大陸島入海沉積物通量的估算研究

李高聰，蔡廷祿，李志強，高抒

( 1. 廣東海洋大學 海洋技術系，廣東 湛江 524088；2. 廣東省海洋遙感與信息技術工程技術中心，廣東 湛江 524088；3. 自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；4. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

1 引言

大陸島是地質構造和巖性與鄰近大陸相似的大陸邊緣島嶼，是研究海岸帶陸、海、氣相互作用的重要對象之一。大陸島原屬大陸組成，因受地殼沉降或海面上升影響，低洼地帶被海水淹沒，較高的山地和丘陵出露在海面以上所形成的島嶼[1-2]。中國的大陸島主要分布在大陸山地基巖海岸附近，包括遼東半島、山東半島、浙閩和華南沿海區域，以及臺灣附近海域，約占島嶼總數的90%[3]。它們具有多種重要的價值和功能，主要包括：（1）提供土地、港口和旅游資源[4-5]；（2）維持生物多樣性和生態過程多樣性[6-7]；（3）研究古地理、古氣候和古生態的重要場所[8-9]。

自20世紀80年代以來，與大型河流三角洲密切相關的內陸架泥質沉積體系的形成、演化及其沉積記錄解譯工作逐漸成為了當前國際的研究熱點[10-16]。物源供給、可容空間和沉積物輸運和堆積過程共同構成了大陸架沉積體系形成和演化的3大主控因素[17-18]。大陸架沉積體系通常被認為有兩個主要物源，即大陸河流供給和大陸架沉積物的再懸浮供給[19-20]。前者主要受入海河流流域特征的影響，包括流域內的地質、巖性、地形、植被、溫度、降雨量和人類干預活動等因素[21-22]。后者則主要取決于區域的沉積物輸運和堆積過程，包括入海徑流、波浪、潮汐、陸架環流和沉積物重力流等沉積動力條件[17-18]。內陸架遠端泥質沉積的物源通常被認為主要來自于大型河流的遠距離供給，然而在大陸島廣泛分布的區域則往往忽略了更加靠近遠端泥質沉積區域的沿岸中、小型河流以及大陸島的中距離和近距離供給[19-20]。因此，在海島廣布的區域獲取其入海沉積物通量及其時空分布特征信息，不僅有助于該大陸架區域物源收支研究，也是完善該大陸架區域沉積記錄精確解譯的關鍵所在[23]。

傳統研究，河流入海沉積物通量信息的獲取一般可分為3種方式。第1種方法是根據大陸的剝蝕速率估算其通量[24-25]；第2種方法是關鍵斷面觀測方法，其時間分辨率較高，分為分析鄰近河口的水文站的統計數據獲取經驗公式[26-27]和在河口地區布設典型觀測斷面，通過關鍵時段的全潮水文觀測獲取水沙通量數據[28]兩類；第3種方法是沉積記錄的反演算法，其時間分辨率較低，需獲取大量的沉積鉆孔和年代數據。對于第1種方法而言，其估算值往往存在高估的情況，因為在現實中有大量被侵蝕的沉積物仍然滯留在流域內，并未完全抵達河口[27]。對于第2種方法的第2類方法而言，雖然獲取的數據時空精度較高，但由于野外觀測的人力、財力和物力成本較大，且難以獲取長時間序列的通量數據，因而在分析較長時間尺度通量問題時并不推薦使用[29]。對于第3種方法而言，其人力、財力和物力成本也較大，且需要先解答年代框架和沉積物滯留指數的難題。因此，在討論年或更長時間尺度的河流入海通量問題時，通過水文觀測站的資料構建經驗公式成了最為常用的方法。

按照上述傳統方法，定量刻畫大陸島入海沉積物通量時需獲取海島河流的長期水沙觀測數據。但由于大陸島河流流域較小，水系并不發育，幾乎未設置有水文站，因而缺乏水沙特征數據，也就缺少了由水文站觀測數據構建的沉積物入海通量經驗公式。近年來，研究者指出，由于大陸島與鄰近大陸沿海流域在地理和地質背景方面具有一定的相似性，可推測兩者在流域產沙特征上具有相似性，即可利用鄰近大陸河流的經驗公式估算大陸島的入海沉積物通量[23]。相較于大陸島，關于大陸河流水沙特征的研究極為豐富，這就為大陸島鄰近大陸河流流域參數特征值的獲取提供了充足的數據支撐，確保了構建入海沉積物通量的區域經驗公式的可行性。因此，鄰近大陸河流的經驗公式有效構建為計算大陸島入海沉積物通量提供了可能。

2 研究方法

河流入海沉積物通量的經驗方程是估算大陸島沉積物通量 （Qs）的重要依據[23]。根據全球數百條河流的水沙特征與流域參數（如流域面積、最大高程和平均溫度等）之間的數學關系，研究者提出了多個可用于預測全球大中型河流的Qs經驗公式[21-22,30-31]。然而，在特定地區使用時，由于不同地區或大流域和中小流域之間的沉積物產出特征存在差異，需考慮對現有公式進行修正，以提高Qs的預測精度[32-33]。此外，在估算大陸島Qs時需注意兩點：一是大陸河流流域參數特征值需選取人類干擾較小時段，盡量降低人類活動干預對流域產沙特征的影響；二是由于大陸島存在眾多子流域，在島嶼詳細地形數據獲取困難或子流域地形參數特征不明確的前提下，需解決大陸島子流域的地形特征值提取以及其Qs計算及驗證的問題。

為了對大陸島Qs進行估算，本文提出兩個假設：（1）大陸島的Qs法則遵循鄰近大陸中小河流的Qs法則；（2）可將1個大陸島當作1個河流流域計算Qs。具體研究步驟如下：首先，本文選取中國東南部大陸島和鄰近大陸中小型河流作為典型研究區（圖1）；其次，基于河流的特征值對現有Qs的經驗公式進行區域校正，并分析其相對誤差；隨后，根據經驗公式對大陸島的Qs進行計算；最后，討論假設（2）對大陸島通量總量的影響，并分析大陸島Qs對遠端泥沉積體系及其沉積記錄研究的意義。

典型研究區包括浙、閩、粵和瓊26條中小型河流和8 227個大陸島（圖1），它們具有相似的地質和地理特征。在第四紀冰期的低海面時期，這些大陸島與中國大陸相連[3]。研究區同處華夏塊體，其出露巖石主要由泥砂質沉積巖和火成巖構成[23]。研究區位于季風氣候區，夏季受臺風影響，而在冬季則受風暴活動影響[15,17]。年平均降水量為1 300～2 400 mm，年平均溫度為16～24 °C[3,15]。東海近岸的潮汐為半日潮，南海北部則主要為全日潮[15,23]。

鄰近大陸河流的特征值參數包括流域面積、最大高程、平均氣溫、平均徑流量（Q）和Qs，數據來自于已公開發表的文獻或書籍（表1），作者主要包括王文介等[34]，張伯虎等[35]和楊志宏等[36]。本文研究的河流共包括23條中小型河流，受26個水文觀測站控制（圖1）。它們的主干河道長度、流域最大高程、流域面積分別為50～541 km，596～2 158 m，425～60 992 km2。為了降低人類活動干預對流域產沙特征的影響，河流的Q和Qs選取20世紀50年代至70年代之間數據的平均統計值，它們的數值范圍分別為0.1～7.5 Mt/a和0.4～53.9 km3。

表1 研究區26條河流特征參數特征值統計表Table 1 Statistic of characteristics values of the 26 coastal rivers

圖1 大陸島及其平均氣溫控制點和鄰近大陸河流及其水文控制站分布Fig. 1 Locations of continental shelf islands and their control of average temperature,and adjacent continent rivers and their gauging stations

大陸島特征值參數包括8 227個大陸島面積和4 978個大陸島最大高程數據，數據來自于《中國海島（礁）名錄》[3]。4 978個大陸島總面積為4 205.3 km2；其余3 249個大陸島總面積為213.19 km2，它們的最大高程值是通過已有4 978個大陸島面積和最大高程的數學關系插值求得。大陸島的總面積為4 418.49 km2，它們的最大高程和面積分別為0.1～1 404 m和接近0 km2至490.9 km2。此外，還收集了35個大陸島的平均氣溫數值，作為所研究大陸島平均氣溫空間插值的控制點。大陸島的平均氣溫通過ArcMap中的反距離加權空間插值算法計算得到。

本文采用3個全球經驗公式進行大陸島Qs的研究，包括Milliman和Syvitski[21], Mulder和Syvitski[30]，Syvitski等[22]提出的經驗模型，分別對應命名為Model 1，Model 2和Model 3。基于中國大陸東南部20條中小型河流的流域參數的特征值，本研究利用Matlab的最小二乘算法分別對3個模型開展了經驗公式的系數校正，結果如表2所示。在此基礎上，分別使用全球公式和修正公式對大陸河流的Qs進行計算，并利用水文觀測站的觀測值對其進行預測精度評估。

表2 沉積物入海通量（Qs，單位：Mt/a）經驗公式Table 2 Prediction equations of sediment flux (Qs, unit: Mt/a)

為評估將1個海島看作1個流域對計算大陸島Qs的影響，本文采取典型區域驗證和經驗公式極值求解相結合的方法。選取海南島的南渡江、昌化江和萬泉河作為典型研究區，并假定上述3條河流共同組成了1個大陸島“海南島”。區域數據驗證過程中，首先將這3條河流的流域特征參數值進行合并處理，并利用校正公式計算其Qs，其次利用校正公式分別計算3條河流的Qs，并求和，隨后對比兩者之間的差異，并用相對誤差（RE）表示。RE的計算公式如下

式中，Qsp和Qsm分別為利用校正公式計算的Qs和水文觀測站獲取的Qs。

3 研究結果

3.1 經驗公式計算值的相對誤差

基于全球公式和修正公式，本文利用23條鄰近大陸中小河流的流域參數特征值計算了它們的Qs（圖2）。當全球公式計算值與水文站觀測值相比較時，Model 1和Model 2計算的Qs被高估了100～101個數量級，而Model 3計算的Qs被高估了101～102個數量級；3個模型計算值的平均RE依次為3.49、2.27和47.34。當使用修正公式時，預測值和實測值較為接近，除個別河流外，相對誤差為±1之間；3個模型計算值的平均RE分別為0.05、0.05和0.11。因此，利用全球公式計算中國東南部中小型河流的Qs時，將顯著高估其數值，需對其計算公式進行區域參數校正。

圖2 利用全球公式（a）和修正公式（b）計算的23條沿海流域沉積物入海通量預測值和觀測值的相對誤差Fig. 2 Relative errors between the predicted sediment flux and observations of the 23 coastal watersheds calculated by global equations (a) and modified equations (b)

3.2 “海南島”河流檢驗結果

表3 展示了使用修正公式計算“海南島”Qs所得的預測值和觀測值相對誤差數值。結果分析表明：（1）使用修正公式將相對高估南渡江的Qs，其相對誤差為1.27～1.87；（2）修正公式能較好地預測昌化江和萬泉河的Qs，其RE范圍僅為-0.18～0.28；（3）使用修正公式會輕微高估“海南島”的Qs，其RE范圍為0.15～0.39，小于3條河流的平均值RE（0.34～0.75）。因此，將海南島的3條河流看作1個河流流域—“海南島”時，上述修正公式可用于預測其Qs。

表3 “海南島”Qs觀測值、預測值和相對誤差統計表Table 3 Relative errors between the sediment flux predicted by the modified equations and observations of rivers in the Hainan Island

3.3 修正公式的極值特征

本文先將1個大陸島看作1個河流流域，隨后利用修正公式計算其Qs。但在現實中，1個大陸島包含了多個河流流域。比如，海南島包含了南渡江、昌化江和萬泉河等13個流域面積超過500 km2的子流域。由于大陸島的子流域數據未知，本文擬通過極值求解的方式分析其影響。首先，假定A為大陸島的總面積，An是1個大陸島的第n個子流域的面積，可以推出

其次，引入指數P1，P2和P3，分別代表了利用前述3個修正公式計算1個大陸島所有子流域Qs的總和與將其看做1個流域計算得到的Qs之間的差異。它們的計算公式分別為

當n=1，公式（3）、（4）和（5）均取值1。當n＞1時，上述公式可分別變形為

分析可知，公式（3）、（4）和（5）的下限均為1，上限分別為n0.09，n0.13和n0.04。因此，將1個大陸島當作1個流域處理時，使用修正公式計算得到的Qs是該大陸島的下限值。而真實值與所研究大陸島的河流流域數量n有關，修正公式低估其Qs的程度不超過n0.09，n0.13和n0.04。

3.4 大陸島Qs的空間分布特征

3個修正公式計算的大陸島Qs的數值大小與大陸島的面積和最大高程呈顯著正相關關系，與平均氣溫的關系不明顯（圖3）。3個模型估算的大陸島Qs的數量級均為100～105t/a。就所有大陸島的總Qs而言，Model 1和Model 2的計算結果較為接近，分別為1.26 Mt/a和0.91 Mt/a，而Model 3的計算結果數值相對較高，其值為5.15 Mt/a。盡管存在差異，但3個模型之間也構成了相互驗證關系。3個模型計算值之間存在差異與它們的計算公式中主控因素的權重分配差異有關?；?個模型計算結果的數值范圍，本文推斷所研究大陸島的總Qs數量級為106t/a。

圖3 大陸島的面積（a）、最大高程（b）、平均氣溫（c）和Qs（d-f）空間分布Fig. 3 Distribution of the area (a), maximum relief (b), average temperature (c) and sediment flux (d-f) of continental shelf islands

4 討論

掌握沉積物來源的大小及其時空分布特征是準確解譯大陸架沉積記錄的關鍵問題之一[16,18]。在大陸島廣泛分布的區域，大陸架沉積記錄解譯的物源收支研究主要集中在大陸河流的供給方面，而往往直接忽略大陸島的貢獻[16,20]。一方面相較于大陸河流流域，大陸島的面積顯得非常小，在理論上是可以直接忽略的，另一方面由于缺乏水文站的觀測數據，也就無法構建出有效的大陸島Qs經驗方程。針對上述問題，本文基于鄰近大陸河流與大陸島的流域產沙特征具有相似性的推斷，以中國東南部東海和南海的8 227個大陸島為典型研究對象，提出了一種利用鄰近大陸中小型河流Qs的經驗公式估算大陸島Qs的解決方案。

上述解決方案的實施需設置兩個假定，即大陸島的Qs法則遵循鄰近大陸中小河流的Qs法則和可將1個大陸島當作1個河流流域計算Qs。關于前者，由于所研究的大陸島缺少水文觀測站的統計數據，也就無法直接對其進行驗證。針對這一假定，本文采取了一種替代方法，即采用海南島已知河流的數據對其進行檢驗。具體而言，首先，將已知的海南島河流（即南渡江、昌化江和萬泉河）組建為一個大陸島“海南島”；其次，“海南島”的最大高程、流域面積和平均氣溫分別取所有河流的最大值、匯總值和平均值；最后，利用修正公式對“海南島”Qs進行計算，并與海南河流的觀測值比較。結果表明，修正公式會輕微高估“海南島”的Qs，其RE范圍僅為0.15～0.39。針對假定二，本文對3個修正公式的極值情況進行了分析。結果顯示，通過修正公式獲得的大陸島Qs為其最低數值，當實際情況被考慮時，其數值會輕微提高，但其增幅不超過n0.13（n為大陸島的流域數量）。基于上述討論，本文認為，利用鄰近大陸中小型河流Qs的經驗公式估算大陸島Qs的方法是切實可行的。

盡管目前的修正公式不能計算出精確的Qs數值，但也為研究者提供了研究區大陸島Qs的大致數量級信息（表4）。在全新世期間，東海和南海內陸架地區分別發育了兩個大型的泥質沉積體系[14-15]。就泥質區的物源供給數量級而言，1個大陸島的面積為接近0 km2至490.9 km2，對應Qs的數量級為100～105t/a；1條中小型河流的流域面積為425～60 992 km2，對應Qs的數量級為104～106t/a；1條大型河流（西江和長江）的流域面積為329 705～1 705 383 km2，對應Qs的數量級為107～108t/a。這一信息的獲取對內陸架泥質沉積體系物源收支研究工作是個重要補充。將大陸島和鄰近大陸河流的流域面積、Qs和泥質沉積體系聯系起來，可分析東海和南海內陸架地區沉積物供給的數量級特征和空間分布格局。

表4 東海和南海內陸架泥質沉積體系陸源供給特征（表中數值均指數量級）Table 4 Sediment sources characteristics of the mud sedimentary systems in inner continental shelf of East China Sea and South China Sea (the values in the table refer to order of magnitude)

就泥質沉積體系物源供給的空間分布特征而言，大陸河流與大陸島存在明顯差異（表4）。對于大陸河流而言，其供給模式屬于沿大陸岸線分布的河口點源大數量級補給，其沉積物不僅用于河口及鄰近區域沉積體的生長，還支持著遠端泥質區的形成和演化[23,29]。比如，大量的長江細顆粒沉積物（101～102Mt/a）在逃離河口之后[46]，在波浪、潮流和陸架環流的共同作用下輸運至浙閩近岸淺海，并延伸至臺灣海峽中部區域，形成了全長800 km, 寬約100 km, 面積約為80 000 km2的東海泥質沉積體[14,16,47-48]。對于大陸島而言，由于其更加靠近或甚至就位于泥質沉積區，其供給模式為沿大陸島岸線散布的小數量級物源供給，僅能用于支持較短距離范圍內的沉積體系的生長[23,29]。

就泥質沉積體系物源的時間序列供給特征而言，大陸島和大陸河流在不同時間段分別對內陸架泥質沉積體扮演著重要角色（表4）。以往的研究結果表明，全新世高海面以來，來自大型河流的沉積物先是主要被用于其河口灣的充填[47-51]。河口灣的充填階段受原始大陸架地形、海面位置和河流沉積物供給等因素的綜合影響。對于杭州灣而言，由于堆積空間相對較大和入海河流的Qs較小，其河口灣目前仍處于繼續充填階段。珠江河口灣的堆積空間也相對較大，但流入該區域河流Qs的數量級也比較大，目前其充填過程已接近完成。來自珠江的沉積物在最近幾百年里逐漸大量從河口灣逃逸，并在南海北部內陸架地區形成了面積遼闊的珠江遠端泥沉積體系[15,18,49]。盡管長江河口灣的堆積空間較大，但由于其Qs數量級也比較大，其河口灣的充填大約在2 000多年前業已完成[51]。

在大河河口灣充填階段完成以后，河流的細顆粒沉積物開始大規模向海逃逸，成為了支撐內陸架泥質沉積體系快速生長的主要物源[29]。但在充填階段完成以前，來自鄰近中小型河流或大陸島的短距離補給沉積物是泥質沉積體系最主要的物質來源。雖然大陸島Qs的數量級是最小的，但由于數量龐大（8 227個），它們的總面積（4 418.49 km2）和總Qs（106t/a）也相應達到了1條中小型河流的數量級。在泥質沉積體形成的整個生命周期里，大陸島持續不斷地提供著物源，不僅提供著細粒沉積物，而且補給了粗顆粒沉積物[23]。假設泥質沉積體的生長周期為6 000 a，那么這些大陸島將給大陸架地區提供數量級約103Mt的沉積物，相當于目前10 a長江入海河流沉積物的總量。因此，關于大陸島的入海沉積物對大陸架沉積體系的影響應引起研究人員的重視。

需指出的是，本文所采用的Qs計算方法只針對流域產生的入海沉積物，并未考慮因海岸基巖侵蝕產生的物質通量[52]。為了系統評估大陸島對內陸架沉積體系的形成和演化過程的影響，未來需借助現場觀測、實驗室分析、數值模擬和大數據分析等研究方法，繼續對如下幾點開展研究工作：（1）建立大陸島基巖岸線因侵蝕產生的Qs計算方法；（2）建立大陸架泥質沉積物中大陸島沉積物的識別標志；（3）定量揭示大陸島入海沉積物的時空分布特征；（4）探討大陸河流、大陸島和海洋動力過程在內陸架泥質沉積體形成和演化進程中的相互作用過程和機理。

5 結論

基于大陸島遵循鄰近大陸中小型河流的Qs法則和將1個大陸島當作1個河流流域的兩個假設，本文利用鄰近大陸23條中小型河流Qs的經驗公式對我國東南部東海和南海8 227個大陸島的Qs進行了估算研究，并得出了如下主要結論：

（1）當使用全球經驗公式預測河流的Qs時，其計算值會比河流水文站的觀測值高100～102個數量級。

（2）當使用3個修正公式時，河流Qs的預測精度顯著提高，其平均相對誤差僅為0.05～0.11。

（3）3個修正公式能較好地預測“海南島”的Qs，其相對誤差為0.15～0.39。

（4）利用修正公式計算所得的大陸島Qs為其最小值。當考慮流域數量n的實際情況時，Qs值會稍微增加，但其增幅不超過n0.13。

（5）我國東南部大陸島的總Qs接近于鄰近大陸的中小型河流的Qs，其數量級達到了106t/a。