粵東神泉灣頂表層沉積分布特征及運(yùn)移趨勢(shì)研究

黃廣靈，邱 靜，羅志發(fā)，陳思淳

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3.廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；4.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

海底表層沉積物是泥沙在一定的水動(dòng)力條件下，經(jīng)搬運(yùn)、堆積形成的，受物質(zhì)來源、動(dòng)力條件、地貌特征、沉積過程等多種因素的控制。因此，海底表層沉積物能在一定程度上反映沉積物的來源、沿岸的地質(zhì)條件、海域內(nèi)泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及水動(dòng)力條件等特征[1]。沉積物的粒度特征可以在一定程度上反映沉積物的沉積環(huán)境和搬運(yùn)方式[2-3]，這使通過粒度參數(shù)空間分布特征分析表層沉積物的運(yùn)移趨勢(shì)成為可能，Gao和Collins在總結(jié)前人一維分析模型的基礎(chǔ)上，提出了平面二維的沉積物輸移趨勢(shì)計(jì)算方法[4]，此后許多學(xué)者運(yùn)用該方法對(duì)我國(guó)近岸海域的沉積物特征及輸移趨勢(shì)開展了研究[5-10]，均取得較好效果。目前針對(duì)粵東近岸海域的沉積物特征及沉積環(huán)境的研究還比較缺乏，本文以神泉灣海域?yàn)檠芯繉?duì)象，以沉積動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析表層沉積物特征、運(yùn)移趨勢(shì)及其動(dòng)力機(jī)制。

1 研究區(qū)域概況

神泉港地處廣東省揭陽(yáng)市惠來縣南面，是外海進(jìn)入惠來內(nèi)陸的必經(jīng)之路(見圖1)。神泉灣是冰后期于澳角-神泉花崗巖臺(tái)地西南側(cè)發(fā)育起來的砂質(zhì)海岸，有龍江和雷嶺水系在此匯流入海。龍江和雷嶺水系均發(fā)育于中生代花崗巖和石英砂巖分布區(qū)，地面風(fēng)化比較強(qiáng)烈。自6 000年前海平面相對(duì)穩(wěn)定后，河流和原陸坡帶來的大量泥沙在河流和海洋(潮流、海流、波浪)兩類動(dòng)力因素的共同作用下將古神泉灣逐步填塞，并發(fā)育成現(xiàn)今的海岸輪廓。神泉灣海域內(nèi)沒有大的島嶼對(duì)海域整體流況產(chǎn)生明顯干擾，因此，該海域與南側(cè)外海海水的交換順暢。海域內(nèi)水深較大，一般在10～30 m范圍；潮差不大，正常狀況下最大潮差在160 cm左右，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，本海域常年海況較差，無風(fēng)條件下仍有明顯涌浪。

2 研究資料和方法

2013年期間在神泉灣海域?qū)?0個(gè)站位(采樣點(diǎn)位置見圖1)的底質(zhì)進(jìn)行取樣并分析了粒度。粒度分析采用篩析法和馬爾文MS2000激光粒度分析儀法，沉積物命名采用謝帕德沉積物命名法。結(jié)合《海洋調(diào)查規(guī)范》中的類型劃分，沉積物中值粒徑(d50) 、分選系數(shù)(σi) 、偏態(tài)(SKi)、偏態(tài)(Kg) 等粒度參數(shù)計(jì)算采用?？撕臀值鹿?。

3 沉積物分布特征

3.1 沉積物分類及分布

研究海區(qū)表層沉積物類型見表1所示，從表1可知：海區(qū)海底表層沉積物以粘土質(zhì)粉砂(YT)和砂質(zhì)粉砂(ST)為主，分別有28個(gè)和17個(gè)測(cè)站，各占總采樣點(diǎn)數(shù)的56%和34%。此外1號(hào)站、6號(hào)站和16號(hào)站為砂(S)，20號(hào)站為礫砂(GS)，50號(hào)站為粉砂質(zhì)砂(TS)，各類型分布如圖2所示。

表1 本海區(qū)表層沉積物類型統(tǒng)計(jì)

圖2 表層沉積物類型分布示意

1) 砂質(zhì)粉砂(ST)

砂質(zhì)粉砂(ST)在調(diào)查海域內(nèi)離岸廣泛分布，從東西向?qū)⒄惩临|(zhì)粉砂(YT)割裂開來。砂質(zhì)粉砂砂含量在15.96%～37.76%之間，粉砂含量在48.68%～67.97%之間，粘土含量在11.78%～19.41%之間，峰態(tài)值Kg在0.80～1.13之間，平均值為0.92，頻率累積曲線為接近正態(tài)的平緩分布。

2) 粘土質(zhì)粉砂(YT)

粘土質(zhì)粉砂(YT)在調(diào)查海域內(nèi)主要在近岸區(qū)域分布和砂質(zhì)粉砂(ST)的南邊。其砂含量在2.87%～18.30%之間，粉砂含量在58.96%～ 0.72%之間，粘土含量在15.64%～33.73%之間，峰態(tài)值Kg在0.89～1.24之間，平均值為1.01，頻率累積曲線以接近正態(tài)的平緩型為主。

3) 砂(S)

調(diào)查海域內(nèi)零星出現(xiàn)，共有3 個(gè)采樣點(diǎn)底質(zhì)為砂，分別分布在研究海域的東部、中部和西部。砂含量在80.58%～94.76%之間。峰態(tài)值Kg平均值為2.03，頻率累積曲線以窄的單峰型為主。

4) 礫砂(GS)

調(diào)查海域中僅在20號(hào)站出現(xiàn)礫砂(GS)沉積物，位于研究海域最東側(cè)，其中礫石含量為42.29%，砂的含量為51.5%，峰態(tài)值頻率累積曲線為窄的雙峰型。

5) 粉砂質(zhì)砂(TS)

調(diào)查海域中僅在50號(hào)站出現(xiàn)粉砂質(zhì)砂(TS)，位于研究海域中部，粘土質(zhì)粉砂(YT)和砂質(zhì)粉砂(ST)交界處。

3.2 表層沉積物粒度參數(shù)分布特征

1) 中值粒徑分布特征

中值粒徑是衡量沉積物顆粒大小的一種指標(biāo)，是沉積物樣品的累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。研究區(qū)的沉積物MdΦ等值線分布見圖3a。據(jù)圖3a可知：各測(cè)站表層沉積物中值粒徑MdΦ低值區(qū)(MdΦ<1.0Φ)位于16號(hào)站、20號(hào)站和50號(hào)站。16號(hào)站和20號(hào)站位于采樣區(qū)的東北，靠近靖海灣西南口門處，由靖海灣帶來的陸源沉積物中粒徑較大的泥沙顆粒因水動(dòng)力環(huán)境的改變先發(fā)生沉積，因此，表層沉積物的中值粒徑較粗，另外在50號(hào)站也出現(xiàn)MdФ低值；表層沉積物的中值粒徑中值區(qū)(2.0Φ5.0Φ)則普遍存在于整個(gè)調(diào)查海域內(nèi)，主要為細(xì)粒的粘土質(zhì)粉砂(YT)和砂質(zhì)粉砂(ST)分布，說明整個(gè)海區(qū)的水動(dòng)力作用較弱。綜上，靠近靖海灣口處的表層沉積物中值粒徑最粗(MdΦ<1.0Φ)；神泉灣入海處沉積物表層中值粒徑相對(duì)較粗(2.0Φ5.0Φ)，最小值出現(xiàn)在神泉灣頂附近的45號(hào)站。

2) 分選系數(shù)分布特征

標(biāo)準(zhǔn)偏差(σi)：又稱分選系數(shù)，反映沉積物分布的分散程度，σi愈小，分選性愈好；σi愈大，分選性愈差。研究區(qū)的沉積物分選系數(shù)(σi)等值線分布見圖3b。從圖3b上可以看出:σi多集中在1.2～3.2之間，說明整體分選性很差，其中σi的最大值為3.25，位于50號(hào)站，說明該站的分選最差。

圖3 研究海域表層沉積物粒度參數(shù)分布示意

3) 偏態(tài)分布特征

偏態(tài)(SKi)：反映沉積物顆粒頻率分布的對(duì)稱程度。SKi=0，粒度曲線圖形對(duì)稱；SKi>0，正偏態(tài)，平均值向中位數(shù)較細(xì)的方向移動(dòng)，粒度集中于粗端；SKi<0，負(fù)偏態(tài)，平均值將向中位數(shù)較粗的方向移動(dòng)，粒度集中在顆粒的細(xì)端部分。研究區(qū)的沉積物偏態(tài)系數(shù)(SKi)等值線分布見圖3c。調(diào)查區(qū)內(nèi)各站沉積物偏態(tài)系數(shù)SKi的分布較為散亂，區(qū)內(nèi)偏態(tài)數(shù)值范圍為-0.26～0.70。明顯正偏的站位有6號(hào)站、16號(hào)站、20號(hào)站和50號(hào)站，其余采樣站的偏度界于-0.25～0.25之間，但變化范圍較小，說明此海域內(nèi)水動(dòng)力條件較弱。從各站位沉積物偏態(tài)系數(shù)來看，約有52.0%的數(shù)據(jù)集中在負(fù)偏的范圍內(nèi)，說明沉積物粒度偏向細(xì)粒沉積；約有24.0%的數(shù)據(jù)集中在近對(duì)稱的范圍內(nèi)，說明沉積物粒度組成較為單一；約有24.0%的數(shù)據(jù)集中在正偏的范圍內(nèi)，說明沉積物粒度偏向粗粒沉積。

4) 峰態(tài)分布特征

峰態(tài)(Kg)：反映粒度分布曲線的峰凸程度和分布的分散程度。Kg=0，正常峰態(tài)；Kg>0，寬峰，說明沉積物粒度分布較分散；Kg<0，窄峰，沉積物粒度分布集中。研究區(qū)的沉積物峰態(tài)系數(shù)(Kg)等值線分布見圖3d。從圖3d可見：調(diào)查海區(qū)內(nèi)峰態(tài)值均為正值，平均為1.1，反映區(qū)內(nèi)粒度分布較為分散。6號(hào)站、16號(hào)站和20號(hào)站的峰態(tài)Kg值在2.0～2.8，其余站位的峰態(tài)Kg值均在1左右，說明這3個(gè)站位受到的水動(dòng)力作用較其他站位更復(fù)雜?？傮w而言，調(diào)查海區(qū)表層沉積物粒度峰型分布接近于正態(tài)峰的低平峰。

3.3 沉積物分布特征

研究海區(qū)海底表層沉積物類型主要有礫砂(GS)、粉砂質(zhì)粘土(TY)、粘土質(zhì)粉砂(YT)、砂質(zhì)粉砂(ST)和粉砂質(zhì)砂(TS)，其中以粘土質(zhì)粉砂(YT)和砂質(zhì)粉砂(ST)為主，50個(gè)采樣點(diǎn)中有45個(gè)測(cè)站的表層沉積物類型屬此2種類型，也同時(shí)說明整個(gè)海區(qū)的水動(dòng)力作用較弱?？拷恿魅牒？谖恢?，表層沉積物中值粒徑相對(duì)較粗(MdΦ<4.0Φ)；研究區(qū)中部多數(shù)采樣站位的沉積物中值粒徑相對(duì)較小(MdΦ>5.0Φ)。平均粒徑與中值粒徑相差不大，且分布規(guī)律相同。因此，研究海區(qū)受到來自靖海灣和神泉港的陸源物質(zhì)和河流徑流等的影響，還受來自外海潮汐潮流作用的影響，沉積物分選較差，沉積物顆粒頻率分布較散亂，多數(shù)站位的沉積物粒度峰型分布接近正態(tài)峰的低平峰。

4 沉積物運(yùn)移趨勢(shì)

研究海區(qū)潮流運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流，漲落潮流方向近似平行于岸線，漲潮流由東向西或由東北向西南方向流動(dòng)，落潮流基本由西向東或由西南向東北流動(dòng)。各分潮的橢圓長(zhǎng)軸方向與主要海流方向一致，均為東西向。海流只有在轉(zhuǎn)流的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)有可能出現(xiàn)偏北向，其余多數(shù)為東西向。觀測(cè)資料顯示，海流流速都較小，一般在60 cm/s以下，極少出現(xiàn)大于70 cm/s。海區(qū)波浪主要受西南季風(fēng)、熱帶氣旋、東北季風(fēng)3種天氣系統(tǒng)所影響，常浪向和次常浪分別為E及ESE向，強(qiáng)浪向?yàn)镾SE向。周年的平均H1/3為1.17 m，周年平均T1/3為6.2 s，周年平均TZ為5.0 s。

在分析了表層沉積物分布特征及海岸動(dòng)力基礎(chǔ)上，采用二維粒徑趨勢(shì)分析模型(Gao-Collins模型)[11]對(duì)神泉灣頂?shù)谋韺映练e物輸移趨勢(shì)進(jìn)行分析，采用研究海域表層沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果生成表層沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)示意(見圖4)，圖4可以從整體上看出表層沉積物平均輸運(yùn)趨勢(shì)，箭頭的起點(diǎn)是泥沙運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，箭頭指向即為輸運(yùn)方向，長(zhǎng)短表示其泥沙輸運(yùn)強(qiáng)弱程度。

圖4 研究海域泥沙輸運(yùn)趨勢(shì)示意

研究海區(qū)表層沉積物輸移趨勢(shì)為自外海向岸輸運(yùn)，表明本海域表層沉積物以海域來沙為主。神泉灣頂位置由于岸線外凸，形成本海域泥沙輸運(yùn)趨勢(shì)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，灣頂以西海域泥沙輸移趨勢(shì)是由海向岸再轉(zhuǎn)向西，而灣頂以東海域泥沙輸移趨勢(shì)則是由海向岸再轉(zhuǎn)向東，海域來沙向岸輸移過程中剛好以灣頂為節(jié)點(diǎn)分別向東、西兩側(cè)沿岸輸運(yùn)，但輸運(yùn)強(qiáng)度較弱。從表層沉積物輸移的總體趨勢(shì)來看，其驅(qū)動(dòng)動(dòng)力可考慮系波浪動(dòng)力，但研究海域水深較大，10 m等深線距岸僅1 km左右，根據(jù)本海區(qū)的波浪觀測(cè)，其有效波高主要分布在0.5～2 m之間，對(duì)應(yīng)破波水深較淺，對(duì)照研究海域的水深，波浪難以對(duì)研究海域的表層沉積物產(chǎn)生作用，因此，本海區(qū)的表層沉積物向岸搬運(yùn)動(dòng)力應(yīng)該是由深層陸架水入侵(即近岸上升流[12-15])所提供。

夏季沿岸上升流中心的主要特征是低溫高鹽，因此,低溫高鹽等值線的封閉區(qū)或低溫高鹽等值線與岸線組成的封閉區(qū)往往可用于確定上升流的位置。圖5所示為2013年夏季研究海域的表層溫鹽觀測(cè)結(jié)果，從表層水溫平面分布來看，近岸區(qū)表層平均水溫為27.7°反而低于離岸較遠(yuǎn)區(qū)的28.1°，從近岸到離岸表層水溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，此乃深層陸架水低溫海水在近岸上升混合后所致；從表層鹽度平面分布來看，近岸區(qū)的最高鹽度達(dá)到29.85psu，而離岸最過處的鹽度為29.7 psu，鹽度由近岸向離岸逐漸降低，這也是因?yàn)楦啕}海水在近岸上升所致。從神泉灣頂表層溫鹽分布可初步判斷該海域的確存在近岸上升流，因此，近岸上升流是神泉灣頂海域表層沉積物輸移的作用動(dòng)力。

圖5 2013年夏季研究海域的表層溫鹽平面分布示意

5 結(jié)語(yǔ)

1) 研究海區(qū)海底表層沉積物類型主要有礫砂(GS)、粉砂質(zhì)粘土(TY)、粘土質(zhì)粉砂(YT)、砂質(zhì)粉砂(ST)和粉砂質(zhì)砂(TS)，其中以粘土質(zhì)粉砂(YT)和砂質(zhì)粉砂(ST)為主，整個(gè)海區(qū)的水動(dòng)力作用較弱。

2) 研究海區(qū)受到來自靖海灣和神泉港的陸源物質(zhì)和河流徑流等的影響，還受來自外海潮汐潮流作用的影響，沉積物分選較差，沉積物顆粒頻率分布較散亂，多數(shù)站位的沉積物粒度峰型分布接近正態(tài)峰的低平峰。

3) Gao-Collins模型計(jì)算結(jié)果顯示，神泉灣頂海域表層沉積物自外海向岸輸運(yùn)，表層沉積物以海域來沙為主。神泉灣頂為本海域泥沙輸運(yùn)趨勢(shì)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，灣頂以西海域泥沙輸移趨勢(shì)是由海向岸再轉(zhuǎn)向西，而灣頂以東海域泥沙輸移趨勢(shì)則是由海向岸再轉(zhuǎn)向東。本海區(qū)的表層沉積物向岸搬運(yùn)動(dòng)力是由深層陸架水入侵(近岸上升流)所提供。