九龍江口表層水鹽度和懸沙濃度時空分布特征分析

林桂權(quán)，潘大東，林永崇，任旭東，張良薈，梁靜怡，黃超毅

（閩南師范大學(xué)歷史地理學(xué)院，福建漳州363000）

入海河口是陸海相互作用及“源-匯過程”的關(guān)鍵區(qū)域[1]，受徑流、潮流和余流等影響，河口地區(qū)陸海相互作用強(qiáng)烈，水文狀況和沉積動力復(fù)雜[2].鹽度和懸沙濃度是反映河口沉積動力的天然樣品[3].前人通過鹽度分析河口鹽水入侵、潮汐動力及水動力過程[4-6]，九龍江口的鹽度研究集中于咸淡水交匯[7-8]、不同潮時的空間分布[2，7]、鹽度鋒位置[2，9].王晉沅和江毓武得出咸淡水交匯在海門島與雞嶼之間的區(qū)域最為強(qiáng)烈[8].王偉強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)鹽度東高西低、北高南低，中低潮期間海門島至雞嶼海區(qū)鹽度梯度最大[7].枯季小潮鹽度鋒窄小、梯度大，等鹽線在雞嶼東西兩側(cè)沿西北-東南延伸[9].河口懸沙對河口環(huán)境、河床演變等有重要意義.隨著流域人類活動增強(qiáng)，特別是流域建壩導(dǎo)致河流入海泥沙驟減，如美國科羅拉多河[10]、德國Elbe Estuary和Weser Estuary[11]、越南湄公河[12]、長江[13]等.由于20世紀(jì)60年代以來九龍江流域建壩，河口潮流作用加強(qiáng)，懸沙有洪出枯進(jìn)、上出下進(jìn)和南出北進(jìn)趨勢[14].郭勞動等[15]分析河口灣表層懸沙平均為(0.060±0.075)kg/m3，且大部分沉積在海門島以西海域.王元領(lǐng)等[16]發(fā)現(xiàn)河口灣存在兩個高濃度懸沙區(qū)域，海門島北部和雞嶼東側(cè)，枯水期含沙量高于洪水期.

綜上，前人在九龍江河口鹽度和懸沙濃度的研究工作為河口動力沉積過程、泥沙運(yùn)移、生物地球化學(xué)循環(huán)等做了很大貢獻(xiàn).但以往研究集中在河口灣或廈門西港，未伸入到分流汊道，未完整反映河口鹽度和懸沙分布規(guī)律.同時，研究多為單個季節(jié)，季節(jié)之間的對比還有待深入.本研究選取九龍江口為研究區(qū)域，根據(jù)咸淡水混合程度和水下地形將河口分區(qū)，采集表層水樣，分析流域建壩背景下強(qiáng)潮河口的鹽度和懸沙濃度時空分布特征及影響因素.研究對河口泥沙運(yùn)移、港口建設(shè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等有重要意義.

1 研究區(qū)概況

九龍江是福建省第二大河，流域面積1.47×104km2[17].流域多年平均降水量1 400～1 800 mm，夏秋季受臺風(fēng)影響頻繁[18]，4～9月份約占全年降水量的75%.北溪浦南站和西溪鄭店站多年平均入海徑流量分別為8.27×109m3和3.70×109m3，年均含沙量分別為0.206 kg/m3和0.210 kg/m3[19].九龍江河口由西部的灣頂三角洲和東部的河口灣組成（圖1），三角洲被北港、中港、南港三條汊道分割，其中南港為徑流入海的主要通道，北港逐漸淤淺，河口灣海域?qū)掃_(dá)7 km 多，灣口寬約4 km，海底地形由灣內(nèi)向灣口傾斜，坡度約為千分之二，水深一般5 m左右，河口淺灘面積大.九龍江口的水動力復(fù)雜，除了受徑流影響，還受潮汐影響，漲潮流偏北岸，落潮流和徑流偏南岸入海，形成逆時針河口余流（圖1）：雞嶼以北，上、下層余流流向終年指向河口內(nèi)；雞嶼以南海區(qū)，表層流向大多數(shù)流向口外[20].九龍江口為非正規(guī)半日淺海潮，潮流特征為往復(fù)流，平均潮差3.99 m，最大潮差6.42 m[21].

圖1 九龍江河口及采樣站位Fig.1 Map of the Jiulong estuary，showing the sites of surficial water

2 樣品和方法

根據(jù)河口水團(tuán)（鹽淡水混合程度）和水下地形，將九龍江河口由陸向海劃分為四個沉積環(huán)境：汊道及南岸主泓（以下簡稱汊道）、潮灘、前緣斜坡（水深2～5 m）和前三角洲（水深5～10 m）（圖1）.徑流主要從南港、中港入海，汊道及南岸主泓站位代表河口徑流水區(qū)域；潮灘和前緣斜坡咸淡水交匯，是泥沙沉積的主要區(qū)域[16，22-23]，因水深和位置差異，分別劃分為潮灘和前緣斜坡，代表河口混合水區(qū)域；前三角洲水深大于5 m，位于夏季羽狀鋒西側(cè)[2，7，8-9]，主要受潮流作用影響，夏季底層鹽水入侵，上層為沖淡水，代表河口分層水區(qū)域.同時，將河口灣沿雞嶼到滸茂洲東岸中部一線劃分為南、北海區(qū).于冬季（2019年10月）和夏季（2020年6月）租用考察船，在高平潮期間沿九龍江河口灣灣口向上游汊道采集31個表層水樣，采樣站位見圖1，水樣用1L塑料瓶采集，對水樣進(jìn)行pH值、鹽度和懸沙濃度測試.pH值在現(xiàn)場用型號衡欣便攜式pH計（AZ8686）測試，測試精度±0.05，分辨率0.01.鹽度用衡欣便攜式鹽度計（AZ8371）在現(xiàn)場測試，測試精度±1%，分辨率0.01.采回的水樣運(yùn)回實驗室，立即采用真空砂芯過抽濾裝置和有機(jī)微孔濾膜（孔徑0.45μm）抽濾.過濾前烘干濾膜，用天平（精度萬分之一）稱重（W1），用量筒測量水體體積（V）；過濾后的濾膜再次烘干至恒重后稱重（W2），計算兩次質(zhì)量之差得出懸沙質(zhì)量W（W2-W1），用W除以V，得出懸沙濃度，單位為kg/m3.

3 結(jié)果與分析

3.1 表層水pH值時空分布特征

pH的時空分布見表1和圖2，冬季pH值均高于夏季，呈現(xiàn)由陸向海增加的趨勢，反映河口水的徑流偏酸性，潮流偏堿性.夏季pH 值范圍在6.4～7.1 之間，平均值6.73（表1），指示夏季表層水呈現(xiàn)弱酸性；夏季pH 值自陸向海逐漸增加，平均值分流汊道6.52，潮灘6.74，前緣斜坡6.82，前三角洲6.93，酸堿度從弱酸性逐漸增加到中性.冬季pH 值范圍在6.8～7.9 之間，平均值7.22，表明冬季表層水呈現(xiàn)弱堿性；空間分布上，汊道及潮灘較低，平均值分別為7.12 和7.14，從潮灘向海pH 值增速加大，前緣斜坡和前三角洲均值分別為7.27和7.43，酸堿度從中性增加到弱堿性.

表1 九龍江口表層水pH值的范圍和平均值Tab.1 The range and average value of pH in the surficial water from the Jiulong estuary %

圖2 九龍江口pH值時空分布Fig.2 The spatial and temporal distribution of pH in the surficial water from the Jiulong estuary

3.2 表層水鹽度時空分布特征

鹽度值冬季高于夏季，總體呈現(xiàn)東高西低、北高南低趨勢（表2，圖3）.夏季鹽度值范圍在0.007%～2.61%之間，平均值1.203%（表2），汊道鹽度值很低，平均值0.187%，汊道中上部站位的鹽度均小于0.01%，均值0.008%，反映徑流強(qiáng)勁，河流作用占主導(dǎo)；潮灘鹽度快速增加，均值1.390%，海門島-海滄一線以東鹽度值普遍較高，均接近0.200%，其中前緣斜坡平均值為1.820%，前三角洲1.910%.九龍江河口灣的北部鹽度呈現(xiàn)高值，均值在1.843%，南部1.300%，揭示漲潮流沿北岸入侵，徑流沿南岸入海.

冬季鹽度范圍在0.149%～2.92%之間，平均值1.939%（表2）；汊道均值1.158%，潮灘均值2.178%，前緣斜坡均值2.180%，前三角洲均值2.574%.冬季四個區(qū)域的鹽度，汊道偏低，其中汊道頂部幾個站位均值在0.404%，中下部鹽度急劇增加，至口門增加到1.500%左右（圖3）.汊道以東的整個河口灣區(qū)域普遍較高，基本高于0.200%.雞嶼西海域的前緣斜坡到東側(cè)的前三角洲，鹽度快速增加.雞嶼北部水道有一支高鹽水流（站位3、4、11、12、20、21，均值為2.627%）一直延伸至滸茂洲的東測，到達(dá)河口灣的頂部，反映冬季河口鹽水入侵強(qiáng)烈，海洋作用占主導(dǎo).此外，主泓南岸鹽度值的季節(jié)差異顯著（圖3）.

圖3 九龍江口鹽度時空分布Fig.3 The spatial and temporal distribution of salinity in the surficial water from the Jiulong estuary

3.3 表層水懸沙濃度時空分布特征

各站位懸沙濃度冬季高于夏季.空間分布上懸沙濃度自西向東降低（表3，圖4），夏季南部高于北部，冬季北部高于南部.

夏季懸沙濃度范圍在0.005～0.150 kg/m3之間（表3），平均值0.021 kg/m3.從汊道主泓向灣口降低，最高值區(qū)域為汊道主泓，均值為0.042 kg/m3，其中中港下部和南港下部出現(xiàn)高值，站位29 和站位25 分別為0.053 kg/m3和0.150 kg/m3（圖4）；潮灘次之，均值為0.015 kg/m3；前緣斜坡最低，均值0.009 kg/m3，前三角洲0.010 kg/m3.夏季懸沙濃度北部低、南部高，均值分別為0.011 kg/m3和0.015 kg/m3（表3）.反映夏季河口懸沙主要來自徑流輸入.

冬季懸沙濃度范圍在0.026～0.278 kg/m3之間，平均值0.081 kg/m3.自陸向海降低，汊道均值0.107 kg/m3，潮灘0.088 kg/m3，前緣斜坡0.063 kg/m3，前三角洲0.052 kg/m3（表3，圖4）.最高值出現(xiàn)在中港及烏礁洲與玉枕洲的水道內(nèi)，均值0.244 kg/m3；最低值出現(xiàn)在象鼻嘴與尾仔嶼之間的灣口區(qū)域.同時，冬季懸沙濃度北部高于南部，北部和南部分別為0.084 kg/m3和0.053 kg/m3.值得一提的是，冬季汊道的南港及河口灣南岸主泓懸沙濃度偏低，站位32、27、26、24、15、14 共6 個站位的變化范圍在0.032～0.052 kg/m3之間，平均值0.039 kg/m3，不及整個河口平均值0.081 kg/m3的50%（圖4）.揭示冬季河口懸沙主要來自潮流輸入.

表3 九龍江口表層水懸沙濃度的范圍和平均值Tab.3 The range and average value of suspended sediment concentration in the surficial water from the Jiulong estuary kg·m-3

圖4 九龍江口懸沙濃度時空分布Fig.4 The spatial and temporal distribution of suspended sediment concentration in the surficial water from the Jiulong estuary

4 討論

4.1 表層水鹽度和懸沙濃度的時間分布

鹽度的季節(jié)分布，夏季平均值1.203%，冬季平均值1.939%，冬季鹽度高于夏季（圖3），反映河口鹽度受季節(jié)變化影響.洪季流域降水占全年75%，徑流量大，河流作用占主導(dǎo)，枯季徑流大幅減小，潮汐作用主導(dǎo).懸沙濃度夏季平均值0.021 kg/m3，冬季平均值0.081 kg/m3，冬季約為夏季4倍（圖4），揭示夏季懸沙主要來自徑流，冬季懸沙主要來自潮流.枯季，河口潮流作用強(qiáng)烈，一方面將外海的細(xì)顆粒沉積物帶入灣內(nèi)，另一方面掀起河口底泥，沉積物的再懸浮作用導(dǎo)致懸沙濃度增加[16].

4.2 表層水鹽度和懸沙濃度的空間分布

鹽度的空間分布，總體上由陸向海增加，且鹽度梯度大（圖3）.這與前人的研究結(jié)果一致，黃加祺和鄭重發(fā)現(xiàn)冬季鹽度值從河口上部的0.004%至灣口增加到3.170%[24]，王偉強(qiáng)等研究顯示河口灣鹽度由西向東增加[7].夏季鹽度在汊道南、北港中上部突然降低，均小于0.010%（圖3），反映九龍江徑流強(qiáng)盛，因此認(rèn)為中、南港中部為夏季潮流界位置.夏季河口灣南岸鹽度較低而北岸較高，反映受科氏力影響，徑流偏南岸入海，漲潮流沿北岸入侵.王偉強(qiáng)等得出九龍江口鹽度東高西低、北高南低，揭示徑流主要從南岸入海，并推測灣內(nèi)存在逆時針環(huán)流[7].

冬季河口灣全被中、高鹽水充填，均值2.282%，汊道頂部的站位鹽度均值也超過了0.400%（圖3），反映枯水期河口潮流作用強(qiáng)烈，河流作用弱.冬季雞嶼西側(cè)和東側(cè)鹽度差異較大，分別為2.180%和2.574%，可能指示鹽度鋒位置在雞嶼附近.這與前人觀測結(jié)果吻合[2，7-9]，王偉強(qiáng)等得出河口灣鹽度鋒具有窄小、梯度大的特征，等鹽線在雞嶼東西兩側(cè)沿西北-東南延伸[9].王晉沅和江毓武的研究顯示海門島與雞嶼之間的區(qū)域咸淡水交匯最強(qiáng)烈[8].此外，冬季潮灘頂部站位20、21、36鹽度高于更靠海的前緣斜坡（圖3），推測為高潮鹽水從河口底部上涌到河口灣頂部所致[7].

懸沙濃度空間分布自西向東降低，夏季南部高于北部，冬季北部高于南部（圖4）.全年懸沙濃度汊道和潮灘呈現(xiàn)相對高值，前緣斜坡和前三角洲呈現(xiàn)相對低值，冬季尤為明顯，這一方面反映漲潮流沿河口灣底層上涌到該區(qū)[7]，另一方面揭示冬季強(qiáng)潮導(dǎo)致底質(zhì)再懸浮.這與前人的結(jié)果一致[14-15，22-23，25]，蔡愛智等發(fā)現(xiàn)泥沙主要在海門島至雞嶼淺灘沉積，該區(qū)年淤積厚度可達(dá)8～10 cm[22].郭勞動等指出大部分泥沙在海門島以西沉積[15].羅建等研究也顯示，枯季懸沙濃度在海門島以西濃度最大[25].夏季懸沙濃度南部高于北部，冬季北部高于南部（圖4），反映科氏力影響下夏季徑流沿南岸入海，以陸源懸沙輸入為主；冬季漲潮流沿北岸入侵，以潮流輸沙為主，同時伴有底泥再懸浮.蔡鋒等認(rèn)為枯季潮流輸沙占主導(dǎo)，洪季河流輸沙占主導(dǎo)[14].夏季汊道及主泓懸沙的高值反映洪季懸沙來主要來自流域輸入，海門島至海滄一線西部海區(qū)的懸沙濃度高于東部海區(qū)（圖4），反映懸沙鋒的位置.

冬季懸沙濃度在河口灣呈現(xiàn)普遍高值，而南港和主泓偏低，指示河口枯季的懸沙主要來自潮流.而河口汊道的高值可能是落潮流掀起的底泥再懸浮所致.相關(guān)性分析顯示，夏季懸沙濃度和鹽度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（圖5），相關(guān)系數(shù)為0.61，懸沙濃度隨鹽度的升高而降低，是夏季泥沙主要來自徑流所致；冬季兩者無相關(guān)性，除汊道外，河口灣三個區(qū)域普遍高值.

圖5 九龍江河口表層水懸沙濃度與鹽度相關(guān)性圖Fig.5 The correlation between suspended sediment concentration and salinity in the surficial water from the Jiulong estuary

5 結(jié)論

1）九龍江口表層水pH值由陸向海增加，冬季高于夏季.

2）鹽度值由陸向海增加，冬季高于夏季；夏季潮流界在中、南港的中部；徑流偏南岸入海，漲潮流偏北岸入侵；冬季河口灣被中高鹽水充填，均值2.282%；冬季鹽度鋒在雞嶼附近，且鹽水從河口涌到河口灣頂部.

3）懸沙濃度總體分布自西向東降低，冬季的懸沙濃度高于夏季，夏季南部高于北部，冬季北部高于南部.夏季海門島-海滄一線西部海區(qū)的懸沙濃度高于東部海區(qū)，推測為夏季河口懸沙鋒的位置.九龍江口夏季表層泥沙主要來自徑流，冬季主要來自潮流、徑流和底質(zhì)再懸浮的泥沙.夏季鹽度和懸沙濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)與夏季泥沙主要來自徑流有關(guān).