废黄河口海岸近期侵蚀特征与机理＊

2011-02-26管君阳谷国传

海岸工程 2011年2期

管君阳,谷国传

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062)

废黄河三角洲是我国乃至世界典型的现代废弃三角洲,废弃三角洲海岸的演变过程、侵蚀特征和机理研究,无疑具有重要的理论和实际意义。废黄河三角洲位于苏北平原东北部,1128—1855年的700多a间黄河曾在此入海,并携巨量泥沙造就了苏北广阔的冲积平原[1]。自1855年黄河北归入渤海后,该处陆域供沙断绝,海洋动力作用成为海岸侵蚀与演变的主导因素,在波浪冲刷与潮流搬运作用下,海岸由淤涨逆转为蚀退,塌失了大片土地[2-4]。据考证,1855年废黄河口曾位于现今海岸线外20多km处,如今这20多km宽的陆地早已侵蚀殆尽[5-6]。抑制海岸线持续后退、保护土地资源是该地区社会经济发展的重要保障。目前,废黄河三角洲沿岸已筑达标海塘、桩式离岸潜堤与丁坝相结合的消浪护岸工程,从而抵御了海岸线的进一步后退。然而,根据现场调查发现,该沿岸区域落潮露滩时,多处可见潜堤桩被波浪击斜,桩基淘空和丁坝头部冲毁等。种种迹象表明,海岸侵蚀特别是下蚀作用仍在继续。当前,随着全球气候变暖,海平面上升,极端气候事件显著增强,从而将导致海岸侵蚀加剧[7]。这是目前废黄河三角洲面临的一个严峻问题。

对于开敞型的废黄河三角洲海岸,了解其近期侵蚀状况和原因,开展深入研究,对于该岸段防护工程的日常修护和防御风暴灾害具有重要意义。为此,本研究根据2007-08和2008-07两次废黄河口海岸侵蚀现场调查,包括断面水深测量和表层沉积物取样资料,探讨废黄河口附近海岸的近期侵蚀状况和侵蚀机理。

1 资料与方法

2007-08和2008-07,分别在江苏废黄河口附近岸段开展了两个断面(SB3、SB4)的地形和沉积物取样调查(图1)。北断面SB3设在六合庄岸外,相距翻身河口和废黄河口各约1 km,起点离岸 200 m,终点离岸 6 km;南断面SB4设在振东闸口北侧,起、终点分别离岸220m和6 km。断面水深地形采用Knvdsen320M双频数字测深仪测量,并采集断面表层沉积物样品,其中SB3断面两次均间隔300 m采集1个表层沉积物样,SB4断面第一次间隔600 m、第二次间隔300 m获取表层沉积物样。水深通过实测潮位订正,沉积物采用Coulter LS-100Q型激光粒度仪测试,分别获得了断面水深和沉积物粒度资料。两次调查前后间隔1 a,共获得72个表层沉积物资料与两次断面水深数据。此外,还收集了本水域不同时期的海图和波浪、潮流、风等水文气象资料,并参阅了有关文献。

图1 废黄河口岸段测深断面和底质取样站位Fig.1 Sketch showing the bathymetric sections and the sediment samp ling stations in the old Yellow River estuary

对沉积物粒度分析资料进行沉积类型与沉积组分分析,依据实测水深数据绘制断面冲淤图,引用佐藤公式计算在波浪作用下床面泥沙发生推移的临界水深。并应用沉积、动力和地形三者相互作用互为因果的沉积动力学理论[8],进行综合分析,从而揭示了废黄河口岸段近期的侵蚀状况和机理。

2 结果与讨论

2.1 沉积与冲淤动态

冲积平原海岸一般都由粒径≤0.003 9 mm的黏土(下称泥粒)和粒径＞0.003 9 mm的粉砂和砂(下称砂粒)堆积而成,质地松散,一旦河流供沙断绝,便在海洋动力作用下发生侵蚀,引起泥粒和砂粒组分(含量)发生变化,其粒级与沉积类型也随之改变。故表层沉积物的沉积组分,沉积类型和粒级变化可在一定程度上指示海岸的冲淤动态[9]。

1)沉积物类型：根据72个沉积物粒度数据,采用Shepard分类结果显示,研究区断面沉积物主要为黏土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)、粉砂质砂(TS)和砂(S)四种类型,前两种在72个样品中分别占49%和14%,后两种各占12%(表1)。通过断面两次资料对比表明,沉积物类型呈现由细的类型向粗的演化,床面出现粗化趋势。如SB3断面(表2)：在20个采样部位,时隔1 a,沉积类型变粗的有10处,变细的仅3处,而不变的7处中,有6处位于水深超过15m的深水区,均为黏土质粉砂;变粗的多位于离岸4 km以内的浅水区。SB4断面也存在相似现象。沉积物粗化是海岸在缺少泥沙来源的环境中受波浪冲蚀的一种标志。

表1 沉积物类型及其占总样品数的百分率Table 1 Sedimentary types their the percentages in the total number of samp les

2)沉积物组分：从图2可见,SB3全断面泥粒含量在45%以下,砂粒含量在55%以上,砂粒远超过泥粒,这是黄河北归后,长期经受波浪冲刷的结果,反映了废黄河口岸段属波蚀性海岸。同时还可看出：10 m水深线是一条沉积分区的界线,10 m以浅的浅水区泥粒含量低,仅在25%以下,砂粒含量高,都在60%以上,高值达95%左右;10m以深的深水区泥粒含量增大,砂粒含量稍趋减小,这表明近岸区的波蚀作用强于远岸区。2007-08沉积物粒度显示,泥粒和砂粒含量分别与水深均有良好的相关性,浅水区呈线性相关,泥粒随水深递增而砂粒递减;深水区呈抛物线相关,泥粒随水深递增,至水深15 m外,海床趋平坦,为离岸越远泥粒越多,砂粒的变化与泥粒反之。从2008-07的图中,也能大致看出泥粒的含量为深水区高于浅水区,砂粒的含量为浅水区高于深水区,在总体上尚能看出随水深增深泥粒增加砂粒减少的趋势,但与水深的相关性差。这也许与在取此次底质样前床面受到新淤物质的掺杂有关,具体原因需另作研究。

图2 沉积组分随水深的变化Fig.2 Changes in the sedimentary composition w ith the w ater depth

表2 SB3断面2007—2008年沉积物类型变化(m)Table 2 Sedimentary type change in the SB3 section in the period betw een 2007 and 2008(m)

3)平均粒径(MZ)：也能反映海岸的冲淤动态。如图3所示：2008-08浅水区MZ多在0.03 mm以上,平均为0.06mm,以粗粒级为主,却变化范围大,小的不足0.01 mm,大的达到0.1mm以上,同区域内MZ相差悬殊,这表明该区床面正处在受波浪频繁冲刷改造中;深水区的M Z都在0.03 mm以下,平均为 0.013 mm,变化范围小,其中北侧断面(SB3)变化在0.005～0.03mm之间;南侧断面(SB4)都在0.01 mm左右,M Z较单一,M Z单一的表层沉积物,应属老堆积层的出露,由此可以推断,SB4断面深水区近期的侵蚀作用比SB3断面强,且无新淤物质掺杂。

图3 平均粒径的区域性分布Fig.3 The regional distribution o f average particle size

综上所述,废黄河口近期的侵蚀具有南侧大于北侧,近岸大于远岸的特点;10 m水深线可用作划分波蚀作用强弱的区域性界线;其次是15 m水深内外,波浪冲刷作用也有差异。

2.2 近期侵蚀特征

据上世纪海岸带调查资料和文献报道：黄河北归后,废黄河口三角洲岸线不断侵蚀内移,而废黄河口岸段尤为急剧[10],1885-1890年年均后退300～400m/a,1891-1921年年均后退200～250 m/a,1921-1958年年均后退75～80 m/a,1958-1971年年均后退70m/a。自1971年后,陆续改造海岸防护工程,岸线后退逐渐得到抑制,至今全岸段构筑了达标海塘,岸线后退已得到全线控制,但近岸海床的侵蚀仍在继续[10]。据不同年份的海图及测深资料对比,近期的侵蚀部位主要处在水深10 m以浅的近岸区,侵蚀格局也起了变化。

从表3可知：1989-1994年的5 a间,等深线向岸蚀退速度普遍很大,5,10和15 m线的蚀退速率年均都在100 m/a以上,说明海床出现了强烈侵蚀;1994-2004年的10 a间,除10m线仍以年均110m/a的速率向岸后退外,其余部位的后退速率均大幅度减小;近期(2004-2008年),15 m线出现向海淤进,10 m线无位移,处于动态平衡,而10 m以浅、离岸3.5 km或4.0 km以内的近岸区,与以往相比,侵蚀强度虽有明显减弱,但仍保持了较大的蚀退速度,5 m线年均蚀退速率达30m/a,2 m线更大,对海堤威胁甚大。

表3 六合庄岸外不同时期等深线的后退距离与年均速率Table 3 Isobath retreat distances and the annual average rates at different times offshore of Liuhezhuang

表4 南、北断面侵蚀强度比较(m)Table 4 Erosion intensity comparison between the southern section and the northern(m)

波能在突出海岸处辐聚,导致突出的废黄河尖处海岸侵蚀最为强烈。研究区岸段位于废黄河尖南侧,曾经受了强烈的侵蚀,并具有侵蚀强度从北到南逐渐递减的特征。然而,经过150多a的侵蚀后退,水下地形已发生了变化,废黄河尖外的海床逐趋夷平,等深线趋于平直;废黄河口已向陆后退成一个小海湾。因此,近年来的强侵蚀部位已自北向南位移,由过去北强南弱的侵蚀格局,变成了南强北弱的侵蚀格局,致使近岸海床的蚀深和蚀退都为南部大于北部。

蚀深：由表4所列(2007-08—2008-07),南侧(SB4)最大侵蚀深度为160 cm,位于离岸2.1 km的浅水处,断面平均侵蚀深度为48 cm;北侧(SB3)最大侵蚀深度54 cm,位于离岸1.8 km处,断面平均侵蚀深度仅8 cm,并在离岸4～6 km间出现了微淤。两者相比,南部的冲蚀深度比北部大了1个量级。

蚀退：由图4所示：南侧(SB4)位处水深5～7 m 间的斜坡向岸蚀退300 m,9～11 m间的斜坡最大蚀退达300 m以上;北侧(SB3)位处水深6.5～8.5 m间的斜坡蚀退不足150 m,并在下部出现了淤积,水深9.5～14 m间的斜坡微有蚀退或基本稳定。可见,水下斜坡的蚀退速率南侧远大于北侧。

图4 断面冲淤图(2007-08-2008-07)Fig.4 Sections showing the erosion and deposition(August 2007-July 2008)

2.3 海岸侵蚀机理

众所周知,海岸物质组成,海岸动力和海岸地形,三者始终处在相互影响之中。当泥沙来源能补偿被水动力冲失的泥沙时,海岸便处于稳定状态;当供沙断绝时,海岸易受水动力冲蚀,使地形发生变化;地形的反作用,又使水动力发生变动,水动力的变动,又使海岸的受蚀部位与强度发生改变,其演变十分复杂[11]。然而,在海岸演变进程中,不外乎侵蚀、稳定和淤积三种状态,每种状态都有一种主导演变的因素。研究区岸段近期仍处侵蚀状态中,主导因素应是缺少泥沙补给。换言之,波浪,潮流等动力冲刷缺沙的海岸,必将导致其侵蚀。其侵蚀强度取决于本岸段的潮流大小和波浪强弱。

潮流：据1994年1月实测,研究区潮流属规则半日潮流,其(W O1+W K1)/W M 2在0.04～0.44之间,流速近岸小,远岸大。在水深10～15m的远岸区：大潮涨、落潮最大流速分别为1.25和1.08 m/s,小潮涨、落潮则分别为0.94和0.74 m/s;全潮平均流速,大、小潮分别为0.70和0.40m/s;底流速较小,多在0.30～0.40m/s;涨、落潮主流向分别为160°和345°,即涨潮流朝SSE流,落潮流朝NNW流,流轴与水下斜坡走向基本一致。鉴于潮流往复性强、涨速大于落速,底流速小等特点,加之已经冲刷暴露于海床的老堆积层,抗冲性较强,故潮流对该区的冲刷强度趋于弱化,尤其在水深15m附近及其以外海域,其冲刷强度更弱,甚至在小潮时的低流速时段,可有部分悬沙落淤[6],如SB3的15 m水深处及其附近出现了微淤。但因水深大,悬沙浓度相对较低(多在0.5 kg/m3以下),在往复性潮流的携带下,多来回输移,落淤很少,以过往为主,又因涨潮流大于落潮流,故在总体上潮流携沙向东南偏南输移。从上述可知：潮流对深水区的冲蚀作用弱,淤积作用也弱,但它能将本区的侵蚀物输往异地,具有搬运功能。10m以浅的近岸区,潮流随水深变浅而减弱,其实测底流速仅0.20～0.30m/s,与远岸区的潮流相比,冲蚀作用更小。潮流自身的冲蚀作用小,但在波浪冲刷过程中,它能通过携沙输运增强波浪的冲蚀作用。

波浪：研究区水域开阔,外海波浪可长驱直入,其中来自N-E-SSE方位的波浪为向岸浪,对海岸均能起冲蚀作用。据1995-05—2006-12滨海海洋站、在离岸800 m水深5 m处的波浪观测资料统计(表5)：强浪向为NE,实测最大波高(H1/10)为2.3 m,次强浪向为ENE和E,最大波高各为2.0 m;常浪向为ENE,发生频率为27.14%,次常浪向为E和NE,发生频率分别为18.30和 16.55%。显见,在 NEENE-E方位出现的波浪,其频率高强度大周期亦大,平均周期达4.6～5.0 s,平均波高0.50～0.62m。常浪和大浪对岸边不同水深的海床均有一定的冲蚀作用。

表5 六合庄岸外波浪要素统计值Table 5 Wave element statistics for the offshore area of Liuhezhuang

波浪的冲蚀作用首先反映在对海床表面泥沙的推移。波浪作用下床面泥沙产生推移的临界水深h c可用佐藤公式[12-14]计算：

式中,H0,L0分别为深水波高和波长;H c,L c为h c(当地)的波高和波长;D50为泥沙粒径。计算时,H 0可消去,L0和L c可根据Airy线性波理论[15]分别表示为：

式中,T0和T c分别为深水波周期和h c(当地)的周期。波周期主要取决于风速,每一种风速都产生一定的波周期范围,即在同风速下可出现不同的波周期,但具有一个完全确定的最大波周期,周期的总范围随风速增加而增大[15]。而研究区水域开阔,可把两地视作受同一风区控制,风速基本相同。则能用T c≈T0代入式(3)后,再与式(2)一起代入式(1),经整理后便得：

从式(4)可见：h c仅与 T0,H c和D 50有关,其中 T0据当地的风资料,用 SMB(有效波)法[14]推得在水深20 m处变化在4.0～8.5 s之间,平均为7.5 s,Hc据当地实测波高(H1/10),取0.1～2.3 m之间,D50据现场调查取平均粒径的平均值0.000 03 m,并将 T0和H c分级组合代入式(4)计算,计算结果列于表6。

从中可见：在波高H≤0.7 m时、10 m水深以浅的床面泥沙均能发生推移,发生推移的临界水深h c随波高减小而变浅,随波周期T0增大也趋变浅,但受T0影响很小。当波高大于0.7或0.8m时,10 m以深的床面泥沙才开始推移,hc和波周期之关系、与浅水区相比出现了相反的变化,即h c随T0增大而变深,并受T0影响较大。当波高超过1.0或1.2m时,15 m以深的海床才开始出现泥沙推移。另据2000-2006年滨海海洋站波浪资料,经分级波高(H1/10)频率统计得：波高0.1～0.8 m 波浪的发生频率为90.75%;波高0.9～1.2m波浪的发生频率明显减小,为6.18%;波高1.3～2.0 m波浪的发生频率仅为3.07%。显见,在10 m以浅的浅水区、地处常见浪冲刷带,受到波浪频繁冲刷,因此侵蚀较强;在10m以深至15m的深水区,能使床面泥沙发生推移的波浪,其发生频率要比常见浪低一个量级,因此冲刷频率降低,床面侵蚀减弱。况且,当出现能使深水区床面泥沙发生推移的波浪时,浅水区的床面泥沙会发生更强的推移。故使10 m水深线内外的沉积类型、泥粒和砂粒含量均有明显的差别;而在15 m水深一带及其以外海域、能使其床面泥沙发生推移的波浪,其发生频率更低,故有时会出现微淤现象。

表6 不同周期和波高组合下的h c计算值(D50=0.03 mm)(m)Table 6 h c(m)calculated for the combinations of different periods and wave heights(D 50=0.03mm)

3 结论

废黄河口附近断面沉积物类型呈现粗化趋势,表明该岸段的岸滩侵蚀仍在继续,具有陆源物质断绝后的缺沙性波蚀海岸性质。近期的侵蚀强度具有南部大于北部,近岸大于远岸的特点。

从岸边至离岸6 km的区域内,在表层沉积物中,粒径≤0.003 9mm的黏土含量都在45%以下,＞0.003 9 mm的粉砂和砂含量都在55%以上,粉砂和砂远多于黏土。这是在波浪冲刷下,细颗粒易冲失、粗颗粒易残留的结果,也是波蚀性海岸的特征之一。

10 m水深线内外,沉积物有明显的分异：其内的浅水区(近岸区),多粗的沉积类型,以粉砂质砂为主,砂粒含量高达60%以上,高值可达95%,平均粒径为0.06 mm;其外至15 m水深的深水区(远岸区),多细的沉积类型,以黏土质粉砂为主,泥粒含量趋增多,平均粒径为0.013 mm,这表明近期侵蚀较强的部位主要位在水深10 m以浅的浅水区。

来自N-E-SSE方位的向岸浪是造成本岸段侵蚀的主要原因,其中又以NE-ENE-E方位出现的波浪、发生频率高、波高大,周期长,是冲蚀本区的主要动力。潮流因底流速小,自身的冲蚀作用弱,但在波浪冲刷过程中,它能通过携带侵蚀物外输,促进波浪的冲蚀作用。近岸的强侵蚀区与波浪频繁冲带基本一致。

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