福建詔安灣海域表層沉積物粒度特征及輸運趨勢分析

束芳芳

(自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

淺海港灣受到海洋和陸地的雙重影響，地理位置優越，有其獨特的環境優勢和資源優勢。隨著人類對海灣開發強度的不斷增加，海灣圍填、海灣養殖等活動對海灣自然資源、環境容量、質量現狀產生了明顯影響。海灣的水文動力條件、泥沙運動規律、水深地形變化是海灣的基本環境要素，表層沉積物粒度是反映海灣沉積環境的重要參數之一，海灣表層沉積物的粒度特征包含了沉積物來源、水動力、沉積地貌等重要的環境信息，通過對沉積物顆粒度特征的研究，可以推斷沉積物的物質來源信息、反映沉積過程的水動力條件，有效判定沉積物的運移趨勢和沉積環境[1]。因此，深入研究海灣的沉積物特征、地貌演化和沉積環境，對于了解海灣的自然環境演化與人類活動影響，保護海洋環境和促進海洋經濟健康長效發展意義重大。

福建詔安灣是我國東南沿海典型的狹長型半開敞潮控海灣[2]，地處閩粵交界，是優良的淺海港灣。近年來，環灣經濟高速發展，海灣圍填、漁港、碼頭、跨海大橋等工程陸續建設，海陸交互作用劇烈，對海灣的自然環境造成了一定程度的影響。目前，對詔安灣已有的研究甚少，僅有的研究集中于海灣生物生態環境方面[3-4]。本研究依據詔安灣表層沉積物顆粒度分析結果，結合水文動力實測數據和海灣水深地形，分析詔安灣海域的表層沉積物粒度參數分布特征、泥沙運動規律；采用沉積物粒徑趨勢方法[5-6]分析研究表層沉積物輸運趨勢與動力機制；采用聚類統計分析劃分海灣沉積環境，探討海灣的沉積環境；以期拓展對淺海海灣生態環境的認識程度，加深對海灣動力地貌過程的理解，為區域海洋資源的開發和保護提供科學依據，促進海灣經濟循環穩定發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

詔安灣地處福建省詔安縣東南沿海，西為宮口半島，東鄰東山島，東北面八尺門海堤將詔安灣與東山灣隔斷[2]，海灣呈南北向伸展，長約為17 km，寬約為8 km，總面積為152.66 km2，灣口朝南，寬約為7 km(圖1)。詔安灣位于長樂-南澳北東向深大斷裂帶南段，區內構造走向以北東向為主，為基巖侵蝕-堆積型原生海灣，周圍海岸類型以剝蝕低丘陵和臺地為主。灣口口門有城洲島和西嶼等島嶼屏障，發育潮流沙脊和深槽；灣內海底地形寬淺平坦，多為水下淺灘；灣頂發育潮灘，被養殖所覆蓋，局部散布紅樹林和草灘。

圖1 研究區域位置與調查站位示意圖Fig. 1 Location of study area and sites surveyed

1.2 數據與方法

1.2.1 水文動力資料與處理 2016年3月在詔安灣灣口附近海域進行了6個站位的大、小潮水文泥沙觀測和2個站位1個月的臨時潮位觀測(圖1)，潮流和潮位觀測分別采用聲學多普勒流速剖面儀和RBR自記式溫深儀。潮流觀測的同時每小時采集1次水樣(六層法)，水樣在實驗室過濾和烘干后計算懸浮泥沙含量。同步收集了觀測期間詔安氣象站的天氣資料，大潮期間天氣陰有小雨，南風轉東北風，小潮期間多云，南風。對潮汐和潮流實測資料進行了統計和調和分析，得到了研究海域的潮汐與潮流特征值、調和常數和余流特征，并根據逐時流速流向和懸浮泥沙含量計算了單寬輸沙。

1.2.2 表層底質樣品采集與數據分析 2016年3月，采用蚌式采樣器在詔安灣內獲取了181個表層沉積物(圖1)。采集的沉積物樣品在現場描述后裝袋標識，以備實驗室內分析。粒度分析采用激光粒度儀和篩析法[7]相結合的方法。將采集回來的樣品進行充分混合后選樣，當樣品中含有礫石顆粒時，對樣品過篩，將大于1 mm的樣品利用篩析法進行粒度分析，獲得1/2 φ間隔的粒度分布數據；對沒有礫石的樣品和過篩后的細顆粒樣品加入質量分數為10%的H2O2去除樣品中的有機質，再加入0.5 mol/dm3的六偏磷酸鈉浸泡24 h充分地分散沉積物顆粒，利用Mastersizer 3000型激光粒度儀(Malvern公司)進行樣品粒度分析，獲得1/4 φ 間隔的粒度分布數據。最后，將激光粒度儀和篩析法的數據合并。根據實驗分析的粒度數據，計算出礫石、砂、粉砂和黏土的顆粒組分含量，沉積物類型采用謝帕德三角圖分類法確定，粒度參數采用圖解法計算，參考國家標準劃分粒度參數等級[7]。

2 結果與討論

2.1 潮流與泥沙輸運特征

詔安灣海域的潮汐性質為不正規半日潮，潮流類型有正規半日潮流和不正規半日潮流兩種類型[2]。本次實測的6個站位潮流性質類型均屬于正規半日潮流，潮流運動形式均為往復流。大潮期間，各站的落潮流最大流速均大于漲潮流最大流速，C1站大潮期間垂線平均流速最大達82.0 cm/s，小潮期間垂線平均流速最大為63.0 cm/s(圖2)。從大、小潮余流圖可以看到，大潮期間的余流流速介于0.4～5.2 cm/s，除C1站外，大部分站位余流流向偏北，朝向灣內；小潮期間的余流流速介于0.6～3.8 cm/s，除C5站外，余流流向基本朝向灣外。而從單寬輸沙圖來看，除灣口西側水道的C1站大潮向城洲島近岸水域輸沙外，其他站位大、小潮均表現為向灣內輸沙，單寬凈輸沙量值不大，介于0.04～2.66 t/(md)，C1站大潮余流和輸沙均指向城洲島，可能與局部地形和大潮觀測期間風向由南風轉東北風有關。

圖2 實測垂線平均流速、余流、單寬輸沙圖Fig. 2 Depth-averaged velocity, residual current and sediment transport per unit width observed

2.2 表層沉積物類型分布特征

由表1和圖3顯示，詔安灣海域的表層沉積物類型可分為6種，分別為粉砂、黏土質粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂、砂和砂-粉砂-黏土。沉積物類型中以黏土質粉砂為主，含量占比為62.43%，其次為砂，含量占比為14.92%，含礫石沉積物零星出現在灣口區域和灣頂東側水道。總體而言，除詔安灣灣頂靠近大產村附近水道海域沉積物較粗外，沉積物類型呈現自灣頂淺水區向灣口深水區變粗的分布趨勢，以灣口的潮汐通道最粗(圖3)。黏土質粉砂是詔安灣海域內分布最廣的沉積物類型， 覆蓋了大部分調查區域，尤其是海圖5 m等深線以淺的灣中部區域(圖3)，占該局部區域比例達到85.00%。砂的分布范圍僅次于黏土質粉砂，主要出現在灣口西南及灣口潮汐通道，占灣口局部區域比例為27.47%。個別站位含礫石組分，分布在灣頂大產村附近水道和宮口半島西南角附近(圖3、4)。粉砂少量分布在灣口東南側區域，砂質粉砂和粉砂質砂主要散布在灣口附近海域，而砂-粉砂-黏土則主要分布在灣頂附近。

表1 詔安灣海域表層沉積物類型分布Tab. 1 Distribution of surface sediment types in Zhao’an Bay

圖3 詔安灣表層沉積物類型分布圖Fig. 3 Distrubution of surface sediment types in Zhao’an Bay

2.3 表層沉積物粒級組分平面分布特征

詔安灣表層沉積物按粒級組分分為礫石、砂、粉砂和黏土4種組分，4種組分的含量平面分布見圖4，其含量占比平均值分別為0.13%、26.22%、53.01%和20.63%，表層沉積物顆粒度組分以粉砂為主，砂和黏土次之，礫石含量較低。礫石僅分布在灣口和灣頂東側附近海域，最高值出現在灣頂大產村附近水道；砂含量占比范圍為0.00%～100.00%，其高值區呈“十”字形出現在灣口偏中西側海域；粉砂和黏土含量的平面分布特征較為一致，與砂相反，其低值出現在灣口，而高值則分布在灣中大部分海域。

圖4 黏土、砂、粉砂、礫石含量平面分布圖Fig. 4 Distribution of clay, sand, silt and gravel contents

2.4 表層沉積物粒度參數分布特征

沉積物的平均粒徑能夠反映出粒度分布的趨勢。詔安灣海域表層沉積物平均粒徑介于0.54～7.43 φ之間，平均值為5.85 φ，其中145個站位平均粒徑在5.00 φ以上，以黏土質粉砂等細粒沉積物為主。灣頂表層沉積物平均粒徑在0.54～7.43 φ，平均值為6.27 φ，灣頂東側的潮汐水道粒徑粗，潮灘粒徑細；灣中平均粒徑在3.92 ～7.43 φ，平均值為6.92 φ，灣口平均粒徑在0.72 ～7.27 φ，平均值為5.01 φ，結合圖1和圖5表明，灣頂至灣中0～5 m水深之間的潮灘淺水海域平均粒徑最細，自灣口向灣中粒徑由粗變細，表層沉積物有從灣口向灣中運移的趨勢，這反映了除潮汐水道外，水動力具有從灣口向灣內逐漸減弱的趨勢。

圖5 詔安灣表層沉積物粒度參數分布圖Fig. 5 Grain size distribution of surface sediments in Zhao’an Bay

表層沉積物分選系數為0.45～3.17，平均值為1.70，除灣口附近和灣頂大產村附近潮汐水道的分選系數小于1，分選較好外，灣內大部分海域表層沉積物分選較差，灣頂西北側、城洲島西側深槽和東側近岸海域的分選系數大于2，為分選差。

研究區偏態介于-0.43～0.73，平均值為-0.04。詔安灣內大部分站位表層沉積物為近對稱，灣頂部分站位為負偏，沉積物主要粒級集中在細粒部分，灣口部分站位為正偏，沉積物主要粒級集中在粗粒部分。

表層沉積物的峰態介于0.60～1.66，平均值為1.11。灣頂潮汐水道及灣口附近海域峰態相對較寬，灣中大部分海域峰態較窄。

2.5 沉積環境劃分

本研究采用SPSS 25.0軟件的系統聚類分析法[8]根據粒度參數對研究區域的沉積環境進行劃分，以平均粒徑、分選系數、偏態、峰態、礫石組分、砂組分、粉砂組分、黏土組分含量共8個參數為聚類標準，聚類方法采用組間連聯法，區間采用平方歐式距離，因各粒度參數之間存在不同程度的相關關系，將具有相同聚集趨勢的參數進行合并，分析結果見圖6。

詔安灣海域按照沉積環境劃分可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4類沉積區(圖6)，Ⅰ類沉積區主要分布在灣口西南及灣口潮汐通道，水動力強，漲、落潮最大垂線平均流速值可達62.0 cm/s和82.0 cm/s，沉積物類型為砂和含礫砂，粒徑最粗，平均粒徑為1.64 φ，分選好或較好，除個別站位為正偏外，絕大部分為近對稱，峰態呈中等類型；Ⅱ類沉積區范圍最廣，主要分布在城洲島以北除灣頂水道區域以外的大部分灣內海域，水動力較弱，從C6站實測資料看，大潮觀測期間漲、落潮垂線平均流速僅為21.0 cm/s和22.0 cm/s，沉積物類型主要為黏土質粉砂，粒徑最細，平均粒徑為6.91 φ，分選較差，近半站位為近對稱，其他大部分為負偏，峰態呈中等至尖銳類型；Ⅲ類沉積區范圍最小，主要散布在灣口近岸海域，其沉積物類型為粉砂質砂，粒徑僅細于Ⅰ類沉積區，平均粒徑為3.84 φ，分選差，偏態均為顯著的正偏，峰態呈平坦類型；Ⅳ類沉積區主要分布在灣頂水道及灣口部分淺水區域，沉積物類型包含砂質粉砂、粉砂質砂和砂-粉砂-黏土，粒徑略粗于Ⅱ類沉積區，平均粒徑為5.29 φ，分選差，偏態多為負偏，峰態呈很平坦至平坦類型。

圖6 詔安灣沉積環境分區Fig. 6 Sedimentary environment zonations in Zhao’an Bay

2.6 討論

2.6.1 沉積物輸運趨勢分析 根據181個站位的表層沉積物粒度參數，應用Gao-Collins方法進行沉積物輸運趨勢研究，得到詔安灣海域表層沉積物輸運趨勢(圖7)[9-10]。詔安灣海域的泥沙來源有海域來沙、海岸侵蝕來沙和周邊河溪來沙，詔安灣內的沉積物輸運特征較為復雜，這可能與沉積物輸運過程中受到了波浪、潮汐潮流、徑流、水下地形等多種因素的共同影響有關[11-16]。這里以西嶼和灣頂潮汐水道汊口為界分為灣口、灣中和灣頂3個區域，對詔安灣的沉積物輸運趨勢進行分析。

圖7 詔安灣海域表層沉積物輸運趨勢Fig. 7 Transport trend of surface sediments in Zhao’an Bay矢量長度僅代表粒徑趨勢的顯著性，不代表輸運速率的大小，箭頭表示沉積物輸運方向。

詔安灣灣口區域總體表現為從外海向灣內輸沙，沉積物輸運方向大部分指向東北，與余流和單寬輸沙方向規律較為一致(圖2)，灣口區域海底均為砂質組成，水下地形呈潮流沙脊和深槽相間分布，走向呈NNE向，海域來沙豐富；城洲島和西嶼附近海域的沉積物存在向東南輸運的趨勢，在現場底質采樣過程中，發現懸浮泥沙在城洲島東北角和西嶼南側約2 km的海域附近聚集，形成淺灘或發育為狹長沙壩。海灣中部偏北區域的沉積物輸運趨勢不明顯；海灣中部偏南區域的表層沉積物呈明顯的自岸邊向灣中水道匯聚的運移趨勢，這應該與海岸侵蝕來沙有關。灣頂區域則表現為明顯的沉積物向南輸運趨勢，這與詔安灣周邊河溪來沙沿灣頂水道向海灣內部輸運有關。

2.6.2 沉積環境分析 表層沉積物的粒度參數特征既與沉積環境密切相關，又反映海灣的沉積物來源和水文動力條件[17-20]，根據粒度參數劃分沉積環境，通過分析各類粒度組成和參數與沉積環境之間的相關性(表2)，了解不同沉積環境的沉積動力機制。

詔安灣灣外瀕臨臺灣海峽，其泥沙來源主要包括海域來沙、海岸侵蝕來沙和周邊河溪來沙。灣口發育有潮流沙脊和深槽，波浪、潮流動力作用強，據其西南約25 km的云澳海洋站1960—1975年實測資料統計，多年平均波高為0.97 m，平均周期為3.95 s，實測最大波高為SW向的6.5 m，根據波浪作用下的泥沙起動公式[21]計算，波浪掀沙作用可覆蓋整個灣口區域，另外從實測的余流和單寬輸沙圖(圖2)可以看出，詔安灣灣口總體以向灣內凈輸沙為主。灣中大部分區域為水下淺灘，且密布養殖，波浪作用較弱，根據實測資料分析，該區域垂線平均流速約20 cm/s，流速值不大。而灣頂潮汐水道受水道束縛影響，潮流作用較大，波浪影響程度很小。

不同沉積環境分區的粒度參數特征差異明顯(表2)，這與沉積環境分區之間的水動力條件、地貌特征與泥沙來源的差異密切相關。Ⅰ類沉積區水動力作用最強，懸浮泥沙凈輸運向灣內(圖2)，主要為海域來沙，較細的沉積物在波浪和潮流的共同作用下再懸浮被輸運至灣內，而較粗的顆粒則發生分選沉降，動力最強的潮汐通道存在礫石組分，本區表層沉積物粒度參數特征表現為顆粒最粗，分選最好，多為近對稱和正偏。Ⅱ類沉積區水動力條件較弱，粒度最細，分選僅次于Ⅰ區，多為近對稱和負偏，現場觀測表明Ⅱ類沉積區內分布大面積的養殖活動區域，人工養殖漁排不僅大幅度削弱表面波浪作用，對近表層海流流速也有明顯減弱；Ⅲ、Ⅳ區表層沉積物平均粒徑介于Ⅰ和Ⅱ區之間，Ⅲ區粒徑略粗于Ⅳ區，均表現為分選差，其偏態特征存在明顯不同，Ⅲ區均為明顯正偏，而Ⅳ區除灣口外的個別站位為正偏外，其他為負偏，這可能與Ⅲ區位于灣口近岸淺水區，其沉積物來源主要為海岸侵蝕來沙，Ⅳ區主要位于灣頂潮汐水道，其沉積物來源主要為周邊河溪來沙有關。

表2 聚類分析各類沉積區粒度組成和參數Tab. 2 Grain size compositions and parameters by clustering analysis

3 結論

本研究通過對詔安灣海域181個表層沉積物樣品的粒度特征分析，結合潮流與泥沙運動特征、沉積物輸運模型和沉積環境劃分，得到了以下結論：

(1)詔安灣表層沉積物包含砂、粉砂、黏土質粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂和砂-粉砂-黏土共6種類型，以黏土質粉砂和砂為主，黏土質粉砂廣泛分布于灣中潮灘地貌，而砂則主要出現在灣口區域。

(2)詔安灣海域表層沉積物平均粒徑介于0.54～7.43 φ之間，平均值為5.85 φ，其中145個站位平均粒徑在5.00 φ以上。除灣頂潮汐水道外，表層沉積物大體呈現自灣頂淺水區向灣口深水區變粗的分布趨勢，以灣口的潮汐通道最粗。灣口站位分選較好，正偏，峰態較寬；灣中大部分站位分選差，正對稱，峰態較窄。

(3)受波浪、潮汐潮流、徑流、水下地形等多種因素的共同影響，灣口、灣中和灣頂3個區域的沉積物輸運趨勢有所不同，灣口區域總體表現為從外海向灣內輸沙，沉積物輸運方向大部分指向東北向；灣中偏南部呈明顯的自岸邊向灣中水道匯聚的運移趨勢，偏北部沉積物輸運趨勢不明顯；灣頂區域表現為明顯的沉積物向南輸運趨勢。

(4)水動力作用條件、地貌特征和沉積物來源是影響沉積物沉積環境分布格局的主要因素。根據沉積物顆粒度分析結果，結合系統聚類分析方法將詔安灣海域劃分為4類沉積環境區。Ⅰ類沉積區位于水動力作用強的灣口潮汐通道地貌水域，Ⅱ類沉積區位于水動力條件較弱的灣中潮灘地貌水域，Ⅲ類沉積區位于海岸侵蝕來沙形成的灣口近岸淺灘地貌水域，Ⅳ類沉積區位于周邊河溪來沙受潮流、徑流作用形成的灣頂潮汐水道地貌水域。