蓬莱西海岸近海岸滩泥沙运移趋势和冲淤演变研究

邱恒清,孙宜超,秦巧丽,赵 倩

(1.山东省水利勘测设计院,山东济南250013; 2.山东高速集团有限公司山东高速蓬莱发展有限公司,山东济南250098)

蓬莱西海岸近海岸滩泥沙运移趋势和冲淤演变研究

邱恒清1,孙宜超2,秦巧丽1,赵 倩1

(1.山东省水利勘测设计院,山东济南250013; 2.山东高速集团有限公司山东高速蓬莱发展有限公司,山东济南250098)

多年来山东半岛大范围开采海砂对海岸线造成了巨大破坏,加剧了波浪对海岸的侵蚀,造成海岸线后退。通过取样分析了海床沉积物的中值粒径和分选系数分布特征,在野外调查的基础上得到沉积物类型和黏土含量分布情况。通过布设测站实测数据总结了近海海域含沙量和单宽输沙量特点,并基于悬浮泥沙遥感反演分析了近海海域含沙量分布规律。最后,通过分析泥沙来源和运移趋势,对海床冲淤情况进行了演变分析,得出了海岸线变化过程。自20世纪50年代以来现状海岸线已后退约500 m且仍处于侵蚀后退状态,本研究为海岸线修复提供基础技术支撑和依据。

遥感反演;泥沙运移趋势;冲淤演变;岸线修复

蓬莱西海岸位于山东半岛北端,东接烟台开发区,北与长山岛隔海相望,是“山东半岛蓝色经济区”的重要组成部分。1985年以后,大范围开采海砂对登州浅滩造成了巨大破坏,加剧了波浪对海岸的侵蚀,栾家口港至西庄村之间的海岸线严重后退,海岸线的改变对海洋生态环境、生物多样性、渔业资源以及旅游资源都造成了不同程度的影响。李福林等通过海底地貌形态对比、沉积物取样及海区动力条件分析了登州浅滩的形成,通过动态演化和水库模型估算分析了其在短期内恢复到原来的规模的可行性[1];尹东晓研究了登州浅滩表层沉积物特征及输运趋势,并通过水深地形对比和数值模拟分析并预测了登州浅滩冲淤演化情况[2];包萌等以清澜湾四期TM,ETM+,Landsat MSS,HJ1A CCD1影像和1976年地形图为基础采用人机交互方法提取海岸线信息,并对海岸线及其变化等进行了时空分析[3];于晓晓等根据夏冬两季海岸实测地形剖面和沉积物粒度数据,对山东半岛南北两海岸地貌与沉积差异性进行分析,探讨了半岛东部南北岸典型砂质海岸动力环境的差异[4]。我们主要针对近海岸滩泥沙运移趋势和冲淤演变进行了深入研究,并基于遥感反演对海岸线侵蚀变化过程进行了分析,为寻求海岸线修复可持续发展的解决方案提供了基础技术支撑和依据,以实现对海岛资源的可持续开发和保护。

1 资料及来源

2013-06—07在山东半岛蓬莱西海岸海区采集大量表层沉积物样品并进行了分析,共设断面10个,取样点107个(图1)。根据《海洋监测规范 第5部分:沉积物分析》[5]对沉积物进行分析,样品分析仪器选用河海大学研制的NSY-Ⅲ型宽域粒度分析仪和中国科学院南京地理与湖泊研究所研制的SYF-B200音波振动式半自动筛分粒度仪。

(陈 靖 编辑)

图1 取样位置分布Fig.1 Distribution of sampling positions

2 海床沉积物分布特征分析

2.1 海床沉积物中值粒径

所测样品的中值粒径变化范围为0.009 4～4.597 8 mm,总体变化特征是中部粗两侧细。沉积物中值粒径在登州浅滩西侧呈条带分布,自海域向岸边分布趋势为先减小后增大;沉积物在南长山岛南端以北海域分布为西侧中值粒径大于东侧;沉积物中值粒径在岬角周围和海峡束窄处增大。海床沉积物的中值粒径分布如图2所示。

图2 沉积物中值粒径分布Fig.2 Distribution of median diameters of the sediments

2.2 沉积物分选程度

《海洋监测规范 第5部分:沉积物分析》[5]以沉积物分选系数将沉积物分选程度划分为4个级别:分选系数为0～0.6表示分选程度很好,0.6～1.4为好,1.4～2.2为中常,大于2.2为差。所取样品的分选系数介于0.27～1.82,分选程度一般为好,局部区域变化根据物质组成和水动力情况不同而变化。在渤海海区、登州水道的10号断面和西庄村至二日洲等部分区域分选程度为很好,格林庄村等部分区域分选程度为中常。沉积物分选系数分布如图3所示。

图3 沉积物分选系数分布Fig.3 Distribution of sorting coefficients of the sediments

2.3 沉积物类型及黏土含量

测量海域的沉积物类型种类较多,由细到粗分别为黏土质粉砂、砂质粉砂、粉砂、中细砂、中砂、粗中砂、砾粗砂和砾石八种[6-8]。主要沉积物质质量分数为粉砂42.59%、砂质粉砂17.59%、黏土质粉砂12.96%、粗中砂11.11%、砾粗砂10.19%,其他0.93%～3.70%。沉积物类型分布如图4所示。

图4 沉积物类型分布Fig.4 Distribution of the sediment types

庙岛群岛两侧基本全部为粉砂;庙岛海峡以粗颗粒泥沙(粗中砂、砾粗、砾石)为主;桑岛和依岛东侧主要为砂质粉砂;栾家口港东侧蓬莱西海岸外海10 m等深线周围主要为粗中砂;栾家口港西侧10 m等深线周围主要分布为砂质粉砂;蓬莱东侧近海岸主要为黏土质粉砂和粉砂;蓬莱港和栾家口港之间主要以黏土质粉砂、砂质粉砂、粗中砂、砾粗砂掺杂分布。

沉积物黏土含量分布如图5所示,庙岛海峡两侧海域范围沉积物黏土质量分数一般在10%以内;测量海域仅部分区域的沉积物黏土质量分数介于20%～34%;海峡的外侧周围海域黏土质量分数相对其它区域偏大,但不超过20%;蓬莱西海岸介于栾家口港和西庄村之间沉积物黏土质量分数小于10%,格林庄村周围少数样品黏土质量分数为25%。

图5 沉积物黏土质量分数分布Fig.5 Distribution of the clay contents

3 海域含沙量及运移趋势分析

3.1 海域含沙量分析

通过对庙岛海峡周围设置的9个测站,测站位置如图6所示。

各测站含沙量统计情况如表1～表3所示。观测得到的泥沙观测数据进行统计分析,该海域含沙量特征:

1)小潮含沙量稍微小于大潮含沙量,海域含沙量在一般天气条件下较低;

2)从潮段含沙量来看,落潮含沙量略大于涨潮含沙量;

3)涨潮和落潮平均含沙量浓度为平面分布,以U4测站最高,其次是U2测站,U9测站最低,其余测站差异不大。涨潮、落潮段各测站的垂线平均最大含沙量和最大含沙量也均以U4测站最高;

4)潮段平均含沙量分布规律为底层到表层逐渐减小,垂线梯度,涨潮段小于落潮段,涨潮段落与潮段梯度差异,小潮小于大潮。

图6 水文测站位置分布Fig.6 The distribution of hydrometric stations

表1 各测站潮段平均含沙量统计Table 1 The mean sediment content of every hydrometric station

表2 各测站潮段垂线平均最大含沙量统计Table 2 The vertically mean maximum sediment content of every hydrometric station

表3 各测站潮段最大含沙量统计Table 3 The maximum sediment content of every hydrometric station

根据实测数据计算分析测验期间大、小潮的涨潮与落潮单宽输沙量,所测各站的单宽输沙量具有如下特点:

1)在所设置的9个测站中,位于庙岛海峡两侧的U3,U4和U5三个站及蓬莱西海岸的U7站的输沙方向在大、小潮期间较为一致,除U4站均以涨潮输沙为主外,U3,U5和U7三个站的输沙方向均以落潮输沙为主,其余5站的大、小潮输沙方向相反。

2)庙岛海峡东侧的黄海海区的U1和U2站的输沙方向在小潮期间以涨潮输沙为主,大潮时以落潮输沙为主。3)庙岛海峡西侧的U6站大潮以落潮输沙为主,小潮以涨潮输沙为主。

4)位于渤海海区的U8和U9测站,小潮以涨潮输沙为主,大潮以落潮输沙为主。

5)从9个测站的净输沙来看,大潮净输沙方向主要向西输移,小潮净输沙主要向东输移,大潮输沙量要大于小潮输沙量;对于蓬莱西海岸附近的U测站,大、小潮期间的落潮输沙量均大于涨潮输沙量,净输沙方向指向西,表明泥沙运移方向有自东向西运移的趋势[9-10]。

3.2 近海海域悬沙遥感反演

搜集了蓬莱西海岸附近海域的Landsat-5 TM型遥感影像[11-14],反演了表层悬沙浓度分级图(图7)。

从图7可知,浅滩周围含沙量为0.01～0.02 kg/m3,5 m等深线周围含沙量为0.02～0.03 kg/m3,蓬莱西海岸附近西庄村近海岸的表层含沙量为0.004～0.007 kg/m3,沿着登州浅滩表层含沙量一般较高,周围附近海域一般小于0.01 kg/m3。

从图8可知,蓬莱西海岸周围海域的表层含沙量因大风影响而增大,分布也较为均匀,一般为0.05～0.08 kg/m3,在登州浅滩附近含沙量局部增大到0.08～0.12 kg/m3,蓬莱西海岸附近西庄村附近近岸的表层含沙量一般在0.05 kg/m3。

从图9可知,蓬莱西海岸附近外海海域的表层含沙量一般为0.01～0.02 kg/m3,登州浅滩附近的表层含沙量增大为0.04～0.08 kg/m3,最大可达0.12 kg/m3,蓬莱西海岸附近西庄村近海岸的表层含沙量一般在0.02～0.03 kg/m3。

从图10可知,蓬莱西海岸附近外海海域的表层含沙量一般为0.05～0.10 kg/m3,在登州浅滩附近稍增大,一般为0.15～0.20 kg/m3,局部可达0.20～0.25 kg/m3,蓬莱西海岸附近西庄村近海岸的表层含沙量一般为0.15～0.20 kg/m3。

整体来看,整个海域的表层含沙量较低,海域的表层含沙量在通常天气条件下一般小于0.01 kg/m3,在浅滩及近岸周围稍微增大;海域的表层含沙量受到大风条件下风浪影响而增大,含沙量值和分布情况受风浪历时和大小变化而不同,但其周围外侧海域的表层含沙量小于0.10 kg/m3,登州浅滩周围的含沙量一般比外侧海域含沙量高,但一般不大于0.25 kg/m3。

图7 表层悬沙浓度分级Fig.7 Gradings for concentration of surface suspended sediments

3.3 泥沙来源及运移趋势分析

蓬莱西海岸附近泥沙来源主要有海岸侵蚀运沙、河流和冲沟供沙和附近岸滩来沙。登州浅滩在1985年被破坏前,蓬莱西海岸保持泥沙供需平衡,以附近岸滩来沙为主;1985年以后,登州浅滩的消除波浪作用受大范围开采海砂影响大大减弱,海洋动力对岸滩泥沙搬运作用和对海岸线侵蚀作用在大风浪条件下均有所增强,泥沙来源仍以当地为主。

测验期间,测量海域的含沙量整体上呈现涨潮小于落潮,涨潮单宽输沙量小于落潮单宽输沙量,落潮输沙处于优势,海域泥沙运移趋势为自东向西。西海岸附近的U7测站,大、小潮期间的潮段最大流速均表现为落潮大于涨潮,表明落潮流较为强劲,同时,该站的潮段平均含沙量及单宽输沙量均是落潮大于涨潮,蓬莱西海岸海域泥沙总体上应是自东向西运移,但测验期间海域的含沙量极低,输沙量很小。

4 海床冲淤演变分析

4.1 近期冲淤演变

蓬莱西海岸海床近期演变以2004年海图及2014年实测水深地形资料作为依据,主要分析蓬莱西海岸海床等深线的形态变化特征及其演变特点。

1)等深线平面变化特征

2004年和2014年庙岛海峡附近海域冲淤平面变化如图8所示,登州水道20 m等深线区域冲淤状况基本没有改变,30 m等深线区域较实测地形有所增加,边缘水深无较明显变化,20 m以上的深水区域变化很小,登州水道冲淤情况比较稳定。登州浅滩附近的10 m等深线范围冲淤情况减小,如2004年海图所示,北侧新井洲被包围在登州浅滩的10 m等深线内;2014年实测水深图显示,登州浅滩主滩体附近的10 m等深线和新井洲附近的10 m等深线分开且最小水深由4.9 m增加到9.5 m,包围面积大幅减小。潮待洲和新井洲北侧的10 m等深线向后退缩并保持平行状态,表明登州水道的潮流对浅滩的边坡有明显的侵蚀作用,特别是新井洲北侧的10 m等深线后退了670 m左右;登州浅滩其余区域范围内10 m等深线基本保持稳定。

图8 2004和2014年庙岛海峡附近海域冲淤变化Fig.8 Erosion-deposition variations in the sea area nearby the Miaodao Strait in 2004 and 2014

从2004年到2014年,登州浅滩的5 m等深线所包围面积由2.7 km2减小至1.2 km2,10 a间二日洲和潮待洲的5 m等深线所围面积均减小了一半以上。蓬莱西海岸东侧西庄村周围的10 m等深线未发生很大变化,10 m等深线自格林庄村至栾家口港之间向西逐渐后退175～275 m,栾家口的西侧海岸线为弧形且弧度比较平缓,弧顶点西侧向黄水河口10 m等深线发生淤积,最大淤积长度695 m,弧顶点东侧10 m等深线变化很小。蓬莱西海岸附近的5 m等深线自黄水河口向西庄村之间的5 m等深线基本保持形态稳定,只在蓬莱港周围有一定后退。

2)冲淤部位分析

2004年和2014年蓬莱西海岸近海海域海床变化如图9所示,从2004年到2014年,登州浅滩侵蚀较为严重,特别是登州水道和北部新井洲的迎流坡周围,局部冲刷8～11 m,最大达14 m,其冲刷幅度一般自南向北增大。二日洲的滩顶水深变化很小,四人洲的滩顶高程明显下降了2～3 m,潮待洲的最小水深下降了3 m左右。西庄村周围的冲刷较为严重(达2～3 m),格林庄村周围有冲有淤,但10 m以下海床冲淤情况相对稳定;栾家口西侧淤积区一般淤积0.5 m;八仙渡和田横山之间的海湾近岸的地形变化较小。

图9 2004年和2014年蓬莱西海岸近海海域海床变化Fig.9 Changes of the seabed in the near shore area along the western coast of Penglai in 2004 and 2014

3)断面分析

在蓬莱西海岸自西庄至黄水河口间选择了7条典型断面(图8),进行海床剖面形态变化分析。其中1#～4 #断面位于栾家口港的东侧,5#～7#断面位于栾家口港的西侧,断面水深变化如图10所示。由图10可知,从2004年到2014年蓬莱西海岸的海床断面变化主要有以下特点:①蓬莱西庄附近的1#断面冲刷严重,断面水深一般增加2～3 m;2#断面位于西庄与格林庄之间,断面有冲有淤,以冲刷为主,局部水深增大2～3 m,登州浅滩附近的地貌略有冲刷,但冲刷幅度不大;3#断面位于格林庄附近,断面有冲有淤,近岸区水深总体变化不大,登州浅滩附近冲刷明显,水深一般增加2～3 m;4#断面近岸区水深总体变化不大,登州浅滩上水深大幅增加,一般增加2～3 m。根据1#～4#断面的变化比较来看,西庄村至栾家口港周围的近岸海床主要以冲刷为主,海床冲刷幅度自西向东逐渐增强,登州浅滩滩面普遍冲刷,水深一般增加2～3 m;蓬莱西海岸附近的格林庄村8 m以深的地貌有冲有淤,但总体变化相对稳定。②栾家口以西的各断面海床变化较为相似,5#～7#断面10 m水深以浅的水域,海床总体变化不大,10 m以下水域,略有淤积,水深一般减小0.5 m左右。

4.2 海岸线变化过程分析

登州浅滩在没有被破坏前西庄村海岸一直均有冲刷和淤积,平均值为0.03～0.09 m/a;而登州浅滩自从被破坏以后西庄村海岸发生了大范围的冲刷,海岸线一次大浪过程中就后退了14～20 m。分别在1990-01-29—30和1990-02-23—24,发生了2次NNE-NNW方向大风浪,对该段海岸侵袭严重,海岸线后退20 m左右,海浪冲毁了部分临岸民宅,吞噬农田、工厂、养殖场和公路等众多设施受到不同程度损坏。灾后沿岸各村、单位修筑的众多小规模挡浪墙,至今亦遭受不同程度的破坏。海岸侵蚀已成为重大的海洋灾害,威胁着当地人民的生命安全和正常的生活、生产。

图10 2004和2014年各断面水深变化Fig.10 Changes of water depth along every section in 2004 and 2014

蓬莱西海岸海岸线呈NE-SW向,岸线平直,与长山岛跨海相望。长期海洋自然环境动力因素使这段海岸线被严重侵蚀,比较不同年代的测图,现状海岸线与20世纪50年代相比平均后退达500 m(最大处700～800 m),平均年速率达10 m。

5 结 论

针对海床沉积物中值粒径和分选系数分布特征进行了取样分析,在野外调查的基础上得到沉积物类型和黏土含量分布情况。通过测站实测数据总结了近海海域含沙量和单宽输沙量特点,同时,基于悬浮泥沙遥感反演分析了近海海域含沙量分布规律。最后,通过分析泥沙来源和运移趋势,对海床冲淤情况进行了演变分析,并得出海岸线变化过程,主要结论如下:

1)蓬莱西海岸周围海域含沙量在一般天气条件下水平较低,海域的悬沙平均粒径为0.011 0 mm,主要成分为黏土质粉砂;海域含沙量小潮略小于大潮,涨潮略大于落潮,涨潮和落潮平均含沙量为0.015 kg/m3。

2)整个海域的表层含沙量较低,海域的表层含沙量在一般天气条件下一般小于0.01 kg/m3,在浅滩及近岸周围稍微有所增大;海域的表层含沙量受大风浪影响下增大,其量值和分布受历时和风浪大小变化而不同,但其周围外海的表层含沙量一般小于0.10 kg/m3。

3)海岸的泥沙来源主要有海岸侵蚀运沙、河流和冲沟供沙和附近岸滩来沙,当地物质为主要物质来源,海域含沙量和输沙量在正常情况下均较小。

4)沉积物中值粒总体变化特征是中部粗两侧细;沉积物中值粒径在登州浅滩西侧呈条带分布,自海域向岸边分布趋势为先减小后增大;沉积物在南长山岛南端以北海域分布为西侧中值粒径大于东侧;沉积物中值粒径在岬角周围和海峡束窄处增大。

5)登州浅滩海岸线仍然处于侵蚀后退状态,北侧比南侧收到的侵蚀更加严重,栾家口港至西庄村之间的海床受冲刷力度自西向东逐渐增强,格林庄村冲刷和淤积并存且总体持相对稳定。

6)庙岛海峡西侧的渤海海域,潮流流速,潮汐强度弱,泥沙含量低且来源不足,海床基本稳定,风浪具有季节性,夏季风小浪弱。

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Study on Sediment Transport Trend and Scouring-Silting Evolution in the Near Shore Beach Along the Western Coast of Penglai Based on Remote Sensing Retrieval

QIU Heng-qing1,SUN Yi-chao2,QIN Qiao-li1,ZHAO Qian1
(1.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy,Ji'nan 250013,China; 2.Shandong Hi-Speed Group Co.,Ltd.Shandong Hi-speed Penglai Development Co.,Ltd.,Ji'nan 250098,China)

Large-scaled sea-sand excavation along the coast of Shandong Peninsula in the past years has caused severe damage to the coastline,aggravated the erosion of the waves on the coast and given rise to the coastline retreat.The changes of the coastline have brought about effects with different extents to the marine ecological environment,the biodiversity,the fishery resources and the tourist resources.In the present paper,the distributions of the median diameters and the sorting coefficients of the seabed sediments are analyzed and the distributions of the sediment types and the clay contents are obtained on the basis of field investigations.The characteristics of the sediment concentrations and the single width sediment discharge in near shore area are summarized based on the data measured at the observation stations.Moreover,the distribution law of the sediment concentrations in the near shore area is analyzed based on the remote sensing retrieval of suspended sediments,and the seabed scouring-silting evolution in the study area is discussed by analyzing the sources and transport trends of the sediments,thus obtaining the changing process of the coastline is obtained.This study can provide basic technical support and basis for the shoreline restoration.

remote sensing retrieval;sediment transport trend;scouring-silting evolution;shoreline restoration

December 25,2016

P736

A

1002-3682(2017)02-0036-12

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.02.005

2016-12-25

邱恒清(1986-),女,工程师,硕士,主要从事水利工程规划设计方面研究.E-mail:hengqing05@163.com