由于冬季風浪影響較大，由于風浪引起的波浪掀沙作用，冬季濃度高于夏季。

4.1.2 工程區(qū)實測含沙量分布

根據(jù)2010、2011年工程區(qū)附近水域含沙量資料分析，工程區(qū)附近海域含沙量呈現(xiàn)出如下幾個特征：

近岸水域含沙量較高，向外逐漸降低，含沙量等值線大致與等深線平行，與海岸走向一致；近岸淺水區(qū)平均含沙量一般在0.3～0.7 kg/m3，深水區(qū)一般在0.2～0.4 kg/m3。工程附近測驗水域內(nèi)的各測站大多是落潮含沙量大于漲潮含沙量，落潮含沙量占主要優(yōu)勢。在平面分布上，V5#測線的漲落潮平均含沙量最高，V1#測線的漲落潮平均含沙量最低。其中，漲潮平均含沙量最大為0.477 kg/m3，落潮平均含沙量最大為0.484 kg/m3，均出現(xiàn)在大潮期的V5#測線位置；從潮型分布上，大潮各測站的漲落潮平均含沙量最大，其次為中潮和小潮；在垂線分布上，各垂線含沙量的垂向分布變化十分明顯，含沙量均以上層向底層逐漸增高為特征，底層與表層平均含沙量比值介于2.0～10.0之間(圖7)；在季節(jié)上，冬季含沙量明顯高于夏季，主要是由風浪的季節(jié)性變化引起的。

4.2 懸沙粒徑和底質(zhì)

根據(jù)2011年7月全潮測驗資料，各垂線中值粒徑(d50)平均介于0.005 3～0.009 9 mm之間；最小粒徑為0.004 8 mm，最大粒徑為0.016 3 mm；懸沙顆粒樣品主要由黏土質(zhì)粉砂組成，其中砂平均百分比占0.5%～7.5%，粉砂平均百分比占60.3%～75.4%，黏土平均百分比占22.0%～36.6%?？傮w上來說，懸沙粒徑以細顆粒為主。

根據(jù)不同時期包含著工程區(qū)域的底質(zhì)調(diào)查資料(長江口及附近海域、江蘇海岸帶調(diào)查資料、長江口北支及附近底質(zhì)調(diào)查資料)分析[3-4]，工程附近近岸潮灘主要以黏土質(zhì)粉砂(YT)、砂質(zhì)粉砂(ST)和細砂(S)為主，中值粒徑在3φ～7φ(0.016～0.25 mm)。根據(jù)全潮水文測站底質(zhì)資料，其中值粒徑介于0.007～0.176 mm之間，砂平均含量在19%，粉砂平均含量在71%，黏土平均含量在10%，沉積物類型以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主。與前述歷史資料基本一致。

圖7 工程海域各測站分層含沙量過程

4.3 泥沙來源

工程區(qū)附近的泥沙主要受到于兩股泥沙流的影響，一是長江口下泄的泥沙向北的擴散；二是北部輻射沙洲的泥沙向南的搬運[2-3]。長江口年平均入海泥沙量數(shù)以億噸計，是工程海域最大的陸源泥沙，但長江口泥沙入海后的輸運方向和范圍，除了短周期內(nèi)受風浪和周期性、往復性運動的潮流作用有關(guān)外，大范圍的輸運主要取決于更長周期的潮流形勢。從遙感影像來看，長江口口門附近的高含沙量水舌一般是向東南偏，夏季受東南風影響略有偏北；從沉積物分布來看，工程區(qū)以及以北區(qū)域主要是粉砂和細砂為主，長江口則主要是黏土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土，由此可見，長江口泥沙的輸移擴散對工程附近海域有一定的影響。不過現(xiàn)代長江入海泥沙直接補給工程區(qū)附近岸灘物質(zhì)僅僅是一小部分來源，大量的泥沙主要是古長江水下三角洲所遺留的沙體，在向岸風形成的波浪作用下使淺海沙脊(體)掀沙，經(jīng)過潮流的搬運，在漲潮流速大于落潮流速的動力條件下，成為岸灘變化的重要物質(zhì)來源。

輻射沙洲南下的泥沙流也是長時間上影響著工程海域岸灘變化。在短期時間內(nèi)，工程海域的泥沙來源仍然是來自附近灘面泥沙在波浪潮流作用的往復搬運。

5 地形沖淤變化

該區(qū)域?qū)儆陂L江口北翼沖積-海積平原。新中國成立以來，人工圍墾活動持續(xù)加強。圖8中的海防公路是20世紀50年代末期修建的，有改善海岸交通、抵御風暴潮災害等功能，1970、1989和1992年又分別進行圍墾灘涂修建了新的大堤。2007年恒達集團在東部潮灘的砂質(zhì)光灘上建造了高標準的大堤，圍墾大量海岸灘涂用于建設“北上海恒達威尼斯水城”高檔水景綠色住宅區(qū)以及國際會議旅游休閑接待區(qū)。在岸線變化上可以看出，在人類活動影響下海岸線向海推進了約6 km。

工程區(qū)附近岸段(協(xié)興港-連興港)北接呂四侵蝕岸段，南連長江口北支，岸外無沙洲掩護，無大型潮汐水道。自北向南方向，灘面高程逐漸下降，剖面呈斜坡形，坡度約為1.05‰～1.15‰。淺水區(qū)以上斷面基本上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的微淤形態(tài)。從圖9可以看出，自上世紀70年代以來工程海域等深線變化，除局部區(qū)域外，基本保持較好的穩(wěn)定性。根據(jù)連興港附近鉆孔取樣資料分析，1963年以來的平均沉積速率為2.3 cm/a，1986年以來的平均沉積速率為1.6 cm/a[4-5]。

圖8 工程附近近期海岸線變化

圖9 上世紀70-90年代工程區(qū)附近海域等深線變化

影響該海域岸灘的變化的主要因素[5]，一是海洋動力條件；二是海岸工程建設，護岸、圍堤、棧橋、海底取沙等工程在一定程度上干擾了海岸的自然演變過程，日益成為影響沿海潮灘發(fā)育、尤其是高潮灘發(fā)育的主導因素；三是泥沙來源，工程附近海域潮灘發(fā)育的泥沙主要來源于古黃河與古長江的泥沙供應，近年來長江入海泥沙逐年減少，2007年僅為1.38×108t，且主要向東南運移，僅汛期有10%的水量和泥沙從長江口向東北方向運轉(zhuǎn)，對江蘇沿海影響較?。粡U黃河水下三角洲及輻射沙洲仍然是影響工程附近沿海地區(qū)的主要泥沙來源，在中長期時間段內(nèi)影響岸灘的發(fā)育過程。

由于長江對工程岸段海岸供沙的逐年減少以及20世紀50年代海堤的基本建成以后逐年筑堤圍墾，使海灘納潮面積縮小，河流排水受到節(jié)制，下泄泥沙大大減少。潮流和波浪對海岸的動力作用相對加強，成為海岸動態(tài)變化的主導因素，因而工程區(qū)附近岸灘有沖蝕的趨勢。河海大學在2008年3月和2008年10月曾對斷面2所在位置進行了相關(guān)斷面測量(圖10)，結(jié)果顯示平均低潮位線附近陡坡向陸推進了約200 m。經(jīng)初步分析，該結(jié)果一部分是由于季節(jié)性變化而導致的侵蝕后退，同時也受到外海泥沙來源減小，再加上岸外人工采砂和圍堤工程綜合影響導致的結(jié)果[6]。

圖10 工程區(qū)附近岸灘剖面形態(tài)

6 結(jié) 論

利用多期水文資料和海圖資料，對江蘇啟東碧海金沙圍堤工程海域水動力條件、泥沙含量和底質(zhì)特征及海床沖淤變化進行分析。研究結(jié)果表明：

1) 工程附近海域潮汐屬于正規(guī)則半日淺海潮，平均潮差3 m左右；潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日潮流為主，潮流總體沿等深線走向呈往復運動，大潮期漲落潮垂線平均流速一般在0.5～1.1 m/s。

2) 海域沉積物供應量豐富，動力作用強，含沙量較高。近岸水域含沙量較高，向外逐漸降低，近岸淺水區(qū)平均含沙量一般在0.3～0.7 kg/m3，深水區(qū)一般在0.2～0.4 kg/m3，落潮含沙量大于漲潮含沙量；在垂線分布上，各垂線含沙量的垂向分布變化十分明顯，底層與表層平均含沙量比值介于2.0～10.0之間；在季節(jié)性分布上，冬季含沙量明顯高于夏季，主要是由風浪的季節(jié)性變化引起的。

3) 近岸潮灘底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂(YT)、砂質(zhì)粉砂(ST)和細砂(S)為主，中值粒徑在0.016～0.25 mm。工程海域泥沙來源，主要受長江口下泄泥沙向北的擴散和北部輻射沙洲泥沙向南的搬運兩方面的影響，其中長江口泥沙的輸移擴散對工程附近海域影響相對較大，不過由于上游流域來沙不斷減小，其影響最大的是本海域淺灘泥沙在水動力往復搬運。

4) 自上世紀70年代以來工程海域等深線變化，除局部區(qū)域外，基本保持較好的穩(wěn)定性。近些年來，受人為和流域來沙減少雙重影響，岸灘總體呈侵蝕后退趨勢。