長江口鄰近陸架表層沉積物變化特征及成因①

楊云平 李義天 孫昭華 鄧金運

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室 武漢 430072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通運輸行業重點實驗室 天津 300456）

0 引言

流域泥沙入海沉積在鄰近陸架區域，形成了從“源”到“匯”的聯動機制，伴隨流域水利工程建設和河口整治工程引起河口泥沙要素的變化，鄰近陸架區域表層沉積物勢必出現一定的響應。研究表明：稀土元素主要富集在d＜0.031 mm細顆粒中[1]；黑碳[2]和有機質[3～5]含量與沉積物平均粒徑相關性較好；沉積物顆粒越細，營養元素含量越高[6]；有機磷、自生磷灰石磷以及難分界有機磷是的d＜0.008 mm粒級沉積物中磷的主要組成成分，碎屑磷主要集中在大于0.032 mm粒徑級中[7]。以上研究均表明，河口表層沉積物顆粒特征變化直接或間接影響該區域營養鹽和離子等輸運特征。

上世紀90年代數據顯示，長江河口表層沉積物的分布格局水下環境粗于潮灘，口內河道粗于口外海濱，南支粗于北支，北港粗于南港，縱向上逐漸變細，橫向上表現為深槽粗于淺灘[8]。基于2003～2005年數據進一步印證了文獻[8]的分布特征[9，10]。基于三峽水庫蓄水初期數據發現，總體分布格局尚未變化，砂和黏土百分含量增加，粉砂減少[11，12]。可見，三峽水庫蓄水初期表層沉積物分布格局也未發生變化，隨著三峽水庫蓄水時間延長和河口整治工程實施等影響，分布格局是否出現新的變化，有待于進一步研究。長江口外鄰近陸架區域表層沉積物來源不完全相同，其中粒徑d＜0.032 mm來自陸源泥沙，d＞0.063 mm來自于陸架殘留沉積物的改造和再搬運[13]。同時以123°作為內陸細粒沉積物和陸架粗顆粒沉積物地理分界，即內陸架的細顆粒是現代近岸沉積，外陸架粗顆粒沉積物是殘留沉積[14]。基于2002年9月～10月長江口外鄰近陸架數據與上世紀60～80年代資料比較，口外鄰近陸架區域砂的百分比等值線向口內移動，黏土區域面積減小，使得前三角洲南部的表層沉積物趨于粗化[15，16]，體現了三峽水庫蓄水前表層沉積物的組分變化特征。其后2008年1月數據顯示，砂、粉砂和黏土等值線的變化特征，并與文獻[17]比較了等值線的變化趨勢，初步總結了長江口“源”“匯”效應[18～20]。長江口外鄰近陸架區域砂—泥分界和泥質區面積的變化十分重要，是研究河口生態安全要素的基礎和前提，需要系統的總結和研究。

本研究以長江口外鄰近陸架多年實測數據和文獻數據為依托，在研究表層沉積物中值粒徑、砂、粉砂和黏土的分布規律和變化趨勢基礎上，探求砂—泥分界線和泥質區變化趨勢，并對表層沉積物變化特征及趨勢成因進行探討。

圖1 長江口位置及研究區域Fig.1 Sketch map of the study area and location of Yangtze estuary

表1 長江口外鄰近陸架數據來源Table 1 Data source of the nearby shelf of the Yangtze River

1 研究區域及資料來源

1.1 研究區域

長江河口“源”的物質通量，一般以大通水文站為代表，其水沙通量代表著長江流域入海的基本物質要素。長江口外鄰近陸架主要為口門攔門沙為分界，本研究的選取區域為東經122°～124°，北緯 30°～32°區間，這一區域包含了杭州灣的部分區域（圖1）。從泥沙擴散角度分析，長江河口泥沙進入口外鄰近陸架的“匯”，主要向南偏轉，即杭州灣口外部分區域是受長江入海泥沙的影響。

1.2 資料來源與說明

長江流域大通水文站的水量、沙量以及分組沙量的數據來源于長江流域中下游水文年鑒。鄰近陸架區域數據來源部分文獻數據中的源數據，圖表重新繪制及統計數值中統計值為文獻之中統計的，1997～2010年散點數據為源數據，文獻中表格數據，重繪數據為原文獻中的圖進行重新繪制。具體數據來源見表1。文獻中1987年以前沉積物測量為滴管測量，1987年之后為激光粒度儀測量，測量手段略有不同，選取1987年以前數據僅作為歷史時期參考，在比較趨勢和規律上以1987年之后數據為基礎。

2 長江流域入海水沙通量的變化特征

2.1 入海水沙通量變化

長江流域入海水量和沙量均較大，1950～2011年年均入海水通量為8 918×108m3/y，年均入海沙量為3.84×108t/y，含沙量為0.43 kg/m3。長江流域入海水量多年變化趨勢性不明顯，雖然上世紀90年代水量增加，2003～2011年為枯水期，入海水量略有減小（圖2），為正常水文波動。長江入海沙量和含沙量存在突變特征，近期（2003～2011年）為入海年均沙通量較1950～1968年減小為3.46×108t/y，減幅達71%左右（圖2）。入海含沙量也表現為減少趨勢，20世紀50年代至80年代初期變化不大，80年代中期至今表現為明顯的減小趨勢（圖3）。引起入海沙量和含沙量減少的因素較多，主要為流域水庫蓄水攔沙[28，29]、中下游江湖關系調整[30]、水土保持[31]及氣候變化等因素。近年來，隨著長江流域人類活動的逐漸增加，對流域入海水量、沙量及分配過程的影響已經逐漸顯現出來[32，33]。通過三峽水庫蓄水一、二期實測資料結合對未測區泥沙量的合理估算，認為蓄水后2003～2007年與蓄水前1998～2002年比較，宜昌站、漢口站及大通站懸沙通量下降3.54、1.72及1.63×108t/y，其中三峽水庫蓄水的貢獻分別占41%、55%及45%[30，34]。同時長江中下游洞庭湖與鄱陽湖近期入匯長江的泥沙量也呈現減少趨勢[30]，上游水土保持工程的實施使得侵蝕強度減小，致使進入長江干流的泥沙量減少，進而影響進入河口區域的泥沙量和懸沙濃度。

圖2 流域入海水沙通量變化Fig.2 Variations of seawards water and sediment discharge

圖3 流域入海含沙量變化Fig.3 Variations of seawards sediment concentration

2.2 入海懸浮泥沙顆粒特征變化

依據黏土（d＜0.004 mm）—粉砂（0.004 mm＜d＜0.063 mm）—砂（d＞0.063 mm）將入海懸沙分為3組，在時間上分為2段，1986～2002年和2003～2010年，比較不同時段3組沙的變化特征。基本規律為：黏土的百分比和輸運量均減小；粉砂百分比略有增加，但增加幅度有限，其輸運量減小趨勢；砂為較粗顆粒泥沙，百分比增加，輸運量減少（表2）。長江流域人類活動，如筑壩工程、調水工程、水土保持工程、江湖關系調整及河道自身特性的變化等均會引起入海泥沙顆粒特征和輸運量變化。三峽水庫下游主要控制站宜昌站懸沙中值粒徑1987～2008年期間為減小趨勢，漢口站為增加趨勢[35]，大通水文站懸沙中值粒徑略有增加（圖4）。宜昌—漢口河段在三峽水庫蓄水前表現為淤積，一期蓄水期間表現為沖刷，而漢口—大通區間表現為持續侵蝕，但蓄水后侵蝕速率下降[35，36]。 比較已有研究中 2000 年[37]、2006 年[38]、2008 年[18～20]和 2011 年[18～20]宜昌—徐六涇河段表層沉積物顆粒變化，可知表層沉積物呈粗化趨勢，尤其是三峽水庫下游近壩河段粗化最為明顯。長江中、下游懸沙和表層沉積物顆粒特征的變化，對長江流域入海懸移質顆粒變化有重要影響，直接或間接影響長江口鄰近陸架區域沉積物特征和趨勢。

圖4 黏土—粉砂—砂輸運百分比Fig.4 Clay，silt and sand transport in percentage

圖5 黏土—粉砂—砂輸運量Fig.5 Amount of clay，silt and sand transport

表2 三組泥沙百分比和輸運量年代特征Table 2 Yearly characteristics of clay，silt and sand transport percentage and amount

圖6 長江口外鄰近陸架區域中值粒徑分布Fig.6 Distribution of median grain size in the nearby shelf of the Yangtze River

圖7 近期砂—粉砂—黏土百分數等值線分布Fig.7 Distribution of recent sand，silt and clay percentage

3 長江口外鄰近陸架表層沉積物粒徑變化特征

3.1 表層沉積物中值粒徑等值線的分布特征

表層沉積物中值粒徑等值線的空間分布如圖6所示，可以看出，2006年、2008年和2010年長江口外鄰近陸架表層沉積物整體上均呈現明顯的“東粗西細、北粗南細”分布格局。且存在砂—泥分界線和顆粒較小的泥質區。

3.2 粒徑組分百分含量等值線的分布特征

依據表層沉積物粒徑的不同，將表層沉積物分為砂、粉砂和黏土3種類型。選取2006年、2008年和2010年數據、同時與歷史時期數據相比較研究其分布特征。圖7所示，2006～2010年分組沙分布基本規律為：砂的組分百分含量從東北向西南方向逐漸減少；粉砂含量自西南向東北方向為減少趨勢；黏土含量和粉砂的規律類似，但在長江口南側存在一個最大數值核心區域，表現為向東北、東南均為減少趨勢。三峽水庫蓄水前和蓄水后長江口外鄰近陸架砂、粉砂和黏土的分布格局未發生變化。

3.3 表層沉積物泥沙組分配比關系

河口表層沉積物存在不同的分組，且分組沙之間存在一定的分配比例，在國外其它河流已經證實[39，40]，黏土和粉砂百分比比值在0.16～0.25之間。劉紅[41]在長江河口的研究中得到Cy/Ct的比值在0.11～0.80之間，并建立了黏土—粉砂—砂組分之間的關系曲線。本文依據文獻[41]建立的關系曲線對長系列數據進行率定得到Cy/Ct比值在0.12～0.83之間，與文獻[41]的研究結果基本一致（圖8）。依據文獻[41]研究成果整理3個泥沙組分之間的關系（圖9），建立黏土—粉砂—砂3組分的配比關系，如公式（1）（2）（3）所示。 公式（2）未能建立黏土和粉砂組分固定比例關系，有待于進一步開展分析工作。

圖8 粉砂和砂的關系Fig.8 Relationship between silt and sand

4 長江口外鄰近陸架表層沉積物輸移規律及成因

4.1 表層沉積物的顆粒變化趨勢及成因

將歷年口外鄰近陸架區域中值粒徑數據進行整理（圖10），表層沉積物中值粒徑趨勢為：2003～2006年較1990～1991年期間表層沉積物顆粒略有粗化，幅度較小，2008～2010年期間中值粒徑明顯增加，表明三期蓄水期間沉積物表現為粗化趨勢發展。1990～2006年期間，長江入海懸沙粒徑略有粗化，其入海泥沙量也減少，此期間河口水下三角洲處于沖刷和淤積交替變化，整體以微淤為主，尤其是1998年和1999年大洪水引起的淤積，即該時期表層沉積物中值粒徑略有粗化。在2008～2010年期間，粒徑較2003～2006年變化較大，由于入海沙量大幅度減少，河口區域懸沙濃度減少[42]，水流挾沙能力不足，表層沉積物中細顆粒泥沙通過再懸浮作用補給懸沙，使得水下三角洲處于侵蝕狀態[35]，即表層沉積物粒徑向粗化趨勢發展。

圖9 砂—粉砂—黏土關系Fig.9 Relationship between sand，silt and clay

圖10 長江口外鄰近陸架沉積物中值粒徑變化Fig.10 Change of sediment median size in the nearby shelf of the Yangtze River

綜上，長江口外鄰近陸架區域表層沉積物，在受流域泥沙沉積效應影響區域，三角洲淤漲和入海懸沙顆粒變粗使得表層沉積物略有粗化，三峽水庫三期蓄水后入海沙量大幅減少，入海懸沙粗化，使得河口懸沙濃度減小，水流挾沙能力不足，表層沉積物向粗化趨勢發展。

圖11為砂—粉砂—黏土百分比多年變化特征，三峽水庫蓄水前1997～1998年砂的含量較高，達50%左右，2003～2006年期間砂的百分數大幅減少，2007～2010年期間砂的百分數明顯增加；蓄水初期粉砂百分數最大，其后表現為減少趨勢；黏土百分數為先增加后減少，在2006年達到最大。對比圖7中砂、粉砂和黏土等值線可知，相同百分比等值線為整體平移，其中部分為交替變化，雖然3組泥沙和中值粒徑存在一定趨勢性變化，但判斷口外鄰近陸架全面或整體粗化這一結論，仍需進行大量觀測予以證實。

圖11 長江口外鄰近陸架不同年份分組泥沙變化Fig.11 Yearly changes of clay，silt and sand in the nearby shelf of the Yangtze River

4.2 砂—泥分界線的變化趨勢及成因

將長江口外鄰近陸架區域的砂—泥分界數據進行整理，以粒徑d=0.063 mm為分界粒徑，將處理結果與上世紀80年代以前研究成果[17]相比較。結果表明：2004～2007 年以 31°30′分界，北側無明顯規律為交替變化，而31°30′以南表現為向口內推移；2008～2010年砂—泥的分界線整體上向口內移動。砂—泥分界線向西移動，表明淤泥帶外緣遭受侵蝕，沉積物存在一定的粗化趨勢。采用2010年6月和10月數據分析季節變化，在枯季砂—泥分界線大幅向西移動，洪季則向東移動（圖12）。主要原因為：在枯季長江流域進入河口的徑流量較洪季大幅減少，在徑流和潮流水動力對比中，枯季潮徑比大于洪季，使得枯季潮流上溯動力增加，漲潮過程中潮流攜帶泥沙能力增加，河床表層大量泥沙懸起引起侵蝕，使得沉積物表現為粗化趨勢。

已有研究表明，長江河口鄰近陸架區域的懸沙濃度在123°以東，在流域泥沙變化情況下，懸沙濃度變化不明顯[42]。文獻[18～20]將砂泥分界線變動原因分為兩類：①泥質沉積物的侵蝕暴露了下面的砂質沉積物；②砂質沉積物沉積在泥質之上。并認為砂泥分界線的移動是原因①所致[18～20]。本研究將其進行豐富，增加兩者綜合作用的結果，并從水動力、懸沙濃度和引證地貌變化對其進行詳細描述。長江流域入海泥沙量減少，使得鄰近陸架區域懸沙濃度降低[43]，致使表層細顆粒沉積物被攜帶，使得下層的砂質沉積物暴露出來，使得中值粒徑增加。在徑流和潮流平衡時，河口沉積區域不會發生較大變化，三峽水庫蓄水以來，改變了徑流下泄過程，這一改變使長江河口徑流和潮流作用的潮流界面下移[44]，使得河口水動力作用過程中徑流作用增強但改變有限。但在口外潮流的影響首先受海域海平面變化影響，近30余年（1977～2011年）海平面上升了30 cm[45]，相對增加了鄰近陸架區域的潮汐動力，潮流動力的增強，使得陸架砂質沉積物中較細顆粒泥沙被懸起，攜帶至河口三角洲區域。因此，徑流和潮流水動力的增加或減弱，均會對陸架區域表層沉積物顆粒特征造成影響。在砂泥分界線以西水下區域，流域入海沙量銳減，河口區懸沙濃度減小，使得三角洲前緣處于侵蝕狀態，使得泥質沉積物侵蝕暴露了下層的砂質沉積物，使得沉積物粒徑向粗化趨勢發展。砂泥分界線移動區域，雖然長江口海域（124°以東）懸沙濃度增減趨勢不明顯[43]，但近年海平面上升，使得潮汐動力將略有增強，使得原有砂質沉積物中較細顆粒泥沙懸起攜帶至河口區域。由于河口最大渾濁帶區域為河口滯流點和滯沙點活動區域，也是河口重要泥沙淤積區域，較粗顆粒泥沙將在該區域沉積，使得河口區域的沉積物粗化。綜上，長江口陸架區域表層沉積物砂泥分界線變化是綜合作用的結果，未來一段時間，砂質沉積物因海平面上升等影響使得再懸浮加強，懸浮泥沙沉積在海濱區域的作用將會增強。

圖12 長江口外鄰近陸架區域砂—泥分界多年變化Fig.12 Secular variation of the sand-silt boundary in the nearby shelf of the Yangtze River

4.3 泥質區變化特征及趨勢

長江口外鄰近陸架的泥質區是沉降速率較大的區域[46]，是長江入海泥沙“匯”的體現，且泥質區變化的主要影響因素為長江入海主泓位置和采樣位置等有關[47]。整理歷年泥質區位置和面積變化可知，將2004～2010年成果與早期文獻[17]成果相比，泥質區面積呈現減小的趨勢，同時位置存在向南偏移。1977年以前泥質區相連，1978～1979年、2008年和2010年泥質區表現為非整體，由2～3個區域組成，面積表現為減少，且位置表現為向南偏移（圖13）。自1998年起，由于北槽實施了深水航道整治工程，改變了南槽和北槽的分流比，破壞了原有的水動力平衡。北槽深水航道整治工程實施過程中的1998～2010年期間得南支分流比增加，徑流和潮流對比過程中徑流占優勢。已有研究表明，落潮流入海向南偏移，由于水動力的增強，使得原有的泥質區表現為沖刷趨勢，將泥質區分為幾個小部分組成。同時自上世紀80年代中期，入海的沙量和含沙量也表現為減少的趨勢，使得河口區域懸沙濃度也表現為減少趨勢，即引起表層泥沙的再懸浮，兩者綜合作用下使得長江口鄰近陸架區域的泥質區面積減少，且向南偏移。

圖13 長江口外鄰近陸架區域泥質區域多年變化Fig.13 Secular variation of the argillaceous zone in the nearby shelf of the Yangtze River

5 結論

長江口鄰近陸架區域中值粒徑分布表現東粗西細，北粗南細的分布格局，近期（2008～2011年）較2003～2006年表現為粗化趨勢；粉砂百分比分布為東北向西南為減小，粉砂和黏土均為東北向西南為增加趨勢，其中整個區域黏土與粉砂百分比的比值在0.10～0.83之間；砂的百分含量表現為增加，粉砂和黏土表現為減少趨勢；砂—黏土分界線在2003～2006年北側（31°30′以北）為交替變化，2007～2010 年為向西移動，南側（31°30′以南）2003～2010 年均為向西移動；泥質區域在三峽水庫蓄水后面積減小，位置存在南移趨勢。三峽水庫蓄水使得長江流域入海泥沙量和含沙量減少、懸沙顆粒變細，分組沙量的組分存在趨勢性變化，使得沉積物顆粒粗化，長江口深水航道整治工程及自然因素的作用使得泥質區域南移，同時砂—泥分界線的變化主要受自然因素，流域變化次之。本文對河口營養鹽、離子輸運、底棲生物等生態安全要素和生態安全評價的研究有一定借鑒意義。

致謝 研究過程中引證和引用了大量文獻數據，在此對原文獻數據作者表示感謝，使得論文得以進行長系列比較，對長江口外鄰近陸架的表層沉積物有了較深刻的認識。

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