萊州灣小清河口海域懸沙運(yùn)動特征分析

萊州灣小清河口海域懸沙運(yùn)動特征分析

河口海岸是天然富裕地區(qū)，資源豐富，人類活動頻繁，但自然條件復(fù)雜，研究困難。懸沙是影響河口海岸水環(huán)境的重要陸源物質(zhì),河口海岸懸沙深受流域自然環(huán)境變化和人為活動影響,加之潮汐、風(fēng)浪等作用而呈現(xiàn)出高動態(tài)變化,懸沙運(yùn)動對河口海岸帶水質(zhì)、地貌、生態(tài)環(huán)境的研究及海岸工程、港口建設(shè)、河口海岸帶資源可持續(xù)利用等都具有重要影響。因此,了解河口海岸附近海域的懸沙特性、分布形態(tài)及動力特征,有利于了解河口海岸泥沙運(yùn)動、沉積過程、岸灘演變及污染物的擴(kuò)散遷移,為河口海岸的工程建設(shè)及河口環(huán)境研究提供依據(jù)。本文在2007年冬季實(shí)測資料的基礎(chǔ)上,較詳細(xì)地研究了小清河口附近海域懸沙分布形態(tài)及動力特征,并對懸沙的空間差異和來源進(jìn)行了初步分析。1海岸帶沉積相特征小清河發(fā)源于濟(jì)南市諸泉群,流經(jīng)歷城、章丘等八縣,在壽光市注入萊州灣。河口段全長23km,河道寬度一般為100～120m,口門處寬度在300m以上。小清河屬平原性河流,干流平均坡度0.08‰。河口呈喇叭狀,潮間帶寬廣,坡度平緩,小清河海域海岸帶地勢低緩,灘涂廣闊,近年來因采鹽和貝類圍養(yǎng)的需要,海岸線均已為人工挖泥堆堤,常規(guī)天氣條件下岸灘較為穩(wěn)定。該區(qū)有多條河流入海,主要包括小清河、淄脈溝和老河等。不同地形因素控制的灘面沉積物分布具有不同的特征。淄脈溝至小清河之間的岸灘沉積物類型以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主,物質(zhì)類型自南而北類型相對均一;而小清河至老河之間的岸灘沉積物類型主要是粉砂質(zhì)砂,偶有砂和粉砂分布,物質(zhì)類型相對較多。小清河口附近潮灘由于水動力條件復(fù)雜,沉積物類型相對較多,除粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂外,還有黏土質(zhì)粉砂等類型分布,近口門處有牡蠣灘和攔門沙。小清河岸線以粉砂淤泥岸為主,萊州灣西南部灣內(nèi)水深不大,大部分水深在10m以內(nèi)。小清河的河道自然水深3～5.4m,口門處有偏南向深槽,深1.5～4m,北側(cè)有兩塊攔門沙,頂深0m。2樣品采集和預(yù)處理2007年1月,中科院海洋所在小清河口海域進(jìn)行了44個(gè)大面站的懸沙水樣和底質(zhì)樣的同步采集,5個(gè)定點(diǎn)連續(xù)25h觀測流速及水樣采集(圖1),觀測前后期間無明顯風(fēng)浪,海況良好。懸沙水樣使用SBE32型采水器(5L)采集,然后真空抽濾(濾膜直徑47mm,孔徑0.45μm)并洗鹽,按20%設(shè)置校正膜,過濾后樣品烘干(40℃)恒溫稱重,計(jì)算出各站含沙量。將懸沙樣品充分分散后,利用Cilas940L型激光粒度儀對所有樣品進(jìn)行粒度分析,然后采用矩法計(jì)算其平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)等粒度參數(shù)及砂、粉砂和黏土等粒級組成。3結(jié)果與討論3.1海平面潮差最大潮差研究海域的潮汐性質(zhì)判別數(shù)為1.14,介于0.5～2.0范圍內(nèi),屬于不正規(guī)的混合半日潮海區(qū)。據(jù)羊角溝長期的潮位觀測資料分析,最高潮位4.79m;最低潮位-0.94m;平均高潮位1.70m;平均低潮位0.47m,平均海平面為1.17m,平均潮差為1.25m,最大潮差3.37m。小清河口海域潮流屬于駐波型,最大流速發(fā)生在半潮,其中位于河道內(nèi)的潮流基本平行于河岸,呈往復(fù)流動,漲、落平均流速分別為0.44和0.53m/s,最大流速分別為0.79和1.12m/s;而位于外海的潮流相對較弱,潮段平均流速為0.24m/s,最大流速漲、落潮分別為0.40和0.35m/s;-5m等深線附近,漲潮流向?yàn)閃NW向,落潮流流向?yàn)镋向。落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí),平均落潮歷時(shí)為7小時(shí)4分鐘,平均漲潮歷時(shí)為5小時(shí)23分鐘。本海域的流速分布大致沿河道,為里大外小,牡蠣灘和攔門沙段落潮流速大致相同,攔門沙頂處的流速最小,小清河口外的潮流為順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)流。3.2小清河口北高南低流域泥沙運(yùn)移特征小清河口附近海域含沙量的平面分布如圖2和圖3所示。表層含沙量分布總體趨勢為由岸向海逐漸增大,并呈現(xiàn)出北高南低的分布特點(diǎn),出現(xiàn)這種分布特征其一可能是由于黃河口門附近堆積的泥沙在潮汐及風(fēng)浪等作用下,發(fā)生的再懸浮將部分易起動的泥沙向北運(yùn)移,在輸運(yùn)的過程中水體的含沙量不斷減少,從而造成小清河口北高南低的分布;另一個(gè)因素是小清河口北部海域?yàn)榍治g區(qū),由當(dāng)?shù)氐哪嗌吃賾腋⌒纬珊涌诒辈亢Ｓ蚝沉枯^高的特點(diǎn)。近岸淺水區(qū)含沙量較低,大部分近岸區(qū)域的含沙量在40mg/L左右,但在淄脈溝、小清河和老河河口外海域稍高,達(dá)到70mg/L,淄脈溝口北部近岸最高,達(dá)到120mg/L,60mg/L的含沙量等值線形態(tài)與0m水深等深線位置相吻合并且形態(tài)相似,在小清河和老河口之間均向東凸起。表層含沙量最高為172.8mg/L,表層含沙量平均值81.6mg/L。底層含沙量要明顯大于表層,同時(shí)其分布形式也要比表層復(fù)雜,但總的趨勢仍為由陸向海逐漸增大且有北高南低的特點(diǎn)。含沙量的等值線形態(tài)與表層相似,高值區(qū)與表層一致,最大值為185.6mg/L。底層含沙量平均值114.6mg/L。研究海域的中部是含沙量的高值區(qū),而東南部海域的含沙量較低,其共同特點(diǎn)是由表層至底層含沙量升高且變化較大,由岸向海方向含沙量垂向增長幅度呈現(xiàn)出減小趨勢。3.3漲潮含沙量反差不各測站漲潮與落潮的含沙量變化趨勢如表1所示,各測站每層大潮時(shí)的含沙量比小潮時(shí)大4～8倍,將其與對應(yīng)的流速對比發(fā)現(xiàn),含沙量存在隨流速增大而增大的總趨勢,但含沙量峰值要滯后于流速峰值約1～2h,這與其他河口的懸沙特點(diǎn)類似。位于小清河口海域南部的V1、V2測站大潮、小潮均為落潮含沙量遠(yuǎn)大于漲潮含沙量,為向外海輸沙階段;而距離河口較遠(yuǎn)的V5測站落潮含沙量也大于漲潮含沙量,但兩者相差不大,其原因是外海的混合作用較小致使底床再懸浮的泥沙通量不高,從而造成漲落潮兩者的含沙量相差不大;V3測站位于小清河口北部,該站與以上3站不同,其漲潮含沙量大于落潮,是因?yàn)楹Ｓ驖q潮方向?yàn)閃NW,V3站恰恰位于潮流輻聚區(qū),造成了該站的漲潮含沙量大于落潮。位于小清河道內(nèi)的V4測站也是漲潮含沙量大于落潮,河道內(nèi)的潮流基本為往復(fù)流,由于河口的含沙量高于河道內(nèi),所以在漲潮時(shí),形成泥沙倒灌,導(dǎo)致漲潮含沙量大于落潮。根據(jù)5個(gè)測站的含沙量資料分析,無論大小潮,最大含沙量一般出現(xiàn)在底層,而底層含沙量的最大值出現(xiàn)在河口北部,這也是由于北部底質(zhì)沉積物顆粒較細(xì),在水流的作用下易于發(fā)生再懸浮作用的原因,由于各測站所處的水深、底質(zhì)不同,各測站的底層含沙量有很大的差別。3.4潮周期內(nèi)泥沙分布研究海域內(nèi)的泥沙在一天內(nèi)(兩個(gè)潮周期)可能會有4～5次再懸浮,即含沙量有4～5次峰值,本文選取代表小清河口近岸、河口、河口遠(yuǎn)岸海區(qū)的V3、V4、V5站的底層含沙量及底層流速分析,研究潮周期內(nèi)懸沙的時(shí)空變化規(guī)律及與流速的關(guān)系(如圖4、5、6)。V4站位于小清河口,在淡水海水混合作用及徑流的作用下,泥沙的再懸浮現(xiàn)象比較顯著,在潮周期內(nèi)變化較為劇烈(圖5),而V3和V5站位于離河口較遠(yuǎn)的海域,含沙量要高于河口海域,但在潮周期內(nèi)含沙量的變化幅度小于河口海域(圖4、6),說明離岸較遠(yuǎn)的海域通過再懸浮作用進(jìn)入水體的泥沙較少,這部分泥沙主要來源是通過泥沙搬運(yùn)帶來的;V4、V5站的大潮期間流速較大,底床泥沙在達(dá)到起動流速后易發(fā)生再懸浮作用且再懸浮的泥沙數(shù)量較多,因此在水流的作用下含沙量隨時(shí)間變化較為明顯,基本在流速到達(dá)峰值后一段時(shí)間內(nèi),含沙量也達(dá)到最大值,而小潮期間由于流速很難達(dá)到泥沙的起動流速,即使達(dá)到也只能維持很短的時(shí)間,從而形成了小潮時(shí)測站含沙量隨時(shí)間變化不大的現(xiàn)象。而V3站的大、小潮期間流速都不大,導(dǎo)致大潮和小潮的含沙量基本不變。在潮周期中,含沙量的變化與流速大小密切相關(guān),由于漲落潮的交替和流速的更迭使含沙量出現(xiàn)明顯的周期性變化,含沙量的峰值一般都滯后于流速峰值,即在流速達(dá)到最大值后含沙量才達(dá)到最大值,這是因?yàn)槟嗌尺\(yùn)動總是要落后于水流運(yùn)動,而泥沙的起動、再懸浮擴(kuò)散都需要一個(gè)時(shí)間過程,滯后的時(shí)間由于海域和季節(jié)的不同而存在一定的差別。3.5懸沙充填料物質(zhì)來源分析研究海域懸沙所有樣品中值粒徑平均為4.568Φ,以砂組分和粉砂組分為主,平均含量分別為48.2%和34.2%,黏土組分平均含量17.6%;分選系數(shù)介于1.27～2.25之間,平均為2.15,分選性較差;偏態(tài)多為正值,平均為1.84;峰態(tài)介于1.53～2.98之間,平均為2.68。粒度分析結(jié)果表明,研究海域懸沙的粒度較粗,懸沙類型以砂和粉砂質(zhì)砂為主,分選性較差,顆粒的頻率分布不對稱,粒級偏向粗顆粒一側(cè),頻率曲線屬于尖銳型。粒度分布峰窄,說明海域懸沙的物質(zhì)來源相對單一。本次調(diào)查前一周內(nèi)和調(diào)查期間無明顯風(fēng)浪。選取10個(gè)測站表層懸沙與底質(zhì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其中5個(gè)測站位于近岸海域,5個(gè)測站位于外海域,分析結(jié)果見表2及表3。從表中可以看出,近岸底質(zhì)沉積物中中值粒徑Φ值與懸沙表層中值粒徑Φ值相差不大,其顆粒組成中砂含量居于主要地位,粉砂與黏土含量少;離岸較遠(yuǎn)處底質(zhì)沉積物中值粒徑Φ值要比懸沙中值粒徑Φ值偏大,其顆粒組成中是粉砂含量居主要地位,砂含量要明顯低于懸沙,而黏土含量相差不大,其中F05站與F06站底質(zhì)中值粒徑Φ值略大于表層中值粒徑Φ值。從懸沙與底質(zhì)沉積物粒度組成方面看,近岸懸沙主要受本海域底質(zhì)沉積物的影響,相似性較大,而離岸較遠(yuǎn)區(qū)域懸沙顆粒比底質(zhì)粗,各組分含量相差很大,這與區(qū)域水動力條件有很大關(guān)系。近岸淺水區(qū)海底泥沙在潮汐風(fēng)浪作用下較容易起動,較粗物質(zhì)可以懸浮,而離岸較遠(yuǎn)水深較深處,海底物質(zhì)難以起動,懸沙受底質(zhì)類型影響較小,較粗物質(zhì)可能主要是源于相鄰淺水區(qū)海域懸浮顆粒在流場作用下向外海運(yùn)移而來。底質(zhì)粒徑分布南粗北細(xì),由岸到外海越來越細(xì),充分顯示了動力條件的分選作用,將近岸乃至河道內(nèi)相對較細(xì)、易于起動的細(xì)沙輸運(yùn)到遠(yuǎn)岸海域,從而造成近岸的底床粗化,而遠(yuǎn)岸的底床顆粒較細(xì)。3.6來自沉積物的來源3.6.1干部工程的物質(zhì)運(yùn)移特性影響研究海域的河流主要有黃河、小清河及淄脈溝等。小清河水體含沙量少,據(jù)干流石村站及支流白兔丘站資料,多年年平均總輸沙量為77.6×104t/a,羊角溝站1979—1984年年輸沙量約14×104t/a,說明河道泥沙沿途沉積,抵達(dá)河口區(qū)不多。自1980年以來,由于山東地區(qū)豐水年極少,大部分年份干早缺水,導(dǎo)致沿河節(jié)制閘常常處于閉閘保水狀態(tài),入海水沙量急劇減少,使閘下河道主要為潮汐所控制?，F(xiàn)在小清河全年隨潮進(jìn)出的年沙量約193×104t。黃河入海泥沙70%左右堆積在河口三角洲前緣濱海海域,只有30%左右的較細(xì)泥沙向深海和沿岸兩側(cè)運(yùn)移擴(kuò)散。地質(zhì)地貌、泥沙及遙感技術(shù)等方面的調(diào)查研究結(jié)果表明,現(xiàn)行黃河口入海泥沙的擴(kuò)散范圍,向南一般約為35km,難以到達(dá)研究海域,只有在大潮流及北向大風(fēng)的連續(xù)作用下,向南最大運(yùn)移距離約為50km,可到小清河口附近,但其發(fā)生的頻率低,因而黃河泥沙細(xì)粒物質(zhì)直接擴(kuò)散本海域的數(shù)量不多,但有部分黃河口堆積泥沙在潮流、風(fēng)浪的作用下通過再懸浮輸運(yùn)到本海域北岸;對比1980年和1997年的小清河口底質(zhì)泥沙粒徑發(fā)現(xiàn)河口底質(zhì)發(fā)生粗化現(xiàn)象,一是上游來水來沙減少,使得入海水量劇減,入海泥沙量也大為減少;二是河口以北約30km的黃河口多年來由于上游多處蓄水,使得來水來沙不斷減少,近年來發(fā)生的黃河斷流更加造成入海泥沙的不斷減少,從而造成物質(zhì)補(bǔ)給不充分,在潮流波浪的作用下,致使細(xì)顆粒泥沙輸運(yùn)流失,形成近岸帶物質(zhì)明顯粗化。淄脈溝過去對小清河口北部淤積較大,近幾年來,因修溝渠灌溉農(nóng)田,且下游有節(jié)制閘,故入海沙量少,對北灘的影響逐漸減小。另外,彌河、白浪河和濰河等均屬源短、流域面積不大的河流,又都在干道建有水庫,入海徑流和沙量甚小,對研究海域更不會構(gòu)成威脅。3.6.2小清河口區(qū)的泥沙流據(jù)地貌調(diào)查,萊州灣東岸虎頭崖兩側(cè)岸灘有沖蝕現(xiàn)象。但從虎頭崖與岸斜交的入工堤外側(cè)泥沙堆積來看,堤根部位的年堆積量僅在1000m3左右,其量甚微,而且這些物質(zhì)也不可能越過灣頂進(jìn)入小清河海區(qū)。而黃河南下沿岸泥沙流在一般情況下影響到淄脈溝以北海區(qū),只有在連續(xù)的北向大風(fēng)作用下方能到達(dá)小清河口區(qū)。即使這樣,帶來的細(xì)粒懸浮物質(zhì)主要淤積在岸線附近的鹽篙和蘆葦?shù)貛?較粗物質(zhì)則越過口門向南運(yùn)移,對小清河口附近的淤積不會構(gòu)成威脅。3.6.3海底泥沙與波浪、潮流作用研究海域?yàn)┢缕骄?河口水淺,破波帶范圍較寬,底質(zhì)屬粉砂質(zhì),這種泥沙活動性強(qiáng),易于起動,故水體含沙量隨風(fēng)浪的強(qiáng)弱而增減。因此,海底豐厚的極細(xì)粉砂在波浪、潮流作用下起動懸浮、推移搬運(yùn)是本區(qū)水域泥沙淤積的主要來源。小清河口門外一大片海區(qū)都是成分較均勻、分選很好的粗粉砂,越向岸邊物質(zhì)越粗,到低潮線附近為極細(xì)砂,反映出小清河口海域的泥沙并非近海底搬運(yùn)沉積,而是主要來源于近岸淺灘。4海底懸沙運(yùn)動學(xué)研究海域含沙量分布總體趨勢為由岸向海逐漸增大,并呈現(xiàn)出北高南低的分布特點(diǎn)。近岸淺水區(qū)含沙量較低,底層含沙量要明顯大于表層,同時(shí)其分布形式也要比表層復(fù)雜,但總的趨勢仍為由陸向海逐漸增大且有北高南低的特點(diǎn);海區(qū)的這種懸沙分布格局成因包括黃河口堆積泥沙在潮流、風(fēng)浪的作用下通過再懸浮作用輸運(yùn)到小清河口北岸的因素,也與其海底底質(zhì)類型分布也有較好的相關(guān)性,底質(zhì)中細(xì)顆粒物質(zhì)含量較高的海域容易在潮流作用下再懸浮,有利于高含沙水體的形成。近岸懸沙主要受本區(qū)底質(zhì)沉積物的影響,相似性較大;而離岸較遠(yuǎn)區(qū)域懸沙顆粒比底質(zhì)粗,懸沙受底質(zhì)類型影響較小,較粗物質(zhì)可能主要是源于相鄰淺水區(qū)海域懸浮顆粒在流場作用下向外海運(yùn)移而來。研究海域大潮含沙量比小潮大4～8倍,含沙量存在隨流速增大而增大