黄河三角洲埕北海域底质沉积物粒度特征及泥沙输运分析

田动会，滕珊，冯秀丽*，肖晓，宋湦，冯利，姜波

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

黄河三角洲埕北海域底质沉积物粒度特征及泥沙输运分析

田动会1,2，滕珊1,2，冯秀丽1,2*，肖晓1,2，宋湦1,2，冯利1,2，姜波1,2

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

通过黄河三角洲埕北海域表层沉积物的粒度资料、实测潮流数据以及50 a一遇的波浪要素，分析了埕北海域表层沉积物的分布类型以及粒度参数特征，并计算了表层沉积物的临界起动应力、日平均单宽输沙通量以及波流共同作用下的单宽推移质输沙率。结果表明：研究区表层沉积物主要是粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和泥四种，分选中等偏差，近对称到正偏，中等尖锐到尖锐峰态；对大潮期间埕北海域潮流底应力和表层沉积物的临界起动应力的计算说明潮流在大部分区域具有起动和输运泥沙的作用；秋季潮流作用下的日平均单宽输沙通量均值为372.32 kg/(m·d)，方向为涨潮流向。利用贝克尔(Bijker)和经典的Van Rijn公式计算出的50 a一遇的波流共同作用下单宽推移质日平均净输沙率结果近似相等。

表层沉积物；粒度特征；泥沙输运；黄河三角洲

1 引言

海洋表层沉积物的粒度特征包含了诸多信息，如海平面的变化、沉积物的来源、沉积物的输运方向及其运动组合方式，同时沉积环境和水动力条件的改变也会在沉积物的粒度参数上有所体现。通过对沉积物粒度特征的研究可以还原其沉积环境，指示其水动力条件，反演当时的地质作用过程。前人利用黄河三角洲埕北海域沉积物的粒度参数研究其沉积环境和水动力特征方面做了大量的研究，积累了丰富的基础资料和研究成果。

黄河三角洲埕北海域是我国著名的油气资源产地，近海工程建设项目繁多，沉积环境较为复杂，再加上黄河尾闾的不断摆动，形成了复杂叠置的水下三角洲体系，同时其波浪和潮流的冲刷作用较为强烈，表层沉积物空间分布极不均匀。因此，通过沉积物粒度参数反演其沉积环境对国家战略和实际工程需要都有极其重要的意义。冯秀丽等[1]利用黄河三角洲埕岛海域表层沉积物资料，研究了其底质特征及其泥沙净输运趋势；张少同等[2]运用原位时间序列沉积物捕获器,捕获了黄河口埕岛海域的沉降沉积物,计算了沉降通量,推断了沉降沉积物的来源、影响因素以及沉降量在再悬浮量中所占的比例；袁萍等[3]基于黄河三角洲附近海域表层沉积物样品粒度资料,研究了沉积物类型和空间分布特征,探讨了沉积物粒度分布特征与物源和沉积动力环境之间的关系。本文基于黄河三角洲埕北海域表层沉积物的粒度资料，研究了其沉积物类型空间分布特征和粒度参数的空间变化，同时结合实测潮流数据和50 a一遇的波浪要素计算了表层沉积物的临界起动剪应力、日平均单宽输运通量以及50 a一遇的波流共同作用下的单宽推移质输沙率，分析其水动力条件和泥沙输运特征，以期对学术研究和工程应用起到一定的借鉴意义。

2 研究区概况

1964年黄河改道刁口流路注入渤海湾，携带的巨量泥沙流经研究区沉积下来。由于黄河径流量小，含沙量高，堆积速率极快。黄河所携带泥沙主要为细颗粒的泥沙，易于搬运，再悬浮沉积作用明显。至1976年黄河改道清水沟流路注入渤海，研究区物源断绝，在波浪和潮流的共同作用下，海岸发生侵蚀后退，表层沉积物发生悬浮再沉积，细粒沉积物被带向远海，粗颗粒沉积物遗留下来。另外，人工构筑物的修建使得附近海域的水动力条件发生改变，本身老黄河口属于侵蚀后退型海岸，波浪和潮流的作用强烈，这些作用共同导致海底表层极易产生掏空侵蚀和泥沙的悬浮再沉积的现象。

研究区位于渤海湾南部埕岛油田附近海域，海底地形复杂多变，岸线曲折蜿蜒，地势西南高东北低，水深范围0～20 m，水深等值线大致平行于岸线。根据多年统计资料，波浪类型为风生浪，周期短，强浪方向为NNE向，次浪方向为NW向[4]。潮流性质属于正规半日潮，以往复运动为主，方向大致与岸线平行。调查范围、取样站位以及测潮站位置如图1所示。

图1 研究区位置、取样站位以及潮位站示意图Fig.1 The research area, sampling stations and tide station

3 样品来源与研究方法

本文粒度数据来源于2014年在黄河三角洲埕北附近海域通过箱式取样器获得181个海底表层沉积物样品。样品于中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室通过马尔文MS-2000激光粒度分析仪进行粒度分析。具体流程是：首先将样品混合均匀后取样，通过添加适量双氧水去除有机质、添加适量0.25 mol/L稀盐酸除碳酸盐，然后经过洗酸洗盐处理，添加适量0.5 mol/L的六偏磷酸钠浸泡24 h，之后经过超声仪充分分散样品20 min，最后上机分析测试样品。粒度分级标准采用乌顿-温德华等比制Φ值[5]，对沉积物粒度分析结果采用Folk命名规则[6]进行分类定名，采用McManus矩法[7]计算沉积物的粒度参数。

于2015年10月18-19日大潮期间对研究区某取样点进行了25 h潮流连续观测，海流观测使用SLC9-2智能型直读式海流计，数据采集间隔为1 h。

(1)潮流底应力的计算

结合研究区2015年10月大潮期间的实测潮流场的数据，对于水深较小的区域，流速的垂线分布满足Van Karmam-prandtl公式[8]：

(1)

式中，μ为距离底床高度为z处的潮流流速，μ*为摩阻流速，k为常数(取值0.4)，z0为底床糙率。已知潮流的垂线平均流速，对上式等式两边对水深进行积分，得到的μ*表达式为：

(2)

式中，U为潮流垂线平均流速，H为水深。

利用2015年10月大潮期间埕北海域实测潮流数据，计算可以得到其摩阻流速，再由摩阻流速可以得到其潮流底应力：

(3)

式中，ρ为海水密度，取1 025 kg/m3。

(2)临界起动应力的计算

根据Dyer[9]提出的海洋环境沉积物临界起动摩阻流速公式：

(4)

可以得到表层沉积物临界起动应力的公式：

(5)

(3)沉积物输运通量的计算

利用Bartholdy等[10]提出的潮流作用下的半经验公式：

(6)

式中，qsb为单宽输沙率[kg/(m·s)]；μf为摩阻流速(m/s)；VD为垂线平均流速(m/s)；d为沉积物的中值粒径(m)；μ为实测流速(m/s)；z为潮流测量高度(m)；k为底床粗糙度(m，k=d/12)；D为水深(m)。

(4)波流共同作用下的推移质输沙率计算

采用贝克尔(Bijker)[11]提出的波流共同作用下的推移质输沙率公式：

(7)

本文采用以上公式计算了研究区表层沉积物的临界起动剪应力、日平均单宽输运通量以及50a一遇的波流共同作用下的单宽推移质输沙率，从而分析其水动力条件和泥沙输运特征。

4 表层沉积物粒度特征

4.1 沉积物粒度组成及分布

研究区表层沉积物的粒度组成及分布如图2所示，经过测试分析，研究区沉积物以粉砂和砂组分为主，各粒级组分分布结果如下：砂含量介于0.17%～73.15%，平均值为13.29%，主要分布在研究区近岸区域波浪破碎带以浅区域，由岸向海砂含量逐渐减少，分布含量低值区位于研究区东北部，且含量均低于10%，分布含量高值区位于历史黄河入海口的沙嘴部分和三角洲建造的水下沙坝附近；粉砂含量介于23.28%～85.37%，均值为68.12%，粉砂含量在整个研究区分布较为广泛，且含量高值区位于研究区中部过渡区域，与砂含量的分布呈现相反的趋势；黏土含量介于3.57%～43.80%，平均值为18.58%，整体上看，由岸向海黏土含量逐渐增加，与粉砂含量的分布呈现相同的趋势。

图2 研究区表层沉积物砂、粉砂、黏土百分含量分布Fig.2 Distribution of sand, silt and clay percentages in research area

4.2 表层沉积物类型及分布

在海洋沉积环境和水动力的研究中，主要命名方法有两种：Shepard[12]和Folk命名，而Folk命名规则可以反映出沉积物沉积水动力环境，所以根据表层沉积物的粒度分析结果，利用Folk命名规则可以得出：研究区表层沉积物的主要类型主要有以下4种：粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和泥(图3，图4)。从图4中可以看出，研究区北部基本上底质类型为粉砂，占整个研究区的51.9%，其中泥零星分布，且均分布在离岸边最远的地区，占整个研究区的6.1%；研究区中部区域底质类型基本上为砂质粉砂，占整个研究区的37.0%，夹杂零星分布的粉砂和粉砂质砂；研究区近岸区域底质类型为粉砂质砂，占整个研究区的5.0%。整体上看，由岸向海表层沉积物的粒径逐渐减小。

图3 研究区表层沉积物Folk分类图Fig.3 Surface sediment types in research area according to Folk’s classification

图4 研究区底质沉积物底质类型分布图Fig.4 Distribution of surface sediment types in the research area

4.3 表层沉积物粒度特征

沉积物的粒度参数可以用来反演历史时期沉积物的来源及其沉积环境，当沉积环境发生改变时，也会在沉积物的粒度参数上有所体现。因此，研究沉积物粒度参数的变化对恢复历史时期沉积环境演化具有重要的意义。研究区表层沉积物粒度参数的分布如下(图5和表1)。

中值粒径：整个研究区表层沉积物中值粒径介于3.50Φ～7.72Φ，平均值为5.67Φ。目前，普遍用中值粒径来表征沉积物的粒径大小，用以代替平均粒径。从其拟合关系式(Mz=1.067Md-0.720，R2=0.979)可以明显看出，中值粒径和平均粒径之间存在良好的相关关系，且随着平均粒径的逐渐减小，相关性逐渐变好，向对称分布逼近。

分选系数：研究区分选系数介于0.96～2.20之间，平均值为1.77，属于分选中等到差，与研究区复杂的水动力环境有直接的关系。许多学者认为，分选的好坏极大程度的依赖于中值粒径。从其分布图上可以看出沉积物粒径越粗，其分选越好。

偏态：研究区底质沉积物的偏态与其中值粒径的分布对应关系良好，大致呈条带状分布，与岸线平行，且由岸向海其偏态数值逐渐减小。整个研究区底质沉积物的偏态最大值为0.62，最小值为0.04，平均值为0.32，属于近对称-正偏-极正偏。

峰态：研究区底质沉积物的峰态数值分布由岸向海呈现先增大后减小的趋势，在研究区中部形成若干极大值区。整个研究区峰态的最大值为2.10，最小值为0.82，平均值为1.16，属于中等尖锐-尖锐峰态。

总体而言，研究区表层沉积物的粒径由岸向海逐渐变细，粗颗粒的分选要优于细颗粒的分选，大部分属于近对称-正偏-极正偏，属于中等尖锐-尖锐峰态。各粒级概率分布曲线多为单峰状态，说明物源单一，基本上都是来自于黄河的泥沙供给，后期物源断绝，接受潮流和波浪的改造和簸选作用，粒度参数发生改变。

表1 表层沉积物各组分含量及其粒度参数

图5 表层沉积物粒度参数分布Fig.5 Distributions of grain-size parameters in the research areaa.中值粒径，b.分选系数，c.偏态，d.峰态a：Mz/Φ，b：σi，c：Sk，d：kg

5 泥沙输运分析

埕北海域水动力条件及其沉积环境十分复杂，导致其表层沉积物的类型和粒度参数在空间分布上极不均匀。埕北海域表层沉积物的分布是在波浪和潮流共同作用下的结果，下面将逐一分析。

5.1 海底表层应力分析

潮流属于常规性的有规律的动力因子，直接影响沉积物的再悬浮和泥沙的运移[13]。因研究区物源断绝，潮流主要作用为表层沉积物的再悬浮输运，因此沉积物有明显粗化的趋势。汇总了2015年10月埕北海域大潮期间实测潮流特征如表2所示，详细计算分析如下。

5.1.1 表层沉积物临界起动应力

根据上文中提到的公式计算了埕北海域表层沉积物临界起动应力，其分布如图6。

表层沉积物的临界起动应力(图6)介于0.37～1.20 N·m-2之间，平均值为0.68 N·m-2，表层沉积

表2 埕北海域实测潮流特征统计

物的临界起动应力数值由岸向海逐渐减小，由于临界起动应力主要受控于沉积物的粒径，因此与其中值粒径的分布对应良好。由岸向海随着泥沙颗粒的逐渐变细，临界起动应力逐渐减小，细颗粒相对容易被水流起动。

图6 研究区表层沉积物临界起动应力分布图(单位：N/m2)Fig.6 Distribution of critical shear stress for sediment motion (unit: N/m2)

5.1.2 最大潮流底应力的影响

为了更深入了解沉积物运移与潮流之间的关系，本文计算了最大潮流底应力，将其与泥沙临界起动应力相对比，并且将对比结果与底质沉积物类型相对应，探讨潮流与沉积物分布的关系。

利用实测潮流数据计算可得大潮期间埕北海域研究区表层沉积物的潮流底应力介于0.56～4.61 N/m2，平均值为0.96 N/m2。与泥沙临界起动应力对比得知潮流在大部分区域具有起动和输运泥沙的作用。根据蒋东辉和高抒[14]研究结果表明，当潮流底应力大于沉积物临界起动应力时，细颗粒沉积物被潮流作用再悬浮并运移，留下较粗颗粒沉积物；反之同样，当潮流底应力小于沉积物临界起动应力时，沉积物不能被带走，所以底质类型为较细颗粒沉积物。

5.2 表层沉积物输运量

5.2.1 潮流作用下表层沉积物输运通量

为详细了解大潮期间潮流作用下表层沉积物的输运通量，结合研究区2015年10月实测潮流数据，经过计算得知：大潮期间埕北海域研究区潮流作用下的涨潮瞬时单宽输沙通量介于0.263×10-2～3.06×10-2kg/(m·s)，落潮瞬时单宽输沙通量介于0.525×10-3～6.11×10-3kg/(m·s)，日平均单宽输沙通量介于90.91～1 058.02 kg/(m·d)之间，均值为372.32 kg/(m·d)(图7)。整体上研究区水动力条件较强，其中涨潮瞬时单宽输沙通量大于落潮瞬时单宽输沙通量。秋季离岸潮流净输沙量大于近岸泥沙净输沙量，净输沙方向为涨潮方向，为SE到NW向，这与冯秀丽等[15]的研究结果一致。

图7 表层沉积物日平均单宽输沙通量[单位：103 kg/(m·d)]Fig.7 The net transport fluxes per day of surface sediment [unit：103 kg/(m·d)]

5.2.2 波流共同作用下的推移质输沙率

1976年黄河改道清水沟，研究区物源断绝，经过多年波浪和潮流的强烈作用，沉积物粒径变粗，颗粒大部分以推移和跃移运动为主。上面的分析仅仅考虑了潮流对海底表层沉积物的作用，为进一步分析研究区波流共同作用下的单宽推移质输沙率。根据埕北海域50 a一遇的波浪要素[16](波浪周期取8.6 m/s)，采用贝克尔(Bijker)和经典的Van Rijn提出的波流共同作用下的推移质输沙率公式对50 a-遇波浪的有效波高作用下的单宽推移质输沙率进行了计算，结果如表3。

表3 埕北海域50 a一遇波浪作用下的单宽推移质输沙率

从表3中可以看出，利用贝克尔(Bijker)和经典的Van Rijn公式计算出的黄河三角洲埕北海域在50 a一遇的波浪作用下推移质日平均净输沙率结果近似，其中涨潮平均输沙率均大于落潮平均输沙率。从结果对比来说，Van Rijn公式计算出来的单宽推移质日平均输沙率比贝克尔输沙公式结果略小，这是因为Van Rijn公式对水层的划分更为细致，分为近底混合层推移质、下层悬移质和上层悬移质。从模式机理上看，Bijker公式和Van Rijn公式并没有优劣之分，都是参照河流输沙的形式，得到的沿岸流输沙模式，都是对波流作用下泥沙运动的一种近似假定，两者也都适合于数值计算，只不过Van Rijn公式由于考虑了分层积分更加精细[17—21]。当海底表层剪切应力较大时，能够发生底床的侵蚀和泥沙的再悬浮。在50 a一遇的波浪作用下，海水流速增大，海底底部剪切应力急剧增大，极易发生底床侵蚀和泥沙运移，导致沿岸输沙率增大。另外，波浪荷载作用下，表层沉积物的结构强度降低，临界剪切应力和起动流速显著降低，发生再悬浮的概率增加，表层细颗粒物向上运输，沉积物发生粗化现象。

6 结论

本文根据黄河三角洲埕北海域表层沉积物的粒度资料、实测的潮流数据以及不同重现期下的波浪要素，分析了研究区表层沉积物的粒度特征和运移特征，主要结论如下：

(1)研究区表层沉积物主要有粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和泥4种类型，粒级以粉砂和砂组分为主，分选中等到差，属于近对称-正偏，中等尖锐-尖锐峰态。

(2)利用实测潮流数据计算可得大潮期间埕北海域研究区表层沉积物的潮流底应力介于0.29～2.40 N/m2，平均值为0.95 N/m2。而表层沉积物的临界起动应力介于0.37～1.20 N/m2之间，平均值为0.68 N/m2，说明研究区水动力条件较强，潮流在大部分区域具有起动和输运泥沙的作用。

(3)大潮期间埕北海域研究区潮流作用下的日平均单宽输沙通量介于372.32～1 058.02 kg/(m·d)之间，均值为372.32 kg/(m·d)，其中涨潮瞬时单宽输沙通量大于落潮瞬时单宽输沙通量。

(4)利用贝克尔(Bijker)和经典的Van Rijn公式计算出的研究区在50 a一遇的波浪作用下推移质日平均净输沙率结果近似，秋季波流共同作用下的泥沙输运方向为涨潮方向。

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Grain-size pattern of surface sediment and analysis of sediment transport in the Chengbei area of the Yellow River Delta

Tian Donghui1,2, Teng Shan1,2, Feng Xiuli1,2, Xiao Xiao1,2, Song Sheng1,2, Feng Li1,2, Jiang Bo1,2

(1.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.KeyLabofSubmarineGeosciencesandProspectingTechnique,MinistryofEducation,Qingdao266100,China)

Based on the analysis of 181 grain size testing data which sampled in Chengbei sea area, and combine with the tidal observation data and the elements of wave in 50 years, analyzing the types of surface sediment and the grain size pattern, calculating surface sediment shear stress, the average net transport flux and bed-load transport rate under the interaction of wave and current, the results show that the sediment is mainly composed of silty sand, sandy silt, silt and mud. The grain sizes are all poor sorted and the skewness are objective to symmetrical. In most places of Chengbei area the tidally-induced shear stress is larger than the critical shear stress, it shows that the tide can start and transport the sediment in most places. The average net transport flux per day is 372.32 kg/(m·d). Under the action of both tide currents and waves in 50 years, the daily sediment bed-load transport rate is approximately equal based on the theory of Bijker and Van Rijn.

surface sediment; grain-size parameter; sediment transport; the Yellow River Delta

2016-08-26；

2016-09-05。

国家重点基金——黄河沉积物环山东半岛陆架的搬运和沉积过程及机制研究(41530966)。

田动会(1990—)，男，山东省德州市人, 主要从事海洋工程环境研究工作。E-mail：18765951032@163.com

*通信作者：冯秀丽(1962—)，女，教授，主要从事海洋工程环境研究工作。E-mail：fengxiuli@ouc.edu.cn

P736.21+2

A

0253-4193(2017)03-0106-09