填海工程建设前后丹东港海域泥沙冲淤变化特征与成因分析

王晓明, 冯秀丽, 田动会, 姜 波, 姜建新, 滕 珊



填海工程建设前后丹东港海域泥沙冲淤变化特征与成因分析

王晓明, 冯秀丽, 田动会, 姜 波, 姜建新, 滕 珊

(海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100)

利用近年来水深地形数据和2010年全潮水文观测资料分析了丹东港海域在填海工程建设前后的冲淤变化特征, 并阐述了冲淤变化的成因, 以对该类型海域海洋工程的选址和海洋环境保护等提供科学依据。研究结果表明, 研究区海底在工程建设前除靠近大东作业区的岬角处冲刷较大外, 其他海域整体冲淤厚度小于0.2 m/a。工程建设后海底冲淤格局发生重新分布, 主要表现在工程南侧普遍冲刷和东侧航道内及西南侧海域的淤积。利用刘家驹公式计算了工程建设前后的航道回淤强度, 计算结果表明: 工程后A点年均淤积厚度减小了0.09 m, B、C点年均淤积厚度分别增加了0.02、0.19 m。Mike21数值模拟结果显示, 工程建设改变了原来的流场, 造成研究区冲刷悬浮的泥沙在潮流的作用下重新搬运与沉积, 同时波浪场也因工程的影响下蚀海底的能力增强。

丹东港; 泥沙冲淤; 数值模拟; 航道淤积

填海造地会导致海域潮流、波浪、泥沙运移等特性的改变, 进而影响海域的冲淤变化[1]。大东港区已是丹东地区的核心港区, 随着区域经济的不断发展, 其未来将成为综合性国际港区。近年来, 我国沿海各城市的区域建设用海项目逐渐增多, 填海工程可解决土地问题, 促进经济发展, 但同时会影响海域水动力和海底冲淤环境, 使海域水流流速、流向等发生变化, 改变海域的潮流运动和泥沙运移特性, 引起泥沙冲淤环境的变化, 形成新的冲淤变化趋势, 从而对围填海附近的海岸淤蚀、海底地形、港口航道淤积、河口冲淤等带来影响[2-3]。前人关于填海工程对海洋环境的影响研究较多, 冯秀丽等[4]研究了威海靖海湾港区张家埠新港建设对海域泥沙冲淤的影响, 结果表明在引堤透空段附近和防波堤端头冲刷较严重。周广镇、宋湦等[5-6]研究了莱州湾东岸近岸海域、凤凰岛东侧海域规划围填海后的泥沙冲淤演变, 刘潇等[7]研究了港口工程影响下莱州湾西南侧海域水动力演化特征。不少学者对鸭绿江河口浅滩的沉积动力特征与地貌体系、河口地貌的形成与演变及其对港口建设的影响[8-9]等方面作过研究, 为本次了解研究区的地质环境提供了参考。但针对本次填海工程对周围海底地形产生的影响研究较少, 本文根据研究区工程建设前后的区域水深资料和近几年的断面水深, 分析了丹东港工程建设对海域冲淤环境的影响, 并在此基础上分析了其主要影响因素及航道回淤强度, 对保护周边海洋环境、合理开发和利用海洋资源具有一定的理论和实际意义, 为今后该类型海域海洋工程的选址和海洋环境保护等提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于东港市南部, 鸭绿江入海口西岸, 南临黄海, 东与朝鲜半岛隔江相望[10]。2010年丹东港区在已批复和正在办理的填海项目基础上继续向海域延伸, 新建3个挖入式港池, 截至2012年外围围堰工程已完成。研究区波浪主要是小风区的风成浪, 涌浪较少。潮汐为正规半日潮, 主要为太阴半日分潮, 平均潮差4.51 m, 最大潮差7.60 m, 潮流往复流性质比较明显, 海域涨潮流向为N—NNE, 约8°~ 69°, 落潮流向为SSW—S, 约170°~239°[11], 研究区海底地形除鸭绿江主要出航航道内水深较深外, 其余均为–5 m以浅的近岸浅滩, 滩面较宽且凹凸不平, 坡度较小, 平均约为1.2‰[12]。填海工程位于浅海滩涂, 在两个深水航道(主航道和西南航道)之间, 水深多在–2 m以浅, 港池处有深水槽, 水深稍大, 中心处水深大于2 m(研究区位置如图1所示)。

图1 研究区地理位置

2 资料来源与方法

本文收集了中国人民解放军海军司令部航海保证部于2010年10月出版的丹东大东港区附近1︰25000海图(图号11131, 工程附近水深数据的测量时间为2001年)、工程建设前研究区2007年(1︰6万)的水深数据(为当地理论基准面)和中国海洋大学于工程建设后2013年5月利用中海达双频测深仪对研究区南侧8 km范围内进行1︰6万的水深测量数据(改正到当地理论基准面), 将同点位置的水深值相减绘制了研究区海底冲淤图和典型断面水深变化图, 利用刘家驹公式计算了工程建设前后的航道淤积。为查明工程建设对周围流场的影响, 利用MIKE21数值模拟软件对工程建设前后涨、落潮流流场的变化情况进行了模拟, 并利用工程附近海域2010年9月22日至10月3日进行的的全潮水文测验数据对模拟结果进行验证。

3 研究结果

3.1 研究区海底冲淤变化特征

3.1.1 整体冲淤变化

泥沙受到波浪、潮流的作用, 在水体中会呈现悬浮、沉积以及再悬浮的状态, 而水体中的悬浮泥沙变为底床沉积物的过程为泥沙淤积, 已沉积泥沙被搬运向水体转移的过程为泥沙侵蚀[13]。海域泥沙冲淤可通过该海域的水深变化来反映, 因此, 利用Surfer软件插值形成水深网格, 插值后利用两期水深“作差”得到研究区冲淤变化图(所用的水深值为正值, 两者相减, 正值为冲刷, 反之为淤积), 插值方法为kringing方法, 绘制了工程建设前(2001—2007年)和工程建设后(2007—2013年)研究区海底冲淤图(图2)。

图2 2001—2007年和2007—2013年冲淤变化图

从图2可以看出工程建设前2001—2007年研究区大东作业区岬角处冲刷最为严重, 冲刷深度1~5 m左右。大东作业区西南侧6~8 km和东南侧5~10 km区域内出现1~3 m的淤积, 该区域分别靠近丹东港西南航道和主航道, 淤积量较大, 其他海域冲淤厚度在0~1 m基本处于较稳定状态。工程建设后2007— 2013年研究区整体处于冲刷状态, 受工程建设的影响, 工程南侧出现0~4 m的冲刷, 最大冲刷厚度位于离工程1~3.5 km区域, 达5 m以上, 泥沙淤积区主要集中在工程东侧和西南侧, 工程西南侧1.3 km区域内出现1~3 m的淤积, 东侧主航道局部内出现4 m以上的淤积, 其他海域淤积厚度小于2 m。

3.1.2 断面水深变化

研究区四条典型断面水深变化如图3所示(断面位置见图1)。断面Ⅰ位于工程西南侧, 长约9 km; 断面Ⅱ位于工程南侧, 长约11 km; 断面Ⅲ位于工程东侧, 研究区出海航道内, 长约10 km; 端面Ⅳ位于工程南侧, 近东西走向, 长约9 km。

图3 典型断面水深变化对比图

由图3可看出, 工程建设后研究区海域均有不同程度的冲淤, 断面Ⅰ的海底地形剖面从2007年至今可分为两段, 即离岸2.2 km以近水深–2 m以浅的近岸浅滩和2.2 km以远水深在–2~ –8 m的水下斜坡, 2007—2013年间近岸浅滩发生冲刷, 平均冲刷深度0.7 m, 泥沙淤积在2.2~4 km区域内, 淤积厚度在0.9 m左右, 4 km以外区域水深变化较小, 海底冲淤不明显。断面Ⅱ的海底地形剖面也分为两段, 即离岸4.3 km以近的近岸浅滩和以远的水下斜坡, 2007年时在水深–3 m以内的浅滩到2013年已不同程度被侵蚀, 侵蚀深度在0.5~2 m, 2007年时离岸6 km以远水深在–4.3~ –8 m区域略微上凸的斜坡到2013年已演变为较平缓的斜坡, 平均下蚀深度1m。断面Ⅲ离工程和主航道较近, 受航道及工程施工影响, 工程建设前后靠近工程海域水深变化较复杂, 离岸0~4 km区域内呈淤积状态, 最大淤积厚度可达7 m, 离岸4~5.5 km区域内有0~1.2 m的冲刷, 5.5 km以外区域最大淤积厚度小于1 m, 向海方向呈减小趋势。由断面Ⅳ可看出工程建设后航道向西偏移了约200 m, 两侧浅滩呈冲刷状态, 最大冲刷深度可达5 m, 一方面由于浅滩侵蚀泥沙随潮流淤积在航道内, 另一方面受工程施工影响, 工程建设后航道内局部最大淤积厚度可达3.5m。

综上所述, 无论是空间还是剖面变化的结果都可认为工程建设对研究区海底地形带来了较大变化, 主要表现在工程南侧普遍冲刷和东侧航道内的淤积。研究区近10多年来的海底地形冲淤变化, 一方面可能是受海岸带海岸工程建设活动的影响, 另一方面受现代海洋动力作用与海岸地貌形态之间的不断自适应调整, 使得海底地形处于一种动态变化过程中。

3.2 航道回淤计算

研究区的泥沙运动受海底地形、泥沙来源、潮流、波浪、人类活动等多种因素的共同影响, 是一个复杂的动力地貌过程。正常天气下, 水流跨越航道, 流速减小、挟沙能力下降导致的悬沙落淤是航道淤积的主要原因, 其中海底侵蚀来沙和河流来沙是航道淤积的主要泥沙来源[14]。由于丹东填海工程对海域泥沙冲淤的影响主要表现在工程附近海域, 对较远海域影响较小, 所以本文选择离工程较近航道进行泥沙回淤计算。

泥沙淤积方式可分为悬沙淤积和底沙淤积两部分, 当底质中值粒径小于0.05 mm时, 认为航道会主要以悬沙落淤为主。根据研究区沉积物特征在丹东港主航道内选取有代表性的A、B、C三点(如图1所示)采用《海港水文规范》[15]推荐的刘家驹公式计算了工程建设前后航道淤积, 公式如下:

表1 实测涨落潮平均含沙量[10]

Tab.1 Average sediment concentration at ebb and flow

表2 工程建设前后航道年淤积厚度对比

Tab.2 Comparison of the rate of channel silt before and after the construction of reclamation project

计算结果表明: 工程建设后A点年均淤积厚度较工程建设前变小了0.09 m, B、C年均淤积厚度较工程建设前均有变大, 每年分别增加0.02 m和0.19 m。

4 冲淤变化成因分析

4.1 泥沙来源

鸭绿江河口为呈“二级分叉, 三口入海”形势的分叉型河口, 研究区位于其西侧, 从20世纪70年代来, 鸭绿江的年平均径流量和输沙量明显减少, 多年平均输沙量在159.1×104t, 而鸭绿江水沙的年内分配极不均匀, 6—9月汛期时的输沙量约占全年总量的80%以上[16]。20世纪因人为因素, 研究区鸭绿江河口现在已变成海湾型潮汐水道, 为典型的潮汐海湾地形, 仅高潮时可与鸭绿江干流相通, 仅有少部分悬沙可随潮扩散至研究区海域。历史上形成的滩地在高潮时会不同程度的被淹没, 形成“涨潮时潮流分散消能, 落潮时潮流归槽集注”的状态。海域泥沙主要以波浪掀沙, 潮流挟沙为主, 南部入海口处浅滩侵蚀来沙和上游滩地落潮归槽所带来的泥沙是研究区海域的主要泥沙来源[10]。

4.2 潮流对冲淤的影响

在自然状态下, 近岸海域的水动力和泥沙输运会处于一个动态平衡的状态, 而大规模的海洋工程建设会对周边海域的水动力产生重要影响, 从而打破这个平衡, 使工程附近海域的动力环境趋于另一种动态平衡[17]。利用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型MIKE21 Flow Model对工程建设前后研究区潮流场进行预测分析, 该模型采用可随意控制疏密的非结构三角网格剖分计算域和标准Galerkin有限元法进行水平空间离散[7]。工程建设前后数值模型的水深岸线数据分别采用丹东港海图(图号11131, 比例尺1: 25000)和实测水深测量资料, 并利用工程附近海域2010年9月22日至10月3日进行的的全潮水文测验数据对模拟结果进行验证, 以大东港(C1)潮位验证点及L6号潮流验证点为例(位置见图1), 给出数值模拟与实测潮流的验证结果, 潮位验证曲线如图4所示, 潮流验证曲线如图5所示, 验证结果表明, 模拟结果与实测数据基本吻合, 能够模拟研究区海域的潮流运动特性。流场模拟结果如图6、图7所示, 根据工程建设前后研究区潮流数值模拟结果, 将工程建设前后的周边海域潮流流速进行对比, 得到潮流流速变化(变化值与现状流速的比值, 正值代表流速增大, 负值代表流速减小)范围图(如图8所示), 研究本次填海工程对研究区海洋水动力环境的影响。

由图6、图7可看出: 工程建设前研究区涨潮流整体由SW向NE流, 流速普遍在0.5~1.0 m/s之间。落潮流整体由NE向SW流, 流速较涨潮流流速较大, 为0.6~1.0 m/s。工程建设后, 由于工程的阻挡, 研究区涨潮流整体由S向N流, 潮流在工程南侧转为SE-NW向, 落潮流沿工程在其南侧汇聚, 由NNE向SSW流, 研究区西南侧海域流速较工程前小, 工程建设后流速普遍在0.7 m/s以下, 东侧主航道内流速较工程前大, 最大可达1.5 m/s。由于工程对研究区涨潮流的阻挡作用, 使涨潮流沿工程南侧由SE向NW流, 流速逐渐变小, 有利于潮流携带的泥沙淤积, 在工程西南侧形成1~3 m的淤积。工程建设后, 研究区落潮流沿工程在其南侧汇聚, 流速增大, 携带泥沙能力增强, 被波浪掀起的工程南部浅滩泥沙容易随涨、落潮流运移, 这与断面Ⅳ的水深变化较一致。由工程建设后潮流流速变化图可看出工程建设后研究区西南侧海域潮流流速明显减小, 工程导流作用使靠近工程东侧范围内流速增加, 启动泥沙, 当落潮流流过工程时, 过水断面展宽, 并沿工程南部转向, 流速减小, 有利于落潮流携带的鸭绿江口浅滩泥沙淤积在此, 能够很好地解释断面Ⅲ的海底水深变化特征。而从工程建设前后的航道悬沙回淤计算结果中也可看出, A点由于受鸭绿江口浅滩泥沙影响, 航道年淤积厚度较大, 模拟结果显示工程建设后研究区东侧主航道内流速增大, 向海方向流速逐渐减小, 泥沙在潮流作用下, 随落潮流运移至航道下段, 使A点年淤积厚度较工程前变小, B、C点年淤积厚度变大。另一方面, 由于工程建设后工程附近南部海域滩面泥沙容易随涨落潮流运移, 使C点航道淤积强度较B点大。可见, 潮流是该海区输沙的主要动力。

图4 C1站潮位验证曲线

图5 L6站流速、流向验证曲线

4.3 波浪对冲淤的影响

研究区潮流场模拟结果显示, 由于工程建设的影响, 无论涨潮流还是落潮流都会发生流速、流向的变化。此外, 海底还受到波浪的淘洗。已有调查资料表明, 研究区海域常浪向和强浪向为SSE向, 出现频率为34.7%, S向为次常浪向, 出现频率为29.1%, 波高小于0.4 m年出现频率为13%, 0.5~1.4 m的频率为20.5%, 1.4~2.9m的出现频率为1.3%, 浪向集中在SSE和S方向[18]。工程建设后, 当SSE、S向波浪来袭时, 由于工程建设向海延伸, 在工程南侧波浪辐聚, 波能增大, 能量增强, 滩面下蚀加剧, 导致工程南侧海域形成严重的侵蚀, 波浪是造成该海区泥沙悬浮的主要原因。

图6 工程建设前潮流场图

图7 工程建设后潮流场图

图8 潮流流速变化图

综上所述, 工程的建设改变了研究区海域原有的潮流场和波浪场, 导致工程东侧的流速增大、南侧流速减小和流向的改变, 当SSE、S向波浪来袭时, 由于工程的建设导致南侧波浪加强, 增加了其扰动滩面的能力。在波流共同作用下, 研究区海底的冲淤格局发生了重新分布。

5 结论

1) 研究区海底在工程建设前除靠近大东作业区的岬角处冲刷量较大, 海域整体冲淤厚度小于0.2 m/a。工程建设后, 2007—2013年工程南侧出现0~4 m的冲刷, 最大冲刷深度可达5 m以上, 泥沙淤积区主要集中在工程西南侧和出海航道内, 主航道内局部最大淤积厚度为4 m多, 其他海域淤积厚度小于2 m。

2) 在丹东港主航道内选取有代表性的A、B、C三点采用刘家驹公式计算工程建设前后的航道悬沙回淤量, 计算结果表明: 工程建设后A点年均淤积厚度减小了0.09 m, B、C点年均淤积厚度分别增加了0.02、0.19m。

3) 工程建设后研究区潮流场和波浪场发生重大的变化, 是引起海底冲淤格局重新分布的重要原因。

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(本文编辑: 刘珊珊)

Sediment scouring and deposition at the Dandong Port before and after the construction of reclamation project

WANG Xiao-ming, FENG Xiu-li, TIAN Dong-hui, JIANG Bo, JIANG Jian-xin, TENG Shan

(Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

We studied the sediment scouring and deposition at the Dandong Port before and after reclamation based on underwater topographic data and fixed-point marine hydrological observations in 2010. The data suggest strong erosion in the headland of the Dadong area. The rate of sediment scouring and silting was less than 0.2 m/a. After reclamation, the patterns of sediment scouring and deposition were redistributed. There was erosion south of reclamation and deposition east and southwest of the reclamation. The channel silting before and after reclamation was calculated at 0.09 m at point A, and at points B and C increased by 0.02 m to 0.19 m. Numerical simulations suggest that there was redistribution and erosion of sediments after the reclamation because of the increased the wave energy.

the Dandong Port; the sediment scouring and silting; numerical model; channel silt

Dec. 7, 2016

王晓明(1992-), 女, 山东威海人, 硕士在读, 主要从事海洋环境地质与工程方面研究, E-mail: 1208843538@qq.com; 冯秀丽(1962-),通信作者, 教授, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn

P75

A

1000-3096(2017)09-0041-09

10.11759/hykx20161207002

2016-12-07;

2017-01-09

海洋公益专项(201005009)

[National Sea Welfare Project, No.201005009]