甌飛淺灘及附近海域表層沉積物粒度特征及其水動力響應

吳創收，黃世昌， 羅向欣，穆錦斌，趙鑫

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.中山大學海洋學院，廣東 廣州 51000）

近岸表層沉積物分布特征研究不僅對沉積學的發展十分重要，而且對地貌學、生態學、海洋工程等交叉學科具有重要作用（Luo，2012），研究區域內表層沉積物粒徑大小以及組合情況是沉積物物源條件和水動力相互作用的結果。它的空間變化特征可以反映泥沙的來源、運移和沉積以及水動力的影響，而且對于河口和海岸的動力地貌數值模擬也具有重要的價值。因此，近年來很多研究者對于表層沉積物的分布特征、沉積環境以及沉積物運移趨勢進行了廣泛而深入的研究（Liu et al，2010；Ren et al， 2012； Zhang et al， 2013；李 九 發，2006；高抒，2007；李艷等，2014）。目前不少學者對甌飛淺灘附近海域的研究主要集中在海域水動力和含沙量變化特征、甌江口的灘槽演變、潮灘沉積動力方面（李伯根，1994；陸永軍， 2002；左書華，2007；姚珊珊，2010；堵盤軍，2012 林偉波，2013 余碟雙，2013），但是對甌飛淺灘海域沉積物運移趨勢及其影響因素，尤其是控制沉積物分布的動力過程及機制尚未有報道。因此，本文以溫州甌飛淺灘及附近海域2013年4月采集的25 個表層沉積物樣品以及同步水動力觀測資料為基礎，嘗試從粒度特征角度研究甌飛淺灘海域表層沉積物時空分布特征及動力機制。

1 區域概況

溫州甌飛淺灘海域地處浙東南沿海，大部分水域開闊，海域內主要有甌江、飛云江和鰲江3 個主要入海河口，沿海的島嶼眾多，如玉環島、大門島，洞頭島，北麂島、南麂島等（圖1），通過崎頭洋直接與外海相接。岸線相對比較平直，淤漲明顯，海底平坦，潮灘十分發育，理論深度基面以上灘地面積約170 km2，海域為正規半日潮類型的強潮海域，多年平均潮差4.3 m，最大潮差大8 m 以上，波浪的常浪向主要為N-NE 向，頻率占55%，次常浪向為S-SW 向，頻率占16.5%。海域內的物質來源主要包括陸域輸沙和海域來沙。陸域輸沙主要是甌江、飛云江和鰲江的入海泥沙；而海域來沙一方面是冬季江浙沿岸流由北往南帶來長江的部分泥沙，另外一方面是在潮流和波流作用下，泥沙橫向運動，把近海海底沉積物推向岸邊，或者是河口淺灘和潮間帶在風浪掀動作用下，泥沙隨潮流在本地區往復搬運。

圖1 甌飛淺灘的表層沉積物和潮流觀測站位分布圖

2 取樣和研究方法

于2013年4月19日-20日（小潮）、23日-24日（中潮）、26日-27日（大潮） 在甌飛淺灘及其附近開敞海域25 個觀測點進行水動力觀測和表層沉積物取樣（圖1）。海流采用SLC9-2 型直讀式海流計，觀測層次按實測水深進行分層：當水深＞4 m 時，采用六點法，即水面（水面以下0.5 m 處，下同）、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底（離海底0～1.0 m）；當水深≤4 m 時，采用三點法，即0.2 H、0.6 H、0.8 H；底質取樣采用抓斗式采樣器，每個泥質樣品不少于1 000 g。在室內實驗分析過程中，先清除掉底質樣品中的雜草漂浮物等非沙物質，然后進行了有機質處理，加入0.5 mol/L 的六偏磷酸鈉溶液浸泡24 h，并每隔8 h 輕輕攪拌1 次，使樣品充分分散，將全部樣品全部倒入到激光樣品槽中，加超聲振蕩，加高速離心，使樣品再次充分分散，最后利用mastersizer2000 激光粒度測試各粒徑的組分含量，然后根據Folk 和ward 公式計算平均粒徑、分選系數、偏態和峰態4 類參數，粘土、粉砂和砂的分類利用國際通用的標準，即粘土是0.000 49～0.003 9 mm；粉砂是0.003 9～0.062 5 mm，砂是0.062 5～2 mm。沉積物的粒徑命名采用的是King 命名，即極細砂（0.125～0.062 5 mm），粗粉砂（0.0625～0.0312mm），中粉砂（0.0312～0.0156mm）；細粉砂（0.015 6～0.007 8）、極細粉砂（0.007 8～0.003 9 mm） 和黏土（<0.003 9 mm）。運用Gao-Collins 模型進行沉積物的運移趨勢分析。

3 結果

3.1 水動力變化特征

溫州甌飛淺灘海域潮流屬于規則半日潮流的類型，河口附近（4-7、14-15 和23-25 觀測點） 和口外北部以及中部（1-3，8-13 和16-18 觀測點）區域以往復流運動為主，一般呈現WNW-ESE 方向，而口外海域的南部海域（19-21 觀測點） 潮流是以旋轉流為主，并且呈逆時針向左旋轉（圖2）。研究區域的漲落潮歷時在空間分布上有所不同，河口區以落潮歷時為主，而且越往南部落潮歷時時間越長，如鰲江的落潮歷時比甌江的落潮歷時長半個小時，可能是浙江沿岸潮波傳播所造成的特征，口外海域漲潮歷時和落潮歷時基本相當。根據優勢流×100%，Qe表示落潮流量，Qf表示漲潮流量，如果A>0.50 為落潮優勢流，A<0.50 為漲潮優勢流。計算得出甌飛淺灘海域漲落優勢流變化比較復雜，其中甌江口（4、5、7 和8 號測站）、飛云江（14-16 觀測點）、鰲江口（23-25 觀測點）附近是以落潮優勢流為主，而開敞海域卻是以漲潮優勢流為主。研究區域大潮漲潮平均流速在1.17～ 0.31 m/s，方向是西北方向；中潮的漲潮平均流速在0.97～0.23 m/s；小潮的漲潮平均流速在0.63～0.14 m/s。而大潮落潮平均流速在1.08～0.35 m/s；中潮的落潮平均流速在0.97～0.28 m/s，小潮的落潮平均流速在0.71～0.12 m/s。余流作為海岸帶表層沉積物輸運的重要影響因子，研究區域的余流具有空間差異。三江口（甌江、飛云江和鰲江） 的余流大于開敞海域的余流，其中甌江口的余流最大，4 號站的余流為0.16 m/s，方向是向海方向。

3.2 表層沉積物特征

3.2.1 中值粒徑及組成特征

圖2 研究區域大潮、中潮和小潮的潮流玫瑰圖

根據沉積物粒度的分析甌飛淺灘以及附近海域的表層沉積物粒徑較細，其中大潮沉積物的中值粒徑范圍在0.005 9～0.352 0 mm 之間（表1），中潮沉積物中值粒徑范圍在0.006 1～0.018 6 mm 之間（表2），而小潮沉積物的中值粒徑范圍是在0.006 1 ～0.025 7 mm 之間（表3）。開敞海域的表層沉積物多為粘土質粉砂，其主要組成成份是粉砂和粘土，并含有少量砂，各種組份的含量分別是54.5 %～75.1%（粉砂），22.9%～36.0%（粘土），0～14.0%（砂）。河口區海底表層沉積物中，除大潮甌江上游4 號和5 號觀測點以及飛云江15 觀測點為砂與粉砂類型外，其他多為粘土質粉砂，其主要組成分別占53.9%～78.3%（粉砂），9.5%～34.1%（粘土），0～29.9%（砂）。甌江口4、5 觀測點以及飛云江口14 號觀測點的大潮時期砂質百分比含量遠超于中潮和小潮時期的百分比，是由于大潮觀測期間，溫州地區大量降雨，造成甌江、飛云江等山溪性河流的洪水下泄，將粗顆粒沉積物攜帶到下游地區。

表1 大潮表層沉積物參數

研究區域沉積物縱向分布出現明顯的差異性（圖3）。如A 斷面位于甌江以及附近海域（包括4、5、7、9、10 觀測點），從河口向外，泥沙顆粒先變粗后變細，5 號觀測點的中值粒徑最大：大潮時中值粒徑達到0.352 mm，是10 號點0.008 9 mm的45 倍，中潮和小潮時泥沙顆粒的中值粒徑基本上相同；位于開敞海域B 斷面（包括11、12、13觀測點），盡管大中小潮的中值粒徑變化比較復雜，但是總體上淺海區域的中值粒徑小于外海，主要原因是潮流和波浪在外海向淺海傳播過程中，受到地形的摩擦阻力影響，能量逐步損耗，造成細顆粒更容易在淺水地方沉積，因此淺海的泥沙粒徑偏小。C 斷面位于飛云江口附近（包括14、15、17、18觀測點），大潮時，泥沙顆粒從河口附近向外海變細，其中14 號觀測點的中值粒徑達到0.103 mm，而18 號的中值粒徑是0.007 5 mm；而中潮和小潮時，外海的中值粒徑大于河口附近的中值粒徑，泥沙顆粒相對比較粗一些。D 斷面位于鰲江附近（包括24、23、22、19 觀測點），大小潮的泥沙顆粒空間變化復雜，大潮時，泥沙總趨勢基本上河口附近的泥沙顆粒粗于近海區域，但是22 號位置的泥沙中值粒徑最大，為0.007 7 mm，中潮時，泥沙粒徑從口內向近海減小；

表2 中潮表層沉積物參數

表3 小潮表層沉積物參數

圖3 甌飛淺灘海域表層沉積物的斷面分布特征

小潮時，泥沙中值粒徑從鰲江口附近向近海增大，19 號觀測點的粒徑值最大，達到0.006 6 mm（圖3）。圖3 E 是研究區域的縱剖面（主要包括2、3、10、13、18-20 這7 個觀測點） 沉積物大中小潮的中值粒徑變化情況，其中10 號觀測點的中值粒徑最大，平均中值粒徑是0.008 7 mm，而最南端23 號觀測點的平均中值粒徑是0.006 3 mm。盡管大小潮的沉積物的中值粒徑有所差異，但是沉積物顆粒總體上從北向南逐漸變細，這應該是冬季長江口泥沙在浙沿岸流作用下，沉積物在由北向南輸運過程中，較粗粒級的沉積物先行沉積，從而導致溫州甌飛淺灘海域的北部沉積物顆粒粒徑大于南部區域。

3.2.2 沉積物粒度參數特征

沉積物的粒徑參數反映研究區域沉積物來源與變遷的重要指標，一般采用平均粒徑、分選系數和偏態3 個指標。在水流能量逐漸降低的情況下，沉積物在搬運方向上粒度會越來越細，但分選越來越好，分選是對沉積物搬運方向的有效的指示。

2013年4月測量的甌飛淺灘海域表層沉積物分選系數都比較高，表明整個海區的分選性比較差。其中，口外海域大潮期間分選系數介于1.44～2.34，平均1.68；中潮汛介于1.44 ～2.21，平均1.68；小潮汛介于1.45～2.43，平均1.70；海域的北部的分選系數小于海域的南部區域，這應該和北部觀測點的位置有一定的關系；河口區沉積物作河口區沉積物作為徑流和潮流相互作用較強烈的地區，分選系數比較大，如甌江水域介于1.35～2.65，平均1.89；飛云江水域介于1.44～2.99，平均1.72；但是鰲江的河口區分選系數最小。

偏態的大小代表沉積物頻率曲線的不對稱性，研究區域絕大部分觀測點大中小潮的偏態是負偏，近對稱分布（-0.1

峰態（Kg）：研究區域開敞海域的表層沉積物大潮0.95 ～1.18，平均1.07；中潮汛介于0.99 ～1.12，平均1.06；小潮汛介于0.99 ～1.12，平均1.07；各垂線的峰態多大于1，而甌江口附近介于0.87～2.87，平均1.25；飛云江附近0.70～1.09，平均1.01；鰲江水域介于1.05～1.40，平均1.10；研究區域表層沉積物的峰態屬中等程度的窄峰態（尖峰態），說明懸沙混雜程度較高，分選程度差。

4 討論

4.1 表層沉積物的運移特征

沉積物的粒度特征（平均粒徑、分選系數和偏態） 包含沉積物輸運、沉降和再分配過程的信息（Gao，2001；汪亞平，2000；喬淑卿，2010）。因此，很多研究者利用這些信息將區域的空間變化相聯系，逐步建立了“粒度分析”方法來反演沉積物的運移趨勢，近年來，Gao-Collins 二維沉積物粒徑趨勢分析模型已得到廣泛應用，如我國的膠州灣（汪亞平，2000）、渤海灣（Ma，2010）、連云港（張存勇，2013）、長江口（王國慶，2007） 等區域。

本文將利用二維粒度趨勢模型分析溫州甌飛淺灘及鄰近海域的大中小潮表層沉積物的凈輸運趨勢。圖4 中箭頭表示沉積物的凈輸運方向，而箭頭的長短表示輸運的顯著性，而不代表搬運率的大小。研究結果區域內沉積物大中小潮一個潮周期內運移趨勢有所不同。大潮期間，河口沉積物凈向內輸運，研究區域的中部開敞海域，沉積物是由近岸區向遠岸區輸移，研究區域的北部和南部表層沉積物基本上凈向南和東南方向輸移（圖4A）；中潮期間，甌江河口沉積物向口內輸運，而飛云江和鰲江口運移輸運不太顯著，而研究區域的北部沉積物明顯向南搬運，而研究區域的中部沉積物是由外海向淺海搬運的趨勢，鰲江口以南的區域和大潮的沉積物搬運趨勢相似；小潮期間，甌江口附近以及北部區域表層沉積物是向外海搬運的趨勢；中部區域大部分的沉積物是由淺海向外海搬運，并且向東南偏南方向運移，飛云江口和鰲江口附近的沉積物基本上向南搬運。因此，從沉積物的大小潮的分析來看，雖然研究區域的中部和河口區附近，沉積物的搬運有所不同，但是整個區域的沉積物基本上向南運移。

圖4 表層沉積物的中值粒徑等值線以及沉積物的運移趨勢圖

4.2 水動力響應

4.2.1 波浪

波浪作為海岸泥沙運動的主要動力因素，波浪的掀沙作用主要與波浪要素、當地水深以及沉積物的分布特征有關，根據甌飛淺灘附近2001年12月至2002年12月的5 m 處的波浪觀測資料（表4），利用嚴愷（2002） 波浪作用下泥沙起動公式計算研究區域泥沙顆粒的起動水深。圖5 是根據克里金插值方法繪制出該區域的波浪掀沙作用的分布情況。圖5 所示研究區域內波浪掀沙作用呈現扇形分布，隨著有效波高增長，研究區域波浪掀沙向外延展。其中0.5 m 級的波浪掀沙范圍基本上位于5 m 等深線以內，而波高達到2.0 m 級時，波浪掀沙作用基本上覆蓋了整個研究區域。

表4 甌江河口南門水道附近2001-2004年的波浪資料統計表

圖5 甌飛淺灘及附近海域波浪掀沙的分布情況

4.2.2 潮流

沉積物的臨界起動流速和潮流可能最大流速的關系以及沉積物的分布存在明顯的響應關系，當潮流可能最大流速大于臨界起動流速，認為潮流足以使沉積物起動起來，存在潮流輸沙作用。本文主要利用竇國仁（1999） 的泥沙起動流速公式來計算甌飛淺海海域各個站點的泥沙起動流速，根據計算得出大潮、中潮和小潮泥沙起動的平均流速范圍在0.61～1.93 m/s 之間。同時按照利用《海港水文規范》（JTJ 213-98） 提供的公式計算研究區域內各點的潮流可能最大流速，圖6 是計算潮流輸沙作用的區域，從圖6 可以看出甌江口、飛云江以及鰲江口的潮流作用比較強，輸沙范圍相對比較廣，主要分布在10 m 等深線以內。甌江和飛云江之間海域相對開敞，潮流相對較小，掀沙范圍相對減弱，主要集中在5 m 等深線以內。

圖6 甌飛淺灘海域的潮流輸沙作用的區域

5 結論

本文通過對2013年4月甌飛淺灘附近海域的表層沉積物以及同步觀測水動力的數據分析，得到甌飛淺灘及附近海域表層沉積物的粒徑大小、粒徑的組成特征、運移特征。并對表層沉積物的水動力因素進行了分析，主要得出以下結論：

甌飛淺灘海域表層沉積物粒徑以粘土質粉砂為主要類型，沉積物的粒徑普遍較細，沉積物的中值粒徑在空間分布上存在一定的差異性，甌江口的粒徑最大，細砂的含量明顯較高，其次是飛云江和鰲江口，開敞海域沉積物的由北向南和由岸向外粒徑逐漸變細。

GSTA 模型結果顯示大小潮甌飛海域沉積物的運移趨勢有所不同，反映研究區域的泥沙一部分來自于甌江、飛云江和鰲江流域，兩外一部分就是來自海域來沙，而且泥沙有向南輸運的趨勢。

研究區域不同浪級對表層沉積物的沖刷作用不同，其中以1.5 m 以下波浪為主，波浪掀沙作用基本上覆蓋整個研究區域的整個海域；潮流輸沙作用的范圍主要在5 m 等深線附近，而且河口區潮流輸沙的作用更為明顯。因此研究區域5 m 等深線以內泥沙的運移變化主要受到波浪和潮流的聯合作用，而外海泥沙的起動主要是以波浪為主。

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