徐雪蛟

(大連太平灣投資發(fā)展有限公司,大連116004)

大連太平灣位于遼寧省瓦房店市西北部遼東灣沿岸，北距營口約80 km，南距大連約120 km，地理位置適中。大連太平灣背靠遼東半島，近岸水深條件較好，具有港口開發(fā)建設(shè)的潛力[1-2]。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，大連港擬在大連太平灣建設(shè)深水港區(qū)。

在近岸港口航道開發(fā)建設(shè)過程中，正確認識海區(qū)的水動力條件、泥沙運移及海床沖淤變化等特征可為港口規(guī)劃設(shè)計提供必要的基礎(chǔ)資料，也有利于近岸海洋環(huán)境保護及資源開發(fā)利用[3-7]。本文基于太平灣海區(qū)實測水文泥沙資料，對太平灣海區(qū)水動力泥沙環(huán)境特征進行了研究，為港區(qū)規(guī)劃方案選擇和優(yōu)化設(shè)計及海洋環(huán)境保護提供基礎(chǔ)資料。

1 海岸地貌特征

太平灣海區(qū)沿岸地貌具有岬灣相間的特點，海岸地貌類型屬于岬灣沙質(zhì)海岸[2]，自南向北依次分布紅石咀、打狗咀子、將軍石、長咀子、太平角、白沙山、仙人島和鲅魚圈等多個基巖岬角，岬角處多有海蝕崖和海蝕平臺發(fā)育，如仙人島、太平角、將軍石等處，岬角之間分布多個凹入程度不一的沙質(zhì)海灣，規(guī)模較大的為太平灣和白沙灣。浮渡河是本區(qū)較大的入海河流(圖1)。

圖1 太平灣海區(qū)示意圖Fig.1 Sketch of Taiping Bay sea area

太平灣海區(qū)沿岸潮間帶沉積物以礫-粗砂、粗砂、粗中砂為主，泥沙中值粒徑在0.35～2.33 mm，太平角南北潮間帶底質(zhì)有明顯差異，太平角以北潮間帶泥沙偏粗，太平角以南潮間帶泥沙偏細。

太平灣海區(qū)的海底地貌受基底構(gòu)造和現(xiàn)代水動力所控制，是大陸邊緣被海水淹沒的水下自然延伸部分。長咀子以北區(qū)域-10 m等深線以內(nèi)的水下地形復(fù)雜，太平角和仙人島之間水域發(fā)育多條相互平行的水下沙脊和深槽，其中最外側(cè)沙脊規(guī)模最大。水下沙脊基本呈NE-SW向展布，基本與岸平行。水下沙脊水深基本介于-7～0 m。潮流沖刷槽分布于水下沙脊之間，呈不連續(xù)分布，總體呈NE-SW向展布，沙脊和深槽之間的坡度很大。長咀子以南區(qū)域-5 m、-10 m等深線基本緊貼岸線，近岸水深坡陡。

2 水動力特征

2.1 風和波浪

據(jù)太平灣附近溫坨子站1987～2003年風資料統(tǒng)計[8]：常風向為NNE向，頻率為12.1 %，次常風向為S向，頻率為11.8 %。全年平均風速為5.8 m/s，主風向以N-NE向、SE-S向為主。強風向為NNW、N向，最大風速分別為31 m/s、28 m/s。

太平角附近近年來未設(shè)置波浪觀測站，據(jù)附近江石底2008年8月～2009年9月1 a的波浪觀測資料統(tǒng)計(圖2)：常浪向為NW向，出現(xiàn)頻率為18.3 %；次常浪向為NNW和WNW，頻率分別為12.6%和11.1%。強浪向為NE向，實測最大H1/10為3.94 m。N、NNE、ENE、WSW與NNW向均有3 m以上的大浪發(fā)生[1]。這說明太平灣海域的波浪較強。

圖2 江石底站波浪玫瑰圖Fig.2 Wave rose of Jiangshidi station

從江石底站H1/10波高出現(xiàn)頻率看，0～1.0 m、2.1～3.0 m和大于3.1 m的波高頻率分別為82.2 %、6.7 %和0.8 %。江石底站H1/10波高春夏秋冬四季出現(xiàn)的頻率，0～1.0 m波高分別為93.9 %、88.0 %、62.4 %、74.6 %，2.1～3.0 m波高分別為1.2 %、2.4 %、18.8 %、5.1 %，大于3.1 m的波高頻率分別為0.0 %、0.5 %、1.7 %、3.4 %。由此可以看出，1 a中以秋、冬季節(jié)波高較大。

使用1988年～2007年20 a間影響太平灣海域的臺風，推算得到了外海-20 m深水處的極值波要素，通過P-III型極值分布分析得到了深水處重現(xiàn)期設(shè)計波要素[8]。計算結(jié)果表明，太平灣外海-20 m等深線50 a一遇強浪向N向H1/10波高5.13 m(有效波高4.22 m),平均周期7.52 s。波浪動力總體不強。

2.2 潮汐

通過對2010年5～6月溫坨子站和太平角站潮位觀測資料調(diào)和分析計算，其潮汐性質(zhì)系數(shù)F=(HK1+HO1)/HM2值分別為0.93和0.68，其值大于0.5而小2.0，潮汐性質(zhì)均屬不規(guī)則半日潮。每個潮汐日(約24.8 h)有兩次高潮和兩次低潮，且兩次高潮和兩次低潮的高度相差較為明顯。

太平角站2010年5月29日～6月27日期間平均潮差為1.88 m，最大潮差為3.08 m，最小潮差為0.89 m，漲、落潮平均歷時分別為6 h:04 min、6 h:20 min，漲潮歷時比落潮歷時短16 min。太平灣海區(qū)2010年10月1日～2011年9月30日期間平均潮差為1.88 m，最大潮差為3.14 m，最小潮差為0.37 m；漲、落潮平均歷時分別為6 h:05 min、6 h:19 min，漲潮歷時比落潮歷時短14 min[9]。

2.3 潮流

2010年5～6月在太平灣海區(qū)進行了7個測站(站位見圖3)大、小潮水文全潮觀測，實測潮流資料準調(diào)和分析可知，1#～7#站的潮流性質(zhì)系數(shù)F=(WK1+WO1)/WM2值分別為0.21、0.26、0.31、0.23、0.18、0.23和0.25，潮流類型為規(guī)則半日潮流[10]。

潮流的運動形式由潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率K值來描述，K值為潮流橢圓的短軸和長軸之比，當|K|小于0.25時，潮流表現(xiàn)為往復(fù)，根據(jù)上述水文全潮潮流觀測資料的調(diào)和分析，計算各站|K|均小于0.25，表明太平灣海區(qū)潮流運動形式屬于往復(fù)流。潮流總體沿岸走向呈往復(fù)運動(圖3)，其間受岬角、海灣等岸線及地形影響，流向有所差異。

3-a 大潮 3-b 小潮圖3 2010年實測流速矢量Fig.3 Tidal current vectors measured in 2010

潮流流速統(tǒng)計結(jié)果表明(表1)，大、小潮漲落潮平均流速分別為0.35～0.51 m/s和0.28～0.37 m/s，大、小潮最大流速分別0.6～1.0 m/s和0.43～0.65 m/s。各站潮流流速總體不大，潮流動力不強。除了1#站落潮流速大于漲潮流速外，其他各站均為漲潮流速大于落潮流速。流速分布總體呈現(xiàn)近岸略小于深水的特點。

表1 2010年實測流速統(tǒng)計Tab.1 Tidal current velocity measured in 2010 m/s

2.4 余流

余流一般是指實測海流扣除周期性潮流后的剩余部分，它包括海流、徑流、地轉(zhuǎn)流、密度梯度流等。2010年5～6月在太平灣海區(qū)進行的7個測流站大、小潮的余流流速介于0.00～0.07 m/s。1#站余流方向為NW、SW向，南側(cè)靠岸6#站余流方向為SSE向，除上述兩站位外，方向均為NE、ENE、E向。也就是說，該海區(qū)除1#、6#余流向NW、SW或SSE向外，其他各站余流方向為向岸或NE向為主要方向[10]。

3 泥沙特征

3.1 含沙量

根據(jù)太平灣海區(qū)2010年5～6月實測大、小潮實測含沙量資料統(tǒng)計(表2)，各站漲落潮平均含沙量，大潮介于0.002～0.009 kg/m3，小潮介于0.001～0.005 kg/m3；各站漲、落潮垂線平均最大含沙量分別為0.031 kg/m3、0.016 kg/m3。

表2 2010年實測含沙量統(tǒng)計Tab.2 Suspended load concentration measured in 2010

含沙量衛(wèi)星遙感分析表明，太平灣海區(qū)在正常海況情況下，水體含沙量較小，在不利的風況(向岸風)、波浪作用下海域含沙量可達0.1 kg/m3左右，冬季含沙量明顯高于夏季的含沙量，含沙量大小受潮型、季節(jié)、風況等因素影響。

由此可見，該海區(qū)正常天氣水體含沙量是非常小的，在不利風況下含沙量也沒有明顯增加，說明泥沙運動不活躍。

3.2 表層沉積物分布特征

2010年6月，對太平灣海區(qū)北自仙人島、南至將軍石漁港近岸-20 m水深之內(nèi)進行了大面積的底質(zhì)取樣工作，共取底質(zhì)樣212個，中值粒徑分布見圖4。

圖4 太平灣海區(qū)表層沉積物中值粒徑分布Fig.4 Distribution of medium grain-size of seabed sediment

由圖分析可知[11],本區(qū)沉積物中值粒徑在0.004～1.43 mm之間變化，分選系數(shù)在0.20～2.44，南側(cè)沉積泥沙粒徑明顯細于北部。中值粒徑大于0.5 mm的沉積物主要分布在太平角至仙人島之間-10 m等深線以內(nèi)區(qū)域，在太平角至大西山之間呈帶狀在-5～-10 m線之間分布；中值粒徑0.1～0.5 mm之間的沉積物主要分布在太平角北側(cè)-10 m線附近的水下沙脊上，在太平角和長咀子之間也有分布；中值粒徑小于0.03 mm的沉積物主要分布在-10 m線以外的深水區(qū)及太平角近岸局部區(qū)域。總的來看，太平灣海區(qū)近岸淺灘及水下沙脊主要分布分選較好的粗砂類沉積物，其中值粒徑多大于0.5 mm；而深槽內(nèi)則分布分選較差的粘土質(zhì)沉積物，其中值粒徑多在0.01 mm左右。

2014年12月在太平灣海區(qū)進行了90個底質(zhì)采樣，泥沙中值粒范圍與2010年6月的取樣結(jié)果基本一致，泥沙分選系數(shù)約介于0.2～1.43，平均值為0.75，屬于分選較好的形態(tài)。灘、槽底質(zhì)差異明顯[12]。沙脊、深槽沉積物分布存在明顯的差異，這種差異性表明脊、槽之間泥沙交換非常微弱，底沙粒徑較粗，搬運趨勢不明顯。

3.3 表層沉積物礦物特征

2010年6月在太平灣海區(qū)取了32個樣品做重礦物分析。研究海區(qū)的礦物特征表明[11]：

太平灣海域表層沉積物中重礦物含量很低，介于0.3%～6.9%，平均含量約為1.5%。此次調(diào)查結(jié)果與有關(guān)文獻[13]中關(guān)于遼東灣東岸為重礦物低值區(qū)的研究結(jié)論相一致。重礦物中以普通角閃石等不穩(wěn)定重礦物為主，其含量高達23.4%～84.7%，平均含量約為67.8%；石榴石、鈦鐵礦、鋯石、電氣石等穩(wěn)定重礦物含量較低，不到重礦物總量的10%。工程區(qū)域表層沉積物中的礦物成分主要為輕礦物，其中石英含量高達37.5%～86.8%，平均含量約為72.3%；其次為長石和巖屑，平均含量均為11 %左右。石英、長石等是組成花崗巖的主要礦物，顯示海域沉積物可能來源于火山巖或火山變質(zhì)巖。太平灣海域重礦物含量分布呈現(xiàn)太平角南側(cè)高于北側(cè)的平面分布特點，而浮渡河口附近重礦物沒有明顯增大，顯示近岸淺灘沉積物與浮渡河下泄泥沙關(guān)系不大。

太平灣淺灘重礦物中角閃石的百分含量普遍超過70 %，與長興島南側(cè)普蘭店灣內(nèi)接近，但要高于長興島馬家淺灘、遼河口、大清河口附近。馬家淺灘重礦物角閃石含量為50%～60%，遼河口附近為40%～50%，大清河口為20%～30%[8]。在重礦物搬運過程中，不穩(wěn)定重礦物不斷磨損消失，而穩(wěn)定重礦物能較好的保存下來，因此不穩(wěn)定礦物的比重會不斷降低，穩(wěn)定礦物比重則會逐漸增加。但在遼東灣東岸近岸海區(qū)，由北向南，重礦物中角閃石百分含量有低—高—低—高的變化規(guī)律，這種變化趨勢表明太平灣海域表層沉積物并非由其它地方長途搬運而來。

太平灣海域表層沉積物中重礦物含量很低，且其中不穩(wěn)定重礦物含量偏高，穩(wěn)定重礦物含量極低，與遼東灣東岸其他區(qū)域有著明顯差異。因此可以推測太平灣海區(qū)的表層沉積物并非經(jīng)過長距離搬運過來，局部搬運趨勢也不明顯。

3.4 泥沙來源

遼東灣沿岸入海河流眾多，每年有大量泥沙注入，其中以遼河入海沙量最大，其他輸沙量較大河流有灤河、大凌河、六股河等。遼東灣沿岸諸河下泄泥沙主要沉積在河口三角洲及附近水下淺灘上。太平灣沿岸為岬灣相間的沙礫海岸，周邊無大河注入、河流來沙偏少，有限的岸灘侵蝕供沙為該海域的主要泥沙來源[10]。

太平灣附近浮渡河、熊岳河皆為源短流小的山溪性小河，泄流泄沙主要發(fā)生在6～8月，且泄沙量有限，河流下泄泥沙主要在河口處堆積，形成規(guī)模不大的沙咀等堆積。另外，從不同年份不同季節(jié)的懸沙遙感影像中可以看出[10]，浮渡河和熊岳河口處不存在高含沙水體，與周邊海域一樣，含沙量均處于較低水平，由此也可以看出兩條河的來沙量是很有限的。

含沙量分布和底質(zhì)分布特征均表明附近沒有泥沙來源, 泥沙主要為灘槽泥沙的原地起動再搬運為主，而太平灣潮流動力和波浪動力不強，因此泥沙運動不活躍，近岸泥沙搬運趨勢不明顯。

4 海床穩(wěn)定性分析

4.1 14C測年分析

2010年6月在大連太平灣海域開展了柱狀取樣工作，在太平角附近淺灘上共采取6個柱狀樣(取樣位置見圖1)，進行了14C測年分析。

太平灣鉆孔沉積物14C年代測試結(jié)果表明：2#孔埋深2.5 m處粗砂層中貝殼的14C年齡為3 510±31 a，埋深4.6 m處粘土質(zhì)粉砂層中貝殼的14C年齡為2 647±25 a；4#孔埋深2.2 m處粗砂層中貝殼的14C年齡為1 699±22 a，埋深3.5 m、7.3 m、9.4 m處粘土質(zhì)粉砂層中貝殼的14C年齡分別為2 892±26 a、4 319±27 a、8 146±31 a。

由此可以看出：太平灣淺灘及水下沙脊并非現(xiàn)代沉積物，其沉積年齡超過千年，為歷史地質(zhì)作用和過程中形成的，即太平灣海區(qū)水下淺灘沙脊地貌并非現(xiàn)代沉積動力條件下形成的，為歷史地質(zhì)作用和過程中形成的古地貌。

4.2 210Pb沉積速率分析

2010年6月在大連太平灣內(nèi)開展了柱狀取樣工作，在太平角附近淺灘上共采取6個柱狀樣(取樣位置見圖1)，進行了210Pb沉積速率分析。

210Pb半衰期為22.3 a，它在沉積物中含量的來源主要有兩個部分[14]：一部分來自沉積物自身的226Ra衰變，即本底值；另一部分來自大氣沉降，它從大氣進入水體，被吸附在懸浮顆粒上，并隨之逐年沉積在海底，在海底自我封閉體系中隨沉積物的深度呈指數(shù)衰減，即過剩210Pb。根據(jù)這一原理，可以計算出某一深度沉積物的年齡和柱狀剖面的平均沉積速率。210Pb沉積速率結(jié)果表明，太平灣頂部沉積速率約為0.3 cm/a，這顯示該海域海床淤積變化很小，海床穩(wěn)定。

4.3 海床演變分析

為了對太平灣的水下沙脊地貌形態(tài)的灘槽演變及穩(wěn)定性進行分析，收集了1938年、1960年、1999年及2010年水下地形資料進行水深對比分析，結(jié)果表明，多年來本區(qū)域的0 m、2 m、5 m、10 m及20 m等深線的位置和形態(tài)總體上保持穩(wěn)定，這說明了太平灣海區(qū)海床地貌形態(tài)長期保持穩(wěn)定狀態(tài)[1,10]。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實測資料和有關(guān)文獻，針對建港條件，對太平灣海區(qū)水動力特征、泥沙環(huán)境特征、海床穩(wěn)定性進行了分析，有以下結(jié)論：

(1)太平灣海區(qū)海岸地貌類型屬于岬灣沙質(zhì)海岸，長咀子以北近岸水下沙脊和槽溝相間分布，長咀子以南近岸水深坡陡。

(2)太平灣海區(qū)波流動力總體不強，潮流總體順岸往復(fù)流動，潮流動力不強。正常天氣條件下的平均含沙量小于0.01 kg/m3，含沙量很低。

(3)太平灣海區(qū)近岸淺灘及水下沙脊底質(zhì)粒徑普遍較粗，外海深水區(qū)及槽溝內(nèi)底質(zhì)粒徑較細，灘、槽粒徑差異較大，底沙泥沙運動不活躍。太平灣海區(qū)的水下沙脊地貌為歷史上形成的古地貌，灘槽地貌形態(tài)長期保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)總的來看，太平灣海區(qū)波流動力不強，底質(zhì)較粗，水體含沙量低，泥沙來源少，泥沙運動不活躍，海床長期保持穩(wěn)定，建港條件良好。