長(zhǎng)江口北槽沉積物的粒度特征和輸運(yùn)趨勢(shì)探討

謝火艷，王如生，張國(guó)安，李占海（.黔南民族師范學(xué)院，貴州·都勻 558000；.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江·杭州 00；.華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 0006）

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長(zhǎng)江口北槽沉積物的粒度特征和輸運(yùn)趨勢(shì)探討

謝火艷1，王如生2，張國(guó)安3*，李占海3
（1.黔南民族師范學(xué)院，貴州·都勻 558000；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江·杭州 310012；3.華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

摘 要：基于長(zhǎng)江口北槽沉積物樣品的粒度分析結(jié)果，使用粒徑趨勢(shì)分析法，研究了北槽底質(zhì)沉積物的分布特征和輸運(yùn)趨勢(shì)。結(jié)果表明：北槽表層沉積物總體較細(xì)，沉積物組分以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主。北槽底床沉積物的總體分選性較差，偏態(tài)系數(shù)則處于極正偏和近對(duì)稱(chēng)之間；峰度系數(shù)小于1.8，為低峰態(tài)，頻率曲線(xiàn)比較平緩。北槽深槽表層沉積物為雙向輸運(yùn)，在低能環(huán)境下向陸搬運(yùn)，在高能環(huán)境下向海搬運(yùn)；北槽南邊坡與深槽類(lèi)似，而北槽北邊坡表現(xiàn)為向陸搬運(yùn)。在北槽深槽和南、北邊坡出現(xiàn)輸運(yùn)差異，與它們所處的環(huán)境密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江口；北槽；沉積物；粒徑特征；運(yùn)移模式

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長(zhǎng)江河口北槽深水航道一、二、三期工程分別于2001、2005和2011年竣工，航道水深分別浚深為8.5m、10m 和12.5m［1，2］，高強(qiáng)度的工程建設(shè)改變了北槽的水沙環(huán)境。工程前后許多學(xué)者基于實(shí)測(cè)資料和數(shù)學(xué)物理模型對(duì)北槽進(jìn)行了大量的研究［3～12］，但是專(zhuān)門(mén)關(guān)于北槽深水航道走航斷面沉積物粒度坡槽差異特征和趨勢(shì)分析的報(bào)道較少。

粒度特征是沉積物的重要屬性，而粒度參數(shù)是粒度特征的主要表現(xiàn)形式，也是其最直接的反映，沉積物粒度特征受到水動(dòng)力、泥沙來(lái)源變化和人為活動(dòng)等因素的影響［13，14］。研究一個(gè)區(qū)域的沉積物粒度分布特征的變化情況，可以反映該區(qū)域的水動(dòng)力條件特點(diǎn)，沉積物的運(yùn)移趨勢(shì)和泥沙供給條件的變化。本文利用實(shí)測(cè)資料，分析北槽表層沉積物的粒度分布特征及其輸運(yùn)趨勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

為研究北槽河床沉積物粒度分布特征，在北槽進(jìn)行了水文泥沙觀(guān)測(cè)，期間于2014年9月24日至10月5號(hào)在北槽區(qū)域選取了12個(gè)橫斷面，每個(gè)斷面選取5個(gè)點(diǎn)位，進(jìn)行河床表層沉積物采樣。采樣點(diǎn)分布在每個(gè)斷面深槽（1個(gè)）和南北側(cè)（各2個(gè)），共計(jì)60個(gè)。北槽入口段到入?？诙危ㄓ申懴蚝＃┑臋M斷面序號(hào)依次為1～12斷面，每個(gè)斷面的采樣點(diǎn)編號(hào)如圖1所示。

在走航過(guò)程中利用GPS定位，利用采泥器采集河床表層0.5m的沉積物樣品，樣品盡量排水后保存在聚乙烯塑料袋中，重約200g。

沉積物樣品帶到實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行室內(nèi)粒徑分析，沉積物樣品置于編好號(hào)的燒杯中，加入約5ml濃度的稀鹽酸去除鈣質(zhì)物和生物貝殼，浸泡2h后，把燒杯加滿(mǎn)水，反復(fù)洗酸至中性。此外還要在燒杯中滴加雙氧水去除有機(jī)質(zhì)；還要加入六偏磷酸鈉溶液，之后用超聲波震蕩10分鐘左右，使樣品處于顆粒狀態(tài)。將適量樣品倒進(jìn)英國(guó)Malvern公司產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒徑儀中測(cè)量樣品粒徑（粒徑范圍0.01～2000μm）。

得到每個(gè)樣品的原始數(shù)據(jù)后通過(guò)Mastersizer2000型激光儀器自帶的軟件進(jìn)行粒徑分級(jí)，得到各級(jí)粒徑的頻率和相對(duì)頻率，此后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，獲得每一個(gè)樣品的粒徑分布和參數(shù)信息（平均粒徑，中值粒徑，分選系數(shù)、偏度和峰態(tài)）。

圖1　長(zhǎng)江口北槽沉積物采樣點(diǎn)分布Fig.1 The sediment sampling distribution in the northern passage of the Yangtze river estuary

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒度特征分析

本文結(jié)合以往相關(guān)研究［15～21］，將北槽分為五段：入口段（斷面1～2）、上段（斷面3～4）、中段（斷面5～8）、下段（斷面9～10）、口外段（斷面11～12）。

（1）北槽沉積物組分和類(lèi)型

統(tǒng)計(jì)北槽底床表層沉積物粒徑結(jié)果表明（見(jiàn)表1）：沉積物粒徑大小平面分布不均，中值粒徑在5.91～184.15μm之間。Folk分類(lèi)是比較常用的方法，因此通過(guò)Folk分類(lèi)法對(duì)長(zhǎng)江口北槽底床表層60個(gè)沉積物樣品進(jìn)行分類(lèi)（圖2）。由圖2可以看出，北槽底床表層沉積物總體較細(xì)，主要為砂質(zhì)粉砂（28個(gè)）和粉砂（23個(gè)），此外還有粉砂質(zhì)砂（7個(gè)）、泥（1個(gè)）、砂（1個(gè)），共計(jì)5種類(lèi)型。此次與2012年北槽的沉積物分類(lèi)相比分類(lèi)變化不大［22］，多了一種類(lèi)型，即出現(xiàn)在入口段1號(hào)采樣點(diǎn)的樣品類(lèi)型為砂，由于以往很少出現(xiàn)，所以該點(diǎn)值得商榷。

北槽的表層沉積物中，以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，基本遍布北槽區(qū)域。北槽入口段和上斷面以及中斷面主要以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主；北槽下段斷面主要為粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂，有少量泥分布；北槽口外段沉積物主要分布類(lèi)型為粉砂。

圖2　長(zhǎng)江口北槽沉積物Folk分類(lèi)Fig.2 The sediment Folk classfcation triangle in the northern passage of the Yangtze river estuary

（2）北槽沉積物Folk粒徑參數(shù)特征

沉積物粒度參數(shù)特征是沉積物輸運(yùn)、沉積物物源特征的集中反映，被廣泛用于判斷沉積物環(huán)境類(lèi)型、沉積物的運(yùn)動(dòng)方式和指示水動(dòng)力的大小及其搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱。

北槽底床沉積物粒徑參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)）采用Folk和Ward公式進(jìn)行計(jì)算［13］，其采用?單位，之后再轉(zhuǎn)換為μm，具體計(jì)算公式為：

通過(guò)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)（表1），發(fā)現(xiàn)北槽底床表層沉積物粒度參數(shù)的總體特征為：沉積物顆粒總體較細(xì)，平均粒徑5.38～130.05μm，均值為23.85μm；中值粒徑在5.91～140.54μm之間，均值則為30.78μm，與2000年（25μm）［4］和2012年（23.34μm）［22］相比有少許粗化趨勢(shì)。

為進(jìn)行不同環(huán)境分選性的比較，F(xiàn)olk和Ward依據(jù)分選系數(shù)、偏態(tài)、峰度，將等級(jí)劃分成若干級(jí)別。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)北槽底床沉積物的總體分選性較差，介于差和較差之間；偏態(tài)系數(shù)則處于極正偏和近對(duì)稱(chēng)之間；峰度系數(shù)普遍較小，小于1.8，表現(xiàn)為低峰態(tài)，頻率曲線(xiàn)比較平緩。這些粒度參數(shù)和2012年相比基本一致，此次相對(duì)于2012年的粒徑有明顯粗化的趨勢(shì)，在今后研究中有待進(jìn)一步研究。

表1　長(zhǎng)江口北槽沉積物粒度參數(shù)和組分統(tǒng)計(jì)Table 1 The sediment grain size statistical parameters and components in the northern passage of the Yangtze river estuary

（續(xù)表1）

（3）北槽橫縱向粒度參數(shù)特征

為比較北槽斷面橫向和縱向粒度參數(shù)特征，繪制了北槽南北邊坡和深槽部位的粒度參數(shù)由陸向海的沿程斷面變化圖（圖3）。北邊坡選取的采樣點(diǎn)號(hào)為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60，南邊坡的點(diǎn)號(hào)為2、6、11、16、21、26、31、36、41、46、51、56，深槽選取每個(gè)斷面的中間采樣點(diǎn)。

圖3　長(zhǎng)江口北槽底床沉積物邊坡和深槽粒徑參數(shù)沿程變化Fig.3 The sediment grain size parameters variation along the river in the northern passage of the Yangtze river estuary

中值粒徑：橫向上，總體來(lái)看深槽和南邊坡要粗于北邊坡：南邊坡的中值粒徑介于9.41～140.54μm之間，均值為46.41μm；深槽中值粒徑介于5.91～123.67μm，均值為29.04μm；而北邊坡中值粒徑介于7.35～85.42μm，均值為23.91μm。中值粒徑的這種特征基本上和北槽水動(dòng)力強(qiáng)弱分布相一致。受到地球自轉(zhuǎn)偏向力的影響，深槽和深槽南側(cè)水動(dòng)力較強(qiáng)，所以其沉積物的中值粒徑也較粗，北邊坡則相對(duì)較細(xì)。在縱向上，南、北邊坡和深槽中值粒徑最大的部位有較大差異：南邊坡最大的中值粒徑出現(xiàn)在北槽上段和下段，沉積物顆粒表現(xiàn)為細(xì)—粗—細(xì)—粗—細(xì)的趨勢(shì)；而深槽最大中值粒徑出現(xiàn)在北槽中段，沉積物顆粒表現(xiàn)為細(xì)—粗—細(xì)的態(tài)勢(shì)；北邊坡最大中值粒徑出現(xiàn)在北槽下段，沉積物顆粒表現(xiàn)為細(xì)—粗趨勢(shì)。

分選系數(shù)：分選系數(shù)大就表示離散度大，分選性就差；分布集中，分選系數(shù)就小，分選性好。橫向上，南邊坡的分選系數(shù)介于0.9～2.19之間，均值為1.94；深槽的分選系數(shù)介于1.13～2.14之間，均值為1.75；北邊坡分選系數(shù)介于1.30～2.28之間，均值為1.88。這表明總體上北槽沉積物分選性較差。縱向上，沿程分選性變化不大，邊坡較深槽變化幅度要小。

偏態(tài)：南、北邊坡偏態(tài)沿程變化幅度較小，變化具有較好的一致性，趨勢(shì)基本相同?？傮w上，深槽、南、北邊坡為正偏，沉積物粒級(jí)曲線(xiàn)偏向較粗側(cè)。

峰態(tài)：北槽沉積物峰態(tài)值介于0.89～1.76之間，均值為1.11。如圖3所示，深槽和南邊坡的峰態(tài)較北邊坡要大，北邊坡沿程變化極小，深槽和南邊坡峰態(tài)變化較大區(qū)域主要在北槽上段和中段。

2.2 沉積物的運(yùn)移趨勢(shì)

由于長(zhǎng)江口北槽的水動(dòng)力主要為徑流和潮流，并且北槽底床沉積物顆粒較細(xì)，以黏性細(xì)顆粒泥沙為主，因此在長(zhǎng)江口北槽Gao-Collins二維沉積物輸運(yùn)模型并不適用，故在此考慮運(yùn)用McLaren與BoWles的一維泥沙輸運(yùn)模型來(lái)分析北槽底層沉積物的輸運(yùn)趨勢(shì)。

一維泥沙輸運(yùn)模型主要是基于泥沙粒徑的三個(gè)粒徑參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)參數(shù)）的空間差異性來(lái)確定泥沙輸運(yùn)方向的一種概率模型。該模型的基本原理為：泥沙來(lái)源唯一性和泥沙輸運(yùn)單向性；假設(shè)有n個(gè)樣品，那么沉積物運(yùn)輸方向有N=n（n-1）/2個(gè)有方向（正反向）的樣品對(duì)，對(duì)一對(duì)樣品對(duì)的平均粒徑（Dm）、分選系數(shù)（Sc）、偏態(tài)（Ssk）進(jìn)行比較，則會(huì)出現(xiàn)以下8種類(lèi)型的粒徑趨勢(shì)［23］：

Gao和Collins（1992）、McLaren（1985）提出，沉積物從一點(diǎn)輸移至另外一點(diǎn)，有兩種類(lèi)型的粒徑趨勢(shì)在沉積物輸移方向上有很高的出現(xiàn)概率：一是沉積物在輸運(yùn)過(guò)程中分選性變好（B）、粒徑變細(xì)（F）并且更加負(fù)偏（-），定義為事件B，也表示在搬運(yùn)過(guò)程中能力逐漸變?nèi)?，為低能搬運(yùn)轉(zhuǎn)換過(guò)程；二是沉積物在輸移方向分選變好（B）、粒徑變粗（C）且更加正偏（+），定義為事件C，也表示為高能搬運(yùn)轉(zhuǎn)換過(guò)程，即泥沙顆粒變粗，分選更好也更加正偏。滿(mǎn)足上面兩種情形的一種，即可表示泥沙輸移趨勢(shì)。

根據(jù)北槽沉積物采樣點(diǎn)的位置，采用一維沉積物輸運(yùn)模型分析北槽深槽和其南、北邊坡的表層沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)。北槽北邊坡選取最靠近北導(dǎo)堤的采樣點(diǎn)（斷面號(hào)為n，采樣點(diǎn)H=5n，1≤n≤12），深槽選取每個(gè)斷面在航槽中間深槽的采樣點(diǎn)（第12個(gè)斷面取點(diǎn)58），南邊坡取每個(gè)斷面最靠近南導(dǎo)堤的采樣點(diǎn)。這樣，在北槽和南、北邊坡各選了12個(gè)樣品點(diǎn)。根據(jù)前述可知，沉積物趨勢(shì)偏東和趨勢(shì)偏西方向上各有66個(gè)樣品對(duì)。

由概率模型計(jì)算結(jié)果（表2）可知：在北槽北邊坡沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)傾向于偏西（Z=5.86），向陸搬運(yùn)，搬運(yùn)過(guò)程則為低能搬運(yùn)（事件B）。

北槽深槽表層沉積物在輸運(yùn)方向上為雙向輸運(yùn)，在低能搬運(yùn)過(guò)程（事件B）時(shí)候（Z=4.75）向陸搬運(yùn)，在高能搬運(yùn)過(guò)程中（事件C）向海搬運(yùn)（Z=2.88）。這主要是因?yàn)樯畈凼鞘艿綇搅骱统绷饔绊懽畲蟮牟课?，漲落潮流速較大，漲潮時(shí)沉積物向陸輸運(yùn)，落潮時(shí)受徑流影響，加大了流速，沉積物向海搬運(yùn)。

而在北槽南邊坡，也表現(xiàn)出一定的雙向搬運(yùn)過(guò)程，但傾向于向海搬運(yùn)，搬運(yùn)類(lèi)型為高能搬運(yùn)（事件C，Z=6.61），向陸搬運(yùn)過(guò)程為低能轉(zhuǎn)換搬運(yùn)（事件B，Z=2.14），這種情況跟2012年北槽南側(cè)表現(xiàn)只有一種情況有一定差異。

根據(jù)北槽深槽、南北邊坡的水動(dòng)力分布和北槽單寬懸沙輸運(yùn)機(jī)制的分析［24］，北槽表層沉積物的輸運(yùn)趨勢(shì)主要跟水動(dòng)力分布特征及地球自轉(zhuǎn)偏向力密切相關(guān)。深槽為主要過(guò)水部位，最大流速都出現(xiàn)于此，在漲落潮作用下，北槽深槽沉積物表現(xiàn)為雙向運(yùn)動(dòng)。北槽南、北兩側(cè)，由于地轉(zhuǎn)偏向力和北槽拐彎段地形的存在，漲落潮主線(xiàn)存在分異，導(dǎo)致其水動(dòng)力有較大差異，南邊坡落潮流占優(yōu)，北槽北邊坡以漲潮流占優(yōu)，所以，北邊坡表層沉積物傾向于向陸搬運(yùn)，而南邊坡傾向于向海搬運(yùn)。

表2　長(zhǎng)江口北槽沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)Table 2 The sediment transport trend in the northern passage of the Yangtze river estuary

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2014年在長(zhǎng)江口北槽走航斷面沉積物粒度特征和輸運(yùn)趨勢(shì)的分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）北槽表層沉積物總體較細(xì)，平均粒徑5.38～130.05μm，均值23.85μm；中值粒徑在5.91～140.54μm之間，均值為30.78μm，以砂質(zhì)粉砂和粉砂為主，基本遍布北槽雙導(dǎo)堤內(nèi)的區(qū)域。

（2）北槽底床沉積物的總體分選性較差；偏態(tài)系數(shù)則處于極正偏和近對(duì)稱(chēng)之間；峰度系數(shù)較?。ㄐ∮?.8），為低峰態(tài)，頻率曲線(xiàn)比較平緩。

（3）北槽深槽表層沉積物在輸運(yùn)方向上為雙向輸運(yùn)，在低能環(huán)境向陸搬運(yùn)，在高能環(huán)境向海搬運(yùn)；北槽南邊坡與深槽類(lèi)似；北槽北邊坡表現(xiàn)為向陸搬運(yùn)。其差異與它們所處的環(huán)境密切相關(guān)。

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Discussion on grain-size characteristics of seafloor sediment and transport pattern in the northern passage of the Yangtze River estuary

XIE Huo-Yan1， WANG Ru-Sheng2， ZHANG Guo-An3， LI Zhan-Hai3
（1.Qiannan Normal College for Nationalities， Guizhou Duyun 558000， China；2.Second Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Zhejiang Hangzhou 310012， China；3.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200062， China）

Abstract:Grain-size distribution and transport pattern of seafoor sediment data collected from the northern passage of the Yangtze River estuary were studied using the Gao-Collins grain-size trend analysis method with grain-size data.The results showed that the sediments are generally fne in the northern passage， where sandy silt and silt are dominant.The sediments showed overall poor sorting， and skew ness coeffcient of between partial pole and nearly symmetric； kurtosis coeffcient was small with less than 1.8 and platy kurtosis.In the deep trough the sediments were transported in a two-way direction； they were transported to land in a low-energy environment and to the sea in a high-energy environment.The transportation of sediments in the southern slope was similar to that in the deep trough.In the northern slope， the sediments were transported to land.The difference in the direction of sediment transport is closely related to their environment.

Key words:Yangtze River estuary； northern passage； sediment； grain-size characteristics； transport pattern

中圖分類(lèi)號(hào)：P343.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329（2016）02-0084-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.020

收稿日期:2015-08-27

修訂日期:2015-10-08

作者簡(jiǎn)介:謝火艷（1988-），男，碩士，主要從事自然地理學(xué)教學(xué)與科研.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41376098）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41176069）

*通訊作者:張國(guó)安（博士/副教授）: gazhang@sklec.ecnu.edu.cn