黃河三角洲飛雁灘表層沉積物對(duì)水動(dòng)力的響應(yīng)

1855年，黃河從河南藍(lán)陽(yáng)銅瓦店入侵渤海。150年后，黃河三角洲的現(xiàn)代融入形成于渤海灣的西南岸。而黃河入海口先后以寧海和漁洼為頂點(diǎn)向東西兩側(cè)擺動(dòng)達(dá)10次之多,飛雁灘為1964—1976年黃河口走釣口河流路入海時(shí)形成的亞三角洲。1976年黃河又改走清水溝入海,老黃河口亞三角洲海岸出現(xiàn)供沙不足,海岸線迅速蝕退,20余年來(lái)0m水深線蝕退10.54km,年均蝕退437m,2m水深線蝕退8.2km,10m水深線蝕退1.29km,年均蝕退54m,使飛雁灘已有近百口油井進(jìn)入到低潮線以下水域,損失巨大。因此,近年來(lái)關(guān)于該區(qū)域海灘侵蝕防護(hù)問(wèn)題已引起眾多專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注,而闡明海灘沉積物在水動(dòng)力作用下的輸移規(guī)律是研究這一問(wèn)題的基礎(chǔ)。本文依據(jù)1987年3—11月在黃河海港北側(cè)7m水深處所測(cè)波浪和2004年4月飛雁灘海域所測(cè)水文及104個(gè)表層沉積物取樣粒度分析資料,采用相關(guān)公式分別計(jì)算表層沉積物起動(dòng)流速及波浪起動(dòng)水深,以探求潮流和不同波級(jí)波浪掀沙作用的空間分布情況;采用Gao和Collins沉積物粒度趨勢(shì)分析方法對(duì)表層沉積物粒度參數(shù)資料進(jìn)行計(jì)算分析,以闡明該區(qū)沉積物補(bǔ)給來(lái)源及其在水動(dòng)力綜合作用下的輸移過(guò)程。1沉積環(huán)境的基本特征1.1潮轉(zhuǎn)流群及余流場(chǎng)分布該區(qū)域波浪以風(fēng)浪為主,強(qiáng)浪向?yàn)镹E—NNE,次強(qiáng)浪向?yàn)镹—NNW,波高小于0.5m為常見(jiàn)浪,出現(xiàn)頻率51.1%,3m以上波浪僅占0.5%,觀測(cè)期間最大波高5.2m相應(yīng)波周期8.2s。常浪向?yàn)镹E,頻率為10.3%。由于位于M2分潮無(wú)潮點(diǎn)和K1分潮波腹附近,該區(qū)域潮差較小,2004年4月飛雁灘海域?qū)崪y(cè)最大潮差1.42m,最小潮差0.65m;潮流轉(zhuǎn)流方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?水流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主,落潮流歷時(shí)6h30min,平均流向113°,漲潮流歷時(shí)5h48min,平均流向275°,流向大致與等深線平行。近底層余流是影響海岸沉積物輸移方向及強(qiáng)度的一重要因素。該區(qū)余流主要由潮致余流(由地形因素所致的潮流非對(duì)稱(chēng)性)、風(fēng)海流以及波浪破碎、折射或反射等作用產(chǎn)生的沿岸流和離岸流組成。吳永勝等認(rèn)為因受地形等因素影響,該區(qū)近底層余流場(chǎng)分布表現(xiàn)為一近岸小尺度逆時(shí)針渦旋(圖1),渦旋一般位于岸線～38°20′N(xiāo)、118°30′～118°45′E間。受盛行風(fēng)向影響,秋冬季節(jié)渦旋西側(cè),春夏季節(jié)渦旋東側(cè)分別得到加強(qiáng),但除大風(fēng)以及風(fēng)暴潮期間外,渦旋基本格局不變。2004年4月在實(shí)測(cè)平均風(fēng)速2.6m/s、風(fēng)向214°情況下,渦旋西側(cè)約5m水深處近底層余流流速為2cm,流向235°;東側(cè)約5m水深處近底層余流最大為8cm,流向62°。1.2潮脊下沉積相將2004年4月飛雁灘海域所采集的104個(gè)表層沉積物樣品平均粒徑繪制等值線圖(圖2),可以將該區(qū)分成以下沉積區(qū):(1)潮溝前部海灘沉積區(qū)。水下潮溝內(nèi)沉積物顆粒組成較粗,平均粒徑為4～5Φ,為粗粉砂;而潮流脊(由潮溝內(nèi)往復(fù)流作用下形成的與潮溝走向平行的堆積體)上部(尤其是偏右側(cè))沉積物則相對(duì)較細(xì),平均粒徑為5～7Φ,主要為中粉砂或細(xì)粉砂。(2)海堤前部海灘沉積區(qū)。5m水深以淺,由于沉積物補(bǔ)給來(lái)源斷絕以及長(zhǎng)期受到水流及風(fēng)浪淘洗作用,沉積物顆粒組成相對(duì)較粗,以極細(xì)砂為主(平均粒徑為3～4Φ);約5～10m水深內(nèi),沉積物顆粒相對(duì)于近岸開(kāi)始變細(xì),平均粒徑為4～5Φ,屬粗粉砂。(3)水深大于12m沉積區(qū)。因水動(dòng)力條件趨于均一,沉積物粒徑東西向差異已不明顯,平均粒徑均為4～5Φ,以粗粉砂質(zhì)為主。2計(jì)算2.1潮流速度橫向分布潮流對(duì)表層沉積物的掀沙作用強(qiáng)度主要與潮流流速、水深及表層沉積物粒徑大小有關(guān)。本文采用上述104個(gè)采樣點(diǎn)的沉積物中值粒徑,根據(jù)竇國(guó)仁起動(dòng)流速公式分別計(jì)算諸點(diǎn)起動(dòng)流速,認(rèn)為在只考慮潮流的情況下,對(duì)于某一水深處表層沉積物,相應(yīng)起動(dòng)流速小于或等于潮流最大垂線平均流速時(shí),潮流對(duì)其具有掀沙作用。在此近似地認(rèn)為潮流最大垂線平均流速Vmax向岸呈對(duì)數(shù)規(guī)律遞減,以水陸交界處的潮流流速為零,則可利用現(xiàn)有實(shí)測(cè)潮流數(shù)據(jù)求得Vmax的橫向分布。根據(jù)2004年4月實(shí)測(cè)4站潮流最大垂線平均流速,取0m水深處潮流流速為0m/s,推得該區(qū)域潮流最大垂線平均流速橫向分布擬合方程:Vmax=0.2977ln(h+1)-0.0389(1)當(dāng)計(jì)算精度為0.1m/s時(shí),該式較為符合實(shí)際情況并能滿足本文計(jì)算要求,據(jù)此求得本區(qū)潮流掀沙作用空間分布情況(圖3)。2.2波級(jí)三種波級(jí)波浪+未介入?yún)^(qū)域沉積物波浪的掀沙作用與波高、波周期、水深及沉積物粒徑大小有關(guān)。根據(jù)1987年3—11月于黃河海港北端7m水深處所測(cè)波浪資料,求得該區(qū)深水波要素波高(H)、波周期(T)(表1),結(jié)合該區(qū)104個(gè)沉積物采樣中值粒徑,依式(2)1迭代計(jì)算求得相應(yīng)波級(jí)起動(dòng)水深h*。h*=Lπarcsh[πg(shù)Η2Μ2L(ρs-ρρgD+βεκD)](2)式中:Μ={0.12(LD)1/3LD＜2×1055.85LD≥2×105,波長(zhǎng)L=gΤ22πth(2πh*L)?Η、T、D分別代表有效波高、波周期和表層沉積物中值粒徑,且當(dāng)D≤0.03mm時(shí),D取值泥沙絮凝當(dāng)量粒徑0.03mm,β=0.039,εk=2.56cm3/s2。我們認(rèn)為當(dāng)某一波級(jí)波浪起動(dòng)水深大于或等于實(shí)際水深時(shí),該波級(jí)波浪對(duì)相應(yīng)采樣點(diǎn)處沉積物具有掀沙作用。據(jù)此求得研究區(qū)域內(nèi)各級(jí)波浪掀沙作用空間分布情況(圖4)。3粒度及粒徑參數(shù)模型Gao和Collins沉積物粒度趨勢(shì)分析方法的原理在于利用沉積物粒度參數(shù)的二維空間分布判斷沉積物的凈輸運(yùn)格局。該方法已被應(yīng)用于河口、海岸、潮汐汊道、潮流脊等多種海洋環(huán)境,其結(jié)果與流場(chǎng)觀測(cè)、示蹤砂實(shí)驗(yàn)和地貌特征所顯示的沉積物輸運(yùn)格局較為吻合,為較為成熟的方法。該方法的原理及計(jì)算方法詳述可參考文獻(xiàn)。利用上述104個(gè)沉積物取樣,通過(guò)Coulterls100粒度分析儀獲得完整粒度數(shù)據(jù),采用如下公式分別計(jì)算得平均粒徑u、分選系數(shù)δ及偏態(tài)Sk3個(gè)參數(shù)(McManus,1988):u=n∑i=1ΡiSi(3)δ=[n∑i=1Ρi(Si-u)2]12(4)Sk=[n∑i=1Ρi(Si-u)3]13(5)式中:Pi為粒徑Si的百分含量;n為粒徑的組數(shù)。將計(jì)算所得各參數(shù)應(yīng)用于Gao和Collins沉積物粒度趨勢(shì)分析方法計(jì)算得所有采樣點(diǎn)沉積物輸移矢量長(zhǎng)度及方向,剔除邊界矢量后繪于圖5。4討論4.1波級(jí)波浪推動(dòng)下的推動(dòng)作用區(qū)域及區(qū)域差異由圖3可見(jiàn),在現(xiàn)有沉積物及水動(dòng)力空間分布格局下,該區(qū)潮流動(dòng)力掀沙作用范圍包括:潮溝前部約8～12m水深和1～5m水深內(nèi)水下潮溝區(qū)域,以及海堤前部1.7～17m水深范圍。對(duì)于波浪動(dòng)力,其掀沙作用范圍除受沉積物空間分布格局控制外,還取決于其波能的大小和實(shí)際水深。由圖4可以發(fā)現(xiàn):(1)常見(jiàn)浪0.5m波級(jí)情況下,僅可起動(dòng)除部分水下潮溝內(nèi)的約2m以淺水深表層沉積物。由于東西向水下潮溝水深明顯大于潮流脊上部,因此,盡管后者表層沉積物明顯細(xì)于前者,但東西向上潮流脊上部沉積物反而較水下潮溝內(nèi)沉積物更容易起動(dòng)。該范圍為波浪發(fā)生破碎的主要區(qū)域,0.5m以上有效掀沙波浪發(fā)生頻率為72%,在長(zhǎng)期高強(qiáng)度波浪動(dòng)力作用下,該區(qū)細(xì)顆粒沉積物被大量沖刷帶走,沉積物顆粒度相對(duì)最粗,平均D50僅為3.9Φ。(2)1.0m波級(jí)波浪掀沙作用外邊界在水下潮溝中及海堤前部海灘大致與5m等深線相當(dāng)。由于該區(qū)水下地形在5m水深附近東西向差異已明顯變小,故該波級(jí)掀沙作用外邊界在潮流脊上部開(kāi)始表現(xiàn)為向岸凸進(jìn)的形態(tài)。(3)對(duì)于1.5m波級(jí)波浪,其掀沙作用區(qū)域主要集中于10～12m水深以淺海域,波高1.5m以上的波浪在該區(qū)域頻率為8.2%,即約10～12m水深以淺表層沉積物能夠被起動(dòng)的概率為30d/a。至約12m水深以深,水下地形及表層沉積物顆粒大小沿等深線方向差異均已不顯著,故該波級(jí)掀沙作用范圍已不存在明顯的空間分布差異,這一現(xiàn)象亦表明潮溝退流挾帶的細(xì)顆粒泥沙很少能夠輸移到12m水深處。(4)當(dāng)波浪波級(jí)增大到3m以上時(shí),研究區(qū)域均為其掀沙作用范圍,但對(duì)于10m水深以深區(qū)域,有效掀沙波浪發(fā)生頻率較低,表層沉積物所受波浪掀沙動(dòng)力相對(duì)其他區(qū)域最為微弱,加之該區(qū)域接受近岸細(xì)顆粒泥沙輸入的原因,該范圍內(nèi)相對(duì)于海堤前部近岸海灘沉積物顆粒度明顯偏細(xì),平均D50可達(dá)4.5Φ。4.2潮溝傳統(tǒng)儲(chǔ)藏期表層沉積物輸運(yùn)方向上的展望由圖5可見(jiàn),冬春季節(jié)該區(qū)沉積物輸移空間格局明顯受潮致余流、風(fēng)海流、波生沿岸流及離岸流組成的近底復(fù)合環(huán)流場(chǎng)控制。(1)受復(fù)合余流尤其是潮致余流及波生離岸流控制,海堤前部海灘沉積物以離岸輸移為主,堤前海灘沉積物中相當(dāng)一部分細(xì)顆粒泥沙被搬運(yùn)輸移至10m水深以外水域,使該區(qū)域的粉砂和黏土含量增多,小于0.004mm的黏土含量約占20%,小于0.063mm的粉砂含量占90%;(2)由于受多個(gè)潮流脊所組成的喇叭口形態(tài)地形束縛,潮溝前部水下淺灘主要受漲潮優(yōu)勢(shì)流控制,這種水動(dòng)力條件反映在表層沉積物輸移方向上則表現(xiàn)為總體上呈一定程度的向岸運(yùn)移趨勢(shì)。必須指出,Gao和Collins粒度趨勢(shì)分析方法只能提供沉積物輸運(yùn)方向的信息,而不能獲得輸運(yùn)率的大小,因此,對(duì)于本文所研究區(qū)域表層沉積物各優(yōu)勢(shì)輸運(yùn)方向上的輸運(yùn)強(qiáng)度問(wèn)題還需通過(guò)其他技術(shù)方法回答。由沉積物粒徑趨勢(shì)分析結(jié)果亦可以得出,該區(qū)域?yàn)┟娉练e物的補(bǔ)給來(lái)源主要包括:(1)由波浪動(dòng)力尤其是大風(fēng)浪引起的風(fēng)暴潮所起動(dòng)并導(dǎo)致其離岸輸移的潮間帶甚至潮上帶較細(xì)顆粒泥沙;(2)由潮致余流及沿岸流西北向輸移帶來(lái)的部分黃河三角洲西北部海灘損失的表層沉積物;(3)本區(qū)潮溝前部潮下帶以外的表層沉積物,該部分補(bǔ)給來(lái)源