廈門五緣灣及同安灣口表層沉積物粒度端元解析

王偉斌，姚弘毅，吳 昊，蔚廣鑫

(1.福建海洋研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海陸界面生態環境重點實驗室，福建 廈門 361102)

五緣灣是福建廈門筼筜港-鐘宅斷裂帶因新構造時期的斷裂和斷塊活動而發育形成的斷陷淺水海灣[1]。為興辦鹽場、養殖水產等，廈門在1958年和1979年共修筑了兩條海堤，人為阻礙了五緣灣與外側同安灣海域的自然水體交換，導致泥沙淤積、沉積物受污染嚴重、水體富營養化、赤潮頻發、濕地生態系統受損嚴重[1-3]。為保護和改善海灣濕地生態環境，廈門市政府于2005年啟動了五緣灣生態修復工程。工程拆除了鐘宅海堤，恢復了五緣灣內外自然水體交換過程，同時對灣內淤塞的灘涂區域進行了疏浚，增加了海灣納潮量。2011年，為了改善廈門灣水動力條件，提升海洋環境質量，廈門市政府開展了高集海堤開口改造工程，包括海堤拆除及改造工程、海堤兩側海域清淤工程、高崎側濱海路延伸段工程和集美側岸線整治工程，實現了廈門東海域與西海域間的連通，增強了東、西兩側海域的水體交換，改善水質環境，從而有利于廈門灣西海域污染物外輸[4-5]。這一系列提升改造工程，勢必對五緣灣及同安灣口的水動力環境和沉積動力過程造成影響。

粒度特征是沉積物固有的基本特征，包含了沉積區域水動力環境、地質歷史時期環境演變、物質輸運和沉降過程等重要沉積信息[6-11]。沉積物的粒度分布曲線往往同時存在多個峰，位置也不盡相同，其反映了不同輸運形式、沉降過程及不同動力組分的疊加[6-7,12-13]。Weltje G J等[14-15]提出了端元分析沉積物粒度數據的模型，該模型利用動力組分的概念，將多元疊加的多峰沉積物分解成單峰的沉積動力組分，在河口[16-19]、海灣[20]、近海及陸架區域[21-27]等海洋環境沉積物粒度分析中得到了廣泛應用，在解析沉積動力和物質來源推測方面取得了良好的應用效果。

本文于2022年1月在五緣灣及同安灣口采集表層沉積物，運用粒度端元分解方法對該區域的粒度數據進行了分析，以期進一步了解五緣灣及同安灣口在人類活動影響下的沉積動力過程。

1 研究區域概況

五緣灣位于廈門本島東北部湖里區，水域北側與同安灣連通，東北側鄰近翔安，東南側則與金門諸島隔海相望。研究區域屬于亞熱帶海洋性氣候，受季風環流的影響，四季分明，氣候溫和，空氣濕潤，雨量充沛。潮汐屬正規半日潮，潮差較大，根據廈門海洋站1907至2002年的觀測資料，最高高潮位為4.51 m，最低低潮位為-3.33 m，最大潮差為6.89 m。五緣灣灣口外緊鄰翔安航道，通航水深為11.6 m，水動力較強，實測大潮漲落潮流以往復流性質為主，其主軸方向與岸線、潮溝大致平行。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與粒度分析

如圖1所示，2022年1月在研究區域內使用蚌式采泥器共采集了25個表層沉積物樣品，刮取表層2 cm厚的沉積物裝入樣品袋內。沉積物粒度分析采用英國Malvern生產的Mastersizer 2000激光粒度儀，儀器測量范圍為0.02～2 000 μm，粒徑分辨率為0.001 Φ，重復測量的相對誤差小于3%，具體分析步驟參照文獻[28-30]中的方法。采用Folk R L等[31]的圖解法公式計算沉積物的平均粒徑(Mz)、分選系數(σi)、偏度系數(SKi)和峰度系數(Kg);采用Folk R L等[32]的含礫和無礫圖解法對沉積物類型進行命名。根據我國現行《海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查》(GB/T 12763.8—2007)[33]中的劃分標準，對海砂粒級進行劃分。

2.2 端元分析方法

本文采用Paterson G A等[34]改進的端元分析模型對沉積物粒度數據進行端元分析。在Matlab計算平臺上運行AnalySize計算程序，將沉積物的頻率分布數據按照海砂粒級劃分標準進行分段后，作為計算的原始輸入數值。在計算過程中，具有對比非參數化方法和參數化方法兩種分析方法，但通過對比，發現在使用非參數化方法時，端元呈現多峰分布形態，表明針對本文中的沉積物樣品，該方法分解出的端元并非有效的單一物源或沉積動力環境，因此宜采用參數化方法[20-21,35]。研究表明，Gen.Weibull分布函數在形狀上具有更大的靈活性并能更好地控制偏度，在分析大量數據時更為迅速[21]，故本文選擇該函數進行參數化端元分解。計算結果可包含不同端元數的擬合結果以及相應的相關性分析，綜合研究區域的水動力環境、物源特征和相關性系數等因素后，可具體判定所使用的端元數量和端元計算結果。

3 結果與分析

3.1 沉積物粒度特征

平均粒徑(Mz)主要受源區物質的粒度分布和搬運介質的平均動能2個因素的影響。在源區一致的情況下，其可作為搬運介質速度的替代性指標，反映搬運營力的平均動能[36]。圖2a為研究區域海域平均粒徑分布圖，從圖中可以看出采樣區域的表層沉積物平均粒徑變化范圍為0.33～7.60 Φ，其中五緣灣內及大離浦嶼東南側表層沉積物顆粒較細，在6.00～7.60 Φ之間，而五緣灣口至翔安之間海域表層沉積物平均粒徑較粗，在0.33～3.00 Φ之間。總體上，表層沉積物平均粒徑呈現出自五緣灣灣內及近岸向海逐漸增大的趨勢，從側面可以反映出五緣灣內及近岸水域水動力較弱，而作為連接廈門東部海域和同安灣的重要潮汐通道，同時受到兩側地形條件的約束作用，導致五緣灣口至翔安之間海域的水動力較強。

分選系數(σi)反映了水動力條件對沉積物的分選程度。研究區域內分選系數在1.28～3.38之間，屬于分選較差和分選差，其中五緣灣內分選系數在1.28～1.50之間，略好于灣口外的表層沉積物，五緣灣口的分選系數則達到了3.38，分選最差(圖2b)。這表明研究區域內的水動力整體分選作用較弱，沉積過程復雜，多種沉積環境下泥沙相互混雜，導致粒度分布分散。

偏度系數(SKi)是用來表示沉積物粒度頻率曲線對性的參數，實質上反映粒度分布的不對稱程度，并表明眾數、中位數、平均值的相對位置，用這一參數能反映介質類型、搬運能力的強弱及能量變異情況[28,36]。研究區域內沉積物偏度系數在-0.28～0.73之間(圖2c)，兩側表現為負偏，而中間區域則表現為正偏至極正偏。

峰度系數(Kg)是刻畫數據在平均粒徑兩側集中程度的參數，用以度量粒徑分布曲線的峰凸程度[28,36]。研究區域內沉積物峰度系數在-0.66～3.20之間(圖2d)，整體上以平坦至中等為主，其中靠近翔安、五緣灣灣內人工沙灘區域以及五緣灣口的表層沉積物峰度系數較大，表現為很尖銳至非常尖銳，表明該區域的水動力條件較為復雜，環境對沉積物的改造不充分。

3.2 端元分析結果

在確定端元數量時，往往需根據擬合情況和識別難度進行綜合考量，原則上端元數量應盡量少，一般采用3～4個端元數較為合適[20-21,25]。假定研究區域的端元數分別為2～8，對所有表層沉積物的粒度數據進行端元分析，擬合結果如表1所示。從表中可以看出，當端元數為3時，擬合結果與實測數據間的平方線性關系R2已經達到了0.926，已能充分代表沉積物和沉積物環境特性。隨著端元數的增加，R2逐漸增大，至8個端元時，R2僅增大了0.043，增幅較小。從結果看，端元數越多，擬合組分結果越理想，但是端元數增加至4以后，新增加的端元是上一組端元中某些端元的二次拆分細化。例如當端元數為4時，與端元數3相比，端元EM2將會被拆分成2個平均粒徑相近的砂組分，而事實上，這2種組分所對應的可能是相近的環境營造力或泥沙來源。故端元數的增加會模糊端元間物理含義的辨識度，對具體識別造成困難。因此，本文選取3個端元(EM1、EM2、EM3)對研究區域內的粒度數據進行分解。

表1 端元擬合結果

3.3 粒度端元曲線和參數特征

3個端元組分的頻率分布曲線如圖3所示，其中端元EM1為細顆粒組分，其粒級范圍主要分布在3～10 Φ之間，根據《海洋調查規范》(GB/T 12763.8—2007)分類標準[33]，屬于粉砂粒級的范圍，平均粒徑為7.60 Φ，分選系數為2.45，偏度系數為0.03，峰度系數為0.92；端元EM2為較粗顆粒組分，其粒級范圍主要分布在0～3.47 Φ之間，屬于砂質范圍，平均粒徑為1.92 Φ，分選系數為1.92，偏度系數為-0.11，峰度系數為1.14；端元EM3為粗顆粒組分，其粒級范圍主要分布在-2.00～2.32 Φ之間，屬于粗砂和礫石范圍，平均粒徑為-0.07 Φ，分選系數為2.47，偏度系數為-0.04，峰度系數為0.77。

3.4 端元空間分布

在端元數為3的條件下，本次采集到的所有樣品的3個端元組分的和為100%。通過對各端元組分進行地理空間插值，可以獲得各端元在空間上的分布特征(圖4)。EM1代表的細顆粒組分在五緣灣內及廈門島近岸處的淺水區域含量較高，而在五緣灣口至翔安之間的深水區域含量明顯降低。EM2所代表的較粗顆粒組分的分布特征與EM1恰好相反，其在五緣灣內及廈門島近岸處的淺水區域含量較低，占比均在20%以下，而在同安灣口的深水區域含量較高。EM3所代表的粗顆粒組分在五通至翔安、大離浦嶼至翔安之間以及五緣灣口的水域含量相對較高。

3.5 研究區域潮流特性

2022年11月5日至6日(農歷十月初一至初二，大潮)，福建海洋研究所對五緣灣及同安灣口進行了6點同步潮流觀測。五緣灣及同安灣口潮流受地形因素控制，潮流流向呈現出明顯的往復流特性，漲潮流由灣外向同安灣頂及西海域方向流動，落潮流則在同安灣口匯聚后向灣外流動(圖5)；最大漲潮流速和最大落潮流速均出現在5號站位，流速均為97 cm/s(表2)；各站位最大流速均出現在表層或0.2H層，受海底摩擦阻力影響，流速自表層向底層逐漸減小。除4號站位落潮流明顯強于漲潮流外，其余站位漲落潮垂線平均流速差值均在5 cm/s以下；5號站和6號站的漲潮最大流速大于落潮，漲落潮間流速相差在20%以上。整體上可以看出，研究區域內潮流通道內的水動力條件較好，而五緣灣內水動力孱弱，漲潮和落潮平均流速分別僅為6、14 cm/s。

表2 研究區域大潮實測漲落潮分層最大流速和垂線平均流速及其流向

注：圖上數字1～6表示站位。

4 討論

4.1 端元反映的沉積動力環境

EM1端元所代表的細粉砂組分，分選差、頻率曲線近對稱分布、峰度中，在水深較淺、水動力較弱的五緣灣內含量較高，因此可認為該端元組分代表了水深較淺、水動力較弱的沉積環境。EM2端元所代表的粗顆粒組分，分選較差、頻率分布曲線正偏、峰度尖銳，空間分布與EM1組分呈現出明顯的反相關性，主要分布在五緣灣外、離岸較遠的開闊深水區域，水動力作用強，在潮流的機械分異作用下，只有較粗的顆粒得以沉積下來，表明該端元組分代表了較強的沉積動力環境。EM3端元則為部分礫石與粗砂混合的顆粒組分，分選差、頻率曲線近對稱分布、峰度平坦，代表了更為強勁的動力作用環境。從空間分布上不難看出，EM3端元組分高值區主要分布在研究區域南北兩側，五通至翔安、大離浦嶼至翔安之間以及五緣灣口等水域，這些水域都處在從開闊水域向狹窄水域過渡，區域受到兩側岸線地形的限制，過水斷面束窄，水動力作用明顯增強；同時，高崎海堤開口工程的施工使廈門東、西海域重新連通，潮通量增加，表現為自東海域向西海域凈輸水，同安灣口流速增大，從側面增強了其水動力條件，不利于細顆粒泥沙沉積，只有粗砂和礫石組分得以保留。此外，EM3端元組分高值區周邊分布有在建的翔安大橋、劉五店港區、五緣灣游艇碼頭航道、劉五店航道、五通-金門航道以及規劃建設中的丙洲航道、東坑航道和高通航道等工程(圖6)，可見該區域受到橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等多種高強度人類活動的影響。

4.2 端元反映的泥沙來源

研究區域內泥沙來源主要包括海岸侵蝕陸源碎屑、河溪來沙以及來自臺灣海峽的物質等。粒徑趨勢分析結果表明，同安灣沉積物自灣頂向灣內、再從灣內向灣口輸運[37]，來自臺灣海峽的泥沙隨漲潮流進入翔安南部和同安灣[38]，翔安南部海域沉積物輸運方向指向同安灣[39]。諸多來源的泥沙在本區域匯合，通過不同水動力條件再分配，從而形成復雜的沉積格局，而端元分析就是將不同動力組分和物源屬性的混合組分進行剝離的過程。

西溪發源于廈門同安區北部寨尖尾山，由蓮花溪、澳溪和汀溪水流相匯而成，在雙溪口與發源于廈門市北部汀溪鎮西格山的東溪匯合后，向東南流入東咀港并出海進入同安灣。東、西溪每年入海泥沙約6×104t，同安灣周邊小溪流的入海泥沙可達10×104t[40]，這些入海泥沙中，粗顆粒大多沉積在下游河道中，細顆粒懸浮泥沙大量進入海灣。隨漲潮流進入同安灣的臺灣海峽懸沙也以細顆粒泥沙為主，這部分泥沙主要來源于浙閩沿岸流的南下物質、粵東沿岸流隨西南季風北上的懸沙以及臺灣西部河流中的細顆粒組分[24，41-42]。現場觀測的臺灣海峽懸沙的峰值粒徑在4 μm左右[24]，與EM1端元的平均粒徑相近，因此EM1端元可較好地指示河溪入海泥沙以及隨漲潮流而來的臺灣海峽細顆粒物質。

廈門灣海域海底沉積物表現出較好的親陸性，周邊基巖風化侵蝕以及風浪導致的海岸侵蝕是其重要的泥沙來源之一[38,43]。在潮流的機械分異作用下，同安灣海域泥沙自灣口向灣內逐漸變細[44]。在海灣區域，這部分泥沙往往分布于水域較開闊、流速較大的區域[20]，與EM2組分的空間分布特征和平均粒徑較為接近，因此EM2端元組分可能代表了海岸風化侵蝕陸源碎屑物質。

2003至2008年的沉積物采樣結果表明，同安灣口的沉積物類型均以黏土質粉砂為主[37-38]，而在高集海堤修建之前，1938年測制的海圖則顯示同安灣灣口的原有底質類型為礫質砂和粗砂[45]。柱狀樣顯示同安灣沉積物在礫質砂和粗砂層上覆蓋了一個7～30 cm的細顆粒沉積層，這是高集海堤建設和多年來的圍墾活動導致水動力條件變化而產生的淤積[43]。而端元分析結果中，EM3端元恰好可以指示這部分礫質砂和粗砂的原始沉積層。該組分在表層沉積物中的重新出現，并且在個別站位中有著較高的占比，說明了近期的橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等人類活動，尤其是2011年高集海堤開口后，研究區域內的水動力條件發生新的變化，對沉積環境已經產生了一定的影響。

5 結論

本文采用粒度端元分析方法，對研究區域內的表層沉積物樣品進行了端元擬合，提取了3個有效端元組分，通過端元組分和粒度參數的空間分布，綜合歷史沉積過程、水動力條件和人類活動影響等初步探討了該區域內的沉積動力環境和泥沙來源，得到了以下結論：

1)表層沉積物端元分析提取到的3個端元基本可以反映出五緣灣及同安灣口海域的沉積動力環境。3個端元均為單峰，頻率分布曲線接近正態分布。EM1端元主要分布在五緣灣內，代表了水深較淺、水動力較弱的沉積環境；EM2端元主要分布在同安灣口的深水區域，代表了水動力作用較強、機械分異作用顯著的沉積環境；EM3端元則主要分布在開闊水域與峽道水域的過渡區域，代表了受人類活動強烈擾動作用下的沉積動力環境。

2)EM1端元可用于指示河溪入海泥沙以及隨漲潮流而來的臺灣海峽細顆粒物質；EM2端元可代表海岸風化侵蝕陸源碎屑物質；EM3端元則代表了同安灣受高集海堤、圍墾等人類活動影響發生大范圍淤積之前的底砂物質。

3)近年來，研究區域內開發活動頻繁，橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等工程對局部的沉積動力環境產生擾動，此外，高集海堤開口工程的建設使廈門東、西海域重新貫通，改善了兩側的水沙交換條件，間接增強了研究區域內的水動力。這兩方面的作用疊加后，研究區域的底砂出現粗化現象、原同安灣的礫質粗砂底質再次出露，需加強關注。