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

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長江口北槽沉積物的粒度特征和輸運(yùn)趨勢探討

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

摘 要：基于長江口北槽沉積物樣品的粒度分析結(jié)果，使用粒徑趨勢分析法，研究了北槽底質(zhì)沉積物的分布特征和輸運(yùn)趨勢。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稱之間；峰度系數(shù)小于1.8，為低峰態(tài)，頻率曲線比較平緩。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：長江口；北槽；沉積物；粒徑特征；運(yùn)移模式

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聯(lián)系電話: 0854-8737021

長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)者基于實測資料和數(shù)學(xué)物理模型對北槽進(jìn)行了大量的研究［3～12］，但是專門關(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分析的報道較少。

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力、泥沙來源變化和人為活動等因素的影響［13，14］。研究一個區(qū)域的沉積物粒度分布特征的變化情況，可以反映該區(qū)域的水動力條件特點(diǎn)，沉積物的運(yùn)移趨勢和泥沙供給條件的變化。本文利用實測資料，分析北槽表層沉積物的粒度分布特征及其輸運(yùn)趨勢。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

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

在走航過程中利用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。

沉積物樣品帶到實驗室后進(jìn)行室內(nèi)粒徑分析，沉積物樣品置于編好號的燒杯中，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Malvern公司產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒徑儀中測量樣品粒徑（粒徑范圍0.01～2000μm）。

得到每個樣品的原始數(shù)據(jù)后通過Mastersizer2000型激光儀器自帶的軟件進(jìn)行粒徑分級，得到各級粒徑的頻率和相對頻率，此后對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，獲得每一個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型

統(tǒng)計北槽底床表層沉積物粒徑結(jié)果表明（見表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分類是比較常用的方法，因此通過Folk分類法對長江口北槽底床表層60個沉積物樣品進(jìn)行分類（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）和粉砂（23個），此外還有粉砂質(zhì)砂（7個）、泥（1個）、砂（1個），共計5種類型。此次與2012年北槽的沉積物分類相比分類變化不大［22］，多了一種類型，即出現(xiàn)在入口段1號采樣點(diǎn)的樣品類型為砂，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型為粉砂。

圖2　長江口北槽沉積物Folk分類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)境類型、沉積物的運(yùn)動方式和指示水動力的大小及其搬運(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)行計算［13］，其采用?單位，之后再轉(zhuǎn)換為μm，具體計算公式為：

通過計算與統(tǒng)計（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?？傮w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。

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，將等級劃分成若干級別。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稱之間；峰度系數(shù)普遍較小，小于1.8，表現(xiàn)為低峰態(tài)，頻率曲線比較平緩。這些粒度參數(shù)和2012年相比基本一致，此次相對于2012年的粒徑有明顯粗化的趨勢，在今后研究中有待進(jìn)一步研究。

表1　長江口北槽沉積物粒度參數(shù)和組分統(tǒng)計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)號為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60，南邊坡的點(diǎn)號為2、6、11、16、21、26、31、36、41、46、51、56，深槽選取每個斷面的中間采樣點(diǎn)。

圖3　長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)水動力較強(qiáng)，所以其沉積物的中值粒徑也較粗，北邊坡則相對較細(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；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；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。

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?？v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，趨勢基本相同?？傮w上，深槽、南、北邊坡為正偏，沉積物粒級曲線偏向較粗側(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

由于長江口北槽的水動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)模型來分析北槽底層沉積物的輸運(yùn)趨勢。

一維泥沙輸運(yùn)模型主要是基于泥沙粒徑的三個粒徑參數(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：泥沙來源唯一性和泥沙輸運(yùn)單向性；假設(shè)有n個樣品，那么沉積物運(yùn)輸方向有N=n（n-1）/2個有方向（正反向）的樣品對，對一對樣品對的平均粒徑（Dm）、分選系數(shù)（Sc）、偏態(tài)（Ssk）進(jìn)行比較，則會出現(xiàn)以下8種類型的粒徑趨勢［23］：

Gao和Collins（1992）、McLaren（1985）提出，沉積物從一點(diǎn)輸移至另外一點(diǎn)，有兩種類型的粒徑趨勢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)過程中能力逐漸變?nèi)?，為低能搬運(yùn)轉(zhuǎn)換過程；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)換過程，即泥沙顆粒變粗，分選更好也更加正偏。滿足上面兩種情形的一種，即可表示泥沙輸移趨勢。

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。北槽北邊坡選取最靠近北導(dǎo)堤的采樣點(diǎn)（斷面號為n，采樣點(diǎn)H=5n，1≤n≤12），深槽選取每個斷面在航槽中間深槽的采樣點(diǎn)（第12個斷面取點(diǎn)58），南邊坡取每個斷面最靠近南導(dǎo)堤的采樣點(diǎn)。這樣，在北槽和南、北邊坡各選了12個樣品點(diǎn)。根據(jù)前述可知，沉積物趨勢偏東和趨勢偏西方向上各有66個樣品對。

由概率模型計算結(jié)果（表2）可知：在北槽北邊坡沉積物輸運(yùn)趨勢傾向于偏西（Z=5.86），向陸搬運(yùn)，搬運(yùn)過程則為低能搬運(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)過程（事件B）時候（Z=4.75）向陸搬運(yùn)，在高能搬運(yùn)過程中（事件C）向海搬運(yùn)（Z=2.88）。這主要是因為深槽是受到徑流和潮流影響最大的部位，漲落潮流速較大，漲潮時沉積物向陸輸運(yùn)，落潮時受徑流影響，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)過程，但傾向于向海搬運(yùn)，搬運(yùn)類型為高能搬運(yùn)（事件C，Z=6.61），向陸搬運(yùn)過程為低能轉(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)趨勢主要跟水動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。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，漲落潮主線存在分異，導(dǎo)致其水動力有較大差異，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　長江口北槽沉積物輸運(yùn)趨勢Table 2 The sediment transport trend in the northern passage of the Yangtze river estuary

3 結(jié)論

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

（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稱之間；峰度系數(shù)較?。ㄐ∮?.8），為低峰態(tài)，頻率曲線比較平緩。

（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

中圖分類號：P343.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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.

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目（41376098）；國家自然科學(xué)基金面上項目（41176069）

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