王曉明, 馮秀麗, 田動會, 姜 波, 姜建新, 滕 珊

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填海工程建設(shè)前后丹東港海域泥沙沖淤變化特征與成因分析

王曉明, 馮秀麗, 田動會, 姜 波, 姜建新, 滕 珊

(海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100)

利用近年來水深地形數(shù)據(jù)和2010年全潮水文觀測資料分析了丹東港海域在填海工程建設(shè)前后的沖淤變化特征, 并闡述了沖淤變化的成因, 以對該類型海域海洋工程的選址和海洋環(huán)境保護等提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明, 研究區(qū)海底在工程建設(shè)前除靠近大東作業(yè)區(qū)的岬角處沖刷較大外, 其他海域整體沖淤厚度小于0.2 m/a。工程建設(shè)后海底沖淤格局發(fā)生重新分布, 主要表現(xiàn)在工程南側(cè)普遍沖刷和東側(cè)航道內(nèi)及西南側(cè)海域的淤積。利用劉家駒公式計算了工程建設(shè)前后的航道回淤強度, 計算結(jié)果表明: 工程后A點年均淤積厚度減小了0.09 m, B、C點年均淤積厚度分別增加了0.02、0.19 m。Mike21數(shù)值模擬結(jié)果顯示, 工程建設(shè)改變了原來的流場, 造成研究區(qū)沖刷懸浮的泥沙在潮流的作用下重新搬運與沉積, 同時波浪場也因工程的影響下蝕海底的能力增強。

丹東港; 泥沙沖淤; 數(shù)值模擬; 航道淤積

填海造地會導(dǎo)致海域潮流、波浪、泥沙運移等特性的改變, 進(jìn)而影響海域的沖淤變化[1]。大東港區(qū)已是丹東地區(qū)的核心港區(qū), 隨著區(qū)域經(jīng)濟的不斷發(fā)展, 其未來將成為綜合性國際港區(qū)。近年來, 我國沿海各城市的區(qū)域建設(shè)用海項目逐漸增多, 填海工程可解決土地問題, 促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展, 但同時會影響海域水動力和海底沖淤環(huán)境, 使海域水流流速、流向等發(fā)生變化, 改變海域的潮流運動和泥沙運移特性, 引起泥沙沖淤環(huán)境的變化, 形成新的沖淤變化趨勢, 從而對圍填海附近的海岸淤蝕、海底地形、港口航道淤積、河口沖淤等帶來影響[2-3]。前人關(guān)于填海工程對海洋環(huán)境的影響研究較多, 馮秀麗等[4]研究了威海靖海灣港區(qū)張家埠新港建設(shè)對海域泥沙沖淤的影響, 結(jié)果表明在引堤透空段附近和防波堤端頭沖刷較嚴(yán)重。周廣鎮(zhèn)、宋湦等[5-6]研究了萊州灣東岸近岸海域、鳳凰島東側(cè)海域規(guī)劃圍填海后的泥沙沖淤演變, 劉瀟等[7]研究了港口工程影響下萊州灣西南側(cè)海域水動力演化特征。不少學(xué)者對鴨綠江河口淺灘的沉積動力特征與地貌體系、河口地貌的形成與演變及其對港口建設(shè)的影響[8-9]等方面作過研究, 為本次了解研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境提供了參考。但針對本次填海工程對周圍海底地形產(chǎn)生的影響研究較少, 本文根據(jù)研究區(qū)工程建設(shè)前后的區(qū)域水深資料和近幾年的斷面水深, 分析了丹東港工程建設(shè)對海域沖淤環(huán)境的影響, 并在此基礎(chǔ)上分析了其主要影響因素及航道回淤強度, 對保護周邊海洋環(huán)境、合理開發(fā)和利用海洋資源具有一定的理論和實際意義, 為今后該類型海域海洋工程的選址和海洋環(huán)境保護等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東港市南部, 鴨綠江入?？谖靼? 南臨黃海, 東與朝鮮半島隔江相望[10]。2010年丹東港區(qū)在已批復(fù)和正在辦理的填海項目基礎(chǔ)上繼續(xù)向海域延伸, 新建3個挖入式港池, 截至2012年外圍圍堰工程已完成。研究區(qū)波浪主要是小風(fēng)區(qū)的風(fēng)成浪, 涌浪較少。潮汐為正規(guī)半日潮, 主要為太陰半日分潮, 平均潮差4.51 m, 最大潮差7.60 m, 潮流往復(fù)流性質(zhì)比較明顯, 海域漲潮流向為N—NNE, 約8°~ 69°, 落潮流向為SSW—S, 約170°~239°[11], 研究區(qū)海底地形除鴨綠江主要出航航道內(nèi)水深較深外, 其余均為–5 m以淺的近岸淺灘, 灘面較寬且凹凸不平, 坡度較小, 平均約為1.2‰[12]。填海工程位于淺海灘涂, 在兩個深水航道(主航道和西南航道)之間, 水深多在–2 m以淺, 港池處有深水槽, 水深稍大, 中心處水深大于2 m(研究區(qū)位置如圖1所示)。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 資料來源與方法

本文收集了中國人民解放軍海軍司令部航海保證部于2010年10月出版的丹東大東港區(qū)附近1︰25000海圖(圖號11131, 工程附近水深數(shù)據(jù)的測量時間為2001年)、工程建設(shè)前研究區(qū)2007年(1︰6萬)的水深數(shù)據(jù)(為當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面)和中國海洋大學(xué)于工程建設(shè)后2013年5月利用中海達(dá)雙頻測深儀對研究區(qū)南側(cè)8 km范圍內(nèi)進(jìn)行1︰6萬的水深測量數(shù)據(jù)(改正到當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面), 將同點位置的水深值相減繪制了研究區(qū)海底沖淤圖和典型斷面水深變化圖, 利用劉家駒公式計算了工程建設(shè)前后的航道淤積。為查明工程建設(shè)對周圍流場的影響, 利用MIKE21數(shù)值模擬軟件對工程建設(shè)前后漲、落潮流流場的變化情況進(jìn)行了模擬, 并利用工程附近海域2010年9月22日至10月3日進(jìn)行的的全潮水文測驗數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。

3 研究結(jié)果

3.1 研究區(qū)海底沖淤變化特征

3.1.1 整體沖淤變化

泥沙受到波浪、潮流的作用, 在水體中會呈現(xiàn)懸浮、沉積以及再懸浮的狀態(tài), 而水體中的懸浮泥沙變?yōu)榈状渤练e物的過程為泥沙淤積, 已沉積泥沙被搬運向水體轉(zhuǎn)移的過程為泥沙侵蝕[13]。海域泥沙沖淤可通過該海域的水深變化來反映, 因此, 利用Surfer軟件插值形成水深網(wǎng)格, 插值后利用兩期水深“作差”得到研究區(qū)沖淤變化圖(所用的水深值為正值, 兩者相減, 正值為沖刷, 反之為淤積), 插值方法為kringing方法, 繪制了工程建設(shè)前(2001—2007年)和工程建設(shè)后(2007—2013年)研究區(qū)海底沖淤圖(圖2)。

圖2 2001—2007年和2007—2013年沖淤變化圖

從圖2可以看出工程建設(shè)前2001—2007年研究區(qū)大東作業(yè)區(qū)岬角處沖刷最為嚴(yán)重, 沖刷深度1~5 m左右。大東作業(yè)區(qū)西南側(cè)6~8 km和東南側(cè)5~10 km區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)1~3 m的淤積, 該區(qū)域分別靠近丹東港西南航道和主航道, 淤積量較大, 其他海域沖淤厚度在0~1 m基本處于較穩(wěn)定狀態(tài)。工程建設(shè)后2007— 2013年研究區(qū)整體處于沖刷狀態(tài), 受工程建設(shè)的影響, 工程南側(cè)出現(xiàn)0~4 m的沖刷, 最大沖刷厚度位于離工程1~3.5 km區(qū)域, 達(dá)5 m以上, 泥沙淤積區(qū)主要集中在工程東側(cè)和西南側(cè), 工程西南側(cè)1.3 km區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)1~3 m的淤積, 東側(cè)主航道局部內(nèi)出現(xiàn)4 m以上的淤積, 其他海域淤積厚度小于2 m。

3.1.2 斷面水深變化

研究區(qū)四條典型斷面水深變化如圖3所示(斷面位置見圖1)。斷面Ⅰ位于工程西南側(cè), 長約9 km; 斷面Ⅱ位于工程南側(cè), 長約11 km; 斷面Ⅲ位于工程東側(cè), 研究區(qū)出海航道內(nèi), 長約10 km; 端面Ⅳ位于工程南側(cè), 近東西走向, 長約9 km。

圖3 典型斷面水深變化對比圖

由圖3可看出, 工程建設(shè)后研究區(qū)海域均有不同程度的沖淤, 斷面Ⅰ的海底地形剖面從2007年至今可分為兩段, 即離岸2.2 km以近水深–2 m以淺的近岸淺灘和2.2 km以遠(yuǎn)水深在–2~ –8 m的水下斜坡, 2007—2013年間近岸淺灘發(fā)生沖刷, 平均沖刷深度0.7 m, 泥沙淤積在2.2~4 km區(qū)域內(nèi), 淤積厚度在0.9 m左右, 4 km以外區(qū)域水深變化較小, 海底沖淤不明顯。斷面Ⅱ的海底地形剖面也分為兩段, 即離岸4.3 km以近的近岸淺灘和以遠(yuǎn)的水下斜坡, 2007年時在水深–3 m以內(nèi)的淺灘到2013年已不同程度被侵蝕, 侵蝕深度在0.5~2 m, 2007年時離岸6 km以遠(yuǎn)水深在–4.3~ –8 m區(qū)域略微上凸的斜坡到2013年已演變?yōu)檩^平緩的斜坡, 平均下蝕深度1m。斷面Ⅲ離工程和主航道較近, 受航道及工程施工影響, 工程建設(shè)前后靠近工程海域水深變化較復(fù)雜, 離岸0~4 km區(qū)域內(nèi)呈淤積狀態(tài), 最大淤積厚度可達(dá)7 m, 離岸4~5.5 km區(qū)域內(nèi)有0~1.2 m的沖刷, 5.5 km以外區(qū)域最大淤積厚度小于1 m, 向海方向呈減小趨勢。由斷面Ⅳ可看出工程建設(shè)后航道向西偏移了約200 m, 兩側(cè)淺灘呈沖刷狀態(tài), 最大沖刷深度可達(dá)5 m, 一方面由于淺灘侵蝕泥沙隨潮流淤積在航道內(nèi), 另一方面受工程施工影響, 工程建設(shè)后航道內(nèi)局部最大淤積厚度可達(dá)3.5m。

綜上所述, 無論是空間還是剖面變化的結(jié)果都可認(rèn)為工程建設(shè)對研究區(qū)海底地形帶來了較大變化, 主要表現(xiàn)在工程南側(cè)普遍沖刷和東側(cè)航道內(nèi)的淤積。研究區(qū)近10多年來的海底地形沖淤變化, 一方面可能是受海岸帶海岸工程建設(shè)活動的影響, 另一方面受現(xiàn)代海洋動力作用與海岸地貌形態(tài)之間的不斷自適應(yīng)調(diào)整, 使得海底地形處于一種動態(tài)變化過程中。

3.2 航道回淤計算

研究區(qū)的泥沙運動受海底地形、泥沙來源、潮流、波浪、人類活動等多種因素的共同影響, 是一個復(fù)雜的動力地貌過程。正常天氣下, 水流跨越航道, 流速減小、挾沙能力下降導(dǎo)致的懸沙落淤是航道淤積的主要原因, 其中海底侵蝕來沙和河流來沙是航道淤積的主要泥沙來源[14]。由于丹東填海工程對海域泥沙沖淤的影響主要表現(xiàn)在工程附近海域, 對較遠(yuǎn)海域影響較小, 所以本文選擇離工程較近航道進(jìn)行泥沙回淤計算。

泥沙淤積方式可分為懸沙淤積和底沙淤積兩部分, 當(dāng)?shù)踪|(zhì)中值粒徑小于0.05 mm時, 認(rèn)為航道會主要以懸沙落淤為主。根據(jù)研究區(qū)沉積物特征在丹東港主航道內(nèi)選取有代表性的A、B、C三點(如圖1所示)采用《海港水文規(guī)范》[15]推薦的劉家駒公式計算了工程建設(shè)前后航道淤積, 公式如下:

表1 實測漲落潮平均含沙量[10]

Tab.1 Average sediment concentration at ebb and flow

表2 工程建設(shè)前后航道年淤積厚度對比

Tab.2 Comparison of the rate of channel silt before and after the construction of reclamation project

計算結(jié)果表明: 工程建設(shè)后A點年均淤積厚度較工程建設(shè)前變小了0.09 m, B、C年均淤積厚度較工程建設(shè)前均有變大, 每年分別增加0.02 m和0.19 m。

4 沖淤變化成因分析

4.1 泥沙來源

鴨綠江河口為呈“二級分叉, 三口入?！毙蝿莸姆植嫘秃涌? 研究區(qū)位于其西側(cè), 從20世紀(jì)70年代來, 鴨綠江的年平均徑流量和輸沙量明顯減少, 多年平均輸沙量在159.1×104t, 而鴨綠江水沙的年內(nèi)分配極不均勻, 6—9月汛期時的輸沙量約占全年總量的80%以上[16]。20世紀(jì)因人為因素, 研究區(qū)鴨綠江河口現(xiàn)在已變成海灣型潮汐水道, 為典型的潮汐海灣地形, 僅高潮時可與鴨綠江干流相通, 僅有少部分懸沙可隨潮擴散至研究區(qū)海域。歷史上形成的灘地在高潮時會不同程度的被淹沒, 形成“漲潮時潮流分散消能, 落潮時潮流歸槽集注”的狀態(tài)。海域泥沙主要以波浪掀沙, 潮流挾沙為主, 南部入?？谔帨\灘侵蝕來沙和上游灘地落潮歸槽所帶來的泥沙是研究區(qū)海域的主要泥沙來源[10]。

4.2 潮流對沖淤的影響

在自然狀態(tài)下, 近岸海域的水動力和泥沙輸運會處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài), 而大規(guī)模的海洋工程建設(shè)會對周邊海域的水動力產(chǎn)生重要影響, 從而打破這個平衡, 使工程附近海域的動力環(huán)境趨于另一種動態(tài)平衡[17]。利用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21 Flow Model對工程建設(shè)前后研究區(qū)潮流場進(jìn)行預(yù)測分析, 該模型采用可隨意控制疏密的非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計算域和標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散[7]。工程建設(shè)前后數(shù)值模型的水深岸線數(shù)據(jù)分別采用丹東港海圖(圖號11131, 比例尺1: 25000)和實測水深測量資料, 并利用工程附近海域2010年9月22日至10月3日進(jìn)行的的全潮水文測驗數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證, 以大東港(C1)潮位驗證點及L6號潮流驗證點為例(位置見圖1), 給出數(shù)值模擬與實測潮流的驗證結(jié)果, 潮位驗證曲線如圖4所示, 潮流驗證曲線如圖5所示, 驗證結(jié)果表明, 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合, 能夠模擬研究區(qū)海域的潮流運動特性。流場模擬結(jié)果如圖6、圖7所示, 根據(jù)工程建設(shè)前后研究區(qū)潮流數(shù)值模擬結(jié)果, 將工程建設(shè)前后的周邊海域潮流流速進(jìn)行對比, 得到潮流流速變化(變化值與現(xiàn)狀流速的比值, 正值代表流速增大, 負(fù)值代表流速減小)范圍圖(如圖8所示), 研究本次填海工程對研究區(qū)海洋水動力環(huán)境的影響。

由圖6、圖7可看出: 工程建設(shè)前研究區(qū)漲潮流整體由SW向NE流, 流速普遍在0.5~1.0 m/s之間。落潮流整體由NE向SW流, 流速較漲潮流流速較大, 為0.6~1.0 m/s。工程建設(shè)后, 由于工程的阻擋, 研究區(qū)漲潮流整體由S向N流, 潮流在工程南側(cè)轉(zhuǎn)為SE-NW向, 落潮流沿工程在其南側(cè)匯聚, 由NNE向SSW流, 研究區(qū)西南側(cè)海域流速較工程前小, 工程建設(shè)后流速普遍在0.7 m/s以下, 東側(cè)主航道內(nèi)流速較工程前大, 最大可達(dá)1.5 m/s。由于工程對研究區(qū)漲潮流的阻擋作用, 使?jié)q潮流沿工程南側(cè)由SE向NW流, 流速逐漸變小, 有利于潮流攜帶的泥沙淤積, 在工程西南側(cè)形成1~3 m的淤積。工程建設(shè)后, 研究區(qū)落潮流沿工程在其南側(cè)匯聚, 流速增大, 攜帶泥沙能力增強, 被波浪掀起的工程南部淺灘泥沙容易隨漲、落潮流運移, 這與斷面Ⅳ的水深變化較一致。由工程建設(shè)后潮流流速變化圖可看出工程建設(shè)后研究區(qū)西南側(cè)海域潮流流速明顯減小, 工程導(dǎo)流作用使靠近工程東側(cè)范圍內(nèi)流速增加, 啟動泥沙, 當(dāng)落潮流流過工程時, 過水?dāng)嗝嬲箤? 并沿工程南部轉(zhuǎn)向, 流速減小, 有利于落潮流攜帶的鴨綠江口淺灘泥沙淤積在此, 能夠很好地解釋斷面Ⅲ的海底水深變化特征。而從工程建設(shè)前后的航道懸沙回淤計算結(jié)果中也可看出, A點由于受鴨綠江口淺灘泥沙影響, 航道年淤積厚度較大, 模擬結(jié)果顯示工程建設(shè)后研究區(qū)東側(cè)主航道內(nèi)流速增大, 向海方向流速逐漸減小, 泥沙在潮流作用下, 隨落潮流運移至航道下段, 使A點年淤積厚度較工程前變小, B、C點年淤積厚度變大。另一方面, 由于工程建設(shè)后工程附近南部海域灘面泥沙容易隨漲落潮流運移, 使C點航道淤積強度較B點大。可見, 潮流是該海區(qū)輸沙的主要動力。

圖4 C1站潮位驗證曲線

圖5 L6站流速、流向驗證曲線

4.3 波浪對沖淤的影響

研究區(qū)潮流場模擬結(jié)果顯示, 由于工程建設(shè)的影響, 無論漲潮流還是落潮流都會發(fā)生流速、流向的變化。此外, 海底還受到波浪的淘洗。已有調(diào)查資料表明, 研究區(qū)海域常浪向和強浪向為SSE向, 出現(xiàn)頻率為34.7%, S向為次常浪向, 出現(xiàn)頻率為29.1%, 波高小于0.4 m年出現(xiàn)頻率為13%, 0.5~1.4 m的頻率為20.5%, 1.4~2.9m的出現(xiàn)頻率為1.3%, 浪向集中在SSE和S方向[18]。工程建設(shè)后, 當(dāng)SSE、S向波浪來襲時, 由于工程建設(shè)向海延伸, 在工程南側(cè)波浪輻聚, 波能增大, 能量增強, 灘面下蝕加劇, 導(dǎo)致工程南側(cè)海域形成嚴(yán)重的侵蝕, 波浪是造成該海區(qū)泥沙懸浮的主要原因。

圖6 工程建設(shè)前潮流場圖

圖7 工程建設(shè)后潮流場圖

圖8 潮流流速變化圖

綜上所述, 工程的建設(shè)改變了研究區(qū)海域原有的潮流場和波浪場, 導(dǎo)致工程東側(cè)的流速增大、南側(cè)流速減小和流向的改變, 當(dāng)SSE、S向波浪來襲時, 由于工程的建設(shè)導(dǎo)致南側(cè)波浪加強, 增加了其擾動灘面的能力。在波流共同作用下, 研究區(qū)海底的沖淤格局發(fā)生了重新分布。

5 結(jié)論

1) 研究區(qū)海底在工程建設(shè)前除靠近大東作業(yè)區(qū)的岬角處沖刷量較大, 海域整體沖淤厚度小于0.2 m/a。工程建設(shè)后, 2007—2013年工程南側(cè)出現(xiàn)0~4 m的沖刷, 最大沖刷深度可達(dá)5 m以上, 泥沙淤積區(qū)主要集中在工程西南側(cè)和出海航道內(nèi), 主航道內(nèi)局部最大淤積厚度為4 m多, 其他海域淤積厚度小于2 m。

2) 在丹東港主航道內(nèi)選取有代表性的A、B、C三點采用劉家駒公式計算工程建設(shè)前后的航道懸沙回淤量, 計算結(jié)果表明: 工程建設(shè)后A點年均淤積厚度減小了0.09 m, B、C點年均淤積厚度分別增加了0.02、0.19m。

3) 工程建設(shè)后研究區(qū)潮流場和波浪場發(fā)生重大的變化, 是引起海底沖淤格局重新分布的重要原因。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Sediment scouring and deposition at the Dandong Port before and after the construction of reclamation project

WANG Xiao-ming, FENG Xiu-li, TIAN Dong-hui, JIANG Bo, JIANG Jian-xin, TENG Shan

(Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

We studied the sediment scouring and deposition at the Dandong Port before and after reclamation based on underwater topographic data and fixed-point marine hydrological observations in 2010. The data suggest strong erosion in the headland of the Dadong area. The rate of sediment scouring and silting was less than 0.2 m/a. After reclamation, the patterns of sediment scouring and deposition were redistributed. There was erosion south of reclamation and deposition east and southwest of the reclamation. The channel silting before and after reclamation was calculated at 0.09 m at point A, and at points B and C increased by 0.02 m to 0.19 m. Numerical simulations suggest that there was redistribution and erosion of sediments after the reclamation because of the increased the wave energy.

the Dandong Port; the sediment scouring and silting; numerical model; channel silt

Dec. 7, 2016

王曉明(1992-), 女, 山東威海人, 碩士在讀, 主要從事海洋環(huán)境地質(zhì)與工程方面研究, E-mail: 1208843538@qq.com; 馮秀麗(1962-),通信作者, 教授, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn

P75

A

1000-3096(2017)09-0041-09

10.11759/hykx20161207002

2016-12-07;

2017-01-09

海洋公益專項(201005009)

[National Sea Welfare Project, No.201005009]