杜東，劉宏偉，秦雅飛，胥勤勉，楊吉龍，陳彭

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

河北省曹妃甸近岸海域懸浮泥沙含量分布特征研究

杜東，劉宏偉，秦雅飛，胥勤勉，楊吉龍，陳彭

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

本文通過實地調(diào)查及取樣測試，獲得了該區(qū)域四條剖面上共49站位不同深度的懸浮泥沙含量，分析了該區(qū)域內(nèi)懸浮泥沙含量在空間上的分布特征，初步建立了懸浮泥沙濃度在空間上的相關(guān)性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并對模型進行了驗證，驗證結(jié)果較為滿意。此研究可為懸浮泥沙含量在空間上尤其是中層與底層的遙感定量動態(tài)監(jiān)測提供基本依據(jù)。

懸浮泥沙；空間分布特征；相關(guān)性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；曹妃?/p>

曹妃甸地處唐山南部的渤海灣北側(cè)，位于天津港和京唐港之間?！懊嫦虼蠛Ｓ猩畈郏晨筷懙赜袨┩俊笔遣苠樽蠲黠@的自然地理特征，是渤海灣唯一不需開挖航道和港池即可建設(shè)30萬噸級大型泊位的“鉆石級”港址,被譽為“國寶之地”，為大型深水港口建設(shè)和臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越條件。曹妃甸港的建設(shè)是國家與河北省政府的“一號工程”[1]，對該地區(qū)進行海洋水體懸浮泥沙動態(tài)監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。懸浮泥沙濃度是海洋水體成份的重要參數(shù)之一，它的測定對河口、港口建設(shè)具有重要的意義。在2009年6月進行的“曹妃甸近海懸浮泥沙遙感定量監(jiān)測”試驗期間，通過對四條剖面的49站位不同深度海水懸沙濃度采樣與分析，建立了該區(qū)域懸浮泥沙濃度在空間上的定量數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系，為下一步遙感定量動態(tài)監(jiān)測曹妃甸近海懸浮泥沙在空間上的分布奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與樣品取樣

曹妃甸港處于渤海灣東北側(cè)海域，具體位置及實測剖面設(shè)置如圖1所示[2]。曹妃甸淺灘海域是古灤河三角洲的組成部分，自全新世以來，灤河以灤縣為頂點形成，北至昌黎、南至曹妃甸的扇形三角洲，且不斷地南北擺動。該海域主要受渤海潮波系統(tǒng)控制，屬不規(guī)則半日潮，據(jù)2010年實測潮位資料統(tǒng)計，該海域平均潮差為1.45m，年最大潮差達2.52m。

圖1 曹妃甸港位置及取樣剖面分布圖Fig.1 Cao ofeidian harbor location and the sam p ling p ro ofile distribution

曹妃甸島前西南及南側(cè)水深條件良好，距岸600m處即為水深10m以上的深槽。歷史的長期自然作用，賦予曹妃甸港區(qū)近岸深水的優(yōu)勢，島前10m等深線距0m等深線200～500m，甸頭前沿500m外水深即可達到25m以上[3]。海域沉積物類型主要為砂、中砂、細砂、粉砂和粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂，其中以黏土質(zhì)粉砂與細粉砂為主,沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢，表層沉積物平均粒徑在0.003～4mm范圍之間。粉砂（0.004～0.063mm）的分布范圍最廣。小于0.008mm的黏土和極細粉砂、大于0.25 mm的中砂分布范圍最小。細粉砂（0.008～0.016mm）和中粉砂（0.016～0.031mm）主要分布于等深線10m以深海域。細砂主要圍繞曹妃甸頭、蛤坨和大清河口以南區(qū)域集中分布?？傮w上看，表層沉積物有自岸向海逐漸變細趨勢。根據(jù)本次實測結(jié)果，四個剖面中懸浮泥沙濃度最小為0.6 mg/l，最大為285.6mg/l，除潮溝外，近岸水深5m以淺地區(qū)懸沙濃度多大于10mg/l。

懸浮泥沙樣品利用2.5 L定深采水器取樣。待船停穩(wěn)后進行，使用專用的有機玻璃或不銹鋼定深采水儀器進行表、中、底分層采樣，當(dāng)水深小于5m時，只取表層樣(0～1.5m)、當(dāng)水深在5m～10m之間時，取表、中層樣(中層取樣深度為水深的0.6倍)，當(dāng)水深大于10m時取表、中、底三層樣品(中層取樣深度為水深的0.6倍，底層取樣深度為海底以上2m)。實驗測試按《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB12763.1～7-1991）進行[4]，使用重量法計算，使用一定體積的水樣通過0.45μm的濾膜，稱量留在濾膜上的懸浮物質(zhì)的重量，計算水中的懸浮物質(zhì)濃度。

2 懸浮泥沙濃度平面分布特征

本次樣品取樣時間為2009年6月，其平均波高為0.44m，最大有效波高為1.4m，最大波高為2.3m。常浪向及方向頻率分別為SSW（10.17%），S（21.61%），SSE（13.56%），SE（15.68%）。強浪向為S向，其次是SE向。曹妃甸海域懸沙含沙量較低，除個別站位外,大多數(shù)站位懸沙含量均小于0.12 kg/m3，西部海域近岸含沙量普遍高于深水區(qū)，近岸含沙量一般為遠海區(qū)的10～20倍左右。而曹妃甸東部海域近岸區(qū)含沙量與深水區(qū)相當(dāng)；西部海域近岸含沙量較東部高，甸頭前沿水域平均含沙量大約為0.02 kg/m3，漲潮平均含沙量一般略高于落潮平均含沙量。近岸區(qū)域懸沙粒徑較細，范圍為0.010～0.055mm，分布呈現(xiàn)近岸與外海較粗，中部相對較細的特點，西部較東部大。曹妃甸深槽附近懸沙顆粒較粗，說明深槽水流動力強，能懸浮較大顆粒的泥沙[5]（圖2）。

3 懸沙濃度空間分布特征及其相關(guān)性模型

3.1 懸沙垂向分布特征

圖2 2009年6月表層懸沙含量（g/L）等值線圖（大潮）Fig.2 The contourmap suroface o of the suspended particu latematter concentration(g/L)in June，2009

本次所測懸沙含量中，表層含沙量區(qū)間為2.9～208.7mg/L，中層懸沙含量區(qū)間為0.7～285.6mg/L，底層懸沙含量區(qū)間為0.6～246.7mg/L。表層平均含沙量為14.3mg/L，中層平均含沙量為20.9mg/L，底層平均含沙量為23.5mg/L。從表、中、底層懸沙濃度看，近岸至遠海懸浮泥沙含量在垂向上具有不同的變化規(guī)律，離岸較近的海域，水深多小于5m，表層懸沙含量較中層懸沙含量低；離岸稍遠的海域，水深較大，懸沙含量垂向分布基本符合表層最小，底層最大，沿水深呈增大趨勢。因此泥沙基本上是在底部運移，只有當(dāng)遇到水動力較強及強浪作用下懸沙才會懸浮至表面運動(圖3)。

3.2 模型建立與優(yōu)選

本文根據(jù)32個表、中層有效樣點和27個表、底層有效樣點的觀測數(shù)據(jù)(表1)，分別對表層與中層、底層建立線性關(guān)系模型，對數(shù)關(guān)系模型，二次多項式關(guān)系模型。并選出R2最大的擬合回歸方程作為經(jīng)驗?zāi)Ｐ停嫵銎鋽M合曲線圖。圖4、圖5、圖6分別為表層與中層懸沙濃度的線性關(guān)系、對數(shù)關(guān)系及二次多項式模型，相關(guān)因子系數(shù)R2及相關(guān)性統(tǒng)計于表2。從表2中可以看出，表層與中層懸沙濃度的二次多項式模型的相關(guān)系數(shù)R2最大，相關(guān)性最好。因此表層與中層懸沙濃度的相關(guān)性經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

圖7、圖8、圖9分別為表層與底層懸沙濃度的線性關(guān)系、對數(shù)關(guān)系及二次多項式模型，相關(guān)因子系數(shù)R2及相關(guān)性統(tǒng)計于表3。從表3中可以看出，表層與中層懸沙濃度的二次多項式模型的相關(guān)系數(shù)R2最大，相關(guān)性最好。因此表層與底層懸沙濃度的相關(guān)性經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

圖3 曹妃甸近岸海域剖面的表、中、底層懸沙含量分布特征Fig.3 The p ro ofile distribution characteristics o of the suspended particu late matter concentration ofrom the bottom,the m idd le and the suroface in Cao ofeidian coasta larea

表1 懸浮泥沙濃度的表、中、底層建模樣本數(shù)據(jù)（g/L）Table 1 Them ode ling sam p le data o of the suspended particu latematter concentration in the bottom,m idd le and suroface

圖4 四條斷面的表層與中層懸沙濃度擬合線性模型散點圖Fig.4 Linearmode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late matter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

圖5 四條斷面的表層與中層懸沙濃度擬合對數(shù)模型散點圖Fig.5 Logarithm icm ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

圖6 四條斷面的表、中層懸沙濃度擬合多項式模型散點圖Fig.6 Po lynom ia lm ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu latematter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

表2 表層與中層懸沙濃度擬合模型及其參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 The suspended particulate matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the m idd le and suroface

圖7 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合線性模型散點圖Fig.7 Linearm ode l ofitting scatter diagram o of thesuspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

圖8 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合對數(shù)模型散點圖Fig.8 Logarithm ic m ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late matter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

圖9 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合多項式模型散點圖Fig.9 Po lynom ia lm ode lscatter ofitting diagram o of the suspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

表3 表層與底層懸沙濃度擬合模型及其參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 The suspended particu late matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the bottom and suroface

3.3 模型驗證

本文采用實測資料對二次多項式模型進行了驗證。模型的誤差分析是檢驗?zāi)Ｐ涂煽啃耘c否的主要指標(biāo)。利用式(1)與式(2)分別對表、中層懸沙相關(guān)模型與表、底層懸沙相關(guān)模型進行誤差分析。表、中層懸沙相關(guān)模型檢驗樣本為42個，相對誤差值分布情況為:0～15%(13個)、15%～30%(13個)、30%～50%(8個)、大于50%為8個,平均相對誤差為29. 31%；表底層懸沙相關(guān)模型檢驗樣本為35個，相對誤差值分布情況為:0～15%(8個)、15%～30%(6個)、30%～50%(11個)、大于50%(10個),平均相對誤差為37.04%。

圖10、圖11分別為中層懸浮泥沙含量驗證結(jié)果和底層懸浮泥沙含量驗證結(jié)果。圖10顯示出了中層懸浮泥沙含量計算值與實測值擬合趨勢較好，平均絕對誤差為0.007 g/L；圖11則顯示底層懸浮泥沙含量計算值與實測值擬合較好,平均絕對誤差為0.016 g/L。其它測點的驗證結(jié)果與此相似，計算值與實測值有較好的一致性。

4 結(jié)論

通過四條剖面49站點的實測懸沙濃度值進行線性、對數(shù)以及多項式進行擬合參數(shù)的對比篩選，并通過實測值與計算值的擬合曲線分析，結(jié)果表明：多項式擬合模型效果最好，因此，中層懸沙濃度與表層懸沙濃度在該地區(qū)的擬合模型為：

C中-中層懸沙濃度值（g/L）；C表-表層懸沙濃度值（g/L）。

底層懸沙濃度與表層懸沙濃度在該地區(qū)的擬合模型為：

C底-底層懸沙濃度值（g/L）；C表-表層懸沙濃度值（g/L）。

為此就可利用遙感數(shù)據(jù)與光譜反射率所建立起來的遙感反演模型定量計算出表層懸沙濃度值，再通過表層懸沙濃度值與中層、底層懸沙濃度之間的相關(guān)經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷贸鲋袑印⒌讓討疑碀舛戎?，從而分析懸浮泥沙在水體中空間上的分布特征。因此可以利用遙感技術(shù)對海水懸浮泥沙空間上的分布特征進行定量的動態(tài)監(jiān)測。

致謝:項目執(zhí)行過程中，得到了同濟大學(xué)匡翠萍教授和長安大學(xué)孔金玲教授的支持與幫助，在整個野外作業(yè)中,天津地質(zhì)調(diào)查中心水環(huán)院各位同事及河北曹妃甸項目組全體成員參與了海上艱苦作業(yè),在此一并表示衷心的感謝!

[1]曹妃甸工業(yè)區(qū)管理委員會.加快曹妃甸開發(fā)建設(shè)努力成為拉動環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展新引擎[J].港口經(jīng)濟,2008,（3）:42-44.

[2]李建國，孫曉明，康慧，等.曹妃甸近海Ⅱ類水體光譜反射率與懸浮泥沙濃度相關(guān)性研究[J].國土資源遙感，2009，（3）:54-58.

[3]楊華，趙洪波，吳懿喜.曹妃甸海域水文泥沙環(huán)境及沖淤演變分析[J].水道港口，2005，26（3）：130－133.

[4]GB77378.4-1998.海洋監(jiān)測規(guī)范(第四部分:海水分析)[S].

[5]匡翠萍，劉曙光，陳思宇，張宇，潘毅，鄧凌.曹妃甸海洋水動力環(huán)境監(jiān)測與海岸帶近現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境演化趨勢預(yù)測－曹妃甸地區(qū)水動力環(huán)境數(shù)值模擬計算與評價專題報告[R].上海：同濟大學(xué)，2009．

Abstract:This paper’s purpose is to obtain the SPM concentration in diofoferent depth oof total 49 stations in ofour proofiles by ofield investigation and sampling test.We analyze the area oof SPM concentration both in the plane and spatial distribution characteristics.This paper set up the SPM concentration in the space correlation experience model,and themodelwas veriofied w ith satisofaction.It can provide basic data ofor the remote sensing quantitative dynam icmonitoring oof SPM concentration on the space,at them iddle and bottom.

Keywords:suspended particulatematter;spatialdistribution characteristic;correlative experiencemodel;Caoofeidian;Hebeiprovince

Study on Distribution Characteristicsoof the Suspended Particulate M atter(SPM)Concentration in the Caoofeidian CoastalArea

DU Dong,LIU Hong-wei,QINYa-ofei,XUQin-mian YANG Ji-long,CHEN Peng
(Tianjin Instituteoof Geology and M ineralResources,Tianjin 300170,China)

P534.63+2

A

1672－4135（2012）02－0189-06

2012-05-10

國家公益性行業(yè)科研專項資助項目（201011019）；河北曹妃甸濱海地區(qū)海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價項目(1212010814005)

杜東(1981-)，男，碩士，工程師，2007年7月畢業(yè)于長安大學(xué)水文與水資源專業(yè)，現(xiàn)主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)海洋地質(zhì)工作，Email：yndd24@163.com。