養(yǎng)馬島西南海域淤積與海域表層沉積物的分布

陽馬島位于海南島北部的黃海中部，距煙臺牟平區(qū)9公里。地理坐標(biāo)為37°27′～37°28′N,121°35′～121°38′E,東西長7km,南北寬1.5km,面積10km2,是膠東第三大島。山東某海水淡化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程位于該島的西南端,工程取水口位于廠址北側(cè)海域。為滿足廠址安全性評價的有關(guān)要求,國家海洋局第一海洋研究所對廠址附近海域的水文、泥沙要素開展了專題調(diào)查研究工作,對可能影響廠址的主要因素進(jìn)行綜合性的勘測、測試和試驗工作,旨在提供詳細(xì)的廠址水文泥沙數(shù)據(jù),估算并評價影響廠址安全性的各種水文因素。本文在這項研究工作的基礎(chǔ)上,研究海區(qū)的泥沙運(yùn)移規(guī)律以及近期岸灘和近岸的演化態(tài)勢,并對取水工程設(shè)計提出參考建議。1研究區(qū)域內(nèi)的海上水文條件1.1工程海域地質(zhì)特征養(yǎng)馬島工程海區(qū)無長期實測波浪資料,煙臺芝罘島海洋站(137°36′N,121°26′E,水深17.3m)距工程海區(qū)直線距離僅約10km。兩地同處于山東半島北岸,外海水域開闊,地形相似,水深相近,波浪觀測資料與工程海區(qū)具有良好相似性。本次研究工作中將芝罘島海洋站1981-1986年的波浪觀測資料統(tǒng)計結(jié)果(表1)作為研究海區(qū)外海的代表波浪狀況。由統(tǒng)計結(jié)果可見,本海區(qū)常波向為N,NNW和NW向,出現(xiàn)頻率均為7%;本區(qū)強(qiáng)波向為N向,最大波高為4.7m,就季節(jié)而言,秋季波浪最強(qiáng),夏季最弱,而冬春介于中間。就波向的季節(jié)變化來看,春季的常浪向為N,NW和NNW向,其頻率皆為6%,夏季的常浪向為NE,NW和NNW向,頻率均為3%,而秋、冬季的常浪向分別為NNE和N向,其頻率分別為10%和13%。各季的強(qiáng)浪向,除了夏季為NNE向外,春、秋和冬季均為N向。平均周期出現(xiàn)最大值的方向為N和NNW向,分別為5.1s和5.0s;次之為NNE和NE向,分別為4.9s和4.7s。1.2潮差的區(qū)域分布養(yǎng)馬島海區(qū)的潮汐狀況分析也借鑒附近海區(qū)芝罘灣的潮汐情況進(jìn)行推算。受北黃海潮波系統(tǒng)的控制,工程海區(qū)附近的潮汐屬正規(guī)半日潮性質(zhì),高低潮時間間隔近于一致,為12h25min左右,漲、落潮歷時也基本相等,均為6h多。據(jù)芝罘灣統(tǒng)計資料,年平均潮差為160cm,最大潮差約為288cm。平均潮汐和最大潮差隨季節(jié)有微小變化。1.3海域潮行為統(tǒng)計及調(diào)和分析這一海區(qū)由于受成山頭M2潮波系統(tǒng)及渤海海峽K1旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的共同影響,潮流性質(zhì)比較復(fù)雜。依據(jù)本次觀測的實測資料和歷史觀測資料(國家海洋局第一海洋研究所,1991年)進(jìn)行統(tǒng)計、計算及調(diào)和分析,結(jié)果表明,本海域潮汐類型既有不正規(guī)半日潮流性質(zhì),又有不正規(guī)日潮流性質(zhì),潮流運(yùn)動形式近岸為往復(fù)流,遠(yuǎn)岸潮流運(yùn)動既有往復(fù)流形式又有旋轉(zhuǎn)流形式。表層最大可能流速為25.4cm/s,中層為32.0cm/s,底層為27.3cm/s。此海域余流較弱,表層余流均值為6～7cm/s,流向為偏SE。底層流向與表層相似,流速較表層小,多數(shù)測站似乎中層余流最小。2海底沉積物的分布和懸砂特征2.1海島泥沙和泥砂泥質(zhì)養(yǎng)馬島大地構(gòu)造位置屬于新華夏系第二隆起帶膠遼隆起區(qū),次級構(gòu)造位于膠北臺凸上。由于養(yǎng)馬島距岸較近,島上地層、構(gòu)造和巖漿巖與陸區(qū)關(guān)系密切。島上大部分被殘坡積沉積物覆蓋,覆蓋面積約占全島的70%～80%。在海島的北側(cè)主要發(fā)育巖礁和礫石灘,砂灘主要分布于海島的東側(cè),在海島南側(cè)主要為粉砂淤泥灘。養(yǎng)馬島南側(cè)有廟江與牟平區(qū)寧海鎮(zhèn)相隔。1976年在島東側(cè)修筑東大堤,后又在島中部修建了一條通往內(nèi)陸的海堤,大堤內(nèi)外又修建多處養(yǎng)蝦池進(jìn)行海水養(yǎng)殖。這些工程嚴(yán)重引起養(yǎng)馬島南側(cè)海域水動力和沉積環(huán)境的改變,東、西廟江淤積速度加快,形成了大片灘涂。養(yǎng)馬島港所位于的西廟江海域,泥沙淤積對港口通航安全產(chǎn)生了不利影響。為改善廟江海域的海洋環(huán)境,維持海島的旅游和環(huán)境資源,2003年開始興建養(yǎng)馬島跨海大橋,已于2004年通車,主橋長約500m。原有海堤將有計劃拆除,工程后將有效改善廟江海域的水動力條件,使東西廟江水流暢通,港口淤積現(xiàn)象可望得到一定改善。2.2調(diào)查和分析方法根據(jù)資料,海島周圍底質(zhì)類型近岸為礫石粗砂和中砂,深水為砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂,其中海島北部海域沉積物顆粒較南部海域較細(xì),可能由于此海域主要受陸域來沙的影響(圖1)。為評價查明工程海區(qū)的沉積物特征,分析近年來近岸沉積物的變化趨勢,2003年8月在廠址附近海域開展了表層沉積物調(diào)查。調(diào)查表明廠址區(qū)海岸為基巖海岸,近岸海底多為基巖,且海域筏式養(yǎng)殖區(qū)密布,部分取樣站位船只無法通行,因此在廠址區(qū)共取得海底表層及岸灘沉積物樣品19個,并在海上對樣品進(jìn)行現(xiàn)場描述。室內(nèi)底質(zhì)樣品粒度分析采用《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTJ240-97)中的綜合分析法進(jìn)行分析和定名。調(diào)查海域和岸灘底質(zhì)類型主要有礫石-粗砂、粉砂、砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土等,主要分布范圍(圖1)和沉積物特征如下:(1)基巖類型和分布主要分布在廠址區(qū)近岸海底,水深一般在5m以內(nèi)?；鶐r類型為大理巖,在基巖表面、裂隙中以及小型海灣中常有礫石和粗砂等分布。礫石呈次棱角狀、次圓狀和圓狀,成分主要為當(dāng)?shù)鼗鶐r。(2)顆粒含量分布在養(yǎng)馬島西端靠近大陸岸線海域?；液稚?松散,飽和,大于0.075mm的顆粒含量為42.8%～76.7%,以粉砂為主,含貝殼碎片。不均勻系數(shù)為2.94～3.33,曲率系數(shù)為0.78～1.58,粒級分配較差。(3)動物動物擾動構(gòu)造分布在養(yǎng)馬島西北端近岸海域。淺灰褐色或灰色,大于0.075mm的顆粒含量為12.3%～47.1%,軟塑,部分樣品含動物擾動構(gòu)造。不均勻系數(shù)為2.10～4.13,曲率系數(shù)為0.74～2.18,粒級分配較差。(4)海底沉積物成分分布在廠址區(qū)東側(cè),養(yǎng)馬島北部近岸海域,沉積物以粘質(zhì)粉土為主,只有少數(shù)樣品為粉質(zhì)粘土。顏色為黑灰色或灰褐色,大于0.075mm的顆粒含量為9.0%～16.9%,大部分顆粒粒級小于0.075mm,軟塑,IP值為10.0～10.4,含少量貝殼碎片。對比本次海底沉積物調(diào)查與山東省海島資源綜合調(diào)查資料,研究海區(qū)的沉積物有明顯的細(xì)化趨勢。這一方面可能是由于兩次調(diào)查的比例尺和精度有較大區(qū)別;更為合理的解釋是,近年來由于陸源沉積物供應(yīng)減少,特別是河流供沙下降,陸源供應(yīng)的粗顆粒物質(zhì)對近岸影響減小,近岸沉積物有明顯細(xì)化的趨勢。2.3聚集設(shè)施的來源2.3.1上游水庫現(xiàn)狀調(diào)查區(qū)域附近沒有大河入海,只有兩條較短的季節(jié)性河流:辛安河和魚鳥河。魚鳥河長14.5km,目前上游已建有金龍、蘇家口水庫。辛安河長40km,流域面積315km2,是一條山溪性河流,年輸沙量20.1×104t。目前上游已建有高陵水庫,加上河道多年人工采沙,其徑流量及輸沙量明顯減少,只有大洪水年份有較多泥沙入海,輸沙量僅為5×104t左右。2.3.2波浪材料沙源及輸沙量工程海域位于養(yǎng)馬島的西南端,距大陸岸線距離很近,沿岸泥沙活動的影響既反映沿大陸岸線的輸沙影響,又反映沿海島一側(cè)岸線的輸沙影響。在修筑海堤之前,東西向沿大陸岸線的輸沙活動對該區(qū)域都有影響,在修堤后,養(yǎng)馬島已成為半島,此時對工程海域泥沙均衡產(chǎn)生影響的是牟平港以西的沿岸輸沙和海島西北岸的輸沙。養(yǎng)馬島西北側(cè)以基巖海岸為主,其泥沙來源主要是波浪、潮流對基巖的侵蝕,其泥沙來源有限,粒徑較粗,波浪沿岸輸沙量很小,因此,波浪沿岸輸沙計算主要考慮牟平港西側(cè)平直沙岸。波浪沿岸輸沙率計算方法如下。牟平港以西的沙質(zhì)岸線相對平直、連續(xù),沿岸沉積物供應(yīng)相對充足,海岸沿岸輸沙率的計算可采用如下公式:q=0.64×10?2K′δ0H2bCbnbsin2αb(1)K′=(3500DD4+2)(11?100δ0)/10(2)nb=12(1+4πdbLbsinh4πdbLb)(3)q=0.64×10-2Κ′δ0Ηb2Cbnbsin2αb(1)Κ′=(3500DD4+2)(11-100δ0)/10(2)nb=12(1+4πdbLbsinh4πdbLb)(3)式中,q為沿岸輸沙率(m3/s);δ0為深水波陡;Cb為破碎波速;αb為波浪破碎時波鋒線與等深線之間的夾角(0°<αb<90°)。根據(jù)近岸沉積的粒度特征,取代表中值粒徑為0.10mm,該段海岸的波浪沿岸輸沙計算結(jié)果列于表2。結(jié)果表明,本區(qū)向東輸沙2.015×105m3;向西輸沙1.034×105m3;總輸沙量為3.049×105m3。波浪沿岸凈輸沙方向為自西向東,年凈輸沙量約為1.0×105m3。另外,由于牟平港航道疏浚以及周圍新建了大量蝦池,施工帶來的泥沙直接傾卸至周圍海域,這也是調(diào)查區(qū)泥沙來源中不可忽略的一個因素。2.4懸沙及鼓勵個人創(chuàng)新材料含量的分析懸沙粒度觀測分為大、小潮兩個潮次,觀測和分析時間選定為一個潮周期中的漲急,每個典型時刻在一個潮周期中有2或3個值,最后統(tǒng)計時取平均分析混合樣品。結(jié)果表明,懸沙主要成分為粉砂和粘土,分選中等,粒度為4～12Φ(0.25～64μm),中值粒徑主要為6Φ(16μm)左右。小潮平均含沙量為6.5～31.7mg/L,大潮平均含沙量為5.6～30.5mg/L?？傮w來說,研究區(qū)水體含沙量較小,不會對取水口造成影響。3海岸洪水分析3.1海圖岸線對比分析海岸帶是陸海相互作用最為強(qiáng)烈的地區(qū),復(fù)雜的海洋動力和變化著的陸源物質(zhì)供應(yīng)使得岸灘(尤其是沙質(zhì)岸灘)處于不斷的變化之中,掌握岸灘沖淤情況對于近岸工程的意義是重大的。對于較長時期的岸灘變化及穩(wěn)定性分析,歷史圖件對比是較為有效的研究方法。本研究中利用海軍航保部1976和2001版同比例尺海圖(1∶35000),將海圖岸線數(shù)字化后用Mapinfo和Surfer等專業(yè)軟件進(jìn)行分析和計算,比較研究近30a來廠址及臨近地區(qū)岸灘的變化動態(tài)。兩期海圖的對比結(jié)果表明,養(yǎng)馬島北部基巖岸線無明顯變化,岸灘變化主要發(fā)生在牟平港西部沙質(zhì)海岸。以魚鳥河口為界線,魚鳥河以西岸灘以侵蝕為主,侵蝕強(qiáng)度為1～3m/a,侵蝕較大處發(fā)生在辛安河口與魚鳥河口之間。該岸段侵蝕與河流供沙下降有關(guān)。如辛安河上游修建水庫減少了河流供沙,海岸泥沙來源減少,波浪和沿岸流導(dǎo)致海岸泥沙虧損,岸灘侵蝕。魚鳥河以東岸灘以淤積為主,淤積強(qiáng)度在1～6m/a,淤積最大處位于魚鳥河河口以及牟平港施工區(qū)附近。該岸段淤積主要和波影區(qū)泥沙沉積及凹入角充填有關(guān)。該岸段位于養(yǎng)馬島的波影區(qū)內(nèi),波浪能量低,沿岸流減弱,攜沙能力下降,自西向東的沿岸泥沙流在低能環(huán)境下落淤,造成緩慢淤積。另外,牟平港碼頭和養(yǎng)蝦池等人工岸線向海延伸,也是岸線變動較大的一個原因。3.2海底形貌變化除了利用1976年和2001年兩期同比例尺(1∶35000)海圖對近30a來近岸地形變化進(jìn)行對比研究外,還參考2003年8月在該工程海域開展調(diào)查獲得的水深測量數(shù)據(jù)來研究近期近岸地形變化態(tài)勢。二期海圖的水深地形資料采用人工數(shù)字化錄入、網(wǎng)格化和插值計算等數(shù)據(jù)處理方法,利用Mapinfo和Surfer等專業(yè)軟件進(jìn)行分析和計算,并應(yīng)用本次所測水深資料加以校正。工程區(qū)附近等深線和海底地形變化態(tài)勢見圖2和圖3。等深線變化情況反映工程區(qū)附近的地形變化主要集中在近岸水域,深水區(qū)變化不很明顯(圖2)。其中,養(yǎng)馬島西北水域近岸5m和10m等深線基本沒有變化,其微小位移可能與不同年代水深圖的水深點(diǎn)取舍有關(guān)。對比2001年海圖和2003年所測水深圖發(fā)現(xiàn),該區(qū)域近期并無明顯水深變化。養(yǎng)馬島西南側(cè),特別是魚鳥河口外,2m等深線和5m等深線明顯外移。2m等深線最大外移200m,5m等深線最大外移180m,說明該區(qū)域有明顯淤積。辛安河口外的等深線變化甚微,2001年以來等深線還略向陸位移,即稍有侵蝕,說明該區(qū)基本穩(wěn)定。3.3魚鳥河河口地區(qū)河口局部沉積期7.對比1976年和2001年工程區(qū)附近地形(圖3),廠址附近海域總體以輕微淤積為主。其中,廠址擬建取水口附近水深變化較小,淤積強(qiáng)度為1～2cm/a。廠址外附近海域輕微淤積,淤積厚度0.3m(1976-2001年),強(qiáng)度約為1.2cm/a。養(yǎng)馬島西南側(cè)海域發(fā)生淤積,魚鳥河入海處有明顯的橢圓形淤積體,面積約0.2km2,淤積厚度為0.8～2.4m,淤積速率最大可達(dá)10cm/a(魚鳥河口外約300m處)。局部快速淤積可能與潮汐水道(航道)位置擺動有關(guān),具有局部特征,應(yīng)與海域總體變化情況有別。魚鳥河河口西部有小范圍侵蝕,面積約0.15km2,侵蝕量為0.4m左右,侵蝕強(qiáng)度2cm/a,應(yīng)與航道疏浚有關(guān)。辛安河口外水深基本不變,僅于距岸300m處有面積約0.25km2侵蝕,侵蝕強(qiáng)度為1.5cm/a。4泥沙沖淤分析工程海域及鄰近海岸的泥沙來源分析表明,工程區(qū)的泥沙供應(yīng)來自河流和沿岸輸沙。近年來河流供沙能力減弱,而沿岸輸沙逐漸成為主導(dǎo)。工程區(qū)及鄰近岸段的年供沙總量在1.5×104m3左右。由于養(yǎng)馬島和陸地面海堤的阻隔,這部分泥沙主要落淤在養(yǎng)馬島西南側(cè)附近及西廟江水道內(nèi)。海圖對比結(jié)果與這一估算結(jié)果基本一致,淤積幅度最大的海域位于西南側(cè)原牟平港航道所在區(qū)域。隨著養(yǎng)馬島跨海大橋修建及海堤的拆除,這一海域的淤積態(tài)勢將有所緩解,但因工作區(qū)位于海島波影區(qū)內(nèi),以緩慢淤積為主的態(tài)勢將長時間存在。取排水工程構(gòu)筑物建設(shè)后的泥沙沖淤問題對取排水工程和核能淡化廠正常運(yùn)營至關(guān)重要。排水一般采用岸邊淺排,由于其排水流量對局部區(qū)域有沖刷作用,不會引起自身淤積問題。取水構(gòu)筑物有多種形式,在本工程中考慮2種形式:一為港池或明渠取水,一為涵管+箱式取水頭取水。4.1局部沖刷,取水箱式取水頭取水對潮流場影響極小,僅在周圍局部造成流速增大和流態(tài)改變,產(chǎn)生局部沖刷,取水不會引起周圍海域泥沙淤積。據(jù)前文所述,由于養(yǎng)馬島西北側(cè)海域淤積速率為2.0cm/a,因此,在取水口高度的選擇上,應(yīng)考慮這一因素,取水口下端不能離底床太近。4.2明渠口門方向養(yǎng)馬島西北側(cè)海域泥沙活動水深小于3m,如果采用明渠方式取水,至少應(yīng)將港池延伸至3m等深線以外,根據(jù)海圖資料,該港池全長約300m。本區(qū)代表波向為N向,常浪向為NW和NNW向,因而明渠口門方向不能朝N,NNW和NW向,以防惡劣天氣下出現(xiàn)泥沙驟淤的情況。加之養(yǎng)馬島西南側(cè)海域淤積速率較大,若明渠口門朝WSW和