海口湾东部海域淤积趋势机制分析*

曹永港 白玉川 陈宜展 邓 丹 欧阳永忠, 2 冯砚青 江 林 廖世智 肖志建

海口湾东部海域淤积趋势机制分析*

曹永港1, 2, 3白玉川3①陈宜展1邓 丹1欧阳永忠1, 2冯砚青1江 林1廖世智1肖志建1

(1. 国家海洋局南海调查技术中心 广东广州 510300; 2. 自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室 广东广州 510300; 3. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津 300072)

海口湾东部是南渡江西北新三角洲受水受沙盆地, 一直以来是典型的淤积海域。通过历史卫星影像分析海口湾东部浅滩的沉积过程, 研究不同时间的湾内表层沉积物分布规律, 采用遥感和实测悬浮颗粒物数据认知悬移质泥沙运动规律, 借助沉积物粒径趋势分析推移质泥沙运动规律, 对海口湾东部海域淤积趋势以及机制进行宏观分析。结果表明:海口湾东部浅滩的多个沙坝生成于不同的围海填地阶段; 人类活动建造的向湾内伸突的人工构筑物, 减弱了海口湾东部浅滩的潮流和波浪作用, 进而导致泥沙在“葫芦岛项目”东部和南部海域沉积。了解海口湾东部海域泥沙运动规律以及海域淤积机制, 是解决该海域淤积问题的基础。

海口湾; 浅滩; 悬浮颗粒物; 表层沉积物; 泥沙沉积

海口湾位于海南省海口市北部, 琼州海峡南岸中部(图1)。海口湾东部是南渡江出海口, 西部是新海玄武岩基岩岬角, 海口湾是典型的岬湾海岸(方国洪等, 1966; 夏东兴等, 1990; 龚文平等, 2001)。海口湾以湾顶的秀英港为界, 湾内海域分为东西两部分。

海口湾东部南渡江西北新三角洲是近4 000年来形成的陆地, 其中海甸岛是近1 000年来形成的陆地(王宝灿等, 2006)。在自然状态下, 南渡江出海口海域泥沙沉积, 南渡江西北新三角洲仍在发展扩大。另外近几十年湾内人工建造了大量建筑物, 海域泥沙沉积尚未得到充分调整, 海口湾岸线还远未达到动态平衡的弧形海岸状态。海口湾东部是泥沙沉积形成的大型浅滩。洪季时, 南渡江悬移质泥沙扩散后在沿岸流与潮流输运作用下在海口湾东部海域堆积; 枯季时, 河流输沙作用减弱, 波浪侵蚀河口沙体, 悬移质泥沙在沿岸流作用下向海口湾东部浅滩搬运, 推移质泥沙通过海甸岛向南向西运动输运至海口湾东部口门。海口湾东部海域经历了浅海、海湾、河口湾等不同阶段的发育演变过程, 在自然趋势下应向坝后潟湖洼地发展, 但人类活动改变了海口湾东部浅滩的自然演变进程(罗宪林, 1984; 余力民等, 1993; 张晓冬等, 2015)。

海口湾对海口市的城市建设以及环境景观具有非常重要的意义。近年来由于人为作用影响, 海口湾东部浅滩进行了很多围海造地与岸滩固化工程, 愈发引起社会的关注(石萍等, 2015; 张航飞等, 2019)。本文通过分析海口湾东部浅滩多年来表层沉积物变化过程, 采用遥感和实测悬浮颗粒物数据认知悬移质泥沙运动规律, 借助沉积物粒径趋势分析推移质泥沙运动规律, 探讨海口湾东部浅滩淤积机制。

1 海口湾东部岸滩变迁

根据谷歌地图(www.google.com)的历史卫星影像(图2), 可以看出海口湾东部浅滩及其周边岸滩的演变过程:

2003年, 除美丽沙外, 海口湾东部岸滩已基本是人工构筑物。美丽沙沙咀向西南侧延伸, 说明美丽沙的堆积泥沙来源主要是湾外经海甸岛西部岬角进入海口湾的泥沙。在海甸河河口及其南部海域存在浅水区。

图1 海口湾位置示意图

图2 葫芦岛及周边岸滩历史卫星影像

2009年, 秀英港岸滩伸突部分和美源游艇码头建造完成, 在游艇码头北部海域出现沙坝。美丽沙已经大面积消失, 除海甸岛西部岬角南侧还存在小面积砂质沙滩外, 海口湾东部海域未见明显的推移质泥沙堆积体。

2014年至2018年, 海口湾东部浅滩的泥沙缓慢沉积, 在“葫芦岛项目”东南侧岬角和游艇码头岬角出现小面积沙坝堆积体。

2018年, “葫芦岛项目”连岸陆桥拆除。

2019年和2020年, “葫芦岛项目”东部海域沙坝面积快速增大, 海口湾东部泥沙主要在“葫芦岛项目”东侧海域沉积。

2 海口湾东部环境特征

2.1 水动力条件

2.1.1 潮汐 根据2016年8月1日至2017年7月31日海口湾潮汐观测数据, 海口湾潮差值在1～2 m之间, 属于弱潮海区。潮汐类型为规则全日潮。

2.1.2 潮流 海口湾潮流呈现典型的东西向往复流特征。海口湾海域春、夏、秋、冬四季的余流都主要表现为自东向西运动(图3, 4), 即海水运动从东部湾口进入海口湾, 从西部湾口流出(陈宜展等, 2019a)。

图3 春季小潮余流分布图(2016年5月18～19日)

图4 秋季小潮余流分布图(2016年10月2～3日)

2.1.3 波浪 海口湾海域主要浪向为东北(图5), 波浪类型为风浪为主的混合浪。另外, 海口湾海域长期存在东向浪的低频能量谱, 海域受南海传入的长周期波影响(陈宜展等, 2019b)。通过波浪波向可以表征波动相位与能量传播方向。2017年1月和7月波向资料按16个方位进行统计, 公式为=/。其中,为每一方向波浪出现频率;为每一方向波浪出现次数;为统计资料总次数。将各月及全年的波高数据按每50 cm的波高级别与按16个方位划分的波向进行联合统计, 可得出波高与波向联合分布表及对应的波浪玫瑰图, 见图5。

2.2 水深状况

2020年8月, 国家海洋局南海调查技术中心对海口湾东部海域进行了水深测量。从图6海口湾东部海域的水深平面图可以看出, 海口湾东部海域的水深在-2～5 m之间(秀英站理论最低潮面)。葫芦岛与岸滩中间海域局部水深达到5 m。“葫芦岛项目”东侧和南侧有多块小面积区域露出海平面, 最大高度达到2 m。“葫芦岛项目”南部海域已难以通行船只。在“葫芦岛项目”东侧连岸陆桥拆除区域的水深相对较深。

图5 有效波高-波向联合分布玫瑰图

图6 海口湾东部海域水深图

2.3 沙坝-潮流汊道地貌

2020年8月13日, 国家海洋局南海调查技术中心对海口湾东部海域及岸滩进行了现场踏勘和无人机摄影。海口湾东部海域存在干出的沙坝(图7), 海域周边都是人工岸滩, 未发现岸滩侵蚀痕迹。

根据现场踏勘和无人机摄影, 未发现2020年5月卫星图片所示位于海甸河河口的沙坝1 (图2)。通过无人机航拍位于“葫芦岛项目”东侧的沙坝2, 可见附近海域水深很浅, 沙坝2呈带状, 沙坝上有波浪破碎现象, 沙坝2泥沙颜色较浅, 与细砂颜色接近(图8)。沙坝3为“葫芦岛项目”东南侧岬角处的沉积沙嘴。沙坝4位于“葫芦岛项目”南侧海域。沙坝5位于游艇码头岬角处, 沙坝5的泥沙类型主要是细砂, 分选性好(图9), 主要受单一动力因素影响。

图7 海口湾东部海域沙坝群演变图

图8 无人机航拍沙坝2附近海域

图9 沙坝5的泥沙类型

Fig.9 Sediment type of Sandbar 5

由图2和图7卫星历史影像(源自BIGEMAP GIS Office 全能版)可以看到, “葫芦岛项目”及其周边海域主要出现沙坝, 但这些沙坝的形成和发育时间是不一样的。沙坝的形成主要有3个不同时间阶段: (1) “葫芦岛项目”建造时形成的堆积沙坝; (2) 在连岸陆桥拆除前, 主要在“葫芦岛项目”南部波影区岸边形成沙坝; (3) 连岸陆桥拆除后, 主要在“葫芦岛项目”东部海域形成沙坝。

近岸海域沙坝是一种水上堆积地貌, 主要受激浪作用影响形成。近岸海域波浪破碎, 波浪能量耗散导致波浪搬运泥沙在近岸海域沉积, 从而形成水下堤状堆积体。此外, 波浪破碎时落下的波峰水体能量能够挖掘海底, 掀起水体带动了海底泥沙, 这些泥沙一部分被激浪流输运到岸边, 另一部分泥沙在破浪线后方堆积形成水下沙坝。近岸海域水下沙坝的分布方向并不规律, 与海岸不完全平行, 有的沙坝甚至交织在一起, 形成链状沙坝或分支状沙坝。这是由于近岸海域水动力条件复杂, 沙坝形成除了受到波浪破碎作用外, 还受沿岸水流作用的影响(朱大奎等, 2014)。海口湾东部海域是典型的海湾地貌和河口三角洲泥沙沉积海域, 并具有沙坝-潮流汊道地貌特征, 泥沙运动同时受到波浪破碎、潮流和径流作用影响, 需要通过年代尺度的过渡过程才能达到均衡态的动力-沉积-地貌系统(李炎, 2018)。均衡态的潮汐汊道存在沿程能耗率处处相等, 沿程输沙率递变也处处相等, 以及沉积速率处处相等的共同规律, 动力-沉积-地貌系统具有跨尺度的均衡态解(Li, 2002)。

3 表层沉积物演变分析

表层沉积物类型可以体现不同动力因素对海域泥沙的影响(曹梦莉等, 2017)。比较1993、2016、2020年海口湾表层沉积物空间分布特征以及时间变化特征, 探讨湾内泥沙运动规律。

3.1 海口湾1993年表层沉积物分布特征

余力民等(1993)对海口湾表层沉积物分布进行了研究, 认为海口湾表层沉积物类型主要有三种:中粗砂、细砂和泥质细砂、粉砂黏土。粉砂黏土是湾内最细沉积物类型, 分布于湾内中部和东部海域。细砂和泥质细砂主要分布于南渡江入海口海域, 主要是南渡江悬移质入海沉积泥沙。较粗的中粗砂分布于湾内西部岸滩、部分湾内海域, 海口湾中粗砂分布主要受波浪推移作用影响。泥沙分布主要呈东西向带状分布, 这与海口湾潮流东西向往复流的性质一致; 同时也反映了南渡江悬移质泥沙对海口湾沉积的直接影响。

3.2 海口湾2016年表层沉积物分布特征

2016年海口湾表层沉积物调查站位如图10所示。调查海域的表层沉积物类型共有8种:黏土质粉砂(YT)、粉砂(T)、砂质粉砂(ST)、砂-粉砂-黏土(STY)、粉砂质砂(TS)、砂(S)、砾砂(GS)、砂砾(SG), 湾外水动力环境较强, 沉积物以砂(S)为主; 湾内水动力环境较弱, 以黏土质粉砂(YT)为主。可把研究区划分成2个沉积物分区:Ⅰ区以砂质沉积为主, Ⅱ区以粉砂、黏土沉积为主。

图10 沉积物类型分布图(2016年)

与1993年海口湾表层沉积物调查结果比较, 海口湾西部“明珠岛项目”建设已经完成, “明珠岛项目”周边海域底质主要为砂。以秀英港深水航道为界线, 海口湾东西两部底质存在明显差异, 海口湾西部表层沉积物以砂和粉砂质砂为主, 粒径较大; 海口湾东部浅滩表层沉积物主要是砂质粉砂和粉砂, 粒径较小。海甸岛西北部仍存在砂质粉砂带, 海甸河河口存在粉砂带。

3.3 海口湾东部浅滩2020年表层沉积物分布特征

2020年9月海口湾东部海域表层沉积物取样主要关注“葫芦岛项目”周边海域、沙坝和海甸河入海口海域(图11)。从中可见, 海甸河河口沙坝(沙坝1)、“葫芦岛项目”东南岬角沙坝(沙坝3)、“葫芦岛项目”南部海域沙坝(沙坝4)和游艇码头岬角沙坝(沙坝5)的表层沉积物类型都是砂, “葫芦岛项目”东部海域沙坝(沙坝2)的表层沉积物类型是粉砂质砂。“葫芦岛项目”东部、北部和南部存在砂带, 泥沙主要受波浪推移作用, 粒径较大。海口湾东部浅滩东南部和西南部潮流作用较弱, 表层沉积物类型是粉砂, 泥沙粒径较小, 主要受南渡江输沙影响。“葫芦岛项目”附近海域的表层沉积物含有砾石、砂、黏土和贝壳, 分选性差, 调查海域是各种不同动力过程水体交汇区。

图11 海口湾东部浅滩表层沉积物类型分布图(2020年)

“葫芦岛项目”东部海域受海口湾波浪、潮流和海甸河径流共同作用, 水体辐聚, 海甸河入海粗颗粒砂在辐聚带沉积, 形成砂带。沙坝2水深较浅, 经海甸岛西部岬角进入海口湾东部浅滩的悬移质泥沙和海甸岛波影区推移质泥沙在此处交汇, 泥沙类型主要是粉砂质砂。

4 悬移质泥沙运动遥感分析

海口湾东部浅滩的泥沙运动形式主要是悬移质泥沙运动。利用遥感悬浮颗粒物反演方法可以反映出悬移质泥沙的空间运动特征和演变规律(Chen, 2010; Ramakrishnan, 2012; Yang, 2016)。本文采用美国陆地卫星计划(Landsat)的第八颗卫星Landsat8影像资料据进行遥感悬浮颗粒物反演分析, Landsat8影像分辨率30 m。T1格式卫星影像资料经过大气校正处理后, 运用C2RCC方法来去除大气分子与气溶胶的影响。

采用Zhao等(2018)对南海北部海域进行遥感悬浮颗粒物反演算法, 悬浮颗粒物(SPM)的计算公式如下:

式中,rs为遥感反射率。对2013～2020年海口湾的遥感影像进行以上过程的反演得到海表悬浮颗粒物分布(图12), 进行分析可知:

(1) 海口湾东部悬浮颗粒物浓度比西部高, 南渡江口以及海甸岛附近海表悬浮颗粒物浓度约为5 mg/L。海口湾东部浅滩悬移质泥沙运动方向主要是由东向西, 分别有南渡江河口悬浮颗粒物经海甸岛西部岬角进入海口湾和海甸河泥沙流入海口湾东部。

图12 近年海口湾海表悬浮颗粒物浓度遥感影像

(2) 秀英港在海口湾中部伸突, 减弱了海口湾东侧浅滩潮流作用, 海甸河进入海口湾东部的泥沙主要在“葫芦岛项目”东部和南部沉积。海口湾东部浅滩海表悬浮颗粒物浓度范围为1.3～16.5 mg/L。

(3) 南渡江河口向西绕过海甸岛进入海口湾的泥沙, 部分继续向海口湾中部运动, 部分向南进入“葫芦岛项目”东北部。

(4) 秀英港深水航道浚深, 容易发生回淤, 泥沙运动相对强烈。

5 悬移质泥沙运动实测分析

由图13和图14可知, 整体而言, 春、秋季小潮期间单宽悬移质泥沙通量方向与前述余流方向基本一致, 海口湾悬移质泥沙以偏西(包括西南、西、西北, 下同)输移为主。个别站受局部地形影响, 悬移质泥沙向东南输移, 但输移量很小, 其余各站偏西输移, 且具有越靠外海输移量越大, 越向近岸输移量越小的特征。

6 讨论

6.1 海口湾东部浅滩的沙坝形成过程

海口湾东部海域一直是泥沙沉积海域, 存在明显的沙坝, 湾内岸滩都已经是固化后的人工构筑物, 没有发现岸滩侵蚀痕迹。在“葫芦岛项目”建造之前, 项目附近海域都是浅滩和沙坝, 水深很浅, 近岸水域基本不能通船, 在“葫芦岛项目”建造后对海域进行了清淤, 小船才能沿岸边行驶。

2016～2017年对海口湾海域的波浪和海流观测发现, 海口湾海域的常浪向偏东, 春、夏、秋、冬四季的湾内余流方向也主要是由东向西, 说明该海域的泥沙运动方向由东向西。“葫芦岛项目”海域位于海口湾东侧, 波浪在此处发生绕射, 泥沙容易在附近海域发生堆积。沙坝1和沙坝2位于河口区域, 受到波浪和河流径流的共同作用, 波浪发生破碎(由图8可清晰见到波浪在沙坝2处破碎), 泥沙沉积, 形成沙坝。沙坝1和沙坝2都位于浅水区外缘。在2018年“葫芦岛项目”连岸路桥拆除后, 原来桥梁位置水深较深, 泥沙不易穿越深水区进入“葫芦岛项目”南部海域, 在沙坝2附近发生沉降, 因此沙坝2面积在逐渐扩大。沙坝3位于“葫芦岛项目”南侧岬角处波影区, 沙嘴向西南, 沙坝3主要发育时间在连岸桥梁拆除前, 由波浪破碎泥沙沉降形成。通过与“葫芦岛项目”建造时的卫星图片对比可见(图2), 沙坝4在“葫芦岛项目”建造时便已存在, 应是项目建造时南部海域泥沙堆积形成。沙坝5位于岸滩岬角, 泥沙类型主要是细砂, 分选性好, 说明主要受波浪作用形成。

图13 春季小潮单宽悬移质泥沙通量(2016年5月18日～19日)

图14 秋季小潮单宽悬移质泥沙通量(2016年10月2日～3日)

综上所述, 该海域的泥沙沉积主要有三个阶段:在“葫芦岛项目”建造前, 经海口湾东边岬角进入海口湾的泥沙就在该海域发生沉降; “葫芦岛项目”建造后, 泥沙主要在“葫芦岛项目”南部波影区发生堆积; “葫芦岛项目”连岸路桥拆除后, 泥沙主要在沙坝2附近海域发生堆积。海口湾东部海域泥沙运动尚未达到动态平衡, 在波浪破碎、沿岸潮流以及入海径流作用下泥沙堆积形成了多个沙坝。

6.2 海口湾东部海域推移质泥沙运动规律

对2020年海口湾东部海域表层沉积物采用Gao-Collins模型(Gao, 1992), 利用表层沉积物的平均粒径、分选系数及偏态系数估算海口湾东部海域沉积物的运移趋势。表层沉积物采样的最大距离为特征距离, 可得到如图15所示的表层沉积物粒径趋势分析矢量图。图中矢量箭头表示沉积物的输运方向, 矢量长度表示输运的显著性(并不表示输运率的大小)。根据图15的结果可知, 调查海域表层沉积物揭示如下泥沙运移特征:

（1）“葫芦岛项目”北侧的推移质泥沙呈现出自北向南(向岸)的输运趋势, 在“葫芦岛项目”东南部浅滩沉积。

（2）“葫芦岛项目”东部及南部海域是泥沙运动汇聚海域, 推移质泥沙容易堆积形成沙坝。

图15 2020年表层沉积物粒径趋势分析矢量分布图

注: 矢量长度仅代表粒径趋势的显著性, 不代表输运速率的大小, 箭头表示沉积物输运方向

海口湾东部浅滩处于海甸河和南渡江入海泥沙沉积海域。秀英港在海口湾中部伸突以及深水航道浚深隔绝了海口湾泥沙自东向西运动, 另外秀英港伸突部分减弱了海口湾东部浅滩潮流作用, 原本在海甸岛西部的水体辐聚区南移到了“葫芦岛项目”东部海域, 在波浪、潮流和海甸河径流作用下, 推移质泥沙在“葫芦岛项目”东部及南部海域沉积。

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ANALYSIS OF SILTATION TREND AND MECHANISM IN THE EASTERN SEA AREA OF HAIKOU BAY, HAINAN, CHINA

CAO Yong-Gang1, 2, 3, BAI Yu-Chuan3, CHEN Yi-Zhan1, DENG Dan1, OUYANG Yong-Zhong1, 2, FENG Yan-Qing1, JIANG Lin1, LIAO Shi-Zhi1, XIAO Zhi-Jian1

(1. South China Sea Marine Survey and Technology Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China; 3. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

As a typical silting area, the eastern shoal of Haikou Bay is a basin receiving water and sediments, which is in a new delta northwest of Nandu River. The sedimentation process of a sand bar in the eastern Haikou Bay were analyzed using historical satellite images. The distributions of surface sediments in the bay in different periods and suspended sediment movement in the eastern Haikou Bay were studied by using remote sensing and inversion of suspended sediment measurement. Macroscopic analysis on the sedimentation trend and mechanism in the eastern Haikou Bay was also performed. Results show that the positions of sand bars were resulted from sedimentation due to reclamation in the eastern Haikou Bay in different periods. Artificial constructions at the top area of the central Haikou Bay protruded into the bay, which has weakened the tidal current of the eastern Haikou Bay, thus resulted in the siltation in the areas east and south to the Hulu Island. Understanding the law of sediment movement and the siltation mechanism in the eastern sea area of Haikou Bay is the basis for solving the siltation problem in the sea area.

Haikou Bay; shoal; suspended matter; surface sediments; deposition

* 国家自然科学基金资助项目, 42174013号; 广东省海洋经济发展(海洋六大产业)专项资金项目,粤自然资合[2021]38号; 国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金, 180106号。曹永港, 硕士生导师, 高级工程师, E-mail: ygangc@163.com

白玉川, 博士生导师, 教授, E-mail: ychbai@tju.edu.cn

2022-02-08,

2022-04-19

P737.1

10.11693/hyhz20220200031