海南昌江海域表层沉积物特征及泥沙活动性分析

左书华，韩志远，谢华亮，李怀远，解鸣晓

（交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

0 引言

海岸与近海海床表层沉积物粒度是描述沉积环境的重要参数，其泥沙运动特征则反映了区域水动力与泥沙之间的相互作用，在很大程度上反映了区域动力作用以及地貌反馈的相互耦合机制，对港口航道、沿海旅游开发、海水养殖和海岸工程等方面研究具有重要意义[1-4]。

海南昌江位于海南岛西北部，濒临北部湾，海岸线全长63.7 km，具有丰富的海洋资源。有关昌江沿岸海域水动力、沉积等方面的研究，至今不多见，其中中国海湾志（第十一分册）中有关于“昌江棋子湾”海洋动力、地质地貌与沉积环境描述[5]，王宝灿等在其论著中对琼西中部（包括昌江沿岸）的地貌特征进行了论述[6]，陈丕翔等采用数学模型的方法对海南昌江核电厂低放废水数值模拟研究[7]。而针对昌江沿岸海域表层沉积物特征、泥沙运动特征等研究至今未见报道。本文以昌江沿岸海域为研究区，通过近期的表层沉积物采样资料，计算与分析了该海域表层沉积物特征与泥沙活动性参数，探讨海床沉积物与沉积动力学之间的联系，为相关研究提供依据与参考。

1 区域概况

昌江黎族自治县西北部濒临北部湾，南起咸田港，北至儋州市海头港，海岸线全长63.7 km，海岸基本呈NE—SW走向。在海洋动力（波浪、潮流）、河流动力、生物以及风力的作用下，在海、陆交会地带及其后海滨带发育了复杂多样的地貌类型，主要有珊瑚岸礁、沙堤、沙嘴、河口三角洲以及风成沙丘。从沿海海域实测水下地形资料显示，2 m等深线以浅区域基本为相对平坦的平台地形，宽度在400～1 000 m之间，主要为珊瑚岸礁平台；2～10 m等深线之间为陡坡，坡度为1/50～1/80，10 m等深线以外坡度变缓，10～20 m等深线坡度约为1/300，20 m水深以外海床坡度约为1/600。

本海区的潮汐类型属于正规日潮，根据昌江海域短期潮位资料显示，最大潮差4.1 m，平均潮差2.1 m，平均高潮位1.77 m（国家85高程）。根据2008年夏季和冬季两次水文测验资料显示，本海区的潮流性质为不规则全日潮流，运动性质表现为典型的往复流性质，涨潮方向主要为ENE向，落潮方向主要为SW向；夏季大潮平均流速约为0.38 m/s，冬季大潮平均流速约为0.29 m/s。

根据昌江核电厂址外约1 km处（水深10 m）1 a波浪资料显示，该海域以风浪为主，常浪向为N向，频率为29.87%；次常浪向为NNE向，频率为26.24%；观测期间强浪向主要出现在N向与NNW向，H1/10最大波高分别为4.37 m、3.98 m；观测期间，年平均值周期为2.97 s，年平均H1/10波高0.31 m。

该海域在水文全潮天气条件下，整个海域含沙量较低，其垂线平均含沙量值均在0.01 kg/m3以下，底层含沙量平均值在0.05 kg/m3左右。

2 资料与方法

1）2010年11月在昌江沿海海头新港—海尾港海域，进行了大范围表层沉积物取样工作，共采集样品201个（图1）。样品均采用蚌式抓斗采样器采集，采样深度为5～10 cm，每次采样前后均严格按照GB/T 12763.8—2007《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》[8]的规定清洗采样器，以防样品污染，样品采集后充分搅拌混合，经现场描述后装袋标识，运回实验室以备分析。

图1 海南昌江海域形势及表层沉积物取样点Fig.1 Situation of Changjiang sea area and sediment sampling points

2）所采样品经由实验室处理之后，采用英国马尔文仪器公司的MS-2000型激光粒度分析仪进行粒度分析，然后根据国家海洋调查规范计算出中值粒径D50、分选系数σ、偏度Sk等粒度参数，并划分粒级标准和进行沉积物命名。

3）采用国内外比较经典的经验公式、规范公式对泥沙在水流、波浪作用下的泥沙起动流速、波浪破碎和临界起动水深进行计算，来分析泥沙活动性。

3 表层沉积物特征

3.1 沉积物类型

本区沉积物类型较为复杂，有礁石、珊瑚碎块、砾石（G）、粗砂-砾（CS-G）、砾-粗砂（G-CS）、粗砂（CS）、中粗砂（MCS）、粗中细砂（CMFS）、中砂（MS）、中细砂（MFS）、砂质粉砂（ST）、粉砂（T）及黏土质粉砂（YT）等13种，其中以砾-粗砂、粗砂、中粗砂、粗中细砂、中砂及中细砂等砂质沉积物在整个海区内广泛分布（图2（a）），所占的比重最大，约占57.7%；其次为珊瑚碎块、砾石及粗砂-砾等砾质沉积，约占22.4%，主要分布在昌江核电厂取水明渠附近近岸和深水区以及海尾港北侧；砂质粉砂、粉砂及黏土质粉砂等粉砂质沉积占10.95%，主要分布在昌江核电厂区北侧深水区及海尾港口门内外；岸礁平台区沉积物质以粗颗粒的砂质和砾石分布为主，约占8.95%。由图2（a）可以看出，昌江核电厂取水明渠附近为粗砂、砾石、珊瑚礁等交错区，取水明渠南北两侧10 m等深线以浅的区域以粗砂为主，间有少量的砾石及珊瑚碎块；10 m等深线以深的区域珊瑚礁、砾石、粗砂及粉砂质沉积交错分布，沉积环境复杂。海头附近主要为砂质沉积区，以粗砂和中粗砂占优，10 m等深线以深的深水区分布少量的粉砂沉积和砾石。海尾港内及口门附近为粉砂沉积，北侧近有砾石及珊瑚礁，其余区域主要分布粗砂沉积物。

图2 昌江海域表层沉积物特征图Fig.2 Surfacesediment characteristicsdistribution of Changjiang sea area

3.2 中值粒径

本区沉积物中值粒径除去礁石、珊瑚块及部分砾石外，中值粒径基本在0.006～8.640 mm之间变化，泥沙颗粒变化幅度较大。从断面分布来看，各断面泥沙平均中值粒径在0.505～2.660 mm之间变化，以昌江核电厂为界，北侧断面平均中值粒径为0.890 mm，南侧断面平均中值粒径为1.400 mm，南侧沉积物粗于北侧。从图2（b）可以看出，在海头至昌江核电厂区域近岸，中值粒径主要呈小于0.1～1.0 mm粒径的分布区，泥沙粒径偏细；在深水区则存在3部分面积不大，粒径大于2 mm的砾石沉积区；昌江核电厂附近北部为小于0.5～1.0 mm粒径的不规则分布区，其余基本被粒径大于2 mm沉积区域所覆盖；昌江核电厂以南和海尾港附近各有一处小于0.5 mm粒径的分布区，深水区沉积物中值粒径小于1 mm，其余区域泥沙中值粒径均大于2 mm。

3.3 分选系数

分选系数反映的是泥沙颗粒均匀性，泥沙颗粒越均匀，分选越好，分选系数越小；反之，分选系数大。本区沉积物分选系数在0.10～2.07之间，以昌江核电厂为界，以北断面的平均分选系数为0.83，南部断面的平均分选系数为0.57。昌江核电厂附近断面平均分选系数为0.84。按照《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》[8]五级分选的划分标准，该区域沉积物分选程度大部分属于分选性好和分选性极好的级别，局部分选差和极差；分选程度很差的区域仅在昌江核电厂附近水下以北局部区域分布，分选程度中常的区域也集中在昌江核电厂附近区域，另外在海尾港附近及深水区和海头港深水区呈局部分布（图 2（c））。

3.4 砂组分含量

从整个取样区看，砂组分平均含量约为40%，图2（d）给出了该区域砂组分的含量分布情况，从中可以看出昌江核电厂北侧10 m等深线以内砂组分含量高达80%以上，南侧2 m等深线以内砂含量较低，在20%以内；另外在海尾角北侧有局部区域砂含量在20%以内，其余大部分区域砂组分含量主要集中在50%～80%之间。

4 泥沙活动性分析

该海域属于砂质海岸，波浪是砂质海岸侵蚀作用的主要动力因素。因此分析泥沙活动性，包括波浪破碎带、临界起动水深、泥沙起动流速等参数，对研究泥沙活动范围和能力非常重要，有助于深化对该区域泥沙理论的认识，可以为海岸工程的建设提供参考。

4.1 沿岸波浪破碎分析

波浪破碎带是沙质海岸泥沙最为活跃的地带，在波浪等动力作用下引起破波带的泥沙产生横向和纵向运动。因此，破波带宽度的定量计算对输沙量计算是极其重要的。本次分析采用昌江核电厂附近海域波浪资料。考虑到岸段与波向关系的实际情况，选用对该岸段有影响的多个方向波浪特征值作为计算条件。

在忽略绕射效应的影响下，波浪由深水传至近岸，仅受折射和浅水变形作用，其破波波高Hb可表示为[9]：

式中：Kr为折射系数，Kr=（cosθ0/cosθb）1/2；Ks为浅水变形系数，Ks=（Cg0/2Cgb）1/2；Cg0为深水波群速，Cg0=0.5C0=gT0/4π；Cgb为破波处波群速，Cgb=Cb=θ0和θb分别为深水和破波处的波向；H0为深水波高；hb为破波水深。

破波角θb可用snell定律计算[9]：

波浪破碎的判别式为：

式中：r为波浪破碎指标，对于沙质海岸可采用Collins经验公式[10]：r=0.72+5.6tanβ，其中 tanβ为岸滩坡度，针对工程海域可取为1/50。

基于以上公式，经反复迭代可得到工程海域在不同波向、波高入射条件下的破碎波高Hb和破碎水深hb。

表1和表2分别给出了工程海域在正常天气下和极端波浪条件下（50 a一遇）的波浪破碎情况，其中正常天气选择N、NNE、NW和NNW四个方向；极端波浪选择N、NW和W向。经分析，在正常天气下，工程海域各向破碎波高均在1.0 m以下，破碎水深亦基本控制在最低潮位下1.0 m水深处（85高程下2.0 m左右）；而在极端天气情况下，较大的入射波高将会使得破波带向外海延伸，其中NW向破碎波高可接近4.0 m，而破碎水深可推进至最低潮位下5.0 m水深处（85高程下6.3 m左右）。

表1 昌江海域正常天气破碎波高、破碎水深Table 1 Breaking wave height and crushing depth of normal day in the Changjiang sea area

表2 工程海域50 a一遇破碎波高、破碎水深Table 2 Breaking wave height and crushing depth of 50 years return period in thesea area

4.2 泥沙起动的临界水深

在波浪作用下，床面泥沙的运动形态将产生一定差异。因此，可将泥沙起动的临界水深分为表层活动临界水深和完全活动临界水深。泥沙表层活动临界水深指泥沙在波浪作用下，仅表面一个颗粒厚度的泥沙层处于临界活动状态；而对海底工程具有影响的是完全活动临界水深，它反映在波浪作用下有数个颗粒厚度的泥沙层产生位移。

由于泥沙活动临界水深在海岸工程中具有重要意义，这一问题的研究很早就引起研究工作者的注意。本次研究中，采用佐藤[11]等人的公式计算泥沙的表层和完全活动的临界水深，见式（4）：

式中：H0和L0分别为深水波高和深水波长；H和L分别为计算处的波高和波长；D50为床面泥沙中值粒径；hc为临界作用水深；α为经验系数，当泥沙表层起动时取1.35，泥沙全面起动时取2.40。

表3中给出了不同入射波浪等级条件下，针对不同粒径泥沙的临界起动水深，包括表层起动和完全起动。

表3 不同波况作用下不同粒径泥沙的临界起动水深Table 3 The critical starting water depth of sediment of different sizes under different wave function m

经分析计算结果，当深水波高H=0.7 m时，2.0 m水深内的底质泥沙可少量起动，但难以全面起动，显示出较弱波浪条件下近岸泥沙运动微弱；当入射波高提高至H=1.5 m时，水深5.0 m内的底质泥沙少量起动，水深2.5 m内的泥沙可大量起动，泥沙主要活动带为5.0 m等深线内，在该范围内，泥沙可作纵向或横向运动。当H=2.5 m时（类似台风浪作用下），表层泥沙起动可向外海延伸至水深8.0 m处，且5.0 m内泥沙可大量起动。相对本海域而言，表层泥沙起动可达85高程下9.3 m处，泥沙大量起动可达85高程下6.3 m处。

此外，表中亦显示出较粗泥沙抵御波浪作用的能力较细颗粒泥沙强，在波浪较弱时，粗颗粒泥沙（D50=1.00 mm）难以全面起动；在同一波浪条件下，粗颗粒的起动水深较细颗粒泥沙更小，其差异可超过1.0 m。

4.3 水流和波流作用下的泥沙起动流速

水流和波流作用下的泥沙起动是反映当地水动力条件对泥沙运动影响的重要指标之一[1，6]。根据国内外学者对非均匀沙起动流速的研究，利用窦国仁公式和张瑞瑾公式分别对本工程海域底沙进行了理论计算。

窦国仁公式[12]：

式中：εk=2.56 cm3/s2；δ=0.213×10-4cm；ks为糙率；D＜0.5 mm时，取ks=0.5 mm，D＞0.5 mm时，取ks=D。

张瑞瑾公式[13]：

式中：h为水深，m；D为泥沙粒径，m；γs为沙粒比重，水体比重取为γ=1。

近岸水流作用下泥沙起动流速计算结果如表4。

表4 近岸水流作用下泥沙起动流速计算结果Table 4 Calculation results of sediment starting velocity under the action of nearshore currents

由表4可以看出，在纯水流作用下，泥沙起动基本在0.5～0.6 m/s之间，而当地大潮垂线平均最大流速在0.4～0.5 m/s之间，因此单纯水流基本不具有起动当地泥沙的条件；加上波浪作用则有所不同，由本海域泥沙水力特性实验结果[14]显示，0.8 mm泥沙在5 m水深4 s周期波高0.5 m情况下，泥沙起动流速在0.41 m/s左右。因此只有在波流共同作用下，当地泥沙才具备起动的条件，其中波浪起了关键性作用。

5 结语

1）海南昌江海域为正规全日潮类型，平均潮差2.11 m，潮流为不规则全日潮流；海域波浪以风浪为主，常浪向为N向。该海域属于砂质海岸，表层沉积物质以砾-粗砂、粗砂、中粗砂、粗中细砂、中砂及中细砂等砂质粗颗粒沉积物为主，中值粒径在0.005 9～8.636 0 mm之间变化，泥沙颗粒变化幅度较大，以昌江核电厂为界南侧沉积物平均中值粒径1.400 mm粗于北侧0.890 mm。

2）昌江核电厂取水明渠附近为粗砂、砾石、珊瑚礁等交错区，取水明渠南北两侧10 m等深线以浅的区域以粗砂为主，间有少量的砾石及珊瑚碎块；10 m等深线以深的区域珊瑚礁、砾石、粗砂及粉砂质沉积交错分布，沉积环境复杂。

3）泥沙活动性分析结果表明：在纯流作用下，基本不具有起动当地泥沙的条件，波浪对泥沙运动起到关键性作用；泥沙活动区域一般集中在5 m等深线以内；在正常天气下，该海域各向破碎波高均在1.0 m以下，破碎水深亦基本控制在最低潮位下1.0 m水深处，在极端天气情况下，则可推进至最低潮位下5.0 m水深处。