萊州灣小清河口海域懸沙運動特征分析

萊州灣小清河口海域懸沙運動特征分析

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,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、風浪等作用而呈現(xiàn)出高動態(tài)變化,懸沙運動對河口海岸帶水質、地貌、生態(tài)環(huán)境的研究及海岸工程、港口建設、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動、沉積過程、岸灘演變及污染物的擴散遷移,為河口海岸的工程建設及河口環(huán)境研究提供依據(jù)。本文在2007年冬季實測資料的基礎上,較詳細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行了初步分析。1海岸帶沉積相特征小清河發(fā)源于濟南市諸泉群,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粉砂和粉砂質砂為主,物質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砂,偶有砂和粉砂分布,物質類型相對較多。小清河口附近潮灘由于水動力條件復雜,沉積物類型相對較多,除粉砂質砂和砂質粉砂外,還有黏土質粉砂等類型分布,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,萊州灣西南部灣內水深不大,大部分水深在10m以內。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,北側有兩塊攔門沙,頂深0m。2樣品采集和預處理2007年1月,中科院海洋所在小清河口海域進行了44個大面站的懸沙水樣和底質樣的同步采集,5個定點連續(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%設置校正膜,過濾后樣品烘干(40℃)恒溫稱重,計算出各站含沙量。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行粒度分析,然后采用矩法計算其平均粒徑、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結果與討論3.1海平面潮差最大潮差研究海域的潮汐性質判別數(shù)為1.14,介于0.5～2.0范圍內,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,其中位于河道內的潮流基本平行于河岸,呈往復流動,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,漲潮流向為WNW向,落潮流流向為E向。落潮歷時大于漲潮歷時,平均落潮歷時為7小時4分鐘,平均漲潮歷時為5小時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針方向的旋轉流。3.2小清河口北高南低流域泥沙運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,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浪等作用下,發(fā)生的再懸浮將部分易起動的泥沙向北運移,在輸運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;另一個因素是小清河口北部海域為侵蝕區(qū),由當?shù)氐哪嗌吃賾腋⌒纬珊涌诒辈亢Ｓ蚝沉枯^高的特點。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,達到70mg/L,淄脈溝口北部近岸最高,達到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,同時其分布形式也要比表層復雜,但總的趨勢仍為由陸向海逐漸增大且有北高南低的特點。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,各測站每層大潮時的含沙量比小潮時大4～8倍,將其與對應的流速對比發(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大于漲潮含沙量,為向外海輸沙階段;而距離河口較遠的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,是因為海域漲潮方向為WNW,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。位于小清河道內的V4測站也是漲潮含沙量大于落潮,河道內的潮流基本為往復流,由于河口的含沙量高于河道內,所以在漲潮時,形成泥沙倒灌,導致漲潮含沙量大于落潮。根據(jù)5個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沉積物顆粒較細,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、底質不同,各測站的底層含沙量有很大的差別。3.4潮周期內泥沙分布研究海域內的泥沙在一天內(兩個潮周期)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,研究潮周期內懸沙的時空變化規(guī)律及與流速的關系(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,在潮周期內變化較為劇烈(圖5),而V3和V5站位于離河口較遠的海域,含沙量要高于河口海域,但在潮周期內含沙量的變化幅度小于河口海域(圖4、6),說明離岸較遠的海域通過再懸浮作用進入水體的泥沙較少,這部分泥沙主要來源是通過泥沙搬運帶來的;V4、V5站的大潮期間流速較大,底床泥沙在達到起動流速后易發(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間變化較為明顯,基本在流速到達峰值后一段時間內,含沙量也達到最大值,而小潮期間由于流速很難達到泥沙的起動流速,即使達到也只能維持很短的時間,從而形成了小潮時測站含沙量隨時間變化不大的現(xiàn)象。而V3站的大、小潮期間流速都不大,導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,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,即在流速達到最大值后含沙量才達到最大值,這是因為泥沙運動總是要落后于水流運動,而泥沙的起動、再懸浮擴散都需要一個時間過程,滯后的時間由于海域和季節(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。粒度分析結果表明,研究海域懸沙的粒度較粗,懸沙類型以砂和粉砂質砂為主,分選性較差,顆粒的頻率分布不對稱,粒級偏向粗顆粒一側,頻率曲線屬于尖銳型。粒度分布峰窄,說明海域懸沙的物質來源相對單一。本次調查前一周內和調查期間無明顯風浪。選取10個測站表層懸沙與底質粒度數(shù)據(jù)進行比較,其中5個測站位于近岸海域,5個測站位于外海域,分析結果見表2及表3。從表中可以看出,近岸底質沉積物中中值粒徑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;離岸較遠處底質沉積物中值粒徑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站底質中值粒徑Φ值略大于表層中值粒徑Φ值。從懸沙與底質沉積物粒度組成方面看,近岸懸沙主要受本海域底質沉積物的影響,相似性較大,而離岸較遠區(qū)域懸沙顆粒比底質粗,各組分含量相差很大,這與區(qū)域水動力條件有很大關系。近岸淺水區(qū)海底泥沙在潮汐風浪作用下較容易起動,較粗物質可以懸浮,而離岸較遠水深較深處,海底物質難以起動,懸沙受底質類型影響較小,較粗物質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移而來。底質粒徑分布南粗北細,由岸到外海越來越細,充分顯示了動力條件的分選作用,將近岸乃至河道內相對較細、易于起動的細沙輸運到遠岸海域,從而造成近岸的底床粗化,而遠岸的底床顆粒較細。3.6來自沉積物的來源3.6.1干部工程的物質運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%左右的較細泥沙向深海和沿岸兩側運移擴散。地質地貌、泥沙及遙感技術等方面的調查研究結果表明,現(xiàn)行黃河口入海泥沙的擴散范圍,向南一般約為35km,難以到達研究海域,只有在大潮流及北向大風的連續(xù)作用下,向南最大運移距離約為50km,可到小清河口附近,但其發(fā)生的頻率低,因而黃河泥沙細粒物質直接擴散本海域的數(shù)量不多,但有部分黃河口堆積泥沙在潮流、風浪的作用下通過再懸浮輸運到本海域北岸;對比1980年和1997年的小清河口底質泥沙粒徑發(fā)現(xiàn)河口底質發(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,從而造成物質補給不充分,在潮流波浪的作用下,致使細顆粒泥沙輸運流失,形成近岸帶物質明顯粗化。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成威脅。3.6.2小清河口區(qū)的泥沙流據(jù)地貌調查,萊州灣東岸虎頭崖兩側岸灘有沖蝕現(xiàn)象。但從虎頭崖與岸斜交的入工堤外側泥沙堆積來看,堤根部位的年堆積量僅在1000m3左右,其量甚微,而且這些物質也不可能越過灣頂進入小清河海區(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)的北向大風作用下方能到達小清河口區(qū)。即使這樣,帶來的細粒懸浮物質主要淤積在岸線附近的鹽篙和蘆葦?shù)貛?較粗物質則越過口門向南運移,對小清河口附近的淤積不會構成威脅。3.6.3海底泥沙與波浪、潮流作用研究海域灘坡平緩,河口水淺,破波帶范圍較寬,底質屬粉砂質,這種泥沙活動性強,易于起動,故水體含沙量隨風浪的強弱而增減。因此,海底豐厚的極細粉砂在波浪、潮流作用下起動懸浮、推移搬運是本區(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,越向岸邊物質越粗,到低潮線附近為極細砂,反映出小清河口海域的泥沙并非近海底搬運沉積,而是主要來源于近岸淺灘。4海底懸沙運動學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。近岸淺水區(qū)含沙量較低,底層含沙量要明顯大于表層,同時其分布形式也要比表層復雜,但總的趨勢仍為由陸向海逐漸增大且有北高南低的特點;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、風浪的作用下通過再懸浮作用輸運到小清河口北岸的因素,也與其海底底質類型分布也有較好的相關性,底質中細顆粒物質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)底質沉積物的影響,相似性較大;而離岸較遠區(qū)域懸沙顆粒比底質粗,懸沙受底質類型影響較小,較粗物質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