长江口底床沉积物粒度分布特征及测定方法对比研究

2017-11-20杨海飞杨世伦吴创收史本伟

上海国土资源 2017年4期

杨海飞，杨世伦*，孟翊*，朱强，吴创收，史本伟

（1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 浙江省水利河口研究院，浙江·杭州 310020；3. 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，江苏·南京 210093）

杨海飞1，杨世伦1*，孟翊1*，朱强1，吴创收2，史本伟3

通过传统法（吸管—筛析综合法）和激光法（采用美国Coulter激光粒度仪，LS-100Q）两种方法对179个长江口底床沉积物分别进行了粒度测量。结果显示，长江口内上半段和北港要明显粗于南港，以砂至粉砂质砂为主，而由南港至口外及杭州湾北部均以黏土质粉砂为主；而对于口外，粉砂质砂覆盖了北面的大部，要明显粗于南面的黏土质粉砂。南支口外以现代沉积物为主，而北支口外沉积物受控于更新世残留砂。在测量方法方面，传统法与激光法测得结果的相对大小，随着不同样品粒径的变化存在明显的分布规律。同时，对平均粒径、中值粒径、标准偏差、峭度和偏度五个粒度参数进行了回归分析，得出了可靠的换算公式，可运用于今后的粒度参数转换。

长江口；沉积物；粒径分布；测定方法；对比分析

海洋沉积物的粒度分析，是海洋科学研究中最基本的实验之一。粒度分析是判别海洋沉积物来源，研究海洋动力沉积过程和划分沉积环境的基础资料。传统的方法包括吸管法（沉析法）和筛析法，它们分别用于小于4Ф和大于4Ф的粒度测量，二者的结合可以完整地测量出沉积物各个粒级区间的百分比[1]。随着上世纪科学技术的发展，coulter计数器法和激光衍射等粒度测量方法的问世，其测量效率的高效性、可再现性、需样少、各粒级的百分含量更详细等优势明显[2]，使得激光粒度仪不断地更新发展，逐渐取代了传统的粒度测量方法。

长江是我国第一大河，全长6300km，流域面积达180万km2，流域内资源环境的状况牵动着我国经济的发展，对我国的重要性不言而喻。随着近些年长江流域大坝的建设，下游河口的演变也得到越来越多的关注。在研究长江口底床的冲淤演变过程中，上世纪沉积物的粒度测量方法以筛析法和沉降法为主，随着科学技术的发展，这些传统方法逐渐被更方便、简洁和更精确的激光粒度法所取代。因此，在将现在的粒度数据与上世纪粒度测量结果进行比较时，往往缺乏很好的科学依据。在这方面，有关学者做过一些相关研究，程鹏等认为，对于玻璃珠等规则球状物体，激光粒度法与传统筛析法测试结果十分接近，但对于天然沉积物样品二者分析结果有明显区别[3]。P. Buurman等对海洋、河流和黄土沉积物的两种方法的研究对比，以及仝长亮等对江苏潮滩不同区域的沉积物研究对比，均发现不同沉积环境的沉积物对两种方法的分析结果有着不同的响应[4,5]。在过去的几十年中对于长江口沉积物的研究，也经历了由传统方法向激光法的过渡[6～8]。那么这两种粒度测量方法在各区间又有着怎样的联系与区别，这是判断沉积环境变化中的重要一环。对于长江河口天然沉积物样品，粒度对比分析的研究很有必要。

本文基于长江口底床表层沉积物，通过激光法与传统法两种粒度测量方法的对比，研究了整个长江口口内口外沉积物的分布特征，发现两种方法测量结果的之间的相互关系，并期望在今后长江河口的研究中实现两种方法测量结果的相互转化。

1 研究区域和样品采集情况

本文于2012年采集了长江口底床表层沉积物样品，共计179个，包括自徐六泾至南、北支口外以及杭州湾北部的底床样，如图1。并对179个样品采用激光粒度法和吸管—筛析综合法（传统法）两种方法对样品粒度进行测量对比。激光粒度法采用美国Coulter激光粒度仪在实验室进行测量；传统法测量粒径过程中，因沉积物颗粒均较细，故以吸管法为主，对所有样品进行了吸管法测量的同时，对部分样品的粗颗粒部分辅以筛析法分析。其中传统法的测量因实验工作量太大，实验过程中以测出Ф50为标准，仅对砂质含量大于50%的样品辅以筛析法，砂质含量小于50%的样品不进行筛析法分析。据《海岸环境和地貌过程导论》所述方法，画出粒度分布的累计频率曲线图，读出Ф5、Ф16、Ф25、Ф50、Ф75、Ф84和Ф95，运用图解法[9]计算五个常用粒度参数：平均粒径、中值粒径、标准偏差、偏度和峭度。由于部分样品的累计频率曲线读不到Ф75、Ф84和Ф95，所以部分样品的部分参数未能计算，但所有样品的激光法的粒度参数均可计算得出。

图1 采样点分布Fig.1 The distribution of sampling sites

2 研究方法

2.1 传统法（吸管—筛析法）

操作和计算流程遵循《海洋调查规范》[1]和《海岸环境和地貌过程导论》[9]，具体步骤如下：

（1）原样均匀搅拌均匀，按四分法取样，烘干后称量；

（2）加入0.5N的六偏磷酸钠（[NaPO3]6）分散剂和蒸馏水，浸泡；

（3）将小于4Ф（＜0.063mm）的样品筛入烧杯中，两部分样品分别105℃恒温两小时、烘干、称重；

（4）对大于4Ф（＞0.063mm）的样品按规定的粒级选取套筛，进行筛分，得出各粒级样再烘干、称重；

（5）把小于4Ф（＜0.063mm）的样品稀释至量筒中，定容至1000ml；

（6）测定水温，用搅拌器在量筒中上下匀速地搅拌一分钟（60次/分），最后一秒准时地、轻轻地拔出搅拌器，提取悬液时间从此刻算起；

（7）按照规范的时间和深度，在吸液前15秒，将移液管移于量筒中心位置，放入指定深度，当时间到达，在20秒内准时地准确滴开始吸取悬液25ml；

（8）各粒级悬液分别盛入不同的小烧杯中，烘干、称重；

（9）计算总的各粒级百分含量，并算出平均粒径、中值粒径、标准偏差、偏度和峭度五个参数。

2.2 激光法

样品准备和测试流程遵循激光粒度仪操作手册，主要过程如下：

（1）取10g左右表层沉积物样品，放入50ml的烧杯，加入10ml浓度为10%的H2O2去除样品中的有机质；

（2）微热后静置24小时，加入10ml浓度为10%的盐酸去除碳酸盐（主要是钙质物）；

（3）加入10ml浓度为4%的六偏磷酸钠（[NaPO3]6），用超声波震荡对样品进行分散处理；

（4）用Coulter激光粒度仪（LS-100Q，适用小于1mm颗粒）测试分析沉积物粒径。

3 结果与讨论

3.1 长江口沉积物分布特征

长江口沉积物样品的频率分布曲线如图2，红色曲线为根据所有样品的平均值所画频率分布曲线。

图2 传统法(a)与激光法(b)测得样品频率分布曲线Fig.2 The curves of sediment frequency distributions from traditional(pipette and sieving) methods (a) and laser methods (b)

虽然根据两种方法得出的频率分布曲线存在一定的差异，但是两张图对比可以看出，整体分布规律相似，结果均反映出样品存在两个主要的类型。一类中值粒径在4～8Ф之间，为泥质，一类在2～4Ф之间，为砂质。这些样品的类型总的来说，本身种类有所不同，加上野外天然样品错综复杂，沉积动力环境又存在多元性。而对于单个样品存在双峰甚至多峰现象，沉积物颗粒组成复杂，且磨圆程度不同，形状不规则。传统法与激光法虽然有所差异，但反映出的沉积物特性基本一致。在对沉积环境的判别过程中，沉积物的定性是一个重要的环节，而沉积物的定性则要根据沉积物的砂、粉砂和黏土的含量来判定。根据沉积物的各组分含量数据，对沉积物进行命名（沉积物中不含砾石），命名按照Shepard分类系统进行[10]，如表1。

表1 各沉积物类型样品个数统计Table 1 The quantity of samples in difference sediment types

对179个样品，运用两种方法测量结果逐个进行命名比较。传统法和激光法得出的沉积物的类型均有大部分落在黏土质粉砂上，分别占54.7%和58.1%。其次即为砂，沉积物数量为27至28。粉砂质黏土最少，仅有传统法测得1个。根据此统计，运用杨康等的栅格图叠合判断方法[11]，绘制长江口底床沉积物类型图（图3）。

图3 长江口底床沉积物类型图对比（A:传统法；B:激光法）Fig.3 Comparison between sediments types in the Yangtze Estuary(A: traditional methods, and B: laser methods)

据图3，可以发现两种方法结果绘制出的长江口底床沉积物类型图相差不大。均表现出，口内上半段和北港要明显较粗，要粗于南港，沉积物类型以砂至粉砂质砂为主；南港至口外及杭州湾北部均以黏土质粉砂为主，沉积物较细；而对于口外，粉砂质砂覆盖了北面的大部，与南面的黏土质粉砂形成鲜明对比。长江口外南部属于现代沉积物沉积中心[12],近十年来长江上游来沙粒径均值约10.5μm，二者大小相当。而长江口北侧则主要受控于更新世的残留砂和沉积中心的南迁，表层细颗粒沉积物被再悬浮并向南输送[6,12]。泥沙沉积中心的南迁，将促进南汇滩地的淤涨，为上海的滩涂面积增长做出了积极贡献[13～16]。

两种方法的整体相似性，反映出两种方法对于沉积物类型的判断，整体上具有一致性。但仔细观察也可以看见，对于研究区域的东南角—北槽深水航道的外部以及一些小的局部地区，两种方法的结果有明显区别，而且据统计结果也有51个样品的命名出现了差异，占28.5%，说明两种方法对于沉积物的命名，个体样品测量差异的偶然性不容忽视。所以，由于粒度测量方法的更新，在与老资料的沉积环境进行对比的时候，不能把沉积物类型直接对比，差异不仅仅来自于沉积环境的变化，也有可能是因为粒度测量方法的变更。

3.2 粒度参数分析

（1）粒度参数对比

计算出这179个样品的两种方法测得的中值粒径和平均粒径，图4展示了所有样品及两个分段粒径区间的样品的两种测量方法的粒径散点图。其中黑色实直线为y=x，蓝色实直线为回归分析拟合出的线性相关关系，蓝色虚直线为粒径区间分界线。

图4 传统法与激光法测得的粒径对比及回归分析（A：中值粒径；B：平均粒径）Fig.4 Comparisons and regression analyses of grain sizes for Laser and traditional methods (A: median size; B: mean size)

对照图4-A1，以激光法测得结果为参考标准可发现，当激光法测得结果大于32μm时，这些散点大部分都落于直线y=x的下部，即98.2%的样品传统法测得结果小于激光法，且平均值传统法要比激光法小28.08μm（图4-A3）；而相对较细的样品，测的结果恰好相反，对于中值粒径，小于32μm的样品，62.9%的样品传统法测得值大于激光法，中值粒径平均值则大激光法0.90μm（图4-A2,表2)。同理对照图4-B1，以激光法测得结果为参考标准可发现，当激光法测得结果大于12μm时，这些散点同样也是大部分都落于直线y=x的下部，即传统法测的结果小于激光法的比例高达94.7%，平均值则较激光法小13.02μm（图4-B3）；而平均粒径对于小于12μm的样品，有83.8%的结果显示传统法测得值大于激光法，该部分的平均粒径的平均值则大激光法2.09μm（图4-B2,表2)。

通过计算，两种分析方法均可计算出标准偏差、偏度和峭度的样品均为115个（图5），其中黑色直线为y=x，蓝色直线回归分析拟合出的线性相关关系。

图5 传统法与激光法测得粒度参数对比及回归分析Fig.5 Comparisons and regression analyses of parameters for laser and traditional methods

两种方法测得标准偏差、偏度和峭度的总体平均值相差不大，均表现为分选差、正偏和窄尖的峰态。三者测量结果均呈散点状分布在y=x的两侧，没有明显规律，根据回归分析可以看出，除标准偏差有相对较好的相关性之外，偏度和峭度的线性相关关系均较差。

表2 粒度参数平均值对比Table 2 The comparisons of average sediment parameters

传统法对于细颗粒部分测得粒径要大于激光法，而对于粗颗粒部分要小于激光法。这是因为天然沉积物样品受其自身物理性质影响，尤其是粗颗粒样品受到颗粒物形状影响很大，比如在吸管法过程中，一些扁平状颗粒沉降速率要小于同等粒径颗粒，而在筛析法过程中，长条状颗粒往往能以较小的截面通过筛孔等等，这些因素都会导致在传统法的测量过程中，测得粒径较激光法偏小。而对于相对较细的样品，传统法测得值要大于激光法。因为天然的细颗粒之间本身存在许多固定的胶结，虽然经过分散剂处理却仍然难以完全分离开来，且在吸管法的过程中由于在水中因长时间的静置，也会因为水的黏合作用再次发生胶结，“变成”相对较粗的颗粒，而激光法先是经过分散剂作用，再运用超声波震荡，结束后马上进行上机测试，且激光法测试周期远小于传统法，所以能够较好地分散开来，故传统法过程会使细颗粒测的结果较激光法偏粗。传统法与激光法一个基于质量一个基于体积，测量原理不同加上沉积物组成成分复杂，导致了两种测量方法在标准偏差、偏度和峭度参数上存在很大的不一致性。

（2）粒度参数转换

基于两种粒度方法的测量，建立回归方程，并对其进行F检验。对于两种方法粒度参数回归方程的建立，以往的研究基本采用一段式回归，但本文基于大量样品测量结果发现，基于激光法，对于中值粒径小于32μm、平均粒径小于12μm的样品，并不存在很好的线性回归关系，测量结果相对离散，所以本文中对于中值粒径和平均粒径采用分段式回归（图4）。

根据F显著性检验公式：

式（1）中N为样品个数，R为线性相关系数，Fα为信度为 α 的时候 F 的临界值。本文中 N中值粒径(小于32μm)=124，12μm)=75，N标准偏差=N偏度=N峭度=115，α取 0.01，分子自由度为1，分母自由度分别为122、53、72、73、113、113和113，查得α=0.01，分子自由度为1，分母自由度为100、50、60、60、100、100和100时，Fα的值为分别为6.90、7.17、7.08、7.08、6.90、6.90和6.90。根据式（1）反推计算，相关系数R必须满足：

R平均粒径(大于12μm)、R标准偏差、R偏度和R峭度，分别为0.628、0.933、0.316、0.956、0.844、0.674 和 0.495，除了 R平均粒径(小于12μm)不能通过显著性检验，其余参数均可通过显著性检验。其远大于计算得出检验参数，所以针对平均粒径、中值粒径和标准偏差，传统法和激光法测量结果是显著相关的，可以作为可靠的换算公式，整理各参数转换公式，见表3。

表3 粒度参数回归方程及相关系数

Table 3 The regression equations and correlation coef fi cients for sediment parameters

注：y代表传统法，x代表激光法

4 总结

基于传统法与激光法，对长江口沉积物粒度进行分析，研究其空间分布特征和粒度参数转换，为今后的研究打下基础，主要结论如下：

（1）长江口沉积物总体呈现口内北港粗，南港细，口外北边粗，南边细的分布特征。沉积物中主要包含两大沉积体，一类是粗颗粒的更新世残留砂，一类是细颗粒的现代长江沉积物。沉积中心的南移，将促进南汇滩涂的淤涨。

（2）对传统法与激光法测得的粒度参数进行回归分析，其中中值粒径和平均粒径进行分段回归，部分参数有着较好的相关关系，并能通过F显著性检验，在今后的研究中可以运用于参数的相互转换。

（3）根据传统法和激光法,对长江口沉积物定性的结果总体相差不大，但是局部有所差异；对于某些个体样品，尤其在新老沉积环境的比较中更应引起注意，不能简单地直接对比，以免给沉积物定名造成偏差。

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Sediment distribution patterns in the Yangtze Estuary and comparison of particle size measurement methods

YANG Hai-Fei1, YANG Shi-Lun1, MENG Yi1, ZHU Qiang1, WU Chuang-Shou2, SHI Ben-Wei3
(1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China;
2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Zhejiang Hangzhou 310020, China;
3. Ministry of Education Key Laboratory for Coast and Island Development, Nanjing University, Jiangsu Nanjing 210093, China)

Sediment grain size analyses for 179 seabed samples in the Yangtze Estuary were conducted by both traditional(pipette and sieving) and laser (Coulter, LS-100Q, USA) methods. Our results show that the sediments in the North Channel and the upper reach of the inner Yangtze Estuary are mainly sands and silty sands, usually coarser than those in the South Channel. The deposits in the South Channel and the Northern Hangzhou Bay are mainly clayey silt. Meanwhile, silty sands cover the most northern part of the outer estuary, and are apparently coarser than the clayey silty in the southern part of the outer estuary. The sediments in the outer estuary off the South Channel mainly re fl ect the modern deposits, while the sediments off the North Channel are dominated by relict Pleistocene sands. As to the measurement methods, there are apparent distribution patterns of relative size from the two methods. Moreover, regression analyses for the fi ve parameters,including mean size, median size, standard deviation, skewness, and kurtosis, were conducted to obtain reliable conversion formulas for the two methods. These can be used in future studies for comparison with historical data.

Yangtze estuary; sediment; particle size; measurement methods; comparison analysis

P737.14

2095-1329(2017)04-0075-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.04.016

2017-09-08

修回日期:2017-10-08

杨海飞(1991-),男,博士生,研究方向为河口海岸动力沉积学.

电子邮箱:hfyang1991@163.com

联系电话:021-62233115

国家自然科学基金委—山东省联合基金项目(U1606401);科技部重点专项(2016YFA0600901)

＊通讯作者:杨世伦(教授/博导): slyang@sklec.ecnu.edu.cn;孟翊(博士/副研究员): ymeng@sklec.ecnu.edu.cn