楊陽(yáng)，高抒*，周亮，王韞瑋，李高聰，汪亞平，賈培宏

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海南新村港潟湖表層沉積物粒度特征及其沉積環(huán)境

楊陽(yáng)1，2，高抒1，2*，周亮1，2，王韞瑋2，李高聰1，2，汪亞平1，2，賈培宏1，2

(1.南京大學(xué) 中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；2.南京大學(xué) 海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

摘要：對(duì)2013年8月在海南新村港潟湖采集的表層沉積物樣品進(jìn)行粒度分析，揭示了該區(qū)表層沉積物的粒度特征和沉積物類(lèi)型，結(jié)合高空間分辨率的水動(dòng)力和水深數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)聚類(lèi)和主成分相結(jié)合的方法劃分現(xiàn)代沉積環(huán)境。結(jié)果表明，研究區(qū)表層沉積物主要有4種類(lèi)型，以粉砂和粉砂質(zhì)砂為主，分別分布在潟湖中部和近岸淺水區(qū)域。沉積物平均粒徑變化較大(0～8.0 Ф)，均值為4.6 Ф，沉積物隨水深增大而逐漸變細(xì)；沉積物粒度組分以砂(平均含量43%)和粉砂(平均含量為52%)為主，黏土含量較少，平均含量為5%。聚類(lèi)結(jié)果表明，平均粒徑可分為兩組：第一組平均粒徑均大于5.5 Ф，均值為6.8 Ф；而第二組平均粒徑均小于3.5 Ф，均值為2.2 Ф。此外，平均粒徑與分選、偏態(tài)和峰態(tài)系數(shù)之間呈現(xiàn)出兩種不同的相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)大潮和小潮期間的均方根流速(RMSV)均值是7.5和6.9 cm/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是15.3和14.9 cm/s。當(dāng)RMSV大于4 cm/s，RMSV與極細(xì)砂(63～125 μm)含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，這表明RMSV決定了潟湖沉積物中極細(xì)砂含量。聚類(lèi)和主成分分析結(jié)果表明，平均粒徑、峰態(tài)和分選系數(shù)是對(duì)沉積環(huán)境最為敏感的粒度參數(shù)組合，同時(shí)結(jié)合高空間分辨率的水動(dòng)力和水深數(shù)據(jù)，將研究區(qū)沉積環(huán)境劃分為3類(lèi)。這樣劃分充分考慮了水動(dòng)力、物源、地形及其相互作用，更能有效地揭示沉積環(huán)境的差異，尤其體現(xiàn)了適宜的粒度參數(shù)組合和高空間分辨率的水動(dòng)力數(shù)據(jù)在沉積環(huán)境劃分中的重要性。

關(guān)鍵詞：表層沉積物；粒度；沉積環(huán)境；聚類(lèi)分析；主成分分析；均方根流速；數(shù)值模擬；新村港潟湖

1引言

沉積物的粒度特征是沉積物的基本性質(zhì)之一，是沉積物在搬運(yùn)、沉積和再分配過(guò)程的集中體現(xiàn)，其分布規(guī)律受到沉積物物源、搬運(yùn)距離，水動(dòng)力環(huán)境以及地形等因素的制約[1—5]。因此，通過(guò)沉積物粒度特征及其分布規(guī)律可以有效的追蹤物質(zhì)來(lái)源[6—8]，判別水動(dòng)力條件[9—11]，分析沉積物運(yùn)移趨勢(shì)[12—17]和識(shí)別沉積環(huán)境類(lèi)型[18—21]等。沉積環(huán)境主要受物源、水動(dòng)力條件、地形和人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響[22—23]。在利用沉積物的物源、粒度特征、地形和區(qū)域水動(dòng)力條件來(lái)識(shí)別沉積環(huán)境方面，前人已作了較多嘗試[5，21—22，24]。但還存在以下不足：一是粗略的采用所有粒度特征參數(shù)對(duì)研究區(qū)的沉積環(huán)境進(jìn)行劃分，由于粒度分布的環(huán)境解釋具有多解性，即不同的環(huán)境可能出現(xiàn)相似的水動(dòng)力條件，使得粒度特征表現(xiàn)出重復(fù)性[22]；二是缺乏高空間分辨率的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，只是粗糙的采用個(gè)別全潮觀測(cè)站位或區(qū)域水動(dòng)力條件劃分沉積環(huán)境[22，24]。

海南島新村港是一個(gè)半封閉的沙壩-潮汐汊道-潟湖海岸體系，地貌格局復(fù)雜，地形變化較大[25]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新村港的水動(dòng)力特征[25—27]、潮汐汊道的演變及其穩(wěn)定性[28—30]、水質(zhì)[31]和生物特征[32—35]等都進(jìn)行了比較細(xì)致的研究，而對(duì)潟湖表層沉積物粒度特征和現(xiàn)代沉積環(huán)境研究尚比較欠缺。本文以新村港潟湖為例，揭示其表層沉積物粒度特征和劃分現(xiàn)代沉積環(huán)境。首先，利用系統(tǒng)聚類(lèi)和主成分分析法壓縮粒度參數(shù)指標(biāo)，尋找對(duì)沉積環(huán)境最為敏感的粒度參數(shù)組合，并能最大限度的保持指標(biāo)中所包含的主要信息；其次，采用數(shù)值模擬的方法，獲得高空間分辨率的水動(dòng)力數(shù)據(jù)。研究新村港目前的沉積物分布格局和現(xiàn)代沉積環(huán)境，對(duì)新村港的海上交通、潮汐汊道整治、養(yǎng)殖活動(dòng)、旅游開(kāi)發(fā)及海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要的意義。因此，從可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，對(duì)該區(qū)深入進(jìn)行沉積動(dòng)力學(xué)研究是必要的。

2研究區(qū)概況

新村港位于海南島東南部海岸的陵水縣新村鎮(zhèn)，面朝南海，港區(qū)水域?qū)掗煟車(chē)荷江h(huán)抱，是海南島不可多得的天然避風(fēng)良港。新村港地處熱帶，全年各月平均水溫25.8～30.0℃，平均鹽度為30.64～34.44，浮游生物豐富；因此，該潟湖不但發(fā)育了較好的海草群落，還擁有規(guī)模較大的水產(chǎn)養(yǎng)殖，其中麒麟菜和珍珠貝的養(yǎng)殖尤為出名[35]。從平面形態(tài)上來(lái)看，新村港潟湖實(shí)際上由兩個(gè)次一級(jí)澙湖構(gòu)成，外觀如葫蘆狀，而兩個(gè)次一級(jí)澙湖之間由一個(gè)次一級(jí)的潮汐汊道相連接[26](圖1)。新村港潟湖南北長(zhǎng)4 km，東西寬6 km，面積約22 km2，漲潮三角洲、落潮三角洲都比較發(fā)育，口門(mén)處北岸為新村港碼頭堤岸，南岸為由基巖組成的南灣猴島[26]。新村港潮汐汊道是聯(lián)系新村港與外海的唯一通道，長(zhǎng)約3～4 km，口門(mén)段長(zhǎng)約0.5 km，平均水深5 m左右[28—29]。

圖1　海南島東南部新村港潟湖研究區(qū)及表層沉積物采樣站位、驗(yàn)潮站分布圖Fig.1　Location of sampling stations of surface sediments and tidal gauge stations in the lagoon of Xincun

新村港潟湖無(wú)明顯淡水河流注入，潮流是其主要?jiǎng)恿?，但也受到波浪作用的影響[28，33]。根據(jù)2013年8月在新村港口門(mén)及潟湖內(nèi)兩個(gè)驗(yàn)潮站的觀測(cè)結(jié)果分析，新村港潮汐屬于混合的不規(guī)則全日潮；以當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫鏋榛?，新村港最高潮位?.18 m，最低潮位-1.15 m，平均高潮位0.65 m，平均低潮位-0.28 m，最大可能潮差1.63 m，平均潮差0.50 m。同時(shí)龔文平等[25，28]觀測(cè)結(jié)果表明，新村港潮流表現(xiàn)出時(shí)間-流速不對(duì)稱(chēng)性特征，實(shí)測(cè)口門(mén)平均漲潮歷時(shí)為13 h 20 min，平均落潮歷時(shí)為11 h 20 min，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；口門(mén)處最大表層漲潮流速為0.84 m/s，落潮流速為0.86 m/s，漲落潮流速基本相等；潟湖內(nèi)大部分區(qū)域的最大潮流流速都小于0.1 m/s。由于缺乏新村港附近海域?qū)崪y(cè)波浪資料，故采用三亞西側(cè)75 km處的鶯歌海海洋站1976-1991年的波浪觀測(cè)資料作為參考。鶯歌海站附近海區(qū)以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪的年出現(xiàn)頻率為80%；常浪向是SE向和S向；平均波高為0.7 m，平均周期為4.0 s[25，28]。

3材料與方法

3.1沉積物采樣和粒度分析

2013年8月21-22日，采用抓斗式采泥器在新村港潟湖獲得47個(gè)表層沉積物樣品(采樣深度在5～10 cm以?xún)?nèi)，每個(gè)樣品約重0.5～1 kg)，手持GPS定位，YSI 6920測(cè)水深，研究區(qū)及采樣站位見(jiàn)圖1。由于潟湖內(nèi)魚(yú)排和網(wǎng)箱養(yǎng)殖廣布，因此，表層沉積物樣品的采集站位無(wú)法做到均勻分布。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粒度分析時(shí)，將每一站位所取表層沉積物樣品混合均勻后，按粒徑組成情況取適量代表性樣品(泥質(zhì)約0.3～0.5 g、粉砂、細(xì)砂約0.5～1.2 g)放入燒杯中，加入10～20 mL，濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉([NaPO3]6)溶液對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理后的樣品在南京大學(xué)海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用Malvern Mastersizer-2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm，誤差小于1%。所有樣品測(cè)試時(shí)，遮光度均控制在10%～20%。沉積物粒級(jí)采用(Udden-Wentworth)Ф粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù))采用矩值法進(jìn)行計(jì)算[36—37]。此外，沉積物的分類(lèi)和定名采用Folk三端元分類(lèi)法[38]。

3.2水動(dòng)力參數(shù)

本文采用Delft3D數(shù)值模型對(duì)新村港潟湖的潮汐水位和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。Delft3D由荷蘭代爾夫特水力學(xué)所研發(fā)，用于河口海岸等環(huán)境的水動(dòng)力和沉積物輸運(yùn)等方面的模擬，是目前國(guó)際上最先進(jìn)的海岸模擬系統(tǒng)之一[39—41]。由于潮汐是新村港潟湖的主要水動(dòng)力[28]，因此，在模型中只考慮潮汐引起的流場(chǎng)變化。利用新村港潟湖口門(mén)及內(nèi)部?jī)蓚€(gè)驗(yàn)潮站(圖1)為期1個(gè)月(2013年8-9月)的潮位數(shù)據(jù)計(jì)算模型所需參數(shù)，并用于驗(yàn)證模型輸出結(jié)果。潟湖口門(mén)及內(nèi)部的水位分別使用SBE26型浪潮儀和XR620 RBR CTD多參數(shù)水質(zhì)儀觀測(cè)。通過(guò)對(duì)比兩種儀器測(cè)量的平均高潮位(0.61 m和0.69 m)和平均低潮位(-0.26 m和-0.29 m)可知，利用XR620 RBR CTD多參數(shù)水質(zhì)儀進(jìn)行驗(yàn)潮，誤差較小，精度較高。

使用新村港潟湖口門(mén)處的實(shí)測(cè)水位序列作為模型輸入邊界，模擬得到各網(wǎng)格點(diǎn)的水位序列。將潟湖內(nèi)部驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)水位序列與此處模擬得到的水位序列進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。對(duì)比結(jié)果表明，模型輸出結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。為了探討沉積物的分布特征及其與水動(dòng)力的關(guān)系，根據(jù)模型結(jié)果計(jì)算了表層沉積物采樣站位的深度平均的均方根流速(RMSV)，公式如下[42]：

(1)

式中，vel(x，y)是點(diǎn)(x，y)處的深度平均的流速，上橫線指示適當(dāng)時(shí)間范圍內(nèi)的平均值。

雖然RMSV較好地反應(yīng)了潟湖內(nèi)的水動(dòng)力條件，但是底床沉積物的侵蝕一般由底部切應(yīng)力(BSS)控制，可由下式表示[43]：

BSS=p·Cd·RMSV2，

(2)

式中，p是海水密度，Cd是底床拖曳系數(shù)。由式(2)可知，底部切應(yīng)力的變化主要由RMSV控制，因此，RMSV可以作為一個(gè)較合適的參數(shù)來(lái)表征潟湖內(nèi)水動(dòng)力條件[42—43]。

圖2　新村港潟湖實(shí)測(cè)和模擬水位對(duì)比Fig.2　Observed and simulated water level in the lagoon of Xincun

4結(jié)果與討論

4.1表層沉積物粒度參數(shù)

新村港潟湖表層沉積物樣品以砂和粉砂組分為主，平均含量為43%和52%(圖3a，3b)，黏土含量最低，平均為5%(圖3c)。平均粒徑在0～8.0 Ф之間變化，平均值為4.6 Ф(圖4a)，水深與平均粒徑為正相關(guān)關(guān)系(R=0.47，雙側(cè)檢驗(yàn)p=0.01)，平均粒徑隨水深增加而增大(圖5a)?？傮w上，潟湖沉積物粒徑由近岸向內(nèi)有逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。采用K-Mean型聚類(lèi)法對(duì)沉積物平均粒徑進(jìn)行分析[44]，結(jié)果顯示，沉積物平均粒徑可分為兩組，第一組沉積物(25個(gè)站位)平均粒徑均大于5.5 Ф，平均值為6.8 Ф；第二組沉積物(22個(gè)站位)平均粒徑均小于3.5 Ф，平均值為2.2 Ф。同時(shí)，平均粒徑與分選系數(shù)，偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)系數(shù)之間存在著兩種不同的相關(guān)關(guān)系(圖5b，5c，5d)，這說(shuō)明了潟湖內(nèi)不同沉積環(huán)境的存在。

圖3　新村港潟湖表層沉積物粒度組成分布(%)Fig.3　Distribution of sand (a)，silt (b)， and clay (c) percentages in the lagoon of Xincun

分選系數(shù)的變化范圍為0.6～3.2 Ф，均值為1.7 Ф，分選較差，其中分選相對(duì)較好的(小于1.6 Ф)分布在潟湖中部及南部，而分選較差的(大于2.2 Ф)分布在潟湖北部及東北部(圖4b)。對(duì)于第一組沉積物，平均粒徑(Ф值)與分選系數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系(R=0.88，p=0.01)；而對(duì)于第二組沉積物，平均粒徑與分選系數(shù)則呈正相關(guān)關(guān)系(R=0.70，p=0.01)(圖5b)。

偏態(tài)系數(shù)的分布趨勢(shì)與平均粒徑較為一致，在-1.6～3.4之間變化，均值為0.9，其中多數(shù)屬于正偏或極正偏(圖4c)。平均粒徑與偏態(tài)系數(shù)的相關(guān)關(guān)系表明，對(duì)于第二組沉積物，隨著平均粒徑(Ф值)變大，偏態(tài)系數(shù)減小(負(fù)相關(guān)，R=0.50，p=0.01)；而對(duì)于第一組沉積物，隨著平均粒徑(Ф值)變大，偏態(tài)系數(shù)亦隨之增大(正相關(guān)，R=0.68，p=0.01)(圖5c)。

峰態(tài)系數(shù)的最小值為0.7，最大值為12.5，平均值為4.4，屬于很寬平類(lèi)型(圖4d)。對(duì)于第一組沉積物，隨著平均粒徑(Ф值)變大，峰態(tài)系數(shù)輕微減小或基本保持不變，保持在3左右；而對(duì)于第二組沉積物，峰態(tài)系數(shù)隨著平均粒徑(Ф值)變大而減小(負(fù)相關(guān)，R=0.76，p=0.01)(圖5d)。

4.2水動(dòng)力參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模型輸出結(jié)果，計(jì)算了47個(gè)表層沉積物站位大潮(2013年8月19日0：00-20日6：00)和小潮(2013年8月24日14：00-25日6：00)的RMSV(圖6)。結(jié)果表明，新村港潟湖大潮期間漲潮流占主導(dǎo)，Ve/Vf(落潮平均RMSV/漲潮平均RMSV)均值為0.7；而小潮期間落潮流占優(yōu)勢(shì)，Ve/Vf均值在1.2左右。大潮和小潮RMSV變化范圍為0～85.9 cm/s和0～83.9 cm/s。大潮和小潮RMSV的平均值是7.5 cm/s和6.9 cm/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.3 cm/s和14.9 cm/s。RMSV的高值出現(xiàn)在潟湖口門(mén)附近，低值出現(xiàn)在潟湖內(nèi)部，而在次一級(jí)潮汐汊道處，RMSV也較大。RMSV大致可以反應(yīng)潟湖的水動(dòng)力條件，由圖6可以看出，水動(dòng)力強(qiáng)度由口門(mén)潮汐汊道向潟湖內(nèi)部逐漸減小，潟湖內(nèi)的水動(dòng)力整體較弱。

第一組和第二組沉積物所對(duì)應(yīng)的RMSV的平均值是2.8 cm/s和8.5 cm/s。由此可以看出，第一組和第二組沉積物在粒度和水動(dòng)力參數(shù)方面都存在著顯著的差異。針對(duì)第二組沉積物，大潮和小潮RMSV和沉積物中極細(xì)砂(63～125 μm)含量存在顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.89和0.90(圖7)，這表明RMSV決定了潟湖中63～125 μm含量。圖7說(shuō)明，當(dāng)RMSV大于4 cm/s時(shí)，RMSV和63～125 μm含量的正相關(guān)關(guān)系更明顯；而當(dāng)RMSV小于4 cm/s時(shí)，RMSV和63～125 μm含量的相關(guān)性較差。這是因?yàn)椋?dāng)RMSV小于4 cm/s，水動(dòng)力較弱，沉積物一般難以起動(dòng)。對(duì)于第一組沉積物，由于其大部分的RMSV都小于4 cm/s，因此，RMSV和63～125 μm含量的相關(guān)關(guān)系不顯著。

4.3表層沉積物類(lèi)型

新村港潟湖沉積物類(lèi)型較多，主要包括粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂4種類(lèi)型，以粉砂和粉砂質(zhì)砂為主，沉積物各類(lèi)型粒度和水動(dòng)力參數(shù)特征值見(jiàn)表1。粉砂分布范圍最廣，主要分布在潟湖中部深水區(qū)域；粉砂質(zhì)砂和砂分布范圍較廣，在近岸淺水區(qū)域和潟湖中部均有分布；砂質(zhì)粉砂則呈零星狀分布。

圖4　新村港潟湖表層沉積物粒度參數(shù)分布Fig.4　Distribution of grain size parameters of surface sediments in the lagoon of Xincuna.平均粒徑，b.分選系數(shù)，c.偏態(tài)系數(shù)，d.峰態(tài)系數(shù)a. Mean grain size，b. sorting，c. skewness，d. kurtosis

圖5　新村港潟湖表層沉積物平均粒徑與水深(a)，分選系數(shù)(b)，偏態(tài)系數(shù)(c)，峰態(tài)系數(shù)(d)的關(guān)系Fig.5　The relationships between mean grain size and depth(a)，sorting(b)，skewness(c)，and kurtosis(d) of surface sediments in the lagoon of Xincun

圖6　新村港潟湖表層大潮(a)和小潮(b)RMSVFig.6　Distribution of RMSV during spring (a) and neap (b) in the lagoon of Xincun

粉砂分布的平均水深和RMSV分別是6.7 m和2.7 cm/s。平均粒徑均值為7.0 Ф，其中以粉砂含量為主，約占88.8%。分選系數(shù)均值1.4 Ф，分選較差；偏態(tài)系數(shù)均值為0.5，屬正偏；峰度均值為3.0，為很寬平類(lèi)型。砂質(zhì)粉砂分布的平均水深是4.0 m，RMSV均值為3.7 cm/s。平均粒徑為5.5 Ф，粉砂含量為主(74.4%)。粉砂和砂質(zhì)粉砂的頻率分布曲線類(lèi)似(圖8)，主要呈單峰，表明沉積物所處的沉積環(huán)境水動(dòng)力較弱，沉積物來(lái)源單一。

粉砂質(zhì)砂分布的平均水深和RMSV為3.0 m和5.1 cm/s。平均粒徑為2.5 Ф，砂含量為79.2%，粉砂含量為19.4%，黏土含量為1.4%。分選系數(shù)均值1.9 Ф，分選較差；偏態(tài)系數(shù)為0.3，屬近對(duì)稱(chēng)；峰度系數(shù)1.9，為寬平類(lèi)型。砂分布的平均水深和RMSV是3.2 m 和14.7 cm/s。平均粒徑均值為1.8 Ф，砂含量為主，平均含量為93.1%。分選系數(shù)均值1.4 Ф，分選較差；偏態(tài)系數(shù)均值為1.7，屬極正偏；峰度系數(shù)均值為7.8，為非常寬類(lèi)型。粉砂質(zhì)砂和砂的頻率分布曲線類(lèi)似(圖8)，主要以雙峰為主，表明沉積物所處的沉積環(huán)境物質(zhì)來(lái)源復(fù)雜，水動(dòng)力也較強(qiáng)。

將新村港潟湖表層沉積物平面分布與潟湖地形(圖1)相比，可以發(fā)現(xiàn)沉積物類(lèi)型與水深的關(guān)系十分密切。在潟湖內(nèi)，粉砂和砂質(zhì)粉砂基本分布在4 m等深線以上；這是由于粉砂顆粒沉積物最容易起動(dòng)，也容易沉降，常被帶到動(dòng)力較弱的潟湖中部區(qū)域沉降下來(lái)[45]；而粉砂質(zhì)砂和砂主要分布在4 m等深線以下的淺水區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域水動(dòng)力較強(qiáng)且物源較復(fù)雜，易于起動(dòng)的細(xì)顆粒沉積物都被帶走，留下顆粒較粗難于起動(dòng)的沉積物。由此可見(jiàn)，沉積物類(lèi)型的這種分布格局，是物源、地形和水動(dòng)力分選共同作用的結(jié)果。

4.4沉積環(huán)境劃分

沉積環(huán)境的識(shí)別主要依靠粒度參數(shù)、水動(dòng)力條件和水深等指標(biāo)。為了能夠更有效的反映沉積環(huán)境的差異，本文首先采用系統(tǒng)聚類(lèi)分析法[44，46]對(duì)粒度參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行壓縮。以沉積物的粒度參數(shù)(平均粒徑V1、分選系數(shù)V2、偏度系數(shù)V3、峰度系數(shù)V4、砂含量V5、粉砂含量V6和黏土含量V7)為聚類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行聚類(lèi)分析，將具有相同聚集趨勢(shì)(即相關(guān)系數(shù)較高)的參數(shù)合并。結(jié)果說(shuō)明，粒度參數(shù)可分為3組(表2)。為了選擇最佳的粒度參數(shù)組合，主成分分析法[47—49]被用于判定這3組中各粒度參數(shù)的相對(duì)重要性。巴特利特球形檢驗(yàn)說(shuō)明各粒度參數(shù)適合做主成分分析[44]。結(jié)果表明，平均粒徑、峰態(tài)和分選系數(shù)是3組中關(guān)鍵的粒度參數(shù)，能夠包含所以粒度參數(shù)的關(guān)鍵信息。其中，平均粒徑是對(duì)水動(dòng)力和物源相互作用較為敏感的參數(shù)，分選是對(duì)研究區(qū)地形和流場(chǎng)相互作用最為敏感的參數(shù)之一，而峰態(tài)反應(yīng)了粒度分布的集中程度，與水動(dòng)力強(qiáng)度與物源密切相關(guān)[22，50]。因此，本文根據(jù)選定的平均粒徑、峰態(tài)和分選系數(shù)這3個(gè)粒度參數(shù)，同時(shí)結(jié)合高分辨的水動(dòng)力和水深數(shù)據(jù)，對(duì)沉積物樣品的這5個(gè)參數(shù)進(jìn)行Q型聚類(lèi)分析[44]，再根據(jù)各樣品所屬類(lèi)別繪制沉積環(huán)境分區(qū)圖(圖9)。結(jié)果表明，新村港潟湖沉積環(huán)境可分為3類(lèi)，分別代表不同的沉積環(huán)境。由此看出，利用系統(tǒng)聚類(lèi)和主成分分析相結(jié)合的方法可以有效的劃分現(xiàn)代沉積環(huán)境。

表1　新村港潟湖表層沉積物類(lèi)型各粒度參數(shù)和水動(dòng)力參數(shù)特征值

圖7　大潮(a)和小潮(b)水動(dòng)力參數(shù)(RMSV)與極細(xì)砂(63～125 μm)含量的關(guān)系Fig.7　The relationships between very fine sand fraction (63～125 μm) and hydrodynamic parameter (RMSV) during spring (a) and neap (b) tides

圖8　新村港潟湖4種沉積物類(lèi)型的頻率分布曲線Fig.8　Average grain size distribution curves of the four sediment types in the lagoon of Xincun

圖9　新村港潟湖沉積環(huán)境分區(qū)圖Fig.9　Sedimentary environments in the lagoon of Xincun

第Ⅰ類(lèi)沉積區(qū)粒度最細(xì)，主要分布在潟湖中部。平均粒徑為6.4 Ф，砂、粉砂和黏土含量分別為11.8%、80.2%和8.0%，主要沉積物類(lèi)型為粉砂和砂質(zhì)粉砂。分選系數(shù)均值為1.7 Ф，分選較差；偏態(tài)為0.3，近乎對(duì)稱(chēng)；峰態(tài)主要呈很寬平類(lèi)型(均值3.0)。該區(qū)沉積物較細(xì)主要受水動(dòng)力和物源條件影響，水深較大(6.0 m)，RMSV較小(均值為2.0 cm/s)，水動(dòng)力較弱，有利于外海來(lái)的細(xì)顆粒沉積物沉積在該區(qū)。

第Ⅱ類(lèi)沉積區(qū)粒度相對(duì)較粗，主要分布在潟湖口門(mén)附近區(qū)域。平均粒徑為3.3 Ф，砂、粉砂和黏土含量分別為64.9%、31.9%和2.5%，沉積物類(lèi)型以砂為主。分選系數(shù)為1.6 Ф，相對(duì)于第Ⅰ和Ⅲ類(lèi)沉積區(qū)，分選較好，偏態(tài)呈正偏(均值為1.0)，峰態(tài)為5.5，呈非常寬平類(lèi)型。平均水深為4.5 m，RMSV均值為16.7 cm/s，水動(dòng)力較強(qiáng)，侵蝕近岸粗顆粒沉積物沉積在該區(qū)，說(shuō)明沉積物主要受水動(dòng)力條件的強(qiáng)烈影響。

第Ⅲ類(lèi)沉積區(qū)的粒度最粗，主要分布在潟湖的近岸區(qū)域。平均粒徑為1.9 Ф，砂、粉砂和黏土含量分別為87.5%、11.2%和0.4%，沉積物類(lèi)型主要為粉砂質(zhì)砂和砂。分選系數(shù)為1.8 Ф，分選最差，偏態(tài)為1.7，呈極正偏態(tài)，峰態(tài)為非常寬平類(lèi)型(均值為6.8)。該區(qū)平均水深為2.0 m，RMSV均值為2.2 cm/s，水動(dòng)力較弱，由于離近岸區(qū)域較近，可能只有部分近岸風(fēng)化粗顆粒物質(zhì)參與沉積，這說(shuō)明物源是該區(qū)沉積物特征的主要控制因素。

在這3類(lèi)沉積區(qū)中，第Ⅰ類(lèi)與第Ⅱ類(lèi)沉積區(qū)在水動(dòng)力條件，沉積物特征和物源等方面都具有明顯的差異；第Ⅰ類(lèi)與第Ⅲ類(lèi)沉積區(qū)在水動(dòng)力條件上較為相似，而在沉積物特征和物源方面差異顯著；第Ⅱ和Ⅲ類(lèi)沉積區(qū)在沉積物特征和物源方面較為相似，但在水動(dòng)力強(qiáng)度方面存在顯著差異。因此將研究區(qū)沉積環(huán)境劃分成3類(lèi)，充分考慮了水動(dòng)力、物源、地形及其相互作用，能有效地揭示潟湖內(nèi)沉積環(huán)境的差異，體現(xiàn)了適宜的粒度參數(shù)組合和高空間分辨率的水動(dòng)力數(shù)據(jù)在沉積環(huán)境劃分中的重要性。此外，人類(lèi)活動(dòng)(潟湖圍墾和魚(yú)排/網(wǎng)箱養(yǎng)殖)和極端天氣現(xiàn)象(臺(tái)風(fēng))對(duì)新村港潟湖的沉積環(huán)境影響也較大，未來(lái)工作可在本文研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮人類(lèi)活動(dòng)和極端天氣對(duì)沉積環(huán)境的影響。

表2　粒度參數(shù)聚類(lèi)過(guò)程表

5結(jié)論

(1)新村港潟湖表層沉積物主要包括粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂4種類(lèi)型。其中以粉砂和粉砂質(zhì)砂為主，分別分布在潟湖中部區(qū)域和近岸淺水區(qū)域。

(2)研究區(qū)表層沉積物平均粒徑變化較大(0～8.0 Ф)，均值為4.6 Ф，沉積物隨水深增大而逐漸變細(xì)；沉積物粒度組分以砂(平均含量43%)和粉砂(平均含量為52%)為主，黏土含量較少，平均含量為5%。聚類(lèi)分析表明平均粒徑可分為兩組：第一組平均粒徑均大于5.5 Ф，均值為6.8 Ф；第二組平均粒徑均小于3.5 Ф，均值為2.2 Ф。此外，平均粒徑與分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)之間呈現(xiàn)出兩種不同的相關(guān)關(guān)系。

(3)研究區(qū)大潮和小潮期間RMSV均值是7.5 cm/s和6.9 cm/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是15.3 cm/s和14.9 cm/s，RMSV的高值出現(xiàn)在潟湖口門(mén)附近，低值出現(xiàn)在潟湖內(nèi)部。大潮期間漲潮流占主導(dǎo)，Ve/Vf均值為0.7；而小潮期間落潮流占優(yōu)勢(shì)，Ve/Vf均值為1.2。當(dāng)RMSV大于4 cm/s時(shí)，RMSV與極細(xì)砂(63～125 μm)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這表明RMSV決定了潟湖沉積物中極細(xì)砂含量。

(4)聚類(lèi)和主成分分析結(jié)果表明平均粒徑、峰態(tài)和分選是對(duì)沉積環(huán)境最為敏感的粒度參數(shù)組合，同時(shí)結(jié)合高分辨率的水動(dòng)力和水深數(shù)據(jù)，將研究區(qū)沉積環(huán)境劃分為3類(lèi)。這樣劃分充分考慮了水動(dòng)力、物源、地形及其相互作用，更能有效地揭示沉積環(huán)境的差異，尤其體現(xiàn)了適宜的粒度參數(shù)組合和高空間分辨率的水動(dòng)力在沉積環(huán)境劃分中的重要性。

致謝:南京大學(xué)海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜永芬、陳蘊(yùn)真、王丹丹、李潤(rùn)祥、戴晨、趙秧秧、朱東、韓卓塵、許振、徐粲、柳潤(rùn)啟、陳景東、朱慶光、高明哲參加了野外采樣；張響協(xié)助部分粒度分析實(shí)驗(yàn)；另外，審稿專(zhuān)家和編輯部老師對(duì)文章修改提出了寶貴意見(jiàn)。謹(jǐn)致謝忱!

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收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-06-04。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目——海岸風(fēng)暴頻率—強(qiáng)度關(guān)系的沉積記錄分析(41530962)。

作者簡(jiǎn)介：楊陽(yáng)(1987—)，男，安徽省當(dāng)涂縣人，博士，主要從事海洋沉積動(dòng)力學(xué)和沉積環(huán)境研究。E-mail：yangyang.nju@hotmail.com *通信作者：高抒，男，教授，主要從事海洋沉積動(dòng)力學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)研究。E-mail:shugao@nju.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào):P736.21+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193(2016)01-0094-12

Grain size distribution of surface sediments and sedimentary environment in the lagoon of Xincun，Hainan Island

Yang Yang1，2，Gao Shu1，2，Zhou Liang1，2，Wang Yunwei2，Li Gaocong1，2，Wang Yaping1，2，Jia Peihong1，2

(1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaSeaStudies，NanjingUniversity，Nanjing210023，China; 2.TheKeyLaboratoryofCoast&IslandDevelopmentofMinistryofEducation，NanjingUniversity，Nanjing210023，China)

Abstract:Surface sediment samples were collected from the lagoon of Xincun，Hainan Island in China during August 2013，investigating grain size distribution pattern and sediment types. Furthermore，modern sedimentary environment can be well classified by grain size parameters，water depth and hydrodynamic conditions using system cluster and principal component analysis (PCA). The result indicates that sediment samples are characterized by silt and silty sand，which distribute in the central lagoon and near-shore shallow water area，respectively. The mean grain size varies from 0 to 8 Ф，with an average value of 4.6 Ф. The silt has the highest content with 52% in average，and the average content of sand and clay is 43% and 5%. A significant relationship was found between the mean grain size and water depth，which suggested that surface sediment becomes finer gradually with increasing water depth. There are two groups based on cluster analysis of grain size data: the mean grain size of group 1 is more than 5.5 Ф，with an average value of 6.8 Ф，whereas the mean grain size of group 2 is composed of less than 3.5 Ф，with an average value of 2.2 Ф. Furthermore，there are also two different relationships between the mean grain size and sorting/skewness/kurtosis. The average value of root mean square velocity (RMSV) is 7.5 cm/s and 6.9 cm/s during spring and neap tide; standard deviation is 15.3 cm/s and 14.9 cm/s，respectively. There is a significant positive relationship between very fine sand fraction (63 to 125 μm) and RMSV when RMSV>4 cm/s. The results suggested that RMSV determines the variability of very fine sand fraction in the lagoon. System cluster and PCA were used to identify the proper grain size parameters associated with mean grain size，kurtosis，and sorting. Therefore，the modern sedimentary environment can be well classified into three types using mean grain size，kurtosis，sorting，high-spatial resolution RMSV and water depth. In particular，the results suggest the importance of proper grain size parameters and high-spatial resolution hydrodynamic data in differentiate the coastal sedimentary environments.

Key words:surface sediment; grain size; sedimentary environment; cluster analysis; PCA; root mean square velocity; numerical simulation; the lagoon of Xincun

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Yang Yang，Gao Shu，Zhou Liang，et al. Grain size distribution of surface sediments and sedimentary environment in the lagoon of Xincun，Hainan Island[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 94-105，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.009