基于多波束信息的水下岸坡微地貌特征分析

基于多波束信息的水下岸坡微地貌特征分析

0长江口水下冲淤情况河口-海岸地区的聚集和侵蚀是国际流域-海岸相互作用的关键之一。它也是当前海岸带管理中存在的重要地质环境问题之一，直接关系到沿海地区的资源开发和工程安全。近年来，由于长江入海泥沙锐减，长江三角洲前缘处于从淤涨向侵蚀的转变期，长江口海岸带近期冲淤监测和研究引起了广泛关注，研究表明河口边滩、浅滩以及海床沙波的近期演化均响应了流域来沙的减少[10,11,12,13,14,15,16]。与长江口毗邻的杭州湾，其内分布了大量的重大涉海工程，由于湾内泥沙来源受长江口泥沙输运的影响，减沙背景下的岸带和海床冲淤变化同样应予足够重视。茅志昌等研究显示近年来由于南汇边滩促淤圈围及长江来沙量减少，杭州湾北岸岸滩冲刷带发生了向西的移动。目前，对于杭州湾水下岸坡近期的冲淤情况还未有过报道，尤其是金山深水槽对周边水域海床稳定性的影响更需要动态地进行观测。微地貌（micro-relief）是指规模比较微小的地形，通过微地貌的观测可以进一步揭示宏观地形的形成过程。水下微地貌是研究海岸带动力地貌过程的常用指标，在一定程度上反映了流场水动力和泥沙条件的变化。水下微地貌形态的变化一般会伴随着水下地形的改变，已被广泛的用来探讨水下岸坡、海床的稳定性。总结长江口海岸带冲淤研究成果，结合水深测量、浅地层剖面和旁侧声纳扫描图像已被广泛地应用于揭示水下微地貌形态和微地貌参数（例如文献）。本文利用2010年上海市地质调查研究院在金山深槽及周边水域开展的地球物理和底质调查成果，报道水下地貌形态，初步分析其形成机制。在此基础上，分析海床冲淤规律，探讨水下微地貌对海床稳定性的指示意义，为金山深槽及周围海域工程安全评价提供地质环境条件依据和评价指标参考。1深槽地形地貌杭州湾属强潮海湾，形态上明显地表现为典型的漏斗状，湾内宽度由澉浦向东不断加宽，南汇嘴到镇海一线，湾口宽达100.6km（图1A）。杭州湾流场以M2分潮流占优势，基本呈东西向往复流动。其中嵊泗以北的能流一部分进入北岸，由于受地形制约，大部分在大金山与王盘山之间的水域聚集，然后转向西南，并且能流输移方向与涨潮流一致（图1A）。经大小金山之间水道约束增能的较强潮流，沿着第四系的地层断错破碎带长期冲刷，形成了金山深槽，深槽坡折线外缘为潮滩和水下堆积平地，坡折线以内的洼地中有沙波、冲沟分布（图1B）。杭州湾的形成与长江三角洲的伸展密切相关。长江泥沙部分通过落潮科氏力的作用带入杭州湾后，在强劲的涨落潮作用下沿杭州湾北岸自东向西输移，沿南岸自西向东输出。泥沙反复进出杭州湾，全潮进出杭州湾泥沙总量约1亿吨/天，但泥沙净进、净出量较小，约几百万吨/天。由于杭州湾北岸涨潮流流速大于落潮流流速，而南岸涨潮流流速小于落潮流流速，杭州湾这种水动力条件加上本身的地貌形态，造成了泥沙北进南出的特征，导致北岸以侵蚀为主，南岸以淤积为主（图1A）。尤其是近几年来，长江入海泥沙减少，杭州湾北岸侵蚀进一步加强。在长江口泥沙扩散、湾内动力条件共同作用下，杭州湾底质以细颗粒沉积物为主，以粉沙和泥质粉沙分布范围最广。只是在局部地区由于水下地形和水流的显著变化，而导致沉积物类型的变化，其中在杭州湾北部金山—乍浦海域，由于强烈的潮流冲刷，沉积物组成较粗，以细砂—粗粉砂为主（图1B）。在金山深槽中，水流冲刷切穿晚更新世地层，使滨海相砂露，从而深槽中沉积物类型相对复杂。2监测点、监测线和测点布置2010年在金山深槽及附近水域布设了5条综合监测剖面，分别编号为P3-1、P3-2、P3-3、P3-4、P3-5，其中P3-5沿纵向横穿金山深槽，其他剖面接近垂直于岸线，分布在金山深槽的外缘。结合全球定位系统（DGPS，采用WGS84大地坐标和北京坐标），对监测剖面进行了高分辨率旁侧声纳扫描、底质采样和多波束水下地形测量。测区水深(数据来源于上海市地质调查研究院《上海市海岸带地质环境监测公报(2009)》)、测线和采样点分布如图2所示。走航时间为5月（长江枯季）。结合水下地形，对旁侧声纳扫描图像进行了解译，描述了水下微地貌的类型和组合；对底质进行了沉积物定名和粒度分析；收集已有的流场、泥沙场研究成果，分析水下微地貌形成机制、指示意义以及海床冲淤特征。3水下微地形特征3.1海底形微地貌图3(1）光滑海底（SSF)声纳记录上为无任何特殊声学反射的均匀图像，反映表面较为光滑，海底无起伏或起伏较小，而且沉积物组分均匀，类型较为单一（图3:S1-B,S4-C）。光滑海底表示弱能稳定的动力环境，属于长期稳定的微地貌类型。(2）冲沟（SC)声纳图像显示呈狭长弯曲形态的微地貌形态，走向基本一致。规模较小的冲沟，一般宽度3～5m（图3:S2-B,S3-C），深度50cm左右（图4:S2-B），长度延伸上百米以上，发育较为普遍。规模稍大的冲沟下切深度可达2～3m，宽度达几十米（图3:S3-A,S4-A；图4:S4-A）。规模最大的冲沟为金山深槽主槽，下切深度可达8m，宽度可达上百米，长度可延伸数千米，沟底表现为平滑地貌或参差不齐结构，形态与周围海底明显不同（图3:S5-D）。冲沟代表了强劲的底流冲刷、切割，此外也与海底坡度较陡或变陡有关。(3）凹坑或洼地（HO)声纳图像显示的一种负地形形式出现的微地貌，呈圆形、椭圆形，规模大小不一，直径可达数十米至上百米，长轴走向较为一致（图3:S2-A,S5-B），下切深度可达4～5m以上（图4:S2-A）。这类地貌反映了底流的下切扰动较强。(4）沙波（SW)声纳图像显示呈弯曲的波状形态，较为规则。波长3～5m（图3:S4-B,S5-A,S5-C）波高30～40cm（图4:S4-B），也可见波长达20～50m的沙波（图3:S3-A,S3-B）。沙波代表了水动力相对较弱的环境，在一定条件下发生迁移可导致海底破坏，属不稳定的微地貌。沙波的形成受底质沉积物性质的限制，只能形成于平均粒径大于150μm的沙质沉积区。3.2剖面微地貌特征微地貌组合为SSF+SC。光滑海底为主，局部见NE-SW向的冲沟和凹坑（长轴方向）以及不十分明显的冲刷痕迹（图5）。较大冲沟沟宽可达3～5m，沟长30～50m。(2）剖面P3-2微地貌出现凹坑、光滑海底和冲沟，分为六段（图6）。段I(HO）：除了冲刷产生沉积物斑块，主要见数个凹坑，直径可达百米，长轴走向呈NE-SW。段II(SSF）：沉积物质组成较均匀，为光滑海底。段III和V(SC）：冲沟为主，其中段V冲沟分布密集，冲刷更为强烈。段III和V(SSF+SC）：以光滑海底为主，分布少量冲沟。该剖面冲沟宽度主要2～3m，走向大致呈NE-SW。(3）剖面P3-3微地貌见冲沟、沙波、光滑海底，分为五段（图7）。段I(SC+SW）：以冲沟为主，同时伴有沙波，冲刷表现较为强烈，可见冲刷产生的沉积物斑块。段II和V(SC）：见冲沟分布，段V冲沟较为密集。段III(SSF+SC）：以光滑海底为主，伴有微弱的冲刷痕迹，局部见清晰的冲沟。段IV(SW）：见沙波分布。该剖面冲沟宽度主要为3～5m，局部可达数十米，走向大致呈NE-SW；段I分布的沙波波长约2～3m，段IV分布的沙波波长可达20～30m，脊线走向均为NE-SW。(4）剖面P3-4微地貌主要见小冲沟和光滑海底两种类型，可分为两段（图8）。段I(SC）：冲沟密集分布，沟宽5～10m，走向NE-SW。局部见沙波分布，波长5～10m，脊线走向NE-SW。段II(SSF）：为沉积组成均匀的光滑海底。(5）剖面P3-5声纳图像显示，由不同微地貌类型相互融合、穿插交织而成，深槽内见冲沟、凹坑，局部见沙波，深槽外以光滑海底为主。冲刷及沙波脊线走向、冲沟走向总体上为NE-SW。微地貌分布可分为五段，其中I—IV段微地貌总体上为一冲沟，图像上沟缘清晰可辨，冲沟内又发育其他微地貌类型的组合（图9），各段特征如下：段I(SW）：表现为沉积充填特征，微地貌主要见沙波，波长可达10m。段II(SC）：密集分布宽度1～2m的冲沟。段III(HO+SW）：微地貌组合为凹坑和沙波，凹坑直径可达50m，最大超过100m。沙波广泛分布，波长估计1～2m米至十几米。段IV，沟部边缘十分清晰，沟内密集分布宽度约3～5m的小冲沟。段V，以光滑海底为主，局部见冲刷产生沟痕和凹坑。4壳聚糖片粒径检测5条监测剖面底质以粘土质粉砂为主，局部见粉砂、细砂（表1），多含贝壳碎片，大多数样品平均粒径、中值粒径均小于20μm。其中粉砂、细砂以及中值粒径为100～150μm类型的底质出现在沙波和冲沟分布区域（表1,图10）。5讨论5.1潮流传播的微地貌：强强的有砂特性微地貌类型形成和分布与所处的水动力环境和沉积物组成、来源和运移以及水下地形等因素密切相关[19,20,21,26,32,33,34]。杭州湾水动力条件主要受潮流控制，尤其是杭州湾北部，其水下地貌是强劲的涨潮流作用的结果。外海潮流经过舟山群岛蔽障后经五条水道进入杭州湾，其中三股最终汇聚在金山嘴附近海域（图1A），而且汇聚来的潮流在地形的作用下，经过大小金山后更加强劲，致使金山深槽发育。潮流传播至杭州湾北岸后，湾口至湾顶乍浦附近的流向为NE-SW向，最大流速可达2～2.4m/s。强劲的涨潮流虽携带大量泥沙进入湾内，却主要沉积在南岸，北岸侵蚀作用相对较强。此次观测发现侵蚀性微地貌普遍发育，尤其是冲沟分布最为广泛，反映了潮流对海床的冲刷作用。冲沟走向、凹坑长轴方向以及沙波脊线垂直方向较为一致，均为NE-SW（图3,图5～图9），指示了涨潮流对水下微地貌的塑造。由于受潮流控制，杭州湾泥沙来自口外海域和长江口，其中长江口泥沙占据了较大的比重，表现为两个河口底质类型具有一定的相似性和继承性。泥沙的来源决定了杭州湾底质以细颗粒的泥质粉沙为主（图1A），粗颗粒的砂零星分布在岸线附近水动力更强的区域，此外，金山深槽在强烈冲刷、切割作用下，部分老地层中海相砂被掀起。底质类型在一定程度上影响了微地貌的发育，此次观测沙波分布较为局限，主要出现在深槽内和深槽外近岸区域（图7～图9），沙波分布区底质均为细砂、粉砂（图10,表1）。综上所述，金山深槽及周围海域水下微地貌形态与特征是强劲的涨潮对细颗粒海床冲刷、改造的结果，冲沟、沙波、凹坑指示了涨潮流对海床的冲刷和改造再沉积。5.2深水海域海床侵蚀根据各剖面微地貌组合和空间分布，各监测剖面海床的侵蚀程度表现如下(图11)：P3-1剖面可能由于远离主槽、靠近湾口，海床冲刷较为微弱。P3-2剖面海床冲刷较强，可能是由于靠近大小金山，为潮流汇聚的区域。P3-3剖面穿过了10～20m水深海域和5～10m水深海域，在10～20m水深海域中，靠近深槽延伸区，海床侵蚀严重，而远离深槽的区域则以稳定的光滑海底为主，并出现了沙波，可能反映了后期改造再堆积。相比之下，5～10m水深海域海床侵蚀明显，可能与金山—王盘山之间潮流较强、且水深较浅有关。P3-4剖面位于水深10～20m水域，海床侵蚀与P3-3剖面类似，即靠近深槽延伸区域，海床侵蚀较强。P3-5剖面穿越金山深槽主槽，微地貌显示主槽海床强烈扰动，主槽入口（大小金山之间）外缘海床以光滑海底为主，而主槽内冲沟和凹坑广泛发育，局部也成片出现沙波，揭示了强劲的潮流作用下对金山深槽的冲刷、切割以及改造后再堆积的作用。由此可见，金山深槽及周围水域海床以冲刷为主，但程度有所差别，海床的稳定性主要受金山深槽的发育、延伸控制，同时也与水深条件具有一定的相关性，即金山深槽内部海床侵蚀、改造再堆积较强，深槽外缘，海床侵蚀变弱，但水深较浅处，尤其是近岸区域，底流水动力可能相对较强，海床侵蚀因而相对严重。6水下微地貌的分布本文利用监测剖面旁侧声纳扫描图像结合多波束水下地形和底质粒度分析，揭示了杭州湾北岸金山深槽及附近水域水下微地貌面貌及其形成机制和海床侵蚀程度，主要结论如下：(1)杭州湾北部水下岸坡主要存在4种微地貌类型，分别为冲沟、凹坑、沙波和光滑海底。微地貌的组合表现为深槽内以冲沟和大型凹坑（直径可达100m）为主，局部出现成片沙波。深槽外缘水下平地以光滑海底和冲沟为主，局部冲沟密集和沙波分布。(2)金山深槽及附近水域水下微地貌的发育与流场水动力和底质类型密切相关，即强劲的底流、细颗粒的底质组成，使