（自然地理学专业论文）山东莱州浅滩动力地貌、动力沉积与沉积物重金属关系研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文山东莱卅i 浅滩动力地貌、动儿沉积j 沉积物重余属关系究 摘要 本文首次对莱州浅滩动力地貌、动力沉积及其与沉积物中重盒属含量分布之间的 关系进行了研究。通过试验测定了莱州浅滩表层沉积物的粒度特征、沉积物中p b 、 z n 、c u 、c r 、l i 、a i 、f e 等化学元素的含量，在此基础上着重研究了莱州浅滩地区 动力沉积特征，沉积物地球化学特征，以及它们之问的相互关系，最后分析了研究区 重金属污染情况。 莱州浅滩受其特有的沉积动力过程控制，不断向东北迁移、西北延伸。1 9 5 8 年 到1 9 8 4 年，由于浅滩周围海区入海河流中上游水库和水坝的修建、码头和海底采沙 等人类活动导致泥沙亏损，浅滩在继续向东北迁移、西北延伸的同时，总体上处于侵 蚀、解体状态。随着浅滩的迁移，不同地貌部位水动力条件不同，冲淤状态存在差异， 浅滩顶部以淤积为主，主要沉积颗粒较粗的砂、砾砂和砂砾等物质，细颗粒组分含量 很少甚至缺失；浅滩顶部东北侧和西南侧是侵蚀区，其中西南侧侵蚀强度要远大于东 北侧；浅滩东北部一直以淤积为主，而浅滩的西南部变化较大，1 9 8 4 年以前由南向 北由沉积逐渐转为侵蚀区，1 9 8 4 年以后，侵蚀区面积逐渐减少，转为相对稳定区或 淤积区，现在只是在靠近浅滩的部位因受到落潮流受浅滩阻挡后形成的横向次生环流 的影响而成为强侵蚀区。 研究区面积不大，但是沉积物类型多样，有8 种沉积物类型在此出现，其中以砂、 粉砂质砂和砂质粉砂为主。不同地貌部位沉积物类型差异显著，浅滩主体以粒度较粮 的砂、砾砂和砂砾为主，反映出了较强的水动力条件；浅滩东北部以粉砂质砂占绝对 优势，在f 1 0 采样点附近细粉砂和粘土组分含量较高，是水动力条件弱的表现：浅 滩西南部沉积物类型多样，其中粉砂和粘土组分含量较高，水动力作用强度最弱。全 区沉积物平均粒径在0 4 7 5 5 中之间，其中浅滩顶部一般小予1 中，粒径频率分布 呈单峰f 念，分选好；浅滩东北部呈单峰、正偏、分选差：浅滩西南部呈单峰到多峰， 对称或正偏，分选差，粉砂粘土含量高。 根据采样点的连续性和地貌单元的完整性，对研究区进行分区研究，沉积物粒度 特征所表现出来的规律性也显示出本区水动力条件的复杂性。莱州浅濉东北部近岸部 分受波浪的控制，从近岸向离岸波浪作用逐渐减弱，潮流作用逐渐增强，其中在f 1 0 附近，两种动力条件都达到最弱；莱州浅滩主体近岸部分也受波浪控制，离岸部分受 潮流的控制，涨潮流越过浅滩顶部时水流流速加大，出现多个侵蚀沟槽( 即潮汐通道) ： 浅滩的西北端受涨潮流绕浅滩时产生的绕流控制：浅滩西南部水动力条件最为复杂， 落潮流平行于浅滩运动时受浅滩阻挡和底摩擦作用产生的次生横向环流、涨潮流绕滩 产生的2 7 0 度绕流、莱州湾东部的顺时针方向环流、刁龙嘴以西逆时针方向的沿岸 流以及它们相互作用所产生的各种次生环流共同控制。 浅滩地区重金属含量z n p b c u c r 。全样中重金属食量分布受沉积物粒度和水 山求师范人学砸j 学位论文 山东藁州浅滩动力地貌、动力沉职，o 沉积物晕会属关系训宄 动力条件控制，重金属主要吸附于6 3 p r o 以下的沉积物颗粒表面；细样中重金属的分 布与地貌部位以及沉积物中粉砂粘土含量相关。整个研究区重会属分布规律是浅滩西 南部，浅滩东北部，浅滩主体，与沉积物中粉砂粘土的分布相一。致。沉积物中各重会 属元素的来源有所差别，p b 主要来源于大气的干、湿沉降，而z n 、c u 和c r 可能受 黄河、小清河等莱州湾沿岸河流的影响较大。 相关分析显示，全样中p b 、z n 、c u 和c r 与沉积物粒度参数、重金属元素之l 、h j 以及与l j 元素之间都存在很好的相关性，说明全样沉积物中重会属含量受沉积物粒 度的影响，而水动力条件对重金属元素在研究区的分布起到控制作用。而细样沉积物 中重会属元索与粒度参数、重金属元素之间以及它们与l i 、a i 之问的相关性都低j 二 全样，只有p b 元素与细样中粉砂粘土组分含量呈较好的证相关关系，说明p b 主要 吸附于 c u c r t h es e d i m e n t s g r a n u l a r i t ya n dt h ew a t e rd y n a m i cc o n t r o lt h ec o n t e n t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o n o f h e a v ym e t a l si nl a i z h o us h o a l h e a v ym e t a l sa r em a i n l ya b s o r b e db yt h es u r f a c e o fg r a n u l ei ns e d i m e n t sa n di t sd i a m e t e rs h o r t e rt h a n6 3 “m t h ec o n t e n ta n d d i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l sa b s o r b e db yg r a n u l ea r ec o n t r o l l e db yg e o m o r p h o l o g y p o s i t i o na n dt h ec o n t e n to fg r a n u l ei ns e d i m e n t s t h ed i s t r i b u t i o no fl a i z h o us h o a l i st h es o u t h - w e s t t h en o r t h - e a s t t h es h o a l h e a v ym e t a l si ns e d i m e n t so ft h i s a r e ah a v ed i f f e r e n ts o u r c e s p bm a i n l yr o o t e di ns e d i m e n t a t i o no ft h ea i r y e l l o w r i v e r , x i a o q i n g h er i v e ra n do t h e rr i v e r sa r o u n dl a i z h o ub a ym a yi n f l u e n c e dt h e c o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no fz n c ua n dc rj nt h es t u d ya l e a t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n 协o fh e a v ym e t a l so fw h o l e s a m p l ea r ei n f l u e n c e db ys e d i m e n t sg r a n u l a r i t yb u tt h ed i s t r i b u t i o n sa r ec o n t r o l l e d b yw a t e rd y n a m i cc o n d i t i o n t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nh e a v ym e t a l s a b s o r b e db yg r a n u l ea n dg r a n u l a r i t yc h a r a c t e rs h o w e dt h a tp bi sm a i n l ya b s o r b e d b yt h es u r f a c eo fg r a n u l ew h i c hs m a l i e ft h a n2 0 p m b u tz n ，c u 。c ra r em a i n l y a b s o r b e db yt h es u r f a c eo fg r a n u l ew h i c hs m a l l e rt h a n6 0 p m i th a ss o m ep o l l u t i o no fp bi nl a i z h o us h o a la n dt h ec o n t e n ti sd o u b l et h e b a c k g r o u n dc o n t e n t z n ，c ua n dc ra l ea sm u c ha st h eb a c k g r o u n dc o n t e n t si nt h i s a r e a ，s ot h e ya r en o tp o l l u t e d b u th e a v ym e t a l se n r i c h e di ns o m ep l a c eo fl a i z h o u s h o a l t h er e s u l t so fs t a n d a r d i z a t i o na n dr e g r e s s i o nf o r e c a s tp r o v e st h a tt h e c o n t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l sb yh u m a ni sm a i n l yi nt h ep l a c ew h e r eh a sw e a kw a t e r d y n a m i c k e yw o r d a ：l a i z h o us h o a ld y n a m i cg e o m o r p h o l o g y d y n a m i cd e p o s i t i o n h e a v ym e t a l c l cn u m b e r ：p 7 14 山东师范人学坝 学位论义 山东莱州浅滩动力地貌、曲j j d l ；积1o 沉积物董会屈关系斜究 粉砂粘土组分含量明显高于其它部位，平均粒径大于5 中，沉积物呈正偏。单峰到多 峰，分选差，可能受多种水动力作用的共同控制有关。 4 莱州浅滩重金属含量z n p b c u c r ，全样中各重金属元素平均含量为： p b l 29 2 p g ，g 、z n 2 5 4 7 p g ，g 、c u l 2 0 1 u g g 、c r l l 6 p g g ；细样中各重会属元素平 均含量为：p b 3 2 ，4 1 p g ，g 、z n 5 5 9 u g ，9 、c u 2 2 6 6 p g ，g 、c r l 7 3 5 p g g ，细样中重会 属含量远大于全样中重金属的含量，即沉积物中重会属元素主要吸附于 浅滩主体。 5 全样沉积物中重余属含量与粒度参数和粉砂粘土组分都呈高度正相关关系，证明全 样中重金属的分稚主要受水动力条件和细颗粒组分含量控制。水流流速大，动力条 件单一的部位粉砂粘土含量低，相应地熏金属含量低：受多种水动力机制控制的区 域水动力条件复杂，粉砂粘土组分含最高，重金属含量也高。细样沉积物中重金属 的含量主要与地貌部位以及粉砂粘土组分含量有关，与沉积物粒度参数之间没有明 显的相关性。 6 根据地貌单元的完整性以莱州浅滩为界线，将研究区分为东北和西南两部分，浅滩 东北部p b 的含量与粉砂粘土组分含量的相关性要高于浅滩西南部。浅滩东北部的相 关系数都在0 7 以上，而浅滩西南部都不足0 7 ，尤其是全样之间的相关系数在o 6 以下，表明p b 在莱州浅滩及其附近海域沉积物中的分布受沉积物粒度的影响显著。 浅滩东北部以粉砂占优势，粘土组分含量低，表现出报强的相关性；而浅滩西南邦 2 0 p m 部分粉砂与粘土含量高，粒度的变化对p b 含量的影响不大，说明p b 主要 吸附于 3 p r o 时沉积物粒度变化对重金属含量影响不大： 当直径 3 p r o 时，粒度的微小变化便会对重金属含量有很大的影响；而当直径 6 n m 时，已经难以区分吸附剂和吸附质，粒度效应失去意义。 1 2 2 3 沉积物重金属的存在形态 重金属在沉积物中的存在形态是指重金属与沉积物的某种结合方式及状态。近年来 有很多关于沉积物存在形态的研究报道，s t u m n 认为元素的化学形态是指元素在环境中 以分子或离子存在的形式【5 1 】，如砷可能以有机砷( 甲基砷、二甲基砷) 、无机砷 ( p b 3 ( a s 0 4 ) 2 、m n 3 ( a s 0 4 ) 2 、f e a s 0 4 、a i a s 0 4 、a s 2 s 3 ) 等多种形态存在。一般认为 元素形态实际上包括离子态、化合态、结合念和结构状态四个方面。对于蘑会属的形态 分析方法，目前国际上通用的还是 r e s s i e r 等在1 9 7 9 年提出的_ 五步分级提取法，将沉 积物中的重金属分为5 种形态p “，即：可交换态( e x c h a n g e a b l e ) 、碳酸盐结合念 ( c a r b o n a t e ) 、铁锰氧化物结合惫( r e d u c i b l e ) 、硫化物及有机物结合念( o x i d i z a b l e ) 、 钱渣惫( r e s i d u a l ) 。也有的学者把重会属分为4 种或7 种存在形态【5 五”j 。不管哪种分 类方法，其提取过程都是相似的，表1 - 2 列出了沉积物中重会属的一般提取程序。 表1 2 沉积物中重金属的连续提取方法与程序 ( 1 0 0 0 9 干样品) 沣：据张辉等 不同存在形态的重金属被释放的难易程度各有不同，其生物利用有效性和毒性也不 一样f 6 4 l 。可交换态重金属在中性条件下最活跃，也最容易被释放丽发生反应转化为其他 形念，因此最容易被生物利用，毒性也最强：铁锰氧化物结合念可在还原条件下释放： 有机物结合态释放较为缓慢；残渣态重金属与沉积物的结合最牢固，它的活性也是最小 的，基本上不会被生物利用，因此其毒性也是最小的。残渣态重金属是属于真正自然背 景的部分，我们可以把残渣态以外的其他各种存在形态总称为非残渣态或重盒属的有效 山东帅范人学倾士学位论又山东莱卅f 浅滩动力地貌、动力优积o i j i i ：积物辱金属关系付幻 念，在评价沉积物重会属污染时，如果沉积物中重会属的有效态比例增加，那么就可以 说明这一区域已经受到了人类活动的影响。当然，不同重余属的优势结合态存在一定的 尊异。铁锰氧化物和氢氧化物的比表面积和表面所带电荷密度均较其他形态高【5 鄹，所以 它具有明显的化学吸附陛。翁焕新的研究发现f 5 2 】，在浙江沿海表层沉秘物中，c u 、c r 和p b 以铁锰氧化物结合态为主，m n 和c d 的铁锰氧化物结合态与碳酸盐结合念浓度人 体一致，这说明c u 、c r 和p b 从水体进入表层沉积物的过程中，铁锰氧化物对它们的 吸附和共沉淀起着主导作用，而m n 和c d 既被吸附沉淀同时又以形成碳酸豁的形式进 行沉淀，两者都对它们的沉淀过程起到重要作用。 1 2 2 4 沉积物重金属研究的部分结论 水动力作用( 包括潮汐和海流) 以及物源是影响沉积物中重会属元素含量变化最主 要的因素之一【3 剐。在近岸带尤其是河口海岸地区，成、淡水交汇，河流、海流、潮汐共 同影响，使得水动力情况十分复杂，但是总体的规律就是在水动力作用较强的海区，重 会属含量偏低，而在水动力作用相对较弱的地区，重金属含量偏高p 3 4 ”。重金属在近岸 的除了受早期成岩作用和水动力的重新分配外，更重要是受沿河或近岸的大型工程建筑 以及滨岸排污的影响，沿程分布以排污的影响为主，垂岸的分布主要受水动力和大型的 工程活动控制【4 嘲。 沉积物中重金属元素的含量与沉积物特征密切相关，绝大多数重金属元素在细颗粒 沉积物中明显趋于富集，随沉积物粒度变细而升高，只有个别元素如s j 、z r 例外1 6 。 沉积物中重金属元素主要吸附在s 6 3 p m 的细颗粒中，而且与s 1 6 p m 颗粒所占百分数之 间存在很好的线性关系【5 9 】，也有的研究认为与s 2 0 p m 颗粒存在线性关系婶7 6 e 1 。在s 6 3 、 1 6 p m 、- 蔓4 p m 、s 2 p m 四种粒级沉积物中，沉积物重金属元素寓集峰值一般出现于2 u m 沉积物，这与沉积物细颗粒有大的表面积和比表丽能有关，因此大都把6 3 p m 粒级作为 水体或沉积物颗粒作为重金属研究的介质【咧。在海洋沉积物中，有些参考元素细颗粒物 质的增加呈报好的线性关系，可以用这些参考元素进行粒度校正，通常采用的元素有 a l 、l j 、f e 、m n 、s c 等7 0 , 7 1 ，其中最常用是a i 7 2 1 、l i 7 3 培元素和a v s 7 4 , 7 5 等。 影响沉积物中重金属含量与分布的另一个重要因素就是生物的作用，生物对化学元 素具有很强的富集能力，可以使化学元素的浓度增加到千倍甚至万倍以上，当生物残体 及其排泄物进入海底沉积餍，使沉积物环境中熏金属元素含量增加p 研。在沉积物表层， 特别是1 0 3 0 c m 深度正好处于植物根茎的主要分布范围，因此植物根际的影响也可能 使重金属在沉积物表层( 尤其是高、中潮位海滩) 富集l 柏j 。不同的生物群落，不同的季 节都会使近海岸表层沉积物中重金属元素含量有所变化【7 ”。植物种类丰富，水体中所含 的有机物多，各种有机物可以与水体中的重金属元素进行络合作用，形成多种络合物、 螯合物混合配体络合物等【7 羽，一方面可以吸收熏会属，降低重会属毒性，另一方面当它 们沉积到海底后增加了表层沉积物中重金属元素的含量，同时，也降低了多种生物的可 山东师范人学硕i j 学位论文 山东菜州浅滩动山地貌动力沉积口沉积物孽台屉关系研究 利用性。 沉积物中重金属的存在形态各不相同，总体上有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧 化物结合态、有机物结合态和残渣态。有机物、铁锰水合氧化物以及酸可挥发硫( a v s ) 等是最主要的重会属结合相，研究沉积物中重金属的结合方式，对于研究水环境或沉积 物环境中重会属元素的迁移转化具有特殊的意义，不同的氧化还原条件，重会属以4 i 同 形态存在，在强氧化条件下，c u 、z n 释放通量较大，而c d 、p b 的释放通量较小：在 还原条件下，重金属元素的行为主要受难溶化合物的溶解度所控制，多种形惫存在的重 会属元素都可能向海水释放1 6 2 】，从而造成二次污染。 1 3 莱州浅滩及其地貌水文与泥沙特征 莱州浅滩位于山东半岛西北部莱州湾东部的刁龙嘴岸外海域( 图3 1 ) ，地理位置 1 1 9 。3 9 4 0 ”1 2 0 。0 0 0 0 ”e i3 7 。仃2 4 3 7 。3 0 0 0 ”n ，为山东半岛北部最大的水下地貌堆积 体，北西走向，在刁龙嘴海岸外侧成“入”字形沙嘴式水下沙坝，浅滩顶部组成物以中细 砂为主，其两侧以粉砂为主。莱州湾西起黄河1 3 ，东至龙口蛔l 譬岛，宽约9 6 k m ，面积 约6 0 6 0 k m 2 ，海底地形单调平缓，约0 1 6 ，由南向中央笳地倾斜，水深大部分在1 0 m 以内，海湾西部最深处达1 8 m 。平均潮差( 龙口) 0 9 m ，最大可能潮差2 2 m 。由于黄 河、潍河、胶莱河、自浪河、弥河等河流，特别是黄河泥沙的大量携入，海底堆积迅速， 浅滩变宽，海水渐浅，湾口距离不断缩短。莱州湾东部沿岸的泥沙，在常向风、波浪、 潮流的综合作用下，在蓬莱以西形成了大片沙质浅滩与沿岸砂嘴，同时在岛屿与海岸之 问，形成水下连岛沙坝，莱州浅滩就是其中之一。另外，在浅平的细砂质滩底上，激浪 作用活跃，在浅滩上部形成一系列与岸平行的水下沙堤。 从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始，国家海洋局和中国科学院海洋所陆续对照个 渤海地区进行了综合研究，揭示了渤海潮波运动系统、现代沉积速率和沉积过程以及海 岸地貌的类型和发育过程等，其中研究最多的就是渤海海区的潮汐海潮运动。方国洪建 立了渤海潮运动的个二维数值模型f 7 引，利用二维非线性潮波微分方程组的有限差分方 法同时计算了渤海全目潮、半日潮和浅水湖，与实测符合良好，莱州浅滩属于不正规混 合半日潮海区。窦振兴等也对渤海潮流及潮余流二维潮波运动系统数值进行过计算撺“。 但是在研究渤海污染闲题时，污染物在垂向上的分布不均匀，于克俊等结合渤海的具体 情况修改了l e e n d e r t s e 三维的模式，计算出渤海全f j 超、半日潮及潮流和垂直潮流， 计算的结果与渤海实际情况符台较好”“。 莱州湾东部三山岛一刁龙嘴海岸带，形成条带状滨外沙坝，坝长2 9 k m ，平均宽度 1 5 k m ，沙体厚度8 9 5 m 。蔡爱智曾对刁龙嘴海岸豹发育做过详细的论述【8 1 1 ，刁龙嘴 的泥沙来源主要有二：一是王河入海泥沙量，但是无实测流量河河流含沙量，所以无法 推测其入海泥沙总量；二是三山岛以北向西南搬运的泥沙，以中细砂为主，央有少量砾 山东师范大学坝士学位论文山东莱卅浅滩动力地貌、动力沉积与沉积物重会属关系研饥 石。刁龙嘴近岸北部波浪较大，波高可达3 2 m ，常浪向和强浪向均是偏北向的n e n w 向，波浪作用对近岸泥沙的搬运堆积和地貌发育起主导作用，这也是莱州浅滩泥沙 堆积的直接来源：刁龙嘴以南和以西的波浪强度相对较弱，其主要原因存于莱州浅滩水 一f 堆积地貌体的存在，阻碍了偏北风带来的大风浪，使风浪到达浅滩卜产生破裂，相当 郝分波浪能消耗在浅滩上。根据大量钻孔资料【8 “，莱州三山岛刁龙嘴地区 7 3 k a b p 丌始海侵，5k a b p 阻来，先后形成莱州沙坝和泻湖系列，在刁龙嘴西北的莱 州浅滩区目前正在发育最新的沙嘴。在n n e 常浪和强浪的作用下，沿岸纵向泥沙流白 东北向西南运动，先是形成了一系列n e s w 向的沙嘴和泻湖体系，当西南向的泥沙 流到达刁龙嘴附近海岸时，由于岸线发生了2 7 0 。的大转折【8 1 l ，导致纵向沿岸流的泥沙容 量减少。在波浪、潮流等的共同作用下，促进了泥沙在刁龙嘴附近海域的堆积，形成了 现代莱州浅滩。 莱州浅滩是长约1 2 k m ，宽约3 k m 的巨大沙嘴状水下沙坝，以前对其研究不多，主 要集中在动力地貌方面【4 】。浅滩及附近海岸拥有近6 x 1 0 8 m 3 的优质石英砂资源，从2 0 世纪8 0 年代已在浅滩附近丌始小规模采挖，鉴于蓬莱市北岸的登州浅滩挖沙曾导致蓬 莱西北部发生严重海岸后退，王庆等【4 1 利用地理信息系统和遥感技术，结合莱州浅滩及 附近岸段野外观测和历史地貌调查，对莱t 1 1 浅滩地貌特征、沉积动力过程、演变规律和 修建水库、码头、采沙等人类活动对浅滩地貌演变的影响等问题进行了研究指出由1 二 受人为因素的影响，浅滩因亏损而继续侵蚀、降低，尤以浅滩近岸部分潮问浅滩最为突 出，从2 0 世纪9 0 年代起仅在大潮低潮时才零星出露。浅滩受沉积动力过程的控制，不 断淤高并向东北迁移、西北延伸，总体上处于侵蚀和解体状态，近岸部分的潮涮浅滩已 经消失浅滩中部及浅滩与海岸之间先后形成了n n e 向潮流槽。根据莱州湾沉积环境演 化的漏湖化趋势，结合莱州湾资源与环境的实际情况，分析利弊，提出了修建以黄河口 沙嘴刁龙嘴跨海大桥( 堤) 为核心的莱州湾跨海通道建设构想，在莱州浅滩基础上 修建人工半岛撙“。 第二章莱州浅滩动力地貌( 整理前人对莱州浅滩动力地貌研究结果) 2 1 动力地貌条件 莱州浅滩近岸局部地段在2 0 世纪8 0 年代中期以前为长2k m 、宽3 0 0 5 0 0 m 的 n n w - - s s e 向潮间浅滩，近年来因水深增大而仅在大潮低潮时零星出露。浅滩东北侧 坡度缓、西南侧坡度陡，滩面发育有许多朝东北方向开口的北西向弧形沙波，沙波两侧 坡度随着涨、落潮流交替而变化，沙波之间沟槽涨潮时水深2 3 m ，落潮时1 2 m 。 沙波长度从数十米到数千米不等，近岸者规模小、离岸者规模大，相邻沙波恻彼此平行、 山采师范人学颤i 。学位论史 山东茉州浅滩动力地貌、动力扰积，沉积物章会属关系创f 宄 错列。浅滩顶部为粗砂，向东北依次为粗砂、中砂、细砂、粉砂质砂；向西南依次为率h 砂、中砂、细砂、泥质粉砂。沉积物中值粒径为i 4 巾，呈s e n w 向展布的等值线 分布密集，从东南向西北和从滩顶向两侧由粮变细p ”。其中，沙波间沟槽底部沉积物比 沙波顶部细，离岸部分比近岸部分细。 受黄河口外半同无潮点影响，莱州浅滩及其附近海域为不规则混台半同潮( k = 0 8 8 ) ，平均潮差约为1 o m ，多年平均海面o 9 1 m ，最高高潮位3 4 m ，最低低潮位一1 2 3 m 。 浅滩为两种不同性质潮流区的过渡海域，浅滩以西海域为规则半日潮流，以东为不规则 半h 潮流1 8 。从大范围看，莱州湾东部海域涨、落潮流分别指向西南、东北，但由于浅 滩对潮流运动产生的阻碍作用，浅滩及附近海域潮流运动方向比较复杂，浅滩西北和以 东海域涨潮流、落潮流分别指向西南、东北，西南海域涨潮流、落潮流分别指向东南、 西北。海域强浪向和常浪向均为北北东，频率为1 2 ，平均波高1 3m ，最大波高3 9m ： 次强浪向为北西向，频率为6 ，平均波高1 1 m ，最大波高3 8m ：波浪年平均周期为 44 s 、4 ，5 s 【8 。据此计算平均波长分别为3 0 2m 、3 1 6m ，经浅水校正后分另为2 99 7 m 、3 1 3 0 m 。 莱州浅滩泥沙的直接来源为刁龙嘴海岸输沙最终来源为刁龙嘴以东、龙口以西入 海的王河、龙泉河、朱桥河、滕家河、诸流河、钟离河、界河等河流输沙，其中以土河 及存其东3 0k m 处入海的界河为主。龙口至刁龙嘴段岸线为n e s w 走向，北北东波 浪在海岸带破碎后形成自东北向西南运动的沿岸纵向泥沙流，先是形成了n e s w 向 的砂坝一泻湖海岸【8 2 】。部分泥沙沿海岸继续向西运动，到达刁龙嘴附近海岸时，由于岸 线走向发生2 7 0 度转折，导致纵向泥沙流容量减小，泥沙沉积形成了刁龙嘴复式羽状堆 积体系f 8 。在波浪、潮流的共同作用下，部分海岸泥沙进入刁龙嘴海域堆积，形成了现 代莱州浅滩。 2 2 菜州浅滩动力地貌演变 从1 9 5 8 年到1 9 8 4 年的2 6 年间研究区地形发生了很大变化，各深度等深线均有不 同程度的横向迁移，浅滩在整体向东北迁移、向西北伸展的同时有变窄的趋势( 图2 - 1 ) 。 浅滩西南侧等深线向东北方向迁移，以- 7 、一8 、国、一1 0m 等深线最为明显，而且深度 大的等深线迁移距离也大，从而使浅滩话南侧地形坡度增加。浅滩朱北侧等深线迁移距 离较小，其中，2 、3 、4 、5 、- 6 、7 m 等深线向西南迁移，而水深较大的一8 、一9 、- 1 0 、 一”m 等深线向东北迁移。浅滩顶部原本连续展布的- 2m 等深线不再连续，在浅滩中部 出现了n w - - s e 向延伸的2 m 等深线闭合区( 图2 1 ) 。据此自东南向两北可把浅滩划 分为近岸部分、中间部分和离岸部分等3 段，在近岸部分与中部交接部位为贯通的北东 向潮流槽，相对深度约为1 m 。近岸北西向潮间浅滩中刁龙嘴岸外移至老鸭蛋子岸外， 向东北迁移距离为1 0 0 0 m ，平均迁移速率为4 0 r e l y 。 o 山东师范人学硕i 学位论史山东莱卅i 浅滩动力地貌、动力沉积，沉积物重余屈关系研究 图2 1 莱州浅滩1 9 5 8 年和1 9 8 4 年等深线变化 将两幅空间地形模型进行空间叠加分析，可以很清晰地看出1 9 5 8 年至1 9 8 4 年菜 州浅滩的淤积、侵蚀状况及其空间分布特征( 图2 2 ) 。浅滩顶部自东南向西北山侵蚀变 为淤积，而且淤积强度逐渐增加。近岸部分以侵蚀区为主，中部一2 m 等深线闭合区域没 有明显侵蚀或淤积，离岸部分以淤积区为主。离岸部分的西北端为弧形分布的强烈淤积 区，浅滩两侧6 m 、一7 m 、8 m 、一9 m 、一1 0m 等深线在此呈袋状相接( 图2 1 ) 。浅滩两 侧均以侵蚀区为主，其中西南侧侵蚀区面积和强度远大于东北侧。 2 21 地貌演变背景 莱州浅滩的形成、演变与刁龙嘴海岸密切相关。当东北向海岸纵向泥沙流的大潮低 潮线以上部分运移到刁龙嘴岸线向南转折处堆积时，在北西向风浪项推影响下，形成了 尾钩指向东南的刁龙嘴倒钩状沙嘴( 羽状沙嘴) 。而在大潮低潮线以下运移的泥沙，在 移动到刁龙嘴以西海域时，由于是在深度较大的岸坡带下部移动，受北西向风浪项推的 影响小，来沙量显得不够丰富，不足以继续向硬或西南方延伸堆积，因而改为沿着北西 方向的海域堆积延伸，形成了北西走向的水下浅滩。因此，莱州浅滩为典型的沙嘴式水 下浅滩，它总是位于刁龙嘴海岸向西北海域最突出部位岸外，并随着刁龙嘴海岸的演化 而不断迁移。 山东师范入学碳 学位论立 山东藁州浅滩动儿地貌、动山眦转；j 沉糨物毫会届关系料究 幽2 2 莱州浅滩1 9 5 8 年1 9 8 4 年侵蚀强度及分布( “+ ”淤积，“”侵蚀) 2 22 水库拦沙影晌 2 0 世纪5 0 年代以来，在刁龙嘴以东入海的王河、界河等河流中上游陆续修建了近 百座中、小型水库及拦水塘坝，绝大部分又修建予1 9 5 8 年以后、1 9 8 4 年以前。根掘统 计结果，剔除各水库之间重叠的拦截面积以后，水库拦截流域面积为3 9 6 7 6k m 2 。其 中，1 9 5 8 19 6 0 年修建水库拦截面积为2 1 4 9 2k m 2 ，占全部水库拦截面积的5 5 。 水库拦截首先使得河流入海泥沙量减少。根据1 9 8 4 年烟台市水土流失凋查结果， 上述河流所在的莱州、招远山地土壤侵蚀模数为2 0 0 0 4 0 0 0 t k m 2 a 。累积计算表明， 1 9 5 8 1 9 8 4 年水库上游流域产沙量为 5 5 x 1 0 7 3 1 0 x 0 7 t ，取其均值为2 3 2 1 0 7 t 。 根据2 0 世纪8 0 年代初海岸带调查结果，该地区的土壤容重约为1 3 5 帅3 ，则相应的 泥沙体积为1 1 5 x 1 0 7 2 2 9 x 0 7 m 3 ，取其均值为1 7 2 x 1 0 7 m 3 。由于水库只能拦截推 移质和部分悬移质泥沙，因此实际的入海泥沙减少量小予以上数值。该地区辛要士壤类 犁为褐土，土壤中小于1 u m 的粘上颗粒占全剖面的1 0 2 0 。据此推算，实际减少 的入海泥沙量均值约为1 3 8 x 1 0 7 - - 1 5 5 x 1 0 7 m 3 。河流入海泥沙的减少必然导致海岸冲 淤状态的变化。2 0 世纪8 0 年代观测表明，从2 0 世纪6 0 年代丌始界河口至石虎嘴( 位 山东师范大学倾l 学位论文 山东莱州浅滩动力地貌、动力沉积i 沉积物草会属关系研究 于三山岛以东1 4 k m ) 海岸处于侵蚀状态，石虎嘴至三山岛海岸冲淤相对平衡，三山岛 至刁龙嘴海岸还处于淤积状念【8 5 。1 9 5 8 年以前在王河口南北两倾蝴有沙嘴存在，此 后沙嘴逐渐蚀退、消失，北侧沙嘴海岸较5 0 年代后退6 0 m ，露出下伏基岩。海岸侵蚀、 淤积状态的变化，必然会减少进入浅滩区泥沙量，引起浅滩地区发生剧烈的动力地貌调 整，即通过沉积、侵蚀及其强度和分布的变化来适应新的泥沙条件，结果使浅滩在局部 淤积的同时总体上发生侵蚀。 2 23 近期冲淤动态 2 0 世纪8 0 年代中期以来，在王河口东侧的兰山岛先后修建了替码头和渔码头，使 得来自三山岛以东的海岸纵向输沙量进一步减少，王河口以西局部岸段玎始转变为侵蚀 后退海岸。到2 0 0 1 年，侵蚀岸段向西扩展至仓上村北，局部侵蚀后退距离达3 0 4 0 m ， 侵蚀陡坎相对高度为1 5 2 o m 。仓上村至刁龙嘴海岸尚处于冲淤平衡状态，仅局部岸 段略有淤积。与此同时，从8 0 年代中期开始，当地有关企业开始在浅滩采沙用做建筑 材料。受以上人为因素的影响，浅滩因泥沙亏损而继续侵蚀、降低，尤以浅滩近岸部分 的潮间浅滩最为显著，从9 0 年代起仅在大潮低潮时才零星出露。 1 9 8 6 2 0 0 2 年的遥感图像显示，1 6 年中浅滩西北端继续向西北方向延伸。浅滩中 部和离岸部分两侧范围向东北迁移，近岸部分两侧发生明显侵蚀。浅滩近岸部分的潮问 浅滩侵蚀降低后成为相对浅水区，但其范围较原来缩小并向东北迁移。浅滩近岸部分与 刁龙嘴海岸之间出现了两个平行的北北东向潮流槽，其中西侧潮流槽位于原来潮问浅滩 东南部。在1 9 9 2 年的遥感间像上潮流槽尚比较平直，在2 0 0 0 年、2 0 0 2 年的遥感图像 t 潮流槽成为两端展宽的“x ”形( 图3 2 4 ) 。 第三章莱州浅滩动力沉积 3 1 研究方法 在不同的沉积环境下，地形不同，搬运介质不同，海水的密度、流速、流动方向及 其变动或稳定情况等水动力条件不同，沉积物会以各种不同的方式搬运和沉积下来，在 水动力相对较强的部位出现侵蚀搬运，而在水动力作用相对较弱的地貌部位，水流的携 沙能力和搬运能力减小，沉积物就会逐渐沉积下来，所以沉积物的粒度特征是判断自然 地理环境和水动力条件的良好标志之一。利用综合分析法对莱州浅滩地区沉积物样品进 行粒度测试，通过粒度测试结果分析确定研究区沉积物组分的颗粒大小和各粒级的分和 状况，计算统计出研究区沉积物粒度参数，从而区分出莱州浅滩的动力沉积坏境。 山东! f r | j 范人学倾士学位论文山东莱州浅潍动力地貌、动力移( | 与沉积物晕金属关系f i j f 究 3 1 1 样品采集、处理与测试 采样工作于2 0 0 3 年1 1 月到2 0 0 4 年1 0 月间进行，视天气情况而定，采样过程中 天气晴朗，风速和波浪均较小。利用抓斗式采样器在莱州浅滩海区采集浅滩表层沉积物 样品( 图3 1 ) ，海底采样深度约为5 l o c m ，用小铲将表层沉积物分别置入可以自动 密封的聚乙烯塑料袋中，带回实验室备测。 图3 1 莱州浅滩及采样点位篝图 本研究中沉积物粒度利用综合方法进行分析。大于6 3 p m 的部分利用筛折法进行分 筛，小于6 3 p m 的部分利用微纳公司生产的j l 9 2 0 0 型便携式高分辨率激光粒度分析仪 进行粒度分析，它采用信息光学原理，通过测量颞粒群的空间频谱，来分析其粒度分布， 其工作原理如下图( 图3 2 ) 。筛析法所测的是各粒级所含的质量，最后转化为质量百分 比而激光粒度仪记录的是各粒级所占的体积酉分比，颗粒越细越接近于球体，沉积物 体积与质量基本上成芷相关关系，所以可以将两部分进行综合，并进行标准化处理，求 出各粒级所占的含量百分比，获得完整的粒径分布曲线。 山东帅范人学坝j 学位论文 山东幕州i 浅滩曲力地貌、动力沉积。j 沉积物重会属关系州究 图3 2j l 9 2 0 0 激光粒度分析仪工作原理框图 1 试验所需仪器与试剂： 标准分样筛、j l 9 2 0 0 型激光粒度仪、微机、蒸发皿、烘箱、高浓度双氧水( 3 0 ) 、 0 5 n 六偏磷酸钠( 。 n a p 0 3 6 ) 、去离子水 样品处理与测试步骤如下： 2 。筛析法处理样品 ( 1 ) 样品预处理：先将样品充分混合，取部分样品放入蒸发皿，在烘箱中低温( 保 持5 0 以下) 烘干，利用电子天平进行称重。 ( 2 ) 去有机质：加入1 0 1 5 m l 高浓度( 3 0 ) 双氧水，浸泡1 2 h 以上，使有机物 充分分解反应，然后放入烘箱中烘干( 低于8 0 c ) 、称重，两次称重之差为有 机质含量。 ( 3 ) 大于6 3 p m 与小于6 3 p m 比重：利用2 3 0 目( 6 3 p m ) 标准分样筛分筛，筛卜 与筛下部分分别称重，求出两部分所占比重。筛上部分用于筛析法，筛下部分 用于激光粒度仪测试。 ( 4 ) 分筛：筛上部分利用标准分样套筛进行分筛。由粗到细，最大套筛孔径4 m m ， 分别记录各粒级重薰。 3 激光粒度仪测试 ( 1 ) 预处理：将筛下样品充分混合，取少薰溶于去离子水，并加入0 5 n 的 n a p 0 3 6 分散剂1 0 m t ，用玻璃棒搅拌均匀，使其充分分散。 ( 2 ) 上机测试：使用微纳公司生产的j l 9 2 0 0 型激光粒度仪进行联机动态测试，使 用软件为w i n n e r 2 0 0 0 激光粒度仪分析专家系统( 5 0 ) ，所用的分散剂是o5 n 的六偏磷酸钠( n a p 0 3 e ) ，以去离子水作为测试溶液。 ( 3 ) 测试过程：注入去离子水，输入测试参数，联机，测试背景值，加入样品( 整 体浓度要求在1 ，o 3 0 之浏) ，联机测试，求平均值并保存记录，用去离子水 清洗测试系统。 为了确定激光粒度仪所测数据的准确性，还选取了几个样品进行了传统的沉降 法测试，结果与激光粒度仪所测数据基本吻合，在误差允许范围之内。 山东帅范人学坝l 。学位论文山东藁州浅滩动力地貌、动力沉积j 沉积物重会属关系研究 3 。1 2 数据处理 将筛析法和激光粒度仪所测得的数据都进行标准化，总体含量为1 0 0 ，求出各粒 级所占总含量百分数，利用图解法进行粒度参数的计算整理，在g r a p h e r 下面作出各样 品的含量累积曲线，并得出累积曲线上1 、5 、1 6 、2 5 、5 0 、7 5 、8 4 、9 5 处的中值，利用简单的计算，求出相关粒度参数：中值粒径m d 中( 审5 0 ) 、中值四分位 离差q d 。中值四分位偏态s k 中、众数m o 粒径平均值m z 、偏态系数s k 、分选系 数( 标准偏差) a 、峰度k g 等值，图解法粒度参数计算公式见表3 1 。图解法简便，精 度可靠，而且首先作累积曲线，比较醒目，对沉积物的特点可以有个直观的认识，有助 于分析判断。所有数据处理与图形的绘制均在s p s s 和g r a p h e r 下进行。 表3 1图解法粒度参数计算方法公式 参数 公式 中值粒径m d m 中值四分位离差q d m 中值四分位偏态s k $ 众数m o m m d $ = ( b s o q d $ = ( 中7 5 一中2 5 ) 1 2 s k m = ( ( 1 ) 7 5 + d ) 2 s - 2 ( 1 ) s o ) 2 频率分布曲线上最高点的粒级粒径值 粒释平均值m zm z - ( 中1 6 + 中5 0 + 中8 4 ) 3 f o l d 分选系数a 口= ( 中8 4 中 6 ) ，4 + ( 中9 5 _ 审5 ) 坞6 a n d 峰度k gk g = ( 5 - 中5 ) 1 2 4 4 ( 由7 5 曲2 5 ) w a r d 偏态系数s ks k = ( 中8 4 + g ) l e 一2 c 1 ) s o ) 2 ( 吐8 4 一中1 6 ) + ( 中9 5 + 巾5 2 中s o ) 2 ( s - 咖5 ) 这些粒度参数以一定的数值定量描述沉积物的粒径频率分布，而这又与沉积物的物 质来源、搬运过程和沉积作用有关，不同的粒度参数可以表示不同的地质意义。 1 平均粒径( m z 中) 及中值粒径( m d 中) ：是沉积物粒度特征中最主要的特征之一，指 示了沉积物粒径频率的中心趋向，其大小反映了沉积物的平均动能情况，在强水动 力条件下，粗细颗粒物质均能被搬运，而在弱承动力情况下，粗颗粒物质沉积下来， 细颗粒物质仍能被搬运沉积。 2 分选系数或标准偏差( 口) ：表示沉积物粒度的分选情况，即颗粒大小的均匀性，若 粒级突出，百分含量高，分选系数就小，当分选动力过程有较大幅度的波动时，会 在不同情况下沉积不同粒级的物质，整个沉积物的分选就差。当沉积物由两种或两 种以上的沉积作用，如跃穆和悬浮方式搬运沉积时，还指示这些不同的沉积方式之 间有关动能的差别的大小，动能相近时分选好，差别大时分选差。按照o r 值的大小， 可以把分选程度分为6 级： ( 1 ) 分选很好 a o 3 5 ( 2 ) 分选好0 3 5 0 0 ，5 6 山东帅范大学硕十学位论文山东莱 j 4 。| 浅濉动力地貌、动力沉积与沉积物革会属关系研，( ( 3 ) 分选中等0 5 a 1 ( 4 ) 分选差1 o 2 ( 5 ) 分选很差 2 0 ) 和不对称负偏态( s k 0 ) ( 图3 3 ) ，正偏态沉积物以粗组分为主，只含 少量细组分；而负偏态沉积物以细组分为主，只含少量粗组分。按照偏态值，可以 进一步把频率曲线的偏态分为5 级： ( 1 ) 一1 s k _ 0 3很负偏态 ( 2 ) 一0 3 s k 0 1负偏态 (