秦皇岛海域水文泥沙特征分析

王中起，韩志远，严 冰

（1.河北省水运工程规划设计院，天津300074；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

根据经济发展的需要，秦皇岛市拟开展旅游休闲人工岛工程及山海关港区规划工程的研究论证工作。山海关港区的规划是垂直岸线向外建设，人工岛位于山海关港区南侧。为明确其工程建设对周围海区水动力泥沙环境的影响，特别是对敏感区域的影响，需要进行研究论证并开展数学模型等相关的试验研究。

本文根据2009年秦皇岛海域大规模水文全潮观测、底质调查取样及断面水深资料，并结合历史上的水深、多年的气象和波浪资料，对秦皇岛附近海域的水动力泥沙特征进行分析，为数学模型试验、海岸工程设计等提供基本依据。

1 地质地貌特征

工程区附近海岸位于中生代燕山褶皱带的山海关隆起区。南与冀北凹陷、东与渤海凹陷相邻。新生代以来，新构造运动活跃，北东向、东西向和北西向断裂发育，形成了西北部隆升、东南部下沉的北东—南西向延伸的三级阶梯状地貌格局：断块构造低山、丘陵台地、海岸带3大地貌单元。现代海岸带岬湾相间，岸线总体平顺，尽管自东向西发育多个规模不等的岬角，但除环海寺地咀和金山咀岬角规模较大外，其他岬角向海突出有限，从而形成了发育程度不同的弧形海湾［1-2］。

1.1 岸滩地貌特征

根据2009年9月对工程区附近绥中电厂至洋河口岸段沿岸潮间带地貌调查结果，沿岸地貌及沉积特征如下。

（1）芷锚湾岸段。芷锚湾位于环海寺地咀以北，东与绥中平直砂质海岸相接，沿岸主要是平原砂质海岸，泥沙来源主要为沿岸小河下泄泥沙以及海岸侵蚀供沙。岸滩潮间带宽广、坡度较小，有滩肩发育。泥沙搬运较活跃，岸滩沉积物主要为粗砂或粗中砂。绥中电厂位于夷平砂质岸段，在电厂西侧防波堤前有小规模堆积体，由此可以看出该岸段存在自西向东的沿岸输沙，但堆积体规模不大，显示输沙量都不大。芷锚湾属弧形湾，动力环境较弱，存在向湾顶的微弱沿岸输沙。

（2）环海寺地咀至石河口岸段。山海关船厂以西岸段属岬湾相间的砂质—基岩海岸，沿岸潮间带较窄，岸滩坡度较陡，有多处礁石发育，岸滩侵蚀后退趋势较明显。沉积物以粗砂或粗中砂为主，含有较多的砾石。山海关围垦区东侧岸滩发育有礁石滩，但岸滩变化平缓，显示近期岸滩冲淤趋势近于稳定。

（3）石河口至汤河口岸段。石河口至沙河口岸段为沙坝—澙湖海岸，澙湖被石河下泄泥沙充填。沿岸沙坝上植被繁茂，岸滩上有滩肩发育。沙河口以西至汤河口主要分布为秦皇岛东西港区，基本上为人工岸线。

（4）汤河口至金山咀岸段。该岸段属弧形海岸，岸滩平缓，潮间带宽10～15 m，岸滩沉积物主要为中细砂。在汤河口西侧，发育多条自东向西南、相互平行的顺岸沙坝，显示出泥沙主要从东向湾内运移的趋势。金山咀为基岩岬角，岸线呈侵蚀状态。

（5）金山咀以南岸段。金山咀至戴河口为岬湾海岸，潮间带较窄，坡度较大，沉积物很粗，以粗砂为主。岸滩上礁石滩出露，高潮线附近有侵蚀陡坎，显示岸线呈侵蚀后退的趋势。由于海域波浪动力相对较强，沿岸潮间带泥沙运动较为活跃，部分地段有连岛沙坝发育。戴河口以南为平原砂质海岸，潮间带坡度不大，沉积物质多为中细砂。

1.2 潮间带沉积特征

根据2009年在绥中电厂至洋河口沿岸潮间带范围布设的20条采样断面（每条断面取1～3个底质泥沙样品，共采集样品44个）的样品分析［1］，潮间带沉积物多为粗、中砂，其中芷锚湾岸段（环海寺地咀以北）泥沙中值粒径介于0.370 3～0.882 3 mm，平均值约为0.574 0 mm，分选系数介于0.32～0.82，平均值约为0.54，分选程度较好。环海寺地咀至沙河口岸段沉积物主要为粗中砂和粗砂，中值粒径介于0.318 8～1.371 7 mm，平均值约为0.546 8 mm，分选系数介于0.20～0.98，平均值约为0.47，属分选程度较好的沉积。汤河口以南岸段泥沙主要为粗中砂和中细砂，中值粒径介于0.259 1～0.755 7 mm，平均值约为0.439 2 mm，分选系数介于0.18～0.76，平均值约为0.35，分选程度较好。

2 风和风暴潮

根据秦皇岛海洋站1978～1980年资料统计［3］，工程区附近常风向为W向，出现频率约为10.37%，其次为WSW向，出现频率约为9.39%。强风向为ENE向，出现频率约为7.31%，最大风速可达到23.7 m/s。1～3级风出现频率为80.69%，4～5级风出现频率为17.74%，大于6级风出现频率仅为1.64%。对工程区域来说，NE-S-SW向为向岸风，对工程区有一定影响，其他向的风主要为陆向风，其强度不大，对工程区影响不大。

秦皇岛海区虽然不是我国沿海风暴潮的主要灾区，但风暴潮对本海岸带的破坏和侵蚀作用也不容忽视［4］。其中，1965年的风暴潮致使海岸蚀退4～10 m；1972年，秦皇岛发生了建国以来最大的一次风暴潮，市区23家工厂进水停产，潮堤被冲断650 m，海水入侵5 km，昌黎县沿海20个村庄和林场被海水包围，抚宁县沿海村庄被海水淹地240 hm2；1992年一次风暴潮过后，冷冻二厂东部观测剖面海岸后退了5 m多，是造成本岸段严重蚀退的重要原因之一［5］。从多年风暴潮发生规律看，本区大的风暴潮灾害大致10～15 a发生一次。

3 波浪

秦皇岛海洋站测波点位于南山灯塔SSW方向，水深-6～-7 m。秦皇岛波型主要是风浪以及风浪为主的混合浪，约占全年总次数的75%，涌浪以及涌浪为主的混合浪约占22%。据秦皇岛站1960～2008年测波资料分析［1］，该区常浪向为S向，频率为17.77%。强浪向为SE向，最大波高为3.5 m，出现在1972年7月27日和1984年8月10日，这是台风影响的结果。2.0 m以上波高出现在ENE至WSW向范围之中，累年出现率最高的波级为0～0.5 m，出现频率为62.31%。

根据芷锚湾站1963～2008年测波资料分析［1］，常浪向为SSW向，频率为22.7%。强浪向为SSE向，最大波高超过2.6 m。2.0 m以上波高出现在NNE至SW向范围之中，累年出现率最高的波级为0～0.5 m，出现频率为55.86%。

4 潮汐

研究海域受以秦皇岛附近为中心的旋转潮波控制，靠近半日潮无潮点。根据2009年9月工程区附近4个潮位站（W1～W4，图 1）观测资料调和分析，潮性系数（HK1+HO1）/HM2均大于5，说明海域属规则日潮区。但其HK1值介于0.34～0.38 m，接近半日潮区葫芦岛附近HK1值（0.37 m），因此该半日潮是入射波与反射波叠加的结果，决定了本海域日潮潮汐和半日潮流的异常特征。

本海域靠近无潮点，整体潮差较小。大潮潮差以小黑山站（W3，图1）为界，向南北两端递减，小黑山站最大潮差为1.77 m，平均潮差0.86 m，其他各站最大潮差均介于1.4～1.5 m。大潮、中潮期间各站均明显表现为一涨一落的日潮特征，小潮时半日潮特征明显增强。

5 潮流

秦皇岛海域的潮流主要表现为半日潮流。2009年9月15条水文垂线水文全潮观测显示（V1～V15，图1），该岸段潮流总体特征表现为顺岸的往复流，各垂线涨潮流向为WSW向，落潮为ENE向，流向主轴与岸线或等深线基本平行。

海区整体流速较小，且大、中、小潮差异不明显，落潮平均流速略大于涨潮平均流速。各垂线涨潮平均流速介于0.13～0.3 m/s，涨潮最大流速介于0.20～0.5 m/s，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s。除个别站外，各站涨、落潮最大流速均未出现于大潮时。

各站流速在垂线分布上变化不大，呈表层流速大、底部小的变化特征。涨潮流速底、表层平均比值约为0.8，落潮流速底、表层平均比值约为0.75。

6 余流

余流一般指实测海流去除周期性潮流后的剩余部分，在一个时期能够反映泥沙的净运移方向。根据实测资料分析，该海域余流流速很小，介于0.8～7.6 cm/s，平均值约为3.7 cm/s，余流流向因所处位置不同而发生变化。其中，大潮时余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.8～7.6 cm/s；中潮时余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.9～6.8 cm/s；小潮时，除V12和V15站余流方向指向S向外，其他各站基本上指向EN-SE向，流速介于 1.0～5.3 cm/s。

7 含沙量

根据2009年9月大、中、小潮水文全潮实测含沙量资料统计，秦皇岛海域各站含沙量变化具有以下特点：（1）秦皇岛海域整体含沙量较低，平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，平均值约为0.028 kg/m3。（2）研究海域内以V3、V6站附近含沙量最大，平均含沙量分别为0.018 kg/m3和0.019 kg/m3，最大含沙量分别为0.144 kg/m3和0.121 kg/m3。其次是V7站，平均含沙量约为0.017 kg/m3，最大含沙量为0.103 kg/m3。（3）含沙量的垂线分布较均匀，表、中、底层差别较小，基本上呈底层大、表层小的变化特点。（4）除个别站外，各站含沙量大、中、小潮差别不大；平面分布上，自近岸向外含沙量差别不大；涨、落潮含沙量差别不大。其原因主要有二：一是几乎没有径流输沙入海。二是近岸区（含潮间带及其以外一定范围）内的底质较粗，其中值粒径一般都在0.2～0.5 mm，本海区的涨、落潮平均流速在0.13～0.32 m/s，底质泥沙难以大量悬扬启动。因此，本水域在无风及中、小风天都将维持低含沙量。

8 表层沉积物分析

根据2009年9月秦皇岛海域水下沉积物取样分析结果［1］，主要沉积物类型为细砂、砂质粉砂、粉砂质砂、砂-粉砂-粘土、粘土质粉砂等。自内向外沉积物中值粒径介于0.717～0.007 mm，变幅较大（图2），其沉积物类型分布特征为：

（1）金山咀岬角附近及其以南海域沉积物较粗，主要以细砂沉积为主，夹杂少量粉砂沉积。其中砂质含量介于33.7%～95.9%，平均值为76.7%；粉砂含量介于3.0%～50.5%，平均值为16.2%；粘土含量介于1.0%～14.7%，平均值为6.3%；泥沙中值粒径介于0.022～0.511 mm，平均值为0.194 mm；分选系数介于0.67～3.28，平均值为2.05，属于分选不充分形态。

（2）秦皇岛东西港区至石河口海域，近岸河口附近表层沉积物较粗，主要为砂质沉积，并夹杂少量粉砂和粘土。-10 m外的深水区沉积物质以粘土质粉砂为主。其中砂质含量介于3.7%～88.7%，平均值为34.0%；粉砂含量介于7.2%～71.3%，平均值为47.0%；粘土含量介于3.8%～28.2%，平均值为17.4%；泥沙中值粒径介于0.007～0.418 mm，平均值为0.055 mm；分选系数介于 1.38～4.03，平均值为 2.65，分选程度较差。

（3）石河口至环海寺地咀之间海域近表层沉积物较细，主要为粘土质粉砂，夹杂少量的砂质沉积。其中砂质含量介于2.6%～30.9%，平均值为12.3%；粉砂含量介于54.5%～72.4%，平均值为62.9%；粘土含量介于11.8%～32.9%，平均值为24.7%；泥沙中值粒径介于0.007～0.022 mm，平均值为0.010 mm；分选系数介于1.24～2.92，平均值为1.97，分选程度较差。

（4）环海寺地咀以东芷锚湾附近海域表层沉积物较粗，-10 m等深线以内主要为细砂和粉砂质砂，-10 m以外主要为粘土质粉砂。其中砂质含量介于8.4%～94.6%，平均值为34.8%；粉砂含量介于2.2%～69.0%，平均值为45.5%；粘土含量介于0.8%～29.5%，平均值为16.1%；泥沙中值粒径介于0.007～0.717 mm，平均值为0.145 mm；分选系数介于0.90～3.97，平均值为2.44，属于分选不充分的沉积。

9 泥沙来源分析

9.1 径流输沙

工程区附近入海河流有石河、汤河、新开河等河流，除石河外，其余河流径流量和输沙量都很小。

据石河水文站1957～2007年径流、输沙资料分析，多年平均径流量为1.36亿m3。1980年以前，石河水文站年均径流量约为1.73亿m3。1980～2000年平均径流量减至1.18亿m3，2000年后平均径流量减至0.58亿m3。1956～2007年，石河水体悬沙含量平均为0.299 kg/m3，年均悬移质输沙量为3.82×104t。以1975年石河水库修建为分界点，之前年均输沙量约为9.03×104t，之后剧减为0.72×104t，显示石河水库修建以后，石河下泄泥沙大幅减小。石河输沙量的年内分配极不均匀，主要集中在7、8、9三个月，以7月份输沙量最大，占全年的74%，其他月份所占比重很小。

9.2 沿岸输沙

环海寺地咀以西岸段，由于岬湾相间的海岸特性，难以形成大规模的沿岸输沙，这从山海关船厂建成多年后东西两侧防波堤前并无明显泥沙堆积体便可以看出。环海寺地咀以东岸段，岸线较为平直。绥中电厂修建防波堤后，西侧出现较明显的堆积体，而东侧却几乎不存在，这种变化表明沿岸存在自西向东的沿岸输沙，但是由于堆积体规模较小，其沿岸输沙量不大，影响范围也很小。

9.3 潮流输沙和外海泥沙

研究海域的平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，个别测站的最大瞬时含沙量也仅为0.144 kg/m3。该海域总体含沙量很低，在潮流作用下的输沙量不大。尽管潮间带和近岸沉积多为砂质，向外则为粉砂质至泥质，但由于本海区波浪不强、潮流较弱，所以在波浪和潮流共同作用下，也会产生较弱的泥沙运动，但多淤积于分布甚广的大小海湾内，成为各海湾泥沙的主要沙源，很难产生长距离的泥沙沿岸输移。

10 岸滩演变分析

10.1 大范围海域等深线对比

通过 1937年 1：500 000海图、1978年 1：150 000海图、1998年工程区 1：10 000海图、2003年 1：150 000海图以及2009年9月实测水深断面对比分析，北戴河—芷锚湾大范围海域岸滩演变特征如下：

（1）1937～1978年，金山咀以南海域，-5 m等深线呈现略微冲刷，-10 m等深线冲淤相间，-15 m等深线向外大幅淤积扩展；金山咀至环海寺地咀海域，-5 m等深线较为吻合，-10 m等深线淤积外移，外移最大超过400 m，-15 m等深线向外大幅淤积扩展；芷锚湾海域-5 m、-10 m、-15 m等深线均向外淤积扩展。

（2）1978～2003年，研究海域-5 m等深线较为吻合，-10 m等深线局部有冲有淤，基本保持稳定；-15 m等深线，石河口至芷锚湾之间部分向外淤积扩展，最大扩展幅度超过500 m，其他部分保持稳定。总体而言，1937～2003年，研究海域没有发生大的趋势性冲淤变化，岸滩整体保持稳定状态。

（3）据1937～2009年多年水深断面水深对比可知［1］：金山咀以南整体处于冲刷状态，冲刷速率为1.2 cm/a；金山咀至汤河口岸段冲淤基本平衡；秦皇岛港区附近由于航道开挖导致岸滩有所变形，但可基本保持稳定状态；新开河口至石河口整体处于轻微淤积状态，平均淤积速率为1.8 cm/a；石河口至环海寺地咀总体呈淤积趋势，平均淤积速率为1.3 cm/a。综上分析，研究海域海床基本可保持稳定状态。

10.2 工程区附近海域冲淤变化

对工程区附近1998年1：10 000海图、2008年1：60 000海图以及山海关围垦区东侧2009年9月实测水深图可知［1］，工程区附近冲淤分布变化具有如下特征：

（1）石河口至山海关船厂西侧海域-7 m以内冲淤相间，以淤积为主，冲淤变化基本在-0.25～1.0 m。其中石河口东侧-5 m线以内出现轻微冲刷，这与波浪作用下泥沙向西搬运后，石河泥沙补给不足有关；船厂南侧-7～-10 m以冲刷为主，局部冲刷幅度超过1 m，这与附近存在挖沙有关；-10 m以外区域轻微淤积，淤积幅度小于0.5 m。

（2）山海关围垦区防波堤东侧堤根处冲刷显著，冲刷幅度介于0～1.5 m，冲刷范围覆盖0～-6 m等深线之间的区域。此处冲刷主要与泥沙来源较少和波浪在防波堤前反射导致堤根淘刷有关。防波堤东侧至小黑山之间岸段，0～-2 m等深线之间局部冲刷，冲淤变化介于-0.5～0.5 m。-2～-7 m等深线之间基本呈淤积趋势，淤积幅度介于0.5～1 m。总体而言该段岸线-2 m以内略有冲刷，-2 m以外基本呈淤积状态。

（3）由断面水深对比可以看出，山海关附近海域-7 m以内海域为微淤环境，各断面年淤积速率在-2.0～6.3 cm/a。除近岸有局部冲刷外，山海关东西两侧基本为轻微淤积环境。10.3 工程区附近海域岸滩稳定性分析

（1）沿岸泥沙的纵向输运不活跃，泥沙多为原地运动或横向运动，因此岸滩地形基本可保持稳定状态。由于泥沙来源减少，在波能较为集中的局部区域会发生冲刷，如石河口西侧、老龙头和围垦防波堤东侧，但其侵蚀量不大，不会对整体岸滩格局产生颠覆性影响［6-7］。

（2）建设离岸人工岛都会在其和陆地之间的水域形成一定范围的波影区和流影区，相应的波流动力会减弱，有利于维持岸滩稳定。

（3）泥沙来源少、水体含沙量低、波浪流动力不强是本海域水动力环境的基本特征。在波、流的长期共同作用下，工程附近海域岸滩地形与水动力环境是相适应的，基本处于稳定状态。

11 结论

（1）研究海域受以秦皇岛附近为中心的旋转潮波控制，为规则日潮区，潮差小，实测平均潮差小于1 m。工程海域潮流主要为半日潮流，呈沿岸的往复运动，各站涨落潮流速介于0.13～0.32 m/s。

（2）海域波流动力不强，水体含沙量低，含沙量垂线分布较为均匀，平均含沙量在0.009～0.061 kg/m3，实测最大含沙量仅为0.144 kg/m3。

（3）沉积物类型为细砂、砂质粉砂、粉砂质砂、砂-粉砂-粘土、粘土质粉砂等，沉积物中值粒径介于0.007～0.717 mm，变幅较大；砂质沉积主要分布在近岸及诸小河口附近，较细的粉砂质沉积则主要分布于金山咀至环海寺地咀-10 m线外海域；海域沉积物分选较差，运动特征不明显；外界泥沙的影响不明显。

（4）北戴河至芷锚湾大范围海域海床基本保持稳定状态，无明显的趋势性冲淤变化。石河口—山海关船厂西侧海域-7 m以内冲淤相间，除近岸有局部冲刷外，山海关船厂东西两侧基本为轻微淤积环境。

（5）在波流长期共同作用下，沿岸泥沙的纵向输运不活跃，泥沙多为原地运动或横向运动，岸滩地形基本保持稳定状态，工程附近海域岸滩地形与水动力环境相适应，基本处于稳定状态。

［1］严冰，许婷，韩志远.秦皇岛市人工岛工程波浪潮流泥沙数学模型试验研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［2］南京大学海洋科学研究中心.秦皇岛海岸研究［M］.南京：南京大学出版社，1988.

［3］王中起，刘针.秦皇岛港山海关港区3.5万t级通用泊位续建工程设计波要素分析［J］.港工技术，2008（3）：1-3.WANG Z Q，LIU Z.Wave elements analysis of general purpose terminal for continued project of Shanghaiguan Harbor，Qinhuangdao Port［J］.Port Engineering Technology，2008（3）：1-3.

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［5］卢玉东，孙建中.秦皇岛地区海岸侵蚀与淤积因素分析［J］.海洋地质与第四纪地质，1997，17（4）：101-106.LU Y D，SUN J Z.Analysis of factors of coastal erosion and silting in Qinhuangdao region［J］.Marine Geology&Quaternary Geology，1997，17（4）：101-106.

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