于亮 郝刚
摘 要:莺歌海附近岸段岸滩侵蚀现象较为严重,政府部门拟规划通过建设海岸防护工程等措施对当地岸滩进行整治修复,改善民生。以该工程为依托,基于莺歌海海域近期水文泥沙资料,对工程区海域的自然条件、动力泥沙环境特征进行了分析,计算了泥沙活动性参数,为海岸防护工程建设相关研究提供依据与参考。
关键词:莺歌海 水文泥沙环境 泥沙运动 泥沙活动性 砂质海岸
1.前言
莺歌海位于海南乐东县西南,是乐东县所属海岸线中最大的岬角(莺歌咀)。根据近一些年来遥感图像分析,莺歌海附近岸段存在较为严重的岸滩侵蚀现象。政府部门拟规划通过建设海岸防护工程等措施对当地岸滩进行整治修复,加强岸滩开发利用,改善民生。
建设海岸防护工程,首先要了解工程海域的水文环境与泥沙运动特征,分析海岸侵蚀原因,才能有的放矢科学的实施工程。经查阅资料显示,有关莺歌海海域的水文、泥沙或沉积物等方面的研究,至今不多见,而专门针对莺歌海沿岸海域水文泥沙环境与泥沙运动特征等研究至今未见报道。本文以莺歌海沿岸海域为研究区,通过近期的水文泥沙资料,分析工程区海域的自然条件、动力泥沙环境特征,计算泥沙活动性参数,为海岸防护工程建设相关研究提供依据与参考。
2.莺歌海水文泥沙特征
2.1潮汐与潮流特征
莺歌海海域潮汐属不规则全日混合潮型,平均高潮位2.23m,,平均潮差1.12m。
根据莺歌海海域2012年12月12日~13日大潮实测潮流观测资料显示(图1):该海域潮流形态数F=(W O1+Wk1)/WM2值均大于4,潮流性质均为规则全日潮流,潮流运动形式以往复流为主;靠近岸测站潮流涨、落潮方向与岸线走向一致,靠外海的测站潮流涨、落潮方向则与10m等深线基本平行;平均流速在0.44m/ s~0.89m/s,落潮流大于涨潮流;表层流最大,最大流速达到了1.74m/s。
余流是从实测海流资料中剔除了周期性潮流的剩余部分。根据此次潮流资料对余流的统计结果,靠近岸的测站余流方向顺岸向北流动,2#站余流方向向岸,6#站余流方向主要向SE流动。1#、5#站余流流速略大,2#站余流流速最小。本次观测余流最大值为17cm/s,出现于1#站0.6H层,最小值为为2cm/s,出现于6#站0.6H层。
2.2波浪特征
莺歌海海洋观测站,测波点水深约12.9m左右,方向为SW向,测波开阔180°。根据莺歌海海洋站历史时期统计资料,其波浪特征:该海域波浪以风浪为主,风浪常浪向是SE,其频率为19%,次常浪向是SSE,其频率是12%;强浪向是SE,最大波高值9.0m,次强浪向是S和SSW,它们的最大波高都是7.0m。N和NE向的平均波高值最大,为1.0m,NNE和WSW向平均波高值次之,为0.9m。
由于莺歌海岸线走向分别呈向南和向西敞开,所以各向波浪对南岸和西岸的影响具有明显差别,NE向波浪对莺歌海海岸来说是离岸浪,对岸滩的影响程度很小;NW向波浪对西岸来说为向岸浪,而南岸则为离岸浪;SE向波浪对南岸和西岸的作用则反之。因此,在冬、夏二季盛行风浪和涌浪的交替作用下,岸滩动态随着波浪性质和波向变化而产生侵蚀和堆积的相应变化。
2.3含沙量特征
根據2012年12月含沙量观测资料:海域平均含沙量介于0.033~0.302 kg/m3之间,最大底层含沙量为0.497 kg/m3;各站含沙量垂向方向上总体由表层至底层增大;除了个别站外,含沙量最大值一般出现在落潮期。
为了了解整个海域的含沙量分布情况,选取了多个年份不同时间的遥感影像资料。经含沙量反演分析,该海域平均含沙量总体在0.02~0.22 kg/ m3之间;近岸含沙量高,向外海逐渐递减的趋势;在不同季节上,夏秋季含沙量一般与冬春季含沙量略高,这与实测结果基本一致。
2.4底质沉积物特征
莺歌海海域无外来泥沙来源,其泥沙来源主要为岸滩侵蚀泥沙与滩面当地掀沙。悬沙颗粒粒径分布较为均匀,泥沙颗粒较细,平均粒径介于0.042mm~0.057mm之间,中值粒径介于0.016mm~0.021mm之间。莺歌海沿岸的底质沉积物,除局部岸段的潮间带有岩礁和海滩岩出露外,基本上是由海积—风积的中、细砂及珊瑚碎屑组成的。根据2016年7-8月对工程周围布置了40余个底质取样点分析结果:
(1)莺歌海电厂码头栈桥南侧水域,近岸底质中值粒径在0.2 mm~0.4 mm之间,底质类型以中细砂(MFS)为主,砂组分含量在97%以上,粉砂平均含沙量不足0.1%,而粘土含量为0%。
(2)在拟建工程区外侧区域有粉细砂分布,中值粒径在0.03mm-0.1mm左右,粘土含量15%左右。再向南整治工程所在水域底质中值粒径都在0.1mm-0.4mm之间,为中细砂,粘土含量为0。
(3)整个取样区底质分选系数在0.5-1.2之间,分选程度好。
3.泥沙活动性参数计算
3.1泥沙起动流速
泥沙起动流速是反映当地水动力条件对泥沙运动影响的重要指标之一。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,其结果所示,莺歌海海域在水流作用下的泥沙起动流速在0.43-0.48m/s之间。由此可以看出,在大潮流速较大时期(最大流速在0.6-0.8m/ s之间),流速既可以使当地的泥沙起动,说明潮流对岸滩的冲淤作用也起到了一定作用。在实际情况下,再加上波浪作用,泥沙则更加容易起动,形成冲刷侵蚀或堆积。这也是该岸段岸滩侵蚀较重的一个重要原因。
3.2波浪作用下泥沙起动的临界水深
在波浪作用下,泥沙显著活动的临界水深反映在波浪作用下泥沙颗粒临界活动水深的大小,其水深愈浅,表明泥沙活动愈剧烈。采用佐藤昭二等的经验公式,计算了莺歌海海域泥沙的表层活动和显著活动的临界水深情况。根据计算结果显示:0.9m平均波高可以使水深1.5m以浅水域海床泥沙完全起动,可以使水深3m以浅水域海床泥沙表层起动;3m左右波高的波浪,可以使水深6m以浅水域海床泥沙完全起动,可以使水深10m以浅水域海床泥沙表层起动;在5m以上台风浪作用下,海床泥沙完全起动水深可达到12m。由此可以看出,大浪对海域泥沙运动较为强烈,同时大浪所形成的沿岸流、沿岸增水及近底回流等更加剧了泥沙运动的复杂性。
3.3沿岸输沙及其计算
莺歌海属于岬角向湾顶变化的岸段,主波浪向同岸线存在一定的夹角,使得波浪引起的沿岸泥沙运动起关键作用,也是造成该岸段存在严重岸滩侵蚀现象的主要原因。
根据我国《港口与航道水文规范》公式,依据工程区附近莺歌海波浪资料,选取对工程区岸段影响较为明显的主要波向SE~NW,计算波浪作用下的沿岸输沙量,计算结果表明:
(1)该区域沿岸输沙量不大,据“规范”公式计算结果沿岸净输沙在1.99万m3/a~3.53万m3/a 。
(2)在工程海域存在向北向南的双向输沙,由于莺歌海电厂影响导致其两侧不同季节优势波浪不同,而使电厂两侧断面净输沙方向有所差異,电厂码头北侧断面净输沙方向向南,南侧断面净输沙方向向北。
4.结语
根据莺歌海海域近期水文泥沙资料,对工程区海域的自然条件、动力泥沙环境特征进行了分析与计算,结果显示:潮汐属不规则全日混合潮型,平均潮差1.12m;潮流性质均为规则全日潮流,潮流运动形式以往复流为主,平均流速在0.44m/s~0.89m/s,落潮流大于涨潮流;波浪以风浪为主,风浪常浪向是SE,最大波高值9.0m;海域平均含沙量在0.033~0.302 kg/m3之间;近岸底质中值粒径在0.2mm~0.4mm之间,底质类型以中细砂(MFS)为主;水流作用下的泥沙起动流速在0.43-0.48m/s之间,在平均波高0.9m条件下,可以使水深1.5m以浅水域海床泥沙完全起动,可以使水深3m以浅水域海床泥沙表层起动;沿岸净输沙在1.99~3.53万m3/a 。
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