（环境工程专业论文）鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究.pdf

鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 ( 5 ) 研究区泥沙来源主要有河流输沙、海岸侵蚀来沙和外海来沙等几种。 其中近岸粗颗粒泥沙主要是河流输沙和海岸侵蚀来沙堆积所致，而深水区细颗粒 泥沙主要来自于悬沙落淤。目前注入鳌山湾及其邻近海域的几条小河由于上游修 建水库，枯水期基本断流，仅洪水期还有少量水沙注入，海区外来沙源较少。 ( 6 ) 在波浪作用下，研究区内大部分海底泥沙可以活动，但泥沙强烈活动 的范围有限：大部分时间2 m 以浅泥沙强烈活动。沿岸输沙方向由岬角指向湾顶， 由于沙源有限，输沙量较小。 ( 7 ) 海区日单宽输沙量不大，全潮日单宽输沙量大潮期为3 7 7 4k g d m 一 7 7 7 3 k g d m ，小潮期为3 0 6 5k g d m - - 1 1 0 9 2 k g d m 。 ( 8 ) 研究区目前海岸态势总体较为稳定，冲淤变化较小。 ( 9 ) 研究区构造稳定，具有较长的深水岸线、岸滩稳定，泥沙来源少，有 岬角掩护和一定范围较为平坦的后方陆域，具备建设深水大港的条件。 关键词：鳌山湾水动力环境泥沙运动 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 a b s t r a c t t h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o na n dt h es e d i m e n ts c o u r - a n d f i l lc h a r a c t e ra r et h e c r i t i c a lp r o b l e mo fp o r tp r o g r a m m i n ga n dc o n s t r u c t i o n t h ep r o b l e mo fs e d i m e n t m o v e m e n ti sa l li m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc a nr e s t r i c tt h ep o r tr u ni ng e a r t h eg o v e r n m e n to fq i n g d a op l a n n e dt oc o n s t r u c tn e wp o r ti nt h ea o s h a nb a y i n t h i ss u b j e c t , w es u r v e i e dt h ea o s h a nb a ya n ds u r r o u n d i n gz o n et og e tt h ec o n d i t i o no f h y d r o l o g y , t h ec h a r a c t e r o fg e o l o g ya n dg e o m o r p h y , s e a f l o o rs e d i m e n t sa n di t s m o v e m e n tt e n d e n c y ，a n dt h e np r o v i d er e f e r e n c ef o rp o r tc o n s t r u c t i o n i nt h i ss u b j e c t , w ec o l l e c t e da n da n a l y z e dt h ee x i s t i n gg e o l o g i c a ld a t ao fa o s h a n p o r tp l a n n e dc o n s t r u c t i o ns y s t e m i c a l l y t h ep h y s i c a lg e o g r a p h ya n da r e a lg e o l o g y g e n e r a ls i t u a t i o nw e r es t a t e d w ea c c o m p l i s h e dt h ei n v e s t i g a t i o no fo c e a nc u r r e n ta n d s u s p e n d e ds e d i m e n tt h r o u g he i g h tp o s i t i o ni nt h es t u d ya r e a t h ec h a r a c t e ro f h y d r o d y n a m i cf o r c ea n di t sm e c h a n i c st os e d i m e n tm o v e m e n tw e r ea c q u i r e d t h e c h a r a c t e ro fd y n a m i c a ll a u df e a t u r ew a sr e s e a r c h e dt h r o u g hs u r v e yo ns p o t w e a c q u i r e dm o r et h a no n eh u n d r e do fs e d i m e n ts a m p l e si nt h es t u d ya r e aa n da n a l y z e d t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro fs e d i m e n tg r a i ns i z e w ea c q u i r e dt h er u l eo fs e d i m e n t d i s t r i b u t i o na n dc o m b i n e dw i t ht h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o nt os t u d yt h es e d i m e n t o r i g i na n df o r e c a s ti t sm o v e m e n ta r e aa n dt e n d e n c y w ea n a l y z e dt h eg e o l o g i c a la n d h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o ns y n t h e s i z e dt op r o v i d er a t i o n a l i z a t i o ns u g g e s t i o nf o rp o r t p l a n n i n ga n dl a y o u t t h r o u g ht h ee x p a n s i o no fr e l a t i v ew o r k ，w eg o tt h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： m l a n df o r mo fs t u d ya r e ai se r o s i o na n da b r a s i o nz o n e ，w h i c hi sc u tb ys t r e a m a n dr u n n i n gw a t e rf o r m t h ec o a s to fs t u d ya r e ai st y p i c a lb e d r o c kc a p ec o a s t t h e r ea r eu n d e r s e ab a n ks l o p ea n df l a f l a n di nt h es e ab e d , a n dt h e r e a r e p l u s - m i n u sl a n df o r ms u c ha su n d e r s e ab a ra n du n d e r s e ad e p r e s s i o n 1 1 1 el a n d f o r mi np o r ta n do u tp o r ti sp l a to fa o s h a np o r t n es l o p ed e g r e eo fs e ab e di s s m a l lw i t ht h ee x c e p t i o no fc a p e m s e d i m e n tt y p eo fs t u d ya r e ai n c l u d es a n d ，s i l ts a n d ，s i l ta n dc l a ys i l t t h e d i s t r i b u t i o na r e ao fs a n da n ds i rs a n da r eb r o a d e s t , w h i c ho c c u p i e dt h es e a b e d a ? e ao fw a t e rd e p t hb e y o n dt w om e t e r t h ec o a r s eg r a i ns e d i m e n to fs a n d 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 d i s t r i b u t e di nn e a rs h o r ea r e a t h eg r a d ec o m p o n e n tc h a n g e df r o mc o a s tt ot h e s e a , t h ec o m e mo fs a n dr e d u c e da n dt h ec o n t e n to fc l a yh e i g h t e n e d t h ec u r r e n tt y p eo fs t u d ya r e ai ss e m i d i u m a lc u r r e n ta n dt h em o v e m e n tt y p eo f c u r r e n tw e r er o t a r yc u r r e n ta n dr e c i p r o c a t ec u r r e n t i n s i d eo fa o s h a nb a yw a s r e c i p r o c a t ea n do u t s i d ew a sr o t a r yc u r r e n t t h el o n ga x i sd i r e c t i o no fe l l i p s eo f t o pl a y e r , m i d d l el a y e ra n db o t t o ml a y e rw e r ea l m o s tn o r t h - w e s tt os o u t h - e a s t t h em a x i m u mc u r r e n ts p e e dw a s3 8 4c m s - - 。6 2 7c m s t h ef l o o dc u r r e n ts p e e d e x c e e de b bc u r r e n ts p e e d t h ed i r e c t i o no ff l o o dc u r r e n to u t s i d eo fb a yw a s s o u t h - w e s t , i n s i d eo fb a yw a sn o r t h ，a n dt h ee b bc u r r e n tw a so nt h ec o n t r a r y t h ec u r r e n ts p e e de x c e e d e df o r mc o a s tt ot h es e a , a n dd e c r e a s e df r o mt o pt ot h e b o r o m t h ew a t e ro fs t u d ya r e aa r ec l e a r , t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fs e aw a t e ri s 0 2 m g 1 - 8 5 5 m g 1 ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o ni sb e t w e e n1 5 o m g l - 2 3 6 m g a t h e c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o mt h et o pt ot h eb o t t o mo fs e aw a t e r , w h i c hh a s p o s i t i v ec o r r e l a t i o nt ot h ef l o wv e l o c i t y t h es o u r c eo fs e d i m e n ti nt h es t u d ya r e ai n c l u d e df i v e r1 0 a d , c o a s te r o s i o na n d s e d i m e n tf o r mo p e ns e a t h ec o a r s es e d i m e n tn e a rs h o r eo r i g mf o r mt h e a c c u m u l a t i o no fr i v e rl o a da n dc o a s te r o s i o n , w h i l et h ef i n es e d i m e n ti nt h ed e 印 w a t e ro r i g i nf r o mt h es e t t l eo ft h es u s p e n d e ds e d i m e n t t h el e s s e rr i v e r sw h i c h p o u r e di n t oa o s h a np o r tw e r en e a r l ys e t o f fi nl o ww a t e rp e r i o db e c a u s eo ft h e c o n s t r u c t i o no fr e s e r v o i ri nu p p e rc o u r s e t h e r ew e r eo n l ys m a uq u a n t i t yo fw a t e r p o u r e di n t oa o s h a np o r ti nf l o o dp e r i o d ，s ot h ea m o u n to fs e d i m e n tf r o mo p e n s e a w a ss m a l l u n d e rw a v ea c t i o n , t h em a j o rs e a b e ds e d i m e n ti nt h es t u d ya r e ac a nm o v e ，b u t t h es c o p eo fs e d i m e n tm o v e m e n ti sl i m i t t h es e a b e ds e d i m e n tm o v es t r o n g l y w h e r ew a t e rd e p t hl e s st h a nt w om e t e r s t h ed i r e c t i o no fs e d i m e n tm o v e m e n tw a s f o r mt h ec a p et ot h et o po ft h ep o r t t h ea m o u n to fs e d i m e n tm o v e m e n tw a s s m a l lb e c a u s es e d i m e n tr e s o u r c ew a sl i m i t t h es e d i m e n tr u n o f fo fp e rw i d t he v e r yd a yw a sn o tl a r g ei nt h es t u d ya r e a , t h e s e d i m e n tr u n - o f fo fp e rw i d t he v e r yd a yf o rf u l lt i d ew a s37 7 4 k g d m - - - 7 7 7 3 k e g d md u r i n g t h es p r i n gs e a s o n ，a n dw h i c hw a s3 0 6 5 11 0 9 2 k g d m 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 d u r i n gt h en e a ps e a s o n t h ec o a s tt e n d e n c yw a ss t a b l ea saw h o l ec u r r e n t l y , a n dt h ea m o u n to fs c o u r - a n d _ 】 i 1 1w a ss m a l l t h ec o n s t i t u t i o nw a ss t a b l ei nt h es t u d ya r e a , w h i c ho c c u p i e dl o n gc o a s tl i n ei n d e 印w a t e r t h eb e n c hw a ss t a b l ea n dt h eo r i g i na m o u n to fs e d i m e n tw a ss m a l l t h ec o n d i t i o no fe x i s t i n gp l a tl a u di nb a c ka r e aa n dc o v e r e db yc a p ew a sf i tf o r c o n s t r u c tp o r ti nd e e pw a t e r k e y w o r d s ：a o s h a np o r t , h y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n t ，s e d i m e n tm o v e m e n t v 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 本论文是在青岛港航局委托课题“青岛港鳌山港区总体规划动力地貌与泥沙 运动调查分析”资助下完成的。 随着海洋经济的发展，港口建设工程日益增多。水动力及泥沙运移特征是港 口建设的核心问题之一，是制约港口正常使用与否的重要因素。例如黄骅港建成 后，航道严重淤积，极大的影响了港口航道的正常使用，带来了巨大的经济损失， 并产生了相应的社会问题。 青岛港是胜利油田和晋中原油及煤炭的主要输出港，也是我国仅次于上海及 深圳的第三大集装箱运输港口。为了满足经济发展的需要，青岛市拟在鳌山湾建 设港区。本项课题对该区及邻近海域水文条件、地质地貌特征、海底沉积物及泥 沙运移趋势等进行调查研究，为港口建设提供参考。 本论文拟通过对鳌山湾资料收集及实测水动力条件的深入分析，研究鳌山湾 的水动力环境特征，通过在研究区开展底质取样工作，结合区域地质及地貌特征， 分析研究区不同类型沉积物分布特征及可能来源，结合水动力条件开展研究区泥 沙运动及区域冲淤趋势综合研究，为鳌山湾新港区规划提供参考。 本论文通过对现场大量实测海流资料的分析，对鳌山湾水动力特征形成了较 为系统的认识，通过区域冲淤与泥沙运动趋势分析，对水动力条件下的沉积物运 动特征进行了较深入的研究。通过本项研究的开展，可以为鳌山湾港区建设提供 合理参考，对于促进青岛经济的发展具有重要的意义。 本论文研究得到一些基本的成果，但因时间紧迫，加之本人水平所限，论 文中纰漏和错误在所难免，敬请各位同行专家不吝赐教，给予批评指正。 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 1绪论 1 1 选题依据与研究意义 随着人类开发海洋资源步伐的加快，所需进行的海岸及海洋工程建设逐渐增 多。我国拥有1 8 万千米的海岸线，1 1 万千米的内河航道，港口众多，承担着 9 的国内贸易运输和8 5 以上的外贸货物运输。港口经济是海洋经济的重要组 成部分，港口与城市经济发展正在结合为一体。港口经济的发展带动各种运输方 式和其它相关产业的发展，如水运、装卸、陆运、物流业、仓储业等。目前，我 国已经形成了五大区域港口群，自南向北依次为西南沿海地区、珠江三角洲地区、 东南沿海地区、长江三角洲地区以及环渤海地区。环渤海地区港口群主要由辽宁、 津冀、和山东沿海一带港口群组成，服务于中国北方沿海一带和内陆地区的社会 经济发展。山东沿海港口群主要以青岛、烟台及日照港为主。 港口淤积是指在海港的航道和港池内产生的泥沙沉积现象，极易造成航道及 港池水深减小，妨碍船只航行，淤积严重甚至造成港口成为废港。防淤减淤工程 耗资巨大，而疏浚维护费用也经常成为沉重的负担。因此，淤积问题在泥沙活动 活跃的海岸是建港成败的关键问题之一。在港口选址、港口设计、直至建成后的 使用及维护阶段，均须密切关注泥沙淤积问题，甚至在建港之初就应预见后期的 淤积趋势，考虑可能采用的防治措施。 青岛港地处山东半岛东南部，是我国沿海地区的主要港口以及北方地区最大 的集装箱干线港。青岛港现有泊位主要分布在黄岛油港区、前湾港区和老港区。 2 0 0 5 年1 2 月份，青岛市港航管理局委托交通部规划研究院提交了青岛港总体 规划并通过了专家评审，在综合分析青岛自北向南的海岸线后，各方专家一致 认为在鳌山湾的各项条件是青岛市现有适合建设深水港口码头岸线资源中最优 越的，适合建设大型的综合性深水港区，从而缓解青岛港目前的通过能力和日益 增长的吞吐量之间的矛盾，进而满足青岛港未来发展的需要。 本课题通过对鳌山湾已有研究成果的系统收集整理，对现场实测海流资料进 行进一步分析，对鳌山湾的水动力环境进行深入研究，查明研究区泥沙来源及分 2 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 布特征，结合区域水动力特征开展泥沙运动及区域冲淤趋势综合研究，为鳌山湾 新港区建设提供参考依据。通过本课题的开展，可以为鳌山湾港区规划设计提供 基础数据及合理化建议，对于促进青岛经济的发展具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 针对鳌山湾开展的相关研究工作相对较少。赵俊等 1 】在运用直读海流计对湾 内进行了4 个测站的海流观测，通过对鳌山湾海域的潮流数值模拟，较为详细地 阐述了鳌山湾的潮汐、潮流特征及海水交换率与交换期，认为与其他海湾相比， 鳌山湾水交换能力一般。陈聚法等【2 】利用针对鳌山湾的首次生态环境综合调查资 料，分析了鳌山湾水温、盐度和透明度的水平分布和变化特征，并结合历史资料， 简要描述了鳌山湾潮汐、海流和水交换特征。谷学准等【3 】根据青岛大港验潮站的 长期实测资料和鳌山湾连续一年的历时潮位资料，利用相关算法分析获得了鳌山 湾极值水位及鳌山湾水域的设计水位，在此基础上，计算得到了深水和近岸波要 素。刘军晓【4 】通过对鳌山湾自然资源及岸线情况的叙述，提出了鳌山湾的开发利 用设想，为岸线的可持续利用提供参考。陈碧娟等【5 在1 9 9 6 年1 1 月1 9 9 7 年9 月 问对鳌山湾进行了5 次环境调查，对浮游植物的群落结构特征、种类、数量及季 节性变化进行了较为详细的论述。栾光中等网对青岛及临近区域的n e 、n w 向的 断裂活动性进行研究，认为鳌山卫一即墨微震带是n w 向断裂的现代活动性的表 现。目前关于鳌山湾的泥沙分布特征及水动力条件下的泥沙运移趋势研究工作尚 未开展。 泥沙特征、主要来源及运动趋势研究是地质环境研究的一项重要内容，尤其 是在港口、码头等工程设施建设中，更需要查明泥沙运动基本规律。比如黄骅港 泥沙骤淤现象比较严重，影响了航道的正常使用，每年疏浚工程耗费了大量的人 力物力，对黄骅港经济建设造成了一定的影响。 泥沙科学是- - f 7 综合性、实践性基础技术科学【7 】，主要研究泥沙及碎屑颗粒 在水流、重力、波浪和风力等作用下的冲刷、搬运和沉积过程以及这些运动过程 所造成的宏观地貌演变和对人类生产生活所带来的影响。泥沙研究内涵和外延广 阔，涉及边缘科学和物理量繁多，再加上泥沙运动的三维性、随机性和多样性， 以及多相流本身的复杂性，决定了该研究目前处于起步阶段，是一个较大的科学 难题 8 】o 虽然如此，我国的泥沙研究还是取得了一定的成就，研究并解决了一系 列重大工程技术问题。我国泥沙研究水平总体处于国际领先，在非均匀不平衡输 沙理论、水流挟沙能力、高含沙水流运动、泥沙异重流、泥沙运动统计理论、水 库淤积与调度运用方式、河流模拟理论与技术、河床演变与河道整治等多个研究 方向居于国际领先水平陟1 0 | 。 越来越多的学者认识到风浪作用下的泥沙运动是造成岸滩侵淤变化和各类 海洋工程泥沙问题的主因，并采用各种方法对风浪作用下的泥沙运动规律进行研 究。目前主要的研究方法有机理推导、卫星或航空图片解译、实验室观测以及现 场观测等。 传统的泥沙研究注重物理过程观测、理论分析和试验研究的结合。因此，物 理模型与数值模拟技术在泥沙研究中应用广泛，尤其是在解决工程泥沙问题中， 数值模拟的方法更是得到了广泛的运用与长足发展，一维、二维直到三维模型相 继建立l l 。泥沙数学模型是一种理论计算的预测方法，它通过计算机，以数学和 计算流体力学理论为支撑，对水流和泥沙及其它一些物质输运现象通过及其细致 的局部近似求解来达到模拟实际的效果。由于泥沙数学模型与数学及物理理论和 计算机的进展密切相关，自身的基础理论存在空白，导致了泥沙模型的基本方程 不能封闭，必须作出某些假定以及运用各种经验的或者半经验理论的方程式来使 问题完备，进而产生了多种形式的泥沙模型。这些模型多数是由个人开发完成， 功能单一，只适用于限定的假设条件，通用性差，程序结构没有进行优化设计， 计算效率较低，界面不规范，可视化和动态显示程度较低，从而限制了推广应用。 物理模型是指将发生在物理实体中的力学或热化学等过程，在物理相似的条 件下，经放大或者缩小后在模型上重演，对模型的力学化学等参数进行量测、记 录和分析，根据相似关系换算到原型实体中去，达到研究原型力学化学等过程的 目的。物理模型可以人为地控制某些主要因素，略去次要因素，所以典型性较好， 容易变更某些工作因素，故对优化设计极为方便。在目前工程项目发展迅速的背 景下，实体模型的发展也极为迅速，定床河工模型目前达到成熟阶段，试验成果 的可靠性较高。然而，动床模型除满足水流运动相似外，还需要满足泥沙运动相 似条件，并且水流的几何边界也在变化，这都使模型的相似问题变得十分复杂 8 1 。 机理推导和模型实验成果表明：边界层及波浪破碎产生的湍流在泥沙起动悬 浮中具有重要作用 1 2 - 1 5 】，波浪作用下水体底部含沙量大，向上逐渐减, j d l 5 ；学 4 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 者们通过试验手段结合理论推导获得了泥沙起动流速、悬沙垂向浓度分布等的半 理论半经验公式【1 6 - 1 8 】，研究了波高、周期和土体密度等因素对泥沙在波浪作用下 起动规律的影响，通过试验水槽给出了水体悬沙含量和粒度随上述因素变化的关 系 1 9 。2 伽。上述研究对风浪作用下的泥沙运动进行了设计试验，给出了相关的泥沙 活动规律和特征，并对其运动机理进行了探讨，并推导出一些泥沙运动参数的计 算方法，为波浪作用下泥沙运动研究奠定了坚实的基础。但是由于风浪作用下泥 沙运动机制较为复杂，物理推导和实验室模型都很难完全真实地反映现场情况， 由于模型比尺的限制，对宏观因素及其引起的水动力泥沙运动模拟有限，因此理 论推导和试验研究成果具有一定的局限性，对风浪作用下泥沙实际运动规律反映 不全面，泥沙起动流速、悬沙含量等经验公式的计算结果缺乏观测数据的验证， 在实际应用中常有偏差。 采用卫星或航空图片解译可以获取较大范围内水体悬沙分布以及平面变化 等规律口1 1 ，但由于缺乏观测值为参照，难以获取水体悬沙含量、粒度及其他泥 沙信息的实际结果，只能获取相对的信息。 因为现场观测资料缺乏，难以获取泥沙运动规律的真实信息，风浪作用下现 场信息的获取成为泥沙运动研究的关键及瓶颈问题。但由于风浪天气条件下海况 恶劣，仪器和人员安全难以保障，泥沙运动的观测研究受到极大限制，长期以来 学者们想尽多种方法对此进行了尝试。 泥沙捕获器( t r a p p e r ) 是一种在风天应用较多的获取泥沙样品的方法，目前 在人员可以站立的浅水区和较深水域应用较多。 其中浅水区的泥沙捕获器不能实现自动取样观测，需人工携带仪器采样。如 k r a u snc z 2 之引，印萍、金永德等采用旌式泥沙捕获器对破波带泥沙进行人工取 样分析【2 4 】。但由于需要人工下海采样，仅适用于人员可以站立的浅水区，且取 样个数有限，实施难度较大。 自动泥沙捕获器( a u t o m a t i ct r a p p e r ) 多应用于1 0 m 以上的较深海域，可自 动获取不同时段的多个样品。人们采用自动泥沙采样器曾成功的获取过黄河三角 洲埕岛海域、夏威夷m o l o k a i 海域( m i c h a e lh b 和r i c h a r dl r , 2 0 0 6 ) 等的泥 沙样品( 图1 1 ) 【2 5 】。现有的自动泥沙捕获器多为座底式，体积和重量都比较大， 仪器一般高l m 以上，重几百公斤，不仅旖放困难，且施放采水器的船只吨位及 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 吃水较大，难以靠近浅水区，因此，目前仅在较深海区得到应用。其次由于采取 的样品个数有限，获取的数据很难从开始到结束覆盖整个大风过程。 彝 警 隗王_ | 一三要 图卜1 施放于海底1 2 m 处的泥沙自动采样器及采取的不同时段的样品。取样瓶口距海底1 3m ( m i c h a e ih b o t h n e r r i c h a r dl r e y n o i d s 。m i c h a e ia c a s s oe l ：a i 2 0 0 6 ) 随着光学和声学探测技术的发展，近年来光学和声学仪器在海洋水动力泥沙 观测中得到了较为广泛的应用，获取了丰富的信息。光学和声学自动观测仪器克 服了人工观测的危险性，可以对波浪作用下的水沙特征进行自动观测 2 6 - 3 2 】。其 中在近岸应用较多的是采用栈桥和吊杆等人工辅助装置进行水动力要素和泥沙 要素联合观测，观测多集中在0 m 左右的浅水区。h c m i l l e r 成功的利用人工栈 桥和吊杆采用海流计和光学浊度计对大风条件下的水体悬沙含量进行了全天候 的观测，并以此计算了风浪条件下破波带的输沙率【3 3 】。jz g a i l a n i 和s js m i t h 也采用上述办法对风浪作用下的泥沙沿岸输移率进行了观测计算3 4 1 。近年来， 我国学者在海岸水动力泥沙研究中对光学和声学探测仪器进行了尝试性的应用， 并获取了一些成果，认为光学和声学仪器在海洋科学研究中具有广阔的应用前景 3 5 - 3 8 。但需要提出的是，光学仪器测定水体含沙量需要有现场标定样品，并且具 有一定的误差，特别是粒度信息误差较大，对进一步分析泥沙运动的动力机制有 一定影响，因此需配合人工采水，对样品标定，才能保证测量结果的精度。 综上，风浪作用下泥沙运动观测研究仍存在较大的探索和尝试的空间，与 现场观测规律相应的动力机制分析工作也应进一步加强。 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 1 3 研究目的及研究内容 1 3 1 研究目的 通过对鳌山湾研究区的海流观测，获取该区域的水动力特征，通过现场踏勘 的方法查明区域地貌类型特征，通过底质取样及土工试验获取研究区沉积物粒度 特征，建立研究区沉积物粒度分布图，结合水动力特征分析研究区泥沙来源以及 泥沙活动范围及趋势，从而为拟建港区的建设提供参考。 1 3 2 研究内容 本项研究的研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 研究区水动力特征； ( 2 ) 研究区动力地貌条件； ( 3 ) 研究区表层沉积物分布特征； ( 4 ) 研究区泥沙运动特征。 7 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 2 自然地理及区域地质概况 2 1 自然地理特征 研究区位于即墨县与崂山区交界处，包括从田横岛南部至崂山头的一段海 域、陆域，是典型的基岩岬湾岸段。该岸段总体走向n e s w 。研究区北部包括 两个海湾一鳌山湾和小岛湾，二湾再加上南部仰口至崂山头岸段合称崂山湾，被 女岛和崂山头两个基岩岬角界定。鳌山湾东侧岬角为女岛，在西侧经鳌山头与小 岛湾隔开，小岛湾西南侧岬角为凤山角。研究区南部凤山角以南至崂山头为一段 走向s n 向、岬角突出较小的基岩海岸。 研究区水域南北长约3 5 k i n ，东西宽约2 0 k i n ，面积约7 0 0 k i n 2 。水深0 - 2 0 m ， 其中近岸湾顶水深较浅，浅水范围较广，形成大片潮滩，岬角区水深较大，为 1 0 m 左右。鳌山湾和小岛湾水深多介于0 m - 5 m ，湾口附近水深最大在1 0 m 左右， 向外海水深持续增大，至研究区外围水深可达2 0 m 。 研究区水域开阔，陆域宽广，低山丘陵和剥蚀准平原分布广泛，植被茂盛， 有多条近源时令小河由山地下流入海。湾顶潮滩被围填开发成养殖池及盐田，女 岛和鳌山头及柴岛等基岩岬角区修建了小型港口。 2 2 区域地质特征 研究区的大地构造位置处于新华夏第二隆带，主要处于胶莱坳陷次级构造单 元内，属于土埠岛中生代沉积盆地的范围。 该区胶莱坳陷为燕山运动早期中侏罗世末发生的大型强烈坳陷，沉积了除第 一岩段之外的白垩系全部砂砾岩的沉积，之后，随着沉积盆地范围不断地扩大， 新的地层逐次超覆老的地层。白垩纪时期( 燕山运动的晚期) 岩浆活动异常活跃， 火山喷溢频繁，湾周有较大面积的崂山阶段酸性岩体出露，成为本区主要地质体。 地层及岩体中有多期脉岩侵入。新生代后，该区地壳构造比较稳定，长期处于稳 定抬升剥蚀、侵蚀状态，这个期间未出现新生断裂和火山活动，地震活动不强烈， 位于胶东的烟台威海、龙口一蓬莱一长岛两个地震危险区之外。 8 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 2 2 1 地层 研究区出露的岩石和地层主要分为4 大套。第一套为古老的结晶变质基底， 是一套零星出露的前寒武纪变质岩系，主要分布在仰口、港东、峰山一带。第二 套为晚中生代河湖陆相火山碎屑岩系，主要是胶莱盆地内发育的白垩系地层。第 三套发育在白垩纪时期( 燕山运动的晚期) ，岩浆活动异常活跃，火山喷溢频繁， 有较大面积的崂山阶段酸性岩体出露，成为本区主要地质体，岩体中有多期脉岩 侵入。第四套为覆盖在下伏地层之上的第四纪地层。 各时代地层和层序如下表所示。 表2 - 1 研究区地层表 2 2 2 岩浆岩 燕山运动晚期，岩浆侵入活动强烈，规模大，具多期多种岩石类型，其崂山 阶段岩体具有复式岩体特征，分布受北东、北北东向断裂构造控制，岩体边缘常 见其他岩性的捕掳体、球状风化普遍发育。区内主要岩性有黑云母花岗岩和白岗 岩。 2 2 3 构造 本区属于单斜构造，岩层产状2 9 0 0 3 2 0 0 2 2 8 - - 6 5 。，由于后期花岗岩的侵入， 局部产状略有变化。 海阳一青岛断裂分布在即墨温泉一带，断裂沿走向和倾向呈舒缓波状，破碎 带由碎裂岩、断层泥和构造透镜体组成，沿断裂方向分布一系列温泉和河谷。断 裂两侧地形变化较大；南侧山体陡峭、北侧低平。断层方向5 0 0 。 此外，在即墨小南海东部的采石场，有一近南北向小断层，以断层角砾岩和 泉为证，是n e 向大断裂派生出来的分支断裂构造。 9 螯山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 综上，研究区位于胶莱坳陷内，在元古界结晶基底上沉积了白垩系的砂砾岩 和火山岩以及第四系松散沉积物。自垩纪时期( 燕山运动的晚期) 岩浆活动异常 活跃，有较大面积的崂山阶段酸性岩体出露，主要为白岗岩和黑云母花岗，地层 中有多期次脉岩侵入，成为沿岸岬角的主要组成岩体。研究区内有单斜构造和断 裂出现，但无新生断裂和火山活动，地震活动不强烈。 图2 - 1 研究区地质图 1 0 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 3 地貌特征 研究区处于新华夏第二隆带，陆域局部海拔较高，新生代以来构造稳定遭受 剥蚀，构成了剥蚀低山、剥蚀台地等地貌景观，并被雨源山溪河流切割。沿海一 线，多为丘陵外围的山麓准平原，地势趋于和缓，渐被冲、洪积和海积等堆积地 貌所取代，仅局部地区有丘陵岗岭延伸于海，形成海湾口门岬角，发育基岩侵蚀 海岸和局部冲填堆积地貌。湾顶多为坦阔的湖滩，并向外倾没于海底，过渡为水 下岸坡和浅海平原。在研究区陆域进行了地貌踏勘工作，以调查研究区陆地及海 岸地貌特征。 3 1 陆地地貌 陆地地貌包括侵蚀剥蚀地貌和河流地貌( 堆积地貌) 。其中丘陵、剥蚀台地 属于侵蚀剥蚀地貌，冲洪积平原、坡洪积群等属于河流地貌。 3 1 1 侵蚀剥蚀地貌 研究区附近是胶东丘陵区的一部分，地势高低起伏，但临海丘体规模趋小， 多呈弧丘，高程多在1 5 0 m 以下，仅高山( 2 3 6 5 m ) 和峻山( 2 1 0 3 m ) 高于2 0 0 m ， 故多属低丘陵。其中，花岗岩低丘，由于岩石节理发育和强烈的差异侵蚀与风化 作用，山体俊秀，奇峰异石到处可见，丘麓、谷坡则有石蛋景观；沉积岩、火山 岩、火山碎屑岩构成的低丘，坡陡顶平，山形完整，地表多有薄层残积物，植被 亦较好。 剥蚀台地分布于剥蚀丘陵外围。以波状起伏的宽谷缓丘或向海倾的缓坡地为 特色，高程在5 0 m 一6 0 m 以下。除花岗岩区地表残、坡积物较薄，地形破碎、水 土流失严重，成为劣地外，经长期风化剥蚀，剥蚀台地区残积层发育，除岸边外， 基岩极少外裸，故植被茂密，目前多被改造为耕地或果园。 3 1 2 流水地貌 河谷 研究区附近沿岸水系较发育，但均为源高流短的山溪小河，流域面积很小。 由于构造影响具有格状水系特征，呈树枝状或独流入海。河流的源头多位于 1 1 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 5 0 m - 6 0 m 高程以下剥蚀地丘获准平原区，河谷上游多呈“v ”字形切入残积风化 层或洪坡积层内，底床干裸，纵比降较大。中下游河床趋缓展宽，河道稳定，但 河床多干涸，大小砾石裸露；两岸有窄长冲积平原或阶地分布，地势向下游缓倾 展宽，与河口冲海积、海积平原过渡，河床亦相对宽平。有的河口被沙咀围封， 口内河道积水为湿地或泻湖。 坡洪积群 坡洪积裙分布于文山、风山等丘麓，王哥庄西南的姜家村一蔡家一大涧一线 的山前地带，是山洪和坡面片流充填作用，在地势低洼处形成的堆积坡地或台地。 由数个上窄下宽的冲积锥交叠而成冲洪积群，有较厚松散物，向外缘坡地趋缓， 过渡为山前冲洪积平原。沉积物主要为砂砾与棕黄色粘土质粉砂，且自沟口向两 侧及外缘，物质由粗变细。由于冲沟强烈切割、水土流失严重。 冲积平原 注入小岛湾的浦里河和土寨河的中下游河道两侧有小规模冲积平原分布，一 般高出河床数米，宽度一般在l k m - 2 k m ，向下游略有展宽。由于地势平坦，埋 藏的砂砾石层又有较为丰富的地下水，且表层土质肥沃，是当地最优良的耕地。 3 2 海岸地貌 海岸地貌有海蚀地貌和海积地貌两种。其中海蚀崖、海蚀穴、海蚀台属于海 蚀地貌，海积平原、湿地、沿岸堤、沙咀、潮滩与海滩属于海积地貌。 3 2 1 海蚀崖与海蚀穴 研究区沿岸的海蚀崖有活海蚀崖和死海蚀崖之分。 活海蚀崖与海蚀平台相伴而生，直接临海，主要分布在基岩岬角区，研究区 女岛两侧、鳌山头柴岛两侧，小岛湾西岸的小蓬莱周围和南岸的野鸡山半岛至崂 山头沿岸均有海蚀崖分布。根据基岩出露情况，海蚀崖组成有砂岩和花岗岩，砂 岩海蚀崖上长有草丛及树木( 图3 1 ) ，花岗岩海蚀崖之中上部，常有蜂窝状海蚀 穴点缀( 图3 - 1 ) 。除崂山头附近、鳌山头和女岛海蚀崖较高外，研究区大部分地 区的海蚀崖多为剥蚀低丘陵外围准平原经海蚀而成，崖壁较低矮，多为低于 5 m “m 的岩崖或凹凸不平的岩坡，局部伴有崩塌现象。崖外多伴有海蚀平台， 1 2 岬角处构成海蚀崖一海蚀平台相伴生的海蚀岸，岬角两侧略微平直的岸段平台的 后缘常发育规模不大的砂、砾滩( 堤) ，从而构成自岸向海为海蚀岸一砂砾滩( 堤) 一岩滩的海岸结构。 死海蚀崖已完全脱离海水作用，多断续分布于各小湾内海岸，常以长有植物 的陡坎出现，崖下为海积小平原、滨海湿地或沿岸沙堤等。有的死海蚀崖基部可 见海蚀洞穴。 3 2 2 海蚀台 多与现代海蚀崖伴生，也有的岸段如山东头、黑子、南黄埠等与沿岸堤共存 ( 图3 2 ) 。 王哥庄湾以南多为花岗岩岸段海蚀台，为较窄陡的岩坡或呈崎岖、次第接触 1 3 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 的阶梯状潮间岩礁滩向海倾延，其前缘曲折倾没于海底，其后缘与海蚀崖无明显 界限( 图3 3 ) 。 王哥庄湾以北多为沉积岩岸段海蚀台，海蚀平台较发育，相对宽坦，宽者可 达1 0 0m 以上，宽十余米至百余米，并向水下延伸，岸滩上普遍有零星砾石、岩 块散布，并在后缘，尤其是岸线凹入段富集，常有薄层砂砾超覆海蚀台上( 图 3 4 ) ，有的岸段如山东头、黑子、南黄埠一带发育砾石滩或堤，砾石成分均为当 地的沉积岩，形态以扁平者居多，经磨圆后其花纹奇特，不失为天然工艺品；还 有的岸段如小岛湾野鸡山海蚀平台受风力改造风砂披盖了海蚀岸。 鳌山湾内大山所一黑子村岸段，海蚀平台由火山岩构成，台面亦宽平，不仅 有许多扁平状浑圆一棱角状砾石散布，而且有零星直径可达l m 的黑色浑圆巨砾 点缀；后侧以直线坡海滩与滩脊过渡。 图3 2 砂砾堤一海蚀平台结构( 山东头) 1 4 图3 - 3花岗岩海蚀平台和海蚀崖( 小岛湾) 图3 - 4 砂砾超覆的海蚀平台( 神汤沟) 鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究 3 2 3 海积平原与湿地 海积平原主要北湾分布于岸线凹入段，横门湾、鳌山湾和小岛湾的湾顶滨海 地带以及湾内凹入的次级小湾内均有海积平原分布，主要有横门湾的洼里村南、 泊子等古岸线凹入处、鳌山湾的神汤沟至南黄埠、盐田和抬头以及小岛湾的土寨 河、浦里河、晓望河下游低洼地区。研究区内的海积平原多为条带状镶于凹岸的 垄岗地形，宽度百米至千余米，其高程多在5 m