舟山群島地區(qū)峽道水動(dòng)力特性及其對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)

舟山群島地區(qū)峽道水動(dòng)力特性及其對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)

1舟山群島峽道沉積研究的意義峽道是島上和島上、島嶼和大陸之間或大陸和大陸之間狹窄的水流通道。它不同于地表徑流的影響環(huán)境，也不同于受徑向流影響的開(kāi)放海岸水域和受海岸帶共同封閉的海灣環(huán)境。這是一個(gè)獨(dú)特的海岸環(huán)境。盡管早在1927年Gregory(1927)就對(duì)多佛海峽(DoverStrait)形成的年代及其與泰晤士河和萊茵河的關(guān)系開(kāi)展了研究,80年代對(duì)位于西南大西洋飛馬峽道(VemaChannel)環(huán)境開(kāi)展了較為全面的研究,但主要工作集中在深海大洋峽道中,其水深均超過(guò)1000m。對(duì)淺水峽道的研究往往只是對(duì)峽道內(nèi)某一方面開(kāi)展工作,較少考慮峽道這種特殊環(huán)境對(duì)所研究?jī)?nèi)容的影響,更缺乏對(duì)峽道環(huán)境泥沙沉積的全面研究。舟山群島位于杭州灣東南,西北隔杭州灣與上海浦東新區(qū)相望,南隔橫水洋和崎頭洋與寧波相連。峽道形成的深水岸線(xiàn)和深水航道是大型船舶進(jìn)出寧波—舟山港的重要通道。對(duì)舟山群島峽道沉積的研究,不僅可加深對(duì)峽道沉積的認(rèn)識(shí),而且可為舟山群島峽道地區(qū)深水岸線(xiàn)和深水航道資源的開(kāi)發(fā)利用,提供科學(xué)依據(jù)。本文根據(jù)近年來(lái)對(duì)舟山群島地區(qū)金塘水道、冊(cè)子水道、蝦峙門(mén)水道和灌門(mén)水道等峽道(圖1)的潮位、水文泥沙和沉積觀測(cè),首先分析峽道水動(dòng)力特征,在此基礎(chǔ)上探討峽道不同區(qū)域的動(dòng)力沉積特征,認(rèn)識(shí)峽道環(huán)境的沉積規(guī)律。2動(dòng)力特征2.1漲落潮持續(xù)時(shí)間的變化根據(jù)實(shí)測(cè)資料,對(duì)舟山群島峽道自東海陸架附近的蝦峙島至鎮(zhèn)海沿程8個(gè)潮位站的特征潮位計(jì)算顯示(見(jiàn)表1),自東海陸架向杭州灣,高潮位降低,低潮位升高,潮差減小,漲潮歷時(shí)在算山以東,自東向西沿程縮短,算山以西自東向西沿程延長(zhǎng),落潮歷時(shí)則相反。這表明受峽道地形影響,大量的潮汐能沿程摩擦消耗,導(dǎo)致高潮位降低,低潮位升高,潮差減小;此外,地轉(zhuǎn)科氏力的作用,是杭州灣南部漲潮高潮位降低,落潮低潮位升高,也是導(dǎo)致地處杭州灣南岸的鎮(zhèn)海、算山等站潮差較小的重要原因。漲落潮歷時(shí)變化則受杭州灣和錢(qián)塘江河口落潮流影響,變化相對(duì)復(fù)雜,在算山向西,由于杭州灣和錢(qián)塘江河口落潮流與甬江落潮流匯流的影響,導(dǎo)致漲潮歷時(shí)延長(zhǎng);算山向東,受來(lái)自金塘水道和冊(cè)子水道的杭州灣落潮主流的作用,漲潮歷時(shí)逐漸延長(zhǎng),落潮歷時(shí)逐漸縮短,科氏力作用是杭州灣落潮主流南轉(zhuǎn),也是算山以東各峽道落潮歷時(shí)延長(zhǎng)的重要原因。2.2峽道內(nèi)和口門(mén)區(qū)維護(hù)不當(dāng)對(duì)峽道口門(mén)區(qū)水流流速的實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn),受峽道地形的制約,峽道內(nèi)水流為往復(fù)流,向峽道口外開(kāi)敞區(qū),逐漸演變成旋轉(zhuǎn)流;潮流向差異的影響,使峽道口內(nèi)外憩流時(shí)間存在顯著的差異,峽道內(nèi)憩流明顯,時(shí)間較長(zhǎng);口門(mén)區(qū)基本不發(fā)生憩流。峽道內(nèi)由于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的縮小,潮流速較大,向開(kāi)敞區(qū)漲落潮流速逐漸減小,且受峽道出口射流效應(yīng)的影響,漲潮流在峽道口門(mén)區(qū)的變化顯著大于落潮流;與峽道內(nèi)更加不同的是,峽道口門(mén)區(qū)存在顯著的波浪作用。蝦峙門(mén)口門(mén)區(qū)和金塘水道、冊(cè)子水道實(shí)測(cè)波浪資料顯示,口門(mén)區(qū)波浪強(qiáng)度顯著大于峽道內(nèi),且在口門(mén)存在約52%的涌浪作用(見(jiàn)表2)?？梢?jiàn)峽道口門(mén)區(qū)水動(dòng)力的特征主要表現(xiàn)為波流共同作用,以潮流作用為主;落潮流射流擴(kuò)散,漲潮流束流壅水;潮流由往復(fù)流逐漸演變?yōu)樾D(zhuǎn)流。2.3漲落潮流期主要影響流場(chǎng)的選擇根據(jù)對(duì)舟山群島金塘水道、冊(cè)子水道和灌門(mén)水道的實(shí)測(cè)水文資料,峽道內(nèi)水動(dòng)力特征顯著,主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):(1)受峽道地形的限制,峽道內(nèi)潮流呈現(xiàn)嚴(yán)格的往復(fù)流特征(見(jiàn)表2),其流向基本上平行于峽道走向。(2)峽道內(nèi)潮流速的沿程變化不僅受潮型的影響,而且深受峽島過(guò)水?dāng)嗝婷娣e變化、峽道口開(kāi)口方向以及峽道分流和合流的影響。(3)與河口海灣往往漲潮流速大于落潮流的變化特性不同,峽道內(nèi)漲潮流期和落潮流期流速的相對(duì)大小主要取決于峽道口門(mén)的朝向與水流流路的關(guān)系,同時(shí)還受峽道匯流和分流的影響,如冊(cè)子水道野鴨山岸段落潮流速大于漲潮流速,但其南部的外螺岙岸段,由于來(lái)自西南方向的金塘水道落潮流的頂沖作用,抵消了部分落潮水流的能量,表現(xiàn)為漲潮流速大于落潮流速。(4)在垂直于等深線(xiàn)方向的橫向上,漲落潮流速隨水深增大而增大(見(jiàn)表3),但局部地形的影響,可使這種變化發(fā)生逆轉(zhuǎn)。(5)漲落潮流歷時(shí)在橫向上變化較大。在金塘水道由于科氏力和大榭島磯頭挑流的共同作用,漲潮主流直沖金塘水道北岸,使金塘水道北岸先于南岸漲潮;落潮流期,科氏力作用下的杭州灣落潮流南偏,落潮主流直沖金塘水道南岸,使金塘水道南岸先于北岸落潮,結(jié)果金塘水道南岸先落后漲,北岸先漲后落,造成金塘水道深水區(qū)漲潮歷時(shí)大于淺水區(qū),冊(cè)子水道也有類(lèi)似的情況,不同的只是冊(cè)子水道西岸先漲后落,東岸先落后漲,導(dǎo)致深水區(qū)漲潮歷時(shí)大于淺水區(qū)(見(jiàn)表3)。2.4漲潮流速隨時(shí)間的變化在峽道中,由于兩個(gè)以上的峽道的交匯,形成峽道的分流和合流,從而在分合流口附近形成復(fù)雜的水動(dòng)力特征,根據(jù)灌門(mén)水道、金塘水道以及蝦峙門(mén)水道的實(shí)測(cè)資料,分合流口附近水動(dòng)力主要表現(xiàn)為下列特性:(1)受來(lái)自不同峽道水流的共同作用,分合流口附近流速顯著減小,圖2所示是灌門(mén)水道馬岙泥糊礁分合流口附近流速與峽道內(nèi)流速對(duì)比。由圖可見(jiàn),與峽道內(nèi)水深相近的其它垂線(xiàn)實(shí)測(cè)流速相比,分合流口附近垂線(xiàn)實(shí)測(cè)漲潮流速減小,歷時(shí)縮短;落潮流速基本不變,歷時(shí)延長(zhǎng)。究其原因,由主峽道漲進(jìn)的潮流比由次峽道漲進(jìn)的潮流先到達(dá)合流口,阻滯了次峽道漲潮流的漲進(jìn),導(dǎo)致漲潮流速減小。在主次區(qū)別較大時(shí),主峽道潮流倒灌次峽道,甚至可以在漲潮流期出現(xiàn)落潮流或落潮流期出現(xiàn)漲潮流。圖3所示為金塘水道漲潮流期出現(xiàn)1h左右的落潮流情況。圖2,圖3是1998年10月12～13日在ss9802站測(cè)得的小潮數(shù)據(jù)。(2)分合流口附近水流的交匯作用,改變潮波特征。在舟山群島地區(qū),潮波類(lèi)型在正規(guī)半日潮與混合潮之間變化,但在匯流口,受兩條以上峽道匯流的共同作用,潮波類(lèi)型可以由半日潮或混合潮,變化成全日潮。如在普陀島西北的福利門(mén)水道,由于受來(lái)自普沈水道、烏沙水道和清茲門(mén)水道三條峽道水流的共同影響,在24h50min的全潮過(guò)程中,盡管附近的蝦峙門(mén)水道、烏沙水道、清茲門(mén)水道等均呈現(xiàn)半日潮特征,但福利門(mén)水道只出現(xiàn)2～3h漲潮流,表現(xiàn)全日潮的特征,在螺頭水道匯流口附近也由類(lèi)似的情況。由此可見(jiàn),峽道水動(dòng)力在受海域動(dòng)力特性影響的同時(shí),在不同的部位還受峽道局部地形變化的影響,動(dòng)力條件的這種變化將深刻影響峽道沉積特性。3峽道沉積物特征3.1峽道懸沙沉積物特征3.1.1長(zhǎng)江口南槽水體泥沙冊(cè)子水道、金塘水道和灌門(mén)水道和蝦峙門(mén)水道及口門(mén)區(qū)等峽道不同部位的實(shí)測(cè)資料顯示,舟山群島峽道水體含沙量如表4所示,其最大含沙量不超過(guò)1000g/m3,一般在幾十到幾百g/m3。但其周?chē)w含沙量顯著增高,長(zhǎng)江口南槽水體含沙量一般超過(guò)1000g/m3,最大渾濁區(qū)的核心部位可超過(guò)2000g/m3,杭州灣含沙量大多在1500～3500g/m3;這一方面是由于峽道內(nèi)具有較好的掩蔽條件,風(fēng)浪作用不易傳入峽道;另一方面則是由于峽道長(zhǎng)期處于強(qiáng)潮流作用下,底部沉積物經(jīng)長(zhǎng)期改造,具有較強(qiáng)的抗沖能力,泥沙不易在潮流作用下起動(dòng)懸浮;此外,峽道口門(mén)區(qū)水動(dòng)力強(qiáng)度的迅速變化,使部分懸沙在峽道口門(mén)區(qū)沉積,峽道水體含沙量降低。3.1.2潮流速和添加量對(duì)含沙量的影響在大多數(shù)峽道,受大潮流速周期性變化的影響,含沙量隨潮流速的變化而周期性地變化,表現(xiàn)為漲落潮急流時(shí)含沙量升高,憩流前后含沙量降低(圖4(a)),但是由于影響含沙量變化的因素復(fù)雜多變,含沙量隨潮流速的變化也可以是復(fù)雜多變的(圖4(b))。這表明一般情況下,峽道強(qiáng)潮流能超過(guò)沉積物的臨界起動(dòng)流速,對(duì)峽道底部產(chǎn)生沖刷,但當(dāng)峽道底部沉積物抗沖能力較強(qiáng)時(shí),水動(dòng)力不易對(duì)峽道底部產(chǎn)生沖刷,導(dǎo)致含沙量過(guò)程線(xiàn)不隨潮流過(guò)程線(xiàn)變化。3.1.3開(kāi)敞水域中的潮型變化如表4所示大潮作用時(shí)含沙量大于小潮作用時(shí)的含沙量,但在口門(mén)區(qū)和面向開(kāi)敞水域或與開(kāi)敞水域相毗鄰的峽道中,含沙量受開(kāi)敞水域風(fēng)浪影響較大,潮型變化引起的含沙量變化有時(shí)會(huì)被風(fēng)浪作用所掩蓋。這表明受峽道水流的影響,峽道含沙量隨潮流速的增大而增大,漲落潮流對(duì)峽道底部泥沙有一定的沖刷起動(dòng)能力,但風(fēng)浪作用較強(qiáng)時(shí),峽道含沙量受毗鄰開(kāi)敞水域含沙量影響較大。3.1.4偏南風(fēng)作用下海底沉沙分布對(duì)蝦峙門(mén)水道冬夏兩季的含沙量觀測(cè)顯示,冬季含沙量比夏季高50%～100%,個(gè)別測(cè)站甚至可高出數(shù)倍(見(jiàn)表5)。其原因在于,冬季受偏北強(qiáng)風(fēng)浪的作用,杭州灣及東海陸架海底沉積物產(chǎn)生沖刷,含沙量升高;夏季盛行的偏南風(fēng)次常強(qiáng)風(fēng)作用時(shí),由于偏南風(fēng)作用時(shí)間較短,以及舟山群島峽道主要位于杭州灣南部,作用風(fēng)區(qū)較小,風(fēng)浪對(duì)海底的作用較弱,含沙量較低。可見(jiàn)峽道含沙量的季節(jié)變化主要受峽道周?chē)蝻L(fēng)和風(fēng)浪作用的影響。3.1.5權(quán)能上下游移面沉積相與河口主汊輸水、支汊輸沙,潮灘含沙量隨水深減小而增大的變化趨勢(shì)不同,峽道含沙量隨水深增大而增大(見(jiàn)表4),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水色的觀測(cè)也顯示,在岬角磯頭挑流掩護(hù)的邊灘上,水色較清,含沙量較低,在峽道深水區(qū),水色渾濁,含沙量較高。這表明峽道水流從毗鄰水域挾運(yùn)泥沙進(jìn)入峽道時(shí),在口門(mén)附近受過(guò)水?dāng)嗝媸绊?產(chǎn)生回流,大量懸沙在回流區(qū)沉積,但在峽道深水區(qū),受射流影響,水流直沖而入,泥沙較少發(fā)生沉積,含沙量較高,進(jìn)入峽道后,峽道流速橫向分布的變化,使兩側(cè)淺灘懸沙沉積,含沙量減小,形成深水區(qū)含沙量大,淺水區(qū)水體含沙量小的空間分布特性。3.2峽口門(mén)區(qū)水動(dòng)力特性峽道口門(mén)區(qū)是指由峽道進(jìn)入開(kāi)敞海域或海灣,過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗徽箤捴翇{道射流影響基本消失之處,受峽道口門(mén)區(qū)水動(dòng)力特性影響,峽道口門(mén)區(qū)動(dòng)力沉積也有其自身的特性。根據(jù)沉積物組成,峽道口門(mén)區(qū)沉積可分成砂質(zhì)沉積和淤泥質(zhì)沉積兩大類(lèi)型的沉積,先分別以金塘水道西口和蝦峙門(mén)水道入?？跒槔懻撊缦隆?.2.1粒度參數(shù)空間變化金塘水道西口是金塘水道進(jìn)入杭州灣的出入口,其主要沉積物是極細(xì)砂,約占峽道口門(mén)區(qū)沉積物總量的80%,其它20%左右是細(xì)砂或粉砂類(lèi)沉積物,平均粒徑約3.4?;沉積物分選性良好,分選系數(shù)在1.6～1.7之間;偏態(tài)系數(shù)為正,一般在1.70左右,顯示出沉積物粒級(jí)分布曲線(xiàn)的正偏特性;沉積物粒度分布峰型高峻,峰態(tài)系數(shù)可達(dá)6.0以上。出金塘水道西口,杭州灣南部沉積物主要為中粉砂和細(xì)粉砂,平均粒徑在5?以上,沉積物偏度逐漸減小,偏態(tài)系數(shù)約為0.12,接近于正態(tài)分布;粒度分布峰型變緩,成為接近于正態(tài)峰的低平峰,峰態(tài)系數(shù)減小到3.0以下;粒度參數(shù)的空間變化上與蝦峙門(mén)峽道口門(mén)區(qū)相反,即自口門(mén)向開(kāi)敞水域沉積物粒徑具有由粗到細(xì)的變化特性,沉積物分選性也有由好變差,粒度分布曲線(xiàn)的偏態(tài)由強(qiáng)正偏變化為接近于正態(tài)分布的弱正偏,甚至出現(xiàn)弱負(fù)偏,沉積物粒度分布的峰態(tài)更是由陡峻的尖峰型逐漸降低為接近于正態(tài)峰的低平峰(見(jiàn)表6)。在金塘水道西口口門(mén)附近,沉積物主要是來(lái)自金塘水道的細(xì)砂和粗粉砂粒級(jí),由漲潮流帶至口門(mén)區(qū),受峽道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e急劇增大的影響,潮流速迅速減小,在口門(mén)區(qū)沉積,越往杭州灣內(nèi),水域越寬敞,流速越小,沉積的泥沙也越細(xì),形成了沉積物粒徑自峽道口內(nèi)向峽道口外逐漸變細(xì)的特性,同時(shí)水流流速的減小,對(duì)底部沉積物的分選改造能力減弱,各種粒級(jí)的沉積物均能發(fā)生沉積,使沉積物的分選性變差,峰態(tài)降低,正偏減弱。杭州灣內(nèi)波浪雖然也能對(duì)灣底沉積物進(jìn)行改造,但比峽道口門(mén)潮流弱得多,因此波浪作用在此反映不明顯,加上金塘水道西口沉積物以細(xì)砂級(jí)物質(zhì)為主,與粉砂類(lèi)沉積物相比,細(xì)砂級(jí)泥沙較難起動(dòng)懸揚(yáng),促成了口門(mén)區(qū)泥沙粒級(jí)逐漸趨于一致,形成成分單一,峰態(tài)顯著的沉積物分布。在杭州灣,受錢(qián)塘江、甬江和長(zhǎng)江輸出淡水的影響,水體鹽度在15‰～21‰之間,最利于細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉積,河流輸出的細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入杭州灣后,有利的物質(zhì)條件、環(huán)境條件和相對(duì)較弱的水動(dòng)力條件下,使淤泥質(zhì)粉砂的沉積,發(fā)育淤泥質(zhì)粉砂沉積;但在金塘水道西口口門(mén)區(qū),來(lái)自金塘水道的沉積物沉積發(fā)育以極細(xì)砂為主的沉積物,部分細(xì)顆粒泥沙沉積后,出自金塘水道的強(qiáng)勁潮流對(duì)其進(jìn)行沖刷改造,沖刷物質(zhì)一部分隨落潮流進(jìn)入峽道,并在峽道淺水區(qū)弱動(dòng)力作用下沉積,另一部分被潮流帶走,在口門(mén)區(qū)沉積的物質(zhì)主要是細(xì)砂類(lèi)。這種物質(zhì)組成,在金塘水道西口擴(kuò)散水流的作用下發(fā)育輻射狀砂脊。3.2.2蝦生長(zhǎng)和沉積相蝦峙門(mén)口門(mén)區(qū)由淤泥質(zhì)沉積物組成,粒徑小于32μm的細(xì)顆粒泥沙約占全部底沙的90%,砂級(jí)沉積物僅占5%左右,平均粒經(jīng)在6.97?,是典型的淤泥質(zhì)沉積區(qū)。對(duì)蝦峙門(mén)水道口門(mén)區(qū)沉積特性的研究顯示,蝦峙門(mén)口門(mén)區(qū)沉積是在特定的動(dòng)力和環(huán)境條件影響下發(fā)育的。在蝦峙門(mén)口門(mén)區(qū),沉積物以細(xì)顆粒懸沙沉降供給為主,受口門(mén)區(qū)水動(dòng)力特性的影響,峽道內(nèi)水流湍急,流速的垂向紊動(dòng)強(qiáng)烈,存在顯著憩流時(shí)間,沉積物以懸移質(zhì)憩流沉積為主,形成以粘性細(xì)顆粒泥沙為主的沉積特性;出峽道口,水流擴(kuò)散,流速減小,部分在口內(nèi)懸移的粗顆粒往底部沉降,輸移形式轉(zhuǎn)化成推移,但口外開(kāi)敞水域波浪作用較強(qiáng),偏東向波浪平均波高在1.0～1.2m,平均周期4.0～4.5s,作用水深達(dá)17m,口門(mén)區(qū)淺灘沉積物受波浪改造作用,結(jié)果蝦峙門(mén)口門(mén)淺灘頂部沉積物中細(xì)粉砂含量相對(duì)降低,粒徑變細(xì),分選性變差,峰態(tài)變緩。進(jìn)一步向海,水深增大,波浪作用相對(duì)減弱,細(xì)顆粒泥沙沉積后,較少受到波浪的改造,沉積物粒級(jí)與懸沙粒級(jí)分布相近。此外,口門(mén)斷面的迅速變化,使動(dòng)力強(qiáng)度變化迅速,懸移泥沙能發(fā)生比較穩(wěn)定的沉積,發(fā)育厚層沉積構(gòu)造,并形成攔門(mén)沙壩形堆積地形。3.3峽道內(nèi)的動(dòng)力積聚特征根據(jù)沉積環(huán)境和動(dòng)力特性,峽道內(nèi)沉積可以分成深水帶、灘槽過(guò)渡帶和潮灘帶3種沉積區(qū)。3.3.1加合物沉積物根據(jù)對(duì)金塘水道、冊(cè)子水道和蝦峙門(mén)水道等峽道內(nèi)底部沉積物采樣分析,峽道深水區(qū)沉積物以礫石和粗砂為主(圖5),粒徑在0.062～250mm之間,以粗砂為主,見(jiàn)少量礫石和碎石,礫石和碎石長(zhǎng)軸直徑在100～150mm;沉積物分選較差,10多種類(lèi)型沉積物的混合,頻率曲線(xiàn)分布較寬,峰形低平,且多雙峰或多峰型分布曲線(xiàn);沉積物種的礫石有一定的磨圓,部分顆粒磨園度較好,有些礫石受鐵錳質(zhì)的強(qiáng)烈浸染,呈現(xiàn)棕褐色甚至膠結(jié)成塊,顯示出在強(qiáng)動(dòng)力條件作用下沉積的特性;在少數(shù)沉積樣品中發(fā)現(xiàn)泥礫或灰綠色、黃棕色硬粘土,顯示由坡洪積物經(jīng)沖刷改造的特性。這表明現(xiàn)代峽道深水帶沉積是晚更新世沖洪積物在強(qiáng)潮流作用下發(fā)生侵蝕改造形成的“蝕余堆積”。3.3.2砂石混合沉積過(guò)渡灘槽過(guò)渡帶指大潮低潮線(xiàn)到水深約30m之間的峽道水域,其水動(dòng)力強(qiáng)度不及深水區(qū),又遠(yuǎn)大于大潮低潮線(xiàn)以上的淺灘區(qū),處于過(guò)渡狀態(tài)之中,因此其沉積特性也介于深水區(qū)沉積和淺灘沉積之間,沉積物類(lèi)型由深水區(qū)的砂礫石混合沉積過(guò)渡為中粗砂沉積,向淺灘方向依次遞變?yōu)榧?xì)砂、粗粉砂和中粉砂帶,并過(guò)渡為淤泥帶(圖5),各沉積帶粒度參數(shù)也作相應(yīng)的變化(見(jiàn)表7)。峽道過(guò)渡帶沉積是在過(guò)渡帶水動(dòng)力作用下發(fā)生的。如前所述,峽道水動(dòng)力隨著水深的減小而減小,灘槽過(guò)渡帶水下岸坡坡度較陡,坡度在5%～10%,最大坡度可達(dá)25%,水動(dòng)力橫向變化迅速,在過(guò)渡帶形成顯著的動(dòng)力差異,且由于不同水深