兴化湾海域泥沙特征及地形变化分析

王世儒,雷伟丽

(重庆水利电力职业技术学院 水利工程系，重庆 402160)

兴化湾海域泥沙特征及地形变化分析

王世儒,雷伟丽

(重庆水利电力职业技术学院 水利工程系，重庆 402160)

为了查明兴化湾海域泥沙特征及地形变化，基于2013年7月份兴化湾海域水文泥沙测验资料，分析了研究区域的泥沙分布特性，并结合兴化湾深槽历年实测数据探讨了悬沙运移对其水下地形变化的影响。分析结果表明：测区含沙量较小，本次测验平均含沙量为0.062 kg/m3，大潮的平均含沙量较大，小潮的平均含沙量较小；含沙量的涨、落潮变化明显，最大含沙量多出现在最大涨急时刻附近，最小含沙量多出现在最大落急时刻附近，表明测验海域泥沙受到的扰动较小；各测点涨潮输沙率占优势，但涨、落潮输沙率绝对值都很小；研究海域泥沙随潮流往复进出，总体上为涨潮流方向，即由东南向西北运移，这与江阴壁头附近的情况相吻合，即深槽宽度不断向两侧扩展，而海底水深稳中有冲，基本处于略有冲刷的平衡状态。

兴化湾; 泥沙特征;含沙量; 水沙输移; 地形变化；潮汐

1 研究背景

兴化湾位于福建省沿海中部，北与福州市和福清市相接，西与莆田市紧临，是福建最大的港湾，四周被北部的龙高半岛、西部的莆田平原及南部的石城半岛所环绕，地理位置和自然环境十分优越。湾内水域宽阔，东西长达50 km，南北宽约21 km，湾内主要水道水深基本都在-20 m以上[1-2]，水深条件较好，具备建设深水港的良好条件。

近年来，随着兴化湾港口工程、围垦工程的不断实施，以高滩为基础的围海造陆占用了大量海域，必然会在一定程度上改变湾内原有的水动力环境，引起泥沙的输运，进而导致湾内局部海域水下地形发生改变。为此，分析兴化湾海域的泥沙特性及水下地形变化，可为研究湾内泥沙输运及水下地形演变提供科学的依据。前人对兴化湾海域的潮流泥沙运动规律做了大量的研究，取得了诸多成果[3-7]。

本文依据2013年7月份兴化湾水文泥沙测验资料及江阴壁头附近深槽历年地形数据，分析研究了兴化湾海域的泥沙输运特征，探讨了其对湾内江阴壁头附近海域深槽水下地形变化的影响。

2 数据来源和研究方法

现场水文测量在2013年7月16—24日大小潮期间进行。流速流向测量采用SLC9-2型直读海流仪，各垂线流速依据实际水深使用分层法施测。含沙量取样采用横式采样器采取，采用过滤洗盐、烘干称重法分析。各测点位置见图1。

图1 兴化湾2013年7月份水文泥沙测站布置

(1)

式中：ρAve为垂线平均含沙量；ρ表，ρ0.6H，ρ底分别为表层、0.6H层和底层的含沙量；V表，V0.6H，V底分别为表层、0.6H和底层的实测流速；Vm是加权垂线平均流速。

单宽输沙量的计算公式为

(2)

式中：Q为输沙量,分涨潮、落潮、全潮3个运动期,涨潮期时Q为涨潮输沙量，落潮期时Q为落潮输沙量，全潮期时Q为净输沙量；L为单位宽度，取1 m；T为输沙时间段；H为水深;ρz为含沙量;Vz为流速。采用式(2)分别计算出单宽输沙量数值的正北向分量和正东向分量后，再采用矢量合成法可计算出单宽输沙量数值及其方向。

3 泥沙特征分析

3.1 悬移质粒度及底质分析

悬沙中值粒径是指在对数概率累积频率曲线图中50%所对应的悬沙粒径值,它是悬沙粒度统计中的一个重要参数,其结果列于表1中。

表1 工程海域各测站悬沙粒度特征值

注：φ=-log2d,d以mm计

由表1可知，悬沙的中值粒径在(5.89～7.54)×10-3mm之间,对应的φ在7.41～7.05之间，平均粒径在(8.91～11.76)×10-3mm之间,对应的φ在6.81～6.41之间，按照海洋规范分类为粉砂。

大、小潮悬移质中值粒径变化不大，各个测站之间悬移质中值粒径变化也不大，说明悬沙中值粒径的时间分布和空间分布较均匀。

测验海域底质以细颗粒的砂(S)、粉砂(T)和黏土(Y)为主，砂(S)约占30%，粉砂(T)约占35%，此外黏土(Y)约占35%。测区内底质类型状况按《海洋调查规范 第8部分:海洋地质地球物理调查》(GB 12763.8—2007)划分命名，有4个类型，即砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土、黏土-粉砂-砂。

底质中值粒径范围对应的φ在4.05～7.34之间，平均值为6.27。底质中值粒径的空间分布较为均匀。

3.2 含沙量变化

含沙量的垂向变化明显，随着水深的增加，含沙量逐渐升高。最高含沙量出现在底层，最低含沙量出现在表层。各测站大、小潮的最大、最小及平均含沙量见图2和表2。

图2 大、小潮的最大、最小和平均含沙量

潮汛潮水状态平均含沙量/(kg·m-3)J1J2J3J4J5J6大潮小潮涨潮0．0680．0670．0660．0670．0700．067落潮0．0670．0700．0620．0690．0670．063涨潮0．0610．0600．0610．0550．0530．064落潮0．0600．0540．0600．0530．0480．056

由于大潮期间海洋动力更为强劲，底层悬浮泥沙更易悬浮，而小潮期间潮流动力减弱，水体挟沙能力下降，部分泥沙落淤，因而使得大潮期间含沙量大于小潮期间含沙量。同时对各测站大、小潮的涨、落潮平均含沙量分别进行统计，由表2可知，兴化湾测验海域以涨潮占优，含沙量多为涨潮大于落潮且涨落潮含沙量相差不大。

3.3 流速与含沙量关系

由于兴化湾海域大、小潮间流速相差不大，导致大、小潮过程中的含沙量相差亦不大。图3—图5分别为2013年J1,J4和J6测站大、小潮垂线流速与含沙量随时间的变化过程。

由图3—图5可看出，由于兴化湾海域潮流呈周期性变化，涨潮时，含沙量随着涨潮流速的增加而逐渐增加，在涨潮流速最大值时即最大涨急时刻附近，含沙量达到最大值。此后，随着涨潮逐步转为落潮，最小含沙量出现于最大落急时刻附近。这一现象表明测验海域泥沙受到外界其他因素的扰动较小。

图3 J1垂线流速与含沙量随时间变化过程Fig.3 Variations of vertical flow velocity and sediment concentration with time at station J1

图4 J4垂线流速与含沙量随时间变化过程Fig.4 Variations of vertical flow velocity and sediment concentration with time at station J4

3.4 水沙输移

依据前文方法计算得到各测站单宽潮量、单宽输沙率和单宽输沙量的数值和方向,如表3—表5所示。

图5 J6垂线流速与含沙量随时间变化过程

站号潮汛涨潮落潮潮量/(m3·s-1)方向角/(°)潮量/(m3·s-1)方向角/(°)涨-落净潮量/(m3·s-1)J1J2J3J4J5J6大潮2．7503001．8131770．937小潮1．7153171．3521740．363大潮3．6263263．7741670．148小潮2．8403292．4421740．398大潮3．9222944．165132-0．243小潮2．8492832．4091260．440大潮6．2642975．9401180．324小潮4．4102903．4101241．000大潮6．0162854．6741081．342小潮4．4452634．1251120．320大潮6．5782935．8521510．726小潮5．8222754．5901231．232

注:方向角表示方位，是由正北方向顺时针旋转对应的角度

表4 兴化湾海域各测站垂线单宽输沙率

表5 兴化湾海域各测站垂线单宽输沙量

由表3可知：兴化湾测验海域潮流主要以往复流为主，6个测站涨潮量略占优势。由表4可知：兴化湾海域6个测站均以涨潮输沙率占优势，但涨、落潮输沙率绝对值都很小。其中J1,J3,J5,J6测站大潮输沙率较大，小潮输沙率较小；J2,J4测站小潮输沙率大于大潮输沙率。由表5可知： J1,J4,J5,J6测站的输沙均为涨潮流方向，其他两个测站的输沙均为落潮流方向。综上所述，在测验期间，兴化湾海域水沙随潮流往复进出，总体上为涨潮流方向，即由东南向西北运移，悬沙输移量较小，量级为103kg/d。

图6 兴化湾深槽水深变化对比Fig.6 Contrast of the depth of deep channel in Xinghua bay in different years

4 地形变化分析

为了解兴化湾海域水下地形变化，依据1963年、1994年及2008年实测水深地形图，并选择相应断面对兴化湾内部深槽冲淤变化进行分析研究。由图6

和图7可知，兴化湾内深槽西部(江阴壁头南侧)有不同程度的扩展，-5 m等深线向两侧冲刷后退约80 m，-10 m等深线扩展50～100 m，航槽基本处于冲刷状态。而江阴壁头南侧近岸浅滩，0 m线基本吻合，局部略有冲刷，1963—1994年地形变化，剖面A-A′和B-B′-5 m等深线冲刷后退80 m左右，平均每年冲刷后退2.5 m，-10 m等深线冲刷后退40～90 m，平均每年冲刷后退约1.5 m。在壁头东部的剖面C-C′边滩有冲有淤，处于相对稳定状态。

图7 兴化湾深槽不同剖面水深变化Fig.7 Changes in the depth of deep channel profiles in Xinghua bay

综合上述变化，由于兴化湾深槽海域处于较强往复潮流作用，深槽宽度不断向两侧扩展，而海底水深稳中有冲，基本处于略有冲刷的平衡状态。而深槽海域泥沙以涨潮流方向输运为主，即东南至西北方向，这样的泥沙输运方向是导致兴化湾江阴壁头附近深槽一直处于不断的冲淤状态的根本原因。

5 结 论

(1) 兴化湾海域含沙量较小，大潮的平均含沙量大于小潮的平均含沙量。大潮的平均含沙量是涨潮稍大于落潮，而小潮的平均含沙量是落潮稍大于涨潮。

(2) 无论是白天还是夜间，含沙量的涨、落潮变化明显，最大含沙量多出现在最大涨急时刻附近，最小含沙量多出现在最大落急时刻附近，表明测验海域泥沙受到的扰动较小。

(3) 兴化湾海域6个测站涨潮潮量及涨潮输沙率占优势，但涨、落潮输沙率绝对值都很小。测验海域水沙随潮流往复进出，总体上为涨潮流方向，即由东南向西北运移，悬沙输移量较小，量级为103kg/d。

(4) 兴化湾内江阴壁头附近深槽处于较强往复潮流作用，深槽宽度不断向两侧扩展，而海底水深稳中有冲，基本处于略有冲刷的平衡状态，这与该海域由东南向西北的潮流泥沙输运方向相吻合。

[1] 李孟国.兴化湾水文泥沙特征分析[J].水道港口,2001,22(4):156-159.

[2] 柯文荣, 张子闽. 兴化湾20～30万吨级深水航道的研究[J]. 水运工程, 2002,(8):44-46.

[3] 高劲松, 周良明. 兴化湾的潮流研究[J]. 海岸工程, 2009,28(4):1-10.

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(编辑：占学军)

Sediment Characteristics and Topography Evolution in Xinghua Bay

WANG Shi-ru, LEI Wei-li

(Department of Hydraulic Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160，China)

In the aim of investigating the sediment characteristics and topography evolution in Xinghua Bay, the distribution characteristics of sediment and the effects of suspended sediment transport on topography evolution were analyzed based on measured data of hydrology and sediment in Xinghua bay in July, 2013 and measured data of deep channels of Xinghua bay in the past years. Results show that sediment concentration is small in the study area,with the average sediment concentration only 0.062 kg/m3, and the average sediment concentration of spring tide is larger than that of neap tide. Moreover, sediment concentration changes obviously with tide fluctuation, and maximum concentration most appears when the velocity of rising tide reaches the maximum, while minimum concentration most appears when the velocity of falling tide reaches the maximum, indicating that sediment in the sea area is slightly disturbed. In addition, sediment discharge rates of rising tide are bigger than those of falling tide, but the absolute values of sediment discharge rate of two tides are very small. Finally, sediment in the area flows in and out with the tides, mainly transporting from the southeast to the northwest, which is the flow direction of rising tide. It accords with the phenomenon that width gradually expands in both sides of the deep channels near Bitou area and water depth is stable and increases a little, mainly in equilibrium with a bit more scouring.

Xinghua bay; sediment characteristics; sediment concentration; water and sediment transport; topography evolution; tide

2016-08-25；

2016-10-26

重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA20009)；重庆市教委科研项目(KJ1403602)

王世儒(1981-)，男，黑龙江鸡西人，讲师，硕士，研究方向为水工建筑物基础及河流动力学，(电话)15123081928(电子信箱)3591204@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160865

2017,34(8):1-5

TV142

A

1001-5485(2017)08-0001-05