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底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 摘要 黄河口周边潮滩地区生物活动发育，生物活动是改变沉积环境的重要因子。 黄河口沉积物主要成分是粉士，具有很大的特殊性。黄河口生物种类和数量在潮 坪上的分布具有很大的差异，生物活动分布的差异性诱发了沉积物性质的差异 性，本文在大量的野外调查、现场试验和室内模拟试验中获得大量数据的基础上， 结合前期研究结果，从3 个方面研究生物活动对黄河口海床沉积物渗透性的影 响：i 、黄河口底栖动物分布现场调查及其对海床土性质影响；2 、对比研究生物 扰动区和无生物扰动区的沉积物渗透性的现场实验研究；3 、对比研究生物扰动 和无生物扰动沉积物渗透性的模拟实验研究。 生物的扰动使黄河口潮坪沉积物的含水率增加、渗透性提高、表层3 0 c m 以 上的强度降低、3 0 c m 以下的强度增加、使得潮滩颗粒细化、生物活动每天掘出 的沉积物对潮坪的物质运移将产生很大的影响。 生物活动对沉积物渗透性的影响，使得有生物扰动沉积物的渗透性大于无生 物扰动的沉积物的渗透性，典型研究区沉积物的水平渗透性要大于垂直渗透性， 而有生物扰动沉积物的水平渗透性明显大于无生物扰动的沉积物的水平渗透性。 生物扰动对沉积物的电性特性有较大的影响，生物扰动区沉积物的视电阻率 高于无生物扰动区的视电阻率。生物对沉积物的扰动作用，造成了剖面视电阻率 变化的复杂性和沉积物分层的复杂性。 室内模拟海床中由于生物孔洞的存在，表层海床土对外加荷载的响应比较灵 敏，表现为生物扰动的模拟海床表层孔压曲线的变化幅度要比无生物扰动的模拟 海床大，海床土可以形成向上和向下双面排水的渗流模式生物扰动增加了土层 的渗透性，减小了土体孔隙水压力的累积。 关键词：黄河口沉积物生物扰动渗透性 中国海洋大学环境科学与工程学院 e x p e rim e n t a tio nr e s e a r c ho f s e dim e n tp e r m e a biiit y i n d u c e db yt h eb i o t u r b a t i o ni nt h ey e ii o wr i v e re s t u a r y a b s t r a c t t h ey e ii o wr r i v e re s t u a r i r ei ec o m l _ i i o n i yd o m i n a t e db yb e n t h i cs 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 t h e h a s iso fy e ii o wr i v e re s t u a r ys e d i m e n ti s s ii t t h ed is t r i b u t i o no ft h e s p a c i e sa r ed i f f e r e n c e sa n di n d u c et h es a d i m e n tp r o p e r t ya r ed i f f e r e n c e s b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h es t u d ya r e a sa n dt h el a br e s e a r c h t h e a p p r o a c h e sr e s e a r c ha sf o ii o w s ：( 1 ) t h es t u d yo ft h ed i s t ri b u t i o no ft h e s p e c i e si nt h ey e ii o wr iv e re s t u a r ya n dt h ei n f l u e n c eo ft h eb i o t u r b a t i o n o n t h es e d i m e n tp r o p e r t y ( 2 ) c o m p a r is o n o f t h es e d i m e n tp e r m e a b i i i t y w i t h t h er e gio no fc r a bdis t u r b a n c ea n dwit h o u tc r a bdis t u r b a n c eo nt h es t u d y s i t e ( 3 ) c o m p a r i s o no ft h es e d i m e n tp e r m e a b iii t yw i t ht h er e g i o no fc r a b d i s t u r b a n c ea n dw i t h o u tc r a bd is t u r b a n c eo nt h ei a b t h es t u d ys u g g e s tt h ec r a ba c tivitie sin c r e a s e sw a t e rc o n t e n ta n d c o n d u c t i v i t yo fs e d i m e n t s b u td e c r e a s ep e n e t r a t i o ns t r e n g t hw i t h i n3 0 c m o ft h es u r f a c es a dim e n t sa n din c r e a s ep e n e t r a tio ns t r e n g t hb eio w3 0 t h ec r a ba c t v i t i e si n d u c et h es e d i m e n tp e r m e a b iii t yw i t h b i o t u r b a t i o ni a r g e rt h a nw i t h o u tb i o t u r b a t i o ns e d i m e n tp e r m e a b iii t ya n d t h es e d i m e n th o r iz o n t a ip e r m e a b iii t yi a r g e rt h a nt h es e d i m e n tv e r t i c a i p e r m e a b iii t yo nt h et y p ic a is t u d ys i t e s t h eb i o t u r b a t i o ni n f i u e n c et h es e d i m e n tr e s i s t i v i t yc h a r a c t e r t h e f a k e 。r e s is t iv i t yo ft h eb i o t u r b a t i o nz o n eh ig h e rt h a nn o n b i o t u r b a t i o n z o n e t h ec r a ba c t i v i t i e sm a k et h ef a k e r e s is t iv i t yc o n l p li c a t e d t h em o d e is t u d yo nt h ei a bs u g g e s t e dt h a tt h ec r a ba c t i v i t i e s in c r e a s e st h es e dim e n tp e r m e a bii it ya n dd e c r e a s et h ep o r ew a t e rp r e s s c u m u i a t e k e y w o r d s ：y e ii o wr r i v e re s t u a r i r e s e d i m e n t b i o t u r b a t i o n p e r m e a b i ii t y i i 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，也不包含未获得注i 垫没直墓丝盏要挂剔直明 数：奎拦互窒2 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。 学位论文作者签名刍- 陋彬 签字日期舢净月7 日 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：壶1 五彬 签字日期：2 - * 7 年占月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字： p 碰 签字瞧怿6 月7 e t 电话： 邮编 0 前言 河口是河流和海洋的枢纽，既是河流物质的归宿，又是海洋的开始；海岸是 陆地和海洋的过渡带；河口海岸是陆海相互作用的集中地带，各种过程( 物理的、 化学的、生物的和地质的) 耦合多变，演变机制复杂。河口海岸带包括海滩、盐 沼、沙和泥质平滩，在这些地区生物活动作用非常丰富，水动力条件特殊。随着 我国沿海经济建设步伐的加快及海上采油工程的不断发展，海洋土工程性质的研 究越来越显得重要。 土体渗透性是海洋工程设计与海床稳定性评价的重要土工参数之一。海床土 渗透性影响着孔隙水压力的消散、应力应变分析计算、液化分析、海床稳定性等。 在港口建设和海上油气资源的开发输运等方面，经常遇到海上结构物的地基稳定 性问题。海上结构物，如导管架平台、重力式平台、海底输油管道、防波堤等等， 在海洋环境中主要受波浪循环载荷的作用。另外，潮间带生物种类丰富，生物活 动不可避免地要对海床土产生影响。在黄河三角洲地区，1 9 8 4 年1 9 8 7 年，1 9 9 4 年，1 9 9 8 年，1 9 9 9 年多次发生暴风浪导致结构物地基失稳破坏，造成采油钻井 平台倾斜，输油管裂漏油“1 。因此，清楚地了解海床沉积物在波浪循环荷载及生 物活动作用影响下渗透系数是如何变化具有意义重大。本文以黄河三角洲为天然 实验室，结合室内试验，假定孔隙流体符合达西定律，开展了海床沉积物渗透性 对循环荷载与生物活动响应的研究，试图为合理开发近海工程项目及防避灾害性 事件提供更科学的依据。 本文是在国家自然科学基金面上项目“黄河口水下斜坡硬壳的形成与破坏”( 项 目号：4 0 1 7 2 0 8 8 ) 研究的基础上，在国家自然科学基金面上项目“生物活动导致 黄河口沉积物固结非均匀化研究”( 项目号：4 0 4 7 2 1 3 7 ) 的资助下，进行了底栖动 物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究。本文的部分研究工作已分别被海洋学 报收录发表。 正如已有的研究成果和本文将呈现出的，黄河口沉积物渗透性的研究还不深 入，一些问题还有待于迸一步探讨。本文作者水平有限，文中的纰漏与错误在所 难免，恳请各位同行专家提出宝贵意见 中国海洋大学环境科学与工程学院 1 国内外研究现状及意义 1 1 研究的意义 二十一世纪是海洋的世纪，随着海上油气勘探、开发，海底管道、电缆的铺 设，防波堤的构筑，海底士工程地质性质的研究日益受到人们重视，尤其重视导 致工程地质灾害影响因子的研究。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏， 将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失。海床上有数量丰富的软体动物、多毛 类，甲壳类等生物群落。生物沉积层和生物的摄食、建管、筑穴等活动对沉积物 的成分、结构、物理力学性质和渗透性等都产生了一定的影响。从而改变了波能 在沉积物中的衰减速率，导致沉积物的渗流场和应力场的变化，结果影响对沉积 物工程性质调查的准确性。这方面的研究不仅对海洋工程有实际的意义，而且对 渗流理论、海洋沉积学、土动力学、海洋生态环境等的研究也有实际意义和理论 研究价值。这主要表现在： ( 1 ) 在海洋工程建设中，海底土的渗流对沉积物的排水条件，固结速率，土体 强度及海床的稳定性有直接关系。生物活动对沉积物的扰动，增加了沉积物的含 水量，使表层沉积物的强度降低，在风驱动的波浪和潮流作用下很容易导致生物 扰动区沉积物的再悬浮【2 】。同时，生物的摄食、建管、筑穴等活动对细粒土的输 运，增加了侵蚀的水动力效应【3 l 。而生物的洞穴和管道，增加了沉积物的排水能 力 4 1 ，提高了沉积物的渗透性，减少了孔隙水压力的累积。 ( 2 ) 在海洋生态环境演变中，随着沿海经济的迅猛发展，近海水域的污染已成 为世界各国，特别是像我们这样具有相当长海岸线和众多海湾国家的经济发展的 制约因素。从陆地面源带来的大量营养盐物质，流经近岸的海底土，与海底土发 生着污染物质的入渗，迁移，和转化。生物活动也加速了上覆水与海床界面化学 物质的迁移和转化l ，波浪引起的水体运动和渗流是污染物传播的动力，这些 都对海洋生态环境产生重要的影响。但污染物在低渗透的海底土中是怎样运移和 运移规律如何，如何评价和发挥低渗透海床的屏障作用，都需要对海底土的渗透 特性做进一步的研究。另外，沿海地区地下水的开发，导致地下水水位下降，造 成海水入侵，也与近岸的海底土的渗透密切相关。但目前对海底土渗透的研究还 底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 远远不能满足生态环境保护的要求。 ( 3 ) 在石油的开发中，黄河口地区是油气资源非常丰富的地区。黄河口海底 土属低渗透多孔介质。低渗透油藏已经陆续投入开发，由于低渗透油藏的渗透率 很低、油气水赖以流动的通道很微小，渗流阻力很大、液固界面及液液界面的相 互作用力显著，并导致渗流规律某种程度的变化而偏离达西定律 8 1 。为了解决提 高低渗透油田的开发效，需要对低渗透海床的渗流理论进行深入的研究。 我国虽是一个海洋大国，近年在海洋经济方面已取得令人瞩目的成就，但我 国在海洋工程地质方面的研究还很薄弱，而生物扰动的海底土在波浪作用下的渗 流规律是多学科交叉的问题，它涉及到渗流理论、海洋沉积学，海洋生物学，海 洋物理，土动力学等学科的交叉，这方面的研究还是空白。国外虽然在生物扰动 对海底土的工程地质特性影响方面的研究取得了某些进展，但生物扰动对海底土 渗流的影响还处于起步状态。因而加强对海底土的渗流特性的研究是当今海洋发 展的需要，也是多学科交叉的研究热点之一。 1 2 研究现状 1 2 1 海床土渗透性特征及研究现状 海底土由于经受巨大自重及小幅度波浪的长期作用和风暴潮或地震等非常 环境荷载的瞬间作用，使得海底土处于复杂的应力场和渗流场中，与陆地土的渗 流规律有较大的差异。陆地土可以按照经典的渗流理论，认为土体的渗透系数是 常数，不考虑流固耦合作用。而海底土与波浪相互作用，导致了孔隙水压力的累 积，有效应力降低，垂向运动显著，流固耦合问题必须考虑。 虽然海底土与陆地土有很大的差异，但海底土的渗流理论，是在陆地土渗流 理论的基础上发展起来的。目前，渗流理论的研究基本分以下三个研究方向。第 一是达西( d a r c y ) 渗流理论。1 8 5 6 年达西通过大量试验研究得出均匀砂中水的渗 流速度与水力梯度的一次方成正比关系，总结出了著名的达西定律。该定律至今 仍被广泛用于水利、油气田开发、土木、海洋等工程领域。第二是非达西渗流理 论。大量的研究结果表明：流体在低渗透多孔介质( 粘土层，低渗透油气藏) 中渗 中国海洋大学环境科学与工程学院 流时，压力梯度必须大于起始压力梯度后才能流动。尤其是当流体为粘滞性高的 油类时，渗流规律有时不再遵循线性的达西渗流定律f 8 i 。而粘滞性低流体的非达 西渗流定律，还有待于进一步论证【”“。如k u f i l e l 一” 把己有的各种非达西渗流实 验曲线归因于实验方法误差。第三是流固耦合理论。其中水的运动仍符合达西渗 流定律。t e r z a g h i 早在1 9 2 5 在研究流固耦合关系，提出了有效应力原理。b l o t t 2 , 1 3 1 建立了比较完善的三维固结理论，此后b i o t t “，”1 又将此理论推广到各向异性多孔 介质和动力分析中。在此基础上，流同耦合理论的发展主要围绕着同体骨架为弹 性的、塑性的、粘弹性的，孔隙流体为不可压缩的和可压缩的等方面发展【1 6 - 2 0 l 。 目前无论海床多孔介质的渗透性如何，海底土的渗流都按d a r c y 渗流规律考 虑【2 1 。2 3 】。一维土体的孔隙水压力消散和土骨架变形的相互关系可用有效应力原理 来分析。 流体在沉积物的多孔介质中运动。孔隙性质( 孔隙半径，喉道半径，孔隙的连 通程度，水敏性等) ，流体的粘滞性、温度，流体与孔隙介质的相互作用和水力 梯度都将影响渗流的特性。其中岩土的渗透性和水力梯度对渗流速度的影响最 大。 土层的厚度也影响渗透性。既使是弱渗透性的粘土，如果粘土层的厚度小于 3 m ，它也表现出一定的渗透性，如果厚度大于1 0 m ，它的渗透性就可以忽略了 t 硼。海底土的渗透性还受有机质含量、盐度等影响。因为有机质含量高的海底土， 对土有团聚作用。而某些粘土矿物遇水有水敏现象，即土体遇水膨胀变形，泥土 团粒变为更细小的颗粒，产生流动，堵塞孔道，增加流体流动的阻力，降低了土 体的渗透性【2 ”。此外，渗透系数的测定方法也影响渗透性的分析。许多学者观测 到，在渗透性的现场和实验室试验中的测定结果差异可达到数量级。造成这些差 异的原因是采样尺度的差异，现场测试是在较大范围内进行的，而且在测试区物 质的分布具有连续性，而实验室试验室对小样品进行的。因此，室内试验和现场 试验相结合是很有必要的。 表征岩土渗透性的定量指标是渗透系数，不同的岩土有不同的渗透系数。那 么对低渗透性土的界定也有相对性。地下水领域一般把低渗透系数( k ) 的上界限 定为( 1 0 1 0 0 0 ) n m s ，低于其界限近似认为不渗透 2 6 - 2 8 l ；石油界认为低渗透系数 的上界限为( 1 0 1 0 0 ) x 1 0 。0 m 2 【”1 ；核废液处理工程中低渗透系数的上界限为 底牺动物对黄, 可l z l 海床土渗透性影响的试验研究 ( o 1 l o ) n m s 1 3 “。黄河口沉积物主要以粉土为主，其渗透性在o o l m n s 1 0 0 0 n m s ，属于低渗透性土。 渗流是土体微观结构的宏观表现。从微观的角度来看，低渗透性海底土多孔 介质的渗流过程可归结为流体对孔隙空间的逐渐占据过程。粉土微观结构显示细 小颗粒对粉土的孔隙率以及孔隙水的渗透率都起着决定性的作用 3 1 - 3 3 1 。王秀艳和 刘长礼p 4 l 研究表明：饱和粘性土孔隙水渗流规律是在不同的水力梯度作用下的重 力水，毛细水，弱结合水共同综合作用的结果。低渗透性土的微结构研究有助于 人们理解渗流通道的实际情况，以及水在孔隙中的分布形式。 1 2 2 底栖动物对海床土渗透性的影响 生物扰动( b i o t u r b a t i o n ) 是指底栖动物，特别是沉积摄食性大型动物由于摄 食、建管、筑穴等生物活动对沉积物初级结构造成的改变。国际上生物扰动作为 海洋生态学的一个重要内容早在5 0 和6 0 年代就己开展了大量的工作 3 8 l 。而我国 在这方面的研究还很薄弱 3 9 - 4 1 l 。但总的说来，关于生物扰动过程的定性描述较多， 也产生了一些生物扰动模型，如颗粒输运的扩散模型、液体输运的扩散一反应模 型、平流模型等。8 0 年代至9 0 年代，生物扰动作为水层底栖系统耦合过程的一 个重要机制受到全球海洋国际合作研究的极大重视。并取得突破性进剧姗。如使 用先进的地球物理技术( 声波反射、电子抗性) 现场研究穴居大型动物对沉积物性 质的改造【4 2 删。目前国际上生物扰动对沉积物的工程地质特性的影响还停留在几 毫米到几米的小尺度研究范围【4 ”。 c m s i u s a 等“蝽u 用同位素2 ”p b ，2 3 9 c 和2 4 0 p u 在美国m a s s a c h u s e t t sb a y 测 算出底栖动物的扰动深度为2 5 3 5 e m 。r o s e n b e r g a 等 4 7 1 用s p i s ( s e d i m e n tp r o f i l e i m a g e s ) 观察到底栖动物的最深洞穴在1 8 8 e r a ，大多数在1 0 c m 。洞穴的深度与沉 积物溶解氧的状况有关。 虽然生物活动对土体渗流的影响早在一百多年前就被人们意识到了f 4 8 1 ，直到 1 9 8 0 后，人们才开始研究孔隙是怎样影响土体排水的【4 9 1 。但这方面的室内和现 场研究仍较少，即使有研究也多集中在对农业耕作土受生物扰动方面 5 0 - 5 2 1 。 s h i p i t a l o 掣跎1 以海洋湖积粘土作为耕作土来研究蚯蚓对土体渗流的影响，指示荆 显示蚯蚓通道在人工排水系统之上存在捷径式渗流，并且通过排水系统带走了农 5 中国海洋大学环境科学与工程学院 业化肥和土颗粒。如果该通道达不到人工排水系统的深度，将不能产生优势流， 带走农业化肥和土颗粒。 对于海底土，p e t c r l 4 】运用染料示踪法直接测定流入孔洞中的渗流速度，进一 步做了理论推导，证明水流可以从螃蟹洞里流过，从而改变了排水条件。o n d a 和i i a k u r a 脚俐用水槽实验同时进行了表层水动力和管侵两方面的研究表明洞穴 的存在提高了表层水的快速排出。 海洋沉积物中微生物对有机质的分解。会产生甲烷等气体，气体的存在对渗 流有很大的影响 5 4 1 。海洋沉积物中存在气体，最初是在密西西比三角洲发现的 哪脚】，后来世界各地都不同程度地发现了这种现象，它的密度与河口和三角洲高 生物活动区有关。生物活动影响了海底土的饱和度。海底土的饱和度一般在0 8 5 到1 0 之间】，t e r z a r ：蛳有效应力原理的实用性受到限制。因此，有人建议，当 沉积物的饱和度大于0 9 时，土体中的气体只是土颗粒间流体中的孤立小气泡， 有效应力原理近似成立，这时可将水、气二相混合看作一种单相流体介质，气体 与水所承受的压力相等。但是如果土颗粒间的气泡直径过大，甚至形成气腔时， 它的固结变形就不同于孤立小气泡的沉积物了【，7 】。 综上所述，生物活动对海底土渗流的影响，表现为以下几种方式。( 1 ) 底栖 动物由于摄食、建管、筑穴等改造了海床原有的地形地貌和生物活动通道的形成 对渗流产生影响。( 2 ) 地质时代的生物沉积层改变了该土层的渗透性而影响渗 流。( 3 ) 海底土渗流的动力主要来源于波浪等水动力作用，生物扰动改变了土体 的性质，导致对波浪吸收的不同，影响孔隙水压力的累积，从而影响渗流。( 4 ) 微生物对有机质的分解，产生气体对渗流有影响。 生物活动对土体渗流的影响，只有当背景土体的渗透性很低时，才突显它的 作用。研究的方法可分为现场模拟，室内模拟和数学模型三大类。现场模拟和室 内模拟大多采用示踪剂法( 如甲基蓝，二氧化锑染色的玻璃纤维树脂等) 。显示了 生物洞穴和管道优势流的存在睁甜。p i e t r o 等使用对流扩散( k d w ) 模型模拟 了圆柱筒中土体的生物洞穴和蚯蚓管道中的优势流，试验和模型的结果吻合的很 好。w e i l e r 【5 8 j 用i n 3 m ( i n f i l t r a t i o n - i n i t i a t i o n - i n t e r a c t i o nm o d e l ) 模型模拟了大孔 隙的渗流，并用示踪剂来验证模型的效果。总的来说，数学模拟模型由于不能模 拟所有的大孔隙相关过程而不能提供一个满意的结果。故数学模拟模型并不具有 底牺动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 通用性。吴增茂等【5 9 l 利用生态动力学综合实验观测，建立了一个水层一底栖生态 系耦合的动力学箱式模型，将生物活动变量耦合到水层距模型中，成功地模拟了 胶州湾北部各生态变量的季节变化特征。生态动力学模型又不同于渗流模型。 模拟土体中的大孔隙渗流可借助于模拟裂隙水的二元介质模型概念，考虑大 孔隙渗流优先于周围土体介质的渗流，但裂隙网的确定是很困难的，精度受模拟 范围的影响。所以生物活动对土体渗流影响的研究方法有很大的发展空间。最有 效的办法是实测生物活动对土体渗流的影响。再用数学模拟的方法来研究生物扰 动对渗流的影响，可把生物扰动的土层与没有生物扰动动的土层按渗透系数的不 同来处理，这是比较有效和可行的方法之一 现代黄河口的地形坡度仅有万分之几删，沉积物的渗透系数在1 0 。c m s 左 右，无法观测到潮滩地下水的流动。这种情况下，低渗透性海底土中生物活动形 成的洞穴和管道对波浪作用导致的渗流影响较大，另外生物沉积层对渗流也会通 过改变土体的渗透性和对波浪的吸收而影响渗流。目前，研究生物扰动对海底土 渗透的影响，国内外还很少有报道。 1 2 3 底栖动物对海床地形地貌的影响 m a 研究m o k 湾的沉积环境发现它的表层完全被沉积摄食性的大型底栖动 物扰动了，指出这与m o k 湾的富营养化和有机质的大量沉积有关，而与动物的 丰度无关。一些小型的底栖动物因氧含量随深度减少，往往在泥滩面最上层几厘 米的地方聚集，他们的活动也扰动了沉积表层的地貌特征。但影响较大的还是大 型底栖动物，他们在潮滩表面形成的坑、洞穴和圆丘等，改变了地表的粗糙度。 b e r g e r 等研究了稳定流条件下的沉积模式，结果柱状沉积样被分成四层；混合层， 过渡混合层，过渡层和原始层。每层的厚度与沉积率，有机物质通量和底栖动物 的聚集性等环境条件有关。对于快速堆积河口潮滩地区，由于沉积的周期性，快 速堆积使得潮滩沉积物在深度上出现分层，在生物活动的作用下，沉积物中又会 出现具有生物活动特性的沉积物夹层。c u t t e ra n dd i a z f “1 利用沉积物剖面和 s p i s ( s e d i m e n tp r o f i l ei m a g e s ) 来研究沉积物的沉积特性，提出了一个假定的模型 ( 如图1 1 ) ，解释生物有机体和沉积物之间的相互作用。 中国海洋大学环境科学与工程学院 图1 1 快速堆积性河口生物活动发育区沉积物沉积模式f 6 l l 黄河口属于快速堆积性河口，生物活动沉积特征明显2 删。在海洋动力的作 用下，渤海沿岸先后形成了四五道贝壳堤【删。 8 底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 2 黄河口典型研究区特征 2 1 概述 黄河以其水少沙多、尾闾善徙著称于世。巨量的泥沙入海为黄河三角洲的形 成和发育提供了丰富的物质基础。自1 8 5 5 年黄河改由渤海入海以来，尾闾河道 频繁摆动，由各个时期的三角洲沉积相互叠置形成现代黄河三角洲体系，典型研 究区具体位置如图3 1 。 黄河三角洲的沉积模式主要与河流过程，黄河来水、泥沙有关。据研究，黄 河入海泥沙，除一部分粒径小于0 ，0 1 5 毫米的极细颗粒扩散到外海，大部分粒径 o 1 2 5 一o 0 2 5 毫米的极细砂和粗粉砂粒级都沉积在三角洲前缘地带，以河口沙坝、 沙咀形式造陆，使海岸线向前推进。沙咀不断向外延伸，行水河道纵比降逐渐减 小，当沙咀延伸到一定长度，比降减小到一定临界值，在适当水流条件下尾闻河 道就发生决口改道，到三角洲其它部位入海，以后又重复这一过程。由于黄河含 沙量高，淤积快，决口改道频繁，因而不可能形成伸长型的三角洲指状沙坝，主 要发育河口沙咀和沙坝，使三角洲前缘朵状砂及其外缘的席状沙体向前延伸，逐 渐覆盖前三角洲泥相，形成沉积物向上变粗的层序。 2 2 典型研究区地形地貌特征 潮间浅滩又称潮间带或潮滩，系指大潮平均高潮位与最低低潮位之间的海 岸堆积体。因位处海陆接壤带，承受着海水的周期性淹没，故兼有海洋与陆地的 地貌、生物和物理学等共同特征。依据潮滩上微地貌、动力条件和生物分带现象， 将潮滩进一步分为潮上带、高潮滩、中潮滩和低潮滩四个带。属于潮间浅滩一级 地貌。再依据各带地貌的动态变化和水动力条件的强弱划分出强冲蚀滩面、中等 冲蚀面、弱冲蚀滩面、平衡滩面、中等淤积滩面和弱淤积潍面等六种动态地貌类 型，属于潮滩二级地貌。潮滩各带和各种动态滩面的的具体表现形式如：潮水沟、 冲蚀带、贝壳滩、波痕、冲蚀残留凸地、淤积浅洼地和滩斑等，它们反映了潮滩 各带和各种动态滩面的典型特征，故而可以将微地貌作为潮滩的三级地貌来看待 1 6 5 1 。 9 中国海洋大学环境科学与工程学院 黄河口地区发育了丰富的沉积构造类型，反映了其沉积环境和沉积过程的复 杂多样性。这些沉积构造包括流动成冈的构造，如波痕、流痕、水位痕、剥离现 理、冲刷面、障碍痕、工具痕；准同生变形构造，如滑动构造、变形层理、液化 构造、气胀和气泄构造、皱痕；暴露成因的构造，如干裂、雨痕、泡沫痕等；化 学成因的构造，如结核、石盐晶体印痕；生物成因的构造，如足迹、潜穴、球粒 等【。 2 3 典型研究区水动力条件 渤海海域浅海岸流因季节不同而有变化。冬季为寒流，流向从西北向东南； 夏季为暖流，流向由东南向西北。海浪的变化与季风风向吻合，冬季以北向浪为 主，夏季以南向浪为主，春秋季节浪向多变。沿岸海域浪向复杂，波浪由深海向 浅海逐渐减少，但在大风作用下，浅海海域也容易产生大浪。全年以东北向浪出 现的频率最高，为1 0 3 ，极值波高5 3 m 。黄河三角洲波浪水动力条件最强的是 三角洲的东北部，其次是北部海岸，东部海岸水动力条件最弱。研究区位于黄河 刁口流路东侧，整个潮间带总坡降平均为0 9 左右，根据地貌形态可将潮间带 分为高潮坪、中潮坪、低潮坪。潮滩发育区域为凹进陆地、北向敞口的海湾。该 区域水动力条件较为单一，潮差较小，潮流及余流受海湾地形的约束强度较弱， 水动力作用主要以北向风浪为主。 研究区所在海域的波浪主要为风浪，波浪的大小随风速的改变而变化。根据 统计资料，强浪向为北东向，次浪向为北北西，常浪向为南向。一般天气条件下 波高不超过5 m ，极端海况下波高可达到5 8 m 。潮流基本属于正规半日潮，最大 潮流流速大于1 2 0 c m s 。 2 4 典型研究区沉积物的组成与分布特征+ 刁口海域沉积物主要以粘土质粉砂或粉砂质粘土为主，总体趋势为近岸处粘 土含量较低而远离岸边粘土含量有所升高。根据海洋调查规范规定的主次组份命 名原则，据已有调查资料在本区主要分布有以下几种沉积物类型。 a 、极细砂 底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 主要分布在河口拦门沙以及砂咀顶部蚀退中心区，中值粒径为3 6 3 4 由 左右，组份含量可达8 0 9 0 ，其余为粗粉砂，分选良好，接近正态分布。平 面分布面积较小。 b 、粉砂质砂 主要分布在河口砂咀顶部表层及底坡蚀余垅岗顶部及冲沟中，其中值粒径在 3 6 4 由之间，极细砂含量占5 0 7 0 ，粉砂粒级较少，占2 0 4 0 ，粘土含 量较低，一般只占1 5 ，不超过1 0 。 c 、砂质粉砂 主要分布在本区的零米等深线附近到2 m 以内的潮间带和低潮线砂波带的下 部，粗粉砂占4 6 7 0 ，细砂以上各粒级含量占2 0 4 0 ，粘土粒级含量仅占 3 8 ，中值粒径为4 4 4 5 由之间，分选较好 d 、粗粉砂 是本区内潮间带及浅海部分的主要沉积物类型，水下底坡大部分海底都以粗 粉砂为主，粉砂组份含量在7 0 8 0 左右，粘粒及砂以上各粒级的含量都比较 低。其中值粒径一般在5 6 中之间，分选好，平面上展布面积最大。 e 粘土质粉砂 主要分布在水深1 5 m 以外的浅海区域，其中粉砂粒级的含量约占6 0 ，粘 粒含量占3 0 ，细砂以上粒级含量在5 左右，较少达到1 0 ，分选中到差， 中值粒径在5 7 巾之间。 粉土在近岸沉积物分布中是非常常见的，尤其是在河d _ - - - - 角洲地区，粉土是 介于砂土与粘土之问的一种土，性质既不同于砂土也不同于粘土，其力学行为是 比较复杂的，尤其是在动荷载的作用下其动力学行为更加复杂，而孔隙水压力在 粉土动力学行为中扮演着一个很重要的角色，其变化会直接影响到土体的稳定性 似时 。 另外，由于现代黄河三角洲形成和演化的特殊性，即黄河尾闾的频繁摆动， 多个三角洲叶瓣相互叠置生长，使许多软土沉积被埋置在下部，从而出现上部土 层的超固结比大于下部土层的反常情况，这是有别于一般沉积土的“”。 中国海洋大学环境科学与工程学院 2 5 研究区底栖动物活动及分布特征 刁口海域沉积物主要以粘土质粉沙或粉沙质粘土为主，是高含沙量的河流在 弱潮陆相河口快速堆积形成，有数量丰富的蟹、瓣腮、腕足类活动，生物洞穴发 育。潮间带生物共1 9 5 种，其优势种有日本大眼蟹、三齿原蟹、四角蛤蜊、文蛤、 青蛤、近江牡蛎、光滑河蓝蛤等1 。 贾永刚，周其健等”“分别于2 0 0 3 年8 月中旬，2 0 0 4 年4 月中旬实地考察了 研究区内的生物活动，包括生物的种类，数量以及生物地貌特征。结果发现，研 究潮坪上的造迹生物主要有螃蟹、腕足类、蚯蚓、虾、螺和鸟等，其中螃蟹最为 发育。滩面上与生物活动伴生的微地貌特征广泛存在，包括洞穴、小粪球、小土 墩、洞穴连通塌陷的凹坑等，见图2 - 1 。潮坪上螃蟹活动极其活跃，在研究区内 数平方公里内洞穴居住，退潮后开始出现在潮坪上，进食、活动，在潮坪留下不 计其数的新鲜的排出物和爬痕。 图2 - 1 研究区内生物活动产生的微地貌特征 上图是研究区内不同生物活动特征：( a ) 成群洞穴，在研究区内较普遍，密度可达 5 0 个m 2 ；( b ) n 穴及波痕，存在于靠岸处，洞穴的存在改变了波纹状态；( c ) 相互 连通洞穴，研究区内部分洞穴相互连通，水体可以从中通过：( d ) 流状堆积物， 研究内普遍存在；( e ) 带孔小土墩，直径可达2 c m ，少见；( 0 气胀构造；( g ) n 穴及 堆积体，堆积体位于洞穴后方，涮口倾斜；( h ) 螃蟹及涮八，涧= ， ( 周围有粪球， 底牺动物对黄河口海床土渗透性影晌的试验研究 洞穴深度可达3 0 c m ( i ) 、( j ) 虾及虾洞穴连通，虾通道在土体内相互连通，错综 复杂；( k ) 螺及障碍痕；( 1 ) 、( n ) 多个连通洞穴坍塌形成大的凹坑，直径可达3 0 c m ： 侵蚀地貌及波痕，生物扰动过的松散土体侵蚀形成；( o ) 、o ) 涨潮前后洞穴， 洞穴在潮周期内动态变化。可见研究区内主要存在生物活动直接产生的微地貌 ( 洞穴、土墩、粪球等) ，以及生物活动和环境因素共同作用下间接产生的地貌特 征( 洞穴坍塌连通、气胀构造、侵蚀地貌等) 。 中国海洋大学环境科学与工程学院 3 黄河口典型研究区底栖动物分布现场调查及其对海床土性质影响 3 1 概述 生物活动影响并改造着潮间带的沉积环境。生物活动和水动力耦合作用导致 的海底土的渗流差异、沉积物运移差异和沉积物工程性质非均质化等问题都日益 受到人们的关注 4 7 2 , 7 3 j 。底栖动物群落也改变着沉积特性。如环境的改变、天敌、 种间竞争及人为因素的破坏等原因，致使底栖动物大量死亡，形成遗骸堆积，在 波浪和潮流的作用下形成搬运堆积或混合在沉积物中，具有了生物沉积特性嗍 如黄河口海岸带的贝壳堤和地层中的生物残骸。许多学者研究潮问带松软沉积物 上非常活跃的穴居螃蟹对沉积物的特性的影响，指出螃蟹能改变颗粒大小和有机 物的分布或沉积物中的化学成分，能促进和抑制微生物活动和海底动物的丰度 1 3 , 7 2 , 7 5 1 。大量的现场和室内试验表明螃蟹和其它生物挖的洞，在地表面形成的圆 丘，改变了地表的粗糙度，改善了海底土的排水条件，增加了捕获岩屑的能力， 改变颗粒的起动临界条件，使土体更易于被侵蚀输运，加快潮滩侵蚀【 j 。 3 2 底栖动物的分布现场调查 在通常的研究中，一般将不能通过0 5 m 孔径筛网的底栖动物个体称为大型 底栖动物。在大部分水体中，大型底栖动物的生物量在底栖动物中超过9 0 ，而 且底栖动物对潮间带沉积物的扰动多以大型底栖动物为主【7 6 】。袁兴中 r r j 的研究也 表明：在河口淤泥质区域，小型底栖动物一般仅出现在上层几厘米处，其分布具 有明显的表聚性，对沉积物的扰动影响小。故本文只研究大型底栖动物。 3 2 1 底栖动物调查点分布 典型研究区i 所在的潮间浅滩，被北偏东l o 。方向延伸的进出井场道路所分 割，潮坪有多条东西向通往石油钻井平台的道路，其遮挡作用造成了波浪作用差 异，故使滩面形态产生较大差异。2 0 0 5 年5 月作者在研究区采用“s ”型布点，单 点采样法。分别在研究区的高潮坪取5 个站点( h ) ，中潮坪取7 个站点( m ) 低潮 底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 坪取4 个站点( l ) 如图3 - 1 ： r 日，it i ， r 呵、奢 罂干 墨举 匿 叠 璧 ： 因黼t 舱 回硼d r 圃知删 回l 聊_ - 硼髓* 【蝴耳蚓嗽点舯粤 凹t 辨艇捌m 脯 圈自 四髓 敏i 嚣蠢 塑， 图3 - 1 研究区i 的地理位置及站点图 站点性质分为潮沟h l ，m 2 ，m 4 ，m 6 ，l 2 ，l 4 ：潮沟顶h 2 ，m 5 ：潮坪h 3 ，h 4 ，h 5 ，m l ( 光 板地) 。m 3 ，m 5 ，m 7 ，l l 。l 3 。 3 2 2 调查取样方法 3 。2 2 1 取样 用国家计量标准认定的生物样采样器，其体积为2 5 c m 2 5 c m 4 0 c m ，标 准面积为0 0 6 2 5 m 2 样品采集器。在沉积物采集生物样，用铁铲挖出沉积物，放入水 中淘洗，将洗液倒入0 5 , m 的分样筛中，然后再将筛底放在水中轻轻摇荡，洗去 样品中的污泥( 若样品量大可分几次洗涤) ，动物有些需要麻醉的，一般把它们 放在培养皿中，加少量水，然后每隔l o 分钟滴加9 5 酒精，直至动物体全部伸 直。然后用4 1 0 甲醛液固定，最后将固定的动物和筛中的渣滓倒入样品瓶中， 并贴上标签，带回实验室分检。采样时每个采样点随机采3 5 次样品。 中国海洋大学环境科学与工程学院 3 2 2 2 室内样品的处理和保存 a 将上述采得的样品带回室内进行分检。将样品瓶内样品倒入分样筛内，在 自来水中冲洗，直至污泥完全洗净，然后将渣滓倒入白色解剖盘内，加入清水， 检出放入之广口瓶中固定保存。直至检完为止。 b 标本需用小镊子、解剖针检选，柔软较小的动物也可用毛笔分检。此时， 要避免损伤动物体。每一样品瓶的样品检完后贴上标签。 c 检选出的潮间带动物分别固定分装在样品瓶中，移入7 0 酒精中封存。软 体动物的螺类可保存于7 0 8 0 的酒精中，4 5 天再换一次酒精即可。也可用 甲醛液固定，但务必加入少量苏打或硼砂中和酸性甲醛，不然，软体动物的钙质 壳，会被酸性甲醛腐蚀。甲壳动物，可放入瓶中用7 5 酒精固定。 3 2 3 调查结果分析 3 2 3 1 大型底栖动物种群分布特征 本次调查中，研究区内共检出1 8 种大型底栖动物，分属4 大门多毛类出现8 种，甲壳类出现2 种，软体动物出现8 种；高潮坪检出3 种，中潮坪检出1 3 种， 低潮坪检出1 1 种，潮问带动物构成中以多毛类和软体动物占绝对优势( 见图3 - - 2 ) ，其中甲壳类的伍氏厚蟹( h e l i c et i i d e n t sw u a n ar a t h b u n ) ，日本大眼蟹 ( m a c r o p h t h a l m u sj a p o n i c u s ) ，软体动物中红明樱蛤( m o e r e l l ar u t i l a ) ，多 毛类的索沙蚕为生物量，密度和丰度上的优势种，统计结果见图3 - - 2 。 底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究 图3 2 研究区生物的种类结构 潮问带底栖动物按生活型可划分为底上型和底内型动物。底上型动物包括底 上附着型( 包括软体动物腹足纲的所有种类) 、底上匍匐一漫游型( 如等足目的种类) 和游泳底栖型( 如虾类) 。底内型包括底内潜穴型( 包括环节动物门和软体动物门 双壳纲种类) 和穴居型( 甲壳纲蟹类) 。底栖动物按食性可划分为：沉积物食性、浮 游生物食性、植食性、杂食性，肉食性。动物的摄食行为和沉积物中的可食性对 沉积环境的再造影响较大。对地质沉积环境影响最为明显的是沉积摄食性底内大 型动物。由于他们的摄食、建管、筑穴等动物活动对沉积物初级结构进行了改造 3 8 1 。 按生活型的划分原则，把研究区的底栖生物划分为底上附着型，多毛类沙蚕、 海蛹和双壳类的红明樱蛤、太阳地蛤、脆壳理蛤、铁蛤、橄榄蛤划分为底内潜穴 型，伍氏厚蟹、日本大眼蟹划分为底内穴居型。 3 2 3 2 大型底栖动物的分布特征分析 选择使用了以下计算公式7 8 l ，进行数据和结果的分析。 ( 1 ) 生物量：称底栖动物重量，把它换算成每平方米面积上的重量，单位： 黾 蠢。 ( 2 ) 生物密度：统计底栖动物的个数，把它换算成每平方米面积上的个数， 单位：个m 2 。 ( 3 ) 种类丰度：d = - ( s - 1 ) l 0 9 2 n( 3 1 ) ( 4 ) 多样性指数： 日= 一善a l 0 9 2 ( 3 2 ) ( 5 ) 均匀度指数： j 2 驯l o g ：s ( 3 3 ) 式中，s 为群落中的总种数：n 为观察到的个体总数( 随样本大小而增减) 。 p i 为属于种i 的个体在全部个体中的比例。 ( 1 ) 生物量 底栖动物的生物量测定采用称重法，称重前，先把样品放在吸水纸上，轻轻 翻滚，以吸去体外附着水分，然后称其蕈量。大型种类应吸至吸水纸上没有潮斑 中国海洋大学环境科学与工程学院