浙江象山港海域悬沙浓度分布变化及其水动力影响分析

2014-03-22周鸿权孙昭晨李伯根武小勇巩明杨辉

海洋通报 2014年6期

周鸿权，孙昭晨，李伯根，武小勇，巩明，杨辉

（1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；2.国家海洋局第二海洋研究所国家海洋局工程海洋学重点实验室，浙江杭州 310012）

海岸河口地区水体悬沙浓度分布变化通常与底床泥沙冲淤调整之间可起到平衡作用，而这种作用往往是通过泥沙补给和水动力条件变化实现的。当泥沙补给丰富或水流挟沙能力降低时，悬沙易于沉降，底床趋于淤积，岸滩处于淤涨状态；当泥沙补给贫乏或水流挟沙能力增强时，底床趋于冲刷，沉积物随之部分再悬浮和再搬运，岸滩处于侵蚀状态，以达到水体悬沙浓度分布平衡。这种平衡在有潮海域随涨落潮水流循环调整。与此同时，黏性颗粒悬沙往往又是污染物的重要载体。因而，海岸河口地区水体悬沙浓度分布长期以来引起海岸沉积地貌学者、水利和港口航道工程师及环境学者的浓厚兴趣。

象山港位于浙江沿海北部南缘，地处宁波市境内，纵深约60 km，呈东北-西南走向，东南、西南和西北三面环低山丘陵，东北口外有六横、佛渡及梅山等众多岛屿作天然屏障，环境隐蔽，属于一种典型的狭长半封闭型海湾。该湾平面形态以象山角至双岙一断面为界，分为内湾和外湾；内湾潮汐汊道发育，以西沪港、黄墩港和铁港等三个次级海湾为主要特征；外湾呈喇叭状态势，口门向东北经佛渡水道朝西过螺头、金塘等水道和往东过头洋港和虾峙门等水道分别与杭州湾和外海连通，向东南经牛鼻山水道与外海连接，构成象山港与杭州湾和东海水沙交换的主要通道（图1）。

图1 研究区位置及测验站位示意

象山港潮汐属于不正规半日浅海潮汐区，西泽平均潮差3.18 m，最大潮差5.65 m（蔡伟章等，1985），属于中等到强潮海区。潮流运动方式以往复流为主，据2005年冬季大小潮期实测资料计算结果显示，涨、落潮流垂线平均流速分别为0.36～1.03 m/s 和0.50～1.10 m/s（周鸿权等，2007）。悬沙颗粒主要由粉砂和黏土两种组分构成，前者含量占约48.95%～53.53%，后者占约32.86%～34.48%，中值粒径5.70～6.75 μm，属于黏性细颗粒泥沙范畴。象山港海域环境隐蔽，口外受穿山半岛、舟山群岛掩护，牛鼻山水道东南海域相对开阔，夏季易受台风浪影响，2012年7月-2013年6月实测资料显示，象山港口门附近海域全年波浪主要集中于S-SE 向范围，出现频率约占50%，强浪向以SSE向为主，其次为E、ENE 向，全年平均有效波高0.25 m（国家海洋局第二海洋研究所，2013）；象山港内隐蔽程度高，波浪作用微弱（高抒等，1990）。

自1980 以来，对象山港的潮流特性（蔡伟章等，1985；董礼先等，1999）、水体交换（董礼先等，1999；姚炎明等，2014）、细颗粒泥沙沉积作用（高抒等，1990）、生态环境（蒋国昌等，1987；宁修仁等，1999）、海洋资源开发前景（李家芳等，1985）以及航道冲淤特征（周鸿权等，2007）等多方面进行了调查研究，进入21 世纪以后，随着该海湾内湾顶部强蛟国华宁海电厂、中部大唐乌沙山电厂及近口门象山港大桥等海岸工程建设，开展了数次较大规模的水文泥沙调查，但对该海湾海域的悬沙浓度分布变化规律尚未进行报道。本文根据2011年7月24日-8月1日（夏季）和2012年2月16-23日（冬季）水文泥沙调查资料，较系统地探讨悬沙浓度分布变化规律及其受控水动力因素。这对象山港沿岸的滩涂短周期冲淤性质分析、排污口污染物扩散趋势预评、海洋资源合理开发及生态环境保护可起到积极作用，并具重要意义。

1 资料获取与处理

为了了解和掌握象山港海域的悬沙浓度分布变化基本规律及其受控水动力因素，采用点面相结合的方式布设测站（图1）。在象山港及邻近海域冬、夏季大、小潮期分别布设15 个同步连续（25 h）站采用ADCP 海流计采集潮流数据，分表、0.6H及底3 层和个别典型测站（S10）分表、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H 及底6 层采用横式取采水器每小时按整点采集水样；夏季大、小潮期和冬季大潮期各布置60 个准同步大面站分表、0.6H 及底3 层也采用横式采水器采集水样。选择典型地貌部位8个连续站（S2、S5、S8、S10、S11、S13、S14、S15）测定盐度。

采集的所有水样在事先经万分之一电子天平称重的直径60 mm、孔径0.45 μm 的微孔滤膜上过滤，用蒸馏水冲洗3 次，清除盐分，取出悬沙样品，自然晾干；然后把悬沙样品放入烘箱用40 ℃～42 ℃恒温8 h 后，取出并移入干燥器内，自然晾干，再称重计算悬沙浓度。

2 结果

2.1 大面悬沙浓度分布变化

2.1.1 夏季大面悬沙浓度分布

该季节象山港大面悬沙浓度普遍很低，但存在大小潮周期和空间分布变化的特征。悬沙浓度小潮期表层最小和最大值分别为8.6 mg/L 和113.8 mg/L，出现在象山港口门和牛鼻山水道东口海域，平均为35.6 mg/L；底层最小和最大值分别为29.2 mg/L 和650.0 mg/L，分别发生在湾内双德山西侧和佛渡水道北侧海域，平均为98.9 mg/L；垂向平均最小和最大值分别为21.0 mg/L 和291.0 mg/L，出现在西泸港口门和牛鼻山水道，整体平均为60.9 mg/L。悬沙浓度大潮期表层最小和最大值分别为13.3 mg/L和124.5mg/L，出现在西泸港内和佛渡岛东南侧海域，平均为45.5 mg/L；底层最小和最大分别为34.2 mg/L和936.7 mg/L，发生在西泽外侧和牛鼻山水道东屿山西侧海域，平均为217.9 mg/L；垂向平均最小和最大分别为31.1 mg/L 和345.7 mg/L，出现在梅山岛南侧和牛鼻山水道西屿山西北侧海域，整体平均为113.3 mg/L。上述数据表明大潮期悬沙浓度明显大于小潮期，约为小潮期1.9 倍左右。

由夏季大面站悬沙浓度平面分布图可知，象山港悬沙浓度总体上近口门海域大于湾内，并在一定程度上具有自湾外向湾顶沿程逐渐减小的特征（图2、图3）。大潮期，象山港口外的牛鼻山水道和佛渡水道悬沙浓度大多在100 mg/L 以上，牛鼻山水道最大悬沙浓度超过300 mg/L，佛渡水道最大悬沙浓度也超过200 mg/L；近口门至西泽海域表现出北部低、南部高的特征，北部局部海域悬沙浓度低于50 mg/L，西泽前沿海域最大悬沙浓度局部可超过250 mg/L；内湾（双岙-象山角以内）悬沙浓度明显减小，大多小于100 mg/L；湾顶进一步减小，西泸港口门局部海域、铁港悬沙浓度小于50 mg/L（图2）。小潮期象山港悬沙浓度明显低于大潮期，湾外牛鼻山水道和佛渡水道实测最大悬沙浓度均超过200 mg/L，向湾内悬沙浓度逐步减小，湾内悬沙浓度大多在50 mg/L 以下，最小悬沙浓度发生在缸爿山西侧海域，局部悬沙浓度可低于25 mg/L，而黄墩港口门附近局部海域悬沙浓度超过50 mg/L（图3）。

2.1.2 冬季大面悬沙浓度分布

冬季大潮期大面悬沙浓度普遍高于夏季，同样存在空间分布变化特征。悬沙浓度大潮期表层最小和最大分别为8.5 mg/l 和907.5 mg/L，出现在口内野龙山西侧和梅山岛西南侧海域，平均为224.6 mg/L；底层最小和最大分别为57.1 mg/L 和1 577.8 mg/L，分别发生在内湾黄墩港口门和梅山岛西南侧海域，平均为394.8 mg/L，约为表层的1.8倍；垂向平均最小和最大分别为46.3 mg/L 和1 011.3 mg/L，出现在内湾黄墩港口门和梅山岛西南侧海域，整体平均为394.8 mg/L，为夏季大潮期的3.5 倍，冬季悬沙浓度明显大于夏季。

图2 夏季大潮期悬沙垂线平均浓度平面分布（mg/L）

图3 夏季小潮期悬沙垂线平均浓度平面分布（mg/L）

图4 冬季大潮期悬沙垂线平均浓度平面分布（mg/L）

由冬季大潮期大面站悬沙浓度平面分布可知，象山港口门附近悬沙浓度明显大于湾内海域，与夏季相似，总体上具有自湾外向湾顶沿程逐渐减小的特征（图4），但悬沙浓度明显高于夏季（图2）。西泽-横山断面以外海域悬沙浓度普遍超过500 mg/L，出现两个相对高值区，分别位于梅山岛西南侧海域和牛鼻山水道东南部，前者悬沙浓度超过900 mg/L，后者最大悬沙浓度值为646 mg/L，口门北部悬沙浓度高于南部；西泽-横山断面以内悬沙浓度向湾顶逐渐减小，在乌沙山外侧局部海域一般大于200 mg/L，而西泸港、湾顶的铁港口门悬沙浓度均在100 mg/L左右，黄墩港内局部海域最小，悬沙浓度可低于50 mg/L。

2.2 连续站悬沙浓度分布变化

据连续站悬沙浓度统计显示，与大面站相似，象山港海域悬沙浓度分布具有明显的季节和潮周期变化特征。

2.2.1 夏季连续站悬沙浓度分布

该季节连续站悬沙浓度普遍较低，无论大潮期还是小潮期，均存在空间分布特征。小潮期全潮垂线平均悬沙浓度最小和最大值分别为29.5 mg/L 和246.2 mg/L，出现在内湾历试山南侧海域（S14 站，测站位置见图1）和佛渡水道（S4 站），整体平均为75.9 mg/L。平面分布上，佛渡水道悬沙浓度较高，象山港近口门海域总体上大于湾内；悬沙浓度分布与流速基本一致，一般流速较大的海域，悬沙浓度大多也相对较高（图5）。大潮期全潮垂线平均悬沙浓度最小和最大值分别为61.9 mg/L 和382.7 mg/L，出现在近象山港口门、野龙山北部海域（S7 站）和佛渡水道（S4 站），整体平均为166.7 mg/L，为小潮期的2.2 倍，大潮期各站悬沙垂线平均浓度均大于小潮期（图5、图6）；平面分布上，悬沙浓度总体上具有口外大于口内外湾、外湾大于内湾的特征；大潮期流速明显较大，悬沙浓度分布与流速总体上一致，但个别站位也存在例外（图6）。

2.2.2 冬季连续站悬沙浓度分布

冬季连续站悬沙浓度明显高于夏季，同样存在大小潮周期和空间分布变化特征。小潮期全潮垂线平均悬沙浓度最小和最大值分别为29.8 mg/L 和723.1 mg/L，出现在内湾历试山南侧海域（S14 站）和佛渡水道（S5 站），整体平均为268.9 mg/L，为夏季小潮期的3.5 倍；平面分布上，佛渡水道悬沙浓度较高，其次为牛鼻山水道，口门附近总体上大于湾内；悬沙浓度分布与流速也有较好的一致，口外流速较大，悬沙浓度也较高，湾内流速较小，悬沙浓度也较低（图7）。大潮期悬沙浓度明显较高，全潮悬沙垂线平均浓度最小和最大值分别为70.0 mg/L 和790.0 mg/L，出现在湾顶铁港内（S15站）和近口门、野龙山北侧海域（S7 站），整体平均为482.9 mg/L，为同季小潮期的1.8 倍，为夏季大潮期的2.9 倍；大潮期流速明显大于小潮期（图8），但总体上略低于夏季大潮期（图6），口门附近及口外海域流速普遍超过60 cm/s，悬沙浓度相应普遍较高，大多超过600 mg/L，口内悬沙浓度较小，尤其是内湾，悬沙浓度减小至200 mg/L 以下。

图5 夏季小潮期连续站全潮垂向平均流速、悬沙浓度、盐度对比

图6 夏季大潮期连续站全潮垂向平均流速、悬沙浓度、盐度对比

图7 冬季小潮期连续站全潮垂向平均流速、悬沙浓度、盐度对比

图8 冬季大潮期连续站全潮垂向平均流速、悬沙浓度、盐度对比

3 讨论

3.1 悬沙浓度分布受泥沙补给变化影响

海域悬沙浓度分布通常受局地水动力强度的影响，一般认为，波浪掀沙、潮流输沙（赵今声等，1993），然而，泥沙补给也对悬沙浓度变化产生直接影响。如前所述，在本次调查期间，象山港海域大面站和连续站悬沙浓度分布均具有冬季明显高于夏季的季节变化特征，这在象山港口门附近海域尤为显著（图2-图4），大面站和连续站两季节的差值分别达3.5 倍和3.1 倍。但是，象山港海域三面环山，环境隐蔽，口外受穿山半岛、舟山群岛的掩护，北向浪受到阻挡，而牛鼻山水道东南海域相对开阔，夏季易受台风浪影响，据近期实测资料显示，象山港口门附近海域常浪向一般为SSE 向范围，强浪向以SSE 向为主，其次为E、ENE 向，大浪主要集中于夏季，实测最大波高3.36 m，方向为SSE 向，发生在夏季，夏季平均有效波高0.3 m，冬季平均有效波高0.2 m，夏季中浪出现概率0.72%，冬季无中浪以上波况发生，总体而言，夏季波浪稍强于冬季（国家海洋局第二海洋研究所，2013）。而各连续站的平均流速变化与悬沙浓度的这种变化特征也几乎呈相反趋势（图5-图8），连续站平均流速大潮期夏季大于冬季，小潮期两者相近（图9）。由此可见，象山港海域冬、夏季悬沙浓度与水动力强度呈相反趋势，悬沙浓度季节分布变化应不为局地波浪掀沙引起，很大程度上可能受控于泥沙补给的变化。

图9 连续站不同潮时平均流速、悬沙浓度、盐度对比

从区域地理环境分析，象山港海域泥沙补给主要来自沿岸流域产沙、长江入海细颗粒泥沙南移扩散和邻近海域沉积物再悬浮。象山港海域流域年产沙量约仅有14.5×104t（中国海湾志编委会，1992），主要集中在4-9月的梅汛或台风汛期输入象山港水域，但通常被沿岸源近流短的山涧溪流入口处所建水闸拦截，因此这种泥沙补给对象山港海域悬沙浓度分布的影响范围和程度均很有限。夏季黄墩港局部海域悬沙浓度略高于周边海域（图2、图3），流域来沙或许是其影响因素。其它两个泥沙补给方式对象山港海域的影响程度主要受制于沿岸流系变化，以往的研究成果表明，沿岸流系主要受冬季闽浙沿岸流和夏季台湾暖流的交替影响（中国海岸带地貌编写组，1996）。冬季闽浙沿岸流具有低温、低盐和高悬沙浓度的特征，发育于长江和钱塘江冲淡水，以约0.5 km 速度向南流动。而长江口与杭州湾海域，冬季波浪强于夏季，波浪掀沙作用较强，悬沙浓度冬高夏低（陈沈良等，2004），底部部分沉积物再悬浮泥沙及长江口入海泥沙随着沿岸流向南输移（恽才兴等，1981；蔡爱智，1982）。象山港海域冬季受该沿岸流控制，在这种水流的作用下，致使象山港海域水体较浑浊，悬沙浓度普遍较高。夏季台湾暖流具有高温、高盐和低悬沙浓度的特征，为黑潮流的分支，出现在长江口以南的闽浙近海，主轴以0.5 km 速度往北流动，象山港海域夏季在该沿岸流控制之下，水体盐度明显大于冬季（图9），流速总体上也较冬季大，但水体变得清澈，悬沙浓度普遍较低。由此可见，象山港海域悬沙浓度的冬夏季节变化明显受闽浙沿岸流和台湾暖流交替影响。

3.2 悬沙浓度受潮流动力变化影响

如前所述，不论冬季还是夏季，象山港悬沙浓度大潮期大于小潮期，大面站夏季大潮期悬沙平均浓度约为小潮期的1.9 倍；连续站夏季大潮期悬沙平均浓度约为小潮期的2.2 倍，冬季大潮期约为小潮期的1.8 倍。同一季节连续站全潮平均流速与悬沙浓度之间保持较好的一致性，潮流强度大，悬沙浓度也较高（图5-图8），反映出半月潮周期悬沙浓度分布一定程度上受潮流作用强度的影响。

从图10 中不难看出，无论大潮期还是小潮期，涨落潮流流速稍呈不对称分布，在全潮周期中出现两个涨潮流最大流速和两个落潮流最大流速，大潮期均可超过100 cm/s，小潮期一般可超过60 cm/s；涨落潮流流速对比相差不大，落潮流流速总体稍大于涨潮流流速，但涨、落潮流转流的时刻很短暂。大潮期，在最大涨落潮流流速出现时刻后1～2 h，水体中悬沙浓度有较明显的增加，中、上部多超过50 mg/L，局部超过100 mg/L，底部悬沙浓度明显大于中上部，最大悬沙浓度可超过600 mg/L，最低悬沙浓度一般出现在落憩发生时刻前后；前半日潮周期流速总体大于后一个周期，悬沙浓度前者总体上也相应稍高于后者（图10a）。小潮期，水体最大悬沙浓度与最大涨落潮流流速基本同时出现，中、上部很少超过50 mg/L，底部水体也很少超过60 mg/L，明显低于大潮期；上下水体悬沙浓度相对均匀（图10b）。这些特征可认为主要是由于潮流动力强弱变化所致，在一定程度上底部部分沉积物受水流扰动发生再悬浮作用，这种作用在大潮期比小潮期更趋明显。换言之，在大小潮周期中，底部沉积物与水体悬浮泥沙之间存在再悬浮与沉降的交换过程。冬季悬沙浓度受潮流作用影响也具有类似的特性，由于篇幅限制，不再赘述。

图10 典型连续站S10 站夏季流速、悬沙浓度时间过程剖面

由典型连续站（S10）站位表层沉积物粒度分析结果可知，无论夏季还是冬季，细砂和粉砂两组份的相对百分比含量大潮期比小潮期均有所增加，黏土组份相对百分比含量大潮期比小潮期则有所减小（表1）；说明在潮流动力的作用下，海底表层沉积物大潮期趋于冲刷、粗化和再悬浮，小潮期则接受水体悬浮泥沙沉降、落淤和趋于细化。这在很大程度上佐证了如前所述的大小潮周期中底部沉积物与水体悬浮泥沙之间存在再悬浮与沉降交换过程的事实。由此可见，象山港悬浮泥沙浓度分布除了受冬夏季沿海流系变化驱动影响外，还受到大小潮和半日潮周期的潮流动力变化的影响。