王中起，韓志遠，嚴 冰

（1.河北省水運工程規(guī)劃設(shè)計院，天津300074；2.交通部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展的需要，秦皇島市擬開展旅游休閑人工島工程及山海關(guān)港區(qū)規(guī)劃工程的研究論證工作。山海關(guān)港區(qū)的規(guī)劃是垂直岸線向外建設(shè)，人工島位于山海關(guān)港區(qū)南側(cè)。為明確其工程建設(shè)對周圍海區(qū)水動力泥沙環(huán)境的影響，特別是對敏感區(qū)域的影響，需要進行研究論證并開展數(shù)學(xué)模型等相關(guān)的試驗研究。

本文根據(jù)2009年秦皇島海域大規(guī)模水文全潮觀測、底質(zhì)調(diào)查取樣及斷面水深資料，并結(jié)合歷史上的水深、多年的氣象和波浪資料，對秦皇島附近海域的水動力泥沙特征進行分析，為數(shù)學(xué)模型試驗、海岸工程設(shè)計等提供基本依據(jù)。

1 地質(zhì)地貌特征

工程區(qū)附近海岸位于中生代燕山褶皺帶的山海關(guān)隆起區(qū)。南與冀北凹陷、東與渤海凹陷相鄰。新生代以來，新構(gòu)造運動活躍，北東向、東西向和北西向斷裂發(fā)育，形成了西北部隆升、東南部下沉的北東—南西向延伸的三級階梯狀地貌格局：斷塊構(gòu)造低山、丘陵臺地、海岸帶3大地貌單元?，F(xiàn)代海岸帶岬灣相間，岸線總體平順，盡管自東向西發(fā)育多個規(guī)模不等的岬角，但除環(huán)海寺地咀和金山咀岬角規(guī)模較大外，其他岬角向海突出有限，從而形成了發(fā)育程度不同的弧形海灣［1-2］。

1.1 岸灘地貌特征

根據(jù)2009年9月對工程區(qū)附近綏中電廠至洋河口岸段沿岸潮間帶地貌調(diào)查結(jié)果，沿岸地貌及沉積特征如下。

（1）芷錨灣岸段。芷錨灣位于環(huán)海寺地咀以北，東與綏中平直砂質(zhì)海岸相接，沿岸主要是平原砂質(zhì)海岸，泥沙來源主要為沿岸小河下泄泥沙以及海岸侵蝕供沙。岸灘潮間帶寬廣、坡度較小，有灘肩發(fā)育。泥沙搬運較活躍，岸灘沉積物主要為粗砂或粗中砂。綏中電廠位于夷平砂質(zhì)岸段，在電廠西側(cè)防波堤前有小規(guī)模堆積體，由此可以看出該岸段存在自西向東的沿岸輸沙，但堆積體規(guī)模不大，顯示輸沙量都不大。芷錨灣屬弧形灣，動力環(huán)境較弱，存在向灣頂?shù)奈⑷跹匕遁斏场?/p>

（2）環(huán)海寺地咀至石河口岸段。山海關(guān)船廠以西岸段屬岬灣相間的砂質(zhì)—基巖海岸，沿岸潮間帶較窄，岸灘坡度較陡，有多處礁石發(fā)育，岸灘侵蝕后退趨勢較明顯。沉積物以粗砂或粗中砂為主，含有較多的礫石。山海關(guān)圍墾區(qū)東側(cè)岸灘發(fā)育有礁石灘，但岸灘變化平緩，顯示近期岸灘沖淤趨勢近于穩(wěn)定。

（3）石河口至湯河口岸段。石河口至沙河口岸段為沙壩—澙湖海岸，澙湖被石河下泄泥沙充填。沿岸沙壩上植被繁茂，岸灘上有灘肩發(fā)育。沙河口以西至湯河口主要分布為秦皇島東西港區(qū)，基本上為人工岸線。

（4）湯河口至金山咀岸段。該岸段屬弧形海岸，岸灘平緩，潮間帶寬10～15 m，岸灘沉積物主要為中細砂。在湯河口西側(cè)，發(fā)育多條自東向西南、相互平行的順岸沙壩，顯示出泥沙主要從東向灣內(nèi)運移的趨勢。金山咀為基巖岬角，岸線呈侵蝕狀態(tài)。

（5）金山咀以南岸段。金山咀至戴河口為岬灣海岸，潮間帶較窄，坡度較大，沉積物很粗，以粗砂為主。岸灘上礁石灘出露，高潮線附近有侵蝕陡坎，顯示岸線呈侵蝕后退的趨勢。由于海域波浪動力相對較強，沿岸潮間帶泥沙運動較為活躍，部分地段有連島沙壩發(fā)育。戴河口以南為平原砂質(zhì)海岸，潮間帶坡度不大，沉積物質(zhì)多為中細砂。

1.2 潮間帶沉積特征

根據(jù)2009年在綏中電廠至洋河口沿岸潮間帶范圍布設(shè)的20條采樣斷面（每條斷面取1～3個底質(zhì)泥沙樣品，共采集樣品44個）的樣品分析［1］，潮間帶沉積物多為粗、中砂，其中芷錨灣岸段（環(huán)海寺地咀以北）泥沙中值粒徑介于0.370 3～0.882 3 mm，平均值約為0.574 0 mm，分選系數(shù)介于0.32～0.82，平均值約為0.54，分選程度較好。環(huán)海寺地咀至沙河口岸段沉積物主要為粗中砂和粗砂，中值粒徑介于0.318 8～1.371 7 mm，平均值約為0.546 8 mm，分選系數(shù)介于0.20～0.98，平均值約為0.47，屬分選程度較好的沉積。湯河口以南岸段泥沙主要為粗中砂和中細砂，中值粒徑介于0.259 1～0.755 7 mm，平均值約為0.439 2 mm，分選系數(shù)介于0.18～0.76，平均值約為0.35，分選程度較好。

2 風(fēng)和風(fēng)暴潮

根據(jù)秦皇島海洋站1978～1980年資料統(tǒng)計［3］，工程區(qū)附近常風(fēng)向為W向，出現(xiàn)頻率約為10.37%，其次為WSW向，出現(xiàn)頻率約為9.39%。強風(fēng)向為ENE向，出現(xiàn)頻率約為7.31%，最大風(fēng)速可達到23.7 m/s。1～3級風(fēng)出現(xiàn)頻率為80.69%，4～5級風(fēng)出現(xiàn)頻率為17.74%，大于6級風(fēng)出現(xiàn)頻率僅為1.64%。對工程區(qū)域來說，NE-S-SW向為向岸風(fēng)，對工程區(qū)有一定影響，其他向的風(fēng)主要為陸向風(fēng)，其強度不大，對工程區(qū)影響不大。

秦皇島海區(qū)雖然不是我國沿海風(fēng)暴潮的主要災(zāi)區(qū)，但風(fēng)暴潮對本海岸帶的破壞和侵蝕作用也不容忽視［4］。其中，1965年的風(fēng)暴潮致使海岸蝕退4～10 m；1972年，秦皇島發(fā)生了建國以來最大的一次風(fēng)暴潮，市區(qū)23家工廠進水停產(chǎn)，潮堤被沖斷650 m，海水入侵5 km，昌黎縣沿海20個村莊和林場被海水包圍，撫寧縣沿海村莊被海水淹地240 hm2；1992年一次風(fēng)暴潮過后，冷凍二廠東部觀測剖面海岸后退了5 m多，是造成本岸段嚴重蝕退的重要原因之一［5］。從多年風(fēng)暴潮發(fā)生規(guī)律看，本區(qū)大的風(fēng)暴潮災(zāi)害大致10～15 a發(fā)生一次。

3 波浪

秦皇島海洋站測波點位于南山燈塔SSW方向，水深-6～-7 m。秦皇島波型主要是風(fēng)浪以及風(fēng)浪為主的混合浪，約占全年總次數(shù)的75%，涌浪以及涌浪為主的混合浪約占22%。據(jù)秦皇島站1960～2008年測波資料分析［1］，該區(qū)常浪向為S向，頻率為17.77%。強浪向為SE向，最大波高為3.5 m，出現(xiàn)在1972年7月27日和1984年8月10日，這是臺風(fēng)影響的結(jié)果。2.0 m以上波高出現(xiàn)在ENE至WSW向范圍之中，累年出現(xiàn)率最高的波級為0～0.5 m，出現(xiàn)頻率為62.31%。

根據(jù)芷錨灣站1963～2008年測波資料分析［1］，常浪向為SSW向，頻率為22.7%。強浪向為SSE向，最大波高超過2.6 m。2.0 m以上波高出現(xiàn)在NNE至SW向范圍之中，累年出現(xiàn)率最高的波級為0～0.5 m，出現(xiàn)頻率為55.86%。

4 潮汐

研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉(zhuǎn)潮波控制，靠近半日潮無潮點。根據(jù)2009年9月工程區(qū)附近4個潮位站（W1～W4，圖 1）觀測資料調(diào)和分析，潮性系數(shù)（HK1+HO1）/HM2均大于5，說明海域?qū)僖?guī)則日潮區(qū)。但其HK1值介于0.34～0.38 m，接近半日潮區(qū)葫蘆島附近HK1值（0.37 m），因此該半日潮是入射波與反射波疊加的結(jié)果，決定了本海域日潮潮汐和半日潮流的異常特征。

本海域靠近無潮點，整體潮差較小。大潮潮差以小黑山站（W3，圖1）為界，向南北兩端遞減，小黑山站最大潮差為1.77 m，平均潮差0.86 m，其他各站最大潮差均介于1.4～1.5 m。大潮、中潮期間各站均明顯表現(xiàn)為一漲一落的日潮特征，小潮時半日潮特征明顯增強。

5 潮流

秦皇島海域的潮流主要表現(xiàn)為半日潮流。2009年9月15條水文垂線水文全潮觀測顯示（V1～V15，圖1），該岸段潮流總體特征表現(xiàn)為順岸的往復(fù)流，各垂線漲潮流向為WSW向，落潮為ENE向，流向主軸與岸線或等深線基本平行。

海區(qū)整體流速較小，且大、中、小潮差異不明顯，落潮平均流速略大于漲潮平均流速。各垂線漲潮平均流速介于0.13～0.3 m/s，漲潮最大流速介于0.20～0.5 m/s，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s。除個別站外，各站漲、落潮最大流速均未出現(xiàn)于大潮時。

各站流速在垂線分布上變化不大，呈表層流速大、底部小的變化特征。漲潮流速底、表層平均比值約為0.8，落潮流速底、表層平均比值約為0.75。

6 余流

余流一般指實測海流去除周期性潮流后的剩余部分，在一個時期能夠反映泥沙的凈運移方向。根據(jù)實測資料分析，該海域余流流速很小，介于0.8～7.6 cm/s，平均值約為3.7 cm/s，余流流向因所處位置不同而發(fā)生變化。其中，大潮時余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.8～7.6 cm/s；中潮時余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.9～6.8 cm/s；小潮時，除V12和V15站余流方向指向S向外，其他各站基本上指向EN-SE向，流速介于 1.0～5.3 cm/s。

7 含沙量

根據(jù)2009年9月大、中、小潮水文全潮實測含沙量資料統(tǒng)計，秦皇島海域各站含沙量變化具有以下特點：（1）秦皇島海域整體含沙量較低，平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，平均值約為0.028 kg/m3。（2）研究海域內(nèi)以V3、V6站附近含沙量最大，平均含沙量分別為0.018 kg/m3和0.019 kg/m3，最大含沙量分別為0.144 kg/m3和0.121 kg/m3。其次是V7站，平均含沙量約為0.017 kg/m3，最大含沙量為0.103 kg/m3。（3）含沙量的垂線分布較均勻，表、中、底層差別較小，基本上呈底層大、表層小的變化特點。（4）除個別站外，各站含沙量大、中、小潮差別不大；平面分布上，自近岸向外含沙量差別不大；漲、落潮含沙量差別不大。其原因主要有二：一是幾乎沒有徑流輸沙入海。二是近岸區(qū)（含潮間帶及其以外一定范圍）內(nèi)的底質(zhì)較粗，其中值粒徑一般都在0.2～0.5 mm，本海區(qū)的漲、落潮平均流速在0.13～0.32 m/s，底質(zhì)泥沙難以大量懸揚啟動。因此，本水域在無風(fēng)及中、小風(fēng)天都將維持低含沙量。

8 表層沉積物分析

根據(jù)2009年9月秦皇島海域水下沉積物取樣分析結(jié)果［1］，主要沉積物類型為細砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂-粉砂-粘土、粘土質(zhì)粉砂等。自內(nèi)向外沉積物中值粒徑介于0.717～0.007 mm，變幅較大（圖2），其沉積物類型分布特征為：

（1）金山咀岬角附近及其以南海域沉積物較粗，主要以細砂沉積為主，夾雜少量粉砂沉積。其中砂質(zhì)含量介于33.7%～95.9%，平均值為76.7%；粉砂含量介于3.0%～50.5%，平均值為16.2%；粘土含量介于1.0%～14.7%，平均值為6.3%；泥沙中值粒徑介于0.022～0.511 mm，平均值為0.194 mm；分選系數(shù)介于0.67～3.28，平均值為2.05，屬于分選不充分形態(tài)。

（2）秦皇島東西港區(qū)至石河口海域，近岸河口附近表層沉積物較粗，主要為砂質(zhì)沉積，并夾雜少量粉砂和粘土。-10 m外的深水區(qū)沉積物質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂為主。其中砂質(zhì)含量介于3.7%～88.7%，平均值為34.0%；粉砂含量介于7.2%～71.3%，平均值為47.0%；粘土含量介于3.8%～28.2%，平均值為17.4%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.418 mm，平均值為0.055 mm；分選系數(shù)介于 1.38～4.03，平均值為 2.65，分選程度較差。

（3）石河口至環(huán)海寺地咀之間海域近表層沉積物較細，主要為粘土質(zhì)粉砂，夾雜少量的砂質(zhì)沉積。其中砂質(zhì)含量介于2.6%～30.9%，平均值為12.3%；粉砂含量介于54.5%～72.4%，平均值為62.9%；粘土含量介于11.8%～32.9%，平均值為24.7%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.022 mm，平均值為0.010 mm；分選系數(shù)介于1.24～2.92，平均值為1.97，分選程度較差。

（4）環(huán)海寺地咀以東芷錨灣附近海域表層沉積物較粗，-10 m等深線以內(nèi)主要為細砂和粉砂質(zhì)砂，-10 m以外主要為粘土質(zhì)粉砂。其中砂質(zhì)含量介于8.4%～94.6%，平均值為34.8%；粉砂含量介于2.2%～69.0%，平均值為45.5%；粘土含量介于0.8%～29.5%，平均值為16.1%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.717 mm，平均值為0.145 mm；分選系數(shù)介于0.90～3.97，平均值為2.44，屬于分選不充分的沉積。

9 泥沙來源分析

9.1 徑流輸沙

工程區(qū)附近入海河流有石河、湯河、新開河等河流，除石河外，其余河流徑流量和輸沙量都很小。

據(jù)石河水文站1957～2007年徑流、輸沙資料分析，多年平均徑流量為1.36億m3。1980年以前，石河水文站年均徑流量約為1.73億m3。1980～2000年平均徑流量減至1.18億m3，2000年后平均徑流量減至0.58億m3。1956～2007年，石河水體懸沙含量平均為0.299 kg/m3，年均懸移質(zhì)輸沙量為3.82×104t。以1975年石河水庫修建為分界點，之前年均輸沙量約為9.03×104t，之后劇減為0.72×104t，顯示石河水庫修建以后，石河下泄泥沙大幅減小。石河輸沙量的年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7、8、9三個月，以7月份輸沙量最大，占全年的74%，其他月份所占比重很小。

9.2 沿岸輸沙

環(huán)海寺地咀以西岸段，由于岬灣相間的海岸特性，難以形成大規(guī)模的沿岸輸沙，這從山海關(guān)船廠建成多年后東西兩側(cè)防波堤前并無明顯泥沙堆積體便可以看出。環(huán)海寺地咀以東岸段，岸線較為平直。綏中電廠修建防波堤后，西側(cè)出現(xiàn)較明顯的堆積體，而東側(cè)卻幾乎不存在，這種變化表明沿岸存在自西向東的沿岸輸沙，但是由于堆積體規(guī)模較小，其沿岸輸沙量不大，影響范圍也很小。

9.3 潮流輸沙和外海泥沙

研究海域的平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，個別測站的最大瞬時含沙量也僅為0.144 kg/m3。該海域總體含沙量很低，在潮流作用下的輸沙量不大。盡管潮間帶和近岸沉積多為砂質(zhì)，向外則為粉砂質(zhì)至泥質(zhì)，但由于本海區(qū)波浪不強、潮流較弱，所以在波浪和潮流共同作用下，也會產(chǎn)生較弱的泥沙運動，但多淤積于分布甚廣的大小海灣內(nèi)，成為各海灣泥沙的主要沙源，很難產(chǎn)生長距離的泥沙沿岸輸移。

10 岸灘演變分析

10.1 大范圍海域等深線對比

通過 1937年 1：500 000海圖、1978年 1：150 000海圖、1998年工程區(qū) 1：10 000海圖、2003年 1：150 000海圖以及2009年9月實測水深斷面對比分析，北戴河—芷錨灣大范圍海域岸灘演變特征如下：

（1）1937～1978年，金山咀以南海域，-5 m等深線呈現(xiàn)略微沖刷，-10 m等深線沖淤相間，-15 m等深線向外大幅淤積擴展；金山咀至環(huán)海寺地咀海域，-5 m等深線較為吻合，-10 m等深線淤積外移，外移最大超過400 m，-15 m等深線向外大幅淤積擴展；芷錨灣海域-5 m、-10 m、-15 m等深線均向外淤積擴展。

（2）1978～2003年，研究海域-5 m等深線較為吻合，-10 m等深線局部有沖有淤，基本保持穩(wěn)定；-15 m等深線，石河口至芷錨灣之間部分向外淤積擴展，最大擴展幅度超過500 m，其他部分保持穩(wěn)定?？傮w而言，1937～2003年，研究海域沒有發(fā)生大的趨勢性沖淤變化，岸灘整體保持穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）據(jù)1937～2009年多年水深斷面水深對比可知［1］：金山咀以南整體處于沖刷狀態(tài)，沖刷速率為1.2 cm/a；金山咀至湯河口岸段沖淤基本平衡；秦皇島港區(qū)附近由于航道開挖導(dǎo)致岸灘有所變形，但可基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；新開河口至石河口整體處于輕微淤積狀態(tài)，平均淤積速率為1.8 cm/a；石河口至環(huán)海寺地咀總體呈淤積趨勢，平均淤積速率為1.3 cm/a。綜上分析，研究海域海床基本可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

10.2 工程區(qū)附近海域沖淤變化

對工程區(qū)附近1998年1：10 000海圖、2008年1：60 000海圖以及山海關(guān)圍墾區(qū)東側(cè)2009年9月實測水深圖可知［1］，工程區(qū)附近沖淤分布變化具有如下特征：

（1）石河口至山海關(guān)船廠西側(cè)海域-7 m以內(nèi)沖淤相間，以淤積為主，沖淤變化基本在-0.25～1.0 m。其中石河口東側(cè)-5 m線以內(nèi)出現(xiàn)輕微沖刷，這與波浪作用下泥沙向西搬運后，石河泥沙補給不足有關(guān)；船廠南側(cè)-7～-10 m以沖刷為主，局部沖刷幅度超過1 m，這與附近存在挖沙有關(guān)；-10 m以外區(qū)域輕微淤積，淤積幅度小于0.5 m。

（2）山海關(guān)圍墾區(qū)防波堤東側(cè)堤根處沖刷顯著，沖刷幅度介于0～1.5 m，沖刷范圍覆蓋0～-6 m等深線之間的區(qū)域。此處沖刷主要與泥沙來源較少和波浪在防波堤前反射導(dǎo)致堤根淘刷有關(guān)。防波堤東側(cè)至小黑山之間岸段，0～-2 m等深線之間局部沖刷，沖淤變化介于-0.5～0.5 m。-2～-7 m等深線之間基本呈淤積趨勢，淤積幅度介于0.5～1 m。總體而言該段岸線-2 m以內(nèi)略有沖刷，-2 m以外基本呈淤積狀態(tài)。

（3）由斷面水深對比可以看出，山海關(guān)附近海域-7 m以內(nèi)海域為微淤環(huán)境，各斷面年淤積速率在-2.0～6.3 cm/a。除近岸有局部沖刷外，山海關(guān)東西兩側(cè)基本為輕微淤積環(huán)境。10.3 工程區(qū)附近海域岸灘穩(wěn)定性分析

（1）沿岸泥沙的縱向輸運不活躍，泥沙多為原地運動或橫向運動，因此岸灘地形基本可保持穩(wěn)定狀態(tài)。由于泥沙來源減少，在波能較為集中的局部區(qū)域會發(fā)生沖刷，如石河口西側(cè)、老龍頭和圍墾防波堤東側(cè)，但其侵蝕量不大，不會對整體岸灘格局產(chǎn)生顛覆性影響［6-7］。

（2）建設(shè)離岸人工島都會在其和陸地之間的水域形成一定范圍的波影區(qū)和流影區(qū)，相應(yīng)的波流動力會減弱，有利于維持岸灘穩(wěn)定。

（3）泥沙來源少、水體含沙量低、波浪流動力不強是本海域水動力環(huán)境的基本特征。在波、流的長期共同作用下，工程附近海域岸灘地形與水動力環(huán)境是相適應(yīng)的，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

11 結(jié)論

（1）研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉(zhuǎn)潮波控制，為規(guī)則日潮區(qū)，潮差小，實測平均潮差小于1 m。工程海域潮流主要為半日潮流，呈沿岸的往復(fù)運動，各站漲落潮流速介于0.13～0.32 m/s。

（2）海域波流動力不強，水體含沙量低，含沙量垂線分布較為均勻，平均含沙量在0.009～0.061 kg/m3，實測最大含沙量僅為0.144 kg/m3。

（3）沉積物類型為細砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂-粉砂-粘土、粘土質(zhì)粉砂等，沉積物中值粒徑介于0.007～0.717 mm，變幅較大；砂質(zhì)沉積主要分布在近岸及諸小河口附近，較細的粉砂質(zhì)沉積則主要分布于金山咀至環(huán)海寺地咀-10 m線外海域；海域沉積物分選較差，運動特征不明顯；外界泥沙的影響不明顯。

（4）北戴河至芷錨灣大范圍海域海床基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，無明顯的趨勢性沖淤變化。石河口—山海關(guān)船廠西側(cè)海域-7 m以內(nèi)沖淤相間，除近岸有局部沖刷外，山海關(guān)船廠東西兩側(cè)基本為輕微淤積環(huán)境。

（5）在波流長期共同作用下，沿岸泥沙的縱向輸運不活躍，泥沙多為原地運動或橫向運動，岸灘地形基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，工程附近海域岸灘地形與水動力環(huán)境相適應(yīng)，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］嚴冰，許婷，韓志遠.秦皇島市人工島工程波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2009.

［2］南京大學(xué)海洋科學(xué)研究中心.秦皇島海岸研究［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1988.

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