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萊州灣西南岸海域懸浮泥沙與沉積物粒度分布特征

2014-03-20 01:29陳斌黃海軍
海洋通報 2014年4期
關鍵詞:萊州灣小清河含沙量

陳斌,黃海軍

(1.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室,山東 青島 266071;2.青島海洋地質研究所,山東 青島 266071;3.中國科學院海洋研究所,山東 青島 266071)

萊州灣西南岸海域位于現代黃河三角洲的東南側,地形平緩、潮間帶寬廣。研究海域為典型的粉砂淤泥質海岸(中國海灣志編委會,1993)。研究海域有多條河流入海,主要包括小清河、淄脈溝、彌河和濰河等。這里曾發育典型的河流三角洲,它是多條河流共同塑造的一個集群河流三角洲,稱之為膠萊河-濰河-白浪河-彌河-小清河三角洲(薛春汀等,2008)。三角洲附近的泥沙在海洋動力因素的作用下,對人類的生產活動影響巨大,泥沙運動不僅對岸灘侵蝕淤積、港口淤積產生重要作用,而近岸泥沙也是各種重金屬污染物和營養鹽的重要載體,泥沙運動掌控著海洋中污染物的聚集與運動過程(Heidi et al,2006)。已有研究表明,萊州灣泥沙主要來自于漲潮流攜帶而來的泥沙和河流徑流攜帶的泥沙,底床沉積物以淄脈溝為界,北部沉積物分布具有一定的規律性,表現為從近岸到遠岸由細變粗再逐漸變細的分布特征(程義吉,2006);江文勝等(2002) 利用2000年夏季的資料研究了渤海懸浮物濃度與水動力之間的關系。大多研究是根據萊州灣內較深海域的夏季觀測資料所得成果,本文利用冬季(2007年1月) 獲得的表層沉積物和懸浮泥沙樣品進行分析,對萊州灣西南岸海域的泥沙運動特性進行研究,并結合水動力特征、沉積物粒度特征對泥沙分布特征的空間差異和來源進行分析研究。

1 區域概況

研究海域年平均風速為4.0 m/s,在本次調查時段的冬季,風速相對最小,月平均風速為3.0 m /s。波浪以風浪為主,主要受季風控制,出現頻率高于80%。在地形的作用下,波浪主要為由偏東風引起的NE-SE 向浪。強風向與常浪向均為NE 向,最大浪高1.8 m (中國海灣志編委會,1993)。潮汐性質為不正規混合半日潮,漲潮流歷時略大于落潮流歷時。漲潮流方向指向岸邊,平均流速為0.33 cm/s 左右;落潮流為離岸流,平均流速為0.34 cm/s,兩者相差不大。

海岸泥沙主要有兩個來源:一是漲潮流攜帶的泥沙;二是淄脈溝徑流攜帶的泥沙。黃河在1976年以前由刁口河流路入海,當時只有極少量的黃河入海泥沙進入萊州灣。在改道清水溝流路初期,萊州灣出現了輕微的淤積。而黃河口沙嘴在1990-1996年期間向海進積后,萊州灣發生了較為顯著的淤積,淤積最為嚴重的時間是1993年黃河口門向東南擺動入海期間。黃河口在1996年改道汊河后,萊州灣又出現輕微淤積的狀態(程義吉,2006)。多年的動態衛星遙感圖(圖1) 顯示,高含沙量的水體并不是存在于整個萊州灣,一般集中在萊州灣中部,在萊州灣的南岸較低,顯然這種含沙量的分布特征與黃河入海泥沙運動密切相關。

圖1 2005年5月24日LANDSAT 遙感圖像顯示的萊州灣西南岸海域含沙量形態及位置

2 樣品采集及分析方法

2007年1月,在萊州灣西南部海域進行了7條斷面調查,采用7 條調查船進行了準同步調查,共采集了36 個站位的沉積物和懸浮泥沙水樣(同站位同次采集),并在潮灘進行了3 條剖面的沉積物采集(圖2)。在調查期間,天氣狀況較好,沒有明顯風浪。懸沙水樣使用SBE32 型采水器(5 l),分別在表層(距水面0.5 m)、底層(距海底1~1.5 m) 進行采集。水樣采集后的第2 天在實驗室采用真空負壓法進行懸浮體抽濾,濾膜直徑47 mm,孔徑0.45 μm;采用1/10 萬的Sartorius 電子天平進行懸浮體稱重,感量0.01 mg,過濾后樣品烘干(40 ℃) 恒溫稱重,計算出各站含沙量,懸浮體濃度數據皆經過雙重濾膜進行了校正。利用Cilas940 L 型激光粒度儀對懸浮體樣品和沉積物樣品進行粒度分析,然后采用矩法(McManus 公式)計算其平均粒徑、分選系數、偏態、峰態等粒度參數及砂、粉砂和黏土等粒級組成。

3 含沙量分布特征

萊州灣西南岸海域表底層含沙量的平面分布如圖3 所示。含沙量總體表現出近岸含沙量低,遠岸含沙量高,底層含沙量高于表層含沙量,且海域北部含沙量高于南部的分布特點(陳斌等,2009)。近岸海域的含沙量相對較低,大約在40 mg/l 左右,但在彌河口、小清河、淄脈溝的口門處稍高,淄脈溝東北向海域含沙量最高,超過120 mg/l。表層含沙量最大值為170 mg/l,平均值為80 mg/l;底層含沙量要明顯高于表層含沙量,同時底層含沙量的分布形式也比表層復雜,但是大致的分布特點類似表層含沙量:近岸含沙量較低,遠岸含沙量較高,北部含沙量高于南部。底層含沙量最大值范圍和表層基本一致,其高值為186 mg/l,平均值為115 mg/l??傮w來看,淄脈溝以北含沙量相對偏高,以海域的東北部為最高,小清河以南海域含沙量較低。根據近年來黃河口南下泥沙流的輸運距離及粒徑來看,黃河入海泥沙向萊州灣擴散的范圍基本到淄脈溝附近,很難擴散到小清河等南部海域,除非在強潮流及北向大風的連續作用下,可能到小清河口附近。因此,從含沙量的分布特征上來分析,海域的東北部高值區主要是黃河入海泥沙的貢獻,而小清河以南海域則主要是近岸泥沙在波浪、潮流等動力條件下發生的底床泥沙再懸浮作用導致。

4 沉積物粒度特征

4.1 潮灘沉積物粒度分布特征

通過對3 條潮灘剖面(圖2) 的沉積物粒度分析(表1) 發現:淄脈溝以南的剖面S1,潮灘的沉積物類型主要為粉砂質砂至砂質粉砂。從高潮灘的粉砂質砂逐漸過渡為中、低潮灘的砂質粉砂;中值粒徑范圍為3.953~4.259φ,分選系數界于0.5~0.637 之間,分選性好,且高、中、低灘的分選性具有一致性,說明該海域在充分的海洋動力條件作用下,物源保持了一致性。砂含量由高潮灘向低潮灘含量逐漸減少,而粉砂和黏土含量則與砂含量的分布相反,表現由高潮灘向低潮灘含量逐漸增大;小清河口南側的剖面S2,潮灘沉積物類型復雜,高潮灘為粉砂,中潮灘為砂質粉砂,低潮灘為黏土質粉砂。中潮灘表層沉積物粒徑相對較粗,向高潮灘和低潮灘分別逐漸減小。中值粒徑范圍為4.532~6.147φ,分選系數界于1.222~1.389 之間,高潮灘的分選系數低于低潮灘。粉砂含量在61.39 %~75.62%之間,為各剖面最高;小清河口和彌河口之間的剖面S3,高潮灘的沉積物主要為砂,而中、低潮灘則為粉砂質砂。中值粒徑范圍為3.472~3.824φ,分選性好,分選系數界于0.308~0.664 之間,分選系數由近岸向遠岸逐漸增大。由于低潮灘海洋動力條件較強,高潮灘的分選系數要低于低潮灘。砂含量介于60.48 %~81.61 %之間,為各剖面最高。

綜上所述,小清河至彌河之間的潮灘沉積物類型主要是粉砂質砂,也有少量砂和粉砂分布,潮灘物質類型相對較多;而淄脈溝至小清河之間的潮灘沉積物類型以砂質粉砂和粉砂質砂為主,潮灘物質從南到北保持了一定的一致性。研究海域受北向、東北向風浪的影響較大,近岸海域水動力較強,此外沿東北向海域受到黃河泥沙物源的影響,綜上因素研究海域的潮灘物質沿垂直岸線的西南-東北向,沉積物粒徑逐漸變細。

圖2 研究區取樣站點示意圖

圖3 含沙量平面分布(mg/l)

表1 潮灘各剖面沉積物粒度特征

4.2 近岸海域沉積物粒度空間分布特征

4.2.1 沉積物組成及類型

通過分析研究海域7 條斷面36 個觀測站位的粒度組分含量,發現砂組分是研究海域的重要組分,分布差別較大,含量最高可達87.51%,含量低值僅為0.31%,分布情況見圖4。其中彌河口為砂組分高值區,含量在60%以上,彌河東部近岸區甚至達到80%以上。由于小清河口攔門沙的存在,60%等值線向西北方向延伸至小清河口。淄脈溝口附近海域的砂組分含量為40%~60%。由近岸向遠岸,砂含量逐漸降低,至5 m 等深線處則降為10%左右,等值線方向基本與岸平行,且海域內表層沉積物分選性好。這一分布特征,反映它們是在一定的水動力條件下經長期分選和沉積而成,近岸區物源主要是彌河、淄脈溝和小清河。其中黃河曾奪小清河流路入海,大量泥沙在海洋動力環境下搬運與沉積,粗的物質沉積在口門處形成攔門沙,細粒組分則在浪流潮的作用下擴散與沉積,成舌狀分布。粉砂組分也是研究海域的主要組分,高值為84.37%,低值為10.79%,分布趨勢與砂組分相反。彌河口附近海域為低值區,含量僅為0~20%,小清河口則為一高值區,含量介于40%~60%之間,兩區呈犄角之勢控制了表層沉積物的分布格局(圖5)。研究海域粉砂、砂和粘土的含量均呈帶狀分布,由西南向東北呈逐漸增大的趨勢,等值線展布大體與等深線平行。黏土組分為研究海域的次要組分,實測的黏土組分含量最高為53.54%,最低為1.39%。其分布趨勢為:除小清河口有小片區域含量在20%左右外,-2 m 等深線附近及以內的海域沉積物黏土含量均在0~10%之間。研究海域東北角大約-5 m 等深線的區域黏土含量稍高,約在20%~30%之間(圖6)。

圖4 砂組含量分布(%)

圖5 粉砂組含量分布(%)

綜上所述,研究海域沉積物分布具有典型的分帶特征。近岸海域沉積物以粉砂質砂、砂和砂質粉砂為主,沉積物的粒徑相對較粗,向遠岸海域逐漸過渡為粉砂和黏土質粉砂。淄脈溝至小清河口的沉積物類型共有4 種,由近岸向遠岸分別是粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂和黏土質粉砂,淄脈溝近岸沉積物類型相對單一,主要物質類型為粉砂質砂,而遠岸的物質類型主要為砂質粉砂。小清河口在河流動力和海洋動力的雙重影響,沉積物分布較為復雜,其典型特征為河口攔門沙體的存在,以及小清河入海的細粒泥沙落淤。小清河下游河道的沉積物主要是砂質粉砂,在水動力和風浪作用下,較淺河道的沉積物通過再懸浮,重新進入水體,在水流攜帶下到達河口后,隨著能量的耗散,水流減小不足以攜帶的泥沙在在口門附近落淤,形成一塊砂質粉砂區。另外,由于海洋動力條件和河流的相互作用下,小清河口外約2 km 處存在一塊較大范圍攔門沙(劉國亭等,1998),沉積物的類型主要為粉砂質砂。從小清河口到彌河口段的區域,近岸大面積砂的廣泛分布是該段的典型特征。砂的分布范圍較小,主要集中在彌河口附近0~-2 m 等深線之間的區域,這也反映了彌河的搬運特征。

圖6 黏土組份含量分布(%)

4.2.2 中值粒徑分布特征

圖7 主要反映了沉積物的粗細程度,從圖中可知沉積物表現出南部粗,北部細的分布特征。中值粒徑分布范圍是3.25~6.88φ,北部遠岸海域,中值粒徑值較大,最大值超過6.0φ;而南部海域的中值粒徑值較小,在3.25~4φ 之間。也可以發現隨著水深增大,中值粒徑呈遞減趨勢,這也能說明該海域在動力條件下的分選比較充分。此外沿東北方向的較深海域可能受到黃河較細物質的影響,因此隨著水深增加粒度的變細不能排除有黃河物質的影響。

根據中值粒徑的斷面分布情況(圖8),同樣發現在各斷面上,中值粒徑均表現為由近岸向遠岸逐漸減小的趨勢,在-2 m 等深線以內各斷面的中值粒徑變化幅度不大;而向外至-5 m 等深線變化幅度增大,中值粒徑迅速減小,這主要是由于水深地形條件變化,導致波浪、潮流動力作用強度不同引起的,同樣也可能存在黃河細顆粒物質的貢獻。

圖7 表層沉積物中值粒徑分布

圖8 7 條斷面海底表層沉積物中值粒徑

不同等深線處的沉積物粒徑的變化表現出不同的特征(表2),由岸向海,粗化程度減小。1980-2007年,小清河口0m 等深線處中值粒徑由0.072 mm增大為0.083 mm,粗化較為明顯;-2 m 等深線處中值粒徑由0.063 mm 增大為0.078 mm,也有粗化現象,但近粗化的趨勢有所降低;而-5 m 等深線處中值粒徑由0.045 mm 減小為0.035 mm,發生了細化現象,說明粗化現象僅發生在-5 m 以淺的近河口海域。

圖9 分選系數與沉積物中值粒徑的關系

表2 不同水深處沉積物中值粒徑變化(mm)

萊州灣西南近岸區的粗化現象普遍存在,小清河與彌河口岸灘的形成均是1937年黃河決口奪小清河入海泥沙的產物。其沉積物粗化的原因,主要是由于海域內河流上游各種水庫工程的修建和工農業用水,使得入海的泥沙量逐年減少。小清河自1980年后,入海水、沙量急劇減少,現小清河全年輸沙量僅有1.93×105t。另外又因為近年黃河流域長期干旱少雨,又加上工農業用水量增加和水庫建設等人類活動因素影響,使得來水來沙不斷減少,甚至發生間歇性斷流更加造成入海泥沙的銳減。在上述因素下,海域的物質得不到充分的補給,而在波浪潮流等動力條件下,細顆粒的泥沙物質不斷被沖刷,被輸運到較深海域,也就造成了岸灘和近岸淺海沉積物質逐年粗化之趨勢。

4.2.3 沉積物粒級分選系數分布特征

研究海域在-5 m 等深線以淺沉積物的分選系數基本小于0.6,分選程度很好;0 m 等深線附近分選系數平均為0.46;-2 m 等深線附近沉積物分選系數平均為0.44,說明-5 m 以淺海域的動力條件較強,沉積物的分選性好。在-5 m 等深線附近平均分選系數約為1.07,明顯高于近岸區,分選系數最大值為1.49。隨沉積物粒徑增大,分選程度呈現出越來越好的趨勢。彌河口附近海域,沉積物類型以砂為主,粒徑較粗,沉積物分選系數相應較低,分選程度高,一般在0.3~0.5 左右;而北部淄脈溝外-5 m 等深線處為黏土質粉砂和粉砂類型為主,粒徑較細,分選系數高,一般在1.0 左右,分選程度好至中等。如圖9,在砂至黏土質粉砂范圍內,分選系數隨中值粒徑(φ 值) 的增大而線性增大,兩者相關系數為0.86,在99.99%的置信區間內線性相關,這充分說明近岸海域潮流、波浪作用對砂和粉砂粒組的分選作用更為明顯。

綜上所述,-5 m 等深線以淺的海域由于波浪作用較強,再加上潮流與地形的作用,沉積物中細顆粒的物質容易起動,在強動力條件下被輸送到較深海域,從而表現出淺海域分選性較好;而在-5 m 等深線以深的海域在水深較大的情況下,波浪潮流作用減弱,海域的沉積動力作用相對較弱,沉積物相對穩定,另外來自黃河的細顆粒物質對較深海域也有一定的影響。

4.3 沉積物粒度與懸浮泥沙粒度的對比關系

選取14 個測站沉積物粒度數據和懸浮泥沙粒度數據來分析兩者在沉積過程中的相互關系,其中近岸區海域7 個站位(A01、B01、C01、D01、E01、F01、G01 站),遠岸海域7 個站位(A05、B05、C05、D06、E05、F06、G05 站),比較結果見表4 和表5??傮w來說,小清河口以北的近岸海域(A01、B01、C01、D01 站) 采集的懸浮泥沙中值粒徑φ 值要小于沉積物的中值粒徑,其中砂為主要組分,粉砂與黏土含量較少;小清河以南的近岸海域的懸浮泥沙中值粒徑φ 值要大于沉積物的中值粒徑,砂仍然為主要組分,但是懸浮泥沙中的黏土含量要大于沉積物。遠岸海域的懸浮泥沙中值粒徑基本都小于沉積物的中值粒徑,其主要組分為粉砂,砂含量要明顯高于沉積物,而黏土含量相差很??;懸浮泥沙底層中值粒徑φ 值要比表層中值粒徑φ 值偏大,與沉積物相比,含砂量高出很多,

表4 近岸海域懸浮泥沙與沉積物的粒度組成

表5 遠岸海域懸浮泥沙與沉積物的粒度組成

而粉砂含量卻相對較低,黏土含量相差不大。

從沉積物與懸浮泥沙的粒度組成方面看,近岸海域沉積物與懸浮泥沙較為相似,水體中的懸浮泥沙主要是來源自于沉積物的再懸?。ń膭俚?,2005),而遠岸的較深海域沉積物的顆粒要比懸浮泥沙顆粒粗,同時各組分含量相差不小,說明該區域的懸浮泥沙可能來源于淺水區再懸浮的泥沙向較深水體的輸運,而深水區的沉積物在黃河入海物質的影響下,表現出顆粒較細的分布特征,即使有部分較粗顆粒在此沉降,也不會影響整體顆粒較細的分布特征。

近岸淺水區沉積物在相對較小的風浪條件或采樣船只的攪動下極易起動,從而沉積物中相對較粗的泥沙可以再懸浮進入水體,而在深水區,底床沉積物相對穩定,在同樣的風條件和船只攪動下很難起動,因此,較深海域的沉積物對水體中的懸浮泥沙影響不大,故而較深水域的懸浮泥沙顆粒要大于沉積物。

5 沉積物與懸浮泥沙關系機制

通過以上論述發現,研究海域的沉積物由岸向外呈現出條帶狀分布,由粒徑相對較粗的砂、粉砂質砂和砂質粉砂向海逐漸過渡為顆粒較細的粉砂和黏土質粉砂,并呈現出明顯的北細南粗的分布特征。沉積物的這種空間分布格局在懸浮體濃度的空間分布特征及其與沉積物的關系中都有所反映。近岸和彌河口以南的沉積物相對較粗,在較強的水動力條件下才能起動,而由于顆粒較大在搬運過程中容易再次沉積,因此,較粗粒級的顆粒很難長時期保持懸浮狀態,多數是處于間歇性的懸浮狀態。而海域北部沉積物較細,易于起動,受冬季較強的海洋水動力影響在產生了較大的懸浮體濃度的同時間分布特征及其與沉積物的關系中都有所反映。近岸和彌河口以南的沉積物相對較粗,在較強的水動力條件下才能起動,而由于顆粒較大在搬運過程中容易再次沉積,因此,較粗粒級的顆粒很難長時期保持懸浮狀態,多數是處于間歇性的懸浮狀態。而海域北部沉積物較細,易于起動,受冬季較強的海洋水動力影響在產生了較大的懸浮體濃度的同時影響了懸浮體的粒度,但該海域海底沉積物類型對懸浮體特性影響較小。兩者之間的關系常因海底地形及水動力因素的綜合作用而復雜化。懸浮體濃度高值區的底層懸浮體粒徑由岸向外減小,但又粗于沉積物的特征,反映出底層懸浮體中的粗粒組分可能除源于沉積物的再懸浮之外,還有一部分是懸浮體由近岸向海逐漸輸送的結果。此外,懸浮體的物質來源、水動力環境、海水中的含沙量也會對懸浮體的粒度產生較大的影響。

此外研究海域內的彌河、小清河、淄脈溝、濰河等入海河流的入海泥沙對現在水體中的含沙量貢獻不是很大。大量的黃河人海泥沙沉積在以萊州灣西岸岬角/沙嘴為中心的弧形海域內,只有少量向周圍海域擴散(李蒙蒙等,2013),一般情況下在萊州灣內向西南約為35 km,可到淄脈溝北岸(曹文洪等,2001),南下沿岸泥沙流在一般情況下很難影響到淄脈溝以南海域(陳小英等,2006),只有在冬季較強的連續北風作用下,可以將黃河入海泥沙輸運到小清河口附近,甚至可以越過小清河口向南輸運。另外,從泥沙粒度分析,萊州灣遠岸中部泥沙顆粒較細,也有可能有一部分是黃河泥沙影響的結果,而淄脈溝以南近岸海域沉積物粒徑較黃河口粗,顯然不是黃河泥沙細粒物質擴散直接沉積的結果。另外,研究海域的近岸海域地形平緩,有較寬的破波帶,又加上海底沉積物主要屬于粉砂質,此類泥沙活動性較強,在一定的動力條件下容易起動(孫連成,1992),含沙量基本與風浪的大小成正相關性。因此,淄脈溝以南海域的泥沙主要來自于底床泥沙在潮流、波浪作用下的再懸浮、輸運搬運(李本臣等,1999),而淄脈溝以北海域受黃河來沙影響較大,再加上動力條件,表現為更為復雜的運動形式。

6 結論

通過對所采集懸浮泥沙和沉積物的樣品資料的室內測試分析及相關資料的綜合分析,對研究海域的泥沙運動及沉積特征,有如下結論:

(1) 萊州灣西南岸海域含沙量總體表現出近岸含沙量低,遠岸含沙量高,底層含沙量高于表層含沙量,且北部含沙量高于南部的分布特點。

(2) 小清河至彌河之間的潮灘沉積物類型主要是粉砂質砂,而淄脈溝至小清河之間的潮灘沉積物類型以砂質粉砂和粉砂質砂為主,潮灘物質從南到北保持了一定的一致性。潮灘物質沿垂直岸線的西南-東北向,沉積物粒徑逐漸變細。

(3) 海域沉積物呈現帶狀分布特征。近岸海域沉積物以粉砂質砂、砂和砂質粉砂為主,沉積物的粒徑相對較粗,向遠岸海域逐漸過渡為粉砂和黏土質粉砂,粒徑由岸向海逐漸變細。

(4)淄脈溝以南海域的泥沙主要來自于底床泥沙在潮流、波浪作用下的再懸浮、輸運搬運,而淄脈溝以北海域受黃河來沙影響較大,再加上動力條件,表現為更為復雜的運動形式。

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