杜東，劉宏偉，秦雅飛，胥勤勉，楊吉龍，陳彭

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

河北省曹妃甸近岸海域懸浮泥沙含量分布特征研究

杜東，劉宏偉，秦雅飛，胥勤勉，楊吉龍，陳彭

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

本文通過(guò)實(shí)地調(diào)查及取樣測(cè)試，獲得了該區(qū)域四條剖面上共49站位不同深度的懸浮泥沙含量，分析了該區(qū)域內(nèi)懸浮泥沙含量在空間上的分布特征，初步建立了懸浮泥沙濃度在空間上的相關(guān)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果較為滿(mǎn)意。此研究可為懸浮泥沙含量在空間上尤其是中層與底層的遙感定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供基本依據(jù)。

懸浮泥沙；空間分布特征；相關(guān)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；曹妃?/p>

曹妃甸地處唐山南部的渤海灣北側(cè)，位于天津港和京唐港之間。“面向大海有深槽，背靠陸地有灘涂”是曹妃甸最明顯的自然地理特征，是渤海灣唯一不需開(kāi)挖航道和港池即可建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)大型泊位的“鉆石級(jí)”港址,被譽(yù)為“國(guó)寶之地”，為大型深水港口建設(shè)和臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越條件。曹妃甸港的建設(shè)是國(guó)家與河北省政府的“一號(hào)工程”[1]，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行海洋水體懸浮泥沙動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。懸浮泥沙濃度是海洋水體成份的重要參數(shù)之一，它的測(cè)定對(duì)河口、港口建設(shè)具有重要的意義。在2009年6月進(jìn)行的“曹妃甸近海懸浮泥沙遙感定量監(jiān)測(cè)”試驗(yàn)期間，通過(guò)對(duì)四條剖面的49站位不同深度海水懸沙濃度采樣與分析，建立了該區(qū)域懸浮泥沙濃度在空間上的定量數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系，為下一步遙感定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曹妃甸近海懸浮泥沙在空間上的分布奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與樣品取樣

曹妃甸港處于渤海灣東北側(cè)海域，具體位置及實(shí)測(cè)剖面設(shè)置如圖1所示[2]。曹妃甸淺灘海域是古灤河三角洲的組成部分，自全新世以來(lái)，灤河以灤縣為頂點(diǎn)形成，北至昌黎、南至曹妃甸的扇形三角洲，且不斷地南北擺動(dòng)。該海域主要受渤海潮波系統(tǒng)控制，屬不規(guī)則半日潮，據(jù)2010年實(shí)測(cè)潮位資料統(tǒng)計(jì)，該海域平均潮差為1.45m，年最大潮差達(dá)2.52m。

圖1 曹妃甸港位置及取樣剖面分布圖Fig.1 Cao ofeidian harbor location and the sam p ling p ro ofile distribution

曹妃甸島前西南及南側(cè)水深條件良好，距岸600m處即為水深10m以上的深槽。歷史的長(zhǎng)期自然作用，賦予曹妃甸港區(qū)近岸深水的優(yōu)勢(shì)，島前10m等深線(xiàn)距0m等深線(xiàn)200～500m，甸頭前沿500m外水深即可達(dá)到25m以上[3]。海域沉積物類(lèi)型主要為砂、中砂、細(xì)砂、粉砂和粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂，其中以黏土質(zhì)粉砂與細(xì)粉砂為主,沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢(shì)，表層沉積物平均粒徑在0.003～4mm范圍之間。粉砂（0.004～0.063mm）的分布范圍最廣。小于0.008mm的黏土和極細(xì)粉砂、大于0.25 mm的中砂分布范圍最小。細(xì)粉砂（0.008～0.016mm）和中粉砂（0.016～0.031mm）主要分布于等深線(xiàn)10m以深海域。細(xì)砂主要圍繞曹妃甸頭、蛤坨和大清河口以南區(qū)域集中分布。總體上看，表層沉積物有自岸向海逐漸變細(xì)趨勢(shì)。根據(jù)本次實(shí)測(cè)結(jié)果，四個(gè)剖面中懸浮泥沙濃度最小為0.6 mg/l，最大為285.6mg/l，除潮溝外，近岸水深5m以淺地區(qū)懸沙濃度多大于10mg/l。

懸浮泥沙樣品利用2.5 L定深采水器取樣。待船停穩(wěn)后進(jìn)行，使用專(zhuān)用的有機(jī)玻璃或不銹鋼定深采水儀器進(jìn)行表、中、底分層采樣，當(dāng)水深小于5m時(shí)，只取表層樣(0～1.5m)、當(dāng)水深在5m～10m之間時(shí)，取表、中層樣(中層取樣深度為水深的0.6倍)，當(dāng)水深大于10m時(shí)取表、中、底三層樣品(中層取樣深度為水深的0.6倍，底層取樣深度為海底以上2m)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試按《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB12763.1～7-1991）進(jìn)行[4]，使用重量法計(jì)算，使用一定體積的水樣通過(guò)0.45μm的濾膜，稱(chēng)量留在濾膜上的懸浮物質(zhì)的重量，計(jì)算水中的懸浮物質(zhì)濃度。

2 懸浮泥沙濃度平面分布特征

本次樣品取樣時(shí)間為2009年6月，其平均波高為0.44m，最大有效波高為1.4m，最大波高為2.3m。常浪向及方向頻率分別為SSW（10.17%），S（21.61%），SSE（13.56%），SE（15.68%）。強(qiáng)浪向?yàn)镾向，其次是SE向。曹妃甸海域懸沙含沙量較低，除個(gè)別站位外,大多數(shù)站位懸沙含量均小于0.12 kg/m3，西部海域近岸含沙量普遍高于深水區(qū)，近岸含沙量一般為遠(yuǎn)海區(qū)的10～20倍左右。而曹妃甸東部海域近岸區(qū)含沙量與深水區(qū)相當(dāng)；西部海域近岸含沙量較東部高，甸頭前沿水域平均含沙量大約為0.02 kg/m3，漲潮平均含沙量一般略高于落潮平均含沙量。近岸區(qū)域懸沙粒徑較細(xì)，范圍為0.010～0.055mm，分布呈現(xiàn)近岸與外海較粗，中部相對(duì)較細(xì)的特點(diǎn)，西部較東部大。曹妃甸深槽附近懸沙顆粒較粗，說(shuō)明深槽水流動(dòng)力強(qiáng)，能懸浮較大顆粒的泥沙[5]（圖2）。

3 懸沙濃度空間分布特征及其相關(guān)性模型

3.1 懸沙垂向分布特征

圖2 2009年6月表層懸沙含量（g/L）等值線(xiàn)圖（大潮）Fig.2 The contourmap suroface o of the suspended particu latematter concentration(g/L)in June，2009

本次所測(cè)懸沙含量中，表層含沙量區(qū)間為2.9～208.7mg/L，中層懸沙含量區(qū)間為0.7～285.6mg/L，底層懸沙含量區(qū)間為0.6～246.7mg/L。表層平均含沙量為14.3mg/L，中層平均含沙量為20.9mg/L，底層平均含沙量為23.5mg/L。從表、中、底層懸沙濃度看，近岸至遠(yuǎn)海懸浮泥沙含量在垂向上具有不同的變化規(guī)律，離岸較近的海域，水深多小于5m，表層懸沙含量較中層懸沙含量低；離岸稍遠(yuǎn)的海域，水深較大，懸沙含量垂向分布基本符合表層最小，底層最大，沿水深呈增大趨勢(shì)。因此泥沙基本上是在底部運(yùn)移，只有當(dāng)遇到水動(dòng)力較強(qiáng)及強(qiáng)浪作用下懸沙才會(huì)懸浮至表面運(yùn)動(dòng)(圖3)。

3.2 模型建立與優(yōu)選

本文根據(jù)32個(gè)表、中層有效樣點(diǎn)和27個(gè)表、底層有效樣點(diǎn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(表1)，分別對(duì)表層與中層、底層建立線(xiàn)性關(guān)系模型，對(duì)數(shù)關(guān)系模型，二次多項(xiàng)式關(guān)系模型。并選出R2最大的擬合回歸方程作為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?huà)出其擬合曲線(xiàn)圖。圖4、圖5、圖6分別為表層與中層懸沙濃度的線(xiàn)性關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系及二次多項(xiàng)式模型，相關(guān)因子系數(shù)R2及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)于表2。從表2中可以看出，表層與中層懸沙濃度的二次多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)R2最大，相關(guān)性最好。因此表層與中層懸沙濃度的相關(guān)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

圖7、圖8、圖9分別為表層與底層懸沙濃度的線(xiàn)性關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系及二次多項(xiàng)式模型，相關(guān)因子系數(shù)R2及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)于表3。從表3中可以看出，表層與中層懸沙濃度的二次多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)R2最大，相關(guān)性最好。因此表層與底層懸沙濃度的相關(guān)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

圖3 曹妃甸近岸海域剖面的表、中、底層懸沙含量分布特征Fig.3 The p ro ofile distribution characteristics o of the suspended particu late matter concentration ofrom the bottom,the m idd le and the suroface in Cao ofeidian coasta larea

表1 懸浮泥沙濃度的表、中、底層建模樣本數(shù)據(jù)（g/L）Table 1 Them ode ling sam p le data o of the suspended particu latematter concentration in the bottom,m idd le and suroface

圖4 四條斷面的表層與中層懸沙濃度擬合線(xiàn)性模型散點(diǎn)圖Fig.4 Linearmode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late matter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

圖5 四條斷面的表層與中層懸沙濃度擬合對(duì)數(shù)模型散點(diǎn)圖Fig.5 Logarithm icm ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

圖6 四條斷面的表、中層懸沙濃度擬合多項(xiàng)式模型散點(diǎn)圖Fig.6 Po lynom ia lm ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu latematter concentration ofrom the suroface and m idd le o of the ofour sections

表2 表層與中層懸沙濃度擬合模型及其參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 The suspended particulate matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the m idd le and suroface

圖7 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合線(xiàn)性模型散點(diǎn)圖Fig.7 Linearm ode l ofitting scatter diagram o of thesuspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

圖8 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合對(duì)數(shù)模型散點(diǎn)圖Fig.8 Logarithm ic m ode l ofitting scatter diagram o of the suspended particu late matter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

圖9 四條斷面的表、底層懸沙濃度擬合多項(xiàng)式模型散點(diǎn)圖Fig.9 Po lynom ia lm ode lscatter ofitting diagram o of the suspended particu late m atter concentration ofrom the suroface and bottom o of the ofour sections

表3 表層與底層懸沙濃度擬合模型及其參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 The suspended particu late matter concentration ofitting m ode land its param eters o of the bottom and suroface

3.3 模型驗(yàn)證

本文采用實(shí)測(cè)資料對(duì)二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行了驗(yàn)證。模型的誤差分析是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽啃耘c否的主要指標(biāo)。利用式(1)與式(2)分別對(duì)表、中層懸沙相關(guān)模型與表、底層懸沙相關(guān)模型進(jìn)行誤差分析。表、中層懸沙相關(guān)模型檢驗(yàn)樣本為42個(gè)，相對(duì)誤差值分布情況為:0～15%(13個(gè))、15%～30%(13個(gè))、30%～50%(8個(gè))、大于50%為8個(gè),平均相對(duì)誤差為29. 31%；表底層懸沙相關(guān)模型檢驗(yàn)樣本為35個(gè)，相對(duì)誤差值分布情況為:0～15%(8個(gè))、15%～30%(6個(gè))、30%～50%(11個(gè))、大于50%(10個(gè)),平均相對(duì)誤差為37.04%。

圖10、圖11分別為中層懸浮泥沙含量驗(yàn)證結(jié)果和底層懸浮泥沙含量驗(yàn)證結(jié)果。圖10顯示出了中層懸浮泥沙含量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合趨勢(shì)較好，平均絕對(duì)誤差為0.007 g/L；圖11則顯示底層懸浮泥沙含量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好,平均絕對(duì)誤差為0.016 g/L。其它測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果與此相似，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有較好的一致性。

4 結(jié)論

通過(guò)四條剖面49站點(diǎn)的實(shí)測(cè)懸沙濃度值進(jìn)行線(xiàn)性、對(duì)數(shù)以及多項(xiàng)式進(jìn)行擬合參數(shù)的對(duì)比篩選，并通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的擬合曲線(xiàn)分析，結(jié)果表明：多項(xiàng)式擬合模型效果最好，因此，中層懸沙濃度與表層懸沙濃度在該地區(qū)的擬合模型為：

C中-中層懸沙濃度值（g/L）；C表-表層懸沙濃度值（g/L）。

底層懸沙濃度與表層懸沙濃度在該地區(qū)的擬合模型為：

C底-底層懸沙濃度值（g/L）；C表-表層懸沙濃度值（g/L）。

為此就可利用遙感數(shù)據(jù)與光譜反射率所建立起來(lái)的遙感反演模型定量計(jì)算出表層懸沙濃度值，再通過(guò)表層懸沙濃度值與中層、底層懸沙濃度之間的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷贸鲋袑?、底層懸沙濃度值，從而分析懸浮泥沙在水體中空間上的分布特征。因此可以利用遙感技術(shù)對(duì)海水懸浮泥沙空間上的分布特征進(jìn)行定量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

致謝:項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，得到了同濟(jì)大學(xué)匡翠萍教授和長(zhǎng)安大學(xué)孔金玲教授的支持與幫助，在整個(gè)野外作業(yè)中,天津地質(zhì)調(diào)查中心水環(huán)院各位同事及河北曹妃甸項(xiàng)目組全體成員參與了海上艱苦作業(yè),在此一并表示衷心的感謝!

[1]曹妃甸工業(yè)區(qū)管理委員會(huì).加快曹妃甸開(kāi)發(fā)建設(shè)努力成為拉動(dòng)環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎[J].港口經(jīng)濟(jì),2008,（3）:42-44.

[2]李建國(guó)，孫曉明，康慧，等.曹妃甸近海Ⅱ類(lèi)水體光譜反射率與懸浮泥沙濃度相關(guān)性研究[J].國(guó)土資源遙感，2009，（3）:54-58.

[3]楊華，趙洪波，吳懿喜.曹妃甸海域水文泥沙環(huán)境及沖淤演變分析[J].水道港口，2005，26（3）：130－133.

[4]GB77378.4-1998.海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(第四部分:海水分析)[S].

[5]匡翠萍，劉曙光，陳思宇，張宇，潘毅，鄧凌.曹妃甸海洋水動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)與海岸帶近現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境演化趨勢(shì)預(yù)測(cè)－曹妃甸地區(qū)水動(dòng)力環(huán)境數(shù)值模擬計(jì)算與評(píng)價(jià)專(zhuān)題報(bào)告[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009．

Abstract:This paper’s purpose is to obtain the SPM concentration in diofoferent depth oof total 49 stations in ofour proofiles by ofield investigation and sampling test.We analyze the area oof SPM concentration both in the plane and spatial distribution characteristics.This paper set up the SPM concentration in the space correlation experience model,and themodelwas veriofied w ith satisofaction.It can provide basic data ofor the remote sensing quantitative dynam icmonitoring oof SPM concentration on the space,at them iddle and bottom.

Keywords:suspended particulatematter;spatialdistribution characteristic;correlative experiencemodel;Caoofeidian;Hebeiprovince

Study on Distribution Characteristicsoof the Suspended Particulate M atter(SPM)Concentration in the Caoofeidian CoastalArea

DU Dong,LIU Hong-wei,QINYa-ofei,XUQin-mian YANG Ji-long,CHEN Peng
(Tianjin Instituteoof Geology and M ineralResources,Tianjin 300170,China)

P534.63+2

A

1672－4135（2012）02－0189-06

2012-05-10

國(guó)家公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（201011019）；河北曹妃甸濱海地區(qū)海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目(1212010814005)

杜東(1981-)，男，碩士，工程師，2007年7月畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)水文與水資源專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)海洋地質(zhì)工作，Email：yndd24@163.com。