钦州湾近海区沉积特征及航道淤积研究

第27卷第2期水 道 港 口V ol.27 N o.2 2006年4月J ournal of Waterway and Harbour April,2006 钦州湾近海区沉积特征及航道淤积研究

阎新兴,刘国亭

(交通部天津水运工程科学研究所,天津300456)

摘 要:对钦州湾近海区的动力条件、沉积特征、泥沙来源及运移趋势,东航道开发的泥沙条件及其淤积

情况进行了分析,认为钦州外湾的泥沙来源有限、水体含沙量小、滩槽稳定、东航道轴线走向总体上与涨

潮流向一致,航道开挖后不致出现大的泥沙问题。 关键词:钦州湾;地貌特征;沉积物;航道开挖

中图分类号:U617.6;P736.21 文献标识码: A 文章编号:1005-8443(2006)02-0079-05

钦州湾位于中国南海北部湾湾顶,3面为低山丘陵环绕,湾口朝南,由内湾、外湾及连接两湾的潮汐通道组成。外湾以大庙墩和企沙为湾口的东西界,宽约26.4km。湾口至青菜头南北相距约为13km。内湾又称茅尾海,其长宽各13km,连接两湾的潮汐通道,由青菜头至樟木岭水域长715km。外湾共有东、中、西3条深槽。进港航道分为东航道、西航道2个方案,分别位于东、西深槽上。西航道自湾口经大红排至樟木岭,全长31.6km,目前,钦州港进出港船舶经由西航道。东航道由湾口经三墩沙至樟木岭,全长为33.3km,为拟开通航道。为配合钦州港的建设与东航道的开通,对该区沉积特征及航道开通后的淤积问题进行了研究。

1 动力条件 1.1 潮汐特征

钦州湾的潮汐属规则全日潮。根据龙门验潮站多年资料统计,其潮位特征如下:最高潮位5.83m;最低潮位-0.69m;平均潮位2.40m;平均高潮位3.66m;平均低潮位1.15m;最大潮差2.51m;平均涨潮历时8h 23min;平均落潮历时8h。

1.2 潮流特征

(1)除拦门沙口门外及东航道右侧深槽外,潮流呈往复流性质;(2)除拦门沙水流受局部地形影响外,整个钦州湾涨潮方向指北,即涨潮流由西南进入湾内后,受东岸边界的影响,在东侧呈NNW流向青菜头,并沿潮汐通道进入茅尾海。落潮流由茅尾海向外沿潮汐通道直冲青菜头,而后由北向南逐渐向SW偏移。涨落潮流均与航道走向大体一致,落潮潮流可将携带的泥沙向外海推移,这对开挖后的航道是有利的;(3)钦州湾内涨潮平均流速为0.08～0.28m/s,最大为0.54m/s,落潮平均流速和最大流速均较涨潮大,这对航道稳定与维护十分有利;(4)在东航道上口,大潮时,落潮流最大垂线平均流速达1.06m/s,流向113°;涨潮流为0.72 m/s,313°。小潮时,落潮流为0.20m/s,108°;涨潮流为0.38m/s,288°。在东航道中段,中潮时,落潮流为0165m/s,162°,涨潮流为0151m/s,355°。

1.3 波浪

钦州外湾南临北部湾,根据其邻近白龙尾站波浪资料,风浪频率以NNE和NE向最大,SE～SSW向为次,涌浪以SE～S向为主。平均波高0.52m,平均周期3.1s,最大波高4.1m,最大周期8.7s。

收稿日期:2005-06-30; 修回日期:2005-09-05

作者简介:阎新兴(1953-),男,天津市人,高级工程师,杭州大学毕业,从事海岸地貌及泥沙研究。

Biography:Y AN X in2xing(1953-),male,senior engineer. 08水 道 港 口第27卷第2期 2 海底地貌

钦州湾海底地貌可分为河口沙坝,潮流脊和水下岸坡3种类型:(1)河口沙坝。分布于钦江、茅岭江等河口地带,是河流和潮流共同作用的产物。河口沙坝的存在常使河床或汊道河床进一步分汊。而茅岭江的河口规模较大,如紫沙、四方沙等,它的最大长度达2.3km,最大宽度约1km。长与宽比值为2.3～3.3,走向近南北向。有的狭而长,如马沙、石西沙等反映了潮流影响的存在。沙坝组成为中砂和细砂,分选性好到差,泥质含量占0%～14%,钛铁矿等重矿物含量占2.31%～2.72%;(2)潮流脊。钦州外湾在涨、落潮的作用下,形成三槽四滩,即东槽、中槽、西槽

与东滩、中滩I(东)、中滩II(西)、西滩的地貌总格局。浅滩中波状沙体的潮流脊广为分布,其延伸方向与潮流方向一致,常呈脊、槽(沟)相间,平行排列成指状伸展。规模较大的潮流脊,如老人沙长7.5km,宽约0.7km,沙体走向为NNW,低潮时露出水面,与相邻的沟槽水深相差6～7m。老人沙两侧的潮流脊,低潮时露出水面,脊槽相间排列呈辐射状分布;(3)水下岸坡。大约分布在外湾-5m等深线以外。水下岸坡宽度较窄,为0.6～1.0km。其近岸坡度陡,一般为0.2‰～1.0‰。

3 沉积物分析

3.1 沉积物粒度分析结果

据2003年钦州湾近海区水域大面积底质取样样品分析,钦州湾沉积物质种类较多,其粒径粗细相间,主要沉积物质为砂砾、粗砂、中砂、细砂、粉砂质粘土及粘土质粉砂。其中粗颗粒样品占全部样品的41.18%,细颗粒样品占全部样品的58.82%。

3.2 沉积物中值粒径分布特征

从沉积物中值粒径分布特点可以看出,钦洲湾沉积物中值粒径为0.003～2.613mm,泥沙粒径变幅较大,粗颗粒部分(>0.1mm粒径)的物质主要分布在内湾,由于内湾的巨大纳潮能力而形成的强流态势及内外湾之间窄口地形的影响,细颗粒泥沙难以落淤,使得床砂普遍较粗,其平均中值粒径为0.193～2.613mm。另一粗颗粒泥沙分布区域位于外湾,自青菜头向南,三墩沙以西的-5m水深以内约10km×10km大片水域,沉积着粗细砂,沉积物中值粒径为0.193～1.572mm。平均中值粒径为0.234mm。

细颗粒部分(<0.01mm粒径)的物质分布区域,自钦州湾东侧金鼓江开始,在整个湾的东侧浅水区,三墩沙南北处及-5m以外湾口区大面积海域,沉积物粒径变化不甚明显,物质较细,绝大部分站位D50在01005mm左右,少数点D50在0.010～0.039mm。

3.3 东西航道中线底质中值粒径沿程及滩、槽粒径变化特征 西航道底质中值粒径的区域分布趋势,总体上呈三粗三细,其粗颗粒部分第1段自港池向航道南5km 距离以里,D50峰值为0.759mm;第2段在航道10～15km,峰值为1.074mm;第3段在航道18～22km,峰值

为1.212mm;细颗粒泥沙沉积区在上述区间之中。东航道沉积物质因所处位置与动力条件的不同,其沉积物粒径与西航道有所不同,在沿程上表现为两粗两细段分布,粗颗粒沉积区第1段在东航道0～8km,因靠近潮汐通道的窄口区,粒径峰值偏大为2.069mm,第2段在20～25km,峰值为0.390mm。细颗粒物质同样分布在粗颗粒沉积区之中的区段。

东西航道中线沉积物质 D50的比较可以看出,东航道沉积的粗物质较西航道沉积的粗物质区段明显短,沉积的细物质区段明显长,平均中值粒径明显细的特征,比较而言,东航道开挖后,其疏浚条件强于西航道。

综上所述,如果外湾以深槽为界,其外以-5m等深线为界,其沉积物平均中值粒径的区域具如下分布特征(表1):(1)深槽粒度自东向西渐粗,东槽为泥质( D50=0.004mm),中槽及西槽为砂质( D50分别为0.251 mm

及

0.430mm);(2)东滩( D50=0.204mm)细于西滩

( D50=0.211mm),且同时明显细于中滩(0.320～0.461 mm);(3)-5m等深线以外,沉积物为粉砂质粘土及粘土质粉砂( D50=0.021mm),其粒度明显细于-5m等深线以内浅滩( D50=0.277mm)。

从宏观看,底质粒度滩粗于槽,内粗于外;沉积物含泥量,槽高于滩;泥沙分选程度,滩好于槽。

3.4 沉积物分选程度分布特征

由沉积物分选程度分布看出,该区沉积物分选系数为0.18～2.20,按照《海洋监测规范》[4]的划分标准,

该区沉积物的分选程度为3级,即分选系数0～0.6为分选程度很好,016～114为分选程度好,114～212为分选程度中常。分选程度“很好”的区域主要分布在外湾西航道西侧的伞顶沙附近与金鼓江出口处东侧局部区域,以及外湾-5m 水深以内区域。分选程度“好”的区域面积较大,分布在外湾-5m 水深以内的中、西部。分选“中常”的区域主要分布在外湾的东侧与-5m 水深以外南侧区域,另外在金鼓江出口处及青菜头附近区域。

3.5 沉积物沉积类型分布特征由沉积物沉积类型分布可以 看出,钦州湾沉积物质最粗的区 域沉积着砂砾(SG )、中砂(MS )、

细砂(FS ),沉积地点位于2个区 域,一个是内湾,在茅岭江与钦江 两河流的交汇处,主要沉积着砂 砾(SG )与中砂(MS );另一个区域 在外湾-5m 水深以内处的中、 西侧,主要沉积着中砂(MS )与细

砂(FS )。细颗粒物质主要沉积在金鼓江水道及其出口处、三墩沙 表1 钦州外湾底质粒度参数

T ab.1 G rain size of bed material of Outer Qinzhon Bay 区域平均中值粒径(mm )平均分选系数平均粘土含量(%)东槽0.0039 2.0751.09中槽0.2507 1.2426.98西槽0.4301 1.2323.26东滩0.2040 1.3224.90中滩I (东)0.31990.530.00中滩Ⅱ(西)0.46070.620.04西滩0.21130.6714.03-5m 以外

0.0206 1.9045.32-5m 以内(不含槽)0.27700.9514.26南北处及整个-5m 水深以外的大面积区域,沉积着粒径相差不大的粉砂质粘土(TY )及粘土质粉砂(Y T )。4 泥沙来源及运移趋势

4.1 河向来沙

茅尾海北端有钦江和茅岭江汇入,其中以钦江影响作用较大。钦江年径流量为19.6亿m 3,年输沙量46.5万t ;茅岭江年径流量14.8亿m 3,年输沙量55.3万t 。两江入汇口距钦州港15km ,茅尾海海面宽13km ,沙量主要沉积于入汇口区域,较细部分泥沙向海区扩散,但亦多沉积在龙门以北。从茅尾海至青菜头一带,含沙量急剧减少,再往南含沙量不再衰减,维持稳定的低含沙量,因此径流来沙对航道的淤积影响不大。

4.2 海向来沙

根据海区悬沙分布特征可知,外海有一定沙量进入钦州湾区域。该海区夏季盛行南到西南风,与涨潮方向基本一致,而冬季常风向为北风,与涨潮相反。因此航道内夏季含沙量(0105～0103kg/m 3)大于冬季(01005～0.003kg/m 3)含沙量,从而可以认为,海向有一定来沙,但数量不大。另外,根据1983年海岸带调查及2003-09各站床沙级配资料分析结果,航道内夏季泥沙中值粒径有粗有细,而冬季较粗,说明航道内存在

冲淤变化。夏、冬季含沙量虽有所不同,但均属低含沙范畴,航道冲淤对水体含沙量影响有限。钦州外湾水面宽阔,根据潮汐传播特性和水下地形分析,在科氏力的影响下,外海的涨潮流偏东进入湾内,由于外海水体含沙量低,入湾物质不多,但它可起动海底细颗粒泥沙,并随潮流输入,成为内湾和各港汊沉积的沙源之一。

4.3 浅滩来沙

进港航道两侧有大面积的浅滩存在,高程较高,一般为0～-5m 之间,数次进行的床沙取样分析结果表明,虽然泥沙组成较为均匀,D 50=0.32～0.42mm ,属中细砂,为沙质浅滩,但由于其中含有一定的细颗粒,所以,沙质浅滩在风浪潮作用下,床面以上将出现细沙悬浮及运移,并成为航道沙源之一,但数量有限。

4.4 沉积物分布特征所反映的泥沙运移趋势

矿物分析结果可以说明,钦州湾的沙源为历史上茅岭江和钦江的入海泥沙,沉积物的重矿物主要自内湾向外湾输送。沉积物粒度在平面分布上反映出的特征是,内湾物质粗,外湾物质细,平均中值粒径D 50自内湾至外湾总体上呈由粗而细的变化过程,也同样显示出泥沙运移的趋势和路径。综上所述,钦州湾海区泥沙来源以海向和两侧浅滩泥沙运移为主,但数量不大。径流来沙很少,泥沙运动对航道影响程度有限。

182006年4月阎新兴,等 钦州湾近海区沉积特征及航道淤积研究

28水 道 港 口第27卷第2期5 东航道开发的泥沙条件及其淤积的定性分析

511 浅滩物质组成与东航道淤积

通常,钦州外湾在泥沙来源一定的条件下,水体含沙量的大小,取决于2个条件:一是动力的强弱,动力强含沙量则大,反之含沙量则小。从长时段看钦州外湾的水动力变数不大,且在过去的若干研究报告中已有较多的分析,在此不再重述。二是沙质浅滩沉积物中细颗粒的含量。通常,在泥沙分选很好的砂质海岸,由于滩面物质较粗,细颗粒含量甚微,所以,除机率很小的特大风天时,近岸带可能出现短暂的高含沙水体外,一般情况,由于粗颗粒难于悬扬,所以沙质海岸的水体含沙量通常都低于泥质海岸。

钦州外湾,虽然其滩面物质的中值粒径都在0.2mm以上,从泥沙研究对海岸类型的划分看属沙质海岸,也就是说,钦州外湾的底质泥沙,在潮流及非特大风天波浪的共同作用下难于悬扬,这一点与沙质海岸似乎相同。但是,大范围的众多底质采样分析表明,钦州外湾,除中滩外,东、西两滩的粘土(d50<0.01mm)含量分别达24.9%和14.0%,外湾-5～-12m的粘土含量更高达42.5%。因此,虽然已有的非大风天的实测资料表明,外湾的水体含沙量低于0.03kg/m3,与我国众多港口相比属极低含沙量范畴,悬移质沉降对航道淤积的影响微弱,但当特大海向风出现时,不仅东、西两滩,即使是-5m以外的广大滩地都可能发生细颗粒泥沙的大量悬扬,水体含沙量大幅度上升的可能性是存在的,由此而造成东航道的强淤值得重视。

5.2 河向来沙与东航道淤积

已有的资料表明:注入钦州内湾的主要河流有钦江和茅岭江,而注入钦州外湾的金鼓江却无径流及输沙记载;注入内湾的钦江和茅岭江,其入海泥沙主要沉积于河口与内湾的交汇区,仅有部分细颗粒物质扩散,成为外湾沉积的沙源之一。但2003年的底质采样分析表明,外湾湾口以上的龙门岛至果子山段,其槽区除个别点为淤泥质沉积物外,其余均为砂质;外湾,其东槽以西亦为粗颗粒组成。从而不难看出,钦江和茅岭江向外湾水域的细颗粒泥沙补给量有限,不是航道淤积的主要沙源。外湾广为分布的粗物质及其相应滩槽地貌,是“冰后期”海相沉积的继续与改造的产物,亦非内湾粗物质的输送所致。

再看金鼓江来沙的影响:从钦州湾底质沉积类型分布可知,不仅金鼓江的底质为粉砂质粘土(细颗粒),而且出河口后细颗粒的分布大体分为3支向外延伸,其中西支和中支的延伸范围有限,然而东支却沿东南方向延伸至-5m等深线以外的广大水域。据此可以认为,金鼓江河口,不仅紧临东槽,为泥沙补给提供了位置上的先机,而且每年亦有一定数量来自暴雨径流面蚀及沟蚀的细颗粒物质补给,并成为外湾东侧的主要沙源之一。东航道开挖后,受金鼓江来沙的影响值得重视。

5.3 滩槽的稳定性与东航道淤积

滩槽稳定性表现在,剖面上滩槽水深的稳定和平面上位置的稳定两

个方面。有关调研表明,满足滩槽水深稳定的必要条件是泥沙来源少。否则将可能出现某些区域大冲,邻近区域大淤,或者某一时段普遍发生淤积的地形演变,从而给航道水深的维护带来困难。通常,在砂质或粉砂质海岸,满足滩槽平面位置稳定的主要条件是无强劲的沿岸输沙。否则,深槽迎沙面一侧将发生明显淤积,从而导致深槽向主要输沙方向位移,滩、槽的稳定性将不复存在,从而给航道水深维护和航标设置等带来一系列的麻烦。钦州外湾滩、槽的稳定性如何?从3个方面来回答:第一,河向采沙及其数量。该海域以河向来沙为主,但其量微。内湾两条河流的年输沙量在百万吨以内,与我国的众多河流相比,当属输沙量较小范畴。加之这些入海泥沙主要在内湾沉积,仅少量细颗粒物质可抵达外湾,且在一般情况下,外海的波浪掀沙作用不强烈,所以外湾表现出极低含沙量的水沙特征。也就是说,满足上述滩、槽水深稳定的低含沙条件;第二,沿岸输沙。据前人的有关研究[3],该海区波浪的沿岸输沙能力为14万m3/a。至于这种输沙量是否出现,则取决于海岸是否可以提供这样的沙源,以及泥沙沿岸运动的途径是否通畅。关于前者,尽管钦州湾两侧海域虽无大的沙源,但鉴于沙质浅滩分布范围广阔,所以出现14万m3/a的沿岸输沙不无可能。但是,从海岸宏观形状看,钦州湾两侧几乎不存在平直岸线。因此可以认为,即使在钦州湾两侧近岸带有充足的沙源,从而可满足波浪的输沙能力,但这些泥沙亦将受一系列海湾沉积的拦截,实际能抵达钦州外湾的沙量将远低于14万m3/a。因此,满足滩、槽平面位置稳定的第二个条件;第三,外湾沉积物的地质基础及深槽纵、横剖面的变化。前已提及,据《海岸带和海涂资源综合调查报告》,钦州外湾地貌主要形成于历史时期。其实,海平面上升,海岸侵蚀后退,为外湾沉积提供了充足的沙源,历经侵蚀—堆积,再侵蚀—再堆积的多循环,最终达到今日泥沙、动力与地形的基本平

衡,三槽四滩的稳定格局。这一结论,不仅为1992年以前诸家研究的共识,而且为此后对外湾主要深槽(西槽)历史水深图的对比所证实[1]。1959—1991年水深图比较表明,32a 以来,西槽纵剖面之上段有冲有淤,总体略有淤积,下段基本平衡。横剖面上亦未出现航道一侧淤积或冲刷的现象。因此,钦州外湾的滩、槽处于基本稳定状态之中,滩面出现大冲,

航道相应出现大淤的可能性不大。

5.4 东航道开发淤积的几点认识

(1)从前面分析可知,钦州外湾无论是河向来沙还是沿岸输沙其数量均有限,滩槽稳定,东槽具有一定的天然水深,东航道轴线走向总体上与涨落潮流向一致,槽区现状流速较大,东航道开挖后流速趋于增加,特别最终方案(-16.5m )实施后,三槽的分流状况,将从目前以西槽占优,转化为东槽单宽流量大于西槽的有利态势,成为连接内外低含沙水域的主要潮汐通道。因此,沿东槽开辟深水航道,从总体情况看不会存在大的淤积问题;(2)航道局部段的淤积值得重视,前已提及,航道轴线走向总体与深槽延伸方向一致,但由于受三墩岛的限制,迫使三墩岛以下航道向西南偏转,这样便带来3种不利的情况:一是-13.0m 及-16.5m 等方案实施后,潮流流向与航道的交角过大。其中,落潮流向与航道的交角在4°～59°之间,涨潮交角在46°～59°之间,均超过《港口工程技术规范》的一般要求。因此当水流进入该段后,沿航道走向而行的主流不畅,其淤积较之其上、下段将偏重;二是交角过大将出现明显的横流,对航行安全的影响值得重视;三是三墩岛之北端紧临水深小于-1.5m 的“老人沙”向南延伸的沙脊尾端,二者相距仅约300m 。一般来讲,沙脊是泥沙堆积及其粗颗粒泥沙向外输移的主要通道。这样,三墩岛以下区域出现较大淤强的可能性是存在的。6 结论

(1)该海湾纳潮量大,来沙量及水体含沙量小,风浪影响少,为华南沿海建设深水良港的地域之一,其良好的环境条件,适宜建港及开通航道;(2)沉积物粒度分析结果表明,该区主要沉积物质种类较多,其粒径粗细相间,主要沉积物质为砂砾、粗砂、中砂、细砂、粉砂质粘土及粘土质粉砂等;(3)沉积物粒度平面分布特征总体表现出内湾粗于外湾,-5m 水深以内粗于-5m 水深以外,外湾西部粗东部细的分布趋势;(4)钦州外湾的泥沙来源有限,滩、槽稳定,东航道轴线走向总体上与涨落潮流向一致,各方案实施后航道流速呈增加趋势,为我国发展深水大港的优良海湾之一,航道开挖后不致出现大的泥沙问题;(5)东航道所处浅滩(特别是东滩),其滩面物质相对较细,而且紧临泥沙来源较细的金鼓江,航道竣工后,除三墩岛以下段外,航道淤积将以细颗粒物质为主。

参考文献:

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Study on dep osition characteristics and channel siltation in offshore zone of Qinzhou Bay YAN Xin 2xing ,LIU G uo 2ting (Tianjin

Research

Institute

o

f

Water

Transport

Engineering ,Tianjin 300456,China )

Abstract :From analysis of dynamic property ,deposition characteristics ,s ources of the sediment and its transport trends ,sediment conditions and siltation status after the development of East Channel ,it ’s concluded that sediment is not large in Outer Qinzhou Bay ,silt content in the sea water is slight ,riffle and pool is in stable state 1East Channel axial line is basically coinsident with the direction of flood current ,and the siltation after channel ’s excavation will not be heavy.

K

ey

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:Qinzhou

Bay

;geom

orphologic

characteristics ;deposited material ;channel excavation 382006年4月阎新兴,等 钦州湾近海区沉积特征及航道淤积研究