（环境工程专业论文）黄河口潮坪沉积物垂向输出研究.pdf

s t u d y o fs e d i m 匝n t sv e r t i c a l l yt r a n s p o r t e d o nt i d a lf l a t o fy e l l o wr i 、，e re s t u a r y a b s t r c t v i ai ns i t us t u d yo ny e l l o wr i v e rd e l t a ，w eh a v es i m u l a t eas i l t ys e d i m e n t s c o n s o l i d a t i o nc o u r s eu n d e rw a v el o a d i n g , ac r u s tl a y e rh a v eb e e nf o u n dt of o r ma ta c e r t a i nd e p t hu n d e rs 1 1 r f a c ，i nw h i c ht h ep r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ea n dm i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ci sv e r yd i f f e r e n tf r o mo t h e rd e p t h ；w h a t s m o r e ，t h ef i n eg r a i ns i z e s e n d i m e n t sc o n t e n to ft h i sd e p t hd c r e a s e dd u r i n gc o n s o l i d a t i o nc o u r s e o nt h e c o n t r a r y ) w eh a v en o tf o u n dt h es a m ec h a r a c t e r a s t i ci ns e d i m e n t sj u s tc o n s o l i d a t e d n a t u r a l l yb yg r a v i t y f r o ma u g u s t7 t h2 0 0 5t oa u g u s t9 t h2 0 0 5 ，as t o r mt i d et o o kp l a c ei nd i a o k o ua r e a o ft h ey e l l o wr i v e re s t u a r y 船ar e s u l to ft h et y p h o o n m a t s a a n dd u r i n gt h es a m e p 硝e d , f i e l do b s e r v a t o no nt h ef o r m a t i o no f s e d i m e n tv e r t i c a lt r a n s p o r t i n gi sc a r r i e d o u to nt i d a lf l a t c o m b i n i n gt h eo b s e r v a t i o nr e s u l tw i t ht h ea n a l y s i so fg r a i n - s i z e ，w e d r a wac o n c l u s i o nt h a ts o m es e d i m e n t so ff i n eg r a ms i z em u s th a v et r a n s p o r t e d v e r t i c a l l yt ot h et i d ef l a ts u r f a c eu n d e rt h el o a d i n go fs t o r mw a v e s ，a n dt h ee x p o r t e d s e d i m e n t sm a i n l yc o n s i s t so fv e r yf i n es i l t yg r a i no f6 f 一8 f f u r t h e r m o r e w i t ht h e d a t ao f p o r ew a t e rp r e s s u r em e a s u r e di ns i t u ，a na n a l y s eo f t h i sp h e n o m c m e nh a sb e e n m a d eo nt h ef o u n d a t i o no f t h et h e o r yo f s e ab e dd y m a n i cr e s p o n s et ow a v e s t h en e a r s h o r ea n de s t u a r i n ee n v i r o n m e n t sa r ec o m m o n l yd o m i n a t e db yb e n t h i c s p e c i e s ，w h i c ha r ei m p o r t a n tf a c t o r si nc h a n g i n gt h es e d i m e n t a r yc o n d i t i o n s b a s e do n t h ei n v e s t i g a t i o no nt h et i d a lf l a ti nt h ed i a o k o uo fy e l l o wr i v e rd e l t a ，t h es e d i m e n t t r a n s p o r t i n gi n d u c e db yb i o t u r b i t o nh a v eb e e ns t u d i e d ，i n c l u d i n gt h es t a t i s t i co f s e d i n m e n t sa m o u n ta n da na n a l y s i so fi t sg r a i ns i z ec h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f e r e n t h y d r o - d y m a n i cc o n d i t i o n s f i 圳【1 1 e 锄o r e w ea l s od i s c u s s e dt h ei m p o r t a n tr o l eo ft h i s p h e n o m e n o n i nt h ee v o l v e m e n to f s e d i m e n t sm i x k e yw o r d s ：y e l l o wr i v e re s t u a r y , s i l t , e o n s o h d a f l o n , p o r ew a t e rp r e s s u r e # e d l m e n t v e r t i c a l l yt r a n s p o r t e d ，b l o t u i h i t i o n u 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名= 趴魄签字日期a 1 年b 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：纠嘶 签字日期0 ，1 年名月a 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 卿 样日印年厂月朋 电话： 邮编 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 0 前言 本论文是在国家自然科学基金项目“黄河口水下斜坡硬壳形成与破坏”( 基 金号4 0 1 7 2 0 8 8 ) 和“生物活动导致黄河口沉积物固结非均匀化研究”。( 基金号 4 0 4 7 2 1 3 7 ) 的资助下完成的。首先感谢我的导师提供了这一论文选题和对研究工 作的全面指导。 我国黄河三角洲区分布大量的粉土沉积，如现代黄河三角洲埕北海域，表面 沉积物中粉土占9 0 以。由于黄河的点状物源，高浓度输沙特点，导致大量沉积 物在极短的时间内沉积下来并在波浪作用下完成其固结过程。围绕这种固结过 程中水动力对沉积物性质的后天改造作用，前人已经进行了卓有成效的相关研究 并取得了一定成果。由于粉土在对波浪载荷响应过程中会出现诸如孔隙水压响应 程度在深度上变化剧烈、土体共振、以及流化颗粒物输出等特殊响应现象，本文 以此为切入点，通过现场与室内的一系列的观测与试验，着重研究了波浪载荷作 用下黄河口快速堆积沉积物在固结进程中超固结硬层的成因，以及在纵向上出现 的沉积物粒组特征的分化变异现象。借助于风暴潮期间较强烈的波浪载荷作用， 通过现场试验设计与观测，发现了潮坪士体在强烈波浪载荷响应过程中出现了沉 积物垂向输出现象。本文对以上现象均基于海床动力响应的观点并结合现场采集 数据分析了其成因机理。 鉴于在潮间带环境中生物活动对沉积物沉积及输运的重要影响，本文亦通过 在旧黄河口刁口地区潮坪上的现场研究与统计资料，分析研究了生物活动对于潮 坪沉积物垂向输出的贡献并探讨了其作用机制。 黄河口潮坪沉积物巫向输脚珊究 1 黄河三角洲沉积与水动力特征 1 1 黄河三角洲沉积特征 i 1 1 现代黄河三角洲历史概况 公元l1 2 8 年至1 8 5 5 年黄河注入黄海。1 8 5 5 年黄河在河南铜瓦厢决口夺大清 坷人渤海，以年均2 0 _ 2 5i o n 的造陆速率( 1 8 5 5 1 9 9 6 年1 在渤海湾的西南岸塑造了 近60 0 0i o n 的现代黄河三角洲。而由于自然或人为因素，黄河尾间在现代三角洲 摆动5 0 余次，其中，1 9 5 3 年至今有3 次大的改道，即1 9 5 4 年的神仙沟流路、1 9 6 4 年的刁1 7 1 河流路和1 9 7 6 年的人工改道清水沟流路【1 1 ( 图2 - 1 ) 。黄河尾间的频繁摆 动，使黄河三角洲滨海区的水动力条件发生了很大改变，并形成复杂的沉积环境 和沉积特征。 图2 1 黄河各期流路及水下三角洲 一般来讲，黄河的每一期流路的发展过程可以大致分为以下三个阶段田。第 一阶段为漫流，短命的不稳定的分流河道发育。不管是自然决口还是人为决口， 2 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 由于没有现成的河道，即便有现成的河道也是规模过小，无法容纳汛期的黄河水， 因而改道后最初河水漫流入海，之后形成游移不定的短命的一个或数个游荡性分 流河道。第二阶段为形成单一顺直的分流河道。数条分流河道中一条最有生命力 的河道随着输送越来越多的河水，河道加深，、形成单一顺直的河道，并稳定数年。 第三阶段为在分流河道两侧决口，形成新的短命的分流河道。由于第二阶段形成 的分流河道向海延伸较快，比降减小，河口和分流河道下段逐渐淤积严重，在汛 期导致决口。首先决口点以下部分河道废弃。第三阶段形成的分流河道由于同样 的原因会在原决口点之上形成新的决口和新的分流河道。之后决口点逐渐上移， 最终在三角洲顶点附近决口，形成新的流路，原流路废弃。 现代黄河水下三角洲是黄河1 8 5 5 年改道入渤海以来形成的三角洲堆积体。 黄河流域的水土流失，特别是黄土高原富含粉砂颗粒的物质构成了本区丰富的物 源。丰富的物源物质在入海口及附近海区海洋动力与河流径流的共同作用下，形 成突出的砂嘴以及生长迅速的水下三角洲堆积体。水下三角洲是指陆上三角洲向 水下延伸部分，它从高潮线开始，外缘延伸至水深1 0 2 2 m 处，呈半环状围绕陆 上三角洲。现行河口拦门沙前沿较陡，向海逐渐变缓。总体坡降平均为1 1 5 0 0 。 黄河径流的巨大含沙量使行水河口的水下堆积体不断进积成陆，加之侧向决口、 尾闯摆动，使河口堆积体侧向成长成陆。黄河行水河口的频繁变换，在海岸线上 形成了一系列不同时期的水下三角洲堆积体，这也引起三角洲水下堆积体的主控 水动力因素频繁改变。在远离现行河口的老河口水下三角洲地区，水下三角洲的 发展几乎完全受控于海洋水动力条件，形成了对原三角洲的改造过程。 i 1 2 黄河三角洲地貌形态分布 根据黄河三角洲地貌动态变化的差别，一般将其分为三个亚区( 见图2 1 ) 。 西区是指挑河口以西海区。黄河迁离该区已有六十多年，经过强烈冲蚀阶段后， 水下地形和水动力条件趋于平衡，岸线稳定，地势平缓；沉积物呈平行岸线的带 状分布，基本达到弱淤、弱冲的动态平衡状态；发育有潮滩、水下岸坡、小型河 流水下三角洲、三角洲平原等地貌形态。中区指挑河口以东至神仙沟一带海区。 自1 9 7 6 年黄河改道以来，本区正受着海海洋水动力的强烈改造过程中，海岸线 遭受侵蚀后退且趋于平直；水下地势受侵蚀而展平且坡度趋向平缓；沉积物趋向 黄河口谢坪沉积物垂向输出研究 围绕岸线呈带状分布；发育有潮滩、水下冲蚀岸坡、泥沙活动带、水下三角洲侵 蚀平原等地貌形态。南区指神仙沟以南至支脉沟口海区。黄河自1 9 7 6 年从该区 入海，携带巨量泥沙在口门附近大量堆积，使岸线呈扇面形向海伸展，水下地形 坡度较陡，不同出口的拦门沙重叠；发育有潮滩、河口沙坝、烂泥湾j 水下岸坡、 前三角洲平原等地貌形态【3 , 4 j 。 图2 1黄河三角洲地貌图【3 9 1 f i g 一22 p h y s i o g n o m y o f y e l l o wr i v e rd e l t a 1 淤积区2 冲蚀区3 动态平衡区4 河口沙坝5 淤积潮滩6 水下三角洲前缘7 水 下淤积岸坡8 前三角洲水下平原9 水下冲蚀岸坡l o 水下三角洲淤积平原1l 冰下三 角洲冲蚀平原1 2 弱冲弱淤潮滩 1 3 稳定的水下岸坡1 4 古三角洲平原1 6 潮问带1 7 过度带1 8 三角洲平原1 9 烂泥湾2 0 溅海平原2 1 河口牡蛎礁2 2 ，j 、型河流水下三角 洲2 3 潮流沟2 4 人工堤坝 本文的研究区域就是处于中区，主要涉及刁口流路水下三角洲堆积体。1 9 6 4 年以前，本区东南角为陆地，西侧为一向陆凹进的海湾形海区，基本处于冲淤平 4 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 衡状态黄河行水神仙沟时，本区发生过一定程度的淤积。当1 9 6 4 年黄河改道 刁口流路入海后，随着黄河巨大的挟沙造陆作用，不断进积，短短1 2 年问形成 l 了厚度十几米、岸线外移1 5 k m 的黄河三角洲堆积体在三角洲推进后期，由于 河口的不断向海推进，河流长度增加，水流坡降减小，造成局部河段淤积堵塞， 河道弯曲出汊，在河口横向上发育形成了一系列三角洲进积体，使三角洲进积体 侧向加宽。1 9 7 6 年以后，黄河行水清水沟，本流路由于缺失了大量泥沙的物源 支持，进积停止。原有的沉积动力平衡条件被打破，开始了仅有海洋动力作用的 冲刷改造、再沉积过程。 1 1 3 黄河三角洲沉积物分布总体特征 根据s h e p a r d1 9 5 4 年的分类嘲，黄河三角洲滨海区表层沉积物主要有细砂、 粉砂质细砂、砂质粉砂、粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土和砂一粉砂一粘土，共 7 类( 图3 ) 。其中，牯土质粉砂、砂质粉砂和粉砂质砂居多，分别占样品总数的2 8 2 、2 5 o 和2 0 2 。由表1 可知，沉积物中值粒径总体上随水深的增加呈减小 趋势。一5m 水深范围以内，沉积物粗化最明显，平均中值粒径大于0 0 5h i m ，其 中o 一2m 范围粒径最粗，为0 。0 5 4 7m i l l ；一1 5m 以外，沉积物较绌，平均粒径为 o 0 2 2 9m i l l 。 表2 1 不同水深范围内的沉积物中值颗粒径( 根据陈小英等【6 】) t a b l e2 - lt h em e d i a ng r a i ns k ec h a n g e so f b o r o ms e d i m e n ti nd i f e r e n tu n d e r w a t e r a r e a $ d ，蛐0 0 5 4 70 0 5 0 80 0 3 5 00 d 2 9 00 0 2 2 9 黄河口潮坪沉积物垂向输“ 研究 图2 3 黄河三角洲滨海区沉积物类型分布 1 2 黄河三角洲水动力特征嘲 1 2 1 波浪 本文研究区处在渤海这样一个独特的陆缘海内，浅水环境决定了该区波浪主 ， 要是风浪，生成块，消失也快，大浪出现的次数不多；另外，受渤海风场变化所 制约，波浪具有明显的季节和年际变化。春季季风交替，波浪方向比较紊乱，东 北和东南各向的波浪交替出现；夏季盛行东南风。相应的东南东向波浪占优势； 秋季因蒙古高压加强，偏北风较多，本区以偏北向浪居多；本区全年以东北向居 多，常浪为东北向，强浪为东北向为主。 据青岛海洋大学和中科院海洋研究所调查实测资料，该区冬半年以偏南向浪 为主，波浪较小，该区强浪向为n n e n e 向，并且他们推算出该强浪向下本区 5 0 年及5 年已遇的波浪要素，如下表所示【7 】： 6 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 注；5 0 年一遇的周期为8 6 秒；5 年一遇的周期为8 0 秒 1 2 2 潮汐特征 半日潮波在渤海有两个旋转潮波系统，一个在北，无潮点在秦皇岛北；另一 个在南，无潮点位于黄河口外。在渤海海峡有一日潮无潮点。黄河海港及附近海 域处在半日潮无潮点和日潮波腹地带。 潮波进入渤海后，受渤海南部海底地形形态和水深较浅的影响以及海岸的 阻挡，产生反射波。潮波的入射波和反射波在神仙沟外形成驻波节点，产生无潮 点。该无潮点受m 2 分潮的作用，现无潮点在( n3 8 。0 4 ，e1 1 9 。0 4 ) ， 其位置随着黄河口的不断变迁、三角洲海区地形以及水深的变化而变化，并有向 东南向移动的趋势。在无潮点两侧潮汐特征明显不同：无潮点两侧的潮时变化很 大。实测资料表明，无潮点以西的渤海湾南缘，高潮发生在月中天时刻以后5 小时，刁口河东侧平均高潮间隙为5 小时7 分；而无潮点以南的莱州湾沿岸，高 潮发生在月中天时刻以后1 0 小时，如五号桩平均高潮间隙为l o 小时7 分，无潮 点两侧相距仅2 0 多公里，潮时差为5 小时。这种潮时的显著变化形成了涨落潮 - 先西后东的局面，当无潮点以西处于高潮时，无潮点以南处于低潮时；当无潮点 以西处于低潮时，无潮点以南处于高潮时。无潮点附近的潮差仅为0 2 0 m ，自无 潮点向西向南逐渐增大，而且西部潮差大，东部次之，潮差分布曲线两头高中间 低，呈“马鞍形” 按分潮振幅之比分类方法，五号桩、东营港以西海区为不正规半日潮，五号 桩、东营港附近海区为全日潮，五号桩、东营港以南海区又逐渐变为不正规半日 潮。 般而言，由天文因素引起的潮位变化较有规律，该海区平均潮差较小，黄 河海港附近在0 7 米，广利河口在1 5 米，套尔河口在1 7 米，水位的天文潮较 7 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 弱。由其他因素造成的非周期性水位变化较强，有时非周期性因素对潮水位的影 响起主导作用，如季风引起的增减水效应、海水密度变化、降水及径流是造成水 位变化的重要原因。如1 9 8 6 年1 2 月1 4 日海港地区刮强劲的东北风，1 5 米以上 的增水达6 小时，最大增水1 7 6 米，又恰遇高潮时，形成建港来的最高水位； 1 9 8 7 年1 月1 3 日刮强劲的西北风，造成最大减水达1 7 7 米，形成建港来的最低 水位。 1 2 3 风暴潮 因暴风及气压急剧变化或因外来风暴潮的传入而造成的海面水位变化，称为 风暴潮。黄河三角洲沿岸在历史上多次发生风暴潮灾害，仅最近1 0 0 多年来，大 的风暴潮就出现了6 次，分别在1 8 4 5 、1 8 9 0 、1 9 3 8 、1 9 6 4 、1 9 6 9 、1 9 8 0 年。刁 口流路附近海区滩涂广阔、坡角平缓、水深极浅，极易产生灾害性的风暴潮，在 本地区冬半年极为盛行。一般天气条件下，波高不超过1 s i n ，而极端海况下波 高可以达到5 8 m ( 1 9 8 4 1 9 8 5 年) ，刁口附近的埕北海区年极端增水达到1 8 3 2 m 左右，平均为2 2 m 。 渤海为半封闭型的浅水海湾，持续一天的西北风，郎使风力只有5 6 级， 整个渤海减水( 海面下降) l 一2 m ，在东南风作用下，整个渤海增水。增减水作 用的结果，渤海日平均海平面波动可达到l 一2 m 。因此，若渤海地区先出现东南 风增水，再转东北风，则黄河三角洲沿岸水位剧增，形成灾难性风暴潮，导致海 工建筑物地基交形、破坏。 1 2 5 4 潮流 潮流是潮波中水质点在水平方向上的运动形式，它和潮位的升降是同一种 中现象中的两种不同的表现形式。因此，潮流的基本特征不仅受天体运动的影响， 也受海岸轮廓以及海底地形等因素的制约。 黄河三角洲沿岸水域，潮流基本属于正规半日潮，潮流椭圆短长轴之比小 于o 1 ，属于平行海岸的往复流( 图2 8 ) 。该区m 2 。分潮椭圆长轴方向与岸线 基本平行，涨潮流基本为东南向，落潮流为西北向。 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 图2 - 3 黄河三角洲m 2 分潮流椭圆长短轴分布图嘲 f i g 2 3 t i d a lc u r r e n te l l i p s ea x i sd 2 生物扰动动导致黄河口潮滩沉积物垂向输运现象研究 2 1 研究背景 生物活动对海洋沉积物的形成和改造有具有重要意义，生物成因的钙质和硅 质沉积是洋盆底沉积物的主要类型。生物活动可以破坏原有的沉积构造，形成生 物成因的特征的斑团构造。而在近岸带以内，生物活动对水体中悬浮沉积物的沉 积作用以及对沉积物遭受侵蚀的重要影响，也早已受到人们的关注和研究。海洋 9 黄州口潮坪沉积物垂向输i f 研究 生态系统通过能流和物流的传递而将水层系统与底栖系统融为一体的过程，称做 水层与底栖的耦合【9 】。该过程是构成河e l 、近岸和浅海水域的关键生态过程，而 生物扰动作用正是这一关键过程中至关重要的环节和枢纽。生物扰动( b i o t u r b a t i o n ) 是指底栖动物通过摄食、建管和筑穴等使沉积物的物理和化学结构发生重要 变化，对沉积物海水界面的物质交换和能量运转有显著的影响i 鼻1 1 1 。 2 1 1 生物活动对沉积物侵蚀的影响 生物活动对沉积物侵蚀过程有复杂的影响。蒋东辉和高抒【1 2 】把海底生物活动 对沉积物起动的影响归结为4 个方面，即改变海水对海底的作用：改变沉积物颗 粒的暴露状况；改变颗粒之问的粘连；改变颗粒本身的动量。庄武艺【”】等通过 对澳大利亚东南部海岸的库纳湾进行研究，结果表明海草对于降低潮流对潮滩的 侵蚀程度有很大作用，海草足以使其底层的潮流流速减弱4 0 6 0 、悬浮质的 含量减少2 0 - 3 5 。j w i d d o w s t t 4 1 通过环型槽进行了大量模拟试验研究，建立了 m a c o m a b a l t h i a 丰度与临界侵蚀速率之间的关系，并以此为基础根据历年生物统 计资料计算了s p a r t i n aa n g l i a 盐沼剖面高程的变化情况，结果与实际情况十分吻 和，充分表明了表明了生物发育状况对沉积物稳定性的重要影响。 2 1 2 生物活动导致的沉积 生物活动直接或间接的影响沉积物的汇聚，许多生物体产生胶状材料，这些 材料有助于维护生物活动产生的结构( 洞穴、土墩等) ；当这些流出物被带到水体 中时，就可能导致一些悬浮颗粒的汇聚和粘沉；海底生物也能捕获正在进行推移 质运动的颗粒，并使之沉淀下来。研究表明生物活动产生的粘液可能增加颗粒之 间的粘聚力，粘性颗粒的絮凝作用可形成大颗粒团块或絮团，使得颗粒的沉降速 度比发生絮凝前大好几个数量级嗍。 许多海洋生物是滤食性动物，滤食和捕食悬浮物的海洋生物在沉积物周围堆 积真假粪球，这就是生物堆积。生物堆积的量不可忽略，据报道龙介属动物摄取 2 - 1 6 m 微米的颗粒，速率可达8 5 9 m g + - 1 h _ 1 【1 6 ( b o t t o 等，1 9 9 9 ) ；在半封闭的码 头中生物活动每天减少码头悬浮沉积量的可达5 0 嘣17 】；在盐沼环境，贻贝产生 1 0 黄河日潮坪沉积物垂向输出研究 的生物沉积可达秋天沉积的8 0 蚶1 8 】这些是生物活动产生的相当高的沉积量， 如果这些地方这种生物数量丰富，他们将可能是控制大尺度的地形学过程，这种 尺度可达几千米【1 9 ( j o h n 等，2 0 0 2 ) 。海洋动物群的环节动物和双壳类广泛地分布 在潮滩上，在很多地方已经发现他们滤食产生生物沉积导致的沉积物的增长现 象，及海床面积发展的地理形态变化【2 呲”在牡蛎发育的潮滩，滤食活动的结 果可能导致沉积物在岩石之间聚集，形成沉积性压实且极大的改变该地区的沉积 情况嘲 2 2 本章研究思路 本文通过在黄河口地区潮潍上的实地观测统计与工作大量样品采集，着重研 究了不同水动力条件下底栖生物分布特征以及其生命活动造成的沉积物垂向输 出( s e d i m e n tt u r no v e r ) 现象，分析了输出沉积物的质量、粒度特征与成因，以 及其对表层沉积物混合作用的重要影响。 2 3 研究区概况 2 3 1 研究区地理位置及沉积历史 研究区选在黄河三角： l l 中区刁口河、神仙沟亚三角洲的潮滩上( 见图2 1 ) 位于1 0 6 1 7 - 1 4 井场( n 3 8 。0 8 1 1 3 ”，e 1 1 8 。4 6 5 8 8 ) 附近该亚三角洲 是由黄河1 9 5 3 年一1 9 7 6 年行水钓口河、神仙河等流路入海形成的自1 9 7 6 年 黄河行水清水沟以来，由于水动力条件的改变，改道后废弃的河口三角洲由于失 去泥沙来源而发生强烈的蚀退破坏，表层沉积物一直遭受波浪和潮流的强烈侵 蚀。该亚三角洲水下斜坡，包括潮坪及其以下，表面坡度极缓，常小于o 6 0 ，距 岸l o 余里的海域，水深也只有十几米退潮时数公里的潮坪露出水面，这为在 潮坪上开展研究工作提供了便利1 2 4 1 。 一条近垂直于岸线的公路和通向井场道路一起的将该区域分割为几个相互 独立的半封闭区域，三区域生物发育和水动力特征各不相同，我们分别将其命名 为路南i 区、路南i i 区和路北区；所有现场工作既在这几个区域内开展。 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 图2 1 研究区在黄河三角洲上的位置及现场工作示意图 2 3 2 研究区基本水动力状况 研究区为不规则半日潮，平均潮差o 7 一1 7 米，最大潮差2 1 7 米，最大潮 流流速大于1 2 0 c m s 。波浪以风浪为主，波浪的大小随风速的改变而变化，强浪 向为北东向，次浪向为北北西，常浪向为南向，常见波浪波高小于o 5 米，最大 波高3 3 米，极端海况下波高可达到5 8 m 嘲。 1 2 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 2 3 3 研究区内生物发育特征 根据已有研究【2 6 】，在刁口地区潮间带以内，中、低潮滩软体动物以光滑河 兰蛤、红明樱蛤为的优势种，高、中潮滩以伍氏厚蟹和日本大眼蟹为的优势种( 见 表2 1 ) 研究区滩面蟹类洞穴和蛤类洞穴广泛分布，蟹类洞穴之间常连通交错 在一起。每逢退潮螃蟹变开始在潮滩上活动，从其洞穴内掘出新鲜的浅灰色堆积 物，与褐色的滩面形成鲜明对照，蛤类洞穴口则堆积火山锥状喷出物，中有小孔， 振动周围滩面则可发现有水携带颗粒物质从小孔流出( 图2 - 2 ) 。 表2 - 1 刁口地区潮间带生物统计【蚓 位置 数量( 个) 密度 种名 v f m 2 ) 生物量( g ) 托氏昌螺u m b o n i u mt h o m a s i 7 2 8 2 0 3 6 中潮 秀丽织纹螺n a s s a r i u s 3 1 2 四角蛤蜊m a c t r av 骼e f i f o r m i s5 2 0 长竹蛏s o l e ns ( 口i c t u sg o u l dl 4 光滑河兰蛤p o t a m o c o r b u l al a e v i s5 2 0 日本大眼蟹m a c r h t h a l m u sl 4 0 7 0 托氏昌螺u m b o n h m lt h o m a s i3 1 6 2 4 2 0 低潮 四角蛤蜊m a c t r av e s e r i f o r m i s6 3 2 长竹蛏s o l e ns t r i c t u s2 l l 东方新糠虾n e o m v s i so r i e n t a l i s l 0 0 4 图2 - 2 研究区滩面与生物活动特征 黄河u 潮坪沉积物垂向输出研兜 a ：研究区远景b ：滩面上活动的蟹类c ，一个i x l m z 统计区d t 相互连同的生物洞穴e t 螃蟹洞穴及掘出物f = 蛤类洞口堆积的“微型泥火山 2 4 现场工作描述 在研究区内各位置布置若干i x l m s 典型生物统计区，具体布置方式如图2 1 所示统计每个统计区内生物洞穴的发育特征，包括洞穴数量，大小以及种类。 退潮后即收集统计区内洞口堆积的新鲜输出物( 新鲜堆积物为浅灰色，如暴露在 空气中超过一定时间则氧化为黄褐色) ，并采集该统计区内的正常滩面表层沉积 物样品。在路南i 区和路北区内以不锈钢薄壁取土器分别取表层1 米长柱状样一 个，以备测定不同深度上沉积物的粒度特征。 回到室内以后，将每个统计区内收集到的生物输出沉积物分别烘干并以电子 天平称重记录。对所有现场采集到的沉积物样品进行粒度分析测定，粒度分析方 法采用常规的筛析加比重计法，密度计采用甲种密度计，其刻度为5 - 5 0 度，最 小分度值为0 5 度：量筒内径为6 0 m m ，容积1 0 0 0 m l ，洗筛孔径为0 0 6 3 n u n 。根据 我国行业标准s l 2 3 7 1 9 9 9 土工试验规程操作。本文所用常规粒度参数统计 值包括平均粒径m z 、分选系数口j ，偏态品，蜂态丘，各项参数根据根据m c b i a n u s 的矩法公式【2 7 l 计算。 2 5 结果与分析 2 5 1 研究区沉积动力环境初步分析 对于粒度分析的数据处理采用f l e m i n g 的三角图式法。在前人的工作基础 上 2 7 - 2 9 ，f l e m 址g 在2 0 0 眸提出了一种新的三角图式，从沉积结构组成及其反 映的水动力强度来区分沉积环境及其亚环境，并将其应用于江苏淤泥质潮滩、丹 麦瓦登海及威尔士的d y f i 河1 2 1 ，取得了较好的效果。在这个三角图式中，首先定 义了沉积物中各成分的粒级划分标准， 2m m 者为砂，o 0 0 2 _ - o 0 6 2 5i m n 为粉砂、 s c m 路南i 区 s - il340 4 3 20 5 8 5 s - 22530 4 3 40 5 3 0 螂 m 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 蚰5230 3 2 80 3 2 5 s 42 62n 3 9 4& 3 5 0 t , - 5o740 5 8 30 4 2 0 s - 683lo 2 1 90 2 5 3 s - 74 6so 6 3 51 1 0 2 争s3750 ，6 7 io 8 0 0 s , - 9424o 4 0 30 7 4 3 均值3530 4 5 50 5 6 8 墨1 08 3 l 0 2 1 90 3 5 0 l ll l52 0 3 8 3 0 4 5 0 争1 26 7 o0 2 8 80 4 9 0 s - 1 31 762o 4 4 l0 3 7 0 路南i i 区 s - 1 42 l8l 0 4 5 20 4 2 0 争1 5 2 4 83o 6 l s0 3 8 5 1 61 4510 3 1 40 4 7 8 p 1 7l o5oo j 2 2 30 3 7 争1 81 26 0 0 2 6 80 4 5 均值 1 361 0 3 4 7o 4 2 2 5 ，3 生物输出沉积物粒度特征分析 各研究区滩面沉积物粒度频率曲线虽略有差别，但总体上均程单峰正态分 布，粒度组成相对集中，粉砂粒级占绝对优势，含量可达7 0 - 8 0 ，除路北区 之外，沉积物中粘土含量稍多于砂含量。沉积物的频率曲线特征是判断沉积作用 形式的重要手段之一，频率曲线的峰型变化常反映沉积作用形式的变化，单峰正 态分布形态表明物源统一，粒度组成高度集中于峰形中问的粉沙粒级，峰形两端 的粘土和砂的含量较低，和流水沉积作用曲线变化一致，显然反映的是单一流水 作用沉积。 如图2 7 所示：各统计区内生物输出沉积物粒度频率曲线特征都与其对应位 置的滩面沉积物基本一致，其与正常潍面沉积物的明显区别是粒径小于1 01 2m 的 粒组含量偏高，这表现在粒度频率曲线上即为细尾较滩面沉积物略微向上跷起。 由此可见，生物输出沉积物粒度组成特征要取决于其所处底质的沉积物粒度组成 特征组成，生物在输出沉积物的过程中可对沉积物粒度组成特征有所改变，在本 研究区内生物作用在一定程度上增加了其输出沉积物中细颗粒组分的含量。 赞河口潮坪沉积物垂向输出研究 2 5 4 一定深度内沉积物粒度参数特征 在路南i 区和路北区各取一米长柱状样一个( 取样位置见图2 1 ) ：以路南 i 区取样点为相对高程零点，测得路北区取样点的相对高程为一9 6 e r a ：该区在自 然状态下的潮滩坡度平均仅o 6 度左右，两取样点直线距离不超过5 0 米，高程差 距如此之大表明路北区滩面在较强水动力条件下较路南i 区遭受到了强烈的侵 蚀。 根据不同深度上粒度分析的结果计算其粒度参数，以相对高程零点为起始绘制 粒度参数相对深度分布曲线。如图2 8 所示：在4 0 c m 以下深度，两区平均粒径相 差不大，在深度上的分布特征也十分几乎相似，而4 0 c m 深度以上则差别很大， 一滩面沉积 生f俞出 lll l c 6 _ 、 ，- p 、 ；一 二二 b 1 ll i i f 5 ， 、 力1 。 、k 二：一 1 01 0 0 粒径( h m ) ” 8 6 4 2 o 8 8 4 2 o 佃 8 6 4 2 o 百分含量摹v 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 图2 - 7 沉积物粒度频率分布曲线图 路北区表层3 0 c m 深度以内沉积物平均粒径在4 2 8 中4 4 5 中之间，较下伏沉 积物明显粗化，路南区表层3 0 c m 深度以内沉积物平均粒径体在5 2 中5 4 5 中之 间，与下伏沉积物相差不大。路北区沉积物分选系数值0 6 1 一1 3 8 中，大部分属 分选较好至中等，路南区分选系数在各深度均略高于路北区，其值在1 1 1 1 鹋 之间，属分选差。路南区各深度偏度值在4 0 c m 深度范围以内呈递增趋势，总体 位于为0 5 - - - 2 5 0 之间，属极正偏；路北区偏度值在3 0 c m 深度范围以内要高于路 南区，在此深度以下两者区别不大。路南区各深度尖度值总体位于在2 _ _ 4 中之间， 属于很窄至极窄；路北区偏度值在各深度上均略低于路南区。 5 e 5 4 5 , 2 量o 皇4 8 4 6 4 t 2 1 0 8 e 荔。 2 o j 乡三三至 o 2 0 6 01 0 0 o2 0柏1 0 2 04 06 01 o印“啪)d印“) 图2 7 粒度参数在深度上的分布情况 5 3 2 ， o 黄河u 潮坪沉积物垂向输j 研究 由此可见：两区沉积物粒度特征差别在表层3 0 c m 以内最为显著。路北区表层 沉积物较其下伏沉积物明显粗化，分选变好且更加正偏，其尖度值也略微降低 这充分反映了该区域动能较高的环境，在潮流和波浪的共同作用下细颗粒物质被 簸选带走，粗颗粒组分含量增加。路南区则正好相反，其表层沉积物平均粒径十 分均一，分选变差，正偏趋势变小而尖度较大。这在粒度频率累积曲线上表现为 中值粒径左移，细颗粒含量增多，曲线有明显的拖长细尾。这与生物输出沉积物 的粒度特征趋势是一致的，说明了在较弱水动力条件下，底栖动物的生物扰动作 用对于表层沉积物的混合和粒度特征改造发挥了重要作用。 2 6 结果分析 各研究区水动力条件的差别显然是人为修筑道路的结果，原本连通一片的潮 滩被分割为几块相对独立的区域。水动力条件的差别导致了各研究区侵蚀状况和 表层沉积物粒度特征的较大区别，这必然又影响到了各自的露滩时间以及营养状 况。底栖生物对环境的选择作用造就了不同研究区内生物种属及发育密度的差 别，如在水动力条件最弱的路南i 区，蟹类等掘穴生物大量发育，对滩面扰动程 度最大；路北区水动力条件最强，表层沉积物粗化且侵蚀强烈，蟹类显然不适合 在这中环境中生存，故而几乎不见其洞穴的存在；路南区的水动力条件界于二 者之间，蟹类洞穴密度相对较低，而蛤类洞穴密度大增。 底栖生物对沉积物的输运与混合有重要意义，在现场研究期间，每次退潮之 后路南i 区生物输出滩面沉积物达到了0 4 5 5 k g m 2 ( 4 5 5 吨k m 2 ) ，路南i i 区也达 到t o 3 5 k g m 2 。生物输出沉积物的粒度组成相似于其所在区域内表层沉积物， 但其中细颗粒组分的含量却偏多。已有的研究将造成这种现象的原因主要归结为 两类：一是生物通过摄食消化作用使得集合颗粒破碎成许多较小的颗粒物质 3 1 1 ， 故而其排泄物中细颗粒组分偏高。二是掘穴生物的洞穴往往连通，形成了地下排 水通道，涨落潮时由于有大量的海水( 根据b o t t o 的现场实验与估算，大约的海 水可以流过连通的生物洞穴) 流经这些“地下排水通道”，海水中较细的悬浮颗 粒往往被富含生物黏液的洞穴所捕获，生物在退潮之后清理自己的洞穴，所以其 排出沉积物要明显偏细【3 2 】。 黄河口潮坪沉积物垂向输出研究 根据我们现场的统计，蟹类发育研究区内的沉积物输出质量与其表面扰动程 度呈正相关关系，就单个洞穴来说已有的研究表明洞口面积越大输出物越多 1 3 3 i b r i n e ，这说明蟹类输出物偏细的主要原因是由于连通洞穴对悬浮沉积物的 捕获。而蛤类洞穴孔径极细且几乎垂直滩面，彼此之间也无连通，捕获悬浮颗粒 几乎不可能，其输出沉积物的偏细只能是消化作用导致集合颗粒破碎所造成。 生物活动如挖洞和维护洞穴、进食、沉积物中的移动导致了沉积物混合利 用人造成层泥质沉积物研究了生物导致的混合。更多放射性化学研究得出了相似 的结果 蚓m d e 撼髓等，2 0 0 0 ) 海洋生物引起的沉积物的混合也产生风选沉积， 细沉积物将不断的被带到表面，带出的细沉积物可能被水流侵蚀，从而影响表层 沉积物颗粒级配特性 3 5 ( s h u l l ，2 0 0 1 ) 。本文的研究成果证明了上述结论的正确 性，如生物大量发育的路南i 区，其表层5 0 c m 深度以内沉积物相对均一，而与 之毗邻的路北区由于水流的粗化作用，表层3 0 c m 以内沉积物与下伏沉积物粒度 成分相差很大。 2 7 本章小节 1 水动力条件的差异是造成各研究区表层沉积物粒度差异和生物发育状况的根 本因素。 2 底栖生物的的生命活动造成了沉积物输出滩面的现象，输出沉积物质量达到了 每平方公里数百吨。 3 底栖生物输出沉积物比其所处环境的表层沉积物含有更多的细颗粒组分，造 成这一现象的原因是多方面的，因生物种属不同而有所差别。在本文所涉及的研 究区之内，蟹类输出物中可能含有一定数量的捕获悬浮颗粒，这是其总体偏细的 主要原因。而蛤类输出沉积物偏细更多是因为生物消化作用所造成。 4 底栖生物的生命活动促进了其生存深度以内沉积物的混合，使其趋向于均一。 黄河口潮坪沉积物垂向输“ 研究 3 波浪载荷导致沉积物垂向输出研究 3 1 研究背景 由于海岸工程建设的需要和海上石油开采的兴起，海床对波浪载荷的动力响 应问题早以引起了广大学者的关注和研究，b a m e t t m 在密西西比河口三角洲粉 质粘土海床的浅水区插入压力计测量孔隙水压力以及静水压力长达8 个月。现场 的测量结果显示，由潮汐和短周期波浪导致的水面波动导致了孔隙水压力的明显 波动，海床中存在较高的超孔隙水压力。超孔隙水压力不仅有短期的对应风暴浪 的快速波动，也有长期的相对咫风过程的过程的变化。o k m a 等【3 7 1 ，在1 2 米深 水处测量海床表面以下1 2 米处的扰动土的孔隙水压力。研究发现，长周期波的 衰减比短周期波浪明显较小，时间迟后现象前者明显而后者不明显o k u s a 等f 3 8 1 也报道了一些孔压的观测结果，是在4 米深处的砂质或砾石海床中，水深1 米。 结果显示，波浪导致的海床内部压力在海床内部传播时发生明显衰减。另外，渗 透系数和海床的变形特性对波浪压力向海床孔隙水压力的转化起重要的作用。 z e na n dy 蛐a z ；牺【3 9 1 对波浪导致的孔隙水压力和有效应力进行了现场观测。得 出，海床内的有效应力随波浪周期性传播周期性波动，而且，波浪导致的海床液 化同海床内部向上的渗流密切相关。p r i o r 【4 0 l 通过现场监测风暴潮海况时黄河口 海底斜坡的稳定状况发现，风暴潮导致海底斜坡“复活”，这种“复活”重复发 生，且其发生的位置和范围几乎不变。 粉质士颗粒大小介于砂土和粘土之间，工程性质非常特殊，在波浪、地震等 动荷载作用下的动力响应比较复杂【4 1 4 2 1 ( c l u k e yec 等，1 9 8 3 ，1 9 8 5 ；t z a n gs y 等，1 9 9 2 ) 。粉土与砂土的颗粒组成差异导致