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华南海岸及港口泥沙问题研究的回顾和展望




  华南海岸漫长,岸线曲折,港湾众多。解放后随着各项建设事业的发展,许多港口和港湾都得到了不同程度的开发龢利用。港口开发建设中经常遇到的一个令人忧烦的问题是泥沙淤积问题。其中大量出现的、最主要的是入海口拦门沙淤浅妨碍船舶进出港口以及航道、港池与码头前沿的回淤等问题。为瞭解决这些问题,二十年来,各有关单位做了大量的现场调查测验和室内实验分析等工作,取得了不少的经验和成绩。但生产在发展,新的矛盾与问题在不断出现。如大型港口(例如黄埔港)船舶吨级在不断提高,中、小港口要求向万吨级大港发展(如汕头港),但它们的拦门沙碍航问题能否解决?许多县级小港,则由于十年动乱时期大量的、盲目的堵口筑闸、围海造田、河流改道和其他不适宜的工程建筑极大地改变了原来港口的泥沙平衡条件,以致有的港口已经完全报废(如神泉港),另一些亦面临被淤废的危险(如乌坎港、沙扒港和港北港)。因此,泥沙淤积问题至今仍是许多港口能否开发、利用或发展的关键。无疑地需要进一步开展和加强海岸及港口泥沙问题的研究。本文对过去二十年内有关华南海岸及港口泥沙问题研究的发展情况做了回顾;对其中某些可能是成功的或有待改进的方面略作评述;同时根据华南海岸的特点并结合生产发展的需要,提出几个作者认为是可以值得深入探索的研究课题供大家研讨。

  1 华南海岸及港口泥沙问题研究的发展阶段

  华南较早开展泥沙研究的港口是广东省的镇海港和湛江港,以后陆续进行研究的主要港口还有北海港、三亚港、汕头港、海口港、天尾港、洋浦港、湛江港、黄埔港、防城港和铁山港等。此外,有关单位还组织进行了与泥沙问题有关的海岸和港口的普查工作。因此研究包括了除台湾外的几乎整个华南海岸及其主要港口和港湾,研究区域既有陆上,也有水下,即包括了整个海岸带的范围。研究需要解决的主要生产问题是:港址选择、航道选线、拦门沙开挖的可能性、码头前沿和航道回淤预测、防波突堤和防沙堤延伸的长度及方向、抛泥区选择等。涉及海岸与港口的泥沙问题有:泥沙来源、河口和港湾及海岸演变规律、浅滩或拦门沙的成因及发展趋势、波浪作用下沿岸泥沙运动(活动带)的范围及强度(如沿岸输沙率)、潮汐通道(tidal inlet)的稳定性等。    

  回顾过去二十年内的研究工作,大致经历了下述三个发展阶段:

  1.1 早期的研究(1961 ~1966年)   

  这一时期先后开展泥沙问题研究的港口是镇海港、湛江港、北海港和三亚港。研究学科侧重于港湾的地质和动力地貌方面。应该说六十年代初期进行的最早两个港口的研究,由于研究的区域是两个巨大的溺谷型港湾,泥沙来源及动力条件均较复杂,加以当时经验不足和水平所限,取得的成效尚不够显着。北海港和三亚港的研究对象是砂坝—舄湖海岸,南京大学对这两地区的海岸动态和形态作了较详细的分析,认为两地区沿岸无较大的泥沙流,港池及航道开挖后不致发生严重回淤。结果证明这一结论与实际情况相符。

  1.2 中期的研究(1967 ~1975年)    

  包括汕头港早期以及黄埔港、天尾港、海口港、洋浦港、湛江港调顺岛地区和广西北海港(包括南湾渔港)后期所做的工作。这期间,周总理提出三年改变港口面貌的号召起了很大推动作用。主要研究对象有水下涨、落潮冲刷槽(如黄埔港、洋浦港、汕头港)、水下浅滩(如黄埔港莲花山浅滩)或拦门沙(如汕头港)。进行了较大量的现场水文、泥沙测验和海底沉积的采样分析工作。以动力地貌方向为主,动力、沉积与地形演变分析三结合的研究方法在上述港口研究中取得了较好的效果。如黄埔港莲花山浅滩的研究,在充分认识和弄清楚浅滩地段涨、落潮水流运动过程和水流结构的基础上,通过浅滩泥沙组成和分布规律的分析,对该地段的河床东、西浅滩和涨、落潮冲刷槽的成因、泥沙来源和演变规律得出了明确的结论。这期间,许多港口(北海港、天尾港)使用了沉积物重矿物(特别是特征重矿物)组成和分布规律的分析方法,其展示的图件生动地指明瞭潮下浅滩的泥沙来源和运动趋向。1975年南京大学在汕头港的研究中,通过对拦门沙沉积的钻探取样及其沉积物组成成份、重矿物与粘土矿物特征和微量元素的分析,认为该港外拦江沙是古海岸水下沙坝与现代潮汐汊道冲出体的组合[1]。可见,这时期的工作还以沉积学和动力沉积学的研究见长。    

  1.3 近期的研究(1976年以后)    

  以铁山港、防城港和汕头港最近(1981年)的研究为代表。其特点是力图通过海浪和潮流输沙的计算,对拦门沙或航道的回淤作出数量的估计。如天津大学(1979年)对铁山港的研究得出该港沿岸输沙主要是由西向东,年输沙量(包括悬移质和推移质)16~2l×104m3。科学院海洋研究所等单位1978年完成的《防城港“拦门沙”航道试挖前后冲淤状况的调查研究报告》是一篇有价值的成果。该报告不但用波能输沙公式(采用综合式)对拦门沙地段的海浪纵向输沙进行计算,用能流法(能流—泥沙连续方程)和剪应力—推移质输沙公式对拦门沙地段海、潮流横向输沙进行计算,因而得出了拦门沙试挖前后一年内冲淤变化的数量概念并对进一步浚深到-7m后的冲淤状况作出了估计;而且在地貌、沉积方面的研究分析也颇为详尽。汕头港外拦江沙最近的研究,亦着重对外拦江沙的波浪沿岸输沙量及海、潮流横向输沙量进行估算,并根据Bruun对各类潮汐通道稳定性的分析,首次对汕头湾潮汐通道的稳定性问题进行了具体的分析、估算与讨论,对该港外拦江沙的成因与淤积问题提出了若干新见解。

  以上所述可以看出,华南海岸及港口泥沙问题的研究经历了一个逐步发展的过程,即由经验不足到比较成熟;研究单位和学科由少到多,不同专业、不同方向的研究有逐步互相配合的趋势;研究手段由简单到比较多样化;研究成果逐步由定性向定量或半定量发展。总之,水平在不断提高。可以说,各时期的研究成果基本上解决了那个时期生产上提出的问题。海岸及港口泥沙问题的研究有力地促进了港口建设的发展。

  2 问题与讨论

  二十年来华南海岸及港口泥沙问题的研究确实取得了不少的成绩,但也暴露了一些问题有待今后认真地加以解决。作者感到,至少有下面两个问题是存在和需要改进的。

  1)不同学科、不同方向的研究相互协作和配合还不够,这就难免影响到研究成果的完整性和准确性;    

  2)生产观点是有了,但专题研究和基本理论的研究较少,这就不利于泥沙研究取得更大进展。   

  后一问题的产生与一定的时代背景和历史条件有关,相信今后不难克服和纠正。事实上,最近见到的若干研究成果,如关于华南潮汐汊道或通道类型研究,防城港拦门沙冲淤规律研究[3]和防城湾沉积过程及不同沉积环境下的粒度分布特征研究[3]等,已在改变这种状况方面作出了贡献。至于前一个问题,则不是每一个人都已注意和明嘹到的。作者在参加华南港口研究过程中,对这一问题略有感受。现以汕头港外拦江沙的研究为例作一些讨论。

  汕头港外拦江沙的成因、泥沙来源以及航道开挖可能性和航道泥沙回淤问题,历来很为人们所关注。前后主要经历了三次规模较大的研究工作。这三次研究一次比一次深入,但结论却不同。如1968年南京大学和中山大学第一次研究认为:外拦江沙南半部分的泥沙主要是波浪冲蚀附近基岩海岸和岛屿的物质供给,北半部分的泥沙来自新津溪和西溪(主要是新津溪)入海泥沙,因此外拦江沙主要是新津溪提供的泥沙并随待狎金浅滩的淤涨和南移而发展的;外拦江沙的生成是由北岸的来沙与南、北航道(即鹿屿水道和妈屿水道)落潮流冲刷能力动力平衡的结果。第二次1975年南京大学研究认为:外拦江沙是古海岸砂坝与潮汐汊道冲出体的组合,主要由砾砂及部分粉砂、粘土构成,砾砂是早期残留堆积,粘土和粉砂来自韩江及汕头湾,外拦江沙是稳定的,且流速大,开挖后不致造成严重淤积。第三次1981年科学院海洋研究所等研究则认为:外拦江沙是汕头湾现代落潮三角洲与新津溪河口三角洲叠加而成;新津溪输出泥沙在潮流和波浪作用下,由东北向西南运移,年平均输沙量约50×104m3,从而使外拦江沙不断扩大外移;外拦江沙地区表层流速虽较大,但底层流速小,底切应力亦小;通道稳定性分析表明,外拦江沙段属较差类型,需要经常疏浚和采取其他工程措施,以提高其底应力,才能维持一定的水深。    

  应当如何看待上述三次研究的不同结论,是一个值得审慎研究和讨论的问题。这里仅对第二、三次研究的主要得失方面作一些初步评述:    

  1)第二次研究偏重在沉积学方面,强调外拦江沙主要是历史过程的产物,而对偏东向波浪作用下沿岸输沙导致外拦江沙迅速扩大的重要性有所忽视。        

  2)第三次研究虽提到大约-5.5m以下普遍存在的砂砾层,却未作特别的讨论;该次研究主要着眼于现代泥沙运动过程的分析,获取的不少资料(包括沉积物粒度特征和重矿物分布特征)证明,在目前条件下,待狎金浅滩的极细砂在偏东向波浪作用下确实已越过外拦江沙向西漂移和造成了外拦江沙的淤积扩大。然而若干迹象表明这个过程主要是七十年代中、后期才急剧发展和恶化的。如这次研究所指出,汕头湾大规模的海滩围垦在六十年代和七十年代初达到高潮,至1979年由于海滩围垦使海湾纳潮量减少了43%。大约就是由于这个动力因子的巨大变化导致来自待狎金浅滩的沿岸漂沙近期内迅速向外拦江沙运动和发展。汕头港前景的可叹,其原因亦可能在此!

  所以作者认为,汕头港外拦江沙的形成和发展,似应包括历史过程和现代过程两方面。而第二、三次研究对这两方面情况的分析则各有扬弃;它们所得的结论,不一定都是相互矛盾的,相反,在不少方面可以相得益彰和互相补充。    

  以上实例说明,不同学科、不同方向的研究相互协作和配合是十分必要的。越来越多的部门从不同方向进行泥沙研究,它们互相渗透和互相促进,这是国内(如我国天津新港和连云港回淤研究)国外泥沙运动研究的一个共同特点;各门学科都有其独特的传统、风格和研究手段,又从不同的角度为泥沙研究开辟了道路[4]。因此,今后华南海岸及港口泥沙研究应继续努力幷力求做到:不同学科和不同方向的研究相互结合;定性与定量研究相互结合;宏观与微观研究相互结合;现代过程与历史过程研究相互结合(一般以研究现代过程为主)。   

  3 研究展望

  展望今后华南海岸及港口泥沙问题的研究,前景是十分广阔的。各个学科,不论是海岸动力学,或者海岸沉积学和海岸地貌学以及海岸工程学(以上“海岸”都包括河口),都可结合海岸泥沙问题的研究在自己的学科领域里做出成绩,以促进本门学科的发展和完善。各学科进行专题研究的题材是很广泛的。这里难以一一列举。但是,如果从华南海岸这一特定的区域范围或角度看问题,要真正把本区海岸及港口的泥沙问题弄清楚,必须系统地开展下列问题的研究。   

  3.1 砂坝—舄湖(或海湾)—潮汐通道体系的研究    

  华南海岸潮差较小。按Davies(1964)[5]的分类标准,大部分海岸地段属弱潮海岸,仅北部湾北部的部分岸段属中等潮海岸。与世界上同类海岸一样,华南弱潮—中等潮海岸的地形亦以砂坝—舄湖(或海湾)广泛发育为主要特征。据初略统计,包括台湾西南岸段在内的整个华南海岸,与砂坝或砂坝岛(Barrier Islands)的发育有关的港湾不少于60余个。前述已经开展泥沙研究的港口或港湾大都可包括在内。因此华南海岸是我国“砂坝—舄湖(或海湾)”海岸发育最典型、最集中的地区。系统地研究这种海岸的形成及演变,不但对认识和解决华南港口的泥沙问题具有实际的指导作用,而且在涉及这类海岸和港口开发的一系列问题上以及在理论上都有重要的意义。这类海岸的基本特点是,砂坝、舄湖(或海湾)、潮汐通道和通道口内外的拦门沙(即涨潮三角洲和落潮三角洲)等主要地形单元或要素组成了一个不可分割的体系。在这个体系内,各要素之间互相依存和相互影响。研究工作必须在充分认识上述各要素的基础上,进一步对各要素间的相互关系和整个体系进行综合分析。因此,首先开展对与各基本要素有关的下列专题的研究:   

  (1)海岸砂体(主要是barriers或barrier islands)的研究:包括海岸砂体的类型、泥沙来源、物质组成和沉积结构、砂体形成发展的过程与历史。国外有关这方面问题的研究成果是很多的[6~10]。但华南的砂坝—舄湖(或海湾)海岸除了与国外某些地区(如美国大西洋沿岸、墨西哥沿岸、澳大利亚新南威尔士)的同类海岸有许多相同之处外,还颇具自己的特色。我们在学习、借鉴国外经验的同时,要根据本国这类海岸的特点,有所新的发现和认识。可以期望,通过不断的努力,定能总结出适合我国实际情况的砂坝形成发展的理论。   

  (2)拦门沙研究: 华南河口及港湾与通道有关的拦门沙的形式和内容是丰富多彩的,砂质的(如防城港)、泥质的(如镇海港)、涨潮三角洲式的(如考洲洋)、落潮三角洲式的(如汕头港、水东港)等各式各样的拦门沙都有。应通过专题研究,系统地查明各种拦门沙的成因、组成、结构和演变趋势,并进行分类。国外这方面的研究工作大多由地质、地貌学家进行。我们相信,我国的地质、地貌工作者与海岸动力学和泥沙工程学的科学工作者通力合作,互相促进,一定能在拦门沙的研究上取得较大的成绩。    

  (3)潮汐通道的研究:砂坝—舄湖 (或海湾)海岸的海口都发育一条(甚至二至三条)狭长的、由潮汐作用所维持的水道使舄湖或海湾与外海相连通,称潮汐通道。国外有关潮汐通道的研究成果很多。对潮汐通道类型也有许多不同的划分方法。如有的根据通道口两侧砂坝的形态和类型进行划分;有的根据潮汐与波浪力量的相对强弱,即所谓潮棱柱能对波能的比率(称为“封闭系数”)并结合考虑通道及其口内外堆积砂体的特点进行划分[11];以及众所周知的由港工学家所倡导的根据通道水力条件与沿岸输沙量的比率来确定、判别通道稳定性类型的方法[12]等。如前指出,最近国内已有人探索对华南海岸及港口的潮汐通道类型进行分类,有的则具体结合汕头港的研究,对该港鹿屿水道、妈屿水道和外拦江沙等通道的稳定性进行判别,这些都是良好的开端。今后有必要进一步扩大研究范围,在众多港湾通道特性及其稳定性研究的基础上,以点带面,总结出整个华南海岸港湾潮汐通道形成演变的规律,这对指导港口开发和建设,是有很大意义的。 

  3.2 河口入海悬浮泥沙运动规律的研究   

  华南海岸与泥沙的另一个重要问题,即不少河流的入海悬浮泥沙常常向某一主要方向运行并对沿岸及港口的淤积发生影响。例如珠江入海泥沙主要向西运行使镇海港口口门淤浅,广海渔港更接近淤废;韩江入海的细粒泥沙经多次周折,向西运行,大部分被涨潮流带入汕头湾,造成了湾内潮间带及潮下淤泥浅滩的发育,直接威胁着汕头港的生存;其他如漠阳江、鉴江和南渡江入海的悬浮泥沙也主要向西运行,分别对海陵山港、湛江港和秀英港的淤积发生影响;广西南流江入海悬浮泥沙则向东南运移影响北海港。当然,这些入海泥沙西行或东行的现象,主要的不是由柯氏力作用所致,而是由近岸海流、补偿流、波浪和潮流等海洋动力因素决定的,在国外,Gibbs(1976年)[13]曾对亚马逊河入海悬浮物质的运动及分布进行了较详细的研究。我国近来也有较多的人[14、15、16]开展了长江入海悬浮泥沙扩散和运动问题的研究讨论。而在华南,这方面的研究基本上还是空白,上述各河流入海泥沙在各季节、各潮次搬运、沉积、起动、再搬运、再沉积等具体运动的细节都不够清楚,今后还须进一步加强这方面的观测和调查。   

  3.3 黄埔港入海通道狮子洋—虎门—伶仃洋演变的研究    

  黄埔港是华南最大的港口,目前吞吐量及船舶吨位不断增加,珠海、深圳特区的建设以及珠江口盆地石油资源的开发都大大推动了狮子洋—虎门—伶仃洋沿岸港口及航道的建设和发展。因此,进一步加强黄埔港入海通道(特别是碍航浅滩地段)的研究,已成当务之急。七十年代中期进行的莲花山浅滩研究和伶仃洋研究,比较注重现代过程的分析研究,今后还应进一步加强(特别是细颗粒泥沙运动规律方面)。但仅如此是不够的。越来越多的现象表明,黄埔港入海通道(尤其是虎门内外的主要浅滩)的研究,必须建立通道的观点,加深对虎门内外两大“洋”演变模式的研究。只有这样才能有效地把入海通道上各个浅滩的成因和泥沙来源查清,从而为港口的进一步开发提供科学依据。    

  总的来说,华南海岸及港口泥沙问题的研究前景是良好的,目标是明确的,任务是艰巨的,只要我们付出努力就一定能取得更大的成绩。以上之见,仅是作者的一些初步想法,不妥之处,请予指正。

  

  参考文献:

  [1] 朱大奎, 1981.汕头湾海岸地貌与港口建港问题,中国地理学会一九七七年地貌学术讨论会文集,科学出版社.

  [2] 尤芳湖等, 1980.防城港“拦门沙”航道泥沙冲淤变化规律的研究,海洋科学,第1期.

  [3] 李凡等, 1982.防城湾沉积过程及不同沉积环境下的粒度分布特征,海洋与湖沼,第2期.

  [4]钱宁, 1979.国外泥沙运动、河床演变研究动向及发展我国这方面研究工作的几点建议,水利水电技术,第2期.   

  [5] Davies, J.L.A 1964.Morphogenetic Approach to World Shorelines. Z.Geomorphol.8, 27~42.

  [6] Blatt, H, et a1.,1980. Origin of Sedimentary Rocks, Second Edition, Prentice. Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jerse.

  [7] Cronin, L.E.(ed.), 1975.Estuarine Research, New York, Academic Press,V.11.

  [8] Davis, R.A.(ed.), 1978.Coastal Sedimentary Environments, Springer—Verlag, New York Inc.

  [9] Elliott, T., 1978.Clastic Shorelines, In Sedimentary Environments and Facies, Reading, H.G.(ed.),143~168.

  [10]Reienck,H.E and Singh,I.B., 1980.Depositional Sedimentary Environments,Second,Revised and Updated Edition, Springer—Verlag Berlin Heidelberg New York,340~345.

  [11]Hubbard,D.K.et a1., 1979.The role of Waves and Tidal Currents in the Development of Tidal inlet sedimentary Structures and Sand Body Geometry:Examples from North Carolina, South Caroloina, and Georgia, J.Sed.Petro.49 (4): 1073~1092.

  [12] Bruun,P. 1973.Port Engineering, Gulf Publishing Company,Houston,Texas.

  [13] Gibbs,R.J.,1976.Distribution and transport of suspended particulate material of the Amazon River in the Ocean.In:Miley M.Estuarine Processes.Vol Ⅱ.Academic Press,35~47.

  [14] 恽益民, 1981.东海悬浮泥沙研究,海洋实践,第l期.

  [15] 恽才兴等, 1981.利用卫星象片分析长江入海悬浮泥沙扩散问题,海洋与湖沼,第5期.

  [16] 蔡爱智, 1981.长江入海泥沙的扩散,海洋学报,第l期.

  原载:海洋工程,1983,(2):5~10.
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