籠式泥沙捕獲器的研制與實測應用

王偉偉馬恭博程 林袁 蕾王傳珺

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連116023;2.河北省科學院 地理科學研究所,河北 石家莊050021)

籠式泥沙捕獲器的研制與實測應用

王偉偉1,馬恭博1,程 林2,袁 蕾1,王傳珺1

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連116023;2.河北省科學院 地理科學研究所,河北 石家莊050021)

為了有效地觀測岸灘泥沙在距離底床不同高度和不同方向的運移特征,本文作者研制了籠式泥沙捕獲器,并在遼東灣白沙灣海岸進行了實測,取得了較好的觀測結果。觀測結果表明,近底床泥沙輸運大量發(fā)生于距離45 cm的高度范圍內,而距離底床100 cm的泥沙運移量極少。隨著距離底床高度的增加,泥沙的平均粒徑呈由大到小的變化規(guī)律,泥沙中砂的質量分數呈由大到小的變化規(guī)律,黏土的質量分數呈由小到大的變化規(guī)律,但是在不同的方向上,泥沙平均粒徑和物質組成等粒度參數均沒有表現出明顯的規(guī)律。實測結果表明籠式泥沙捕獲器不僅可以同步觀測多個方向的泥沙運移,而且可以同步觀測不同層位的泥沙運移,對于分析近底床邊界層泥沙的垂向結構有一定的應用價值。

泥沙捕獲器;泥沙運移;邊界層

進入21世紀,隨著海平面上升、人為活動加劇和入海泥沙的減少,我國沿海海岸侵蝕問題日益嚴重,已經威脅到沿海居民的正常生產和生活。海岸帶承載了沿海地區(qū)重要的臨海工業(yè)、港口航運業(yè)和濱海旅游業(yè)等海洋產業(yè),其穩(wěn)定性和安全性受到日益關注[1-2]。近年來,海岸工作者們針對海岸穩(wěn)定性[3-4]、海岸演變[5]開展了大量的工作。由于海岸泥沙活動規(guī)律決定了海岸平衡狀態(tài),為了進一步探尋近岸泥沙輸運過程,諸多科技工作者在廣泛的實驗室數據和現場觀測資料的基礎上,建立了多種數值模式反映近岸帶輸沙過程,并對輸沙量進行估算[6-8]。然而,現有數學模型的計算結果往往和現場觀測的輸沙情況存在一定程度的差異[9]。基于綜合反映岸灘推移質和懸移質泥沙的垂向特征,彌補現有的工作不足,印萍等[9]開展了旌式泥沙捕獲器的研制,并利用泥沙捕獲器在秦皇島海灘進行了觀測,介紹了沖流帶和破波帶泥沙通量的分布特點以及泥沙的橫向和縱向運移規(guī)律。本文作者在印萍等人設計的泥沙捕獲器的基礎上,對泥沙捕獲器進行了一定程度上的改進,研制了籠式泥沙捕獲器,并在遼東灣東岸的白沙灣沙質海岸進行了岸灘近底床泥沙的觀測應用。

1 籠式泥沙捕獲器的介紹

籠式泥沙捕獲器是在旌式泥沙捕獲器的基礎上進行改進和完善的。旌式泥沙捕獲器由金屬支架、網架和篩網三個部分組成[9],可以同步觀測2個方向的泥沙運移特征,現場觀測時需要借助人力穩(wěn)定泥沙捕獲器。

籠式泥沙捕獲器由網架、篩網和支架組成(圖1)。網架包括5層格架,每層格架由8個梯形格架組成,格架由不銹鋼管架焊接而成,格架頂角角度為45°,主要是方便測量不同方向的泥沙通量,垂向相鄰的網架采用固定U形卡環(huán)固定,網架的垂向開口高為20 cm,寬30 cm。篩網由孔徑為0.063 mm的尼龍篩網制成,網口固定在格架上,篩網的尾部固定在網架下部的鋼管上,確保篩網尾部高度低于入口,以防止進入篩網的泥沙流失。支架由斜拉支架和穩(wěn)定裝置組成,其中斜拉支架包括4根主支撐鋼管和4個輔助支撐鋼管,穩(wěn)定裝置包括4塊圓形鋼板和8根圓鋼組成,主要的作用是增加泥沙捕獲器的穩(wěn)定性。

(王佳實 編輯)

圖1 籠式泥沙捕獲器結構Fig.1 Structure of the cage-shaped sediment trap

相對于旌式泥沙捕獲器來說,籠式泥沙捕獲器在泥沙捕獲方向和儀器穩(wěn)定性做了改進,改進后的捕獲器,可以同步觀測5個層位,8個方向的泥沙運移特征,而且因為不需要借助外力,可以滿足較長時間的泥沙觀測需要。

2 現場應用與觀測

2013-11-28,籠式泥沙捕獲器投放在遼東灣東岸白沙灣潮間帶中部(圖2和圖3),研究期間,水深變化范圍介于0～2.5 m,有效波高最高達0.3 m,海流流速最高達0.32 cm·s-1。2013-12-08,進行了儀器的回收,獲取了連續(xù)10 d的泥沙觀測數據。

圖2 籠式泥沙捕獲器投放位置Fig.2 Deploying position of the cage-shaped sediment trap

圖3 籠式泥沙捕獲器投放Fig.3 Deployment of the cage-shaped sediment trap

數據采集前對篩網進行統(tǒng)一編號,編號方式為“層編號-方向編號”。儀器投放完成后,記錄儀器放置時間,坐標位置和方位,以編號為“1-1”的篩網和格架放置與正北方最底層,方向編號按順時針增加,層位編號由低至高增加。

籠式捕沙器共獲得沉積物有效樣品34個,6個樣品由于固定格架的U型器不牢固而丟失。獲取的樣品在實驗室內完成粒度分析和干重測定,粒度分析采用激光粒度儀。

3 結果分析

3.1 沉積物粒度特征

沉積物粒度分析結果見表1,岸灘底邊界層內的泥沙平均粒徑介于1.99～3.40φ,主要沉積物類型為細砂,其中,中砂1站(1-4#),極細砂2站(3-7#,3-8#)。沉積物砂質量分數介于77.48%～99.03%,粉砂質量分數介于0.87%～18.98%,黏土質量分數皆小于4%。

表1 沉積物粒度參數統(tǒng)計表Table 1 Grain size parameters of the sediments

隨著距離底床高度的增加,捕獲的泥沙平均粒徑在垂向上基本呈現由大到小的規(guī)律,而且在距離底床5～25 cm的邊界層底部范圍內,平均粒徑小于2.5φ,在距離底床25 cm以上的邊界層范圍內,泥沙平均變化較小,介于2.5～3.4φ(圖4)。

隨著距離底床高度的增加,泥沙中砂的質量分數在垂向上基本呈現由大到小的規(guī)律,在距離底床高度5～85 cm的范圍內,砂的質量分數基本高于96%,而在距離底床85～145 cm的范圍內砂的質量分數基本小于95%,最小為77.5%(圖5)。

圖4 近底床不同高度的泥沙平均粒徑Fig.4 The mean grain size of the sediment trapped in different height from the seabed

圖5 近底床不同高度的泥沙中砂的質量分數Fig.5 The percentage of sand among the sediment trapped in different height from the seabed

隨著距離底床高度的增加,泥沙中黏土質量分數呈由小到大的規(guī)律,與砂質量分數的變化規(guī)律呈負相關關系。在距離底床高度5～85 cm的范圍內,黏土的質量分數分數基本小于0.9%,而在距離底床85～145 cm的范圍內黏土的質量分數分數逐漸增多,最高為10.5%(圖6)。

3.2 沉積物輸運

泥沙運移主要發(fā)生在距離底床高度5～45 cm(1,2層)的邊界層底部區(qū)域。距離底床高度5～25 cm(1層),泥沙捕獲量介于162.5～582.0 g·d-1;距離底床高度35～55 cm(2層),介于4.5～578.0 g·d-1;距離底床高度65～85 cm(3層),介于0.2～55.0 g·d-1;距離底床高度95～115 cm(4層),介于2.5～10.5 g·d-1;距離底床高度125～145 cm(5層),介于1.38～12.5 g·d-1(圖7)。

圖6 近底床不同高度的泥沙中黏土的質量分數Fig.6 The percentage of clay among the sediment trapped in different height from the seabed

圖7 近底床不同高度的泥沙質量分布Fig.7 The weight distributions of the sediments trapped at different heights from the seabed

白沙灣海岸走向為SW—NE,海岸來沙方向主要為SW,W,NW,N和NE,而泥沙回流方向為E,SE和S。研究期間距離底床高度在15 cm(1層),單位面積日凈輸沙10.45 kg·(m·d)-1;距離底床高度45 cm(2層),單位面積日凈輸沙12.68 kg·(m·d)-1;距離底床高度75 cm(3層);單位面積日凈輸沙-0.17 kg·(m·d)-1;距離底床高度105 cm(4層),單位面積日凈輸沙0.27 kg·(m·d)-1;距離底床高度135 cm(5層),單位面積日凈輸沙0.16 kg·(m·d)-1。觀測期間海區(qū)風向多為NE,E和SE向,基本與補沙器觀測的泥沙運移方向一致[10]。

按照不同方向分別累計捕獲泥沙量,繪制日均泥沙運移特征圖,發(fā)現研究期間主要來沙方向為N和NE,近底床邊界層內單位面積日均向岸輸沙量為42.79 kg·(m·d)-1,主要的泥沙回流方向為SE和E,單位面積日均離岸輸沙量為19.39 kg·(m·d)-1(圖8)。

捕獲的泥沙多為細砂,沉積物平均粒徑的分布與泥沙運移方向之間沒有表現出明顯的規(guī)律,各向的沉積物平均粒徑介于2.4～2.7φ。N和NE來砂方向沉積物粒徑較粗,分別為2.42和2.48φ,NW和W沉積物粒徑相對較細,分別為2.61和2.63φ(圖9)。

圖8 不同方向的泥沙日均輸運(kg·(m·d)-1)特征Fig.8 The characteristics of daily sediment(kg·(m·d)-1)transportation

圖9 不同方向的泥沙平均粒徑(φ)分布特征Fig.9 The grain sizes distribution of the sediment(φ)near the seabed

4 結 論

底邊界層泥沙觀測一直是海岸工作研究的重點,為了有效觀測岸灘近底床泥沙的運移特征,本文作者研制了籠式泥沙捕獲器,并進行了實測?；\式泥沙捕獲器改進了已有的泥沙捕獲器的不足,不但可以同步捕獲N,NE,E,SE,S,SW,W和NW八個方向的泥沙,而且可以同步捕獲5個層位(15～135 cm)的近底床泥沙,在岸灘邊界層泥沙的觀測中,具有經濟、實用的優(yōu)勢。

籠式泥沙捕獲器應用在遼東灣東岸白沙灣海岸,取得了較好的觀測效果,得出以下幾點結論：1)隨著距離底床高度的增加,泥沙中砂質量分數與黏土質量分數的變化規(guī)律呈負相關關系,砂的質量分數在垂向上基本呈現由大到小的規(guī)律,而黏土質量分數呈由小到大的規(guī)律;2)泥沙運移量主要發(fā)生在近底床高度45 cm以內;3)觀測期間,白沙灣海岸N和NE向泥沙向岸運移趨勢較強,單位面積日均向岸輸沙量為42.79 kg·(m·d)-1,單位面積日均離岸輸沙量為19.39 kg·(m·d)-1;4)近底床泥沙多為細砂,隨著距離底床高度的增加,泥沙平均粒徑呈變小的趨勢,但在與泥沙輸運方向沒有表現出明顯的規(guī)律。

致謝：國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心王玉廣、張利民、馬長敏等參加了外業(yè)工作,方海超完成了室內測試分析工作。

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Abstract：For observing effectively the shoal sediment migration at different height from the seabed and in different direction,a cage-shaped sediment trap has been developed and then used for measuring the shoal sediment migration in the Baisha Bay of the Liaodong Bay.The results from the observation show that the sediment transportation near the seabed occurs mostly in the range of 45 cm above the seabed,whereas at the height of 100 cm from the seabed the amount of sediment transportation is precious little.With the increase of height from the seabed,the mean grain size of the sediment changes from large to small,the sand content in the sediment changes from high to low and the clay content changes from low to high.In different directions,however,no obvious change law has been observed both in the mean grain size and in the compositions of the sediment.The measured results have indicated that the cage-shaped sediment trap can be used not only for the simultaneous observation of sediment migration in multiple directions,but also for the simultaneous observation of sediment migration at different horizons.The successful application of the trap has certain application value for the analysis of sediment structures at the seabed boundary layer.

Key words：cage-shaped sediment trap;sediment transportation;boundary layer

Received：February 21,2017

Development and Application of Cage-Shaped Sediment Trap

WANG Wei-wei1,MA Gong-bo1,CHENG Lin2,YUAN Lei1,WANG Chuan-jun1
(1.Nantional Marine Environment Monitoring Center,Dalian 116023,China;2.Institute of Geographic Science,Hebei Academy of Science,Shijiazhuang 050021,China)

P736.22

A

1002-3682(2017)03-0051-07

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.007

2017-02-21

國家自然科學基金項目——侵蝕沙質海岸演變過程中的岸灘泥沙通量研究(41306043);全國海岸侵蝕災害監(jiān)測與評價業(yè)務化項目

王偉偉(1979-),男,副研究員,博士,主要從事海岸帶環(huán)境地質災害和海岸動力地貌學研究.E-mail：wwwang@nmemc.org.cn