鰲山灣水動力環境及泥沙運動特征研究＊

李淑玲,宋玉鵬,邊淑華,劉建強,胡澤建

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院 青島 266110;2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

鰲山灣水動力環境及泥沙運動特征研究＊

李淑玲1,2,宋玉鵬2,邊淑華2,劉建強2,胡澤建2

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院 青島 266110;2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

文章通過對鰲山灣波浪及海流資料的深入分析,對區域水動力環境形成較為系統的認識。通過現場水域懸沙觀測資料、沉積物取樣及粒度分析資料,結合區域水動力資料,對鰲山灣及周邊區域泥沙運動趨勢進行分析預測。研究結果表明:鰲山灣具有較長的深水岸線,岸灘穩定,泥沙來源少,有岬角掩護和一定范圍較為平坦的后方陸域,具備建設深水大港的條件。

鰲山灣;水動力環境;泥沙運動

水動力條件及泥沙運動特征是港口建設的關鍵問題,是制約港口正常運行與否的重要因素。如黃驊港建成后,就遭遇了航道淤積的嚴重問題,極大地影響了港口航道的正常使用,帶來了巨大的經濟損失與相應的環境問題。港口淤積容易造成航道及港池水深減小,妨礙航行,淤積嚴重的港口甚至成為廢港。防淤減淤工程耗費巨資,而疏浚維護費用也常成為沉重的負擔。因此,淤積問題在多泥沙活動的海岸常是建港成敗的關鍵之一。

青島市擬在鰲山灣建設新港區,以緩解青島港目前通過能力和日益增長的吞吐量之間的矛盾。針對鰲山灣的相關研究工作相對較少。趙俊等[1]運用直讀海流計對灣內進行了4個測站的海流觀測,通過對鰲山灣海域的潮流數值模擬,較為詳細地闡述了鰲山灣的潮汐、潮流特征及海水交換率與交換期,認為與其他海灣相比,鰲山灣水交換能力一般。劉軍曉[2]通過對鰲山灣自然資源及岸線情況的敘述,提出了鰲山灣的開發利用設想,為岸線的可持續利用提供參考。陳碧娟等[3]在1996年11月—1997年9月間對鰲山灣進行了5次環境調查,對浮游植物的群落結構特征、種類、數量及季節性變化進行了較為詳細的論述。欒光中等[4]對青島及臨近區域的NE、NW向的斷裂活動性進行研究,認為鰲山衛—即墨微震帶是NW向斷裂的現代活動性的表現。而關于鰲山灣的泥沙特征及水動力作用下的運移趨勢研究工作尚未開展。

筆者通過對現場大量實測波浪、海流資料的分析,對鰲山灣的水動力環境進行深入研究,分析研究區域沉積物來源及分布特征,結合區域水動力條件開展泥沙運動趨勢及區域沖淤趨勢綜合研究。

1 研究區概況

鰲山灣位于黃海的中西部,山東省即墨市東郊,灣口朝南,呈“C”字(圖1),灣口長約12 km,南北寬約9 km,面積約160 km2,平均水深約4 m,最大水深13 m,岸線長度約65 km,海底地勢平緩的向東南(灣口)傾斜。

鰲山灣海岸為一段走向SN向、岬角突出較小的基巖海岸,其東側岬角為女島,在西側經鰲山頭與小島灣隔開,習慣上將女島至嶗山頭一帶海域合稱嶗山灣。

鰲山灣和小島灣中水深多0～5 m,灣口附近水深最大10 m左右,向外海水深持續增大,至外圍水深可達20 m。鰲山灣及周邊區域水域開闊,陸域寬廣,多低山丘陵和剝蝕準平原,植被茂密,有多條近源時令小河由山地下流入海。海域灣頂潮灘被圍填開發為鹽田和養殖池,女島和鰲山頭等基巖岬角區修建了小型港口。

區域主要出露巖層為黑云母花崗和白崗巖,地層及巖體中有多期脈巖侵入,成為沿岸基巖岬角的主要組成巖體。本區有單斜構造和斷裂出現,但無新生斷裂和火山活動,地震活動不強烈。

2 研究區水動力特征

2.1 波浪

根據鰲山灣為期1年的波浪觀測資料,鰲山灣及附近海域浪高較小,小于0.4 m的波浪頻率占54.90%,不小于0.5 m而小于1.0 m的波浪頻率占 39.42%,不小于 1.0 m而小于1.5 m的波浪頻率占4.62%,不小于1.5 m而小于2.0 m的波浪占0.87%,不小于2.0 m而小于2.5 m的波浪僅占0.10%。較大的波浪主要出現在NNE向、E向、SE向和SSE各向,這些方向的波浪主要來自于外海,多數以涌浪為主。年各向波向及波高玫瑰圖見圖2。

圖2 鰲山灣年各向波向玫瑰圖

2.2 海流特征

在研究區現場進行了8個站位的海流觀測(圖1),進行了大、小潮兩次周日連續同步觀測,使用儀器為挪威安德拉儀器公司生產的RCM4s和RCM9型自計海流計,以及中國海洋大學科教儀器總廠生產的SLC9-2型直讀式海流計。在海流觀測的同時同步進行了懸浮泥沙觀測,含沙量的測定采用抽濾法,濾膜孔徑為0.45μm,使用1/10000 g電子天平稱重,根據抽濾前后濾膜重量的變化及水量得出含沙量。

圖1 研究區地理位置及海流站位

根據實測海流資料分析結果,鰲山灣海流為規則半日潮流,潮流的運動形式為旋轉流和往復流兼存,其中鰲山灣內水域以往復流為主,灣外則為旋轉流。潮流橢圓長軸方向表、中、底3層基本都在WN—ES方向,潮流最大可能流速38.4～62.7 cm/s。調查區實測流速在灣內為30～50 cm/s,灣外可達60～70 cm/s,漲潮流速大于落潮流速。漲潮流灣外為SW向,灣內為偏N向,落潮流向相反。海流流速由岸向海逐漸增大,自表至底逐漸減小,流向在垂直線上的分布比較一致。

鰲山灣海域余流流速不大,大潮期最大余流流速為15.9 cm/s,流向為47°,小潮期最大余流流速為13.2 cm/s,流向為309°。遠岸余流流速相對較大,近岸余流流速較小。大潮期各站的余流流向基本為偏N向,小潮期各站余流流向與漲潮流主流向基本一致。垂線上,各層余流流向基本一致。

各測站垂向漲、落潮流平均流速及流向見表1。

表1 各站垂向上漲、落潮流平均流速 V及流向

3 沉積物分布及運動特征

3.1 沉積物分布

在研究區采集了100多個站位的表層沉積物,并進行了粒度分析,各粒級分布特征如下:

鰲山灣研究區海底沉積物有砂(S)、粉砂質砂(TS)、粉砂(T)和黏土質粉砂(YT)等幾種。其中,粉砂和黏土質粉砂分布范圍最廣,占據了2 m以深水域的海底,部分近岸潮灘區如鰲山灣的大橋灘、小島灣的王哥莊灘近岸水域組成物質為粉砂。粗顆粒的砂質沉積物則主要分布在近岸區,包括岬角兩側平直岸段的海灘以及凹入較小、開敞程度較大的潮灘上。如小島灣的王哥莊灘和驢島以北的泊子灘,除近岸50～100 m范圍內顆粒較細外,大部分水域海底沉積物為黏土質粉砂(圖3)。

圖3 研究區表層沉積物分布特征

3.2 泥沙來源分析

根據自然地理位置、海岸類型和周邊陸域情況,研究區泥沙來源主要有河流輸沙、海岸侵蝕來沙和外海來沙等幾種,現就各種泥沙來源進行分析。

河流輸沙:研究區內無大河注入,僅有抬頭河、黃官莊河、東皋虞河、水泊河、白廟河、曉望河、土寨河和王哥莊河等山溪雨源小河注入,向海輸入一定的泥沙。根據流域面積和侵蝕模數估算,每年向海輸沙量約10萬t余。

海岸侵蝕來沙:研究區岸段海岸組成物質主要是變質巖、砂礫巖和花崗巖等,在波浪長期作用下,崩塌破碎,可提供一定數量的入海沙源,但數量有限。

外海來沙:研究區海域水體較清,外海水體懸沙可通過水體交換擴散至此,并在海底落淤。本區鄰近海灣丁字灣是泥沙來量豐富,淤積較為嚴重的典型海灣,其渾水懸沙很可能隨山東半島南下的沿岸流運移至本區。

根據本區泥沙來源和海底泥沙分布情況,認為近岸粗顆粒泥沙主要是河流輸沙和海岸侵蝕來沙堆積所致,而深水區細顆粒泥沙主要來自于懸沙落淤。

鰲山港海區是全新世海侵發生后,海水淹沒嶗山山脈東北麓余脈的丘陵谷地而成。伸入海中的丘陵崗嶺及臨海山麓準平原,遭受侵蝕,發育基巖海蝕岸,因海崖不斷蝕退,在海蝕崖前形成了巖灘(海蝕臺)。研究區內有多條小型河流入海,帶來陸源物質。河流來沙和海岸侵蝕下來的物質,在海洋水動力作用下,細顆粒部分被帶至海蝕臺外海底堆積,形成堆積坡(水下岸坡),粗顆粒部分則在原地堆積,并在波浪作用下由基巖岬角向灣頂運移,形成了窄長的海積、沖海積小平原及寬坦的潮灘。

目前,隨著海蝕臺的加寬,消耗了作用于海岸上的海洋動力的大部分能量,海蝕崖日趨穩定。由于人工水庫的修建,河流來水來沙量日趨減小,進入研究區的泥沙來源主要還是海岸侵蝕來沙和河流來沙,但來沙量已少之又少,研究區岸線基本穩定。小島灣和鰲山灣等岸線凹入程度較大的灣頂均修建了人工鹽田和蝦池,占據了原來潮灘的位置,鹽田和蝦池前人工堤形成了新的岸線,海底地形略微調整,在原有細沙沉積物表層又沉積了5～10 mm厚的薄層細顆粒黏土粉砂類物質。而由于水體中懸浮物的存在,水下岸坡存在由懸沙落淤造成的輕微淤積。但由于研究區水體較清,懸沙含量較小,淤積程度很小。

3.3 水體懸沙含量調查

根據研究區實測水體懸沙含量,研究區水域海水含沙量不大。根據觀測結果(表2),海水含沙量為0.2～85.5 mg/L,平均在15.0～23.6 mg/L之間。含沙量變化符合一般規律,從表至底逐漸增大。漲潮和落潮時段水體懸沙含量差別不大,淺水區漲潮水體含沙量略高于落潮水體含沙量。

表2 各站垂線平均含沙量特征值 mg/L

含沙量受海流與波浪影響,含沙量值與流速正相關,且在淺水區波浪作用顯著。其中0～5 m的淺水區域,小潮平均含沙量明顯大于大潮期,5～10 m水域小潮期含沙量偏大,但優勢不如淺水區明顯便是明證;深水區水體含沙量則取決于潮流,基本不受風浪影響,小潮期平均含沙量小于大潮期。此外,岬角區由于潮流流速較大,風浪作用也不如潮流作用明顯。

3.4 全潮單寬輸沙量的計算

通過對單寬輸沙量的計算,可以判斷泥沙來源,輸移方向和海底沖淤變化。影響單寬輸沙量的因素很多,主要有流速、流向、水深、余流、泥沙特性和波浪作用。

本次測量是在天氣狀況正常的情況下、研究區泥沙特性差異不大,因此本次測算結果代表的是正常天氣情況、海流和地形作用下的泥沙輸移趨勢。

根據各站位單寬輸沙量計算結果,研究區日單寬輸沙量不大,全潮日單寬輸沙量大潮期為377.4～777.3 kg/d·m,小潮期為306.5～1109.2 kg/d·m(表3)。從平面分布來看,大潮期灣外各站懸沙單寬輸沙量大于灣內,輸沙方向灣內各站指向灣頂,灣外指向西南,均為漲潮流方向。小潮期靠近灣口各站輸沙量較大,而灣外和靠近灣頂地區輸沙量有減小。輸沙方向灣內各站為漲潮流方向,除3號站外,懸沙凈輸移方向均指向灣頂;灣外各站指向東北向,為落潮流方向。

表3 各站單寬輸沙量

4 結束語

鰲山灣海底沉積物中粉砂和粉砂質砂分布范圍最廣,占據了2 m以深水域的海底。海水較清,含沙量從表至底逐漸增大,含沙量值與流速正相關。泥沙來源主要有河流輸沙、海岸侵蝕來沙和外海來沙等幾種,其中近岸粗顆粒泥沙主要是河流輸沙和海岸侵蝕來沙堆積所致,而深水區細顆粒泥沙主要來自于懸沙落淤,海區外來沙源較少。目前鰲山灣海岸態勢總體較為穩定,沖淤變化較小。由于該區域常浪向為東南方向,女島處岬角恰好對鰲山灣內形成了掩護,加之具有較長的深水岸線以及一定范圍較為平坦的后方陸域,鰲山灣具備建設深水大港的條件。

[1] 趙俊,陳俊罰.鰲山灣水動力狀況研究[J].海洋水產研究,2001,22(3):59-63.

[2] 劉軍曉.青島鰲山灣岸線及海域資源利用初探[J].高校講壇,2008(14).

[3] 陳碧鵑,李云平,邢紅艷,等.鰲山灣浮游植物的生態特征[J].海洋水產研究,2003,24(2):18-24.

[4] 欒光忠,任魯川,段本春.青島及其鄰區 N E、NW向斷裂的活動性研究[J].青島海洋大學學報,1999,29(4):727-732.

國家海洋局青年海洋科學基金——波浪作用下黃河三角洲海底土穩定性及管道電纜安全研究(2010306).