（自然地理学专业论文）辐射沙洲中南部“水道—沙洲”系统稳定性研究.pdf

摘要 为配合上海国际航运中心的建设，实现长江三角洲区域经济持续高速均衡发 展，位于长三角北翼的江苏海岸需要建设大型海港实现江海联运。但江苏海岸近 千公里的海岸线目前只有连云港一个大型海港，中部和南部仍是建港空白地带， 使得江苏的海洋经济相对落后于邻近省份，与地域上经济大省的地位不相称。造 成这种状况的主要原因之一是江苏岸外发育着世所罕见、滩槽多变、水动力复杂 的辐射状沙洲。2 0 世纪8 0 年代以来对辐射沙洲的逐步认识突破了辐射沙洲区不 能建港的传统观念，而水道、沙洲稳定性是制约辐射沙洲区建港的关键问题。 辐射沙洲中南部的烂沙洋水道具有优越的水深条件，烂沙洋与其南部的西太 阳沙组成的水道一沙洲组合提供了区域港口开发的基本条件。 在已有辐射沙洲形成演变研究基础上，通过水下地形资料分析、固定断面比 较分析、遥感影像资料分析等方法认识了烂沙洋与西太阳沙水道一沙洲组合在潮 流控制下的长周期和大浪作用下的短周期稳定性特征。研究发现潮流控制下西太 阳沙海域的动态与辐射沙洲外围侵蚀、内缘淤积动态的一般规律一致，同时该区 域存在着大浪作用下的滩冲槽淤短期动荡。同以往单一研究水道或沙洲不同，文 章提出从维持水道沙洲系统稳定性的角度进行区域海港开发前景研究。 依据4 0 年来西太阳沙始终存在部分，规划设计了人工岛。通过区域潮流泥 沙整体物理模型试验分析了人工岛建殴对水道一沙洲系统稳定性的可能影响，并 通过大浪、潮流共同作用下滩冲槽淤物理模型试验分析了大浪对人工岛的影响。 试验表明，人工岛建设没有改变西太阳沙水道一沙洲系统的自然动态，大浪作用 以高潮大浪和低潮破波为主，且对人工岛东北侧的作用较为显著，相应的防护措 施很有必要。 文章的研究对辐射沙洲中南部的开发利用具有重要的理论和应用价值。 关键词： 辐射沙洲烂沙洋西太阳沙水道一沙洲系统稳定性 a b s t r a c t t oc o o p e r a t ew i t ht h ec o n s t r u c t i o no fi n t m n a t i o n a ls h i pc e n t e ro fs h a n g h a ia n d a c h i e v ec o n t i n u a n c e ，h i g hs p e e da n db a l a n c e dd e v e l o p m e n to fr e g i o ne c o n o n l y c o a s t o fj i a n g s un e e dt ob u i l db i gs e a p o r th o w e v e rt h e r ei s o n l yo n eb i gs c a p o r lo l l i a n y u n g a n ga l o n gt h ea l m o s tat h o n s a n dk mc o a s t l i n eo t j i a n g s ua tp lc s e n t ，c e l l l la la n d s o u t h e r np a r ta 1 cb l a n ko l h a r b or + 一b u i l d i n ga n di tw e a k e n st h eo c e a ne c o n o m yo f ji a n g s uo n eo ft h en l a i nr e a s o no ft h i ss t a t u si st h a tt h e r ei sr a d i a ls a n d r i d g e sa t j i a n g s uo u t s h o r ea n ds t a b i l i t yi st h ec r i t i c a lf a c t o ri ne x p l o r i n go fs e a p o r tt h i sa r e a s i n c ei9 8 0o fl a s tc e n t u r y r e s e a r c ho fr a d i a ls a n dr i d g e sb r o k et h r o u g ht h et r a d i t i o n a l i d e ao f h a r b o r b u i l d i n g i s i m p o s s i b l e a tr a d i a ls a n d r i d g e s a r e a s t a b i l i t y o f c h a n n e l s a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei l lt h eb u i l do fs e a p o r ti nt h ea r e ao fr a d i a ls a n d l i d g e s t h et i d ec h a n n e lo fl a n s h a y a n ga tm i d - s o u t ho fr a d i a ls a n dr i d g e sa r e ah a s p l e d o m i n a n t c o n d i t i o no fw a t e rd e e pf o rh a r b o r b u i l d i n ga n dt h ec h a n n e l s a n d c o m p a g e sp r o v i d e st h eb a s i cc o n d i t i o nf o rr e g i o nh a r b o r b u i l d i n g b a s e dt h ef o l - e g o i n gs t u d yo l r a d i a ls a n dr i d g e s d a t ao fs u b n l a l i n e t m i a i n tf i x e d p j o f i l e ，r e m o t es e n s i n g ，a r eu s e dt oa n a l y z et h ef a c i a la n ds u b m a r i n ec h a n g eo ft h e c o m p a g e s ，i na i mt ou n d e r s t a n dt h el o n g t e r me v o l v e m e n tt r e n dc o n t r o l l e db yt i d e c u r r e n ta n ds h o r t t e r mc l a s ht u r b u l e n c et h er e s u l ti st h a tt h el o n g t e r me v o l v e m e n t t r e n do ft h e c o m p a g e sr e s e m b l e s t h a to ft h e r a d i a ls a n dr i d g e s ，a tt h es a m e t i m e t h e r ei sas h o r t t m l mt u r b u l e n c ei nt h i sa r e ad i f f e r sw i t ho t h e rr e s e a r c h e s ，t h e a r t i c l ep u tf o l w a r d st h ee x p l o r es t u d yo fs e a p o r tf r o mt h ev i e wo fm a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo fc h a n n e l s a n ds y s t e m b a s e do nt h ea l ll o n ge x i s tp a r to fx i t a i y a n g s h af o rl a t e l y4 0y e a r s d e s i g n e da f a l s e i s l a n d ，a n da n a l y z e dt h ep o s s i b l ea f f e c t so fe n g i n e e r i n go ns t a b i l i t yo f c h a n n e l s a n ds y s t e ma n dw a v eo nt h ei s l a n db yp h y s i c a lm o d e lt e s ti n d i c a t e dt h a t t h eb u i ho ft h ei s h m dh a sl i t t l ea f f e c to nt h es y s t e ma n dt h ew a v ea f f e c t si n t e n s i v e l y o nt h ei s l a n de s p e c i a l l yo nt h ep a r to fn o r t h e a s t c o n c l u s i o no ft h i sa r t i c l eh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dp r a t i c a lm e a n i n gt ot h e e x p l o r i n go ft h i sa r e a k e yw o r d s ：r a d i a ls a n dr i d g e s c h a n n e l - s a n ds y s t e m l a n s h a y a n g x it a i y a n g s h a s t a b i l i t y 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 5 至j 至垒 6 叁兰逼日 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日 期： 1 手弘缸 互堡& 盘! 盟岁留 1 1 问题的提出 第一章前言 1 1 1 辐射沙洲海港开发的急迫性 ( 1 ) 长三角经济均衡发展 研究区位于长江三角洲地区的江苏省南通市如东县岸外。长江三角洲是我国 经济高速发展的地区之一。为实现区域经济持续高速均衡发展，国家制订了以上 海为中心，江、浙为两翼的长江三角洲沿海港口发展战略。南通地区地处“江尾 海头”，位于我国沿海与沿江“t ”字型经济发展带的交点，具有得天独厚的区位 优势。在南通海岸建设长江三角洲北翼大型海港不仅是以港口为龙头实现江海联 运，配合上海国际航运中心建设，促进长江三角洲两翼齐飞、均衡发展的重要举 措，同时也是建设长江三角洲北翼现代化港口、工业、贸易、旅游城市的重要途 径( 薛鸿超，1 9 9 7 、2 0 0 3 “1 ) 。 ( 2 ) 江苏海洋经济相对落后 江苏地居江海之交，海陆交通理应高度发达，作为地域上的经济大省，与相 邻省市相比较，江苏海洋经济发展相对滞后( 杨荫凯2 0 0 1 。1 ，严士清2 0 0 5 “1 ) 。 其主要原因之一是苏北8 0 0 多k m 平原海岸上未能建成深水良港，致使苏北长期 处在封闭型的农业经济状态。近半个世纪以来，随着世界各大海港的开发，港口 城市的建设，海洋经济发展十分迅猛。沿海各国、各地区无不把开发海港、发展 海洋经济作为顺应经济全球化的重要战略举措，日本平均每3 0 公里海岸线就建 有一座深水港，利用全球资源，发展临海工业；美国在东海岸建设了波士顿一纽 约一巴尔的摩一华盛顿的沿海工业带，在西海岸建设了西雅图一旧金山一洛杉矶一圣 地亚哥沿海工业带。我国沿海各省市纷纷把建设临海工业基地、发展海洋经济作 为本地区经济发展的战略举措：上海加大了对洋山深水港的建设；浙江通过建设 杭州湾跨海大桥提升北仑港优势；福建重点开发厦门与泉州港区；广东实施南海 石化、广州大南沙计划；山东倾力发展青岛。而江苏的核心经济区远离深水海港， 在全球经济一体化加速的形势下，面对国内外的挑战与竞争，江苏要保持在全国 经济的领先地位，就必须重视深水海港的开发，大力发展海洋经济。 苏北( 长江以北部分) 的土地面积与人口占江苏省的2 3 ，但人均国内生产 总值仅占江苏省的0 6 ，而苏南的人均国内生产总值为全省的1 ，8 9 倍( 杨文鹤 2 0 0 2 ”) 。产值与资源相比较，江苏经济发展的潜力在苏北，苏北经济的发展应 高起点，迈出新步伐，深水港建设尤为关键( 王颖，2 0 0 3 “1 ) 。 1 1 2 海岸稳定性制约着辐射沙洲的港口开发 江苏苏北海岸近千公里的海岸线上除连云港外竟无一大型海港，中部和南部 仍是建港的空白地带，这与江苏海岸独特的地貌有直接联系。江苏海岸从废黄河 口到长江口之间近2 0 0 0 0k m 2 的南黄海海域内由7 0 多条沙脊组成了以谅港为顶 点，呈辐射状的沙洲系统，沙脊问均为潮汐通道。据统计，在低潮时出露的沙洲 总数有7 0 个，理论深度0 m 以上沙洲总面积近2 2 0 0 k m 2 ，0m 以上的面积在lk m 2 以上的沙洲约5 0 个( 陆培东，2 0 0 3 ”3 ) 。辐射沙洲规模宏大、水动力及滩槽动态 复杂世所罕见，曾一度被认为是建港的禁区( 李国瑾，2 0 0 4 ”1 ) ，稳定性成为辐 射沙洲海港开发的制约因素。 1 2 国内外研究情况 研究区位于辐射沙洲中南部。关于辐射沙洲的研究2 0 世纪5 0 年代以前的研 究报道很少，2 0 世纪8 0 年代以来一系列资料的获取为认识辐射沙洲提供了详实 的基础资料( 任美锷1 9 8 6 。，江苏海岛资源综合调查报告“) o 辐射沙洲形成演 变的研究提供了本文研究的宏观基础。 1 2 1 辐射沙洲的形成 ( 1 ) 形成时间 关于江苏岸外辐射沙洲形成的时间，有很大的分歧，如李成治“”( 1 9 8 1 ) 的 1 0 ，0 0 0 a b p 、陈报章“( 1 9 9 5 ) 的8 ，o o o a b p 、李从先“3 3 ( 1 9 9 5 ) 的7 ，0 0 0 5 ， 0 0 0 a b p 、张光威( 1 9 9 1 ) “”的4 ，0 0 0 a b p 、杨子庚“”( 1 9 8 5 ) 的2 ，0 0 0 a b p 不等。 还有人认为辐射沙洲的出现仅仅是l1 2 8 年以后的事情( 杨长恕“1 9 8 5 ，张忍顺 “7 1 1 9 9 2 ) 。王建等“8 1 ( 1 9 9 8 ) 认为在1 0 ，0 0 0 8 ，5 0 0 a b p 之间，江苏岸外潮流沙 脊群发育的动力条件已经具备，只要有足够的泥沙来源，就可形成潮流沙脊。 ( 2 ) 物质来源 辐射沙洲形成的物质来源有“长江物源论”、“长江黄河物源论”、“黄河淮河 物源论 “长江黄河淮河物源论”、“沙漠物源论”( o f f t 1 9 6 3 “，李成治1 9 8 0 ， 周长振1 9 8 1 1 ，s t r i d e1 9 8 2 1 ，万延森1 9 8 5 1 ，傅命佐1 9 8 6 1 ，张家强1 9 9 9 1 ， s y y a n g2 0 0 2 ”) 等主要说法。王建“( 1 9 9 8 ) 认为辐射沙洲区的物质是辐射 沙洲区及在其发育过程中各种动力的输入物，而且不同阶段，物质来源可能不同。 ( 3 ) 动力条件 辐射沙洲形成的动力条件先前争论较多，随着潮流观测资料的积累以及数 值模拟工作的深入，辐聚一辐散的潮流是辐射沙洲发育主要动力的观点得到了越 来越多学者的认同( r w s t e r n b e r g1 9 8 3 。“，黄易畅1 9 8 7 。，董礼先1 9 8 9 ， 赵松龄1 9 9 1 ”，卢无疆1 9 9 4 。“，褚裕良1 9 9 8 ”“，吴永成等1 9 9 8 ”，c o n g x i a nl i 2 0 0 1 ) 。 辐射沙洲海域具有特殊的潮汐环境，从东南方向传来的东海前进波及其部分 从西北方向由山东半岛传来的反射潮波汇合后形成的旋转驻波在辐射沙洲海域 辐合，两个潮波系统的辐合不仅造成辐射沙洲区域潮差增大，而且形成辐射状的 潮流流场。该潮波系统的形成主要是由江苏海岸与山东半岛岸线位置及轮廓决定 的，并不会因江苏岸线的局部变异而出现本质的变化( 赵保仁1 9 9 4 ”，张东生 1 9 9 6 0 “，林珲1 9 9 7 ”7 1 ) 。据王建“( 1 9 9 8 ) 、张东生”( 1 9 9 8 ) 等的研究，先有 辐聚辐散的潮流流场，再塑造了辐射状的沙脊群分布，而不是辐射状的沙脊决定 了潮流的辐聚辐散性质，辐射沙洲地形在一定程度上增强了此种潮流格局。 1 2 2 辐射沙洲的演变 ( 1 ) 潮流塑造的长周期演变趋势 在已有研究基础上( 耿秀山1 9 8 3 1 ，夏东兴1 9 8 4 m 1 ，张忍顺1 9 8 4 “， 张忍顺1 9 9 2 “，李从先、赵娟1 9 9 5 “，吴永成1 9 9 8 。，黄海军1 9 9 8 “，王建等 1 9 9 8 1 ，王颖1 9 9 8 3 ，w a n gy i n 9 1 9 9 9 ”3 ，张忍顺2 0 0 2 4 “，李海宇2 0 0 2 “7 ) ，得 出辐射沙洲潮流作用下的长周期演变趋势的认识：北宋时期江苏海岸还是堡岛一 泻湖的形态，1 1 2 8 年1 4 9 4 年间黄河南流时间渐长或南北分流，在此期间黄河 泥沙大多沿途堆积，只有部分泥沙入海，并在沿岸流携带下向南运动。此时长江 口南移过程中沿岸水域形成的主要是暗沙，仅南部的南通岸外有明沙出露。1 4 9 4 年，黄河全流夺淮，入海泥沙大增，在黄河泥沙供应下黄河口至谅港附近江苏中 部海岸的暗沙迅速增大，逐渐发育为明沙，南部海岸的沙洲也进一步淤高。在特 殊的潮流动力塑造下，1 8 世纪初，江苏岸外沙洲的南半部已具辐射形，至1 9 世 纪中叶，中部的岸外沙洲也有了辐射状的雏形。 1 8 5 5 年黄河北归入海后，江苏海岸大量的陆源泥沙断绝，海岸处于新的调 整过程之中。北部的废黄河三角洲受侵蚀后退，部分细颗粒泥沙在沿岸流作用下 向南带至辐射状沙洲。此时，长江口已移至东南，其大部分入海泥沙向南运动进 入浙闽沿海，只有洪季时部分水、沙向北扩展，在涨潮流携带下影响到沙洲南部 小庙洪水域。由于失去了大量的泥沙来源，潮流对海岸带的建造起主导作用，辐 射状沙洲形态进一步与辐聚、辐散的潮流场相适应，辐射沙洲已成为一个相对独 立的动力地貌系统。盛行风浪对沙洲外围的侵蚀，潮流辐聚一辐散的格局使部分 泥沙向中心近岸区移动，沙洲内部侵蚀和堆积的过程仍不断发生。在辐射沙洲地 1 形总体与辐聚辐散的潮流场格局相适应的情况下，辐射沙洲内部的变迁主要表现 为：内侧沙洲的形成与并滩、辐射沙洲内部各沙洲逐渐加积淤高、外围沙洲尤其 是一些小沙洲处于侵蚀状态。 从宏观上看，目前辐射沙洲的地形与辐聚一辐散的潮流流场相一致，决定了 辐射沙洲水下沙脊及潮汐通道的整体格局在相当长的时间内保持相对稳定。如果 潮波系统及泥沙来源等大尺度自然条件没有显著变化，辐射沙洲整体格局就能得 以长期维持。 ( 2 ) 大浪作用下的短周期冲淤动荡 突发事件如台风等可以极大的辐射沙洲区的局部形状，其后的调整过程将是 漫长的( 黄海军“”，1 9 9 8 ) 。台风暴的作用毕竟是短暂的，台风过后潮流又会在 沙脊区起主导作用，被“风暴”改造过的沙脊形态又会在潮流作用下恢复到以前 的状态，潮流塑造风暴破坏一潮流恢复即是近期沙脊区的演变特征，但这种循 环并不是一个完全封闭的过程，作用的结果会使局部地形产生明显变化( 张东生 ，1 9 9 8 ) 。 尽管地学角度看，沙脊区在潮流的持久作用下处于相对稳定状态，但从工程 角度看，风暴的作用会引起局部形态的巨大变化，这一点应该在辐射沙洲区的一 些海岸工程研究中引起足够的重视。 l - 2 3 关于辐射沙洲海港建设稳定性的研究 朱大奎”( 1 9 9 4 ) 、尤坤元等“”( 1 9 9 8 ) 分别研究了西洋水道的稳定性，得 出西洋水道是条稳定的潮汐通道，具备开发利用前景；陆培东“( 1 9 9 5 ) 、何华 春o “( 2 0 0 5 ) 对江苏岸外辐射沙脊群烂沙洋潮流通道的稳定性进行了研究，认为 烂沙洋水道是条稳定的潮流通道，具备开发2 0 万吨级航道的潜力。 刘家驹1 ( 1 9 9 3 ) 、喻国华1 ( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 、陆培东( 2 0 0 2 ) 进行了 吕四港建港条件稳定性的研究，提出辐射沙洲海岸能建港、能建大型深水海港的 建议。 项晓晴“6 1 ( 1 9 9 4 ) 、陆丽云“7 1 ( 2 0 0 2 ) 、黄海军6 ”( 2 0 0 4 ) 的研究显示出辐射 沙洲海岸具有海港开发利用的前景。以上研究为辐射沙洲的海港建设提供了理论 依据。 1 2 4 研究区海底沉积物特征 烂沙洋水道主要由4 种类型沉积物覆盖：粉沙( 6 庐) 、沙质粉沙( 4 庐6 庐) 、 粉沙质沙( 3 庐4 ) 和沙( 细沙，2 妒3 庐) ，其中粉沙组分( 4 ) 占5 0 以 4 上，2 庐3 的沙组分基本在潮问带以下沿深槽分布，与这里的水动力较强相适 应。烂沙洋钻孔沉积物样中的所q 含量明显高于现代长江与黄河，爿f z 0 3 的含量 低于现代的长江与黄河，说明本区潮流和波浪的淘洗冲刷能力较强( 刘敏厚 1 9 8 7 5 ”，何华春2 0 0 5 1 ) 。 1 3 研究基础与思路 1 3 1 资料收集 水深地形资料：1 9 6 3 年“小洋港区附近”海图( 1 ：1 0 0 0 0 0 ) ：1 9 7 9 年全国 海岸调查测图( 1 ：2 0 0 0 0 0 ) ：1 9 9 2 年洋口港( 长江段) 水下地形图( 1 ：1 0 0 0 0 ) ：1 9 9 4 年洋口港水域水下地形图( 1 ：1 0 0 0 0 0 、1 ：1 0 0 0 0 、1 ：5 0 0 0 ) ；2 0 0 3 年如东液化 天然气电厂工程西太阳沙水下地形图( 1 ：7 5 0 0 0 、l ：1 0 0 0 0 、1 ：5 0 0 0 ) ：2 0 0 5 年江苏南通港洋口港区水下地形图( 1 ：7 5 0 0 0 、1 ：1 0 0 0 0 、l ：5 0 0 0 ) 。 固定断面资料：1 9 9 4 年7 月、1 9 9 4 年1 0 月、1 9 9 5 年9 月、2 0 0 2 年1 1 月、 2 0 0 4 年5 月、2 0 0 4 年7 月、2 0 0 4 年1 1 月、2 0 0 5 年2 月、2 0 0 5 年6 月、2 0 0 5 年 8 月共十个时期西太阳沙固定断面监测资料( 1 ：1 0 0 0 0 ) 。 卫星遥感资料：1 9 7 5 2 0 0 3 年共1 5 个时期西太阳沙海域低潮位时的卫星遥 感资料。 水文泥沙资料：1 9 9 2 年8 - - 9 月西太阳沙海域同步八条垂线水文观测资料； 2 0 0 3 年4 月如东人工岛工程同步十七条垂线海流、泥沙、底质观测资料；2 0 0 5 年江苏南通港洋口港区附近海域同步二十二条垂线潮流、泥沙原型观测资料 潮位资料：2 0 0 3 年5 月2 0 0 4 年4 月西太阳沙海域一年潮位观测资料；2 0 0 5 年5 月西太阳沙海域3 个潮位站观测资料。 2 0 0 5 年“麦莎”台风前后的地形变化资料。 1 3 2 研究思路及意义 在已有辐射沙洲形成演变研究基础上，通过水下地形资料、固定断面资料、 卫星遥感资料的对比分析认识烂沙洋一西太阳沙组合在潮流控制下的长周期和 大浪作用下的短周期稳定性特征，提出从维持水道一沙洲系统稳定性的角度进行 区域海港开发的研究。 通过区域潮流泥沙整体物理模型试验分析开发中设计的人工岛对水道一沙洲 系统稳定性的可能影响，并通过大浪作用下滩冲槽淤物理模型试验分析大浪对人 工岛的影响。 研究的结论对辐射沙洲中南部的开发利用具有重要的理论和应用价值。 第二章研究区水道一沙洲系统特征 2 1 辐射沙洲中水道一沙洲组合 辐射沙洲区因较大的潮差和因沙洲并滩而形成了潮汐水道系统，在辐聚辐散 的潮流格局下，辐射沙洲潮流通道间的沙脊群组合初见端倪( 图2 1 ) ，大的沙 脊群组合主要有：西洋与陈家乌槽之间的东沙组，陈家乌槽与苦水洋之间的竹根 沙组、苦水洋与黄沙洋之间的蒋家沙组，黄沙洋与烂沙洋之间的太阳沙组，烂沙 洋与小庙洪之间的腰沙组( 张忍顺1 9 8 6 “，汪亚平1 9 9 8 “) 。 图2 - 1 辐射沙洲中的水道一沙洲组合 2 2 研究区水道一沙洲系统形势 研究区的烂沙洋水道和西太阳沙位于辐射沙洲中南部，并不是单一的封闭体 系，它的北侧有太阳沙、茄儿杆子、茄儿叶子、鳓鱼沙与黄沙洋分隔，南有火星 沙、西太阳沙等沙脊与一条深十多米的南水道分开，不仅黄沙洋与烂沙洋这两大 潮流通道的尾部相互贯通，而且烂沙洋南水道的尾部也与北水道相串连( 图2 - 2 ) 。 辐射沙洲东南移动的趋势背景下( 黄海军，1 9 9 8 ) ，北水道南逼，西太阳沙东北 侧在2 0 世纪9 0 年代初期又有一条一1 0 m 的中水道深槽楔入。西太阳沙、北水道、 中水道、南水道组成了水道一沙洲系统，该系统的动态既受黄沙洋、烂沙洋动力 主轴南逼的趋势影响，更直接受制于烂沙洋北、中、南三条水道的动力消长变化。 图2 2 研究区水道一沙洲系统形势图( 据2 0 0 4 5 2 3 t m 卫星影像) 3 1 海洋动力环境 3 1 1 潮汐与潮流 第三章研究区动力泥沙环境 ( 1 ) 潮汐 据1 9 9 6 年1 0 月】9 9 7 年】0 月实测资料统计，西太阳沙海域的潮汐属规则 半日潮，从外海往近岸，涨落潮历时之差明显。外海潮波向辐射沙洲内缘传播过 程中，在地形因素影响下存在着变形，潮位越来越高，潮差越大( 图3 一1 ) 。西 太阳沙海域潮位特征值见表3 1 。 潮差m 、r 咩 心 ： 了 图3 - 1 江苏沿海潮差分布 表3 1 西太阳沙海域潮位特征值( 理论基面) ( 2 ) 潮流 西太阳沙海域先后进行过三次较大规模的水文测量。1 9 9 2 年8 9 月，河海 大学在此海域布设8 条垂线，进行过大、中、小潮的全潮观测：2 0 0 3 年4 月长 江1 2 1 水文水资源勘测局进行过同步1 7 条垂线大、中、小潮水文测量；2 0 0 5 年5 月，长江1 3 水文水资源勘测局又在此海域进行同步2 2 条垂线大、中、小潮水文 测量。上述观测资料显示该海域潮流运动具有如下特点： 潮流属规则半日潮流，前后两个半潮的涨落潮历时和涨落潮流速基本一致； 深槽区潮流最大流速出现在半潮位附近，明显呈驻波性质： 潮流运动受水道和沙洲地形影响比较显著。相对靠近外海区域，潮流呈旋转 流性质，沙洲之间狭长水道内则往复流特征明显，涨落潮流方向与水道深槽走向 一致： 潮流流速的强弱分布较为稳定，表现为外海区域流速大于近岸区流速，潮流 通道内大于通道边缘，顺直通道大于弯曲通道，反映在现有边界条件下水下地形 与潮流动力场的相互适应； 近岸浅滩及潮汐水道交汇区域的流速、流向与附近测点有较大差别，反映局 部地形的影响和相邻潮汐水道之间存在频繁的水量交换。 3 1 2 波浪 波浪是重要的海岸动力因素，在讨论辐射沙洲区的水动力条件时，不可避免 地要涉及波浪的分布和波浪的作用。 张东生1 ( 1 9 9 8 ) 指出一般情况下辐射沙洲区的波高一般较小，为2 m 左右， 水位在中潮位以下时，波高更小，而且区域性差异较大；一般情况下的波浪仅能 对局部的微观地貌有一定影响，而对宏观的沙脊群地形，不论是平面形态还是剖 面形态，其作用都是次一级的，但在台风和寒潮大风等恶劣条件下，沙脊区的波 浪会较大，也会对地形产生作用。 西太阳沙海域的波浪以风浪为主，由于北有鳓鱼沙、茄儿杆子、茄儿叶子等 沙脊掩护，南有西太阳沙、火星沙为屏障，东有太阳沙、大洪埂子等沙体遮挡， 波浪强度不大，以轻浪、小浪居多。常浪向为n 向，强浪向为n 、n e 和e n e 方向。 据1 9 9 6 年1 9 9 7 年一年观测资料统计，有效波高0 3 m 、平均周期4 o s 4 9 s 的波浪出现频率为4 0 ：有效波高0 4 m i 1 m 、平均周期4 o s 4 9 s 的波浪出 现频率2 5 。 寒潮一般在11 月至翌年2 月问影响西太阳沙海域。每次持续时间2 3 天， 如1 9 9 6 年1 2 月5 日受冷空气影响，此海域观测到的最大波高3 7 m ，平均周期 4 8 s ，波向n n e 向。台风对西太阳沙海域的影响一般在7 9 月间，每次持续时 1 0 间2 3 天，1 9 9 7 年8 月1 8 日，由于“9 7 l l ”号台风的影响，该海域观测到的 有效波波高4 2 m ，平均周期6 o s ，最大波高6 9 m ，波向为n e 向。 西太阳沙外围沙洲高潮时淹没、低潮时出露，不同水位情况下其掩护作用存 在很大差异。即便在相同天气条件下，此海域的波浪强度也随潮位高低而不同， 高潮位时波浪较大，低潮位时外围沙洲掩护作用明显，波浪强度明显减弱，寒潮、 台风期间的大浪过程更是如此。“9 7 11 ”台风前后西太阳沙前缘水深与波高实测 资料对比显示( 图3 2 ) ，该海域有效波高变化与水深变化密切相关，每一时段 的最大波高均出现在高潮位，随潮位下降波高也迅速降低。寒潮和台风期间大浪 对西太阳沙的作用强度并不连续。 图3 2 “9 7 1 l ”台风前后西太阳沙前缘波高与水深变化 3 2 泥沙环境 西太阳沙海域水体含沙量不大( 赵洪波”，2 0 0 4 ) ，据2 0 0 5 年5 月实测， 大、中、小潮垂线平均含沙量分别为0 1 9 k g m 1 、0 1 8 k g m 3 和0 1 k g i l l 3 。悬沙 平均中值粒径0 0 2 n u n 左右。 2 0 0 3 年4 月现场水文测量期间在西太阳沙海域共采集3 6 1 个底质样品，2 0 0 5 年5 月测量期间又采集6 6 个底质样品，沉积物主要有沙质粉沙、粉沙质沙和细 沙等几种类型。从底质中值粒径分布来看，水道深槽区底质中值粒径一般略小于 0 1 m m ，沙洲区粒径一般略大于0 1 m m ，西太阳沙附近的底质中值粒径为o 1 0 9 m m 。 3 3 泥沙活动性 波浪和潮流是近岸海域主要的海洋动力，对现场采集的西太阳沙泥沙，在能 1 1 同时产生波浪和水流的试验水槽中可进行波浪和波流共同作用下泥沙运动特性 的水槽试验研究，以认识西太阳沙泥沙的活动性。 徐敏”3 1 ( 1 9 9 9 ) 在研究较细粉沙波浪起动时对刘家驹”( 1 9 6 6 ) 泥沙起动公 式粘着力系数的假设进行了局部修改，并建立了波浪及波流共同作用下的泥沙起 动波高计算式： n o = 0 1 2 ( 氛! 萼l s h 2 k h 再p - p i 一碡d 浮；2 5 6 泞- ， ( 3 - 2 ) 两式中h o ：起动波高；l ：波长：d ：泥沙粒径；h ：水深；d 0 ：特定泥沙粒 径；见、p ：泥沙和水的容重；g ：重力加速度：m = o 1 2 ( 去) ；u 。：底部流速。 表3 2 平均波浪情况下不同水深处的泥沙起动波高 表3 - 3 平均波浪与大潮平均底流速迭加时的泥沙起动波高 由式( 3 1 ) 、式( 3 - 2 ) 计算了波浪和波流共同作用下西太阳沙泥沙的起动 波高，并和水槽试验值进行比较，结果验证了式( 3 1 ) 、式( 3 - 2 ) 的精确性。 根据1 9 9 6 年1 9 9 7 年西太阳沙波浪观测资料和2 0 0 3 年5 月现场实测水文资料 所得出的研究区海域波浪与潮流运动特征，由式( 3 - 1 ) 和式( 3 - 2 ) 分别计算了 n 、n e 、n w 和e s e 四个主要波向平均波浪以及平均波浪与大潮平均底流速迭加情 况下，水深2 m 、5 m 、8 m 、l o m 处西太阳沙泥沙的起动波高( 表3 2 、表3 3 ) 。 计算结果显示，在平均波浪条件下，水深大于5 m 海域的泥沙起动波高均大 于平均有效波高，说明在平均波浪情况下只有5 m 水深以浅海域泥沙是活动的。 考虑到工程区海域平均海面高于理论基面3 9 3 m ，即平均波浪条件下西太阳沙海 域能够活动的泥沙只是理论基面一l m 以上的部分。 为了认识大浪作用下西太阳沙泥沙的活动性，还计算了5 0 年一遇波浪情况 下的泥沙起动波高，此时的水位采用5 0 年一遇高潮位( 9 o m ) ，所迭加的水流为 相近水位时的底流速( 表3 - 4 ) 。结果显示：5 0 年一遇波浪作用下，水深l o m 处 的泥沙起动波高均小于设计平均波高。波向n 、n e 、e s e 时水深1 5 m 处的起动波 高也小于设计平均波高；在n e 向浪作用下，水深2 5 m 处的起动波高甚至也小于 设计平均波高。统一至理论基面，则5 0 年一遇n w 向波浪能使- - 6 m 以浅海域的 泥沙起动，n 、e s e 向浪能使一6 一1 l m 海域的泥沙起动，n e 向浪甚至能起动一 1 6 m 以深海域的泥沙。反映，大浪作用下西太阳沙海域泥沙具有较强的活动性， 大浪是此海域滩槽强烈冲淤变化的主导动力。 表3 - 45 0 年一遇波浪条件下的泥沙起动波高( m ) 第四章潮流动力控制下水道一沙洲系统长周期稳定性分析 4 1 水道平面变化 通过所收集到的1 9 6 3 1 9 6 7 年、1 9 7 9 年、1 9 9 4 年、2 0 0 3 年西太阳沙海域 水下地形资料，进行了o m 、- l o m 等深线对比，以认识近4 0 年来水道一沙洲组合 的动态( 图4 一l 、图4 2 、图4 3 、图4 4 ) 。 图4 - 11 9 6 6 1 9 9 4 年0 m 等深线变化 毒1 冀9 6 3 1 9 6 7 一 图4 - 21 9 6 3 1 9 9 4 年一l o m 等深线变化 2 1 3 3 52 1 3 4 52 1 3 5 52 1 3 6 5 翁 一 勒o 一 一 一_ 伽。年1 0 月( 厂、飞 1 9 9 4 年1 0 月、- n 一2 3 年3 月 。7 。 j ，夕 图4 - 31 9 9 4 2 0 0 3 年o m 等深线变化 一：三_ _ ：! i i ；| ! ；：。：= i i ! i ；：i ! ：二：i i 一 图4 41 9 9 4 2 0 0 3 年一l o m 等深线变化 从0 m 等深线变化看：2 0 世纪6 0 年代，西太阳沙是东、中、西分布的三个 小沙，1 9 7 9 年，这三个小沙合并成西太阳沙，原东面的小沙洲消失，主体西移； 1 9 9 4 年西太阳沙主体又东移至6 0 年代的中部沙洲。由1 9 9 4 2 0 0 3 年间的变化 看，近l o 年间，西太阳沙的主体基本保持在1 9 9 4 年的位置，表面形态变化主要 表现为北侧突出部分严重冲刷，西太阳沙北部的沙洲西移，南侧近岸的o m 线冲 刷后退。上述现象反映，在波浪潮流共同作用下西太阳沙海域沙洲表层和浅滩的 泥沙具有一定的活动性。 一1 0 m 线等深线变化显示：西太阳沙南水道的一l o m 区域在2 0 世纪6 0 年代只 是局部一块，7 0 年代末，一l o r e 线全线贯通并较大发展，9 0 年代时一l o m 范围进一 步扩大。烂沙洋水道的一l o m 线也有南移趋势。同时西太阳沙东北侧又有一条一l o m 深槽楔入，反映西太阳沙东北侧水流的增强。从1 9 9 4 2 0 0 3 年的变化看，烂沙 洋深槽尾部普遍向西延伸，反映烂沙洋主槽水流动力仍是增强的，而同期南水道 及西太阳沙东北侧一l o m 深槽的发展并不明显，尤其中水道深槽的尾部还略后退。 4 2 断面变化分析 布置的的i i i ( 西太阳沙主体位置) 、i v 号断面位置见图4 5 。根据1 9 6 3 年、 1 9 7 9 年、1 9 9 2 年、1 9 9 4 年、1 9 9 5 年、2 0 0 2 年、2 0 0 3 年、2 0 0 4 年的地形及 断面监测资料进行了固定断面的对比分析( 图4 6 图4 9 ) ，断面比较中统一采 用废黄河基面。 图4 5 西太阳沙海域i i i 号、i v 号固定断面位置示意图 醛 * o 距离( k m ) 2 468 图4 - 61 9 6 3 1 9 9 4 年i i i 号断面变化 1 e 。1 赚 长。2 2 - 3 0 距离( k m ) 2 4 6 8 一 e v 蜷 苌 图4 71 9 6 3 1 9 9 4 年i v 号断面变化 o1 距离( k m ) 23456 7 图4 - 81 9 9 4 2 0 0 3 年i i i 号断面变化 1 距离( k m ) 2 3456 图4 - 91 9 9 4 2 0 0 3 年i v 号断面变化 7 o 与 加 帕 锄 茹 e v ，隧长 从1 9 6 3 1 9 9 4 年间的变化看： i i i 号断面反映2 0 世纪6 0 年代以来南水道冲刷加深，规模扩大，烂沙洋水 道主轴南移并发展。在南北水道的夹击下，西太阳沙加积变高，但主体位置基本 稳定，仅沙洲表面在波浪和水流共同作用下存在较明显的冲淤变化。位于西太阳 沙东端的i v 号断面变化显示：西太阳沙东端的烂沙洋水道主轴明显南摆，摆动 幅度达l n 2 k m ，南水道加宽增深，最深点已近一1 5 m 。西太阳沙的宽度相应变窄。 1 9 9 4 2 0 0 3 年的断面变化反映在烂沙洋主轴进一步南逼和南水道发展趋缓 背景下水道一沙洲系统的动态变化具有如下特征： ( 1 ) 由于南水道发展趋缓，西太阳沙南侧岸坡基本稳定，西太阳沙西端继 续向东北方向萎缩。南水道中段和尾部深槽水深略有增大。 ( 2 ) 西太阳沙表面仍存在较大的冲淤变化，其总趋势是滩面增高，最高点 南移。 ( 3 ) 西太阳沙北侧岸坡普遍冲刷，i i i 号断面，最大冲刷强度达8 m ，岸坡 冲刷的同时，西太阳沙北侧深槽严重淤积，最大淤积幅度达7 m 。 4 3 遥感资料分析 通过不同时期较低潮位时的卫星遥感资料分析，可一定程度上弥补浅滩地形 测量资料的不足。本文收集了1 9 9 4 2 0 0 2 年七个时相的西太阳沙海域卫星遥感 资料，并进行了沙洲及岸滩表面形态变化的对比分析。卫星成像时间及潮位的推 算见表4 1 。 表4 1 卫星成像时间西太阳沙潮位及出露面积 注：潮位基面：废黄河零点 3 2 。3 3 3 2 。3 0 3 2 。3 3 3 2 3 0 3 2 。3 3 3 2 。3 0 b 囡9 5 3 5 口3 2 彰 罗廷翻 7 力芭影 砑b 毯 蕊 愿、篡 绺渺足 1 2 1 。2 7 1 2 l3 0 图4 1 01 9 9 5 3 5 与1 9 9 4 3 2 西太阳沙出露形态比较 园9 74 1 1 口9 5 3 5 罗 翁 连黟 崖纨 蓬遴滔，撬i 藤缫黧 1 2 l 。2 l 1 2 l 。2 4 图4 - 1 11 9 9 7 4 1 1 与1 9 9 5 3 5 西太阳沙出露形态比较 c 圈 1 0 ” 口9 7 4 1 1 r ：2 薹望 影 吣 鹰砀霞， 黧隧塞属耀 图4 1 21 9 9 7 1 0 2 0 与1 9 9 7 4 西太阳沙出露形态比较 3 23 0 3 2 。3 3 3 2 。3 0 3 2 。3 3 3 2 。3 0 1 2 1 。2 1 1 2 l 。2 4 图4 一1 32 0 0 0 6 6 与1 9 9 7 1 0 2 0 西太阳沙出露形态比较 匿 0 13 1 3 口0 0 6 6 需 胗譬 - ，：、 沁 盛磅国 努 蓬熄 震p 蓑望 ￥： ，一j r魔 图4 1 42 0 0 1 3 1 3 与2 0 0 0 6 6 西太阳沙出露形态比较 e 孙2 1 1 3 口0 13 1 3 霞 遥。学争迤 蕊廨 薹艨墼逼 震 渤，一# 图4 1 5 2 0 0 2 1 1 3 与2 0 0 1 3 1 3 西太阳沙出露形态比较 根据上述7 个时相的卫星遥感资料，制成6 幅西太阳沙海域近岸浅滩及西太 阳沙出露形态的比较图( 图4 1 0 图4 1 5 ) 。由此得出以下认识： 近1 0 年来，岸外潮沟位置及形状变化不大，但潮滩的低潮水边线有冲刷后 退迹象； 西太阳沙主体形态的变化主要发生在1 9 9 7 年； 在西太阳沙北侧突出部分冲蚀的同时，西太阳沙南侧相对稳定； 尽管遥感资料对比仅反映沙洲、浅滩低潮出露部分的变化情况，但表面形态 的趋势性变化与其水下部分的动态相互联系，同样反映出烂沙洋主轴南遁、南水 道相对稳定、沙洲北缘及近岸浅滩冲刷的动态特征。 4 4 水道一沙洲系统近4 0 年的稳定性分析 通过1 9 6 3 2 0 0 3 年近4 0 年水下地形、固定断面资料、遥感影像资料对比的 分析，得到研究区“水道一沙洲”系统动态演变的初步认识： ( 1 ) 辐射沙洲南翼具有向东南方向移动的宏观动态，黄沙洋主槽和烂沙洋 主槽均存在南移趋势。 ( 2 ) 1 9 6 31 9 9 4 年间，西太阳沙北侧的烂沙洋水道尾部充分发展，动力主 轴南偏，强大的潮流