王偉偉馬恭博程 林袁 蕾王傳珺

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連116023;2.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所,河北 石家莊050021)

籠式泥沙捕獲器的研制與實(shí)測(cè)應(yīng)用

王偉偉1,馬恭博1,程 林2,袁 蕾1,王傳珺1

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連116023;2.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所,河北 石家莊050021)

為了有效地觀測(cè)岸灘泥沙在距離底床不同高度和不同方向的運(yùn)移特征,本文作者研制了籠式泥沙捕獲器,并在遼東灣白沙灣海岸進(jìn)行了實(shí)測(cè),取得了較好的觀測(cè)結(jié)果。觀測(cè)結(jié)果表明,近底床泥沙輸運(yùn)大量發(fā)生于距離45 cm的高度范圍內(nèi),而距離底床100 cm的泥沙運(yùn)移量極少。隨著距離底床高度的增加,泥沙的平均粒徑呈由大到小的變化規(guī)律,泥沙中砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈由大到小的變化規(guī)律,黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈由小到大的變化規(guī)律,但是在不同的方向上,泥沙平均粒徑和物質(zhì)組成等粒度參數(shù)均沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。實(shí)測(cè)結(jié)果表明籠式泥沙捕獲器不僅可以同步觀測(cè)多個(gè)方向的泥沙運(yùn)移,而且可以同步觀測(cè)不同層位的泥沙運(yùn)移,對(duì)于分析近底床邊界層泥沙的垂向結(jié)構(gòu)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

泥沙捕獲器;泥沙運(yùn)移;邊界層

進(jìn)入21世紀(jì),隨著海平面上升、人為活動(dòng)加劇和入海泥沙的減少,我國(guó)沿海海岸侵蝕問題日益嚴(yán)重,已經(jīng)威脅到沿海居民的正常生產(chǎn)和生活。海岸帶承載了沿海地區(qū)重要的臨海工業(yè)、港口航運(yùn)業(yè)和濱海旅游業(yè)等海洋產(chǎn)業(yè),其穩(wěn)定性和安全性受到日益關(guān)注[1-2]。近年來,海岸工作者們針對(duì)海岸穩(wěn)定性[3-4]、海岸演變[5]開展了大量的工作。由于海岸泥沙活動(dòng)規(guī)律決定了海岸平衡狀態(tài),為了進(jìn)一步探尋近岸泥沙輸運(yùn)過程,諸多科技工作者在廣泛的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上,建立了多種數(shù)值模式反映近岸帶輸沙過程,并對(duì)輸沙量進(jìn)行估算[6-8]。然而,現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果往往和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的輸沙情況存在一定程度的差異[9]?；诰C合反映岸灘推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙的垂向特征,彌補(bǔ)現(xiàn)有的工作不足,印萍等[9]開展了旌式泥沙捕獲器的研制,并利用泥沙捕獲器在秦皇島海灘進(jìn)行了觀測(cè),介紹了沖流帶和破波帶泥沙通量的分布特點(diǎn)以及泥沙的橫向和縱向運(yùn)移規(guī)律。本文作者在印萍等人設(shè)計(jì)的泥沙捕獲器的基礎(chǔ)上,對(duì)泥沙捕獲器進(jìn)行了一定程度上的改進(jìn),研制了籠式泥沙捕獲器,并在遼東灣東岸的白沙灣沙質(zhì)海岸進(jìn)行了岸灘近底床泥沙的觀測(cè)應(yīng)用。

1 籠式泥沙捕獲器的介紹

籠式泥沙捕獲器是在旌式泥沙捕獲器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善的。旌式泥沙捕獲器由金屬支架、網(wǎng)架和篩網(wǎng)三個(gè)部分組成[9],可以同步觀測(cè)2個(gè)方向的泥沙運(yùn)移特征,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)需要借助人力穩(wěn)定泥沙捕獲器。

籠式泥沙捕獲器由網(wǎng)架、篩網(wǎng)和支架組成(圖1)。網(wǎng)架包括5層格架,每層格架由8個(gè)梯形格架組成,格架由不銹鋼管架焊接而成,格架頂角角度為45°,主要是方便測(cè)量不同方向的泥沙通量,垂向相鄰的網(wǎng)架采用固定U形卡環(huán)固定,網(wǎng)架的垂向開口高為20 cm,寬30 cm。篩網(wǎng)由孔徑為0.063 mm的尼龍篩網(wǎng)制成,網(wǎng)口固定在格架上,篩網(wǎng)的尾部固定在網(wǎng)架下部的鋼管上,確保篩網(wǎng)尾部高度低于入口,以防止進(jìn)入篩網(wǎng)的泥沙流失。支架由斜拉支架和穩(wěn)定裝置組成,其中斜拉支架包括4根主支撐鋼管和4個(gè)輔助支撐鋼管,穩(wěn)定裝置包括4塊圓形鋼板和8根圓鋼組成,主要的作用是增加泥沙捕獲器的穩(wěn)定性。

(王佳實(shí) 編輯)

圖1 籠式泥沙捕獲器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the cage-shaped sediment trap

相對(duì)于旌式泥沙捕獲器來說,籠式泥沙捕獲器在泥沙捕獲方向和儀器穩(wěn)定性做了改進(jìn),改進(jìn)后的捕獲器,可以同步觀測(cè)5個(gè)層位,8個(gè)方向的泥沙運(yùn)移特征,而且因?yàn)椴恍枰柚饬?可以滿足較長(zhǎng)時(shí)間的泥沙觀測(cè)需要。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與觀測(cè)

2013-11-28,籠式泥沙捕獲器投放在遼東灣東岸白沙灣潮間帶中部(圖2和圖3),研究期間,水深變化范圍介于0～2.5 m,有效波高最高達(dá)0.3 m,海流流速最高達(dá)0.32 cm·s-1。2013-12-08,進(jìn)行了儀器的回收,獲取了連續(xù)10 d的泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 籠式泥沙捕獲器投放位置Fig.2 Deploying position of the cage-shaped sediment trap

圖3 籠式泥沙捕獲器投放Fig.3 Deployment of the cage-shaped sediment trap

數(shù)據(jù)采集前對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),編號(hào)方式為“層編號(hào)-方向編號(hào)”。儀器投放完成后,記錄儀器放置時(shí)間,坐標(biāo)位置和方位,以編號(hào)為“1-1”的篩網(wǎng)和格架放置與正北方最底層,方向編號(hào)按順時(shí)針增加,層位編號(hào)由低至高增加。

籠式捕沙器共獲得沉積物有效樣品34個(gè),6個(gè)樣品由于固定格架的U型器不牢固而丟失。獲取的樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成粒度分析和干重測(cè)定,粒度分析采用激光粒度儀。

3 結(jié)果分析

3.1 沉積物粒度特征

沉積物粒度分析結(jié)果見表1,岸灘底邊界層內(nèi)的泥沙平均粒徑介于1.99～3.40φ,主要沉積物類型為細(xì)砂,其中,中砂1站(1-4#),極細(xì)砂2站(3-7#,3-8#)。沉積物砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于77.48%～99.03%,粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.87%～18.98%,黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆小于4%。

表1 沉積物粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Grain size parameters of the sediments

隨著距離底床高度的增加,捕獲的泥沙平均粒徑在垂向上基本呈現(xiàn)由大到小的規(guī)律,而且在距離底床5～25 cm的邊界層底部范圍內(nèi),平均粒徑小于2.5φ,在距離底床25 cm以上的邊界層范圍內(nèi),泥沙平均變化較小,介于2.5～3.4φ(圖4)。

隨著距離底床高度的增加,泥沙中砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在垂向上基本呈現(xiàn)由大到小的規(guī)律,在距離底床高度5～85 cm的范圍內(nèi),砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本高于96%,而在距離底床85～145 cm的范圍內(nèi)砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本小于95%,最小為77.5%(圖5)。

圖4 近底床不同高度的泥沙平均粒徑Fig.4 The mean grain size of the sediment trapped in different height from the seabed

圖5 近底床不同高度的泥沙中砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.5 The percentage of sand among the sediment trapped in different height from the seabed

隨著距離底床高度的增加,泥沙中黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈由小到大的規(guī)律,與砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在距離底床高度5～85 cm的范圍內(nèi),黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)基本小于0.9%,而在距離底床85～145 cm的范圍內(nèi)黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)逐漸增多,最高為10.5%(圖6)。

3.2 沉積物輸運(yùn)

泥沙運(yùn)移主要發(fā)生在距離底床高度5～45 cm(1,2層)的邊界層底部區(qū)域。距離底床高度5～25 cm(1層),泥沙捕獲量介于162.5～582.0 g·d-1;距離底床高度35～55 cm(2層),介于4.5～578.0 g·d-1;距離底床高度65～85 cm(3層),介于0.2～55.0 g·d-1;距離底床高度95～115 cm(4層),介于2.5～10.5 g·d-1;距離底床高度125～145 cm(5層),介于1.38～12.5 g·d-1(圖7)。

圖6 近底床不同高度的泥沙中黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.6 The percentage of clay among the sediment trapped in different height from the seabed

圖7 近底床不同高度的泥沙質(zhì)量分布Fig.7 The weight distributions of the sediments trapped at different heights from the seabed

白沙灣海岸走向?yàn)镾W—NE,海岸來沙方向主要為SW,W,NW,N和NE,而泥沙回流方向?yàn)镋,SE和S。研究期間距離底床高度在15 cm(1層),單位面積日凈輸沙10.45 kg·(m·d)-1;距離底床高度45 cm(2層),單位面積日凈輸沙12.68 kg·(m·d)-1;距離底床高度75 cm(3層);單位面積日凈輸沙-0.17 kg·(m·d)-1;距離底床高度105 cm(4層),單位面積日凈輸沙0.27 kg·(m·d)-1;距離底床高度135 cm(5層),單位面積日凈輸沙0.16 kg·(m·d)-1。觀測(cè)期間海區(qū)風(fēng)向多為NE,E和SE向,基本與補(bǔ)沙器觀測(cè)的泥沙運(yùn)移方向一致[10]。

按照不同方向分別累計(jì)捕獲泥沙量,繪制日均泥沙運(yùn)移特征圖,發(fā)現(xiàn)研究期間主要來沙方向?yàn)镹和NE,近底床邊界層內(nèi)單位面積日均向岸輸沙量為42.79 kg·(m·d)-1,主要的泥沙回流方向?yàn)镾E和E,單位面積日均離岸輸沙量為19.39 kg·(m·d)-1(圖8)。

捕獲的泥沙多為細(xì)砂,沉積物平均粒徑的分布與泥沙運(yùn)移方向之間沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律,各向的沉積物平均粒徑介于2.4～2.7φ。N和NE來砂方向沉積物粒徑較粗,分別為2.42和2.48φ,NW和W沉積物粒徑相對(duì)較細(xì),分別為2.61和2.63φ(圖9)。

圖8 不同方向的泥沙日均輸運(yùn)(kg·(m·d)-1)特征Fig.8 The characteristics of daily sediment(kg·(m·d)-1)transportation

圖9 不同方向的泥沙平均粒徑(φ)分布特征Fig.9 The grain sizes distribution of the sediment(φ)near the seabed

4 結(jié) 論

底邊界層泥沙觀測(cè)一直是海岸工作研究的重點(diǎn),為了有效觀測(cè)岸灘近底床泥沙的運(yùn)移特征,本文作者研制了籠式泥沙捕獲器,并進(jìn)行了實(shí)測(cè)。籠式泥沙捕獲器改進(jìn)了已有的泥沙捕獲器的不足,不但可以同步捕獲N,NE,E,SE,S,SW,W和NW八個(gè)方向的泥沙,而且可以同步捕獲5個(gè)層位(15～135 cm)的近底床泥沙,在岸灘邊界層泥沙的觀測(cè)中,具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的優(yōu)勢(shì)。

籠式泥沙捕獲器應(yīng)用在遼東灣東岸白沙灣海岸,取得了較好的觀測(cè)效果,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：1)隨著距離底床高度的增加,泥沙中砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在垂向上基本呈現(xiàn)由大到小的規(guī)律,而黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈由小到大的規(guī)律;2)泥沙運(yùn)移量主要發(fā)生在近底床高度45 cm以內(nèi);3)觀測(cè)期間,白沙灣海岸N和NE向泥沙向岸運(yùn)移趨勢(shì)較強(qiáng),單位面積日均向岸輸沙量為42.79 kg·(m·d)-1,單位面積日均離岸輸沙量為19.39 kg·(m·d)-1;4)近底床泥沙多為細(xì)砂,隨著距離底床高度的增加,泥沙平均粒徑呈變小的趨勢(shì),但在與泥沙輸運(yùn)方向沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

致謝：國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心王玉廣、張利民、馬長(zhǎng)敏等參加了外業(yè)工作,方海超完成了室內(nèi)測(cè)試分析工作。

[1] LUO Y M.Sustainability associated coastal eco-environmental problems and coastal science development in China[J].China Academic Journal Electronic Publishing House,2016,31(10)：1133-1142.駱永明.中國(guó)海岸帶可持續(xù)發(fā)展中的生態(tài)環(huán)境問題與海岸科學(xué)發(fā)展[J].中國(guó)科學(xué)院院刊,2016,31(10)：1133-1142.

[2] XIONG Y Z.Advances of research on coastal zone sustrainable development[J].Marine Geology Letters,2010,26(2)：13-18.熊永柱.海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究評(píng)述[J].海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài),2010,26(2)：13-18.

[3] DAI Z J,LI C C,WANG W J,et al.Research on stability and fractal of arc-shaped coast in South China[J].Haiyang Xuebao,2006,28(1)：176-180.戴志軍,李春初,王文介,等.華南弧形海岸的分形和穩(wěn)定性研究[J].海洋學(xué)報(bào),2006,28(1)：176-180.

[4] CHENG W F,CHEN S L,HU J.Stability of headland bay beaches on the east coast of Hainan Island[J].The Ocean Engineering,2017,35(1)：121-128.程武風(fēng),陳沈良,胡進(jìn).海南萬寧岬灣海岸海灘穩(wěn)定性研究[J].海洋工程,2017,35(1)：121-128.

[5] FENG A P,XIA D X,GU D Q,et al.Study on process and cause of the coastal erosion along the south coast of the Laizhou Bay[J].Advances in Marine Science,2006,24(1)：83-90.豐愛平,夏東興,谷東起,等.萊州灣南岸海岸侵蝕過程與原因研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2006,24(1)：83-90.

[6] LI Z L,CHEN Z S.Equilibrium shape model of headland-bay and application in South China coasts[J].Journal of Oceanography Taiwan Strait,2006,25(1)：123-129.李志龍,陳子燊.岬間砂質(zhì)海岸平衡形態(tài)模型及其在華南海岸的應(yīng)用[J].臺(tái)灣海峽,2006,25(1)：123-129.

[7] ZHUANG K L,ZHUANG Z Y,LI G X.Five analytic models of coastal erosion[J].Marine Geology&Quaternagry Geology,1998,18(2)：97-101.莊克琳,莊振業(yè),李廣雪.海岸侵蝕的解析模式[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1998,18(2)：97-101.

[8] BAO S L,YU Z Y,LIU C Z,et al.Approach to the evolution model of sand coast erosion—A case study of eroded coast in south Shandong of China[J].The Ocean Engineering,2003,21(3)：94-99.包四林,虞志英,劉蒼字,等.砂質(zhì)海岸岸灘侵蝕演變模式探討——以山東南部海岸侵蝕岸段的岸灘演變?yōu)槔齕J].海洋工程,2003,21(3)：94-99.

[9] YIN P,WANG J C,LüJ F,et al.Development,Deployment and measurement of streamer sediment trap[J].Coastal Engineering,2003,22(2)：8-14.印萍,王景川,呂京福,等.旌式泥沙捕獲器的研制和施測(cè)[J].海岸工程,2003,22(2)：8-14.

[10] China Meteorological Administration.Temperature diagram of Yingkou City in December 2013[EB/OL].(2013-12-01)[2016-12-20].http：∥lishi.tiangi.com/yingkou/201312.html.中國(guó)氣象局.營(yíng)口市2013年12月份氣溫走勢(shì)圖[EB/OL].(2013-12-01)[2016-12-20].http：∥lishi.tianqi.com/yingkou/201312.html.

Abstract：For observing effectively the shoal sediment migration at different height from the seabed and in different direction,a cage-shaped sediment trap has been developed and then used for measuring the shoal sediment migration in the Baisha Bay of the Liaodong Bay.The results from the observation show that the sediment transportation near the seabed occurs mostly in the range of 45 cm above the seabed,whereas at the height of 100 cm from the seabed the amount of sediment transportation is precious little.With the increase of height from the seabed,the mean grain size of the sediment changes from large to small,the sand content in the sediment changes from high to low and the clay content changes from low to high.In different directions,however,no obvious change law has been observed both in the mean grain size and in the compositions of the sediment.The measured results have indicated that the cage-shaped sediment trap can be used not only for the simultaneous observation of sediment migration in multiple directions,but also for the simultaneous observation of sediment migration at different horizons.The successful application of the trap has certain application value for the analysis of sediment structures at the seabed boundary layer.

Key words：cage-shaped sediment trap;sediment transportation;boundary layer

Received：February 21,2017

Development and Application of Cage-Shaped Sediment Trap

WANG Wei-wei1,MA Gong-bo1,CHENG Lin2,YUAN Lei1,WANG Chuan-jun1
(1.Nantional Marine Environment Monitoring Center,Dalian 116023,China;2.Institute of Geographic Science,Hebei Academy of Science,Shijiazhuang 050021,China)

P736.22

A

1002-3682(2017)03-0051-07

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.007

2017-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——侵蝕沙質(zhì)海岸演變過程中的岸灘泥沙通量研究(41306043);全國(guó)海岸侵蝕災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)化項(xiàng)目

王偉偉(1979-),男,副研究員,博士,主要從事海岸帶環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害和海岸動(dòng)力地貌學(xué)研究.E-mail：wwwang@nmemc.org.cn