青島仰口灣海灘沉積物粒度特征及動力環境響應*

韓宗珠，徐翠玲，周艷芝，李安龍，丁咚，張晶

（中國海洋大學1.海底科學與探測技術教育部重點實驗室；2.海洋地球科學學院，山東 青島266100）

海岸帶處于不斷向陸或向海的變化中，是海陸作用最活躍的地區。海灣是海岸帶子系統之一，受陸圈、水圈（海洋）、大氣圈和生物圈等各種的動力過程影響，對環境變化敏感，生態環境脆弱；海灣蘊藏著多種自然資源，如良好的沙灘、廣闊的灘涂、優良的港口和能源資源。因此，海灣成為人類活動較為頻繁的區域，同時使得該地區成為環境變化的敏感區域和生態系統較為脆弱的地帶。

國內外研究表明，現代海岸侵蝕伴隨著全球變化不斷發展，海岸侵蝕現象普遍存在［1－2］。當前世界砂質海岸線約有70%以上處于侵蝕后退狀態，由此引起濱海環境惡化，海岸侵蝕已成為全球性的環境問題，被列為嚴重的海洋災害之一［3－4］。我國海岸侵蝕的范圍自1950年代末期以來呈不斷擴大趨勢，侵蝕岸線長度已占全國大陸岸線總長度的1／3以上，約70%的砂質海岸在遭受侵蝕，侵蝕速率多在1～3m／a之間［5］。海岸侵蝕造成海濱浴場退化、海灘生態環境惡化、海岸防護壓力增大等，已成為一種嚴重的環境地質災害。目前，海岸侵蝕研究多集中于沙質海岸［6－7］，對基巖海岸的研究較為欠缺。

沉積物粒度數據可用于識別沉積環境的類型，判定物質運動方式和沉積物輸運方向。利用粒徑趨勢分析對研究區域的沖淤變化進行預測，可為海灘的演變趨勢分析和海岸防護提供科學依據。

本文選取青島市仰口灣這一基巖岬灣海岸作為研究對象，根據沉積物粒度數據判斷泥沙輸運方式和沉積環境，建立海灘侵蝕與堆積的一般模式，并預測與動力條件的變化相適應的海灘演變趨勢，從而為海岸侵蝕的防護和海灘環境的改善及可持續發展提供科學依據。

1 研究區域概況

青島市仰口灣位于嶗山腳下，王哥莊村南4.5km，鷹定崮東麓（120°40′E，36°16′W）。仰口灣屬于基巖岬灣海岸，南起泉嶺角，北至峰山角，南北長約2.2km，面積約2.5km2，水深2～6m。岬角之間海灘走向近東北，長約1.5km、寬250m左右。該區無河流入海，沙源貧乏。潮汐類型為正規半日潮，潮流為半日潮流，屬往復流，漲潮時流向為順時針方向，落潮時流向為逆時針方向。波浪以風浪為主，隨季節變化。春季多出現E或ESE向風浪；夏季風浪多為E或S向；秋季NW向風浪最多；冬季風浪多為WNW或NNW向。涌浪以SE向的涌浪最多［8］。

2 樣品及分析方法

2.1 樣品采集

分別于2009年6月（夏季）、9月（秋季）和12月（冬季）在仰口灣灘面上進行南北兩條橫剖面調查，并采集落大潮時表層沉積物樣品64個（見圖1），采樣間隔為10m左右，采樣深度小于1cm，并同時對采集樣品進行GPS定位，樣品基本上均勻覆蓋了潮間帶。

2.2 粒度分析

去除有機質和鈣質膠結物，并且洗鹽和烘干后，采用篩析法對樣品進行粒度分析，實驗程序參照《海洋調查規范：海洋地質地球物理調查》［9］，獲得φ值為0.25間隔的粒度數據，得出平均粒徑Mz、分選系數δi、偏態Ski和峰態Kμ等4個粒度參數值（計算方法如表1）。采用福克等人的沉積物粒度三角圖解法對沉積物進行分類定名［10］。

3 研究結果

3.1 沉積物類型及其分布特征

研究區表層沉積物類型分為3種類型：含礫砂（g）S為主，占87%，其次是礫質砂gS，占4%，砂質礫sG類型零星分布。含礫砂（g）S類型的沉積物以具有較高的砂組份為特征，多數樣品達95%～99%以上，幾乎沒有黏土組份，或含量極低（＜0.25%），分選較好。

圖1 研究區域開發現狀及采樣剖面位置示意圖Fig.1 Present development of research area and the sampling location

表1 粒度參數計算方法Table 1 Calculation method of grain size parameters

研究區2個海灘剖面的表層沉積物平均粒徑基本呈現沿岸帶狀分布，總體上剖面粒度由陸向海變細。PfA夏剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－砂質礫－含礫砂，PfA秋剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－礫質砂，PfA冬剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－礫質砂－含礫砂。PfB夏剖面從陸向海灘面上分布幾乎全是含礫砂，PfB秋和PfB冬剖面基本類似，從陸向海灘面上依次分布為含礫砂－砂質礫－含礫砂。

3.2 沉積物粒度參數特征

3.2.1 平均粒徑特征 研究區海灘沉積物平均粒徑的分布范圍為0.15φ～1.5φ，平均約0.28φ。圖2為研究區海灘表層沉積物的平均粒徑季節變化圖，從圖中可以看出，本區平均粒徑的變化具有良好的規律性，即整體分布由陸向海由粗漸細。PfA和PfB剖面在不同季節均表現出不同的分布規律。其中PfA剖面夏季出現1個采樣點的平均粒徑突然增大，確定為潮間帶附近出現的1條礫石帶，與現場調查相符，而秋冬兩季粒徑相差不大。PfB剖面與PfA剖面相反，在秋冬兩季出現了1條明顯的礫石帶。

圖2 海灘表層沉積物的平均粒徑季節變化圖Fig.2 The seasonal variation of the average particle size of the beach surface sediment

3.2.2 分選系數分布特征 研究區表層沉積物分選系數范圍為0.45～2.1，平均值0.9。圖3為海灘表層沉積物的分選系數季節變化圖，如圖所示，研究區絕大部分沉積物分選系數在0.5～1.6范圍內。PfA夏＼冬剖面表層沉積物的分選較差，大部分表層沉積物分選系數大于1，而PfA秋大多小于1，分選較好，但在近陸和近海σi值接近于1，分選性較中部差。PfB夏整個剖面表層沉積物的分選變化不大，均在1左右，PfB秋在秋季的分選較好，分選系數除了在礫石灘部位＞2，其余均低于1，PfB冬冬季沉積物的分選系數大多大于1，分選較差，且不同區域的分選系數變化較大。

圖3 海灘表層沉積物的分選系數季節變化圖Fig.3 The seasonal variation of the sorting coefficient of the beach surface sediment

3.2.3 偏度分布特征 研究區沉積物偏度范圍為－0.65～0.7，平均值為－0.31，整體上由陸向海表層沉積物偏度逐漸降低，在靠陸一側，大部分站位3個季節的偏度均大于0，而向海一側降低到0以下。PfA夏表層沉積的偏度明顯高于秋冬兩季，并且呈現較大的起伏；PfA秋在剖面中間偏度較低，而在兩端大于0；而PfA冬則變化較為平緩。PfB夏分為正偏和負偏兩部分，負偏出現在近海處，正偏出現在遠海處；PfB秋在3個季節中的偏度最大，大部分偏度大于0；PfB冬也出現正偏和負偏兩部分，負偏出現在中部，正偏出現在近海、遠海兩端（見圖4）。

3.2.4 峰態分布特征 研究區表層沉積物峰態絕大部分介于0.5～1.5的范圍內（見圖5）。夏季PfA夏峰度由尖銳到扁平又尖銳變化，秋季PfA秋除在近海處扁平外都表現為尖銳，PfA冬在前60m與PfA夏的峰態基本類似，在后60m先變得扁平，在低潮線附近轉為尖銳。PfB夏和PfB冬整體較為尖銳，PfB秋則在中部扁平，兩端較尖銳。

圖4 海灘表層沉積物的偏態季節變化圖Fig.4 The seasonal variation of the skewness of the beach surface sediment

圖5 海灘表層沉積物的峰態季節變化圖Fig.5 The seasonal variation of the peakedness of the beach surface sediment

綜上分析，海灘高潮帶到低潮帶附近具有平均粒徑減小而泥沙分選變好的趨勢，反映了泥沙運動過程中受到波浪分選和自身的重力分異作用。高潮帶及以上灘面泥沙粒徑參數（平均粒徑和分選系數）從高潮線到灘肩方向趨于先變小后稍變大交錯出現，這可能因為平均岸線以上的海灘經常出露于海面，受不同浪向及風向等的動力作用，致使泥沙粒徑參數呈現多樣化。此外，泥沙粒度參數偏度以負偏為主，則說明海灘泥沙主要受波浪的改造作用［12］。

4 沉積物粒度特征的動力環境分析

沉積物的粒度特征主要取決于物源和沉積環境兩大因素。沉積物來源對沉積物粒度組成的影響表現為原有組分的丟失或新組分的加入。自然環境特征對海灘沉積物的組成、類型和分布均有重要影響，如物質來源、地形地貌（如岸線輪廓）、風暴、水動力條件以及后濱高度等［13］。

4.1 物質來源

研究區無大河入海，其海灘沉積物主要來源于海岸侵蝕供沙和陸架來砂，物源較單一。研究區海岸類型為基巖砂質海岸，基巖遭受海洋動力的侵蝕并向海灣供沙，在岸灘上發現嶗山綠石證實了這一點。近岸海域的殘留沙體受海流和風暴大浪的作用，在一定條件下可向岸輸送。

4.2 地形地貌和波浪的影響

地形地貌影響著沉積物的性質和分布。波向線與岸線交角的差異，影響沉積物粒徑的差異：若波向線與岸線的交角較小，波浪能量主要引起沿岸流的運動，表層沉積物會較細，若交角較大，波浪能量主要釋放于塑造和改造海灘剖面，表層沉積物平均粒徑較粗。在大浪和風暴浪的天氣下，沿岸流造成表層沉積物顆粒粗化，形成沉積物的垂向粒度分異［14］。

仰口海灘呈彎月型，北部海灘為NE向，中部為NNE向，南部為NNW向。夏季受到SE向季風影響，北部海灘與風浪夾角較小，沉積物粒度明顯比中南部的粗，并且在沖洗帶形成一礫石灘；而在PfB剖面附近海灘呈NNE向，與風浪夾角較小，并且海浪受到南部的砂咀和NNW向海灘的阻擋，導致PfB剖面沉積物粒度與秋冬兩季的相差不大。秋季強浪出現在N、NNE向，對海灘的中南部影響比較大，導致PfB剖面秋冬兩季的沉積物較粗，并且在沖洗帶出現礫石灘，而北部海灘風向由陸向海，沉積物粒度變化不大。

4.3 海灘的季節性變化

海灘季節性變化與波浪作用下泥沙的橫向搬運有關。在不同季節不同強度和方向的波浪作用下，海灘砂的搬運力和主要搬運方向的也發生變化，使得各剖面在不同位置呈現沖刷或堆積變化。盡管沙灘剖面的季節性變化影響因素較多而顯得復雜，但仍可從不同岸段變化的差異看出季節性風浪影響的痕跡。圖6是沙灘的地貌形態和沉積物粒度水平分異季節變化關聯圖，從該圖中顯示，A剖面從夏季到秋季海灘發生堆積，這和風浪力隨季節減弱有關，并且與A剖面中平均粒徑夏季較大表現出一致性；而B剖面由夏季到秋冬季受到侵蝕，與秋冬季B剖面的風浪作用較強相關。而且A剖面坡度較B剖面陡，總體說明了泥沙運動的趨勢是由北向南運移。

圖6 沙灘的地貌形態和沉積物粒度水平分異季節變化關聯圖Fig.6 The seasonal variation of the beach morphology and average particle size of the surface sediment

5 結論

總結以上仰口灣海灘沉積粒度特征和動力環境分析，得出以下結論：

（1）研究區存在3種沉積類型。以含礫砂（g）S為主，礫質砂gS，砂質礫sG類型零星分布，幾乎沒有黏土組份，或含量極低。砂粒級組成的變化趨勢與平均粒徑基本一致，礫石含量的變化趨勢則與砂粒級含量相反，且不同季節沉積物樣品的組成基本一致。

（2）研究區海灘表層沉積物平均粒徑呈帶狀由陸向海變細，分選變好；偏態多數為正偏，到低潮帶附近逐漸變為負偏；整體峰態較尖銳，峰態多樣。

（3）波浪和風是本區沉積物輸運的主要動力，海灘北部夏季受到波浪的影響最大，表現為整體剖面高程降低，沉積物較粗，分選較差，偏態值高，峰態尖銳。其次為中南部的秋、冬兩季。

［1］ 楊歐，劉蒼字.長江口北支沉積物粒徑趨勢及泥沙來源問題研究［J］.水利學報，2002（2）：79－84.

［2］ Pedreros R，Howa H L，Michel D.Application of grain size trend analysis for the determination of sediment transport pathways in intertidal areas［J］.Marine Geology，1996，135（1）：35－49.

［3］ 肖在園，監東兆，陳承惠，等.廈門海岸侵蝕與防護對策［J］.臺灣海峽，1993，12（3）：293－298.

［4］ 王廣祿，蔡鋒，蘇賢澤，等.泉州市砂質海岸侵蝕特征及原因分析［J］.臺灣海峽，2008，27（4）：547－554.

［5］ 李震，雷懷彥.中國砂質海岸分布特征與存在問題［J］.洋地質動態，2006，22（6）：1－4.

［6］ 程鵬，高抒.北黃海西部海底沉積物的粒度特征和凈輸運趨勢［J］.海洋與湖沼，2000，31（6）：604－615.

［7］ 石學法，陳春峰，劉焱光，等.南黃海中部沉積物粒徑趨勢分析及搬運作用［J］.科學通報，2002，47（6）：452－456.

［8］ 國海灣志編纂委員會.中國海灣志（第四分冊）［M］.北京：海洋出版社，1993：106－140.

［9］ GB／T 13909－92海洋調查規范海洋地質地球物理調查［S］.北京：中國標準出版社，1992：11－13.

［10］ Folk R L，Ward W C.Brazos River bar：A study on the significance of grain size parameters［J］.Jour Sed Pet，1957，27：3－27.

［11］ McManus J.Grain size determin－ation and interpretation［M］.／／Tucker M.Techniques in Sedimentology，Blackwell：Oxford，1988：63－85.

［12］ 黃廣，陳沈良，胡靜.南匯東灘沉積物粒度特征及其與水動力的關系［J］.海洋湖沼通報，2008（1）：32－37.

［13］ 周蒂.利用沉積物粒度數據反演沉積水動力參數［J］.Scientia Geologica，1999，34（1）：49－58.

［14］ 陳正新，董賀平，趙德志，等.青島前海沉積物運移特征［J］.海洋地質與第四紀地質，2006，26（5）：45－53.