长江口北槽沉积物的粒度特征和输运趋势探讨

谢火艳，王如生，张国安，李占海（.黔南民族师范学院，贵州·都匀 558000；.国家海洋局第二海洋研究所，浙江·杭州 00；.华东师范大学河口海岸国家重点实验室，上海 0006）



长江口北槽沉积物的粒度特征和输运趋势探讨

谢火艳1，王如生2，张国安3*，李占海3
（1.黔南民族师范学院，贵州·都匀 558000；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江·杭州 310012；3.华东师范大学河口海岸国家重点实验室，上海 200062）

摘 要：基于长江口北槽沉积物样品的粒度分析结果，使用粒径趋势分析法，研究了北槽底质沉积物的分布特征和输运趋势。结果表明：北槽表层沉积物总体较细，沉积物组分以砂质粉砂和粉砂为主。北槽底床沉积物的总体分选性较差，偏态系数则处于极正偏和近对称之间；峰度系数小于1.8，为低峰态，频率曲线比较平缓。北槽深槽表层沉积物为双向输运，在低能环境下向陆搬运，在高能环境下向海搬运；北槽南边坡与深槽类似，而北槽北边坡表现为向陆搬运。在北槽深槽和南、北边坡出现输运差异，与它们所处的环境密切相关。

关键词：长江口；北槽；沉积物；粒径特征；运移模式

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长江河口北槽深水航道一、二、三期工程分别于2001、2005和2011年竣工，航道水深分别浚深为8.5m、10m 和12.5m［1，2］，高强度的工程建设改变了北槽的水沙环境。工程前后许多学者基于实测资料和数学物理模型对北槽进行了大量的研究［3～12］，但是专门关于北槽深水航道走航断面沉积物粒度坡槽差异特征和趋势分析的报道较少。

粒度特征是沉积物的重要属性，而粒度参数是粒度特征的主要表现形式，也是其最直接的反映，沉积物粒度特征受到水动力、泥沙来源变化和人为活动等因素的影响［13，14］。研究一个区域的沉积物粒度分布特征的变化情况，可以反映该区域的水动力条件特点，沉积物的运移趋势和泥沙供给条件的变化。本文利用实测资料，分析北槽表层沉积物的粒度分布特征及其输运趋势。

1 数据来源与处理方法

为研究北槽河床沉积物粒度分布特征，在北槽进行了水文泥沙观测，期间于2014年9月24日至10月5号在北槽区域选取了12个横断面，每个断面选取5个点位，进行河床表层沉积物采样。采样点分布在每个断面深槽（1个）和南北侧（各2个），共计60个。北槽入口段到入海口段（由陆向海）的横断面序号依次为1～12断面，每个断面的采样点编号如图1所示。

在走航过程中利用GPS定位，利用采泥器采集河床表层0.5m的沉积物样品，样品尽量排水后保存在聚乙烯塑料袋中，重约200g。

沉积物样品带到实验室后进行室内粒径分析，沉积物样品置于编好号的烧杯中，加入约5ml浓度的稀盐酸去除钙质物和生物贝壳，浸泡2h后，把烧杯加满水，反复洗酸至中性。此外还要在烧杯中滴加双氧水去除有机质；还要加入六偏磷酸钠溶液，之后用超声波震荡10分钟左右，使样品处于颗粒状态。将适量样品倒进英国Malvern公司产的Mastersizer2000型激光粒径仪中测量样品粒径（粒径范围0.01～2000μm）。

得到每个样品的原始数据后通过Mastersizer2000型激光仪器自带的软件进行粒径分级，得到各级粒径的频率和相对频率，此后对数据进行后处理，获得每一个样品的粒径分布和参数信息（平均粒径，中值粒径，分选系数、偏度和峰态）。

图1　长江口北槽沉积物采样点分布Fig.1 The sediment sampling distribution in the northern passage of the Yangtze river estuary

2 结果与分析

2.1 沉积物粒度特征分析

本文结合以往相关研究［15～21］，将北槽分为五段：入口段（断面1～2）、上段（断面3～4）、中段（断面5～8）、下段（断面9～10）、口外段（断面11～12）。

（1）北槽沉积物组分和类型

统计北槽底床表层沉积物粒径结果表明（见表1）：沉积物粒径大小平面分布不均，中值粒径在5.91～184.15μm之间。Folk分类是比较常用的方法，因此通过Folk分类法对长江口北槽底床表层60个沉积物样品进行分类（图2）。由图2可以看出，北槽底床表层沉积物总体较细，主要为砂质粉砂（28个）和粉砂（23个），此外还有粉砂质砂（7个）、泥（1个）、砂（1个），共计5种类型。此次与2012年北槽的沉积物分类相比分类变化不大［22］，多了一种类型，即出现在入口段1号采样点的样品类型为砂，由于以往很少出现，所以该点值得商榷。

北槽的表层沉积物中，以砂质粉砂和粉砂为主，基本遍布北槽区域。北槽入口段和上断面以及中断面主要以砂质粉砂和粉砂为主；北槽下段断面主要为粉砂质砂和砂质粉砂，有少量泥分布；北槽口外段沉积物主要分布类型为粉砂。

图2　长江口北槽沉积物Folk分类Fig.2 The sediment Folk classfcation triangle in the northern passage of the Yangtze river estuary

（2）北槽沉积物Folk粒径参数特征

沉积物粒度参数特征是沉积物输运、沉积物物源特征的集中反映，被广泛用于判断沉积物环境类型、沉积物的运动方式和指示水动力的大小及其搬运能力的强弱。

北槽底床沉积物粒径参数（平均粒径、分选系数、偏态、峰态）采用Folk和Ward公式进行计算［13］，其采用Ø单位，之后再转换为μm，具体计算公式为：

通过计算与统计（表1），发现北槽底床表层沉积物粒度参数的总体特征为：沉积物颗粒总体较细，平均粒径5.38～130.05μm，均值为23.85μm；中值粒径在5.91～140.54μm之间，均值则为30.78μm，与2000年（25μm）［4］和2012年（23.34μm）［22］相比有少许粗化趋势。

为进行不同环境分选性的比较，Folk和Ward依据分选系数、偏态、峰度，将等级划分成若干级别。据此，发现北槽底床沉积物的总体分选性较差，介于差和较差之间；偏态系数则处于极正偏和近对称之间；峰度系数普遍较小，小于1.8，表现为低峰态，频率曲线比较平缓。这些粒度参数和2012年相比基本一致，此次相对于2012年的粒径有明显粗化的趋势，在今后研究中有待进一步研究。

表1　长江口北槽沉积物粒度参数和组分统计Table 1 The sediment grain size statistical parameters and components in the northern passage of the Yangtze river estuary

（续表1）

（3）北槽横纵向粒度参数特征

为比较北槽断面横向和纵向粒度参数特征，绘制了北槽南北边坡和深槽部位的粒度参数由陆向海的沿程断面变化图（图3）。北边坡选取的采样点号为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60，南边坡的点号为2、6、11、16、21、26、31、36、41、46、51、56，深槽选取每个断面的中间采样点。

图3　长江口北槽底床沉积物边坡和深槽粒径参数沿程变化Fig.3 The sediment grain size parameters variation along the river in the northern passage of the Yangtze river estuary

中值粒径：横向上，总体来看深槽和南边坡要粗于北边坡：南边坡的中值粒径介于9.41～140.54μm之间，均值为46.41μm；深槽中值粒径介于5.91～123.67μm，均值为29.04μm；而北边坡中值粒径介于7.35～85.42μm，均值为23.91μm。中值粒径的这种特征基本上和北槽水动力强弱分布相一致。受到地球自转偏向力的影响，深槽和深槽南侧水动力较强，所以其沉积物的中值粒径也较粗，北边坡则相对较细。在纵向上，南、北边坡和深槽中值粒径最大的部位有较大差异：南边坡最大的中值粒径出现在北槽上段和下段，沉积物颗粒表现为细—粗—细—粗—细的趋势；而深槽最大中值粒径出现在北槽中段，沉积物颗粒表现为细—粗—细的态势；北边坡最大中值粒径出现在北槽下段，沉积物颗粒表现为细—粗趋势。

分选系数：分选系数大就表示离散度大，分选性就差；分布集中，分选系数就小，分选性好。横向上，南边坡的分选系数介于0.9～2.19之间，均值为1.94；深槽的分选系数介于1.13～2.14之间，均值为1.75；北边坡分选系数介于1.30～2.28之间，均值为1.88。这表明总体上北槽沉积物分选性较差。纵向上，沿程分选性变化不大，边坡较深槽变化幅度要小。

偏态：南、北边坡偏态沿程变化幅度较小，变化具有较好的一致性，趋势基本相同。总体上，深槽、南、北边坡为正偏，沉积物粒级曲线偏向较粗侧。

峰态：北槽沉积物峰态值介于0.89～1.76之间，均值为1.11。如图3所示，深槽和南边坡的峰态较北边坡要大，北边坡沿程变化极小，深槽和南边坡峰态变化较大区域主要在北槽上段和中段。

2.2 沉积物的运移趋势

由于长江口北槽的水动力主要为径流和潮流，并且北槽底床沉积物颗粒较细，以黏性细颗粒泥沙为主，因此在长江口北槽Gao-Collins二维沉积物输运模型并不适用，故在此考虑运用McLaren与BoWles的一维泥沙输运模型来分析北槽底层沉积物的输运趋势。

一维泥沙输运模型主要是基于泥沙粒径的三个粒径参数（平均粒径、分选系数和偏态参数）的空间差异性来确定泥沙输运方向的一种概率模型。该模型的基本原理为：泥沙来源唯一性和泥沙输运单向性；假设有n个样品，那么沉积物运输方向有N=n（n-1）/2个有方向（正反向）的样品对，对一对样品对的平均粒径（Dm）、分选系数（Sc）、偏态（Ssk）进行比较，则会出现以下8种类型的粒径趋势［23］：

Gao和Collins（1992）、McLaren（1985）提出，沉积物从一点输移至另外一点，有两种类型的粒径趋势在沉积物输移方向上有很高的出现概率：一是沉积物在输运过程中分选性变好（B）、粒径变细（F）并且更加负偏（-），定义为事件B，也表示在搬运过程中能力逐渐变弱，为低能搬运转换过程；二是沉积物在输移方向分选变好（B）、粒径变粗（C）且更加正偏（+），定义为事件C，也表示为高能搬运转换过程，即泥沙颗粒变粗，分选更好也更加正偏。满足上面两种情形的一种，即可表示泥沙输移趋势。

根据北槽沉积物采样点的位置，采用一维沉积物输运模型分析北槽深槽和其南、北边坡的表层沉积物输运趋势。北槽北边坡选取最靠近北导堤的采样点（断面号为n，采样点H=5n，1≤n≤12），深槽选取每个断面在航槽中间深槽的采样点（第12个断面取点58），南边坡取每个断面最靠近南导堤的采样点。这样，在北槽和南、北边坡各选了12个样品点。根据前述可知，沉积物趋势偏东和趋势偏西方向上各有66个样品对。

由概率模型计算结果（表2）可知：在北槽北边坡沉积物输运趋势倾向于偏西（Z=5.86），向陆搬运，搬运过程则为低能搬运（事件B）。

北槽深槽表层沉积物在输运方向上为双向输运，在低能搬运过程（事件B）时候（Z=4.75）向陆搬运，在高能搬运过程中（事件C）向海搬运（Z=2.88）。这主要是因为深槽是受到径流和潮流影响最大的部位，涨落潮流速较大，涨潮时沉积物向陆输运，落潮时受径流影响，加大了流速，沉积物向海搬运。

而在北槽南边坡，也表现出一定的双向搬运过程，但倾向于向海搬运，搬运类型为高能搬运（事件C，Z=6.61），向陆搬运过程为低能转换搬运（事件B，Z=2.14），这种情况跟2012年北槽南侧表现只有一种情况有一定差异。

根据北槽深槽、南北边坡的水动力分布和北槽单宽悬沙输运机制的分析［24］，北槽表层沉积物的输运趋势主要跟水动力分布特征及地球自转偏向力密切相关。深槽为主要过水部位，最大流速都出现于此，在涨落潮作用下，北槽深槽沉积物表现为双向运动。北槽南、北两侧，由于地转偏向力和北槽拐弯段地形的存在，涨落潮主线存在分异，导致其水动力有较大差异，南边坡落潮流占优，北槽北边坡以涨潮流占优，所以，北边坡表层沉积物倾向于向陆搬运，而南边坡倾向于向海搬运。

表2　长江口北槽沉积物输运趋势Table 2 The sediment transport trend in the northern passage of the Yangtze river estuary

3 结论

通过对2014年在长江口北槽走航断面沉积物粒度特征和输运趋势的分析，得到以下几点认识：

（1）北槽表层沉积物总体较细，平均粒径5.38～130.05μm，均值23.85μm；中值粒径在5.91～140.54μm之间，均值为30.78μm，以砂质粉砂和粉砂为主，基本遍布北槽双导堤内的区域。

（2）北槽底床沉积物的总体分选性较差；偏态系数则处于极正偏和近对称之间；峰度系数较小（小于1.8），为低峰态，频率曲线比较平缓。

（3）北槽深槽表层沉积物在输运方向上为双向输运，在低能环境向陆搬运，在高能环境向海搬运；北槽南边坡与深槽类似；北槽北边坡表现为向陆搬运。其差异与它们所处的环境密切相关。

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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

中图分类号：P343.5

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0084-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.020

收稿日期:2015-08-27

修订日期:2015-10-08

作者简介:谢火艳（1988-），男，硕士，主要从事自然地理学教学与科研.

基金项目:国家自然科学基金项目（41376098）；国家自然科学基金面上项目（41176069）

*通讯作者:张国安（博士/副教授）: gazhang@sklec.ecnu.edu.cn