杭州湾灰鳖洋海域海床演变趋势研究

黄世昌,张舒羽,余炯
(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310020)


摘要:
分析了杭州湾灰鳖洋海域海床的冲淤变化过程,认为该海域基本稳定,呈现东部微冲西部微淤的局面,这一特点是与海域的水动力条件和泥沙沉积特性相一致的,也与海域的岸线变化相吻合。在此基础上依据海域边界条件的变化分析海域的演变趋势。

关键词:海床演变;地貌单元


0 前言

灰鳖洋海域位于杭州湾的南部,海域西南部依托镇海区海岸,接纳甬江来水,东部受金塘岛等岛屿的阻挡,通过金塘水道连接东海海域,形成自金道水道至杭州湾内的潮汐通道。海域平面形态呈喇叭状,自大沙湾与大浦口山连线始,至镇海澥浦与大鹏山连线,海域宽度从5km放宽到21km,放宽率约为1:1。从海域形势看,金塘水道窄而深,狭窄处宽度约为3km,水道平均水深为50m(85基面,下同)。海底出金塘水道后,沿西北方向渐渐抬高,至甬江口一带,水深尚有20~40m,至澥浦外,浅水海域宽阔平坦,水深仅7~8m,深水区窄小,且紧贴在大鹏山边缘,10m以深的宽度约3km。海域面积 约190km2(图1)。

图1 灰鳖洋海域形势图
Fig.1 Sketch of Huibieyang sea region

以往的研究主要集中在金塘水道的北仑岸滩的变化以及甬江口潮波性质的探讨[1~4],随着海域和周边岸线的开发利用,如码头工程、围涂工程和桥梁建设的需要,对灰鳖洋海域的海床演变特性的研究显得十分迫切。本文利用2002年春季的水文测验和地形测量资料,结合以往有限的历史海图资料,从水动力条件、地貌单元的分布、沉积特点和海床冲淤多角度分析灰鳖洋海域海床演变的基本规律。

1 灰鳖洋海域的水动力条件及悬沙运动

1.1 水动力条件

    控制本海区潮波运动的是以M2分潮为主的东海前进潮波系统,潮波从舟山群岛的东侧传入工程海域。经统计镇海站历年最大潮差仅3.67m,多年平均潮差只有1.76m;涨落潮历时基本相同。

    据2002年3月14日~3月15日的水文测量,潮流流向与海域边界及地形相辅相成。金塘水道西出口以北海域受金塘水道及其本身的喇叭形边界的制约,潮流运动形式仍具往复流的性质,流向呈放射状,但涨落流路不完全一致。涨潮急流方向与岸线基本平行,与水下深槽的方向也较为一致;但甬江口两侧岸线附近落潮流向南偏,与岸线有交角,利于边滩的发育(图2)。大潮测点落急流速大于涨急流速,绝大多数垂线平均流速也是落急大于涨急。从大潮至小潮,潮流以落潮占优势向以涨潮占优势转变。小潮期,绝大多数垂线平均涨潮流速大于落潮流速。从净的进潮量来看,尽管海域大潮的落急流速大于涨急,但海域的涨潮总水量大于落潮总量,自金塘水道至灰鳖洋存在净进潮量,这也说明该海域的潮波是前进潮波。大潮涨潮进潮量可达38.6亿方,净进潮量可达3.3亿方。小潮净进潮量还要大,可达9.0 亿方,中潮净进潮量则在两者之间。

图2 灰鳖洋海域的涨、落潮流向
Fig.2 Direction of flood and ebb current

 

表1 垂线平均的涨落最大流速特征(2002年3月14日~24日,m/s)
Table 1 Maximum depth_averaged velocity during ebb and flood(14~24 mar.02,m/s)


潮型 潮过程 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 12#

 大

涨潮Vf 1.75 1.72 1.86 1.68 1.63 1.73 1.24 1.44 2.00 1.93 1.59 1.60
落潮Ve 2.30 2.00 1.93 1.66 1.97 1.64 1.44 1.43 2.33 2.12 1.89 1.78
Ve/Vf 1.31 1.16 1.04 0.99 1.21 0.95 1.16 1.00 1.67 1.1 1.19 1.11


涨潮Vf 1.53 1.52 1.86 1.79 1.64 1.63 1.25 1.58 2.06 1.76 1.38 1.60
落潮Ve 1.86 1.74 1.97 1.76 1.91 1.58 1.57 1.42 1.89 1.96 1.93 1.58
Ve/Vf 1.22 1.14 1.07 0.98 1.17 0.97 1.26 0.9 0.92 1.11 1.40 0.99


涨潮Vf 0.96 0.99 0.94 0.92 1.11 0.88 0.76 0.87 1.28 1.01 0.89 0.95
落潮Ve 0.53 0.90 0.87 0.92 1.10 0.90 0.83 0.78 0.90 0.72 0.53 0.87
Ve/Vf 0.55 0.91 0.96 1.00 0.99 1.02 1.09 0.90 0.70 0.71 0.60 0.92

根据镇海外游山海洋水文站(1991年11月~1992年10月)的波浪观测资料可知:①每个季节,海域的常浪向均为偏北向,强浪向也为偏北向,1985年至1996年间,实测最大波高为5.4m,该波高对应的周期为8.1s;②该海域是风浪与涌浪兼有的混合浪海区,该海域东至西南因受舟山群岛的阻挡,波浪较少。

1.2 悬沙含量与断面输沙

灰鳖洋海域悬沙中值粒径0.003 9~0.01mm。大潮涨潮垂线平均最大含沙量可达8.47kg/m3,平均为1.25~4.75kg/m3,落潮为10.2kg/m3,平均为1.22~5.73kg/m3,落潮期大多数测点的垂线最大含沙量和半潮过程平均含沙量大于涨潮期。小潮涨潮垂线平均最大含沙量为2.32kg/m3, 落潮为2.62kg/m3,与大潮过程相反,落潮期大多数测点的垂线最大含沙量和半潮过程平均含沙量小于涨潮期。从含沙量的横向分布看,金塘西侧主槽含沙量较小,镇海边滩含沙量较大。大潮期,泥沙从杭州湾内进入该海域,一个潮周期其量值可达0.0113亿t,中潮时净输沙的方向以及量值与大潮基本相同。小潮期,净输沙方向相反,泥沙从该海域进入杭州湾内部,其值达0.0094亿t。比较潮过程净输沙量的大小,可见杭州湾内向灰鳖洋海域存在净输沙。

2 灰鳖洋海域地貌和沉积特征

由水下地形可见(图1),海域的地貌主要有潮流冲刷槽、边滩和水下浅滩。灰鳖洋海域与金塘水道西出口相连。冲刷槽在金塘水道的西出口分成两股,呈现树杈状,西股冲刷槽连接甬江出口外游山深潭,在甬江口形成深槽;东股贴金塘山岸线向北伸展,和大鹏山冲刷坑贯通,尖灭于大鹏山北端,该类地貌形态表现为深切的深槽,与涨落潮流路一致。

表2 各点位的底质特性(2002年3月)
Table 2 Characteristic of seabed soil(Mar.,2002)


垂线号 位置 D50/mm 粉砂 粘土

1# 金塘山西 0.0088   80% 20%
2# 冲刷槽(东股) / 92% 2%  

3# 水下 0.0093   69% 31%
4# 平原 0.0057 3.1% 50.%1 46.8%
5#   0.0092 4% 62.8% 37.1%
6#   0.0105 3% 64.4% 32.9%
7#   0.0148 6% 69.8% 24.1%
8#   0.0091   61.9% 38.1%

9# 七里屿海域 0.125 96.3% 5.7%  
10#   / 78% 19% 3%

深槽分汊处,即金塘水道西出口(大沙湾~大浦口断面)之外的七里屿一带水域,底质以细砂为主,沉积物分选性良好。在金塘水道西口扩散水流的作用下发育有辐射状潮流槽脊系。海域中高差1~3m的正负地形相间。杭州湾内波浪仅在边滩上起作用,而在海域的深水处反映不明显,加上沉积物以细砂级物质为主,与粉砂类沉积物相比,细砂级泥沙较难起动悬浮,促成了大浦口~大沙湾断面至七里屿附近海域的泥沙粒级渐渐趋于一致。水下平原发育于七里屿以北边滩与深槽之间的广阔海域,水深较浅,地形平缓,略有起伏,是灰鳖洋海域的主要浅滩,几乎占据七里屿以北海域面积90%以上,是为杭州湾湾口南部水下浅滩的一部分。粘土质粉砂类沉积分布于镇海边滩及海域的西部(表2)。金塘山西侧深槽由于落潮流比涨潮强,形成蚀余沉积。由于细颗粒泥沙沉积后,来自强劲的落潮流对其进行冲刷改造,一部分在镇海边滩及峡道浅水区沉积,另一部分被潮流带走。

3 灰鳖洋海域海床演变

3.1 海床冲淤的基本面貌

覆盖整个灰鳖洋海域的海图极少,最早的海图见于1888年,为英国漫游者号测量船所测,因比尺较小,基面转换存在一定误差,仅作为参考。此后为1928年(1:5万)以及2002年水下地形测量图。多数测图仅含甬江口出海航道和金塘水道部分的测图,且比尺和范围大小不一。1928年至2002年的74年间冲淤分布见图3。从图中反映出,74年间,捣杵山以北海域呈现东部微冲西部微淤的特点,淤积的幅度可达3m,东部冲刷区大多数区域的冲刷幅度与之相仿。捣杵山以南,西部淤积,东部在两股深槽分汊区出现微弱淤积。若按图1所示的海域分区计,A区平均每年冲深0.028m,B区每年淤积0.012m,C区每年淤积0.027m。74年间海域总体淤积0.017亿m3

    在捣杵山以北取一断面(见图2),综合不同年份的地形资料可见(图4),以北海域东冲西淤呈单 向发育状态,冲淤的分界点在距金塘岛11km~12km处,此处深槽自1928年至1987年冲刷,此后基本稳定。

图3 1928至2002年海床冲淤面貌
Fig.3 Contour of erosion and siltation between 1928 and 2002

图4 断面的冲淤变化
Fig.4 Erosion and siltaion at a cross section

海区等高线的变化见图5和图6。-15m等高线框定了深槽出金塘水道后分汊的大致位置,自1888年至2002年百余年间,深槽位置基本未变,七里屿处存在局部深潭。1928年金塘山西侧-15m线未贯通,此后大鹏山一带冲刷,深潭扩展与金塘水道西出口汊道相连成槽。-8m线变化较大,从1928年的测图看,海域高低相间的槽脊系统遍布整个海域,至1995年-8m线把海域分隔成东深西浅两海区,槽脊系统已萎缩至七里屿一带局部海区。说明西部淤积改变了水下平原的地貌微单元。

图5 历年等高线的变化(-15m)
Fig.5 Change of contour line(-15m)

图6 历年等高线的变化(-8m)
Fig.6  Change of contour line(-8m)

3.2 海床冲淤变化的原因分析

    灰鳖洋海域淤积区的底质基本上是粘土质粉沙,而冲刷区多数测点砂的含量较高。水流出金塘水道西出口后分散,在两股深槽分汊区出现弱流区,泥沙易于落淤,略有淤积。可以说,海域总体的冲淤分布与水下形态和沉积分布较为一致,这种状态与边滩的人类活动以及海域南边界稳定不变有关。
3.2.1 人类活动造成边滩淤积

灰鳖洋海域的边滩主要存在于镇海一侧。长江口经杭州湾的泥沙由落潮流从杭州湾内带入此区域。自冰后期海侵以来,边滩成陆的过程十分缓慢,甬江口位置20 世纪50年代以前基本不变[1],而从海塘修筑的历史来看,千余年来,镇海后海塘始终临水[2]。20世纪50年代以来,从招宝山到澥浦镇,涂滩较窄,为缓慢淤涨岸滩(图7),因滩涂围垦及导堤工程,海岸线已向前推进2.8~3.2km。1984年到1994年十年中,导堤伸入海侧3.2km,围堤的堤线向外推进1~2km,其幅度虽然较大, -2m线才向外推进了300m,-5m等高线则位置基本未变。1995以后,因围垦又筑新堤,泥螺山至外游山导堤之间岸线外推约1.7km,东部-5m等高线基本未变,而西部等高线外推约3km。

图7 镇海边滩等高线的变化
Fig.7 Contour shifting of the beach

影响这一带岸滩变化的因素主要有两类,沿岸潮流的输沙作用和风暴潮对堤线的破坏等自然因素,以及围海造地、修筑导堤等人类活动。-5m等深线以内浅滩演变的因素除上述外,还与波浪作用有关。 首先还是潮流。一般来讲,浅滩易于淤积,往往在高滩上修筑了堤塘,堤塘外又淤成高滩。这有两个原因,一是某一地段修筑垂直岸线的堤坝后,减少沿岸潮流量,其两侧 岸段的隐蔽区自然容易淤积,20世纪60年代伏龙山到澥浦的围涂,70年代,招宝山到外游山长3 186m的导堤建成,截断了岸滩与甬江口外的水沙交换。正由于此原因,导致滩涂淤涨;二是落潮流指向边滩有利于泥沙向岸边搬运,易在边滩沉积。受钱塘江、甬江和长江输出淡水的影响,细颗粒泥沙进入边滩后,在有利的环境条件和相对较弱的水动力条件下,使得淤泥质粉砂沉积。镇海海岸浅滩随围堤外推而有所扩展即由于这两个原因。风浪掀沙作用是这一带岸滩季节性变化的重要因素。这一带含沙量随季节变化,每年5~10月,含沙量小,尤以7、8月两月为最;11月到次年4月含沙量大,尤以2、3月为最,1984年7、8月及11月、12月两次水文测验,月平均含沙量12月为0.83~3kg/m3,7 月为0.13~0.71 kg/m3,相差4.4倍。但是,这一带岸滩变化恰相反,冬冲夏淤。之所以 如此,主要因为风浪。这一带,冬半年(10月到次年3月)盛行西北风,夏半年(4月到9月 )盛行东南风。冬季岸滩迎风,波浪掀沙作用较强,因波浪造成的离岸流将泥沙带至滩外,尽管此时海域含沙量大,潮流仍有能力将风浪掀起的泥沙输离海岸;夏季岸滩背风,波浪不大,尽管海域含沙量小,岸滩仍有淤积。根据1984年两次岸滩断面测量结果看,风浪的作用限于-2m到1m高程之间的岸滩。冲淤幅度为每季0.3~0.5m,岸滩东部略大于西部。 1995年后镇海岸线向海侧推进2~3km,随着岸线推进,岸线附近浅滩淤高,海域宽度的缩窄10%左右。海域缩窄后来自金塘水道的涨落潮量并没有改变,因此,必然加大了断面流速,流速的加大抑制镇海边滩的外推速度,同时使得东部出现轻微的冲刷。由于海域以北地区是长江口泥沙的主要扩散场地,杭州湾口门与中部泥沙交换频繁,存在冬冲夏淤的特点,杭州湾内大规模的围垦整治工程,减少了下泄到工程海域的泥沙量,有可能是导致海区东区冲刷的另一个原因。

3.2.2 海域南边界稳定

来自金塘水道的涨潮流冲刷槽,若以-30m等高线界定其范围,其北边界即为灰鳖洋海域的南边界。边界线变化较少,向北,在大浦山北侧停止不前,北冲南退的幅度仅200m,说明大浦山北侧后渡岗处深槽深水区十分稳定;向西北,等深线进退幅度在300m以内;向西,-30m等高线在甬江口东侧,进退幅度略大,为300m(图8)。此值与测量、绘图可能产生的误差同一量级,-20m等高线的变化与-30m的变化情况大体一致。可见深槽边界数十年来变化甚微。70年来,金塘水道西出口深槽受涨潮流制约,伸展幅度不大,纵向上比较稳定。

    灰鳖洋海域通过金塘水道的涨潮流改造局部地形,富宏的进潮量使 金塘水道能维持70~80m水深,涨落潮流紧贴甬江口两侧岸线,在深槽区往复流动,受外游山阻挡,形成一冲刷深潭,最深点在外游山正北约300m。外游山外的深潭水深长期保持在38~39m之间,在西口门外至七里屿间海床呈现放射状 槽脊相间的形态。从甬江口的形态看,甬江口紧接深槽,在甬江长年累月 将上游泥沙排至口外的条件下,并没有在口门附近形成沙坎一类的地貌形态,口外也没有存在拦门沙之类地貌单元,这些反映了来自金塘水道的涨潮流的作用。 从金塘水道的变化看,近70年来,海床变化微弱,水域深槽的范围基本不变,抑制 了灰鳖洋海区的大幅度冲淤。

图8 等深线的变化(-20m)
Fig.8 Contour shifting of the flow depth(-20m)

图9 等深线的变化(-30m)
Fig.9 Contour shifting of the flow depth(-30m)

4 灰鳖洋海域演变趋势分析

从海域北边界看,半月潮周期内,杭州湾内的泥沙向海域下泄,这和杭州湾整体的泥沙输移途径北进南出的一般认识是一致的。而对净进出水量而言,是从工程海区向杭州湾内部输移,净输沙和净输水方向截然不同反映了工程海域海床演变的复杂性。金塘水道西出口以西,即甬江口以北,海域广阔,落潮流控制了海区的基本面貌,涨潮流起到改造局部地形的作用,海床及岸滩与水动力相适应,同样趋于动态平衡,基本稳定阶段。主要是(1)控制演变的动力条件落潮流基本不变,到目前为止,杭州湾口门的人类活动相对较少,进出杭州湾的数个潮汐通道的几何形态基本未变,相应各通道进出的潮 流分配比不会受到影响。(2)该区近70年来,呈现东冲西淤的特点,除局部冲刷坑海床变化较大外,绝大多数区域冲淤幅度少于2m。(3)岸滩前沿等高线基本与涨潮流向平行,受涨潮流抑制,浅滩的外推极缓,边坡变陡。(4)金塘水道西出口的边界线基本稳定不变。(5)沉积物的分布已与水动力条件相配。海床以后的变化主要受制于潮滩的发育和岸线边界的变化以及海域上下游围垦等人类活动。(6)金塘水道岸滩已趋于动态平衡,略微向海侧推进,基本稳定[3]。其理由是,受金塘水道的高速水流制约,由甬江出口细颗粒泥沙、长江口出海悬沙和杭州湾再悬浮泥沙只有极少部分在金塘水道南岸滩地沉积,绝大多数为过境泥沙。金塘水道中部深槽内含沙量的变化基本不受流速变化影响,说明水流已不能使底部泥沙悬浮,中部深槽粗粒沉积物已不参与现代岸滩塑造[4]。从潮滩发育阶段看,无论镇海滩涂或北仑滩涂,目前高、中滩均已被围,塘外滩地只要有泥沙供应,潮滩将继续淤涨,但估计淤速极慢。鉴于镇海岸滩和金道水道岸滩,流线与等深线走向基本吻合,加之偏北风浪的冲蚀破坏,滩坡的进一步加积受到抑制,因而边滩的淤涨速率将是十分缓慢的。滩涂围垦的影响。镇海一线围堤规划上外推到外游山导堤与澥浦连线,而多数围区已建成,一旦达到规划线后,继续围垦的余地已不大。主要是,低滩上淤高的速率越来越缓慢,可围的区域很少,低滩上的围堤建设的代价较高;另外,堤线外移超过外游山导堤,就有可能造成甬江口淤积,对航道可能造成一定的影响。北仑一侧包括金塘山西边滩紧邻深槽,可围垦余地均不大。可以说,工程海域继续围垦的余地很少,以后海床的变化主要在于堤线外推到规划线后的响应,也就是,其附近海床有所淤高,冲刷发生在离堤线一定距离以外的海域海床。工程海域海床的冲淤变化还受杭州湾内的大规模整治活动的影响,杭州湾南岸计划围垦40万亩,这将引起多大程度的冲淤变化,尚需进一步研究。至少从目前的情况看,甬江口以北,海床将延续近70年来的变化趋势,西侧微淤,东侧微冲,这一东冲西淤的状况将持续相当长的时间。

5 结论

灰鳖洋海域是杭州湾与东海水沙交换的一个重要通道。通过水动力条件和泥沙输移、海域的地貌形态和底质分布特征等的分析,海域的海床演变受制于来自杭州湾内的落潮流,金塘水道的涨潮流起到改造局部地形作用。目前,海域的海床演变已与水动力条件相适应,基本稳定。海床以后的变化主要与潮滩的发育和岸线边界的变化以及上游杭州南岸围垦有关,从潮滩的发育看,淤积十分缓慢,且围堤外推的余地已不大,因此海床仍维持动态平衡状态,微冲微淤。


参考文献:

[1] 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志(第五分册[M]).北京:海洋出版社,1992.
[2] 章渭林. 甬江口附近水域潮位和潮流的类型研究[J].杭州大学学报(自然科学版),1993,20(2):229-237.
[3]蒋国俊. 舟山群岛峡道水动力及沉积特性[J].浙江大学学报,2001,28(1):82 -91.
[4]逄自安. 浙江北仑深水港区岸滩演变与岸线资源开发利用[J].杭州大学学报(自然科学版),1991, 18(1):88-95.
[5]《甬江志》编委会. 甬江志.2001.
[6]冯NFDA1.《重修镇海后海塘记》.1925.

收稿日期:2003-11-24
作者简介:黄世昌(1966-),男,浙江温岭人,高工,从事河口海岸工程研究。