秦皇島海域水文泥沙特征分析

王中起，韓志遠，嚴 冰

（1.河北省水運工程規劃設計院，天津300074；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

根據經濟發展的需要，秦皇島市擬開展旅游休閑人工島工程及山海關港區規劃工程的研究論證工作。山海關港區的規劃是垂直岸線向外建設，人工島位于山海關港區南側。為明確其工程建設對周圍海區水動力泥沙環境的影響，特別是對敏感區域的影響，需要進行研究論證并開展數學模型等相關的試驗研究。

本文根據2009年秦皇島海域大規模水文全潮觀測、底質調查取樣及斷面水深資料，并結合歷史上的水深、多年的氣象和波浪資料，對秦皇島附近海域的水動力泥沙特征進行分析，為數學模型試驗、海岸工程設計等提供基本依據。

1 地質地貌特征

工程區附近海岸位于中生代燕山褶皺帶的山海關隆起區。南與冀北凹陷、東與渤海凹陷相鄰。新生代以來，新構造運動活躍，北東向、東西向和北西向斷裂發育，形成了西北部隆升、東南部下沉的北東—南西向延伸的三級階梯狀地貌格局：斷塊構造低山、丘陵臺地、海岸帶3大地貌單元?，F代海岸帶岬灣相間，岸線總體平順，盡管自東向西發育多個規模不等的岬角，但除環海寺地咀和金山咀岬角規模較大外，其他岬角向海突出有限，從而形成了發育程度不同的弧形海灣［1-2］。

1.1 岸灘地貌特征

根據2009年9月對工程區附近綏中電廠至洋河口岸段沿岸潮間帶地貌調查結果，沿岸地貌及沉積特征如下。

（1）芷錨灣岸段。芷錨灣位于環海寺地咀以北，東與綏中平直砂質海岸相接，沿岸主要是平原砂質海岸，泥沙來源主要為沿岸小河下泄泥沙以及海岸侵蝕供沙。岸灘潮間帶寬廣、坡度較小，有灘肩發育。泥沙搬運較活躍，岸灘沉積物主要為粗砂或粗中砂。綏中電廠位于夷平砂質岸段，在電廠西側防波堤前有小規模堆積體，由此可以看出該岸段存在自西向東的沿岸輸沙，但堆積體規模不大，顯示輸沙量都不大。芷錨灣屬弧形灣，動力環境較弱，存在向灣頂的微弱沿岸輸沙。

（2）環海寺地咀至石河口岸段。山海關船廠以西岸段屬岬灣相間的砂質—基巖海岸，沿岸潮間帶較窄，岸灘坡度較陡，有多處礁石發育，岸灘侵蝕后退趨勢較明顯。沉積物以粗砂或粗中砂為主，含有較多的礫石。山海關圍墾區東側岸灘發育有礁石灘，但岸灘變化平緩，顯示近期岸灘沖淤趨勢近于穩定。

（3）石河口至湯河口岸段。石河口至沙河口岸段為沙壩—澙湖海岸，澙湖被石河下泄泥沙充填。沿岸沙壩上植被繁茂，岸灘上有灘肩發育。沙河口以西至湯河口主要分布為秦皇島東西港區，基本上為人工岸線。

（4）湯河口至金山咀岸段。該岸段屬弧形海岸，岸灘平緩，潮間帶寬10～15 m，岸灘沉積物主要為中細砂。在湯河口西側，發育多條自東向西南、相互平行的順岸沙壩，顯示出泥沙主要從東向灣內運移的趨勢。金山咀為基巖岬角，岸線呈侵蝕狀態。

（5）金山咀以南岸段。金山咀至戴河口為岬灣海岸，潮間帶較窄，坡度較大，沉積物很粗，以粗砂為主。岸灘上礁石灘出露，高潮線附近有侵蝕陡坎，顯示岸線呈侵蝕后退的趨勢。由于海域波浪動力相對較強，沿岸潮間帶泥沙運動較為活躍，部分地段有連島沙壩發育。戴河口以南為平原砂質海岸，潮間帶坡度不大，沉積物質多為中細砂。

1.2 潮間帶沉積特征

根據2009年在綏中電廠至洋河口沿岸潮間帶范圍布設的20條采樣斷面（每條斷面取1～3個底質泥沙樣品，共采集樣品44個）的樣品分析［1］，潮間帶沉積物多為粗、中砂，其中芷錨灣岸段（環海寺地咀以北）泥沙中值粒徑介于0.370 3～0.882 3 mm，平均值約為0.574 0 mm，分選系數介于0.32～0.82，平均值約為0.54，分選程度較好。環海寺地咀至沙河口岸段沉積物主要為粗中砂和粗砂，中值粒徑介于0.318 8～1.371 7 mm，平均值約為0.546 8 mm，分選系數介于0.20～0.98，平均值約為0.47，屬分選程度較好的沉積。湯河口以南岸段泥沙主要為粗中砂和中細砂，中值粒徑介于0.259 1～0.755 7 mm，平均值約為0.439 2 mm，分選系數介于0.18～0.76，平均值約為0.35，分選程度較好。

2 風和風暴潮

根據秦皇島海洋站1978～1980年資料統計［3］，工程區附近常風向為W向，出現頻率約為10.37%，其次為WSW向，出現頻率約為9.39%。強風向為ENE向，出現頻率約為7.31%，最大風速可達到23.7 m/s。1～3級風出現頻率為80.69%，4～5級風出現頻率為17.74%，大于6級風出現頻率僅為1.64%。對工程區域來說，NE-S-SW向為向岸風，對工程區有一定影響，其他向的風主要為陸向風，其強度不大，對工程區影響不大。

秦皇島海區雖然不是我國沿海風暴潮的主要災區，但風暴潮對本海岸帶的破壞和侵蝕作用也不容忽視［4］。其中，1965年的風暴潮致使海岸蝕退4～10 m；1972年，秦皇島發生了建國以來最大的一次風暴潮，市區23家工廠進水停產，潮堤被沖斷650 m，海水入侵5 km，昌黎縣沿海20個村莊和林場被海水包圍，撫寧縣沿海村莊被海水淹地240 hm2；1992年一次風暴潮過后，冷凍二廠東部觀測剖面海岸后退了5 m多，是造成本岸段嚴重蝕退的重要原因之一［5］。從多年風暴潮發生規律看，本區大的風暴潮災害大致10～15 a發生一次。

3 波浪

秦皇島海洋站測波點位于南山燈塔SSW方向，水深-6～-7 m。秦皇島波型主要是風浪以及風浪為主的混合浪，約占全年總次數的75%，涌浪以及涌浪為主的混合浪約占22%。據秦皇島站1960～2008年測波資料分析［1］，該區常浪向為S向，頻率為17.77%。強浪向為SE向，最大波高為3.5 m，出現在1972年7月27日和1984年8月10日，這是臺風影響的結果。2.0 m以上波高出現在ENE至WSW向范圍之中，累年出現率最高的波級為0～0.5 m，出現頻率為62.31%。

根據芷錨灣站1963～2008年測波資料分析［1］，常浪向為SSW向，頻率為22.7%。強浪向為SSE向，最大波高超過2.6 m。2.0 m以上波高出現在NNE至SW向范圍之中，累年出現率最高的波級為0～0.5 m，出現頻率為55.86%。

4 潮汐

研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉潮波控制，靠近半日潮無潮點。根據2009年9月工程區附近4個潮位站（W1～W4，圖 1）觀測資料調和分析，潮性系數（HK1+HO1）/HM2均大于5，說明海域屬規則日潮區。但其HK1值介于0.34～0.38 m，接近半日潮區葫蘆島附近HK1值（0.37 m），因此該半日潮是入射波與反射波疊加的結果，決定了本海域日潮潮汐和半日潮流的異常特征。

本海域靠近無潮點，整體潮差較小。大潮潮差以小黑山站（W3，圖1）為界，向南北兩端遞減，小黑山站最大潮差為1.77 m，平均潮差0.86 m，其他各站最大潮差均介于1.4～1.5 m。大潮、中潮期間各站均明顯表現為一漲一落的日潮特征，小潮時半日潮特征明顯增強。

5 潮流

秦皇島海域的潮流主要表現為半日潮流。2009年9月15條水文垂線水文全潮觀測顯示（V1～V15，圖1），該岸段潮流總體特征表現為順岸的往復流，各垂線漲潮流向為WSW向，落潮為ENE向，流向主軸與岸線或等深線基本平行。

海區整體流速較小，且大、中、小潮差異不明顯，落潮平均流速略大于漲潮平均流速。各垂線漲潮平均流速介于0.13～0.3 m/s，漲潮最大流速介于0.20～0.5 m/s，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s。除個別站外，各站漲、落潮最大流速均未出現于大潮時。

各站流速在垂線分布上變化不大，呈表層流速大、底部小的變化特征。漲潮流速底、表層平均比值約為0.8，落潮流速底、表層平均比值約為0.75。

6 余流

余流一般指實測海流去除周期性潮流后的剩余部分，在一個時期能夠反映泥沙的凈運移方向。根據實測資料分析，該海域余流流速很小，介于0.8～7.6 cm/s，平均值約為3.7 cm/s，余流流向因所處位置不同而發生變化。其中，大潮時余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.8～7.6 cm/s；中潮時余流方向指向EN-ESE向，流速介于0.9～6.8 cm/s；小潮時，除V12和V15站余流方向指向S向外，其他各站基本上指向EN-SE向，流速介于 1.0～5.3 cm/s。

7 含沙量

根據2009年9月大、中、小潮水文全潮實測含沙量資料統計，秦皇島海域各站含沙量變化具有以下特點：（1）秦皇島海域整體含沙量較低，平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，平均值約為0.028 kg/m3。（2）研究海域內以V3、V6站附近含沙量最大，平均含沙量分別為0.018 kg/m3和0.019 kg/m3，最大含沙量分別為0.144 kg/m3和0.121 kg/m3。其次是V7站，平均含沙量約為0.017 kg/m3，最大含沙量為0.103 kg/m3。（3）含沙量的垂線分布較均勻，表、中、底層差別較小，基本上呈底層大、表層小的變化特點。（4）除個別站外，各站含沙量大、中、小潮差別不大；平面分布上，自近岸向外含沙量差別不大；漲、落潮含沙量差別不大。其原因主要有二：一是幾乎沒有徑流輸沙入海。二是近岸區（含潮間帶及其以外一定范圍）內的底質較粗，其中值粒徑一般都在0.2～0.5 mm，本海區的漲、落潮平均流速在0.13～0.32 m/s，底質泥沙難以大量懸揚啟動。因此，本水域在無風及中、小風天都將維持低含沙量。

8 表層沉積物分析

根據2009年9月秦皇島海域水下沉積物取樣分析結果［1］，主要沉積物類型為細砂、砂質粉砂、粉砂質砂、砂-粉砂-粘土、粘土質粉砂等。自內向外沉積物中值粒徑介于0.717～0.007 mm，變幅較大（圖2），其沉積物類型分布特征為：

（1）金山咀岬角附近及其以南海域沉積物較粗，主要以細砂沉積為主，夾雜少量粉砂沉積。其中砂質含量介于33.7%～95.9%，平均值為76.7%；粉砂含量介于3.0%～50.5%，平均值為16.2%；粘土含量介于1.0%～14.7%，平均值為6.3%；泥沙中值粒徑介于0.022～0.511 mm，平均值為0.194 mm；分選系數介于0.67～3.28，平均值為2.05，屬于分選不充分形態。

（2）秦皇島東西港區至石河口海域，近岸河口附近表層沉積物較粗，主要為砂質沉積，并夾雜少量粉砂和粘土。-10 m外的深水區沉積物質以粘土質粉砂為主。其中砂質含量介于3.7%～88.7%，平均值為34.0%；粉砂含量介于7.2%～71.3%，平均值為47.0%；粘土含量介于3.8%～28.2%，平均值為17.4%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.418 mm，平均值為0.055 mm；分選系數介于 1.38～4.03，平均值為 2.65，分選程度較差。

（3）石河口至環海寺地咀之間海域近表層沉積物較細，主要為粘土質粉砂，夾雜少量的砂質沉積。其中砂質含量介于2.6%～30.9%，平均值為12.3%；粉砂含量介于54.5%～72.4%，平均值為62.9%；粘土含量介于11.8%～32.9%，平均值為24.7%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.022 mm，平均值為0.010 mm；分選系數介于1.24～2.92，平均值為1.97，分選程度較差。

（4）環海寺地咀以東芷錨灣附近海域表層沉積物較粗，-10 m等深線以內主要為細砂和粉砂質砂，-10 m以外主要為粘土質粉砂。其中砂質含量介于8.4%～94.6%，平均值為34.8%；粉砂含量介于2.2%～69.0%，平均值為45.5%；粘土含量介于0.8%～29.5%，平均值為16.1%；泥沙中值粒徑介于0.007～0.717 mm，平均值為0.145 mm；分選系數介于0.90～3.97，平均值為2.44，屬于分選不充分的沉積。

9 泥沙來源分析

9.1 徑流輸沙

工程區附近入海河流有石河、湯河、新開河等河流，除石河外，其余河流徑流量和輸沙量都很小。

據石河水文站1957～2007年徑流、輸沙資料分析，多年平均徑流量為1.36億m3。1980年以前，石河水文站年均徑流量約為1.73億m3。1980～2000年平均徑流量減至1.18億m3，2000年后平均徑流量減至0.58億m3。1956～2007年，石河水體懸沙含量平均為0.299 kg/m3，年均懸移質輸沙量為3.82×104t。以1975年石河水庫修建為分界點，之前年均輸沙量約為9.03×104t，之后劇減為0.72×104t，顯示石河水庫修建以后，石河下泄泥沙大幅減小。石河輸沙量的年內分配極不均勻，主要集中在7、8、9三個月，以7月份輸沙量最大，占全年的74%，其他月份所占比重很小。

9.2 沿岸輸沙

環海寺地咀以西岸段，由于岬灣相間的海岸特性，難以形成大規模的沿岸輸沙，這從山海關船廠建成多年后東西兩側防波堤前并無明顯泥沙堆積體便可以看出。環海寺地咀以東岸段，岸線較為平直。綏中電廠修建防波堤后，西側出現較明顯的堆積體，而東側卻幾乎不存在，這種變化表明沿岸存在自西向東的沿岸輸沙，但是由于堆積體規模較小，其沿岸輸沙量不大，影響范圍也很小。

9.3 潮流輸沙和外海泥沙

研究海域的平均含沙量介于0.009～0.061 kg/m3，個別測站的最大瞬時含沙量也僅為0.144 kg/m3。該海域總體含沙量很低，在潮流作用下的輸沙量不大。盡管潮間帶和近岸沉積多為砂質，向外則為粉砂質至泥質，但由于本海區波浪不強、潮流較弱，所以在波浪和潮流共同作用下，也會產生較弱的泥沙運動，但多淤積于分布甚廣的大小海灣內，成為各海灣泥沙的主要沙源，很難產生長距離的泥沙沿岸輸移。

10 岸灘演變分析

10.1 大范圍海域等深線對比

通過 1937年 1：500 000海圖、1978年 1：150 000海圖、1998年工程區 1：10 000海圖、2003年 1：150 000海圖以及2009年9月實測水深斷面對比分析，北戴河—芷錨灣大范圍海域岸灘演變特征如下：

（1）1937～1978年，金山咀以南海域，-5 m等深線呈現略微沖刷，-10 m等深線沖淤相間，-15 m等深線向外大幅淤積擴展；金山咀至環海寺地咀海域，-5 m等深線較為吻合，-10 m等深線淤積外移，外移最大超過400 m，-15 m等深線向外大幅淤積擴展；芷錨灣海域-5 m、-10 m、-15 m等深線均向外淤積擴展。

（2）1978～2003年，研究海域-5 m等深線較為吻合，-10 m等深線局部有沖有淤，基本保持穩定；-15 m等深線，石河口至芷錨灣之間部分向外淤積擴展，最大擴展幅度超過500 m，其他部分保持穩定?？傮w而言，1937～2003年，研究海域沒有發生大的趨勢性沖淤變化，岸灘整體保持穩定狀態。

（3）據1937～2009年多年水深斷面水深對比可知［1］：金山咀以南整體處于沖刷狀態，沖刷速率為1.2 cm/a；金山咀至湯河口岸段沖淤基本平衡；秦皇島港區附近由于航道開挖導致岸灘有所變形，但可基本保持穩定狀態；新開河口至石河口整體處于輕微淤積狀態，平均淤積速率為1.8 cm/a；石河口至環海寺地咀總體呈淤積趨勢，平均淤積速率為1.3 cm/a。綜上分析，研究海域海床基本可保持穩定狀態。

10.2 工程區附近海域沖淤變化

對工程區附近1998年1：10 000海圖、2008年1：60 000海圖以及山海關圍墾區東側2009年9月實測水深圖可知［1］，工程區附近沖淤分布變化具有如下特征：

（1）石河口至山海關船廠西側海域-7 m以內沖淤相間，以淤積為主，沖淤變化基本在-0.25～1.0 m。其中石河口東側-5 m線以內出現輕微沖刷，這與波浪作用下泥沙向西搬運后，石河泥沙補給不足有關；船廠南側-7～-10 m以沖刷為主，局部沖刷幅度超過1 m，這與附近存在挖沙有關；-10 m以外區域輕微淤積，淤積幅度小于0.5 m。

（2）山海關圍墾區防波堤東側堤根處沖刷顯著，沖刷幅度介于0～1.5 m，沖刷范圍覆蓋0～-6 m等深線之間的區域。此處沖刷主要與泥沙來源較少和波浪在防波堤前反射導致堤根淘刷有關。防波堤東側至小黑山之間岸段，0～-2 m等深線之間局部沖刷，沖淤變化介于-0.5～0.5 m。-2～-7 m等深線之間基本呈淤積趨勢，淤積幅度介于0.5～1 m?？傮w而言該段岸線-2 m以內略有沖刷，-2 m以外基本呈淤積狀態。

（3）由斷面水深對比可以看出，山海關附近海域-7 m以內海域為微淤環境，各斷面年淤積速率在-2.0～6.3 cm/a。除近岸有局部沖刷外，山海關東西兩側基本為輕微淤積環境。10.3 工程區附近海域岸灘穩定性分析

（1）沿岸泥沙的縱向輸運不活躍，泥沙多為原地運動或橫向運動，因此岸灘地形基本可保持穩定狀態。由于泥沙來源減少，在波能較為集中的局部區域會發生沖刷，如石河口西側、老龍頭和圍墾防波堤東側，但其侵蝕量不大，不會對整體岸灘格局產生顛覆性影響［6-7］。

（2）建設離岸人工島都會在其和陸地之間的水域形成一定范圍的波影區和流影區，相應的波流動力會減弱，有利于維持岸灘穩定。

（3）泥沙來源少、水體含沙量低、波浪流動力不強是本海域水動力環境的基本特征。在波、流的長期共同作用下，工程附近海域岸灘地形與水動力環境是相適應的，基本處于穩定狀態。

11 結論

（1）研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉潮波控制，為規則日潮區，潮差小，實測平均潮差小于1 m。工程海域潮流主要為半日潮流，呈沿岸的往復運動，各站漲落潮流速介于0.13～0.32 m/s。

（2）海域波流動力不強，水體含沙量低，含沙量垂線分布較為均勻，平均含沙量在0.009～0.061 kg/m3，實測最大含沙量僅為0.144 kg/m3。

（3）沉積物類型為細砂、砂質粉砂、粉砂質砂、砂-粉砂-粘土、粘土質粉砂等，沉積物中值粒徑介于0.007～0.717 mm，變幅較大；砂質沉積主要分布在近岸及諸小河口附近，較細的粉砂質沉積則主要分布于金山咀至環海寺地咀-10 m線外海域；海域沉積物分選較差，運動特征不明顯；外界泥沙的影響不明顯。

（4）北戴河至芷錨灣大范圍海域海床基本保持穩定狀態，無明顯的趨勢性沖淤變化。石河口—山海關船廠西側海域-7 m以內沖淤相間，除近岸有局部沖刷外，山海關船廠東西兩側基本為輕微淤積環境。

（5）在波流長期共同作用下，沿岸泥沙的縱向輸運不活躍，泥沙多為原地運動或橫向運動，岸灘地形基本保持穩定狀態，工程附近海域岸灘地形與水動力環境相適應，基本處于穩定狀態。

［1］嚴冰，許婷，韓志遠.秦皇島市人工島工程波浪潮流泥沙數學模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

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