海底泥沙运移分析.doc

第五章 海底泥沙运移分析海洋水动力条件尤其是风暴浪作用下，不仅强烈地搬运泥沙造成海底的冲刷和淤积，而且也可能成为某些不利因素发生变化的诱发因子。本章主要涉及在海洋水动力条件作用下，海底泥沙的运移情况以及可能成为海洋工程构筑物的不利因素进行粗浅评价。拟从两个方面讨论海底泥沙的运移：其一，在不同尺度的波浪作用下海底沙产生净运移的范围；其二，应用中子活化分析方法，判定在水动力综合作用下海底泥沙的运移趋势。5.1 波浪作用下海底泥沙运移范围当波浪对海底的作用增强到一定程度时，海底泥沙被掀起从静止状态离开床面转为运动状态，其起始值为泥沙起动的临界值，但被起动的泥沙并不产生净移动，而只有当波浪作用继续增强到某一程度以后，泥沙才沿波浪作用方向产生净移动（搬运），其值即为泥沙运移的临界值，通常用水深表示，故称为泥沙运移的临界水深。其含义是，若某部位的这一临界水深大于该部位的实际水深时，表明该部位的泥沙会产生净运移，反之亦然。波浪作用下海底泥沙的起动和运移的影响因子较多，从大的方面看，对确定的部位则主要取决于波浪参数；对确定的波浪参数则取决于地形（水深）和泥沙条件。5.1.1 计算式波浪作用在海底的水质点运动速度和作用力存在着周期性振荡，所以海底泥沙颗粒被掀起后只作来回摆动，只有波动水质点运动速度达到某种程度以后，泥沙颗粒才由来回摆动（运动）转为向波浪作用方向的净运移，也即泥沙随水流搬运。日本佐藤根据试验认为，当波浪水质点水平分速（Um）达到泥沙颗粒起动流速（Uc）的2倍时，泥沙才产生净运移，其表达式为：Um2UcHTsinh（2 Dc/L）式中，H、T和L为波浪的波高、周期和浅水波长，Dc为泥沙产生净运移的临界水深。该式求得的是泥沙产生净运移的临界值。从式中可以看出当波浪参数确定时，某部位泥沙是否产生净运移取决于Uc，很显然Uc值愈大，Dc值就小，泥沙产生净运移的水深范围变浅；或者若要求某一水深范围内的泥沙产生净运移，就需要大的波浪参数。渤海湾区内海底泥沙多偏细，因此相应的两个问题需考虑，其一，细颗粒泥沙间存在粘结性增强了泥沙的抗剪强度，其起动流速比非粘性泥沙要大得多，因此对未密度泥沙的Uc是从图5.1上取值，代入式中后得到未密度泥沙净运移的临界水深Dc1；其二，与粗颗粒泥沙不同的是细颗粒泥沙堆积于底床后，在外力和重力作用下随时间有一逐渐密实过程，不论其程度如何，要掀起这部分泥沙所需要的作用力或拖拽力都比未密实泥沙要大得多，因此对这部分泥沙的Uc是从图5.2上取值，代入式中得到密实泥沙净运移的临界水深Dc2。5.1.2 计算参数波浪：渤海湾区海域内，在通常情况下波浪尺度较小，因此波浪对海底作用产生显著效应的只能是大浪过程。从工程考虑，选用不同的重现期的波浪参数以代表不同尺度的大浪条件。依据选用的平台观测站的位置，将渤海湾区不同重现期的波浪参数值列于表5.1中。表5.1 不同重现期波浪参数值水 文观测站站 位（NE）参数波浪重现期（年）1102550100CFD233824351184727H110T3.76.95.68.65.98.86.29.06.59.3CFD5385905.691184748.31H110T2.55.54.77.85.28.15.58.55.98.8QK18383929.7921175737.6896H110T2.35.44.77.75.38.35.78.56.18.8泥沙：在泥沙条件中，粒径是一个重要参数。在同样级配组成的泥沙中，泥沙粒径的不同，直接影响到Uc值，也必然影响到Dc值。现选用粒级组成中频率最多的众值粒级，以代表泥沙中主要组成部分的运移状态。水深：波浪在传播过程中，随着水深的变化而发生变化，也影响Dc值。因此有必要对不同水深部位分别进行计算各计算部位的水深及其相应的泥沙粒径参数可参见表5.2和5.3。5.1.3 计算结果将不同重现期的参数，不同部位的水深及其泥沙条件分别代入计算式中，得到不同的Dc1和Dc2。对于Dc2只选用25年、50年和100年一遇的波浪条件。将计算结果，统计和归纳为渤海湾区内未密实泥沙的净运移临界水深（Dc1）（表5.2）和密实泥沙的净运移临界水深（Dc2）（表5.3）。同时，分别绘成相应的泥沙运移临界水深分布图，即图53至图57（Dc1）和图58至图510（Dc2）。从图中可直观看出不同重现期的波浪作用下的海底泥沙产生净运移的范围。表5.2 泥沙移动临界水深（m）（Dc1）计算水深（m）粒径（mm）波浪重现期（年）1102550100250.120.0110182026223924412644240.100.0113142234233824402542220.110.0113192130223323352538200.070.0315192529283429363138180.070.0110132027213022322334160.040.0112181826202821302231130.150.0215182229233224342536120.040.0111171623182619272028100.1250.01616132615291631173290.030.021314182020212123212380.01612141516表5.3 密实泥沙移动临界水深（m）（Dc2）计算水深（m）粒径（mm）波浪重现期（年）2550100250.120.01112512261328240.100.01112513261327220.110.01112212231325200.070.03212321242226180.070.01102011221223160.040.01102011211122130.150.02142014211523120.040.0191810191020100.1250.01818919102090.030.0212151216131680.017885.1.4 几点认识5.1.4.1 Dc值代表的仅是泥沙中主要组成部分的运移临界水深Dc代表的是在波浪作用下海底产生泥沙净运移的临界水深，与实际水深比较，可确定泥沙产生净运移的水深范围。当Dc小于实际水深（h）时，表明该部位泥沙中的主要组成部分没有产生净运移。但有两点需要指出：其一，泥沙虽没有产生净运移，但泥沙可能已被掀起而呈运动状态，被起动的泥沙仍可被海潮流所挟带；其二，反映的是泥沙级配中主要组成部分（众值粒径）没有出现净运移，但粒径大于众值粒径的泥沙因起动流速小而可能已产生了净运移。相反当Dch，粒径小于众值粒径的泥沙也可能没有产生净运移。因此，当Dch时，并不代表当地泥沙绝对没有产生净运移。虽如此，但其结果仍具有代表性，它代表在不同尺度的大浪作用下，海底泥沙中主要组成部分产生运移的范围。5.1.4.2 海底松散泥沙的净运移（Dc1）从图53至图57可以看出，渤海湾区内泥沙运移总的情况，在渤海湾中部是波浪作用下泥沙运移很弱的地区或相对稳定区。波浪作用下海底泥沙产生运移较为强烈的地区，主要是在渤海湾南部至老黄河口地区和曹妃甸以北近岸地区，其次是渤海湾西部的局部地带，在这样的地区泥沙受到波浪的强烈扰动，同时产生较强的泥沙搬运。一年一遇波浪参数，这是较为常见的，每年都能出现一次最大的大浪过程（图53），此时在渤海湾南部近岸地带产生一定强度的泥沙运移，而在滦河口以北地区也可能产生一定的泥沙运移。在渤海湾其他地区，Dc1值与实际水深之间差值较大，没有产生泥沙的净运移，但多数地区海底泥沙能被起动处于运动状态，为海潮流的搬运创造了条件。十年一遇的波浪作用下泥沙产生净运移的范围迅速扩大（图54），泥沙运移较强的地区是在曹妃甸及其以北近岸区和渤海湾南部地带，其次是渤海湾西部的局部地区。渤海湾中部是海底泥沙运移甚弱或泥沙运移不活跃的地区。二十五年及其以上一遇波浪作用下的泥沙运移（图55至57），其临界水深值分布格局与十年一遇波浪作用的情况类同，只是范围有所扩大。5.1.4.3 海底密实泥沙的净运移（Dc2）这部分泥沙的运移情况见图58至图510。对于二十五年一遇的波浪条件，在滦河口附近的近岸地区，渤海湾南部的近岸地带，能产生强度不大的泥沙运移，其次在渤海湾西岸的局部地带也可能出现泥沙运移。在100年一遇波浪作用下，曹妃甸以北近岸地区，渤海湾南部近岸地带，可产生较强的泥沙运移，其次在渤海湾西岸的局部地区，亦能产生一定强度的泥沙运移。而渤海湾中部区不产生泥沙的净运移，成为相对稳定区。5.1.4.4 在海潮流参与下的海底泥沙运移分析在一般情况下波浪较小，因而海潮流是经常起作用的动力条件。海潮流作用与波浪作用的不同之处，一方面是海潮流一旦起动了泥沙，即可被水流挟带搬运；另一方面对于往复流来说，泥沙搬运导致海底的冲或淤，也即泥沙净搬运取决于涨落潮流的历时和流速的不对称性程度及余流值大小。渤海湾区北部海区（CFD5为代表），落潮流（NE）大于涨潮流（SW），平均峰值流速51cm/s，实测最大海流流速达83cm/s（方向69），平均流速37cm/s。南部海区（5m以深）最大涨潮流速（WNW）为95cm/s，最大落潮流速（ESE）为76cm/s。老黄河口近岸区落潮流速（NW）大于涨潮流速（SE），最大流速在15.517.5m等深线间为150cm/s以上，在515.5m等深线间为100150cm/s。西部海区（以QK8为代表），涨潮流（W）大于落潮流（E），实测最大流速（275）为80cm/s，平均为32cm/s。从图5.1可知，其最大流速可起动粒径为0.0053mm的泥沙，若以平均流速考虑，仍可起动运移粒径0.050.05mm的泥沙，说明当海潮流速达到平均流速时，大部分海区海底泥沙均可被起动随流搬运。因此，在波浪尺度较小或者虽为大浪作用但海底泥沙移动临界水深小于实际水深而泥沙没产生净运移的海区，海潮流却成为泥沙运移的主要动力因子。在大浪作用方向与海潮流方向一致或交角较小的情况下，波动水质点水平速度与海潮流速呈某种程度的叠加，增强了水动力条件的作用强度，使波浪作用产生的海底泥沙净运移的范围得以扩大。也就是说，在波浪作用不能产生泥沙的净运移地区，若泥沙已被起动时，仍为海潮流所挟带而发生搬运。或者说，当海潮流已能起动挟带泥沙的地区，由于波浪作用的参与，从而增强了泥沙搬运的强度。在波浪作用方向和海潮流方向不一致或交角较大的情况下，泥沙的搬运情况比较复杂，在总体上作用强度有减弱的趋势。5.2 应用中子活化分析判定海底的泥沙运移应用中子活化分析方法判定海域泥沙的运动方向和相对强度，是近期发展起来的示踪泥沙运动的方法。这类方法有两种途径，一种是通过物理的和化学的方法制成元素示踪砂，现场投放，相隔一定时间定点采样，对样品进行中子活化分析，获得示踪元素的分布及其含量，然后进行计算处理；另一种是对现场采集的样品，直接进行中子活化分析，获得样品中的诸多元素及其含量，然后进行计算处理。5.2.1 分析方法中子活化分析是一种核分析技术，它是用一定能量和流强的中子轰击底质样品，测定由核反应生成的放射性核衰变时放出的缓发辐射，或直接测定核反应中放出的瞬发辐射，获得样品中元素的定性和定量分析，对其数据进行计算和统计，对泥沙运动状况进行分析。不同站位采集的样品中，各种元素的含量是有差异的，这和泥沙的搬运和聚集有很大的关系。因此，将不同站位样品中相同元素进行对应比较，若比值大于1的元素的个数超过元素数的一半（50）时，可认为大多数元素的去向代表了泥沙运动方向，其比值的平均值大小代表泥沙运移的相对强度。在渤海湾区选取21个站的样品，经处理后进行中子活化分析，每个站样品均测得34个元素及其含量值1）样品的中子活化分析由北京理化分析测试中心完成的。）。鉴于海域范围大，故划分为3个海区，在界限上的站位分别参与相应海区的计算和处理。区内各站的比值平均值归纳于表5.4至表5.6。将3个海区的平均比值统计表进行分析和必要处理，统一绘成图511，图上标明各站位之间泥沙运移的关系，比值平均值大于和等于1.4的均标出数字。表5.4 1区 各站间对应元素比值大于1的平均比值站号M11M31M42M51M52M61M72M74M83M85M11M311.311.12M421.461.401.341.21M511.161.491.331.331.531.461.261.20M521.591.291.151.331.17M611.26M721.461.161.23M742.131.751.501.201.471.771.631.301.21M832.311.791.671.671.761.54M851.961.581.341.281.531.431.22表5.5 区 各站间对应元素比值大于1的平均比值站号M83M91M92M101M102M112M114M104M94M831.82M911.191.171.40M921.271.111.081.121.091.141.30M10-11.241.521.101.121.50M10-21.281.131.061.081.161.041.1231.47M11-21.201.091.161.41M11-41.301.121.061.111.121.48M10-41.191.021.051.35M94表5.6 区 各站间对应元素比值大于1的平均比值站号M74M85M94M95M96M104M741.251.151.191.191.47M851.56M941.131.091.081.24M951.101.091.52M961.111.43M1041.081.061.425.2.2 关于局部海区的数据处理渤海湾海域周边有不少河流输沙入海，在海域内复杂的水动力条件作用下，泥沙经历着复杂多变的搬运、沉积、再搬运、再沉积的过程。水动力条件作用较强的地区，泥沙运动比较活跃，水动力条件作用较弱的地区，流沙运动不甚活跃。在渤海湾区内就存在着这一不同的水动力环境。元素以各种形式迁移，有些元素溶于水中迁移，更多的元素赋存于沉积物中随沉积物搬运而迁移，沉积物的分异作用进行得越好，元素及其化合物的集中也就越明显，也即元素的分布受粒度的控制，黄河口区和滦河口区元素的分布也说明了这点。在附图511中空出的海区为细粒物质沉积区（区），这一海区北动力条件的作用相对较弱，利于元素的富集，各站元素含量多高于周边样站（参见表5.5），这是粒度效应造成的。因此，在这海区内的站位没标记出泥沙运移方向,其周边各站与之的关系用虚线箭头标明。5.2.3 渤海湾区内海底泥沙的运移状况从表5.4至表5.6可以看出各区内，各站之间泥沙运移情况，有的站与其他各站的对应元素比较的比值，多数大于1，表明这些站的泥沙以各种形式向外运移，如区的M83站和M114站等。从图511可以看出渤海湾区内泥沙运移状况有以下几点。 5.2.3.1 泥沙的主要聚集点，即相邻站位的泥沙向该站汇集，如区M11、M61和M31站；区的M114站等。 5.2.3.2 泥沙的主要扩散点，即泥沙向相邻站位运移，如区的M51、M52、M83站等。 5.2.3.3 泥沙运移方向单一或者比较集中，反映出泥沙运移的主体方向，如区的M31站，泥沙向NE方向运移，但强度小；区的M112站，向SE方向运移，强度中等等。 5.2.3.4 泥沙运移的相对强度，从图511可知，大部分平均比值小于1.4，总体上表明泥沙运移的相对强度较小，平均比值大于或等于1.7的泥沙运移相对强度大的较少，主要是M11站方向SE；M72站方向SE；M83站方向NE等。5.2.4 几点认识 5.2.4.1 利用天然沉积物（含悬沙）样品进行中子活化分析方法，对泥沙运动进行分析，不完全同于示踪砂方法。自然状态下元素在迁移过程中的分散与富集所涉及的影响因素较多。从这次尝试的情况以及已有的应用情况看，用这种方法分析大范围的浅海海域内的泥沙运动状况，难度较大或者还需要做一些相应工作，但应用于近岸海区或范围较小的浅海海域，并对一些环节进行必要的改进，其效果还是好的，且简便。 5.2.4.2 海底沉积物的分布，是在相当一个时间段内泥沙经受水动力条件反复而综合作用的结果，因此对底质样品进行中子活化分析得到的泥沙运移状况，代表着一种趋势，且在某种程度上也反映出样品采集时的季节性特点。根据沉积物分布特点和水动力条件，对所得结果进行了处理，在图511上反映出的是各样站之间泥沙交换或运移的关系，从平均比值大小反映出泥沙运移的相对强度。渤海湾区大多数样站的泥沙交换活跃但运移强度较弱（比值小于1.4），且在一个站位上泥沙运移的强度在各个方向上也是不一样的。根据每个站的泥沙运移情况和平均比值关系，可以大体看出泥沙的主要扩散区（带）和主要聚集带（点）。 5.2.4.3 各海区内泥沙运移的主体方向，在曹妃甸及其以北地区，泥沙主要运移方向是北偏东和东偏南；在渤海湾西岸泥沙主要运移方向为偏东和南偏东；在黄河口泥沙主要运移方向是北偏西和北偏东；在湾内还存在偏南和偏东方向。各海区泥沙的主要运移方向，与其海潮流以及波浪状况是基本吻合的。 5.2.4.4 渤海湾区中部及其湾口地带，各站未具体标明泥沙运移方向及比值平均值，但从计算所得的结果可知，各样站之间存在泥沙交换，而且元素含量多高于周边样站。前述可知，这一带水动力条件的作用较弱，为一有利细粒物质沉积的环境。元素随泥沙搬运的分异过程中受粒度控制，细粒沉积物中元素及其化合物的集中很明显。为此，与周边样站泥沙运移关系用虚线箭头示意。5.3 海底泥沙运移的分析及其评价在渤海湾区内，由于地形和水深的影响，在不同海区的波浪和海潮流特征存在差异，周边输入海域的物质源的分异作用过程也存在差别。因此，在不同海区的泥沙运移状况不完全相似。现主要依据不同重现期的波浪作用下海底泥沙运移的临界值，结合水动力条件和泥沙中子活化分析结果，对渤海湾区内泥沙的运移状况进行简略分析。5.3.1 海底松散泥沙的运移状况海底松散泥沙在搬运和沉积过程中，非粘性泥沙和粘性泥沙的作用过程是不完全一样的。对于粘性泥沙，存在着颗粒间粘结力和泥沙絮凝作用的影响，在沉积过程中存在逐渐密实过程，在未完全压实之前，将其视为松散沉积。在曹妃甸及其以北近海地区和渤海湾南部条带区为波浪作用下泥沙运移的活跃区，物质趋于粗化，在图511上反映出泥沙为多向扩散。泥沙运移的主要方向，在曹妃甸及其以北地区为北偏东和东偏南，在渤海湾西部为东和东偏南，在渤海湾南部为偏西和北偏东，在黄河口地区为北偏西和北偏东，湾内存在着偏南和偏东方向。在湾口中部深水区，由于波浪作用较弱