江苏启东碧海金沙围堤工程海域水文泥沙环境特征分析

王江南

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

江苏启东碧海金沙围堤工程位于长江口北支口门北侧启东嘴附近，属于江苏省启东市范围(图1)。工程的选址往往受到使用需求的制约，但综合考虑地质、自然条件等因素仍是选址的重要内容。拟建工程毗邻长江口，长江河口海岸地区的水动力条件比较复杂，涉及到潮流、泥沙等各方面动力因素的相互作用，需要对河口浅滩的冲淤及演变趋势、周围海域的水动力环境、泥沙输移规律等进行必要的分析和研究。

本文拟通过实测水文泥沙数据和历史海图资料，分析江苏启东嘴附近水动力环境和泥沙含量与海床冲淤变化及其稳定性规划，为以后的工程建设提供基础数据和科学建议。

图1 工程附近海域2011年4月遥感影像

1 资料与方法

2003、2010和2011年洪季(7月份、8月份)在工程区附近设置了若干实测点位，涵盖完整的大潮和小潮周期。现场流速流向观测仪器采用美国TRDI公司生产的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，同时采用美国Compbell公司生产的OBS自动记录水体浊度，并用整点采集的六层泥沙水样所测得含沙量进行率定，最终得到全时段全测点的含沙量。

以不同时期的遥感卫片，上世纪70年代、80年代和90年代工程区附近海图资料为基础，运用地理信息系统技术，对海图进行扫描、配准和数字化。利用数字化得到的离散水深点，建立研究区域内的数字地形，镶嵌成图。

2 海岸地形地貌特征

工程附近岸段位于长江口北支口门北侧，属于长江三角洲组成部分，海岸发育演变与长江口演变密切相关。长江口的北岸是一系列沙洲或沙洲群通过夹江淤阻，和岸相连的，使廖角咀(现“启东咀”)逐渐向东南方向发展[1]。20世纪初年，许多小沙岛连接起来才成为今日的启东市，廖角咀才移动到现在的位置[2]。

工程附近区域陆地地貌以冲积海积平原地貌为主，海岸地貌以人工改造的海岸地貌(海堤、码头等)、海陆交互作用的潮间带地貌和水下三角洲地貌为主[3]。工程附近海域属于近岸浅水海域，海域海底地形总的变化趋势为从近岸向海逐渐变深，具体可以分为浅水滩涂区、沙洲区、水道区和浅海区，该海区-10 m等深线以内的水下浅滩地形相对复杂，水下发育着水下沙洲(拦门沙)和冲刷槽。

3 水动力条件

3.1 波 浪

根据引水船站资料[1-3]，长江口海域波浪以风浪为主，其中累年平均的风浪出现频率大于90%。冬季以偏N向浪为主，NW～NNE向浪占59%；夏季以偏S向浪为主，ESE～S向浪占48%；秋季浪向与冬季类似，春季为过渡季节，浪向多变。从多年来看，引水船站波浪频率最大的是E向，但波高主要集中在0.5～1.5 m；波高大于1.5 m的波浪主要出现在N、NNE向。

引水船站多年平均波高为1.0 m，以NW、NNW向平均波高最大，为1.3 m；以SW、WSW向平均波高最小，为0.7 m；各向平均波高和最大波高和季节风向相对应，均表现为冬半年的波浪大于夏半年；实测最大波高为3.2 m，浪向为WNW向。由于在热带气旋影响长江口海域时，引水船往往因避风而无法进行波浪观测，因此缺少部分大浪资料。据上海市地方志办公室资料显示，引水船区域曾出现过的最大波高达6.1 m(1970年8月19日)，浪向为E向，由7008号台风引起。

引水船站波浪多年平均周期为3.6 s，各月平均值为3.5～3.7 s，各波向多年平均周期有一定的变化。

3.2 径 流

工程区地处江海之交的长江口北支口门北侧。北支河槽曾是长江入海主泓，18世纪后长江主流改道南支，北支径流开始减少，1915年北支入海分流量占南北总量的25%，1923年降为23%，1958年洪季北支年均分流比减至8.7%[2]。1971-1987年涨潮期间出现了北支水、沙倒灌南支的现象；1988-2001年北支年平均分流比保持在1%～4%之间，其中2001年仅为1.4%；2003、2004和2005年北支分流比分别为1.55%、1.96%和2.80%，平均为2.1%[2]；如果以长江口多年平均年径流量8 962.5×108m3计算，北支径流量约为188.2×108m3。

北支水道径流分流量逐年渐小，径流对北支水道的影响越来越小，北支水道主要受涨潮流的作用更加明显。

3.3 潮 汐

工程附近海域潮汐属于正规则半日浅海潮，平均潮周期为12 h 25 min左右，日潮不等现象明显。根据工程区附近的三条港和连兴港水文站多年实测潮位资料(1987-2001年)，潮汐特征见表1。

表1 工程区潮汐特征值

注：吴淞高程基面。

3.4 潮 流

工程海域受东海前进潮波控制，潮波自长江口外向西北方向传播，近岸涨潮流至长江口北支口外北侧分异，一部分南偏后进入长江口北支，一部分继续北上进入江苏省岸外海域[3]。

根据工程附近不同时期实测潮流资料调和分析结果，工程海域潮流性质以不规则半日潮流为主，潮流总体沿岸(等深线)走向呈往复运动(图2-图4)。水流主流向与地形走向一致，北支水道内的测站走向基本与-5 m等深线走向一致；启东东侧岸外水域的测站流向基本呈NNW～SSE走向。近岸及水道内测站往复流特征明显，相对开敞的海域表现出一定的旋转流特征。

从流速统计结果来看，海域内大小潮流速强度存在一定差别，明显表现出大潮流速大于中潮，中潮大于小潮的特征；在大潮期间，工程附近海域涨落潮垂线平均流速一般在0.5～1.1 m/s，最大流速可达1.4 m/s以上；中潮时，垂线平均流速一般在0.35～0.82 m/s，最大流速可达0.8～1.2 m/s之间；小潮时，垂线平均流速一般在0.3 m/s左右，最大流速在0.5～0.7 m/s之间。

在潮段流速变化上，最大流速和垂线平均流速大多数表现为涨潮流速大于落潮流速，特别是深槽内的点表现突出，这些均与北支喇叭状的河槽形态及涨潮槽性质有关。

图2 工程区海域大潮潮流矢量图(2003年)

图3 工程区海域大潮潮流矢量图(2010年)

图4 工程区海域水文测站大潮潮流矢量图(2011年)

从潮流分层流速过程来看(图5)，该海域表层流速一般是底层流速的2倍左右，相对开阔的水域大潮表层流速可达1.1 m/s，而底层流速只有0.4 m/s；靠近岸滩或水深相对较浅的水域受边滩影响，表底流速相差较小。

图5 工程区海域各测站大潮分层流速过程(2011年)

4 泥沙环境

4.1 含沙量分布特征

4.1.1 大范围含沙量分布特征

采用卫星遥感反演技术，获取了研究海区大范围含沙量分布特征，见图6。从图6中可以看出：

从空间分布上，总的来看长江口区域、北面的辐射沙洲附近和南面的杭州湾附近区域，由于沉积物供应量丰富，动力作用强，含沙量都较高。最高浓度出现在长江口口门拦门沙附近的最大浑浊带，长江河口外的悬沙浓度相对较低，江苏海岸靠近辐射沙洲区域浓度略高，长江口南侧的杭州湾海域的含沙量也较高。长江口北支的浓度要高于南支，南槽、北槽、崇明东滩附近是高悬浮泥沙浓度分布带。口外地区的浓度一般不高于0.2 kg/m3，口内大部分地区的含沙量都在0.3～0.5 kg/m3，最高可达0.7 kg/m3。

长江口口门地区含沙量较高，相对较高的含沙量主要集中在浅滩水域，入海泥沙进入口外进一步扩散沉积，含沙量显著减小，在东海近岸流系及风海流的侧向牵动影响下，其外缘向北偏转，泥沙扩散方向指向苏北沿海[2]。

图6 工程附近海域含沙量分布(2007.11.20)

在一个潮周期内，含沙量的大小与流速大小有关。潮流流速大时，底部再悬浮作用强烈，悬浮泥沙浓度较高。大小潮周期内，大潮时浓度高于小潮。不同季节中，在洪季，口内径流作用占优，长江口内含沙量明显高于枯季，且随着不同潮型和潮段变化较小，河口外局部含沙量明显高于周围海域，表现出洪季长江径流携带泥沙对河口地区含沙量有较大影响；而口外由于冬季风浪影响较大，由于风浪引起的波浪掀沙作用，冬季浓度高于夏季。

4.1.2 工程区实测含沙量分布

根据2010、2011年工程区附近水域含沙量资料分析，工程区附近海域含沙量呈现出如下几个特征：

近岸水域含沙量较高，向外逐渐降低，含沙量等值线大致与等深线平行，与海岸走向一致；近岸浅水区平均含沙量一般在0.3～0.7 kg/m3，深水区一般在0.2～0.4 kg/m3。工程附近测验水域内的各测站大多是落潮含沙量大于涨潮含沙量，落潮含沙量占主要优势。在平面分布上，V5#测线的涨落潮平均含沙量最高，V1#测线的涨落潮平均含沙量最低。其中，涨潮平均含沙量最大为0.477 kg/m3，落潮平均含沙量最大为0.484 kg/m3，均出现在大潮期的V5#测线位置；从潮型分布上，大潮各测站的涨落潮平均含沙量最大，其次为中潮和小潮；在垂线分布上，各垂线含沙量的垂向分布变化十分明显，含沙量均以上层向底层逐渐增高为特征，底层与表层平均含沙量比值介于2.0～10.0之间(图7)；在季节上，冬季含沙量明显高于夏季，主要是由风浪的季节性变化引起的。

4.2 悬沙粒径和底质

根据2011年7月全潮测验资料，各垂线中值粒径(d50)平均介于0.005 3～0.009 9 mm之间；最小粒径为0.004 8 mm，最大粒径为0.016 3 mm；悬沙颗粒样品主要由黏土质粉砂组成，其中砂平均百分比占0.5%～7.5%，粉砂平均百分比占60.3%～75.4%，黏土平均百分比占22.0%～36.6%。总体上来说，悬沙粒径以细颗粒为主。

根据不同时期包含着工程区域的底质调查资料(长江口及附近海域、江苏海岸带调查资料、长江口北支及附近底质调查资料)分析[3-4]，工程附近近岸潮滩主要以黏土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和细砂(S)为主，中值粒径在3φ～7φ(0.016～0.25 mm)。根据全潮水文测站底质资料，其中值粒径介于0.007～0.176 mm之间，砂平均含量在19%，粉砂平均含量在71%，黏土平均含量在10%，沉积物类型以砂质粉砂和粉砂为主。与前述历史资料基本一致。

图7 工程海域各测站分层含沙量过程

4.3 泥沙来源

工程区附近的泥沙主要受到于两股泥沙流的影响，一是长江口下泄的泥沙向北的扩散；二是北部辐射沙洲的泥沙向南的搬运[2-3]。长江口年平均入海泥沙量数以亿吨计，是工程海域最大的陆源泥沙，但长江口泥沙入海后的输运方向和范围，除了短周期内受风浪和周期性、往复性运动的潮流作用有关外，大范围的输运主要取决于更长周期的潮流形势。从遥感影像来看，长江口口门附近的高含沙量水舌一般是向东南偏，夏季受东南风影响略有偏北；从沉积物分布来看，工程区以及以北区域主要是粉砂和细砂为主，长江口则主要是黏土质粉砂或粉砂质黏土，由此可见，长江口泥沙的输移扩散对工程附近海域有一定的影响。不过现代长江入海泥沙直接补给工程区附近岸滩物质仅仅是一小部分来源，大量的泥沙主要是古长江水下三角洲所遗留的沙体，在向岸风形成的波浪作用下使浅海沙脊(体)掀沙，经过潮流的搬运，在涨潮流速大于落潮流速的动力条件下，成为岸滩变化的重要物质来源。

辐射沙洲南下的泥沙流也是长时间上影响着工程海域岸滩变化。在短期时间内，工程海域的泥沙来源仍然是来自附近滩面泥沙在波浪潮流作用的往复搬运。

5 地形冲淤变化

该区域属于长江口北翼冲积-海积平原。新中国成立以来，人工围垦活动持续加强。图8中的海防公路是20世纪50年代末期修建的，有改善海岸交通、抵御风暴潮灾害等功能，1970、1989和1992年又分别进行围垦滩涂修建了新的大堤。2007年恒达集团在东部潮滩的砂质光滩上建造了高标准的大堤，围垦大量海岸滩涂用于建设“北上海恒达威尼斯水城”高档水景绿色住宅区以及国际会议旅游休闲接待区。在岸线变化上可以看出，在人类活动影响下海岸线向海推进了约6 km。

工程区附近岸段(协兴港-连兴港)北接吕四侵蚀岸段，南连长江口北支，岸外无沙洲掩护，无大型潮汐水道。自北向南方向，滩面高程逐渐下降，剖面呈斜坡形，坡度约为1.05‰～1.15‰。浅水区以上断面基本上呈现出稳定的微淤形态。从图9可以看出，自上世纪70年代以来工程海域等深线变化，除局部区域外，基本保持较好的稳定性。根据连兴港附近钻孔取样资料分析，1963年以来的平均沉积速率为2.3 cm/a，1986年以来的平均沉积速率为1.6 cm/a[4-5]。

图8 工程附近近期海岸线变化

图9 上世纪70-90年代工程区附近海域等深线变化

影响该海域岸滩的变化的主要因素[5]，一是海洋动力条件；二是海岸工程建设，护岸、围堤、栈桥、海底取沙等工程在一定程度上干扰了海岸的自然演变过程，日益成为影响沿海潮滩发育、尤其是高潮滩发育的主导因素；三是泥沙来源，工程附近海域潮滩发育的泥沙主要来源于古黄河与古长江的泥沙供应，近年来长江入海泥沙逐年减少，2007年仅为1.38×108t，且主要向东南运移，仅汛期有10%的水量和泥沙从长江口向东北方向运转，对江苏沿海影响较小；废黄河水下三角洲及辐射沙洲仍然是影响工程附近沿海地区的主要泥沙来源，在中长期时间段内影响岸滩的发育过程。

由于长江对工程岸段海岸供沙的逐年减少以及20世纪50年代海堤的基本建成以后逐年筑堤围垦，使海滩纳潮面积缩小，河流排水受到节制，下泄泥沙大大减少。潮流和波浪对海岸的动力作用相对加强，成为海岸动态变化的主导因素，因而工程区附近岸滩有冲蚀的趋势。河海大学在2008年3月和2008年10月曾对断面2所在位置进行了相关断面测量(图10)，结果显示平均低潮位线附近陡坡向陆推进了约200 m。经初步分析，该结果一部分是由于季节性变化而导致的侵蚀后退，同时也受到外海泥沙来源减小，再加上岸外人工采砂和围堤工程综合影响导致的结果[6]。

图10 工程区附近岸滩剖面形态

6 结 论

利用多期水文资料和海图资料，对江苏启东碧海金沙围堤工程海域水动力条件、泥沙含量和底质特征及海床冲淤变化进行分析。研究结果表明：

1) 工程附近海域潮汐属于正规则半日浅海潮，平均潮差3 m左右；潮流性质以不规则半日潮流为主，潮流总体沿等深线走向呈往复运动，大潮期涨落潮垂线平均流速一般在0.5～1.1 m/s。

2) 海域沉积物供应量丰富，动力作用强，含沙量较高。近岸水域含沙量较高，向外逐渐降低，近岸浅水区平均含沙量一般在0.3～0.7 kg/m3，深水区一般在0.2～0.4 kg/m3，落潮含沙量大于涨潮含沙量；在垂线分布上，各垂线含沙量的垂向分布变化十分明显，底层与表层平均含沙量比值介于2.0～10.0之间；在季节性分布上，冬季含沙量明显高于夏季，主要是由风浪的季节性变化引起的。

3) 近岸潮滩底质以黏土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和细砂(S)为主，中值粒径在0.016～0.25 mm。工程海域泥沙来源，主要受长江口下泄泥沙向北的扩散和北部辐射沙洲泥沙向南的搬运两方面的影响，其中长江口泥沙的输移扩散对工程附近海域影响相对较大，不过由于上游流域来沙不断减小，其影响最大的是本海域浅滩泥沙在水动力往复搬运。

4) 自上世纪70年代以来工程海域等深线变化，除局部区域外，基本保持较好的稳定性。近些年来，受人为和流域来沙减少双重影响，岸滩总体呈侵蚀后退趋势。