凤凰岛东侧海域表层沉积物粒度分布特征与运移趋势分析

宋 湦，冯秀丽，刘 杰，权永峥，肖 晓

（1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266100； 3. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266100）



凤凰岛东侧海域表层沉积物粒度分布特征与运移趋势分析

宋 湦1，2，冯秀丽1，2，刘 杰3，权永峥1，2，肖 晓1，2

（1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266100； 3. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266100）

摘要：为了对凤凰岛近岸海域的工程建设和岸滩防护提供支持，通过凤凰岛东侧近岸海域的表层沉积物粒度组成及粒度参数的分析，结合Flemming三角图示法和Gao-Collins二维的“粒度趋势分析”方法，研究了该区域沉积环境及沉积物运移趋势。结果显示该区有 5种沉积物类型，呈条带状分布，以黏土质粉砂为主体； 研究区沉积物整体较细，分选较差，偏态多为正偏； 研究区整体水动力较弱，表层沉积物中各级配泥沙分布与不同区域沉积环境关系密切。该区表层沉积物输运主要受潮流和波浪控制，北部区域沉积物运移主要受潮流控制，运移方向呈现由海向岸运输，南部区域沉积物运移受潮流波浪共同作用，运移方向呈现与岸线大致平行向东北方向运移，金沙滩、银沙滩沉积物动力过程主要受波浪控制，近岸处运移趋势呈现由岸向海运输，离岸处运移趋势由海向岸。

关键词：粒度分析； 运移趋势； 凤凰岛

凤凰岛又叫薛家岛，位于青岛胶州湾西海岸黄岛区境内，与团岛隔海相望，相距2.26 nmile。根据相关规划和区域经济发展需要，青岛市黄岛区人民政府拟在凤凰岛东侧近岸海域填海造陆，依托金沙滩、银沙滩等旅游资源，通过建设人工岛，实现与周边竹岔岛、三连岛等岛屿的互动与对接，建设海洋文化旅游产业区，将凤凰岛打造成为具有国际知名度的海洋文化旅游圣地。

凤凰岛东、南、北三面环海，中部与陆地相连，海岸线长达54 km。研究区位于凤凰岛近岸海域，胶州湾口南侧，海域隶属黄海，没有入海河流。该区域潮流属正规半日潮，为 SW-NE向往复流，流速一般在65 ～95 cm/s，该区全年最多风向是SE向，受风况影响，该海区常浪和强浪均为SE向，次常浪为E向浪，次强浪为ESE向浪。

目前对于凤凰岛东侧海域所进行的较详细的研究较少，研究的主要区域集中在胶州湾口处和凤凰岛岸线的金沙滩、银沙滩等海滩，张军等［1］通过 4 a的连续观测，对凤凰岛岬湾海蚀岸的侵蚀速率以及侵蚀机制进行了研究，认为造成海岸侵蚀的主要机制是源-运量的不平衡。杨俊生等［2］研究了金沙滩的现代波痕特征，并用 Matlab软件对前滨波痕沉积特征（形态、粒度）与其形成所需的流速和水深等分别进行逐步回归分析，得到回归关系。

本文通过研究该海域的粒度参数分布特征，沉积物类型平面分布特征，并结合Flemming三角图示法［3］和Gao-Collins二维“粒度趋势分析”方法［4-5］，对研究区的沉积环境进行了分析。

1 研究方法

粒度是沉积物的基本特征之一，沉积物的粒度分布主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制。因此，通过对沉积物粒度分布研究可了解沉积物所处的沉积环境［6-8］。利用2011年2月在研究区海域采集到的 49个表层沉积物样品进行分析研究，采样点分布见图1。将采集的样品经粒度试验后，用温德华氏等比制φ值粒级标准处理结果，粒度参数的计算采用矩算法，每个样品计算3个粒度参数： 平均粒径（μ）、分选系数（σ）和偏态（Sk），然后按《海洋调查规范》（GB/T12763-2007）［9］中的谢帕德三角图解法［10］对沉积物进行分类。沉积物动力分区采用Flemming三角图示法［3］，对研究区的水动力强弱和沉积环境进行分析。

［Foundation： Public science and technology research funds projects of ocean，NO.201005009］

图1 研究区和取样点位置图Fig. 1 Location of the study area and stations of surface sediment sampling

粒度参数与沉积物的形成环境有很好的相关性［11-12］。经常使用的粒度参数有粒度平均值、分选系数、偏度及峰态。McLaren等［13］提出沉积物的运移趋势必然与沉积物的平均粒径、分选系数、偏态有某种联系，之后McLaren和Bowles［14］提出一个模型解释了沉积物粒度参数沿搬运方向的变化情况。Gao和 Collins等［4-5］对 McLaren的方法进行了改进，将其从一维扩展到了二维，称为 Gao-Collins方法，该方法已成功地运用在多个海域［15-19］。本文采用Gao-Collins运移趋势分析方法，结合潮流波浪等动力因素，对研究区表层沉积物的输运方向进行分析。

2 结果

2.1 沉积物类型分布特征

依据样品的砂、粉砂、黏土粒级的相对体积分数，把研究区表层沉积物分为： 砾石（G）、黏土质粉砂（YT）、砂-粉砂-黏土混合（SYT、YTS、YST）、粉砂质黏土（TY）、砂（S）等5种沉积物（如图2）。沉积物呈带状分布，其中黏土质粉砂（YT）分布最为广泛，成片分布在研究区离岸较远的边缘处，反映了研究区边缘离岸较远的远海区域水动力较弱； 砂（包括中砂、细砂和极细砂）颗粒较粗，反映了水动力强，主要分布在金沙滩、银沙滩、石雀滩近岸海域； 砂-粉砂-黏土主要分布在砂带和黏土质粉砂带之间，说明该处是各动力相互作用的混合地带，物质来不及分选就沉积下来。

图2 底质沉积物分布图Fig. 2 Distribution of surface sediment categories

2.1.1 沉积物粒组的平面分布特征

为了更细致地了解研究区沉积环境特征，我们把研究区的沉积物分为砂、粉砂、黏土3个粒组，分析3个粒组的平面分布特征（图3）。

图3 砂、粉砂、黏土体积分数等值线Fig. 3 Contours of sand，silt，and clay content

砂颗粒较粗，主要以推移和跃移形式运动，研究区砂粒级体积分数分布主要与砂质海滩的形成有关，研究区岸线为典型的岬湾海岸，SE向的波浪垂向作用于岸线，在突出的岬角处，波浪集中，波能增大，发生侵蚀； 海湾处，波能降低，发生堆积，因此研究区表层砂体积分数在金沙滩、银沙滩、石雀滩3个砂质海滩附近出现平行于海岸的高值带。研究区北部分布的两个砂体积分数高值区主要与此处地形有关，该区水深较浅，潮流速度快，水动力强，细粒沉积物易被搬运，较粗的砂粒残留下来。

粉砂颗粒较细，主要以悬移形式运动，金、银沙滩、石雀滩附近水深由海向岸逐渐变浅，受波浪的掀砂作用，粉砂易被起动并随潮流和沿岸流运动，因此该区粉砂体积分数较低。研究区北侧岸线附近粉砂随涨潮流向岸方向运动，近岸处潮流动力降低，泥沙落淤，粉砂体积分数值较高。在研究区北部有两个区域水深较浅，潮流动力强，粉砂被搬运，出现两个粉砂体积分数低值区，可以看出，研究区粉砂体积分数与砂体积分数分布具有很好的负相关性。

黏土是泥沙中颗粒最细的部分，在研究区北部区域，涨潮时，黏土随潮流搬运到较粉砂更靠近岸线处，黏土体积分数出现高值。金沙滩、银沙滩、石雀滩近岸处由于波浪作用水动力较强，黏土易被起动搬运，因此黏土体积分数在金、银沙滩，石雀滩附近出现低值。研究区近岸海域由于很多泥沙仍悬浮于水中，黏土体积分数较低，体积分数在 10%～30%，远离岸线处水深较深，水动力较弱，泥沙不易被搬运，黏土体积分数较高。可以看出，黏土体积分数总体分布情况与粉砂体积分数分布呈正相关关系，与砂粒体积分数负相关关系。

2.1.2 沉积物粒度特征参数分析

平均粒径是沉积物粒度特征主要参数之一，它在一定程度上反应了沉积物的平均动能情况，在强水动力环境下，细粒沉积物被搬运，粗粒沉积物沉积下来； 在弱水动力环境下，粗粒物质不能被搬运，同时潮流携带的细粒物质沉积下来。研究区平均粒径φ在0.9～8.6（图4），平均值为5.93，颗粒整体较细，反映出区域水动力较弱。φ＜4 等值线反映的是比极细砂粗的泥沙分布，主要分布在金沙滩银沙滩和石雀滩附近，该区域是岬湾海岸受波浪作用形成的砂质海滩，研究区北部φ＜4的区域主要是由于该处水深较浅，潮流动力加强，冲刷加剧的结果； φ在 5～6的等值线反映的是粗粉砂的分布，主要分布在金沙滩银沙滩和石雀滩沙滩外和北部岸线附近，该区域动力条件复杂，砂质海滩外受潮流和波浪共同作用，北部岸线外受地形影响较大； φ＞7的等值线反映了比细粉砂更细的泥沙分布，主要位于研究区边缘远离岸线处，这些区域水动力较弱。综上，研究区平均粒径在金沙滩、银沙滩、石雀滩外由岸向海逐渐变细，反映了波浪作用的淘选作用，在研究区北部情况较复杂，反映了由于地形原因，此处水动力条件复杂。

图4 平均粒径、分选系数、偏态等值线Fig. 4 Contours of mean grain size，sorting coefficient，and skewness

分选系数表示的是颗粒大小的均匀性、沉积物粒度的集中趋势。研究区分选系数在 0.63～3.03，平均为 1.9，分选较差。金沙滩、银沙滩、石雀滩附近为分选系数低值区，大都小于 1.7，原因是该区砂体积分数较高，粉砂和黏土体积分数低，沉积物单一，表现为分选性加强； 研究区北部部分区域由于地形因素水深变浅，水动力增强，分选性增强，出现分选系数低值区； 研究区中部离岸较远的海域由于受潮流和波浪共同作用分选很差，大部分大于2。综上，研究区出现近沙滩处分选好，由岸向海逐渐变差的趋势。

偏度粒度参数中偏度或称偏态（数值为度，曲线为态）系数是用来度量频率曲线的不对称程度的，即表示非正态性特征的，可用平均值、中值（中位数）和众数（最大值）的相对位置来描述［20］。当沉积物偏粗时正偏，沉积物偏细时负偏，偏度为零，粒度频率曲线近似对称。研究区偏态范围在-0.83～1.82，平均为0.24，大部分区域为正偏。

2.2 表层沉积动力分区

在Flemming三角图式中，三角形共分为25个区，分别指示不同的沉积环境。按照沉积物中砂的体积分数分成S、A、B、C、D、E 等6个组分，其中以95%、75%、50%、25%、5%作为结构分类标志线。从S 到E，离粉砂端元越近，沉积物粒径越细； 按黏土在泥质成分中的体积分数分为 6 个不同的水动力区（Ⅰ～Ⅵ），以10%、25%、50%、75%、90%作为结构分类标志线，从Ⅰ到Ⅵ，离黏土端元越近，水动力越弱［6］。

从图5中可见，研究区样品参数点基本落在Ⅲ区，表明研究区水动力较弱，粗粒沉积物不易搬运扩散，因此粗粒沉积物相对集中，这与研究区沉积物分布规律一致。

图5 沉积动力分区三角图Fig. 5 Ternary diagram showing classification of sedimentation dynamics

2.3 沉积物运移趋势分析

粒径运移趋势与沉积物的粒度参数变化有关，即粒径趋势就是沉积物粒度参数平面分布的变化趋势。在任意两个采样点A和采样点B之间，粒度参数μ、σ 和 Ѕk有多种可能的空间变化，如类型 1：σA＜σB、μA＜μB、ЅkA＞SkB，类型2： σA＜σB、μA＞μB、ЅkA＜SkB等，其中的任何一个类型都可以用粒径趋势矢量来表示，高抒等［4-5］提出的Gao-Collins二维“粒度运移趋势”方法就是在采样点网格上的相邻采样点之间进行粒度参数比较，找出两两相邻的采样点之间的所有运移趋势矢量，然后计算每个采样点的合矢量。采用Gao-Collins二维“粒度趋势分析”方法对研究区沉积物运移趋势进行预测，得到研究区表层沉积物运移趋势特征（图6）。

研究区北部区域，沉积物运移趋势呈现由海向岸运输，与涨潮流方向一致，涨潮时，西向潮流在此分叉，一支西北向进入胶州湾，一支西南向进入研究区，本区近岸处粉砂、黏土体积分数较高，这是由于细粒沉积物随潮流以悬移形式运动，在近岸处由于潮流流速降低，水动力减弱而沉积下来。该区有两个水深较浅的区域，分选系数较低，水动力较强，以砂粒为主，潮流携带的砂粒首先在这两个区域沉积，更细的粉砂和黏土随潮流近岸沉积。

金沙滩、银沙滩为砂质海滩，附近沉积物类型主要为砂，分选较好，反映出该海域水动力较强，由于该区域潮流流速很小，因此其沉积物动力过程主要受波浪控制。研究区波浪常浪向和强浪向均为东南向，东南向的波浪主要造成沉积物的向岸-离岸运输，金沙滩、银沙滩近岸处水深浅，水动力强，沉积物运移趋势呈现由岸向海运输； 离岸较远处水深加大，沉积物水动力较弱，主要粒级为粉砂和黏土，沉积物分选很差，反映了该区是潮流波浪混合动力区，因此该处沉积物运移趋势在波浪影响下由海向岸的同时受到潮流影响偏向NE或SW方向。

研究区南部区域沉积物呈现与岸线大致平行向东北方向运移的趋势，与该区域落潮流方向一致，该区域沉积物主要为粉砂和黏土，反映出该区水动力较弱； 分选系数大于 2，分选极差，反映出该区域受波浪潮流共同作用； 在研究南侧岸线突出的岬角处，潮流流速增大，波能聚集，沉积物易被起动，并随潮流搬运，沉积物向潮流流向东北方向运输。

3 结论

1） 研究区表层沉积物呈带状分布，其中黏土质粉砂（YT）分布最为广泛。研究区颗粒整体较细，水动力较弱； 研究区分选较差，沉积物运动受潮流、波浪等多种因素影响； 研究区偏态多为正偏。

2） 研究区表层沉积物中各级配泥沙分布与不同区域沉积环境关系密切。其中砂颗粒较粗，主要以推移和跃移形式运动，在金沙滩、银沙滩、石雀滩三个砂质海滩附近出现平行于海岸的高体积分数带； 粉砂颗粒较细，主要以悬移形式运动，在金、银沙滩、石雀滩附近海域粉砂体积分数较低，北侧近岸粉砂体积分数较高； 黏土是泥沙中颗粒最细的部分，在研究区北部区域，黏土较粉砂更靠近岸线，远离岸线边缘处水深较深，水动力较弱，黏土体积分数较高。

3） 研究区运移趋势主要受潮流和波浪控制，北部区域沉积物主要受潮流控制，运移方向呈现由海向岸运输； 南部区域沉积物受潮流波浪共同作用，呈现与岸线大致平行向东北方向运移； 金沙滩、银沙滩沉积物动力过程受潮流波浪共同作用，近岸处运移趋势呈现由岸向海运输，离岸处运移趋势呈现由海向岸运输。

图6 底质沉积物净输运矢量分布图Fig. 6 Distribution of seabed sediment transport vectors

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（本文编辑： 刘珊珊）

中图分类号：P736.21+2

文献标识码：A

文章编号：1000-3096（2016）04-0094-06

doi：10.11759/hykx20140512003

收稿日期：2014-05-12； 修回日期： 2014-08-14

基金项目：海洋公益性行业科研专项（201005009）

作者简介：湦宋（1988-），男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究地质工程，电话： 15192080781，E-mail： s-s563@163.com

Grain-size characteristics of sediments and transport patterns in the eastern sea area of the Fenghuangdao Island

SONG Sheng1，2，FENG Xiu-li1，2，LIU Jie3，QUAN Yong-zheng1，2，XIAO Xiao1，2
（1. College of Marine Geosciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China； 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques，Ministry of Education，Qingdao 266100，China； 3. First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266100，China）

Received： May 12，2014

Key words：grain-size analysis； transport patterns； the Fenghuangdao Island

Abstract：A study of the region’s sedimentary environment and migration trend is conducted through an analysis of the particle size component and parameters of surface sediment in the offshore zone to the east of the Fenghuangdao Island using a combination of the Flemming triangle diagram method and the Gao-Collins two-dimensional “particle size trend analysis” method. Results show that the region has four different types of sediments that present in a banding distribution，with clayey silt as the main part. The sediments in the research region are generally fine and the size classification is poor. In addition，most of the skewnesses are positively biased. The hydrodynamic force in the research region is generally weak，and the different levels of sediment distribution in surface sediments are closely related to the sedimentary environments of different regions. Surface sediment migration in the region is mainly controlled by tidal currents and waves. In addition，sediment migration in the northern region is mainly controlled by tidal currents and its migration direction is from sea to shore. Moreover，sediment migration in the southern region is controlled by the combined action of tidal currents and waves，and its migration direction is northeastward，which is almost parallel to shoreline. Furthermore，dynamic processes involved in creating golden beach and silver beach sediments are mainly controlled by waves. The migration trend inshore is from shore to sea，and the offshore migration trend is from sea to shore.