莱州湾小清河口海域悬沙运动特征分析

莱州湾小清河口海域悬沙运动特征分析

河口海岸是天然富裕地区，资源丰富，人类活动频繁，但自然条件复杂，研究困难。悬沙是影响河口海岸水环境的重要陆源物质,河口海岸悬沙深受流域自然环境变化和人为活动影响,加之潮汐、风浪等作用而呈现出高动态变化,悬沙运动对河口海岸带水质、地貌、生态环境的研究及海岸工程、港口建设、河口海岸带资源可持续利用等都具有重要影响。因此,了解河口海岸附近海域的悬沙特性、分布形态及动力特征,有利于了解河口海岸泥沙运动、沉积过程、岸滩演变及污染物的扩散迁移,为河口海岸的工程建设及河口环境研究提供依据。本文在2007年冬季实测资料的基础上,较详细地研究了小清河口附近海域悬沙分布形态及动力特征,并对悬沙的空间差异和来源进行了初步分析。1海岸带沉积相特征小清河发源于济南市诸泉群,流经历城、章丘等八县,在寿光市注入莱州湾。河口段全长23km,河道宽度一般为100～120m,口门处宽度在300m以上。小清河属平原性河流,干流平均坡度0.08‰。河口呈喇叭状,潮间带宽广,坡度平缓,小清河海域海岸带地势低缓,滩涂广阔,近年来因采盐和贝类围养的需要,海岸线均已为人工挖泥堆堤,常规天气条件下岸滩较为稳定。该区有多条河流入海,主要包括小清河、淄脉沟和老河等。不同地形因素控制的滩面沉积物分布具有不同的特征。淄脉沟至小清河之间的岸滩沉积物类型以砂质粉砂和粉砂质砂为主,物质类型自南而北类型相对均一;而小清河至老河之间的岸滩沉积物类型主要是粉砂质砂,偶有砂和粉砂分布,物质类型相对较多。小清河口附近潮滩由于水动力条件复杂,沉积物类型相对较多,除粉砂质砂和砂质粉砂外,还有黏土质粉砂等类型分布,近口门处有牡蛎滩和拦门沙。小清河岸线以粉砂淤泥岸为主,莱州湾西南部湾内水深不大,大部分水深在10m以内。小清河的河道自然水深3～5.4m,口门处有偏南向深槽,深1.5～4m,北侧有两块拦门沙,顶深0m。2样品采集和预处理2007年1月,中科院海洋所在小清河口海域进行了44个大面站的悬沙水样和底质样的同步采集,5个定点连续25h观测流速及水样采集(图1),观测前后期间无明显风浪,海况良好。悬沙水样使用SBE32型采水器(5L)采集,然后真空抽滤(滤膜直径47mm,孔径0.45μm)并洗盐,按20%设置校正膜,过滤后样品烘干(40℃)恒温称重,计算出各站含沙量。将悬沙样品充分分散后,利用Cilas940L型激光粒度仪对所有样品进行粒度分析,然后采用矩法计算其平均粒径、分选系数、偏态、峰态等粒度参数及砂、粉砂和黏土等粒级组成。3结果与讨论3.1海平面潮差最大潮差研究海域的潮汐性质判别数为1.14,介于0.5～2.0范围内,属于不正规的混合半日潮海区。据羊角沟长期的潮位观测资料分析,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,平均海平面为1.17m,平均潮差为1.25m,最大潮差3.37m。小清河口海域潮流属于驻波型,最大流速发生在半潮,其中位于河道内的潮流基本平行于河岸,呈往复流动,涨、落平均流速分别为0.44和0.53m/s,最大流速分别为0.79和1.12m/s;而位于外海的潮流相对较弱,潮段平均流速为0.24m/s,最大流速涨、落潮分别为0.40和0.35m/s;-5m等深线附近,涨潮流向为WNW向,落潮流流向为E向。落潮历时大于涨潮历时,平均落潮历时为7小时4分钟,平均涨潮历时为5小时23分钟。本海域的流速分布大致沿河道,为里大外小,牡蛎滩和拦门沙段落潮流速大致相同,拦门沙顶处的流速最小,小清河口外的潮流为顺时针方向的旋转流。3.2小清河口北高南低流域泥沙运移特征小清河口附近海域含沙量的平面分布如图2和图3所示。表层含沙量分布总体趋势为由岸向海逐渐增大,并呈现出北高南低的分布特点,出现这种分布特征其一可能是由于黄河口门附近堆积的泥沙在潮汐及风浪等作用下,发生的再悬浮将部分易起动的泥沙向北运移,在输运的过程中水体的含沙量不断减少,从而造成小清河口北高南低的分布;另一个因素是小清河口北部海域为侵蚀区,由当地的泥沙再悬浮形成河口北部海域含沙量较高的特点。近岸浅水区含沙量较低,大部分近岸区域的含沙量在40mg/L左右,但在淄脉沟、小清河和老河河口外海域稍高,达到70mg/L,淄脉沟口北部近岸最高,达到120mg/L,60mg/L的含沙量等值线形态与0m水深等深线位置相吻合并且形态相似,在小清河和老河口之间均向东凸起。表层含沙量最高为172.8mg/L,表层含沙量平均值81.6mg/L。底层含沙量要明显大于表层,同时其分布形式也要比表层复杂,但总的趋势仍为由陆向海逐渐增大且有北高南低的特点。含沙量的等值线形态与表层相似,高值区与表层一致,最大值为185.6mg/L。底层含沙量平均值114.6mg/L。研究海域的中部是含沙量的高值区,而东南部海域的含沙量较低,其共同特点是由表层至底层含沙量升高且变化较大,由岸向海方向含沙量垂向增长幅度呈现出减小趋势。3.3涨潮含沙量反差不各测站涨潮与落潮的含沙量变化趋势如表1所示,各测站每层大潮时的含沙量比小潮时大4～8倍,将其与对应的流速对比发现,含沙量存在随流速增大而增大的总趋势,但含沙量峰值要滞后于流速峰值约1～2h,这与其他河口的悬沙特点类似。位于小清河口海域南部的V1、V2测站大潮、小潮均为落潮含沙量远大于涨潮含沙量,为向外海输沙阶段;而距离河口较远的V5测站落潮含沙量也大于涨潮含沙量,但两者相差不大,其原因是外海的混合作用较小致使底床再悬浮的泥沙通量不高,从而造成涨落潮两者的含沙量相差不大;V3测站位于小清河口北部,该站与以上3站不同,其涨潮含沙量大于落潮,是因为海域涨潮方向为WNW,V3站恰恰位于潮流辐聚区,造成了该站的涨潮含沙量大于落潮。位于小清河道内的V4测站也是涨潮含沙量大于落潮,河道内的潮流基本为往复流,由于河口的含沙量高于河道内,所以在涨潮时,形成泥沙倒灌,导致涨潮含沙量大于落潮。根据5个测站的含沙量资料分析,无论大小潮,最大含沙量一般出现在底层,而底层含沙量的最大值出现在河口北部,这也是由于北部底质沉积物颗粒较细,在水流的作用下易于发生再悬浮作用的原因,由于各测站所处的水深、底质不同,各测站的底层含沙量有很大的差别。3.4潮周期内泥沙分布研究海域内的泥沙在一天内(两个潮周期)可能会有4～5次再悬浮,即含沙量有4～5次峰值,本文选取代表小清河口近岸、河口、河口远岸海区的V3、V4、V5站的底层含沙量及底层流速分析,研究潮周期内悬沙的时空变化规律及与流速的关系(如图4、5、6)。V4站位于小清河口,在淡水海水混合作用及径流的作用下,泥沙的再悬浮现象比较显著,在潮周期内变化较为剧烈(图5),而V3和V5站位于离河口较远的海域,含沙量要高于河口海域,但在潮周期内含沙量的变化幅度小于河口海域(图4、6),说明离岸较远的海域通过再悬浮作用进入水体的泥沙较少,这部分泥沙主要来源是通过泥沙搬运带来的;V4、V5站的大潮期间流速较大,底床泥沙在达到起动流速后易发生再悬浮作用且再悬浮的泥沙数量较多,因此在水流的作用下含沙量随时间变化较为明显,基本在流速到达峰值后一段时间内,含沙量也达到最大值,而小潮期间由于流速很难达到泥沙的起动流速,即使达到也只能维持很短的时间,从而形成了小潮时测站含沙量随时间变化不大的现象。而V3站的大、小潮期间流速都不大,导致大潮和小潮的含沙量基本不变。在潮周期中,含沙量的变化与流速大小密切相关,由于涨落潮的交替和流速的更迭使含沙量出现明显的周期性变化,含沙量的峰值一般都滞后于流速峰值,即在流速达到最大值后含沙量才达到最大值,这是因为泥沙运动总是要落后于水流运动,而泥沙的起动、再悬浮扩散都需要一个时间过程,滞后的时间由于海域和季节的不同而存在一定的差别。3.5悬沙充填料物质来源分析研究海域悬沙所有样品中值粒径平均为4.568Φ,以砂组分和粉砂组分为主,平均含量分别为48.2%和34.2%,黏土组分平均含量17.6%;分选系数介于1.27～2.25之间,平均为2.15,分选性较差;偏态多为正值,平均为1.84;峰态介于1.53～2.98之间,平均为2.68。粒度分析结果表明,研究海域悬沙的粒度较粗,悬沙类型以砂和粉砂质砂为主,分选性较差,颗粒的频率分布不对称,粒级偏向粗颗粒一侧,频率曲线属于尖锐型。粒度分布峰窄,说明海域悬沙的物质来源相对单一。本次调查前一周内和调查期间无明显风浪。选取10个测站表层悬沙与底质粒度数据进行比较,其中5个测站位于近岸海域,5个测站位于外海域,分析结果见表2及表3。从表中可以看出,近岸底质沉积物中中值粒径Φ值与悬沙表层中值粒径Φ值相差不大,其颗粒组成中砂含量居于主要地位,粉砂与黏土含量少;离岸较远处底质沉积物中值粒径Φ值要比悬沙中值粒径Φ值偏大,其颗粒组成中是粉砂含量居主要地位,砂含量要明显低于悬沙,而黏土含量相差不大,其中F05站与F06站底质中值粒径Φ值略大于表层中值粒径Φ值。从悬沙与底质沉积物粒度组成方面看,近岸悬沙主要受本海域底质沉积物的影响,相似性较大,而离岸较远区域悬沙颗粒比底质粗,各组分含量相差很大,这与区域水动力条件有很大关系。近岸浅水区海底泥沙在潮汐风浪作用下较容易起动,较粗物质可以悬浮,而离岸较远水深较深处,海底物质难以起动,悬沙受底质类型影响较小,较粗物质可能主要是源于相邻浅水区海域悬浮颗粒在流场作用下向外海运移而来。底质粒径分布南粗北细,由岸到外海越来越细,充分显示了动力条件的分选作用,将近岸乃至河道内相对较细、易于起动的细沙输运到远岸海域,从而造成近岸的底床粗化,而远岸的底床颗粒较细。3.6来自沉积物的来源3.6.1干部工程的物质运移特性影响研究海域的河流主要有黄河、小清河及淄脉沟等。小清河水体含沙量少,据干流石村站及支流白兔丘站资料,多年年平均总输沙量为77.6×104t/a,羊角沟站1979—1984年年输沙量约14×104t/a,说明河道泥沙沿途沉积,抵达河口区不多。自1980年以来,由于山东地区丰水年极少,大部分年份干早缺水,导致沿河节制闸常常处于闭闸保水状态,入海水沙量急剧减少,使闸下河道主要为潮汐所控制。现在小清河全年随潮进出的年沙量约193×104t。黄河入海泥沙70%左右堆积在河口三角洲前缘滨海海域,只有30%左右的较细泥沙向深海和沿岸两侧运移扩散。地质地貌、泥沙及遥感技术等方面的调查研究结果表明,现行黄河口入海泥沙的扩散范围,向南一般约为35km,难以到达研究海域,只有在大潮流及北向大风的连续作用下,向南最大运移距离约为50km,可到小清河口附近,但其发生的频率低,因而黄河泥沙细粒物质直接扩散本海域的数量不多,但有部分黄河口堆积泥沙在潮流、风浪的作用下通过再悬浮输运到本海域北岸;对比1980年和1997年的小清河口底质泥沙粒径发现河口底质发生粗化现象,一是上游来水来沙减少,使得入海水量剧减,入海泥沙量也大为减少;二是河口以北约30km的黄河口多年来由于上游多处蓄水,使得来水来沙不断减少,近年来发生的黄河断流更加造成入海泥沙的不断减少,从而造成物质补给不充分,在潮流波浪的作用下,致使细颗粒泥沙输运流失,形成近岸带物质明显粗化。淄脉沟过去对小清河口北部淤积较大,近几年来,因修沟渠灌溉农田,且下游有节制闸,故入海沙量少,对北滩的影响逐渐减小。另外,弥河、白浪河和潍河等均属源短、流域面积不大的河流,又都在干道建有水库,入海径流和沙量甚小,对研究海域更不会构成威胁。3.6.2小清河口区的泥沙流据地貌调查,莱州湾东岸虎头崖两侧岸滩有冲蚀现象。但从虎头崖与岸斜交的入工堤外侧泥沙堆积来看,堤根部位的年堆积量仅在1000m3左右,其量甚微,而且这些物质也不可能越过湾顶进入小清河海区。而黄河南下沿岸泥沙流在一般情况下影响到淄脉沟以北海区,只有在连续的北向大风作用下方能到达小清河口区。即使这样,带来的细粒悬浮物质主要淤积在岸线附近的盐篙和芦苇地带,较粗物质则越过口门向南运移,对小清河口附近的淤积不会构成威胁。3.6.3海底泥沙与波浪、潮流作用研究海域滩坡平缓,河口水浅,破波带范围较宽,底质属粉砂质,这种泥沙活动性强,易于起动,故水体含沙量随风浪的强弱而增减。因此,海底丰厚的极细粉砂在波浪、潮流作用下起动悬浮、推移搬运是本区水域泥沙淤积的主要来源。小清河口门外一大片海区都是成分较均匀、分选很好的粗粉砂,越向岸边物质越粗,到低潮线附近为极细砂,反映出小清河口海域的泥沙并非近海底搬运沉积,而是主要来源于近岸浅滩。4海底悬沙运动学研究海域含沙量分布总体趋势为由岸向海逐渐增大,并呈现出北高南低的分布特点。近岸浅水区含沙量较低,底层含沙量要明显大于表层,同时其分布形式也要比表层复杂,但总的趋势仍为由陆向海逐渐增大且有北高南低的特点;海区的这种悬沙分布格局成因包括黄河口堆积泥沙在潮流、风浪的作用下通过再悬浮作用输运到小清河口北岸的因素,也与其海底底质类型分布也有较好的相关性,底质中细颗粒物质含量较高的海域容易在潮流作用下再悬浮,有利于高含沙水体的形成。近岸悬沙主要受本区底质沉积物的影响,相似性较大;而离岸较远区域悬沙颗粒比底质粗,悬沙受底质类型影响较小,较粗物质可能主要是源于相邻浅水区海域悬浮颗粒在流场作用下向外海运移而来。研究海域大潮含沙量比小潮大4～8倍,含沙量存在随流速增大而增大