鄧智瑞， 何 青， 邢超鋒， 郭磊城， 王憲業(yè)（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200062）

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長(zhǎng)江口北槽柱狀沉積物粒度分布特征及沉積環(huán)境指示意義

鄧智瑞， 何 青， 邢超鋒， 郭磊城， 王憲業(yè)
（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200062）

為了研究長(zhǎng)江口北槽深水航道的泥沙回淤機(jī)制及來(lái)源， 通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口北槽深水航道中部南、北導(dǎo)堤兩側(cè)壩田區(qū)域所采淺鉆柱狀樣的沉積物特征、粒度參數(shù)特征、粒度成分和沉積速率特征等的分析，探討北槽深水航道水動(dòng)力條件和泥沙沉積環(huán)境。結(jié)果顯示， 柱狀樣以黏土質(zhì)粉砂為主， 受徑流和潮汐作用， 分選性都較差， 偏態(tài)均為正偏， 北導(dǎo)堤和南導(dǎo)堤兩側(cè)柱狀樣的分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)在同一側(cè)相互之間的特征較一致， 且三組分組成接近； 南北導(dǎo)堤異側(cè)之間的粒度特征差異較為明顯， 北導(dǎo)堤一側(cè)的平均粒度比南導(dǎo)堤的小， 北導(dǎo)堤壩田附近的柱狀樣粒級(jí)百分比在垂向上波動(dòng)變化較大， 南導(dǎo)堤則表現(xiàn)的較為單一； 南北導(dǎo)堤的敏感組分主要集中在粒級(jí)100 μm部分。結(jié)合資料和測(cè)年數(shù)據(jù)， 綜合得出，由于北導(dǎo)堤和南導(dǎo)堤的漲落潮不對(duì)稱(chēng)， 導(dǎo)致了其粒度特征上的不同； 北槽淤積中的流域供沙逐漸減少，泥沙來(lái)源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉┎劢粨Q供沙為主； 北槽受深水航道工程影響巨大， 泥沙沉積過(guò)程復(fù)雜， 還需深入研究。

長(zhǎng)江口； 北槽； 沉積； 柱狀樣； 粒度

［Foundation： National Natural Science Foundation of China， No.41276080，No.51320105005； Non-Profit Industry Financial Program of MWR，No.201201070-03］

河口作為河流與海洋的樞紐， 受自然條件和人為影響， 許多沉積物在此產(chǎn)生復(fù)雜變化， 同時(shí)對(duì)周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行反饋。沉積物的粒度分析方法是研究地表沉積物的沉積過(guò)程、沉積環(huán)境的重要手段。粒度特征不僅可以對(duì)沉積物進(jìn)行分類(lèi)， 還可以比較出不同時(shí)期的沉積環(huán)境， 同時(shí)由于沉積物的沉積過(guò)程受組成物質(zhì)、動(dòng)力條件等影響， 沉積物的特征也會(huì)反映出相關(guān)的重要環(huán)境信息［1-3］。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江作為中國(guó)第一大河， 多年平均徑流量和輸沙率分別為8970×108m3/a（1950～2007年）和4.02× 108t/a（1951～2007年）［4］。長(zhǎng)江河口則為徑流與潮流相互消長(zhǎng)非常明顯的多級(jí)分汊沙島型中等潮汐河口［5］。長(zhǎng)江河口從徐六涇往外江面驟然開(kāi)闊， 呈“三級(jí)分汊，四口入?！钡男蝿?shì)： 崇明島將長(zhǎng)江河口分為南支和北支， 南支又被長(zhǎng)興島、橫沙島分為南港和北港， 九段沙又將南港分為南槽和北槽， 因而又是一個(gè)典型的分汊型河口（圖1）。自從2003年6月三峽工程蓄水以后， 長(zhǎng)江上游的供沙情況發(fā)生了顯著變化， 河口區(qū)沖淤狀況也產(chǎn)生了相應(yīng)的響應(yīng)［6］； 另外， 長(zhǎng)江口深水航道工程于1997年底經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施， 工程分三期建設(shè)， 包括在長(zhǎng)江口南港北槽內(nèi)建筑南、北導(dǎo)堤和丁壩等整治建筑物， 其中北導(dǎo)堤49 km、南導(dǎo)堤48 km、分流口南線堤1.6 km和潛堤3.2 km； 南北導(dǎo)堤間丁壩19座， 疏浚航道近80 km， 使航道水深分階段增深到8.5、10及12.5 m， 航道底寬350～400 m， 北槽深水航道的泥沙特性、水流結(jié)構(gòu)也受到工程影響而產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)［7］。因此研究北槽深水航道的沉積特征， 既可以總結(jié)三期工程后深水航道的回淤情況， 也可以為今后航道的治理工作提供基礎(chǔ)資料。本文以2013年7月北槽深水航道淺鉆柱狀樣采集資料為基礎(chǔ)， 分析長(zhǎng)江口北槽深水航道中部淺鉆柱樣沉積物粒度特征及其對(duì)水動(dòng)力和沉積環(huán)境的指示。

2 材料與方法

2013年7月， 在北槽深水航道， 按一定間距采集了5個(gè)柱狀樣（圖1）： 北槽北導(dǎo)堤4、5號(hào)丁壩之間回淤區(qū)前沿1、2、3號(hào)（NPN-1、NPN-2、NPN-3）、北槽南導(dǎo)堤4、5號(hào)丁壩之間回淤區(qū)前沿4、5號(hào)（NPS-1、NPS-2）。柱狀樣深度在30～136 cm， 實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)將沉積物柱狀樣縱向剖開(kāi)， 進(jìn)行拍照與描述后，以10 cm間隔進(jìn)行分割。每一段各取5 g左右樣品，一份做粒度分析， 另一份利用210Pb放射性同位素方法進(jìn)行年代測(cè)定。

圖1 長(zhǎng)江口研究區(qū)域示意圖Fig.1 Map of the Yangtze River Estuary topography and the sample site in the North Passage

表1 采樣記錄表Tab.1 The sampling record

粒度分析的方法如下： 取樣品約2 g放入小燒杯，加入0.16%的六偏磷酸鈉（NaPO3）6浸泡24 h， 用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Master sizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析， 獲得1/4 Φ間隔的粒度分布， 數(shù)據(jù)測(cè)量范圍為0.01～2 000 μm， 粒級(jí)分辨率為0.1 Φ，重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差＜3%［8］， 具體參數(shù)根據(jù)Matlab相關(guān)程序計(jì)算而得［9］。

同位素測(cè)年方法如下： 稱(chēng)取3 g左右研磨后樣品裝入直徑1 cm圓柱狀樣品管中， 密封3周后， 使用EG&G ORTEC生產(chǎn)的井型探頭GWL-120210-S測(cè)量。利用46.5 keV和351.9 keV特征峰作為總210Pb和補(bǔ)償210Pb的比活度， 計(jì)算二者的差值即為過(guò)剩210Pb的比活度［10-11］。粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)差分析方法主要是通過(guò)計(jì)算沉積物粒度每一粒徑范圍組分在樣品中的偏差值， 偏差值大反映了某一粒徑范圍的組分變化大，偏差值小則反映了某一粒徑范圍的組分變化小， 據(jù)此可以分析不同粒徑組分對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算公式為：其中S為偏差， Si為樣本值，S為樣本的平均值， n為樣本數(shù)［12］。

3 結(jié)果

3.1 柱狀樣沉積物特征

柱狀樣NPN-1、NPN-2、NPN-3相對(duì)較長(zhǎng)， 垂向上沉積物顏色變化顯著， 而NPS-1和NPS-2巖性較為均一（圖2）。

NPN-1： 樣品長(zhǎng)134 cm， 0～15 cm為黃褐色細(xì)黏土質(zhì)粉砂； 15～60 cm為灰褐色細(xì)粉砂； 60～90cm為灰色粉砂； 90～125 cm為褐色黏土質(zhì)粉砂， 125～130 cm為灰黑色砂質(zhì)粉砂， 整個(gè)剖面在外觀上變化為上部顏色淺， 下部顏色深。

圖2 柱狀樣形態(tài)特征Fig. 2 The appearances of sediment cores

NPN-2： 樣品長(zhǎng)80 cm， 0～20 cm為黃褐色黏土；20～40 cm紅褐色粉砂質(zhì)黏土， 其中30 cm處開(kāi)始向下沉積物粒度明顯變粗； 40～70 cm為灰黑褐色黏土質(zhì)粉砂； 70～80 cm為灰色黏土粉砂， 整個(gè)剖面顏色以及沉積物的粒度變化分界明顯。

NPN-3： 樣品長(zhǎng)80 cm， 0～28 cm為灰褐色黏土；28～60 cm為灰黑色黏土質(zhì)粉砂， 其中上部28～60 cm為顏色較黑的黏土質(zhì)粉砂； 60～80cm為灰褐色砂質(zhì)粉砂， 質(zhì)地均勻。

NPS-1： 樣品長(zhǎng)40 cm， 上下部粒度組成大致相同，為褐色砂質(zhì)粉砂， 樣品呈現(xiàn)清晰的平行層理分布。

NPS-2： 樣品長(zhǎng)30 cm， 該樣品砂含量相對(duì)NPS-1要多， 顏色偏黃， 樣品出現(xiàn)平行層理。

3.2 柱狀樣粒度數(shù)特征

各柱狀樣沉積物的平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)等粒度參數(shù)及沉積物分布組分如表2、圖3所示。

表2 北槽柱狀樣粒度參數(shù)數(shù)據(jù)表Tab. 2 Grain size parameter of sediment cores from the North Passage

圖3 北槽各柱狀樣沉積物粒度參數(shù)及組分垂向分布Fig. 3 The vertical distribution of grain size parameters and components

平均粒徑可以反映沉積物的大小概況。

柱狀樣NPN-1的平均粒徑自10～80 cm處于變大的趨勢(shì)， 在80～90 cm處粒徑最小， 之后90～120 cm又呈增加的趨勢(shì)， 在120 cm處沉積物顆粒最粗； 分選性較差， 分選系數(shù)為2左右， 而且隨著深度的增加分選系數(shù)有增大趨勢(shì)； 柱狀樣粉砂的含量約占60%～70%， 黏土和砂的含量接近。

柱狀樣NPN-2沉積物的平均粒徑在垂向上的變化不明顯， 變化范圍在10～20 μm之間， 在30 cm處最細(xì)， 60 cm處較粗； 平均分選系數(shù)1.96， 分選較差，在30 cm處分選系數(shù)最小， 粒徑越小， 分選越好； 偏態(tài)和峰態(tài)變化大致呈波動(dòng)變化的形式， 總體上變化較??； 柱狀樣組分與NPN-1接近， 以粉砂為主， 砂的含量最少。柱狀樣NPN-3沉積物分布由下部往上呈現(xiàn)波動(dòng)細(xì)化， 總體可以分為兩段， 0～30 cm處粒徑變化不大， 之后在40 cm處達(dá)到最小值， 40～80 cm呈波動(dòng)增加趨勢(shì)； 組分上依然是粉砂為主要成分， 在40 cm處黏土所占比例大于砂， 而在70 cm處砂所占比例大于黏土， 其它位置兩者所占組分相當(dāng)。

柱狀樣NPS-1平均粒徑由上往下逐漸變粗， 且變化越來(lái)越顯著， 總體以粉砂為主， 砂和黏土含量相當(dāng)， 各組分含量垂向上變化幅度不大； 平均分選系數(shù)1.98， 平均偏態(tài)0.38。

柱狀樣NPS-2的沉積物有由上往下逐漸變細(xì)的趨勢(shì)， 分選系數(shù)隨著粒徑的減小而增大， 組分在各個(gè)深度都呈現(xiàn)出粉砂＞砂＞黏土的特征。

總體看來(lái)， 在北導(dǎo)堤三個(gè)柱樣中， 平均粒徑大約在10～20 μm之間變化， 僅在120 cm和70 cm的較深處出現(xiàn)較大粒徑， 接近30 μm； 分選系數(shù)在2左右，分選性都較差； 偏態(tài)均為正偏， 偏態(tài)值在0～0.4之間；峰態(tài)值在0.9左右； 在組分上粉砂占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)， 含量達(dá)到60%～70%， 砂和粉砂的含量相當(dāng)； 各個(gè)參數(shù)在垂向上的變化大致為波動(dòng)變化， 沒(méi)有明顯趨勢(shì)。在南導(dǎo)堤兩個(gè)柱樣中， 平均粒徑在20～30 μm之間，NPS-1有隨深度增加粒徑增大的趨勢(shì)， 而NPS-2的平均粒徑則隨深度增加而減??； 兩個(gè)柱樣的分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)大小接近， 而且分選系數(shù)呈現(xiàn)隨粒徑減小而增大的趨勢(shì)， 偏態(tài)和峰態(tài)呈現(xiàn)出隨粒徑減小而減小的趨勢(shì)； 兩個(gè)柱樣依舊是粉砂為主。

依據(jù)柱樣剖面顏色等變化， 各柱樣中取一些特征點(diǎn)進(jìn)行粒度頻率曲線分析， 結(jié)果如圖4。NPN-1沉積物粒度頻率曲線上部與底部較為一致， 而中部的主峰則分布各異。NPN-2的沉積物粒度頻率曲線在上部和底部與NPN-1較為接近， 而中部主峰則有比較明顯的集中， 其中60 cm處的主峰最高。柱樣NPN-3的粒度頻率曲線除了40 cm和70 cm外都比較一致， 總體比NPN-1的主峰高。NPS-1和NPS-2垂向上不同深度的粒度頻率曲線較為一致， 基本無(wú)變化。

圖4 北槽各柱樣典型粒度頻率曲線分布Fig. 4 Typical grain size–frequency curves of sediment cores from the North Passage

3.3 環(huán)境敏感因子的提取

由于沉積物的來(lái)源不同以及受到各種因素的影響， 沉積過(guò)程變得尤為復(fù)雜， 要對(duì)柱狀樣進(jìn)行沉積環(huán)境分析， 則需要提取出對(duì)環(huán)境響應(yīng)敏感的組分來(lái)分析動(dòng)力過(guò)程。因?yàn)檎麄€(gè)沉積序列所包含的粒度組分并不都在單個(gè)樣品中表現(xiàn)為明顯的組分峰值（眾數(shù)）， 所以從單個(gè)樣品的粒度頻率曲線上很難確定沉積物總體所包含的粒度組分個(gè)數(shù)， 這就需要使用粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)差方法， 依據(jù)每一粒級(jí)對(duì)應(yīng)含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化來(lái)獲取環(huán)境敏感因子， 通過(guò)計(jì)算每一粒級(jí)在柱狀沉積物中標(biāo)準(zhǔn)偏差值， 將標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大的粒級(jí)作為環(huán)境敏感因子，進(jìn)而分析沉積環(huán)境對(duì)于某些組分的影響［12］。

圖5展示了利用粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差算法所得出的長(zhǎng)江口北槽柱狀樣中每個(gè)粒級(jí)組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨粒級(jí)組分的變化曲線， 曲線中標(biāo)準(zhǔn)偏差值較高的部分即對(duì)應(yīng)柱狀樣中對(duì)環(huán)境因素敏感的部分。從圖5中可以看出， 北導(dǎo)堤三個(gè)點(diǎn)（NPN-1、NPN-2、NPN-3）在粒徑大小7～10 μm的部分有一個(gè)敏感點(diǎn)， 而粒徑大小在100 μm左右的部分更為敏感； 南導(dǎo)堤兩個(gè)點(diǎn)（NPS-1、NPS-2）則在粒徑20 μm左右和100 μm左右的部分較為敏感； 總體看來(lái)， 在同一側(cè)的柱狀樣敏感部分較為一致， 兩個(gè)地區(qū)的柱狀樣在粒徑大小為100 μm左右的部分最為敏感， 而總體上標(biāo)準(zhǔn)偏差值從大到小為北導(dǎo)堤＞南導(dǎo)堤。從標(biāo)準(zhǔn)偏差可看出， 北導(dǎo)堤部分動(dòng)力作用比南導(dǎo)堤變化大， 導(dǎo)致粒度組分變化較大。

圖5 長(zhǎng)江口北槽柱狀樣粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線圖Fig. 5 Standard deviations of grain size components for core sediments from the North Passage

4 討論

4.1 北槽壩田淤積泥沙來(lái)源

長(zhǎng)江口北槽深水航道的回淤現(xiàn)象是研究航道工程影響的重點(diǎn)。北槽中回淤泥沙的來(lái)源較為復(fù)雜， 基本來(lái)源主要有流域來(lái)沙、海域來(lái)沙以及汊道之間的來(lái)沙等。金镠等［13］提出近底高濃度懸沙的生成與黏性細(xì)顆粒泥沙在潮汐水流中的沉降特性有關(guān)， 灘槽之間的泥沙交換為主要泥沙來(lái)源， 泥沙可能在橫向水體中高濃度懸沙輸運(yùn)。陳維［4］根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析了影響北槽回淤的原因， 包括南沙頭通道、橫沙通道、科氏力以及分流口魚(yú)咀工程等； 劉高峰［14］研究了北槽三期工程中的回淤規(guī)律， 認(rèn)為北槽整體表現(xiàn)為“洪淤枯沖”的規(guī)律， 北槽中段（即本文柱狀樣所在部分）淤積強(qiáng)度大， 極可能與附近南灘淤積有內(nèi)在聯(lián)系。陳煒等［15］提出， 北槽分流口泥沙來(lái)源于南港河段， 在向“南港—北槽”輸運(yùn)的過(guò)程中， 一部分泥沙受到分流潛堤攔截， 落淤在潛堤北側(cè)造成九段沙沙頭持續(xù)淤長(zhǎng)。綜合各學(xué)者的研究， 說(shuō)明北槽的泥沙來(lái)源是多方面的。

多年統(tǒng)計(jì)顯示， 近年來(lái)長(zhǎng)江中下游各水文觀測(cè)站普遍表現(xiàn)出輸沙量減少的現(xiàn)象， 特別是1998年以后， 年輸沙量均小于3×108t， 平均2.24×108t， 僅為多年平均值的48%［4］， 據(jù)趙捷［16］的統(tǒng)計(jì)， 1998～2010年， 進(jìn)入北槽的流域懸沙量約為4.4×108t/a， 2010年則不足3×108t/a， 流域來(lái)沙的直接落淤已經(jīng)不再是航道泥沙回淤的主要來(lái)源。柱狀樣多以細(xì)顆粒粉砂為主， 在南北兩個(gè)部分泥沙的三組分接近。通過(guò)多年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)， 北槽中泥沙與潮汐的關(guān)系大致為：大潮含沙量大于小潮， 漲潮含沙量大于落潮， 并且多年來(lái)長(zhǎng)江口水域的懸沙含沙量及其季節(jié)性變化和隨潮汐而變的規(guī)律均未改變， 說(shuō)明北槽的水體含沙量主要受潮汐動(dòng)力控制［17-19］。4、5號(hào)丁壩之間回淤量大于其他區(qū)域的原因， 主要還是由于北槽中段漲潮動(dòng)力有所增強(qiáng)而落潮動(dòng)力減弱， 落潮優(yōu)勢(shì)和輸沙能力降低［18］。從柱狀樣的粒度參數(shù)看， 能看出北導(dǎo)堤和南導(dǎo)堤在垂向上的粒度曲線明顯不同， 在北邊不同深度粒度曲線變化較大， 南邊則基本保持一致，這估計(jì)是由于動(dòng)力條件的不同而產(chǎn)生的。

一般認(rèn)為， 沉積物的平均粒徑（或中值粒徑）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（或分選系數(shù)）主要受物源控制的； 沉積環(huán)境對(duì)沉積物的粒度性質(zhì)的改造（嚴(yán)格地說(shuō)是最后沉積環(huán)境對(duì)原來(lái)沉積的改造）， 主要表現(xiàn)在某些原有組分的丟失或新組分的加入， 即主要反映在頻率曲線上粗、細(xì)兩尾部的變化（即峰態(tài)和偏態(tài)）［20］。從表1中可以看出， 雖然南導(dǎo)堤采樣點(diǎn)與北導(dǎo)堤采樣點(diǎn)的粒度參數(shù)有所不同， 但總體大小比較接近， 說(shuō)明南北導(dǎo)堤的泥沙來(lái)源較為一致， 因水動(dòng)力等沉積環(huán)境不同而產(chǎn)生微小差異； 所有柱狀樣偏度值均屬于正偏， 說(shuō)明沉積物的來(lái)源較為復(fù)雜。結(jié)合相關(guān)資料［16， 18-19， 21］， 北槽淤積量并未隨著流域來(lái)沙減少而產(chǎn)生明顯減少，說(shuō)明北槽泥沙的來(lái)源組成正在發(fā)生轉(zhuǎn)變， 北槽泥沙應(yīng)該為非流域來(lái)沙為主， 一方面由于壩田區(qū)的不斷淤積， 由原來(lái)的泥沙“收納區(qū)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皝?lái)源地”， 另一方面， 北槽與周邊橫沙島和九段沙的泥沙交換也日益顯著， 此外， 南槽口附近高濁度的泥質(zhì)區(qū)也將成為北槽泥沙的來(lái)源之一。

4.2 北槽動(dòng)力差異

沉積物粒度參數(shù)包含了豐富的海洋沉積動(dòng)力學(xué)和沉積物運(yùn)移方面的重要信息， 粒度分析不僅可以用來(lái)識(shí)別沉積環(huán)境或判定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式， 而且可以用于海洋環(huán)境中沉積物輸運(yùn)方向的研究。劉紅［22］在研究中發(fā)現(xiàn)， 長(zhǎng)江口主槽表層沉積物中值粒徑與落潮歷時(shí)等動(dòng)力參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系， 認(rèn)為落潮動(dòng)力條件是決定長(zhǎng)江口表層沉積物中值粒徑的大小的主要?jiǎng)恿σ蛩亍２煌降乃樾嘉镔|(zhì)進(jìn)入淺海后， 會(huì)遭受海浪的蕩滌， 在不同方向的波浪和海流的作用下，緩慢地向外海運(yùn)動(dòng)； 一般認(rèn)為， 離岸越遠(yuǎn)， 水動(dòng)力越來(lái)越弱， 沉積物顆粒越?。?粗粒沉積物在近海沉積，細(xì)粒物質(zhì)攜帶較遠(yuǎn)， 多在較深海沉積［9］。北槽以落潮占優(yōu)勢(shì)， 從海到陸， 潮流動(dòng)力作用逐漸減弱。而NPN-1、NPN-2和NPN-3則屬于北槽北導(dǎo)堤， NPS-1 和NPS-2屬于南導(dǎo)堤， 從粒度分布曲線就可看出明顯差別： 北導(dǎo)堤的柱樣沉積條件比較復(fù)雜， 主要因?yàn)闈q潮流受地轉(zhuǎn)偏向力會(huì)靠北邊上溯， 而長(zhǎng)江來(lái)水則靠南， 漲潮時(shí)北導(dǎo)堤受漲潮流控制， 而到了落潮時(shí)， 落潮流和徑流雖然靠南沖刷， 但北導(dǎo)堤此時(shí)處于河流控制階段， 因而沉積來(lái)源會(huì)有反復(fù)， 受潮流和徑流交替控制； 而南導(dǎo)堤部位水動(dòng)力作用較強(qiáng)，因而顆粒較粗。

為進(jìn)一步分析北槽中各個(gè)部分對(duì)于水動(dòng)力的響應(yīng)， 采用粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差算法得到柱狀樣在垂向上沉積物每個(gè)粒級(jí)組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差（圖5）， 從結(jié)果中看出，北邊和南邊均為雙峰曲線， 南北導(dǎo)堤幾個(gè)柱狀樣的較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值（主峰）所對(duì)應(yīng)的粒級(jí)大約在100 μm部分， 說(shuō)明南北導(dǎo)堤的泥沙的主要變化組分在100 μm， 二者來(lái)源較為一致； 北導(dǎo)堤的三個(gè)柱狀樣的標(biāo)準(zhǔn)差值大于南導(dǎo)堤， 說(shuō)明北導(dǎo)堤的泥沙交換比南導(dǎo)堤的更為頻繁； 南北導(dǎo)堤的副峰所對(duì)應(yīng)粒徑大小有區(qū)別， 北導(dǎo)堤副峰在10 μm左右， 南導(dǎo)堤副峰在20 μm左右， 說(shuō)明南北導(dǎo)堤雖然泥沙來(lái)源較為一致， 但是由于水動(dòng)力影響， 泥沙的沉積過(guò)程會(huì)稍有不同。研究表明［23］， 深水航道工程使北槽流態(tài)調(diào)整為往復(fù)流， 并且中段靠近航道北側(cè)流向與航道有一定夾角， 導(dǎo)堤阻擋九段沙區(qū)域漲潮流進(jìn)入北槽， 壩田區(qū)出現(xiàn)環(huán)流， 南導(dǎo)堤加高工程使航道內(nèi)水流只在高潮時(shí)與外界交換， 所以余流很小， 水動(dòng)力變化情況為北邊復(fù)雜而南邊較為穩(wěn)定， 這與粒度頻率曲線和粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)差所反映的結(jié)果較為一致。從粒度參數(shù)上看， 南導(dǎo)堤水動(dòng)力作用較強(qiáng)， 因而產(chǎn)生變動(dòng)的粒徑比北導(dǎo)堤粗一些， 這與北槽內(nèi)漲落潮不對(duì)稱(chēng)的情況一致。

4.3 人類(lèi)活動(dòng)作用

由于長(zhǎng)江上游水利工程以及人們對(duì)航道的疏浚工作， 北槽航道的發(fā)展變化較為復(fù)雜， 北槽航道三期工程以后， 航道兩端淤積嚴(yán)重， 許多專(zhuān)家對(duì)此進(jìn)行了研究， 基本認(rèn)為： （1）航道工程的影響改變了北槽的流場(chǎng)情況， 如丁壩的遮擋導(dǎo)致水動(dòng)力減弱， 泥沙落淤； 工程后由于受到導(dǎo)堤和丁壩的束水作用，主槽潮流流向更集中， 潮流的橫向動(dòng)力減弱， 主流線基本與導(dǎo)堤走向一致， 由旋轉(zhuǎn)流變?yōu)橥鶑?fù)流等，并且影響優(yōu)勢(shì)潮量（落潮）， 即落潮流優(yōu)勢(shì)比從65%下降到55%左右［14］； （2）人工疏浚也在人為地影響泥沙的輸運(yùn)， 且在北槽中也有相應(yīng)的拋泥區(qū)和貯泥坑，但疏浚拋泥僅能影響貯泥坑和拋泥區(qū)附近的局部區(qū)域［21］， 從圖6中看到， 本次采樣點(diǎn)在4號(hào)和5號(hào)丁壩之間， 附近有3號(hào)吹泥站（貯泥坑）， 雖然徑流或潮流有可能將上游或下游的疏浚泥沙輸送到采樣點(diǎn)， 但根據(jù)粒度參數(shù)結(jié)果， 南導(dǎo)堤和北導(dǎo)堤的柱狀樣在粒徑組分上接近， 說(shuō)明吹泥站的存在并未對(duì)壩田區(qū)回淤的來(lái)源造成很大影響， 而根據(jù)戚定滿等［24］的研究結(jié)果， 3號(hào)吹泥站周?chē)魉佥^快， 拋泥流失率較高，因而北導(dǎo)堤的沉積環(huán)境比南導(dǎo)堤更為復(fù)雜， 這點(diǎn)在柱狀樣的敏感性分析中得以體現(xiàn)； （3）此外， 還有水庫(kù)、魚(yú)咀等工程影響， 導(dǎo)致研究區(qū)域流場(chǎng)較為復(fù)雜，還需作進(jìn)一步研究。

4.4 沉積速率

一般來(lái)說(shuō)， 同位素測(cè)年（210Pb，137Cs等）和斷面高程重復(fù)測(cè)量是用來(lái)計(jì)算沉積速率最常用的兩種手段。測(cè)定沉積速率可以一定程度上判斷長(zhǎng)江口的演變過(guò)程， 依據(jù)同位素測(cè)年方法， 根據(jù)210Pb的恒定初始活度（CIC）模式推算NPN-1柱樣平均沉積速率約為3.5 cm/a； 根據(jù)210Pb衰變模式， 垂向上理想的210Pb活度應(yīng)隨深度增加呈現(xiàn)指數(shù)遞減， NPN-2柱樣中過(guò)剩210Pb活度下部高， 上部低， 無(wú)法進(jìn)行沉積速率的計(jì)算。NPN-3也呈現(xiàn)出和NPN-2類(lèi)似的現(xiàn)象。沉積物柱樣NPS-2的平均沉積速率約為1.0 cm/a。

圖6 北槽內(nèi)部3個(gè)吹泥站位置［24］Fig. 6 The four disposal zones of the Yangtze River Estuary the North Passage

由于本次所采柱樣長(zhǎng)度較短， 而且研究區(qū)域受人為影響較大， 同位素的測(cè)定結(jié)果不盡人意， 根據(jù)柱狀樣的沉積速率以及柱狀樣長(zhǎng)度可以推斷出， 北導(dǎo)堤N(yùn)PN-1和南導(dǎo)堤N(yùn)PS-2的泥沙淤積大約都在近30 a內(nèi)形成， 但靠近深水航道中部的部分則無(wú)法用210Pb確定沉積速率， 說(shuō)明北槽內(nèi)泥沙交換頻繁。北導(dǎo)堤有兩個(gè)柱狀樣在垂向上表現(xiàn)出下部210Pb活性比上部高， 很有可能為在航道工程初期， 河床水動(dòng)力作用復(fù)雜， 泥沙交換頻繁， 而到工程后期， 灘槽的淤積呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。而南導(dǎo)堤柱狀樣由于采樣數(shù)較少， 難以作垂向上的比較。謝文靜［25］通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口三角洲31個(gè)站位的210Pb測(cè)定發(fā)現(xiàn)， 長(zhǎng)江口許多柱狀樣210Pb比活度在垂向上存在復(fù)雜的變化規(guī)律，說(shuō)明長(zhǎng)江河口復(fù)雜的源匯過(guò)程和沉積動(dòng)力過(guò)程破壞了210Pb的正常沉積， 而在北槽中的柱狀樣210Pb比活度呈現(xiàn)的是分段衰變類(lèi)型， 這可能為塊體搬運(yùn)沉積的結(jié)果。綜上所述， 長(zhǎng)江口北槽深水航道的泥沙來(lái)源和沉積過(guò)程較為復(fù)雜， 要探究其年代變化規(guī)律， 還有許多工作待開(kāi)展。

圖7 長(zhǎng)江口北槽柱狀樣210Pb分析結(jié)果Fig. 7 Results of isotopic dating using210P bisotopic dating

5 結(jié)論

本研究根據(jù)對(duì)北槽航道中部淺鉆柱樣沉積物粒度特征的分析， 得到關(guān)于水沙動(dòng)力和沉積環(huán)境的如下結(jié)果。

1） 長(zhǎng)江口北槽深水航道中段柱狀樣以黏土質(zhì)粉砂為主， 受徑流和潮汐作用， 分選性都較差， 偏態(tài)均為正偏， 北導(dǎo)堤各個(gè)柱狀樣平均粒徑大約在10～20 μm之間， 其他參數(shù)在垂向上的變化大致為波動(dòng)變化，沒(méi)有明顯趨勢(shì)； 南導(dǎo)堤兩個(gè)柱樣， 平均粒徑在20～30 μm之間， 兩個(gè)柱樣的分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)大小接近。

2） 研究區(qū)域南北的差異較為明顯。北導(dǎo)堤的平均粒度比南導(dǎo)堤的小， 雖然南北導(dǎo)堤的三組分組成接近， 但是北導(dǎo)堤的柱樣在垂向上波動(dòng)變化較大，南導(dǎo)堤則表現(xiàn)的較為單一， 這與北導(dǎo)堤泥沙沉積條件較為復(fù)雜有關(guān)。從粒度頻率曲線上看， 北導(dǎo)堤的頻率曲線在垂向上差別較大， 有雙峰曲線的出現(xiàn)， 并且峰值會(huì)出現(xiàn)在不同的粒徑處， 南導(dǎo)堤的頻率曲線在垂向上表現(xiàn)的比較均一， 沒(méi)有明顯差別。

3） 南北導(dǎo)堤的敏感組分主要集中在粒級(jí)100 μm部分， 在100 μm部分對(duì)于水動(dòng)力的變化較為敏感，而且北邊和南邊均為雙峰曲線， 北導(dǎo)堤的三個(gè)柱狀樣的標(biāo)準(zhǔn)差大于南導(dǎo)堤， 說(shuō)明北導(dǎo)堤的泥沙活動(dòng)較為頻繁， 這與北槽內(nèi)漲落潮不對(duì)稱(chēng)的情況一致。

4） 影響北槽泥沙沉積的因素很多， 首先， 泥沙來(lái)源便是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題， 從柱狀樣參數(shù)來(lái)看， 南北兩處三組分組成較為一致， 說(shuō)明兩邊的來(lái)源較為一致， 且由于流域來(lái)沙減少， 北槽受潮汐作用強(qiáng)， 流域供沙所占比重逐漸減小， 泥沙來(lái)源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉┎劢粨Q等其他方式； 其次， 由于北導(dǎo)堤和南導(dǎo)堤的水動(dòng)力作用差異， 導(dǎo)致了南北在粒度特征上的不同；結(jié)合資料和測(cè)年數(shù)據(jù)， 可知北槽受三期工程影響巨大， 研究區(qū)域的泥沙大量淤積可能由于壩田區(qū)水動(dòng)力的變化而產(chǎn)生。

致謝： 感謝華東師范大學(xué)河口海岸科學(xué)研究院虞志英教授，徐海根教授在柱狀樣分析過(guò)程中給予的幫助和支持！同時(shí)感謝王張華教授為論文修改提出寶貴意見(jiàn)！

［1］ Folk R L. Petrology of sedimentary rocks［M］. Austin：Hemphill Publishing Company， 2014.

［2］ Folk R L， Ward W C. Brazos River bar： a study in the significance of grain size parameters［J］. Journal of Sedimentary Petrology. 1957， 27（1）： 3-26.

［3］ Visher G S. Grain size distributions and depositional processes［J］. Journal of Sedimentary Research. 1969，39（3）： 1074-1106.

［4］ 陳維. 長(zhǎng)江口北支、北槽沖淤變化及河勢(shì)演變分析［D］.上海： 上海海洋大學(xué)， 2012. Chen Wei. Analysis on Morphological Change and Evolution of River Regime in the North Passage and North Branch of the Changjiang River Estuary. Shanghai Ocean University， 2012.

［5］ 樓飛. 長(zhǎng)江口深水外航道海域沉積和沖淤環(huán)境研究［D］.上海： 華東師范大學(xué)， 2005. Lou Fei. The research of sediment erosion and deposition in the area outside of North Passage， Yangtze estuary ［D］.East China Normal University， 2005.

［6］ 張強(qiáng)， 陳桂亞， 許崇育， 等. 長(zhǎng)江流域水沙周期特征及可能影響原因［J］. 水科學(xué)進(jìn)展. 2009， 20（1）： 80-85. Zhang Qiang， Chen Guiya， Xu Chongyu， et al. Periodic characters of sediment load and runoff changes in the Yangtze River basin in the past 40 years ， China［J］. Advances in Water Science.2009， 20（1）： 80-85.

［7］ 長(zhǎng)江口航道管理局. 長(zhǎng)江口深水航道治理工程成套技術(shù)［J］. 中國(guó)水運(yùn). 2007， 8： 9-11. Yangtze Estuary Channel Administration. A complete sets of technology of Yangtze Estuary deep-water channel regulation project ［J］. China Water Transport. 2007， 8： 9-11.

［8］ 劉幼萍， 童娟， 李小妮. 應(yīng)用馬爾文MS2000激光粒度分析儀分析河流泥沙顆粒［J］. 水利科技與經(jīng)濟(jì). 2005， 6： 329-331. Liu Youping， Tong Juan， Li Xiaoni. Analyzing the silt particles with the Malvern Mastersizer 2000［J］. Water Conservancy Science and Technology and Economy. 2005， 6： 329-331.

［9］ 錢(qián)寧， 萬(wàn)兆慧. 泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京： 科學(xué)出版社，2003. Qian Ning， Wan Zhaohui. Mechanics of sediment transport ［M］. Beijing Science Press， 2003.

［10］ 萬(wàn)國(guó)江. 現(xiàn)代沉積的210Pb計(jì)年［J］. 第四紀(jì)研究. 1997，3： 230-239. Wan Guojiang.210Pb dating for recent sedimentation ［J］. Quaternary science.1997， 3： 230-239.

［11］ 萬(wàn)國(guó)江.137Cs及210Pbex方法湖泊沉積計(jì)年研究新進(jìn)展［J］. 地球科學(xué)進(jìn)展. 1995， 2： 188-192. Wan Guojiang. Progresses on137Cs and210Pbexdating of lake sediments ［J］. Advance in Earth Science.1995， 2：188-192.

［12］ 陳橋， 劉東艷， 陳穎軍， 等. 粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法和主成分因子分析法在粒度敏感因子提取中的對(duì)比［J］. 地球與環(huán)境. 2013， 3： 319-325. Chen Qiao， Liu Dongyan， Chenyingjun. Comparative analysis of Grade-standard deviation method and factors analysis method for environmental sensitive factor analysis ［J］. Earth and Environment. 2013， 3： 319-325.

［13］ 金镠， 虞志英， 何青. 灘槽泥沙交換對(duì)長(zhǎng)江口北槽深水航道回淤影響的分析［J］. 水運(yùn)工程. 2013， 1： 101-108.Jin Liu， Yu Zhiying， He Qing. Response of deepwater channel in north passage to water and sediment exchange between channel and shoal in the Yangtze Estuary ［J］. Port & Waterway Engineering. 2013， 1：101-108.

［14］ 蔣陳娟， 李九發(fā)， 吳華林， 等. 長(zhǎng)江河口北槽水沙過(guò)程對(duì)航道整治工程的響應(yīng)［J］. 海洋學(xué)報(bào). 2013， 35（4）：129-141. Jiang Chenjuan， Li Jiufa， Wu Hualin， et al. Effects of the Deep Waterway Project on the characteristics of hydrodynamics and sediment dynamics in the North Passage of the Changjiang Estuary［J］. Acta Oceanologica Sinica （in Chinese）， 2013， 35（4）：129-141.

［15］ 陳煒， 李九發(fā)， 李為華. 近期長(zhǎng)江口南北槽分流口河段懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究［J］. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境. 2013，22（7）： 865-870. Chen Wei， Li Jiufa， Li Weihua. Recent suspended sediment transport in bifurcation area of North and South Passage of the Yangtze Estuary ［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin.2013， 22（7）：865-870.

［16］ 趙捷， 何青， 虞志英， 等. 長(zhǎng)江口北槽深水航道回淤泥沙來(lái)源分析［J］. 泥沙研究. 2014， 5： 18-24. Zhao Jie， He Qing， Yu Zhiying， et al. Sediment sources of the back-siltation in the North Passage of the Yangtze Estuary［J］. Journal of Sediment Research. 2014， 5：18-24.

［17］ 劉杰， 程海峰， 趙德招. 長(zhǎng)江口12.5m深水航道回淤特征［J］. 水科學(xué)進(jìn)展. 2014， 3： 358-365. Liu Jie， Cheng Haifeng， Zhao Dezhao. Siltation characteristics of the 12.5m deepwater navigation channel in Yangtze Estuary［J］. Advances in Water Science. 2014， 3： 358-365.

［18］ 談澤煒， 范期錦， 鄭文燕， 等. 長(zhǎng)江口北槽航道回淤原因分析［J］. 水運(yùn)工程. 2009， 6： 91-102. Tan Zewei， Fan Qijin， Zheng Wenyan， et al. Analysis of reasons for the siltation in North Passage of Yangtze Estuary［J］. Port & Waterway Engineering. 2009， 6：91-102.

［19］ 沈淇， 高欽欽， 顧峰峰， 等. 長(zhǎng)江口深水航道三期工程后北槽洪枯季水沙運(yùn)動(dòng)特征研究［J］. 海洋學(xué)報(bào)（中文版）. 2014， 7： 118-124. Shen Qi， Gao Qinqin， Gu Fengfeng， et al. Analysis of sediment motion at north passage in flood and dry season after 3rd phase engineering of deep waterways in Changjiang Estuary［J］. Acta Oceanologica Sinica （in Chinese）. 2014， 36（7）： 118-124.

［20］ 金秉福. 粒度分析中偏度系數(shù)的影響因素及其意義［J］.海洋科學(xué). 2012， 2： 129-135. Jin Bingfu. Influencing factors and significance of the skewness coefficient in grain size analysis［J］. Marine Sciences.2012， 2： 129-135.

［21］ 潘靈芝， 丁平興， 葛建忠， 等. 長(zhǎng)江口深水航道整治工程影響下北槽河床沖淤變化分析［J］. 泥沙研究. 2011， 5： 51-59. Pan Lingzhi， Ding Pingxing， Ge Jianzhong， et al. Analysis of influence of Deep Waterway Project on morphological changein North Passage of Changjiang Estuary［J］. Journal of Sediment Research. 2011， 5： 51-59.

［22］ 劉紅， 何青， 孟翊， 等. 長(zhǎng)江口表層沉積物分布特征及動(dòng)力響應(yīng)［J］. 地理學(xué)報(bào). 2007， 1： 81-92. Liu Hong， He Qing， Meng Yi， et al. Characteristics of Surface Sediment Distribution andIts Hydrodynamic Responses in the Yangtze River Estuary ［J］. Acta Geographica Sinica. 2007， 1： 81-92.

［23］ 范中亞. 長(zhǎng)江口深水航道整治工程對(duì)流場(chǎng)、鹽度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究［D］. 上海： 華東師范大學(xué)， 2011. Fan Zhongya. The Effect of Deep Waterway Project on Current andSalinity in Changjiang Estuary ［D］. East China Normal University. 2011.

［24］ 戚定滿， 王元葉， 萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng). 長(zhǎng)江口北槽深水航道整治工程貯泥坑拋泥過(guò)程監(jiān)測(cè)分析［J］. 水運(yùn)工程. 2013，11： 43-48. Qi Dingman， Wang Yuanye， Wan Yuanyang.Field measurement for dumped sediment transport at disposal zone of the Yangtze estuary deep navigation regulation project ［J］. Port& Waterway Engineering. 2013， 11：43-48.

［25］ 謝文靜， 高抒， 楊旸. 長(zhǎng)江口水下三角洲粒度與210Pb特征的空間分布［J］. 第四紀(jì)研究. 2012， 32（6）： 1121-1131. Xie Wenjing， GaoShu， Yang Yang. Spatialdistributionsofgrainsizeand210Pb characteristicsovertheChangjiangsubaqueousdelta ［J］. Quaternary Sciences. 2012，32（6）： 1121-1131.

（本文編輯： 李曉燕）

Sediment depositional characteristics of North Passage in the Yangtze River Estuary

DENG Zhi-rui， HE Qing， XING Chao-feng， GUO Lei-cheng， WANG Xian-ye
（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200062， China）

Jan.， 4， 2015

Yangtze River Estuary； North Passage； sediment depositional； core sediments； grain size

Sediment transport and sedimentation in the North Passage in the Yangtze River Estuary were investigated by exploring the hydrodynamic and depositional processes through analyses of sediment core characteristics，grain size parameters， and sedimentation rates. It was observed that the deposited sediment mostly comprised clayey silt， which features poor sorting and a positive skewness due to the significant influence of river–tide interactions. The values of core skewness and kurtosis coefficients indicate consistent characteristics of sediment components at the north jetty and south jetty， respectively. However， the difference between the north side and south side is evident because the mean grain size at the north jetty was smaller than that at the south jetty. Conversely， the vertical grading curve at the north jetty had a larger fluctuation than that that at the south jetty， suggesting a more stable sediment core grain size distribution at the south jetty. Standard deviation of grain size component analysis showed that a 100-micron grain size was the most sensitive component on both sides. In combination with data from both hydrodynamics and isotope dating， it was observed that tidal asymmetry was the primary controlling factor that caused differences in grain size characteristics on both sides［Editor1］ of the North Passage. In addition， it was found that the sediment from the riverine side gradually reduces， while the supply from sediment exchange between the channel and floodplain becomes dominant for the sedimentation process. Further study is required as the deep-water channel project has substantial influence on sediment transport in the North Passage.

X55

A

1000-3096（2016）01-0112-11

10.11759/hykx20150104002

2015-01-04；

2015-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41276080， 51320105005）； 水利部公益項(xiàng)目（201201070-03）

鄧智瑞（1990-）， 男， 廣西來(lái)賓人， 壯族， 博士研究生， 主要從事河口海岸泥沙研究， E-mail： 52132601012@ecnu.cn； 何青， 通信作者， 博士生導(dǎo)師， E-mail： qinghe@sklec.ecnu.edu.cn