（环境工程专业论文）冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究.pdf

冀塞直堡海区潮流麴力地蕴盈塞害地质硒究 摘要 研究区位于冀东南堡近岸海域，东侧紧邻曹妃甸，属滩海地区，是冀东南 堡油田的主要采油区，也是冀东南堡油田人工岛建设和采油平台的主要分布区 域。因此，研究该区浅部地层情况，分析地层层序，了解该区域内的灾害地质因 素等对油田的开发建设具有重要的现实意义。 本文利用2 0 0 7 年由冀东油田勘探开发研究院对南堡海域所做的大量浅地层 剖面资料，结合前人的工作，对该区的浅部沉积体系进行研究，对其浅地震层序 进行划分，分析该区的灾害地质因素，以期为该区域的工程建设等提供科学依据， 这方面内容也在本人的一篇论文中有了比较详细的阐述。 渤海湾南堡海域的潮流动力地貌特征较为复杂。研究该海域的潮流动力地貌 特征将会对该海区的人工岛建设等工程具有重要意义，作者利用实测的该海区的 潮位、海流、侧扫声纳、底质取样等资料，对南堡油田三个人工岛所处海域的潮 流地貌特征进行了研究和分析，推测测区内沙坝的运移特征，研究人工岛建设等 对该区的潮流特征的影响。 本文在搜集了本区域进行的大量环境、地质调查资料的基础上，从水文气 象、地形地貌、沉积环境、声学地层、工程地质和构造、地震等方面对研究区进 行灾害地质环境背景分析，辨识各种灾害地质类型。同时讨论了灾害地质与地质 灾害的科学含义以及两者之间的联系和区别，并就当前对灾害地质类型的划分方 法作了系统归纳。通过对该区各种资料的系统分析，判识出潜在的多种灾害地质 类型，分别为潮流冲刷槽、浅滩、埋藏古河道、浅层气等。从形成机制、分布特 征和潜在危害性等角度出发，对这些类型进行了重点分析。 关键词：渤海湾南堡灾害地质潮流特征 t h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa n dt i d a ld y n a m i cg e o m o r p h o l o g yo f n a n p u a r e ai nt h ee a s to fb o h a ib a y a b s t r a c t s t u d ya r e ai sl o c a t e da tn a n p u i n s h o r ew a t e r sa d ja c e n tt ot h ee a s to fc a o f e i d i a n ， i ti sab e a c ha r e aa n dam a j o ro i ln a n p uo i l f i e l da r e a s ，b u ta l s oa r t i f i c i a li s l a n dn a n p u o i lp r o d u c t i o np l a t f o r mc o n s t r u c t i o na n dt h em a i nd i s t r i b u t i o na r e a ( f i g u r e1 ) t h e r e f o r e ，t h es t u d ya r e at h es h a l l o ws t r a t aa n dt oa n a l y z et h es t r a t i g r a p h y , g e o l o g i c a l d i s a s t e r si nt h er e g i o nt ou n d e r s t a n df a c t o r so fd e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no fo i l f i e l dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，j i d o n go i l f i e l de x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n s t i t u t eo f n a n p u a r e am a d eal o to fs h a l l o ws t r a t ad o m a i np r o f i l e si n2 0 0 7 ，c o m b i n e dw i t hp r e v i o u s w o r k ，t h ea r e ao ft h es h a l l o ws e d i m e n t a r ys y s t e r nt os t u d y i t ss h a l l o ws e i s m i c s e q u e n c e sa r ed i v i d e da n a l y s i so fg e o l o g i c a lf a c t o r si nt h ed i s a s t e ra r e at o c o n s t r u c t i o np r o j e c t si nt h er e g i o nt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s t h ed y n a m i cg e o m o r p h o l o g yi nb o h a ib a yn a n p ua r e ai sc o m p l i c a t e d i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fj i d o n go i l f i e l d ，c o a s t a lw a t e r si nt h en a n p u a r e a b u i l tt h r e el a r g ea r t i f i c i a li s l a n d s t os t u d yt h ec h a r a c t e ro fd y n a m i cg e o m o r p h o l o g y o ft h es e aa r e aw i l lb ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fa r t i f i c i a li s l a n d s 。o nt h e u s eo ft h em e a s u r e dt i d el e v e lo ft h es e aa r e a , o c e a nc u r r e n t s ，s i d e - s c a ns o n a r , s e d i m e n ts a m p l i n g ，e t c ，t h ea u t h o rs t u d ya n da n a l y s i st h et i d a ld y n a m i c g c o m o r p h o l o g yp a t t e r n ss y s t e mo f t h et h r e ea r t i f i c i a li s l a n d so i l f i e l da r e a ，s p e c u l a t e d t h em i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s a n dr i d g e s ，a n dt h ei n f l u e n c eo fc o n s t r u c t i o no f a r t i f i c i a li s l a n dp r o j e c t si nt h er e g i o no fc u r r e n ts y s t e m t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eg e o h a z a r d se n v i r o n m e n tb a c k g r o u n d sf r o mt h en e x t6 a s p e c t s 。s u c ha sh y d r o m e t e o r ，t o p o g r a p h ya n dg e o m o r p h y ，d e p o s i t e de n v i r o n m e n t a c o u s t i cs t r a t i g r a p h y ，e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dt e c t o n i cc h a r a c t e re t o ，s oa st oi d e n t i f y t h eg e o h a z a r d st y p e sa n dl a yaf o u n d a t i o nf o rt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n a tt h e s a m et i m e ，t h ec o n c e p t so fg c o h a z a r d sa n dg e o l o g yd i s a s t e ra r ce x p l a i n e da n dt h e d i f f e r e n c ei sp o i n t e d a f t e rc o n c l u d i n gt h ed i f f e r e n ts o r t e dm e t h o d so fg e o h a z a r d s ，a m e t h o dw h i c hi sm o r ec o m p a t i b l et oo c e a nd e v e l o p m e n ti sb r o u g h tf o r w a r d b yt h e c o l l e c t e di n f o r m a t i o no ft h i sa r e a ，t h e r ea r es e v e r a lk i n d so fg c o h a z a r d sw h i c hh a v e p o t e n t i a lm e n a c et os e a b e ds t r u c t u r e s ，s u c ha st i d a ls c o u rt r o u g h ，s h o a l ，b u r i e dp a l e o c h a n n e l ，s h a l l o wg a s ，l i q u e f a c t i o ns a n dl a y e ra n ds o f tl a y e r f r o mt 1 1 e i rf o r m i n g ， d i s t r i b u t i o na n dp o t e n t i a lm e n a c e ，t h i st h e s i sc a r e f u l l ya n a l y z e st h e s eg e o h a z a r d s f a c t o r s k e y w o r d s ：b o h a ib a y , n a n p u ，g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，d y n a m i cg e o m o r p h o l o g y 第一章前言 l 前言 研究区位于冀东南堡近岸海域，东侧紧邻曹妃甸，属滩海地区，是冀东南 堡油田的主要采油区，也是冀东南堡油田人工岛建设和采油平台的主要分布区 域( 图卜1 ) 。因此，研究该区浅部地层情况，分析地层层序，了解该区域内的 灾害地质因素等对油田的开发建设具有重要的现实意义。在世界和我国浅海资 源开发和工程建设中，由于事前对潜在灾害地质类型和工程地质条件未尽查明 而贸然施工造成重大损失者不乏其例。1 9 7 5 年墨西哥湾一个钻井平台钻至海底 1 0 0 m 时遇到浅层高压天然气囊，突然喷发起火，数千万美元的设备付之一炬。 1 9 8 0 年挪威的基兰德石油平台地基不均匀沉陷致使一桩腿折断，1 2 3 人丧生嗍。 我国虽然海洋油气勘探开发与工程建设时间较短，但灾害地质造成的危害屡有 发生。1 9 7 4 年莺歌海盆地一条自升式钻井平台在水深7 5 m 处海底插桩时，由于 地层承受力不均，致使平台倾斜位移。1 9 8 0 年8 月一自升式平台在珠江口盆地 作业时遇上了上硬下软的所谓“鸡蛋壳地层，钻井突然下陷，造成钻井移位。 仅这二例就造成近5 千万元的严重经济损失，并且威胁到人身安全嘲。还有北 部湾浅层高压气的外泄以及琼东南钻井船的走锚翻沉等事件。因此，如何准确 有效的发现和避开这些潜在的灾害地质因素是油田开发的重中之重。本文利用 2 0 0 7 年由冀东油田勘探开发研究院委托青岛海洋地质工程勘察院对南堡海域所 做的大量浅地层剖面资料，结合前人的工作，对该区的浅部沉积体系进行研究， 对其浅地震层序进行划分，分析该区的灾害地质因素，以期为该区域的工程防 灾减灾等提供科学依据。 渤海湾东北部是我国潮流地貌丰富的海区，不仅有典型的潮流冲刷深槽、潮 流沙脊等较大规模的纵向地貌，还有不同尺度的水下沙丘、沙坝等横向地貌“1 。 南堡近岸海域为典型的海积平原海岸，东侧紧邻曹妃甸、蛤坨等残余沙岛，因滦河 北移，泥沙供应不足而受冲缩小，成为今日残余沙坝之貌嵋1 。沙岛与南堡海积平原 间为浅水泻湖，水深0 - 3m ，并发育宽广的淤泥质浅滩。而受沿岸潮流冲刷的作 用，在海积平原南侧近岸形成了平行于海岸的很多冲刷槽。有的深槽水深达1 0 - - 1 5m 。近几年随着冀东南堡油田的开发，在南堡海域兴建了3 个较大的人工岛， 座落在滩涂和沿岸的深槽、沙坝附近，尤其是曹妃甸建港之后，青林公路阻断了 踅东南堡海区潮流动力地貌，史灾害地质研究 原有的潮流通道，对本区潮流系统有明显的影响。研究该区潮流地貌特征，并分 析潮流地貌特征对人： 岛等工程的影响也具有重要的实用价值和理论意义。本文 重点对这些沿岸沙坝及深槽进行潮流动力地貌特征分析，并推测沿岸沙坝的可能 运移方向以期为该区域的人工岛等工程建设提供科学依据。研究区位置见图1 - 1 。 二、。j j 。 吣心 、师弓豺i 撤 、彤。i 【镧k 尸”。一这 甥缪 so 黼瞥 r r 而港区 、一 。 0 1 一 l ，刀 f 图1 1 研究区地理位置图 1 1 国内外研究现状 目前国内对该海区的研究也在逐步深入，大部分研究对象都集中在南堡东 侧的曹妃甸海区。掘高善明等( 1 9 8 0 ) m “1 研究，古滦河改道频繁，全新世以来先 后形成全新世早期、全新世中期、历史早期、历史晚期和最新的五个次一级亚三 角洲堆积体。李从先等( 1 9 8 3 ) 1 圳指出，当古滦河改道后，泥沙来源剧减，三角 洲自仃缘较粗颗粒泥沙经波浪、激浪流和潮流动力的重新塑造形成一系列沙坝并逐 渐出露水面，而部分三角洲平原因海侵作用、沉积物的不断压实并遭受波浪动力 的侵蚀作用逐渐沉陷而淹没于水下，构成离j # 沙坝一泻湖海岸体系。该地区沙坝 一泻湖沉积体系基本遵循海进时期沙坝一泻湖的发育规律，其发展方向为半封闭 泻湖一海湾泻湖。曹妃甸、东坑坨一带，滦河改道，泥沙断绝最早，闭而发育海 湾泻湖：湖林r 、老米沟一带滦河改道较晚，形成典型的封闭泻湖；大清河口地 第一章前言 区滦河改道废弃的时间界于两者之问，故发育开放型程度较大的半封闭泻湖。张 忍顺等( 1 9 9 6 ) n 3 1 从潮汐通道一潮瓮系统的角度指出，潮汐通道的发育阶段取决于 它所在的亚三角洲的废弃年龄；从现代滦河口向曹妃甸，对应于废弃年龄的增加， 潮汐通道分别属于五种类型，即新生波浪型、新生过渡型、潮汐型、老年过渡型 及老年波浪型。近几十年来年来，滦河上游大量水库和引水工程的建设使得河口 区来水来沙急剧减少，口外泥沙供给不足，三角洲海岸出现由淤积前展变为明显 侵蚀后退的现象( 刘福寿，1 9 9 3 ；钱春林，1 9 9 4 ) n4 1 5 1 。曹妃甸海区的开发研究始 于2 0 世纪5 0 年代木期，9 0 年代中后期由唐山市政府和京唐港港务局联合首钢、中 石化等企业，先后委托国内著名的十余家设计、勘察、科研单位进行了曹妃甸港 区的前期研究工作n 铲捌，其中以南京水利科学研究院和南京大学的研究最为深 入。徐啸等( 1 9 9 7 ，2 0 0 6 ，2 0 0 8 ) n 8 俐利用大量实测资料研究分析了本海区的主要 地貌特征、水沙运动特征和滩槽稳定性，其主要研究成果与观点概括如下：1 ) 曹妃甸沙岛前沿深槽、岛后大片浅滩与两个较大规模的潮沟是本海区的独特的地 貌特征，并根据水动力条件、地形地貌特征的不同可把本海区分为西部无沿岸沙 堤浅海区、东部沿岸沙堤内潮坪区、东部沿岸沙堤外浅海区和东部大型潮沟区； 2 ) 潮流基本呈现东西向的往复流运动，近岸海区主流流向有顺岸或沿等深线方向 流动的趋势，接岸大堤基本位于东西两侧潮沟的汇流和分流区：由于曹妃甸甸头 的矶头效应，甸头前沿深槽处为水流最强地区，这也是深槽水深能够维持的主要 动力冈素，而大片浅滩上的涨落潮水体则是塑造和维持老龙沟的基本动力条件； 本海区常浪向为s 、s e 和s w 向，强浪向为e n e 、n w 和n e 向，对岸滩冲淤演变起控制 作用的主要为中浪和大浪；含沙量大小受风浪影响明显，随潮流强度的增大而增 加，且甸东大于甸西海区；一般气象条件下，大潮泥沙净输沙方向与涨潮方向基 本一致，即近海区自东向西，近岸区由海向岸，老龙沟口门处由外海向潮沟内： 3 ) 在分析滩槽冲淤演变的基础上，指出曹妃甸浅滩由于缺乏输运泥沙的动力条件 和足够的泥沙来源，处于冲淤相对平衡状态；老龙沟的水流与边界已基本处于相 对稳定的动态平衡状态：甸南深槽的形态主要与潮流运动相对应，基本处于微冲 的相对动力平衡状态，接岸大堤建成后深槽内水流强度稍有增加，增幅约1 - - 3 ；由于沿岸输沙和供沙的减少，以及围海造地工程的进行，沙坝外侧岸坡与海 区呈侵蚀趋势，坝身和水边线具有向陆平移的趋势。黄建维( 2 0 0 6 ) 嘲研究了曹妃 3 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 甸海区的滩槽形成机制，指出甸头西侧是以曹妃甸与老黄河口为北、南岬角，以 黄河、海河输出大量粉沙淤泥为物质基础的岬湾泥质海岸；甸头以东则为沙质海 岸类型中的典型离岸沙坝一泻湖海岸，两种不同类型海岸体系的不连续衔接是形 成曹妃甸岬角地貌的基本原因；并进一步指出曹妃甸岬角地貌构成甸南深槽的边 界条件，由此引起的局部潮流增大是甸南深槽形成的动力条件，老龙沟性质上则 是离岸沙坝一泻湖体系的潮汐通道，纳潮量的维持是成功丌发利用的关键。在此 基础上，他还提出了本海区岸线开发的基本原则和思路，认为岸线开发要：1 ) 充分认识曹妃甸深槽的形成机制，着力维护和充分利用这一深水资源岸线；2 ) 岸线开发符合水沙运移、岸线演变自然规律的因势利导原则；3 ) 岸线开发符合各 资源开发效益最大化原则；4 ) 岸线开发符合海岸和海洋功能区划；5 ) 岸线开发应 重点保护一些海域。徐啸等n9 删和张金善n7 锄等分别利用物理模型和二维潮流数 学模型对曹妃甸港区的初步规划方案进行了研究；徐啸等陇1 和陆永军等啪一侧 则分别利用物理模型和波流作用下的二维水沙数学模型，对曹妃甸港区的总体规 划进行了优化，与交通部规划研究院一起提出了前岛后陆的开发方案。南京大学 n 6 3 妇分别于1 9 9 6 年和2 0 0 6 年进行了两次大规模的动力地貌调查，也对本海区的水 沙运动特征和现代滩槽演变进行了详细分析，得到了相类似的结论；其还通过地 震剖面的测量，得到了一些新的认识，包括曹妃甸是由古滦河于晚更新世木或全 新世早期于南堡及高尚堡一带出口时的离岸砂坝发育而成的沙岛，其细砂、粉砂 质与粘土质交互成层，砂基深厚，具有较好的稳定性；老龙沟和二龙沟都是被潮 流改造老河口而成的现代潮汐通道。根掘调查结果，贾玉连等( 1 9 9 9 ) 跚以沉积物 粒度参数特征和区域沉积物搬运趋势模型为基础，分析了本海区沉积物的搬运趋 势，揭示沙坝区为沉积物辐聚区，东坑坨沙坝后侧及泻湖区为沉积中心；王艳等 ( 1 9 9 9 ) 3 分析了本海区海岸剖面的变化规律，认为季节性的风浪作用会造成浅滩 的侵蚀，而长期的波浪作用及泥沙供给不足等各种因素综合作用则以水下斜坡受 蚀、浅滩堆积、整个海岸剖面缓慢向陆移动为主。杨华等( 2 0 0 5 ) 啪1 通过对曹妃甸 海域水动力条件、泥沙环境及地形冲淤演变的综合分析，得出在较强的水动力条 件和相对稳定的泥沙环境下，甸南深槽多年来基本稳定、略有冲刷，沙坝位置长 期以来基本稳定，局部边坡略有淤积的规律。1 9 9 2 年青岛海洋地质研究所就对该 海域进行过海底地形测量和浅地层剖面测量等工作。2 0 0 5 年至今，由青岛海洋地 4 第一章前言 质工程勘察院组织对该海域又进行了大量的地质钻探、海底地形测量、侧扫声纳 测量、浅地层剖面测量工作。这其中很大一部分工作是由本人作为项目负责组织 施工并进行资料处理、解释及提交调查报告的。 较为系统的灾害地质调查与研究，无论是国际还是国内，都是为满足浅海 油气资源勘探与开发的需要而首先开始进行的。浅海油气资源勘探、开发以及由 此而引起的大型海底建筑物和油气管道铺设等施工和建设，都需要对海底及其以 下地层的灾害地质条件进行预先了解，以便作为施工和建设的基础依据。所以， 人们通过不断总结正反两方面的经验教训，对海底和地基的灾害地质及其防治措 施的研究引起世界各大石油公司和政府有关部门机构的重视，以调查和评价油气 田开发包括灾害地质在内的工程地质条件为宗旨的各种专业机构纷纷成立【3 】。 1 9 8 0 年c a r p e n t e r 对大西洋外陆架各种灾害地质类型进行系统研究之后，基于灾 害地质类型对海洋工程的影响程度对海底的灾害地质类型进行了系统分类【4 5 1 。 1 9 9 5 年英国地质调查协会成立了t h ew e s t e r nf r o n t i e r sa s s o c i a t i o n ，该组织 包括了1 4 个石油公司，最主要的目的就是对英国西部海域油气区灾害地质的类 型、位置、大小、活动频率以及它们对海上构筑物的作用情况等作出评价【4 6 。4 7 】。 我国的海洋灾害地质调查研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，随着地质地球物 理技术的日益发展，获取海底表面和海底地层中存在的灾害地质类型的方法也 越来越先进，资料也越来越多。对这些灾害地质类型的研究也由以往的形态特 征和分布等逐渐发展到对海洋工程设施的危害性以及海底稳定性评价研究等方 面。 1 2 本论文的工作背景 1 9 9 2 年青岛海洋地质研究所就对该海域进行过海底地形测量和浅地层剖 面测量等工作。2 0 0 5 年至今，由青岛海洋地质工程勘察院组织对该海域又进行 了大量的地质钻探、海底地形测量、侧扫声纳测量、浅地层剖面测量工作。这 其中很大一部分工作是由本人作为项目负责组织施工并进行资料处理、解释及 提交调查报告的。 本文广泛收集整理了前人在冀东南堡滩海油田多年进行的浅海油气构造区 调查、浅海井场综合调查、人工岛综合勘察、管线路由勘察设计获得的地质地 球物理调查资料。通过对所获取的资料分析与解释，了解了本区内的水文环境、 5 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 地形地貌、声学地层、工程地质等背景资料，掌握了海底表面和地层中存在的 各种灾害地质类型及其分布特征，分析了该海区沙坝的运移趋势和潮流动力体 系，为该海区的工程建设提供了可靠的参考依据。 6 第二章潮流动力地貌 2 研究区潮流动力地貌特征 本章依据已经完成的地质地球物理、工程地质和水文调查及历史资料，阐 述本区的潮流动力地貌特征体系。要研究潮流动力地貌特征，首先必须要了解 区域海洋水动力条件，海洋水动力条件是海洋灾害地质环境重要因素之一。研 究海洋水动力过程，对解释沉积作用、地貌、海底表面的灾害地质类型形成等 诸多问题都具有重要意义。本节分为潮汐、海流、悬浮泥沙、沉积物、地形地 貌特征五个部分展开讨论。 2 1 潮汐 2 1 1 潮汐资料与水尺零点 曹妃甸临时验潮站设立在河北省唐山市曹妃甸岛，在曹妃甸灯塔西侧 塔基上埋设临时水准点b m l ，为铜质标芯。2 0 0 0 年1 0 月中旬至2 0 0 1 年1 0 月中旬进行了连续一年的潮汐观测，各面高程关系见图2 1 。 jl 2 3 3 c m 临时水准点b m l 1 r j l j l j7 e m 1 7l 锄 1r1r 7 呲0 0 1 1 0 ) ( 水尺零点) 谑东i _ ；l ! 堡海区潮流动j 地貌及灾害地质j | ：i j 究 2 1 2 潮波系统 渤海潮汐主要是由太平洋传入的潮波引起的，而天体引潮力直接引起的独 立潮相对很小。起主要作用的是m 2 分潮和k 1 分潮。太平洋潮波通过渤海海峡 进入渤海后，分为两支完整的潮波系统，一支向东北，经辽东湾形成北渤海潮 波系统，其中心在秦皇岛外。另一支向西，经渤海湾形成南渤海潮波系统，其 中心在黄河口外。潮波进入渤海后，受到渤海曲折海岸线和复杂的海底地形的 影响，潮汐发生了急剧的变化，不仅潮时、潮高差异悬殊，而且潮汐性质也产 生了变化引。 冀东油f 日海区附近海域的潮汐，主要受黄河口外半同潮旋转潮波的影响， 其次是秦争岛外的半日潮旋转潮波和渤海海峡日潮旋转潮波的影响( 见图2 2 、 图2 3 ) 。 图2 - 2 半日潮波系统( m 2 分潮) 第二章潮流动力地貌 2 1 3 潮汐调和分析 由冀东油田海区2 0 0 0 1 0 2 0 0 1 1 0 月潮资料进行潮汐调和分析，计算方法 参考潮汐和潮流的分析和预报。计算得到冀东油田海区的1 2 2 个分潮调和 常数，表2 1 为各主要分潮调和常数。 表2 1 主要分潮调和常数 分潮振幅迟角 p 17 0 7 1 3 1 5 1 0 12 4 0 69 1 4 7 k 12 8 9 91 4 3 4 4 n 2 9 6 3 2 8 5 1 m 26 3 1 26 8 2 8 s 21 6 7 61 3 5 3 0 k 2 6 0 41 4 3 3 9 m 42 92 9 7 9 0 m s 41 76 5 5 9 9 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 2 1 4 潮汐类型 我崮遇雨很韬王妥口分捌( k l 利0 1 分期) 嗣派怕乙利坷王曼半i ：1 分制( m 2 分潮) 振幅之比值的大小，将潮汐分成4 种类型，即： 当兰! 垫o 5 时，属规则半日潮； , g a m ， 当o 5 兰! 垫2 0 时，属不规则半日潮： 1 m ， 当2 o 4 o 时，属规则日潮。 1 1 厶 上式中的h 为分潮的振幅，求得的比值叫潮汐类型判别数。 经计算，冀东油田海区的潮汐判别数为o 8 4 ，故其潮汐类型为不规则半日 潮。其潮汐特征是：在一个太阴日中有两次高潮和低潮，但两相邻的高潮或低 潮的高序不相等潞潮时问与落潮时间拍不相等日潮不等现象婶明显 2 1 5 潮汐特征值 2 1 5 1 实测潮位特征值 对曹妃甸验潮站完整一年的潮汐资料进行统计分析，得出曹妃甸附近海域 的潮汐特征值如表2 2 。平均潮位具有冬低夏高的特点，2 月份平均潮位最低， 为1 5 2 c r n ；8 月份平均潮位最高，为2 0 4 e r a 。年平均潮位为1 7 7c i i l 。月最高潮 位( 3 3 8c m ) 出现在9 月份，月最低潮位( 1 4e r n ) 出现在1 2 月份。平均潮差 夏半年较大，冬半年较小，年平均潮差为1 4 0g i n 。最大潮差变化不太规律， 年最大潮差为2 7 4o n l ，出现在1 2 月份。 表2 2 曹妃甸逐月潮位和潮差变化一览表( 2 0 0 0 1 0 2 0 0 1 1 0 ，单位c m ) 月份l 234567891 0l l1 2 年 平均潮位 1 5 31 5 21 5 91 7 01 8 31 9 41 9 82 0 42 0 31 8 31 6 21 5 71 7 7 最高潮位 2 9 82 7 03 0 92 8 83 0 43 1 43 1 23 2 03 3 8 3 2 63 1 12 9 6 3 3 8 最低潮位 3 62 12 33 23 84 2 3 3 5 65 64 32 71 41 4 l o 第二章潮流动力她貌 l 平均潮差 1 2 71 2 61 3 71 4 4 1 4 41 5 01 5 21 5 31 4 51 4 71 2 91 3 1 1 4 0 l 最大潮差 2 1 61 9 52 4 02 2 52 3 92 5 22 5 62 6 02 3 l2 3 22 7 1 2 7 4 2 7 4 2 i 5 2 非调和常数 由观测资料分析的调和常数计算了冀东油田海区的非调和常数，其结果 见表2 3 。 表2 3 冀东油田海区潮汐特征值表 要素名称 特征值 要素名称 特征值 主要日分潮与主要半日潮振幅之比 o 8 4 0 4 6 3小潮平均半潮面1 7 9 4 c m 主要半日分潮振幅之比 0 2 6 5 5 2 6 小潮平均高潮位 2 3 1 7 c m 主要日分潮振幅之比 0 8 2 9 9 4l小潮平均低潮位 1 2 7 1 c r n 半日潮龄 6 5 h 5 7 m i n 平均高高潮位 2 4 2 4c i l l 日潮龄 4 刀也i m i n 平均低高潮位 2 3 9 8c m 平均潮差 1 3 3 6 c m平均低低潮位7 6 5c r n 平均半潮面 1 7 8 0c m 平均高低潮位 1 4 5 5 c m 平均高潮位 2 4 4 8c m平均高高潮间隙1 5 h 1 8 r a i n 平均低潮位 1 1 1 2c n l 平均低高潮间隙 2 h 5 2 m i n 平均大潮差 1 6 3 1c m 平均低低潮间隙 2 l h l m i n 大潮平均半潮面 1 7 7 6c m平均高低潮间隙8 h 3 8 m i n 大潮平均高潮位 2 5 9 1c m 平均犬的潮差 1 6 5 9c i l l 人潮平均低潮位 9 6 0c m 平均小的潮差 9 4 3c i n 平均小潮差 1 0 4 6c i l l 注：表内各值起算面均为当地验潮零点。 2 1 6 设计潮位 海港工程的设计潮位包括：设计高水位、设计低水位；极端高水位、极端 低水位。本节中设计高、低水位和极端高、低水位的含义及计算方法均是依据 海港水文规范 4 8 】。 2 1 6 i 设计高水位和设计低水位 根据海港水文规范( j t j 2 1 3 9 8 ) 娜】规定：对于海岸港和潮汐作用显著 的河口港，设计高水位应采用高潮累积频率1 0 的潮位，设计低水位应采用低 潮累积频率9 0 的潮位， 海港水文规范还规定，为了确定设计高、低水位， 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 在进行高、低潮累积频率统计时，应有完整的一年或多年的实测潮位资料。为 此，根据曹妃甸2 0 0 0 年1 0 月至2 0 0 1 年1 0 月的潮位资料进行高潮和低潮累积 频率统计，并绘制成图，摘取高潮1 0 和低潮9 0 的潮位值，分别作为设计高 水位和设计低水位值，其结果见表2 4 和图2 - 4 、2 5 。 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 图2 4 曹妃甸高潮潮位累积频率图 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 图2 5 曹妃甸低潮潮位累积频率图 1 2 第二章潮流动力地貌 表2 4 曹妃甸的设计水位推算结果( 单位：e r a ) 曹 设计高水位设计低水位 妃水尺零点5 6 黄海基面水尺零点5 6 黄海基面 甸 2 9 0l l95 3118 2 1 6 2 年极值水位的频率分析 根据海港水文规范( j t j 2 1 3 9 8 ) 4 8 】规定，为了确定极端高水位和低水 位，进行高潮和低潮的年频率分析，应有不少于连续2 0 年的年最高潮位和年 最低潮位实测资料。由于冀东油田海区仅有曹妃甸验潮站一年验潮资料，不能 满足推算不同重现期高( 低) 水位的要求，该海域的不同重现期高( 低) 水位 必须借助附近的岸滨验潮资料来实现。 把与本海区相距较近，且有多年连续完整潮位资料的塘沽站作为参证站， 现就两地的潮汐性质作一分析。 塘沽海洋站验潮井座落在天津新港六米码头东端，地理坐标为：3 8 0 5 9 1 n ， 1 1 7 0 4 4 5 e 。该井建于1 9 4 9 年3 月。初期用水尺连续观测潮位。1 9 5 1 年3 月 1 5 日改用日本卧式验潮仪，并设有井外水尺。该井位于港池内部，外有南、北 防波堤防浪，同时，井管为悬式并设有消波装置，验潮性能良好。各面高程关 系见图2 - 6 。 图2 - 6 塘沽站各面高程关系示意图 1 3 面 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 2 6 2 1 潮位过程线比较 将两个港口半个月的短期的同步每小时潮位( 基面为5 6 黄海面) 分别绘 制过程曲线，比较两过程线的潮形、潮差和日不等情况。由图2 7 中可以看出， 两地的潮汐过程曲线十分相似，每天都有两次高潮和两次低潮，日潮不等现象 显著，且塘沽的潮差明显大于曹妃甸。 02 44 87 21 2 0l “1 6 81 9 22 1 62 4 02 6 42 8 8 3 1 2 3 3 6 3 6 0 3 8 4 鼍髯 图2 7 塘沽和曹妃甸同步潮位曲线 2 6 2 2 潮汐性质分析 、 经计算，曹妃甸的潮汐判别数为0 8 4 ，塘沽的潮汐判别数为0 5 9 ，曹妃甸 与塘沽同属不正规半日潮型，且它们潮汐性质的比值还是比较接近的。 2 6 2 3 同步相关分析 利用曹妃甸2 0 0 0 年l o 月至2 0 0 1 年1 0 月的高、低潮与塘沽站同步的高、 低潮进行相关分析( 图2 8 、图2 9 ) 。求得高潮位的相关系数为o 9 3 ，低潮位 的相关系数为o 9 5 ，建立的相关方程如下： 高潮相关： y = 0 9 1 x 2 7 7 3相关系数r = 0 9 3 低潮相关： y = o 8 4 x + 2 6 0 7相关系数r = 0 9 5 其中，y 一曹妃甸高潮位或低潮位； x 一塘沽高潮位或低潮位。 综上所述，曹妃甸与塘沽相距较近，潮汐性质相似，两地的高潮位同步相关和 低潮位同步相关均达9 3 以上，且塘沽已有几十年连续完整潮位资料，故选塘沽为 主港，并依其潮位资料推算曹妃甸海区的不同重现期高( 低) 水位是可行的。 1 4 的 的 o 的 舳 舳 2 l l l l 2 2 潮位( m ) 塘沽潮位( ) 港钓 海料 潮有似蜘贿耐 一一一一 删髅捌儆扎 甸有分哏时 妃 具型r= 俐一洲一州 和 硝值渖 站 ，极 黼 引脓酃 眇一一一 托低冰韧a 港 涮扁晦稻胡 据觋烤 蒯重参 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 式中，h j 是某港口不同重现期高( 低) 水位，h 。是该港口的设计高( 低) 水位，k 是不同重现期高( 低) 水位与设计高( 低) 水位之差。 由于曹妃甸仅一年潮位资料，不能满足推算不同重现期高( 低) 水位的要 求，该海域的不同重现期高( 低) 水位可按上式近似计算。但曹妃甸没有本站 的k 值，故采用主港塘沽的不同重现期高( 低) 水位与设计高( 低) 水位计算 k 值，并把它作为曹妃甸的k 值。在此，塘沽的设计高水位为4 3 0 c r m 设计低 水位为5 0 c m ，潮位起算面均为水尺零点。 利用塘沽1 9 7 6 啪0 0 2 年共2 7 年的年最高潮位值和年最低潮位值，采 用极值i 型分布律计算其不同重现期的极端高、低水位如表2 5 和图2 1 0 一图 2 1 1 所示。 表2 5 塘沽不同重现期极值高潮位和极值低潮位( 单位：c i l l ) 重现期( 年) 潮位基准面 i25 102 55 01 0 0 水尺零点 4 2l4 8 55l95 3 85 6 45 8 56 0 4 高潮位 黄海海平面 1 7 02 3 42 6 82 8 73 1 33 3 43 5 3 水尺零点 1 1 3 96 6 8 11 0 21 1 91 3 7 低潮位 黄海海平面 2 4 02 9 03 1 73 3 23 5 33 7 03 8 8 表2 - 6 给出了塘沽不同重现期高( 低) 水位所对应的k 值。 表2 - 6 塘沽不同重现期高( 低) 水位所对应的k 值 项目1 年一遇2 年一遇5 年一遇1 0 年一遇2 5 年一遇5 0 年一遇1 0 0 年一遇 高水位95 5 8 91 0 81 3 41 5 51 7 4 低水位3 98 9 1 1 6 - 1 3 1 1 5 21 6 91 8 7 根据塘沽不同重现期高( 低) 水位所对应的k 值，并把它作为曹妃甸的k 值，再根据上述确定的曹妃甸设计高水位2 9 0 c m 和设计低水位5 3 e r a ( 潮位起 算面均为水尺零点) ，依海港水文规范附录c 中的“k 值法 ，可近似得出 曹妃甸海区不同重现期高( 低) 水位。鉴于两地潮差相差较大，乘以订正系数 ( 即1 1 k ) 校之。计算结果见表2 7 。 表1 7 曹妃甸不同重现期极值高潮位和极值低潮位( 单位：c i l l ) l 潮位基准面重现期( 年) i 1 6 第二章潮流动力地貌 l251o 2 5 5 0l0 0 水尺零点 2 8 03 5 l3 8 84 0 9 4 3 7 4 6 l4 8 l 高潮位 黄海海平面1 0 9 1 8 02 1 7 2 3 82 6 6 2 9 03 l o 水尺零点 1 0- 4 57 59 11 1 4 1 3 3 - 1 5 3 低潮位 黄海海平面 1 6 12 1 62 4 62 6 2 2 8 53 0 4 3 2 4 表2 8 为曹妃甸海区的设计高、低水位和极端高、低水位。 表2 - 8 曹妃甸海区的设计高、低水位和极端高、低水位( 单位：e r a ) 潮位起算面设计高水位设计低水位极端高水位极端低水位 水尺零点 2 9 05 34 6 11 3 3 5 6 黄海基面 1 1 91 1 82 9 03 0 4 潮位( e r a ) 、 、 、 、 1 t 、x ， x - 0 20 5 i t 2 5 i o2 03 04 05 0 t 08 09 0 謦髑0 频率f 图2 1 0 塘沽高潮位年极值频率分布图( 表示原始数据频率位置) 1 7 冀东南堡海区潮流动力地貌及灾害地质研究 湖l 打，小 ， _ 墨fi4 ，一一 v ， 一一 ， 7 。 图2 1 1塘沽低潮年极值频率分布图( 表示原始数据频率位置) 2 1 7 小结 ( 1 ) 南堡海区的潮汐类型属于不正规半日潮型，其潮汐类型判别数为o 8 4 。 每天两次高潮和两次低潮，并且潮高不等现象比较明显。 ( 2 ) 根据曹妃甸一年实测潮位资料统计，本海区的潮汐特征值( 起算面为验 潮水尺零点) 为：平均潮位1 7 7c m ，最高潮位3 3 8 e m ，最低潮位1 4 e r a ， 平均潮差1 4 0 e r a ，最大潮差2 7 4 e m 。 ( 3 ) 曹妃甸的潮位和潮差与塘沽略有不同，曹妃甸的高潮低于塘沽，低潮高 于塘沽，潮差也较塘沽小。 ( 4 ) 南堡海区的设计高潮位为1 1 9 e m ，设计低潮位为1 1 8 e m ，极端高潮位和 极端低潮位分别为2 9 0 e r a 和3 0 4 c m 。潮位起算面均为5 6 黄海基面。 ( 5 ) 水尺零点和理论深度基准面是同一基面。水尺零点在5 6 黄海基面下 1 7 1 m ，当地平均海面在水尺零点上1 7 7 m ，即当地平均海面比5 6 黄海 基面高6 e m 。 第二章潮流动力地貌 2 2 海流 通常所说的海流，是指实际观测到的流速、流向，其中包括潮流和余流两 部分。以下是依据本次海流观测得到的海流资料分析本海区海流状况和特征。 2 2 1 海流观测 2 2 1 。1 站位布设 按技术要求，在冀东油田南堡3 号平台场址、海底管缆路由工程海域内共 布设6 个海流观测站。测站观测坐标位置见表2 9 ，测站示意位置见图2 1 2 。 表2 - 9 海流观测站位表 北纬东经xy 站位 度分度分 n o r t h i n ge a s t i n g 2 h l l3 9 2 2 4 7 1 2 1 1 1 8 8 7 4 3 2 3 3 8 7 4 9 l6 0 3 6 7 4 8 6 0 2 h l 23 91 3 3 51 2 1l 】2 8 24 3 217 2 7 0 4 46 0 2 8 2 4 2 2 8 2 h l 33 90 4 6 61 2 11 0 6 7 34 3 2 0 0 7 0 3 6 36 0 1 9 6 5 6 1 8 3 h l l 3 90 2 2 21 2 11 6 3 4 7 4 319 7 2 8 0 8 4 6 1 0 1 6 3 2 5 7 3 h l 2 3 85 9 3 3 11 2 11 5 7 4 2 4 318 0 6 7 6 3 66 0 9 31 2 9 7 7 3 l h 33 85 8 4 4 2 1 2 11 5 1 3 l 4 3 1 6 4 1 0 9 5 66 0 8 4 5 4 0 1 5 备注 w g s 8 4 北京5 4 坐标系 图2 1 2 六测站海流观站位分布示意图 1 9 冀东南堡海区潮流动力地