黄河三角洲飞雁滩表层沉积物对水动力的响应

黄河三角洲飞雁滩表层沉积物对水动力的响应

1855年，黄河从河南蓝阳铜瓦店入侵渤海。150年后，黄河三角洲的现代融入形成于渤海湾的西南岸。而黄河入海口先后以宁海和渔洼为顶点向东西两侧摆动达10次之多,飞雁滩为1964—1976年黄河口走钓口河流路入海时形成的亚三角洲。1976年黄河又改走清水沟入海,老黄河口亚三角洲海岸出现供沙不足,海岸线迅速蚀退,20余年来0m水深线蚀退10.54km,年均蚀退437m,2m水深线蚀退8.2km,10m水深线蚀退1.29km,年均蚀退54m,使飞雁滩已有近百口油井进入到低潮线以下水域,损失巨大。因此,近年来关于该区域海滩侵蚀防护问题已引起众多专家学者的关注,而阐明海滩沉积物在水动力作用下的输移规律是研究这一问题的基础。本文依据1987年3—11月在黄河海港北侧7m水深处所测波浪和2004年4月飞雁滩海域所测水文及104个表层沉积物取样粒度分析资料,采用相关公式分别计算表层沉积物起动流速及波浪起动水深,以探求潮流和不同波级波浪掀沙作用的空间分布情况;采用Gao和Collins沉积物粒度趋势分析方法对表层沉积物粒度参数资料进行计算分析,以阐明该区沉积物补给来源及其在水动力综合作用下的输移过程。1沉积环境的基本特征1.1潮转流群及余流场分布该区域波浪以风浪为主,强浪向为NE—NNE,次强浪向为N—NNW,波高小于0.5m为常见浪,出现频率51.1%,3m以上波浪仅占0.5%,观测期间最大波高5.2m相应波周期8.2s。常浪向为NE,频率为10.3%。由于位于M2分潮无潮点和K1分潮波腹附近,该区域潮差较小,2004年4月飞雁滩海域实测最大潮差1.42m,最小潮差0.65m;潮流转流方向为逆时针方向,水流运动形式以往复流为主,落潮流历时6h30min,平均流向113°,涨潮流历时5h48min,平均流向275°,流向大致与等深线平行。近底层余流是影响海岸沉积物输移方向及强度的一重要因素。该区余流主要由潮致余流(由地形因素所致的潮流非对称性)、风海流以及波浪破碎、折射或反射等作用产生的沿岸流和离岸流组成。吴永胜等认为因受地形等因素影响,该区近底层余流场分布表现为一近岸小尺度逆时针涡旋(图1),涡旋一般位于岸线～38°20′N、118°30′～118°45′E间。受盛行风向影响,秋冬季节涡旋西侧,春夏季节涡旋东侧分别得到加强,但除大风以及风暴潮期间外,涡旋基本格局不变。2004年4月在实测平均风速2.6m/s、风向214°情况下,涡旋西侧约5m水深处近底层余流流速为2cm,流向235°;东侧约5m水深处近底层余流最大为8cm,流向62°。1.2潮脊下沉积相将2004年4月飞雁滩海域所采集的104个表层沉积物样品平均粒径绘制等值线图(图2),可以将该区分成以下沉积区:(1)潮沟前部海滩沉积区。水下潮沟内沉积物颗粒组成较粗,平均粒径为4～5Φ,为粗粉砂;而潮流脊(由潮沟内往复流作用下形成的与潮沟走向平行的堆积体)上部(尤其是偏右侧)沉积物则相对较细,平均粒径为5～7Φ,主要为中粉砂或细粉砂。(2)海堤前部海滩沉积区。5m水深以浅,由于沉积物补给来源断绝以及长期受到水流及风浪淘洗作用,沉积物颗粒组成相对较粗,以极细砂为主(平均粒径为3～4Φ);约5～10m水深内,沉积物颗粒相对于近岸开始变细,平均粒径为4～5Φ,属粗粉砂。(3)水深大于12m沉积区。因水动力条件趋于均一,沉积物粒径东西向差异已不明显,平均粒径均为4～5Φ,以粗粉砂质为主。2计算2.1潮流速度横向分布潮流对表层沉积物的掀沙作用强度主要与潮流流速、水深及表层沉积物粒径大小有关。本文采用上述104个采样点的沉积物中值粒径,根据窦国仁起动流速公式分别计算诸点起动流速,认为在只考虑潮流的情况下,对于某一水深处表层沉积物,相应起动流速小于或等于潮流最大垂线平均流速时,潮流对其具有掀沙作用。在此近似地认为潮流最大垂线平均流速Vmax向岸呈对数规律递减,以水陆交界处的潮流流速为零,则可利用现有实测潮流数据求得Vmax的横向分布。根据2004年4月实测4站潮流最大垂线平均流速,取0m水深处潮流流速为0m/s,推得该区域潮流最大垂线平均流速横向分布拟合方程:Vmax=0.2977ln(h+1)-0.0389(1)当计算精度为0.1m/s时,该式较为符合实际情况并能满足本文计算要求,据此求得本区潮流掀沙作用空间分布情况(图3)。2.2波级三种波级波浪+未介入区域沉积物波浪的掀沙作用与波高、波周期、水深及沉积物粒径大小有关。根据1987年3—11月于黄河海港北端7m水深处所测波浪资料,求得该区深水波要素波高(H)、波周期(T)(表1),结合该区104个沉积物采样中值粒径,依式(2)1迭代计算求得相应波级起动水深h*。h*=Lπarcsh[πgΗ2Μ2L(ρs-ρρgD+βεκD)](2)式中:Μ={0.12(LD)1/3LD＜2×1055.85LD≥2×105,波长L=gΤ22πth(2πh*L)‚Η、T、D分别代表有效波高、波周期和表层沉积物中值粒径,且当D≤0.03mm时,D取值泥沙絮凝当量粒径0.03mm,β=0.039,εk=2.56cm3/s2。我们认为当某一波级波浪起动水深大于或等于实际水深时,该波级波浪对相应采样点处沉积物具有掀沙作用。据此求得研究区域内各级波浪掀沙作用空间分布情况(图4)。3粒度及粒径参数模型Gao和Collins沉积物粒度趋势分析方法的原理在于利用沉积物粒度参数的二维空间分布判断沉积物的净输运格局。该方法已被应用于河口、海岸、潮汐汊道、潮流脊等多种海洋环境,其结果与流场观测、示踪砂实验和地貌特征所显示的沉积物输运格局较为吻合,为较为成熟的方法。该方法的原理及计算方法详述可参考文献。利用上述104个沉积物取样,通过Coulterls100粒度分析仪获得完整粒度数据,采用如下公式分别计算得平均粒径u、分选系数δ及偏态Sk3个参数(McManus,1988):u=n∑i=1ΡiSi(3)δ=[n∑i=1Ρi(Si-u)2]12(4)Sk=[n∑i=1Ρi(Si-u)3]13(5)式中:Pi为粒径Si的百分含量;n为粒径的组数。将计算所得各参数应用于Gao和Collins沉积物粒度趋势分析方法计算得所有采样点沉积物输移矢量长度及方向,剔除边界矢量后绘于图5。4讨论4.1波级波浪推动下的推动作用区域及区域差异由图3可见,在现有沉积物及水动力空间分布格局下,该区潮流动力掀沙作用范围包括:潮沟前部约8～12m水深和1～5m水深内水下潮沟区域,以及海堤前部1.7～17m水深范围。对于波浪动力,其掀沙作用范围除受沉积物空间分布格局控制外,还取决于其波能的大小和实际水深。由图4可以发现:(1)常见浪0.5m波级情况下,仅可起动除部分水下潮沟内的约2m以浅水深表层沉积物。由于东西向水下潮沟水深明显大于潮流脊上部,因此,尽管后者表层沉积物明显细于前者,但东西向上潮流脊上部沉积物反而较水下潮沟内沉积物更容易起动。该范围为波浪发生破碎的主要区域,0.5m以上有效掀沙波浪发生频率为72%,在长期高强度波浪动力作用下,该区细颗粒沉积物被大量冲刷带走,沉积物颗粒度相对最粗,平均D50仅为3.9Φ。(2)1.0m波级波浪掀沙作用外边界在水下潮沟中及海堤前部海滩大致与5m等深线相当。由于该区水下地形在5m水深附近东西向差异已明显变小,故该波级掀沙作用外边界在潮流脊上部开始表现为向岸凸进的形态。(3)对于1.5m波级波浪,其掀沙作用区域主要集中于10～12m水深以浅海域,波高1.5m以上的波浪在该区域频率为8.2%,即约10～12m水深以浅表层沉积物能够被起动的概率为30d/a。至约12m水深以深,水下地形及表层沉积物颗粒大小沿等深线方向差异均已不显著,故该波级掀沙作用范围已不存在明显的空间分布差异,这一现象亦表明潮沟退流挟带的细颗粒泥沙很少能够输移到12m水深处。(4)当波浪波级增大到3m以上时,研究区域均为其掀沙作用范围,但对于10m水深以深区域,有效掀沙波浪发生频率较低,表层沉积物所受波浪掀沙动力相对其他区域最为微弱,加之该区域接受近岸细颗粒泥沙输入的原因,该范围内相对于海堤前部近岸海滩沉积物颗粒度明显偏细,平均D50可达4.5Φ。4.2潮沟传统储藏期表层沉积物输运方向上的展望由图5可见,冬春季节该区沉积物输移空间格局明显受潮致余流、风海流、波生沿岸流及离岸流组成的近底复合环流场控制。(1)受复合余流尤其是潮致余流及波生离岸流控制,海堤前部海滩沉积物以离岸输移为主,堤前海滩沉积物中相当一部分细颗粒泥沙被搬运输移至10m水深以外水域,使该区域的粉砂和黏土含量增多,小于0.004mm的黏土含量约占20%,小于0.063mm的粉砂含量占90%;(2)由于受多个潮流脊所组成的喇叭口形态地形束缚,潮沟前部水下浅滩主要受涨潮优势流控制,这种水动力条件反映在表层沉积物输移方向上则表现为总体上呈一定程度的向岸运移趋势。必须指出,Gao和Collins粒度趋势分析方法只能提供沉积物输运方向的信息,而不能获得输运率的大小,因此,对于本文所研究区域表层沉积物各优势输运方向上的输运强度问题还需通过其他技术方法回答。由沉积物粒径趋势分析结果亦可以得出,该区域滩面沉积物的补给来源主要包括:(1)由波浪动力尤其是大风浪引起的风暴潮所起动并导致其离岸输移的潮间带甚至潮上带较细颗粒泥沙;(2)由潮致余流及沿岸流西北向输移带来的部分黄河三角洲西北部海滩损失的表层沉积物;(3)本区潮沟前部潮下带以外的表层沉积物,该部分补给来源