趙永芳，徐方建，劉清容，李安春，王心懌，吳錦祥，劉航宇，陳　銘，李麗君

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青島市靈山灣海水浴場表層沉積物粒度冬季變化特征及其原因

趙永芳1，2，徐方建3，劉清容4，李安春1，王心懌3，吳錦祥3，劉航宇3，陳銘3，李麗君3

（1.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071； 2.膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，山東 青島 266071； 3.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580； 4.國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266061）

摘要：于2013年11月、2014年1月及3月在青島市靈山灣海水浴場進行了3次表層沉積物采樣，對粒度組分和粒度參數(shù)平面分布的變化進行了分析。結(jié)果表明，本區(qū)沉積物整體有變粗的趨勢，細砂組分特別是極細砂和粉砂組分含量下降明顯，分選性變好，正偏態(tài)及高峰度分布區(qū)擴大，粒度參數(shù)高值分布區(qū)被消除。粒徑趨勢分析表明，在漲潮流與強盛的冬季風驅(qū)動的風浪、沿岸流的綜合作用下，研究區(qū)沉積物總體呈北東-南西向沿岸輸運，運移趨勢變化受到波浪、潮流水動力條件與地形相互作用的影響。短期的波能變化足以改變沙灘地貌，從而影響表層沉積物的分布。可為浴場維護提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：表層沉積物； 粒度趨勢分析； 靈山灣浴場； 青島

（12CX02003A）； 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA05030401）

［Foundation： National Natural Science Foundation of China，No.41430965，No.41106040； Qingdao Science and Technology Development Plan Projects，No.13-1-4-197-jch； Fundamental Research Fund for the Central Universities，No.12CX02003A； Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences，No.XDA05030401］

海岸帶是海陸交匯和地質(zhì)作用極為活躍的地帶，在潮汐、波浪等作用下處于動態(tài)變化中。砂質(zhì)海灘是重要的礦產(chǎn)資源和旅游資源，作為天然的緩沖器還保護著海岸免受強烈的波浪侵襲。近幾十年來，海灘資源開發(fā)、保護與管理需求迫切，國內(nèi)外海灘研究日益深入，在海灘沉積物分布、運移趨勢、海灘質(zhì)量評價、海灘動力地貌過程等方面已經(jīng)取得了豐富的研究成果［1-9］。

青島市管轄海域面積 1.38×104km2，海岸線863.3 km［10］，海灣多處，浴場眾多，比較著名的有第一海水浴場、第二海水浴場、石老人海水浴場、金沙灘、銀沙灘以及靈山灣海水浴場等，其沉積物分布及搬運得到了一定的關(guān)注［6，11-13］。相對來講，針對某個海灘或浴場某個季節(jié)內(nèi)變化的研究卻非常少。本文以靈山灣海水浴場為例，在冬季對表層沉積物進行了間隔2個月的3次采樣，通過粒度分析探討了冬季沉積物分布及輸運趨勢變化特征。這可以為進一步了解海灘沉積物分布及演變提供基礎(chǔ)資料，也為砂質(zhì)海灘的利用與保護提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

靈山灣海水浴場位于黃島區(qū)東部，北依小珠山，西南臨瑯琊臺，東南與靈山島相望，在海岸地貌上屬于大、小珠山之間的耳形海灣，風景十分優(yōu)美。本區(qū)域內(nèi)第四系地層貧薄。海岸總體延伸呈北東-南西向。自20世紀90年代以來，靈山灣每年蝕退可達7 m［14］。2013年以來，隨著青島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)（黃島區(qū)）的建設發(fā)展，浴場周邊也逐漸建立了諸多旅游場所和酒店等，人類活動干預不斷加強。

研究區(qū)地處典型的東亞季風氣候區(qū)，冬季多西北風，夏季多東南風，風向SE、N、NNW出現(xiàn)的頻率高，年平均風速為5.5 m/s［15］。累計年平均氣溫為12.3℃，年平均降水量為775.6 mm，夏、秋季降水量較多［15］。受季風的影響，波浪具有一定的季節(jié)性變化，全年強浪向都集中在 E～NNE，春夏季常浪向為 SE向，秋冬季常浪向為 NW 向。其中，夏季波高最大，春季的最小，平均分別為3.1 m、1.4 m，秋、冬季的波高平均分別為2.1 m、1.9 m。該區(qū)潮流屬正規(guī)半日潮流，基本屬于往復流； 年平均高潮位為 3.5 m，平均低潮位為0.9 m。在灣口和岬角處的流速出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，最大流速的流向與海岸線基本平行，近海的余流流速一般小于20 cm/s［6，15］。

表層沉積物樣品分別于2013年11月5日（農(nóng)歷十月初三，127個）、2014年1月2日（農(nóng)歷十二月初二，140個）和2014年3月2日（農(nóng)歷二月初二，144個）潮位最低時獲取，共計411個（采樣站位見圖1）。定位采用美國Magellan eXplorist 500手持GPS，定位精度<7 m。

圖1　青島市靈山灣海水浴場采樣站位圖Fig.1　Sampling stations of Lingshanwan Beach，Qingdao

樣品分別經(jīng)過量30%雙氧水和1 mol/L鹽酸處理去除沉積物中的有機質(zhì)及碳酸鹽［16］，其后將樣品離心 3次，處理后的樣品經(jīng)超聲波振蕩分散后在中國石油大學（華東）進行測試。分析所用儀器為BT-2002型激光粒度儀，測量范圍為 1～2 600 μm，重復測量相對誤差<3%。采用矩法［17］計算了各粒度參數(shù)。

采樣期間波浪和潮位資料來自于青島小麥島海洋站。

底圖遙感影像來自Google Earth截圖，在Envi5.0中與來源于地理空間數(shù)據(jù)云的 Landsat8影像進行校正后使用。

2　結(jié)果與討論

2.1沉積物粒度參數(shù)

分別對3次采集的沉積物粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度）進行數(shù)理統(tǒng)計，獲取了各參數(shù)平均值、中位數(shù)和眾數(shù)的變化趨勢（圖2）。平均粒徑的平均值、中位數(shù)和眾數(shù)先降低后略有升高，表明本區(qū)沉積物先變細后變粗。沉積物顆粒大小主要受到物源和流水營力的控制，然而，研究區(qū)內(nèi)并無河流注入本區(qū)，因此物源變化影響可以忽略。因此，沉積物顆粒大小變化主要反映了采樣區(qū)水動力條件的波動［12］，沉積物平均粒徑總體變粗表明水動力條件略有增強。分選系數(shù)的平均值、中位數(shù)和眾數(shù)前兩次采樣變化甚微，2014年1月到3月間下降明顯，表明本區(qū)表層沉積物分選性變好。偏度和峰度變化趨勢相似，整體上平均值、中位數(shù)和眾數(shù)都略有升高，表明本區(qū)沉積物整體趨向正偏態(tài)和高峰值。

將沉積物劃分為砂組分（62.5～2 000 μm）和粉砂組分（4～62.5 μm）［18］，對其體積百分含量進行統(tǒng)計，獲取了相應的最大值、最小值、平均值、中位數(shù)及眾數(shù)變化趨勢（圖3）。根據(jù)Folk沉積物分類，研究區(qū)沉積物為砂。本區(qū)域表層沉積物以砂組分為主，體積分數(shù)可達 92%以上，波動不大，自 2013年 11月到2014年3月呈整體上升趨勢。粉砂體積分數(shù)多數(shù)在5%以下，不超過 10%，其含量波動與砂組分相反，整體呈下降趨勢。從百分比區(qū)間最大值和最小值來看，砂體積分數(shù)區(qū)間有變小的趨勢，以最小值變化最為明顯，粉砂體積分數(shù)區(qū)間也有變小趨勢，以最大值變化最為明顯。由于研究區(qū)缺乏河流物質(zhì)輸入，物質(zhì)來源的影響有限，因此推測研究區(qū)可能存在粉砂遷移的情況。

圖2　粒度參數(shù)統(tǒng)計信息變化圖Fig.2　Statistical changes in grain-size parameters

將砂組分細分為極細砂（62.5～125 μm）、細砂（125～250 μm）、中砂（250～500 μm）、粗砂和極粗砂（500～2000 μm）［18］。沉積物以細砂為主，多數(shù)在60%以上，中砂體積分數(shù)變化較大，在10%～60%，粗砂&極粗砂體積分數(shù)較少，多數(shù)在 5%以下，極個別站位含量達到20%以上。從圖3來看，極細砂最大值、細砂最小值、中砂最大值、粗砂和極粗砂變化明顯，中砂體積分數(shù)上升，其它下降明顯，說明本區(qū)整體沉積物粒度有均勻化趨勢，即粒度更為集中統(tǒng)一，極大值和極小值的站位減少。中砂體積分數(shù)略有升高，極細砂和細砂體積分數(shù)略有降低，說明本區(qū)沉積物較細粒物質(zhì)被帶走，留下較粗的粒度組分。從沉積物組分統(tǒng)計參數(shù)變化來看，本區(qū)沉積物整體上有變粗趨勢，細粒組分特別是極細砂和粉砂組分體積分數(shù)下降明顯，表明本區(qū)水動力條件略有增強，細粒物質(zhì)可能被帶到內(nèi)濱區(qū)。變得廣泛，而小于190 μm的沉積物不斷向海后退。整體來看，本區(qū)沉積物變粗，近岸原有的粗粒物質(zhì)聚集區(qū)被改造，條帶狀分布變的明顯。

分選系數(shù)平面分布圖顯示（圖5），整體上本區(qū)域沉積物分選系數(shù)變小，分選性變好，并在190～210 μm分布區(qū)有一個分選相對較好的區(qū)域。2014年 3月比1月分選明顯變好，原來在近岸存在的分選差的兩個高值區(qū)域發(fā)生明顯變化、基本消失（圖5）。

偏度和峰度平面分布圖顯示（圖 6、圖 7），本區(qū)域沉積物粒度以正偏為主，峰值較高，粗粒部分相對集中，細粒部分相對分散，正偏的分布區(qū)域有擴大的趨勢，說明細粒尾部更為寬泛。偏度和峰度的變化趨勢與平均粒徑相一致，局部極值區(qū)被消除，沿岸條帶狀特征增強，正態(tài)區(qū)和高峰值區(qū)的分布變得寬廣。

2.3沉積物運移趨勢分析

2.2沉積物粒度參數(shù)平面分布變化

從表層沉積物平均粒徑分布圖來看（圖 4），以平行于海岸的210 μm等值線為界，近岸平均粒徑增大，平行于岸線具有均勻化的趨勢，離岸平均粒徑也略有增大，平均粒徑在190～210 μm的沉積物分布區(qū)域

沉積物隨水動力條件的變化會發(fā)生再懸浮，隨水體擴散、輸運以及在適合的條件下沉降，引起沉積物粒度趨勢的平面變化，反過來粒度趨勢也能提供沉積物的輸運信息，由此可以根據(jù)沉積物粒度參數(shù)的平面變化規(guī)律提取沉積物凈輸運方向的信息。

圖3　表層沉積物組分統(tǒng)計信息變化圖Fig.3　Statistical changes in the components of surface sediment

在近海環(huán)境中，由于動力和物源的復雜性，判斷沉積物的輸運方向并不容易，在一維分析的基礎(chǔ)上，Gao和 Collins［19］發(fā)展了二維粒度趨勢分析方法，使得利用粒度參數(shù)反演海洋沉積物的凈搬運方向成為可能，該分析模型在近海、海灣及潮間帶沉積動力學中已經(jīng)得到了廣泛的應用［7，20-22］。本文直接運用Gao［20］的FORTRAN程序計算出研究區(qū)3次采樣沉積物的輸運趨勢。

粒度趨勢分析結(jié)果顯示（圖 8），前兩次調(diào)查運移趨勢基本相同，沉積物整體沿岸由東北向西南運移。以平均粒徑210 μm等值線為界，靠海側(cè)沉積物有向海搬運的趨勢，靠岸側(cè)沉積物在調(diào)查區(qū)中部有向陸運移后沿岸南北分流趨勢。第三次采樣運移趨勢較為雜亂，但總體上仍表現(xiàn)出東北-西南向運移的趨勢。研究區(qū)屬東亞季風區(qū)，冬季盛行北風或西北偏北風，前兩次采樣時間在冬季，北風強盛，極大風速可達44.2 m/s［23］。研究區(qū)的波浪以波高小于1.5 m的中小型波浪為主，冬季偏北向浪占優(yōu)勢，并且是全年風浪出現(xiàn)最多的季節(jié)［23］。對黃島區(qū)海域表層流場的研究認為，本海域為正規(guī)半日潮，黃島站的平均潮差為279 cm，最大潮差可達422 cm［23］。利用海域?qū)崪y海流及三維質(zhì)點追蹤模型對膠南（注： 現(xiàn)合并為黃島區(qū)）海域進行的研究認為，本區(qū)海流逆時針方向旋轉(zhuǎn)，以往復流為主，海域漲潮期間的主流向為西南向，落潮期間主流向為東北向，漲潮流明顯大于落潮流，入海污染物也會沿岸由北向南發(fā)生遷移［24-26］。

圖4　平均粒徑平面分布圖Fig.4　Distribution of mean sizes

圖5　分選系數(shù)平面分布圖Fig.5　Distribution of sorting coefficients

圖6　偏度平面分布圖Fig.6　Distribution of skewness

這與本文研究結(jié)果也十分相符。因此，強盛的冬季風驅(qū)動的風浪、沿岸流與漲潮流可以引起研究區(qū)沉積物總體東北-西南向的沿岸輸運，可能對研究區(qū)物質(zhì)的運移起到主導性作用。

圖7　峰度平面分布圖Fig.7　Distribution of kurtosis

圖8　運移趨勢影像疊加圖Fig.8　Image overlays of sediment transport trends

a.2013年11月趨勢疊加2013-08-21日影像； b.2014年1月趨勢疊加2013-08-21日影像； c.2014年3月份趨勢疊加2014-05-03日影像

a.Images of August 21 2013 overlay sediment transport trends of November 2013； b.Images of August 21 2013 overlay sediment transport trends of January 2014； c.Images of May 3 2014 overlay sediment transport trends of March 2014

選取與采樣期最相近的兩幅遙感影像（2013年8 月21日和2014年5月3日），將2013年11月份運移趨勢疊加在2013年8月21日遙感影像上，可以看出，沉積物沿岸向南運移受到灘脊-溝槽地貌影響明顯（圖 8a）。灘脊平行于海岸，離岸區(qū)受到潮汐往復流的影響，沙灘細粒物質(zhì)被帶到深水區(qū)，近岸區(qū)在溝槽區(qū)形成兩側(cè)分流，導致細粒物質(zhì)的搬運。將 2014年 1月和 3月運移趨勢分別疊加在兩個時期的影像（圖8b和8c），可以看出，5月灘脊-溝槽地貌不復存在，變?yōu)槠教剐逼率胶?，沉積物運移趨勢雜亂可能是由于水動力條件與沙灘地貌演變相互作用的結(jié)果。

青島小麥島浮標觀測顯示，前兩次采樣期間無明顯天氣過程影響，波高平均較小，增減水變化不大，在第三次采樣前1個月始，波高和潮位比采樣期其它時間都有明顯增大（圖 9），說明本海區(qū)在 2月潮位高，高潮線向岸推進，波高增加，波浪作用增強，表層沉積物中的極細砂組分被帶到外海，含量整體下降，中砂組分升高，潮間帶表層沉積物粒徑增大，分選變好，條帶性明顯。從圖9中可見，2014年5月也存在一次中浪過程，高潮位期波高較高，增減水變化明顯，兩次水動力條件的變化將原有沉積物格局打破，原有灘脊-溝槽地貌（2013年8月）不復存在，變?yōu)槠教剐逼率胶?014年5月），3月采樣正處于變化期，因此表層沉積物運移趨勢雜亂。實際上，由波浪作用造成的海灘沉積物輸運、地貌變化和淤積與侵蝕已經(jīng)得到了一定關(guān)注，程林等［27］對浙江朱家尖島東沙海灘的研究也認為，在波浪和潮汐等的作用下，海灘地貌呈現(xiàn)季節(jié)性調(diào)整，冬季為灘脊-溝槽地貌，夏季為平坦緩坡地貌，水下岸坡表現(xiàn)為冬淤夏沖。

圖9　研究區(qū)采樣期間有效波高、增減水、潮位圖Fig.9　Changes of significant wave height，wave set up and set down，tide during sampling

2.4表層沉積物平均粒徑差異

如圖10a所示，2014年1月份與2013年11月份平均粒徑的平面變化以斑點狀為主，并且變化幅度不大，采樣區(qū)中部和東北部有變小趨勢，與溝槽地

圖10表層沉積物平均粒徑差異

Fig.10Mean particle size differences of surface sediment

a.2014年1月與2013年11月差異； b.2014年3月與1月差異

a.difference between January 2014 and November 2013； b.difference between March 2014 and January貌單元相吻合，其西南地區(qū)有變粗的趨勢。2014年3月比2014年1月粒徑變化明顯具有條帶特征，整體增大為主，可能是 2月有效波高和潮位都相對變大，區(qū)域水動力條件變強，將沉積物中細粒組分帶到外海，沙灘組分整體變粗。

3　結(jié)論

1）青島市靈山灣海水浴場表層沉積物為砂，在2013年11月至2014年3月間沉積物整體有變粗趨勢，細粒組分特別是極細砂和粉砂含量下降明顯，分選性變好，正偏態(tài)及高峰度分布區(qū)擴大。以平行于海岸的210 μm等值線為界，近岸粒徑大、分選差、偏態(tài)和峰度的高值區(qū)域被改造，平行于岸線條帶狀特征增強。

2）粒度趨勢分析表明，本區(qū)冬季沉積物整體輸運趨勢一致。強盛的冬季風驅(qū)動的風浪、沿岸流與漲潮流對研究區(qū)物質(zhì)的運移起到主要作用，引起研究區(qū)沉積物總體東北-西南向沿岸輸運，其運移趨勢變化可能主要受到波浪、潮流與地形相互作用的影響，短期的波能變化足以改變沙灘地貌從而影響表層沉積物的分布。

3）采樣期間表層沉積物平均粒徑差異表明，前兩個月表層沉積物變化幅度不大并呈斑點狀，區(qū)域水動力條件變化不明顯，后兩個月，平均粒徑變化明顯，呈條帶狀變粗趨勢，本時期水動力條件變強，打破了原有灘脊-溝槽地貌，形成了沉積物平均粒徑由陸向海變細，平行于海岸呈帶狀分布。

致謝： 文中遙感影像配準底圖數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http： //www.gscloud.cn）。感謝編輯老師和兩位審稿專家的意見，使得本文質(zhì)量得以很大提升。

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（本文編輯： 劉珊珊）

Variation in characteristics of surface sediment particle size and influencing factors in winter at the Lingshanwan Beach，Qingdao

ZHAO Yong-fang1，2，XU Fang-jian3，LIU Qing-rong4，LI An-chun1，WANG Xin-yi3，WU Jin-xiang3，LIU Hang-yu3，CHEN Ming3，LI Li-jun3
（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China； 2.Jiaozhou Bay Marine Ecosystem Research Station，Qingdao 266071，China； 3.School of Geosciences，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，China； 4.North Sea Forecasting Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Received: May 5，2015

Key words:surface sediment； grain size trend analysis； the Lingshanwan Beach； Qingdao

Abstract:In this study，we sampled surface sediments three times at the Lingshanwan Beach，Qingdao in November 2013，and January and March 2014.We then examined the particle size compositions and grain size distributions of the surface sediment.Results show that the grain size of the surface sediment became coarser and the sorting became better over the study period.The fine sand components decreased significantly，especially the very fine sand and silt.The region of positive skewness and high kurtosis expanded and the high-value area of the grain size parameters changed significantly，and was ultimately eliminated.Our grain-size trend analysis results indicate that the sediments were transported from the NE to the SW along the coast，which is affected by wind-driven waves in winter，coastal currents，and flood currents.Short-term fluctuations of wave energy can reshape the beach topography and affect the distribution of surface sediments.These results provide a theoretical basis for beach management.

中圖分類號：P736.2

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）03-0108-10

doi：10.11759/hykx20150507001

收稿日期：2015-05-05； 修回日期： 2015-09-12

基金項目：國家自然科學基金（41430965，41106040）； 青島市基礎(chǔ)研究計劃項目（13-1-4-197-jch）； 中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目

作者簡介：趙永芳（1981-），女，山東臨沂人，工程師，主要從事近海沉積物和海洋GIS研究，E-mail： yfzhao@qdio.ac.cn； 徐方建，通信作者，副教授，E-mail： xufangjiangg@163.com