河北省曹妃甸近岸海域悬浮泥沙含量分布特征研究

杜东，刘宏伟，秦雅飞，胥勤勉，杨吉龙，陈彭

（天津地质矿产研究所，天津 300170）

河北省曹妃甸近岸海域悬浮泥沙含量分布特征研究

杜东，刘宏伟，秦雅飞，胥勤勉，杨吉龙，陈彭

（天津地质矿产研究所，天津 300170）

本文通过实地调查及取样测试，获得了该区域四条剖面上共49站位不同深度的悬浮泥沙含量，分析了该区域内悬浮泥沙含量在空间上的分布特征，初步建立了悬浮泥沙浓度在空间上的相关性经验模型，并对模型进行了验证，验证结果较为满意。此研究可为悬浮泥沙含量在空间上尤其是中层与底层的遥感定量动态监测提供基本依据。

悬浮泥沙；空间分布特征；相关性经验模型；曹妃甸

曹妃甸地处唐山南部的渤海湾北侧，位于天津港和京唐港之间。“面向大海有深槽，背靠陆地有滩涂”是曹妃甸最明显的自然地理特征，是渤海湾唯一不需开挖航道和港池即可建设30万吨级大型泊位的“钻石级”港址,被誉为“国宝之地”，为大型深水港口建设和临港产业发展提供了优越条件。曹妃甸港的建设是国家与河北省政府的“一号工程”[1]，对该地区进行海洋水体悬浮泥沙动态监测具有重要的现实意义。悬浮泥沙浓度是海洋水体成份的重要参数之一，它的测定对河口、港口建设具有重要的意义。在2009年6月进行的“曹妃甸近海悬浮泥沙遥感定量监测”试验期间，通过对四条剖面的49站位不同深度海水悬沙浓度采样与分析，建立了该区域悬浮泥沙浓度在空间上的定量数学相关关系，为下一步遥感定量动态监测曹妃甸近海悬浮泥沙在空间上的分布奠定了基础。

1 研究区概况与样品取样

曹妃甸港处于渤海湾东北侧海域，具体位置及实测剖面设置如图1所示[2]。曹妃甸浅滩海域是古滦河三角洲的组成部分，自全新世以来，滦河以滦县为顶点形成，北至昌黎、南至曹妃甸的扇形三角洲，且不断地南北摆动。该海域主要受渤海潮波系统控制，属不规则半日潮，据2010年实测潮位资料统计，该海域平均潮差为1.45m，年最大潮差达2.52m。

图1 曹妃甸港位置及取样剖面分布图Fig.1 Cao ofeidian harbor location and the sam p ling p ro ofile distribution

曹妃甸岛前西南及南侧水深条件良好，距岸600m处即为水深10m以上的深槽。历史的长期自然作用，赋予曹妃甸港区近岸深水的优势，岛前10m等深线距0m等深线200～500m，甸头前沿500m外水深即可达到25m以上[3]。海域沉积物类型主要为砂、中砂、细砂、粉砂和粉砂质黏土、黏土质粉砂，其中以黏土质粉砂与细粉砂为主,沉积物中值粒径分布由西向东呈由小到大的变化趋势，表层沉积物平均粒径在0.003～4mm范围之间。粉砂（0.004～0.063mm）的分布范围最广。小于0.008mm的黏土和极细粉砂、大于0.25 mm的中砂分布范围最小。细粉砂（0.008～0.016mm）和中粉砂（0.016～0.031mm）主要分布于等深线10m以深海域。细砂主要围绕曹妃甸头、蛤坨和大清河口以南区域集中分布。总体上看，表层沉积物有自岸向海逐渐变细趋势。根据本次实测结果，四个剖面中悬浮泥沙浓度最小为0.6 mg/l，最大为285.6mg/l，除潮沟外，近岸水深5m以浅地区悬沙浓度多大于10mg/l。

悬浮泥沙样品利用2.5 L定深采水器取样。待船停稳后进行，使用专用的有机玻璃或不锈钢定深采水仪器进行表、中、底分层采样，当水深小于5m时，只取表层样(0～1.5m)、当水深在5m～10m之间时，取表、中层样(中层取样深度为水深的0.6倍)，当水深大于10m时取表、中、底三层样品(中层取样深度为水深的0.6倍，底层取样深度为海底以上2m)。实验测试按《海洋调查规范》（GB12763.1～7-1991）进行[4]，使用重量法计算，使用一定体积的水样通过0.45μm的滤膜，称量留在滤膜上的悬浮物质的重量，计算水中的悬浮物质浓度。

2 悬浮泥沙浓度平面分布特征

本次样品取样时间为2009年6月，其平均波高为0.44m，最大有效波高为1.4m，最大波高为2.3m。常浪向及方向频率分别为SSW（10.17%），S（21.61%），SSE（13.56%），SE（15.68%）。强浪向为S向，其次是SE向。曹妃甸海域悬沙含沙量较低，除个别站位外,大多数站位悬沙含量均小于0.12 kg/m3，西部海域近岸含沙量普遍高于深水区，近岸含沙量一般为远海区的10～20倍左右。而曹妃甸东部海域近岸区含沙量与深水区相当；西部海域近岸含沙量较东部高，甸头前沿水域平均含沙量大约为0.02 kg/m3，涨潮平均含沙量一般略高于落潮平均含沙量。近岸区域悬沙粒径较细，范围为0.010～0.055mm，分布呈现近岸与外海较粗，中部相对较细的特点，西部较东部大。曹妃甸深槽附近悬沙颗粒较粗，说明深槽水流动力强，能悬浮较大颗粒的泥沙[5]（图2）。

3 悬沙浓度空间分布特征及其相关性模型

3.1 悬沙垂向分布特征

图2 2009年6月表层悬沙含量（g/L）等值线图（大潮）Fig.2 The contourmap suroface o of the suspended particu latematter concentration(g/L)in June，2009

本次所测悬沙含量中，表层含沙量区间为2.9～208.7mg/L，中层悬沙含量区间为0.7～285.6mg/L，底层悬沙含量区间为0.6～246.7mg/L。表层平均含沙量为14.3mg/L，中层平均含沙量为20.9mg/L，底层平均含沙量为23.5mg/L。从表、中、底层悬沙浓度看，近岸至远海悬浮泥沙含量在垂向上具有不同的变化规律，离岸较近的海域，水深多小于5m，表层悬沙含量较中层悬沙含量低；离岸稍远的海域，水深较大，悬沙含量垂向分布基本符合表层最小，底层最大，沿水深呈增大趋势。因此泥沙基本上是在底部运移，只有当遇到水动力较强及强浪作用下悬沙才会悬浮至表面运动(图3)。

3.2 模型建立与优选

本文根据32个表、中层有效样点和27个表、底层有效样点的观测数据(表1)，分别对表层与中层、底层建立线性关系模型，对数关系模型，二次多项式关系模型。并选出R2最大的拟合回归方程作为经验模型，并画出其拟合曲线图。图4、图5、图6分别为表层与中层悬沙浓度的线性关系、对数关系及二次多项式模型，相关因子系数R2及相关性统计于表2。从表2中可以看出，表层与中层悬沙浓度的二次多项式模型的相关系数R2最大，相关性最好。因此表层与中层悬沙浓度的相关性经验模型为：

图7、图8、图9分别为表层与底层悬沙浓度的线性关系、对数关系及二次多项式模型，相关因子系数R2及相关性统计于表3。从表3中可以看出，表层与中层悬沙浓度的二次多项式模型的相关系数R2最大，相关性最好。因此表层与底层悬沙浓度的相关性经验模型为：

图3 曹妃甸近岸海域剖面的表、中、底层悬沙含量分布特征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 悬浮泥沙浓度的表、中、底层建模样本数据（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

图4 四条断面的表层与中层悬沙浓度拟合线性模型散点图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

图5 四条断面的表层与中层悬沙浓度拟合对数模型散点图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

图6 四条断面的表、中层悬沙浓度拟合多项式模型散点图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 表层与中层悬沙浓度拟合模型及其参数统计表Table 2 The suspended particulate matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the m idd le and suroface

图7 四条断面的表、底层悬沙浓度拟合线性模型散点图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

图8 四条断面的表、底层悬沙浓度拟合对数模型散点图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

图9 四条断面的表、底层悬沙浓度拟合多项式模型散点图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 表层与底层悬沙浓度拟合模型及其参数统计表Table 3 The suspended particu late matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the bottom and suroface

3.3 模型验证

本文采用实测资料对二次多项式模型进行了验证。模型的误差分析是检验模型可靠性与否的主要指标。利用式(1)与式(2)分别对表、中层悬沙相关模型与表、底层悬沙相关模型进行误差分析。表、中层悬沙相关模型检验样本为42个，相对误差值分布情况为:0～15%(13个)、15%～30%(13个)、30%～50%(8个)、大于50%为8个,平均相对误差为29. 31%；表底层悬沙相关模型检验样本为35个，相对误差值分布情况为:0～15%(8个)、15%～30%(6个)、30%～50%(11个)、大于50%(10个),平均相对误差为37.04%。

图10、图11分别为中层悬浮泥沙含量验证结果和底层悬浮泥沙含量验证结果。图10显示出了中层悬浮泥沙含量计算值与实测值拟合趋势较好，平均绝对误差为0.007 g/L；图11则显示底层悬浮泥沙含量计算值与实测值拟合较好,平均绝对误差为0.016 g/L。其它测点的验证结果与此相似，计算值与实测值有较好的一致性。

4 结论

通过四条剖面49站点的实测悬沙浓度值进行线性、对数以及多项式进行拟合参数的对比筛选，并通过实测值与计算值的拟合曲线分析，结果表明：多项式拟合模型效果最好，因此，中层悬沙浓度与表层悬沙浓度在该地区的拟合模型为：

C中-中层悬沙浓度值（g/L）；C表-表层悬沙浓度值（g/L）。

底层悬沙浓度与表层悬沙浓度在该地区的拟合模型为：

C底-底层悬沙浓度值（g/L）；C表-表层悬沙浓度值（g/L）。

为此就可利用遥感数据与光谱反射率所建立起来的遥感反演模型定量计算出表层悬沙浓度值，再通过表层悬沙浓度值与中层、底层悬沙浓度之间的相关经验模型得出中层、底层悬沙浓度值，从而分析悬浮泥沙在水体中空间上的分布特征。因此可以利用遥感技术对海水悬浮泥沙空间上的分布特征进行定量的动态监测。

致谢:项目执行过程中，得到了同济大学匡翠萍教授和长安大学孔金玲教授的支持与帮助，在整个野外作业中,天津地质调查中心水环院各位同事及河北曹妃甸项目组全体成员参与了海上艰苦作业,在此一并表示衷心的感谢!

[1]曹妃甸工业区管理委员会.加快曹妃甸开发建设努力成为拉动环渤海地区经济发展新引擎[J].港口经济,2008,（3）:42-44.

[2]李建国，孙晓明，康慧，等.曹妃甸近海Ⅱ类水体光谱反射率与悬浮泥沙浓度相关性研究[J].国土资源遥感，2009，（3）:54-58.

[3]杨华，赵洪波，吴懿喜.曹妃甸海域水文泥沙环境及冲淤演变分析[J].水道港口，2005，26（3）：130－133.

[4]GB77378.4-1998.海洋监测规范(第四部分:海水分析)[S].

[5]匡翠萍，刘曙光，陈思宇，张宇，潘毅，邓凌.曹妃甸海洋水动力环境监测与海岸带近现代地质环境演化趋势预测－曹妃甸地区水动力环境数值模拟计算与评价专题报告[R].上海：同济大学，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

国家公益性行业科研专项资助项目（201011019）；河北曹妃甸滨海地区海岸带环境地质调查评价项目(1212010814005)

杜东(1981-)，男，硕士，工程师，2007年7月毕业于长安大学水文与水资源专业，现主要从事水文地质环境地质海洋地质工作，Email：yndd24@163.com。