莱州湾西海洋环境下表层沉积物与悬浮泥沙的关系

莱州湾西海洋环境下表层沉积物与悬浮泥沙的关系

莱州湾西南岸海域位于黄河三角洲东南侧，地形平坦，起伏较大。研究海域为典型的粉砂淤泥质海岸(中国海湾志编委会,1993)。研究海域有多条河流入海,主要包括小清河、淄脉沟、弥河和潍河等。这里曾发育典型的河流三角洲,它是多条河流共同塑造的一个集群河流三角洲,称之为胶莱河-潍河-白浪河-弥河-小清河三角洲(薛春汀等,2008)。三角洲附近的泥沙在海洋动力因素的作用下,对人类的生产活动影响巨大,泥沙运动不仅对岸滩侵蚀淤积、港口淤积产生重要作用,而近岸泥沙也是各种重金属污染物和营养盐的重要载体,泥沙运动掌控着海洋中污染物的聚集与运动过程(Heidietal,2006)。已有研究表明,莱州湾泥沙主要来自于涨潮流携带而来的泥沙和河流径流携带的泥沙,底床沉积物以淄脉沟为界,北部沉积物分布具有一定的规律性,表现为从近岸到远岸由细变粗再逐渐变细的分布特征(程义吉,2006);江文胜等(2002)利用2000年夏季的资料研究了渤海悬浮物浓度与水动力之间的关系。大多研究是根据莱州湾内较深海域的夏季观测资料所得成果,本文利用冬季(2007年1月)获得的表层沉积物和悬浮泥沙样品进行分析,对莱州湾西南岸海域的泥沙运动特性进行研究,并结合水动力特征、沉积物粒度特征对泥沙分布特征的空间差异和来源进行分析研究。1海岸泥沙主要来源研究海域年平均风速为4.0m/s,在本次调查时段的冬季,风速相对最小,月平均风速为3.0m/s。波浪以风浪为主,主要受季风控制,出现频率高于80%。在地形的作用下,波浪主要为由偏东风引起的NE-SE向浪。强风向与常浪向均为NE向,最大浪高1.8m(中国海湾志编委会,1993)。潮汐性质为不正规混合半日潮,涨潮流历时略大于落潮流历时。涨潮流方向指向岸边,平均流速为0.33cm/s左右;落潮流为离岸流,平均流速为0.34cm/s,两者相差不大。海岸泥沙主要有两个来源:一是涨潮流携带的泥沙;二是淄脉沟径流携带的泥沙。黄河在1976年以前由刁口河流路入海,当时只有极少量的黄河入海泥沙进入莱州湾。在改道清水沟流路初期,莱州湾出现了轻微的淤积。而黄河口沙嘴在1990-1996年期间向海进积后,莱州湾发生了较为显著的淤积,淤积最为严重的时间是1993年黄河口门向东南摆动入海期间。黄河口在1996年改道汊河后,莱州湾又出现轻微淤积的状态(程义吉,2006)。多年的动态卫星遥感图(图1)显示,高含沙量的水体并不是存在于整个莱州湾,一般集中在莱州湾中部,在莱州湾的南岸较低,显然这种含沙量的分布特征与黄河入海泥沙运动密切相关。2悬浮体检测方法2007年1月,在莱州湾西南部海域进行了7条断面调查,采用7条调查船进行了准同步调查,共采集了36个站位的沉积物和悬浮泥沙水样(同站位同次采集),并在潮滩进行了3条剖面的沉积物采集(图2)。在调查期间,天气状况较好,没有明显风浪。悬沙水样使用SBE32型采水器(5l),分别在表层(距水面0.5m)、底层(距海底1~1.5m)进行采集。水样采集后的第2天在实验室采用真空负压法进行悬浮体抽滤,滤膜直径47mm,孔径0.45μm;采用1/10万的Sartorius电子天平进行悬浮体称重,感量0.01mg,过滤后样品烘干(40℃)恒温称重,计算出各站含沙量,悬浮体浓度数据皆经过双重滤膜进行了校正。利用Cilas940L型激光粒度仪对悬浮体样品和沉积物样品进行粒度分析,然后采用矩法(McManus公式)计算其平均粒径、分选系数、偏态、峰态等粒度参数及砂、粉砂和黏土等粒级组成。3开发内沙量莱州湾西南岸海域表底层含沙量的平面分布如图3所示。含沙量总体表现出近岸含沙量低,远岸含沙量高,底层含沙量高于表层含沙量,且海域北部含沙量高于南部的分布特点(陈斌等,2009)。近岸海域的含沙量相对较低,大约在40mg/l左右,但在弥河口、小清河、淄脉沟的口门处稍高,淄脉沟东北向海域含沙量最高,超过120mg/l。表层含沙量最大值为170mg/l,平均值为80mg/l;底层含沙量要明显高于表层含沙量,同时底层含沙量的分布形式也比表层复杂,但是大致的分布特点类似表层含沙量:近岸含沙量较低,远岸含沙量较高,北部含沙量高于南部。底层含沙量最大值范围和表层基本一致,其高值为186mg/l,平均值为115mg/l。总体来看,淄脉沟以北含沙量相对偏高,以海域的东北部为最高,小清河以南海域含沙量较低。根据近年来黄河口南下泥沙流的输运距离及粒径来看,黄河入海泥沙向莱州湾扩散的范围基本到淄脉沟附近,很难扩散到小清河等南部海域,除非在强潮流及北向大风的连续作用下,可能到小清河口附近。因此,从含沙量的分布特征上来分析,海域的东北部高值区主要是黄河入海泥沙的贡献,而小清河以南海域则主要是近岸泥沙在波浪、潮流等动力条件下发生的底床泥沙再悬浮作用导致。4沉积物的粒度特征4.1潮滩沉积物类型通过对3条潮滩剖面(图2)的沉积物粒度分析(表1)发现:淄脉沟以南的剖面S1,潮滩的沉积物类型主要为粉砂质砂至砂质粉砂。从高潮滩的粉砂质砂逐渐过渡为中、低潮滩的砂质粉砂;中值粒径范围为3.953~4.259φ,分选系数界于0.5~0.637之间,分选性好,且高、中、低滩的分选性具有一致性,说明该海域在充分的海洋动力条件作用下,物源保持了一致性。砂含量由高潮滩向低潮滩含量逐渐减少,而粉砂和黏土含量则与砂含量的分布相反,表现由高潮滩向低潮滩含量逐渐增大;小清河口南侧的剖面S2,潮滩沉积物类型复杂,高潮滩为粉砂,中潮滩为砂质粉砂,低潮滩为黏土质粉砂。中潮滩表层沉积物粒径相对较粗,向高潮滩和低潮滩分别逐渐减小。中值粒径范围为4.532~6.147φ,分选系数界于1.222~1.389之间,高潮滩的分选系数低于低潮滩。粉砂含量在61.39%~75.62%之间,为各剖面最高;小清河口和弥河口之间的剖面S3,高潮滩的沉积物主要为砂,而中、低潮滩则为粉砂质砂。中值粒径范围为3.472~3.824φ,分选性好,分选系数界于0.308~0.664之间,分选系数由近岸向远岸逐渐增大。由于低潮滩海洋动力条件较强,高潮滩的分选系数要低于低潮滩。砂含量介于60.48%~81.61%之间,为各剖面最高。综上所述,小清河至弥河之间的潮滩沉积物类型主要是粉砂质砂,也有少量砂和粉砂分布,潮滩物质类型相对较多;而淄脉沟至小清河之间的潮滩沉积物类型以砂质粉砂和粉砂质砂为主,潮滩物质从南到北保持了一定的一致性。研究海域受北向、东北向风浪的影响较大,近岸海域水动力较强,此外沿东北向海域受到黄河泥沙物源的影响,综上因素研究海域的潮滩物质沿垂直岸线的西南-东北向,沉积物粒径逐渐变细。4.2海岸沉积物的空间分布特征4.2.1沉积体系及沉积特征通过分析研究海域7条断面36个观测站位的粒度组分含量,发现砂组分是研究海域的重要组分,分布差别较大,含量最高可达87.51%,含量低值仅为0.31%,分布情况见图4。其中弥河口为砂组分高值区,含量在60%以上,弥河东部近岸区甚至达到80%以上。由于小清河口拦门沙的存在,60%等值线向西北方向延伸至小清河口。淄脉沟口附近海域的砂组分含量为40%~60%。由近岸向远岸,砂含量逐渐降低,至5m等深线处则降为10%左右,等值线方向基本与岸平行,且海域内表层沉积物分选性好。这一分布特征,反映它们是在一定的水动力条件下经长期分选和沉积而成,近岸区物源主要是弥河、淄脉沟和小清河。其中黄河曾夺小清河流路入海,大量泥沙在海洋动力环境下搬运与沉积,粗的物质沉积在口门处形成拦门沙,细粒组分则在浪流潮的作用下扩散与沉积,成舌状分布。粉砂组分也是研究海域的主要组分,高值为84.37%,低值为10.79%,分布趋势与砂组分相反。弥河口附近海域为低值区,含量仅为0~20%,小清河口则为一高值区,含量介于40%~60%之间,两区呈犄角之势控制了表层沉积物的分布格局(图5)。研究海域粉砂、砂和粘土的含量均呈带状分布,由西南向东北呈逐渐增大的趋势,等值线展布大体与等深线平行。黏土组分为研究海域的次要组分,实测的黏土组分含量最高为53.54%,最低为1.39%。其分布趋势为:除小清河口有小片区域含量在20%左右外,-2m等深线附近及以内的海域沉积物黏土含量均在0~10%之间。研究海域东北角大约-5m等深线的区域黏土含量稍高,约在20%~30%之间(图6)。综上所述,研究海域沉积物分布具有典型的分带特征。近岸海域沉积物以粉砂质砂、砂和砂质粉砂为主,沉积物的粒径相对较粗,向远岸海域逐渐过渡为粉砂和黏土质粉砂。淄脉沟至小清河口的沉积物类型共有4种,由近岸向远岸分别是粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂,淄脉沟近岸沉积物类型相对单一,主要物质类型为粉砂质砂,而远岸的物质类型主要为砂质粉砂。小清河口在河流动力和海洋动力的双重影响,沉积物分布较为复杂,其典型特征为河口拦门沙体的存在,以及小清河入海的细粒泥沙落淤。小清河下游河道的沉积物主要是砂质粉砂,在水动力和风浪作用下,较浅河道的沉积物通过再悬浮,重新进入水体,在水流携带下到达河口后,随着能量的耗散,水流减小不足以携带的泥沙在在口门附近落淤,形成一块砂质粉砂区。另外,由于海洋动力条件和河流的相互作用下,小清河口外约2km处存在一块较大范围拦门沙(刘国亭等,1998),沉积物的类型主要为粉砂质砂。从小清河口到弥河口段的区域,近岸大面积砂的广泛分布是该段的典型特征。砂的分布范围较小,主要集中在弥河口附近0~-2m等深线之间的区域,这也反映了弥河的搬运特征。4.2.2近深剖面、近粗面线特征在各断面间的沉积物粒径的变化规律图7主要反映了沉积物的粗细程度,从图中可知沉积物表现出南部粗,北部细的分布特征。中值粒径分布范围是3.25~6.88准,北部远岸海域,中值粒径值较大,最大值超过6.0φ;而南部海域的中值粒径值较小,在3.25~4φ之间。也可以发现随着水深增大,中值粒径呈递减趋势,这也能说明该海域在动力条件下的分选比较充分。此外沿东北方向的较深海域可能受到黄河较细物质的影响,因此随着水深增加粒度的变细不能排除有黄河物质的影响。根据中值粒径的断面分布情况(图8),同样发现在各断面上,中值粒径均表现为由近岸向远岸逐渐减小的趋势,在-2m等深线以内各断面的中值粒径变化幅度不大;而向外至-5m等深线变化幅度增大,中值粒径迅速减小,这主要是由于水深地形条件变化,导致波浪、潮流动力作用强度不同引起的,同样也可能存在黄河细颗粒物质的贡献。不同等深线处的沉积物粒径的变化表现出不同的特征(表2),由岸向海,粗化程度减小。1980-2007年,小清河口0m等深线处中值粒径由0.072mm增大为0.083mm,粗化较为明显;-2m等深线处中值粒径由0.063mm增大为0.078mm,也有粗化现象,但近粗化的趋势有所降低;而-5m等深线处中值粒径由0.045mm减小为0.035mm,发生了细化现象,说明粗化现象仅发生在-5m以浅的近河口海域。莱州湾西南近岸区的粗化现象普遍存在,小清河与弥河口岸滩的形成均是1937年黄河决口夺小清河入海泥沙的产物。其沉积物粗化的原因,主要是由于海域内河流上游各种水库工程的修建和工农业用水,使得入海的泥沙量逐年减少。小清河自1980年后,入海水、沙量急剧减少,现小清河全年输沙量仅有1.93×105t。另外又因为近年黄河流域长期干旱少雨,又加上工农业用水量增加和水库建设等人类活动因素影响,使得来水来沙不断减少,甚至发生间歇性断流更加造成入海泥沙的锐减。在上述因素下,海域的物质得不到充分的补给,而在波浪潮流等动力条件下,细颗粒的泥沙物质不断被冲刷,被输运到较深海域,也就造成了岸滩和近岸浅海沉积物质逐年粗化之趋势。4.2.3砂与粉砂粒组的分选研究海域在-5m等深线以浅沉积物的分选系数基本小于0.6,分选程度很好;0m等深线附近分选系数平均为0.46;-2m等深线附近沉积物分选系数平均为0.44,说明-5m以浅海域的动力条件较强,沉积物的分选性好。在-5m等深线附近平均分选系数约为1.07,明显高于近岸区,分选系数最大值为1.49。随沉积物粒径增大,分选程度呈现出越来越好的趋势。弥河口附近海域,沉积物类型以砂为主,粒径较粗,沉积物分选系数相应较低,分选程度高,一般在0.3~0.5左右;而北部淄脉沟外-5m等深线处为黏土质粉砂和粉砂类型为主,粒径较细,分选系数高,一般在1.0左右,分选程度好至中等。如图9,在砂至黏土质粉砂范围内,分选系数随中值粒径(φ值)的增大而线性增大,两者相关系数为0.86,在99.99%的置信区间内线性相关,这充分说明近岸海域潮流、波浪作用对砂和粉砂粒组的分选作用更为明显。综上所述,-5m等深线以浅的海域由于波浪作用较强,再加上潮流与地形的作用,沉积物中细颗粒的物质容易起动,在强动力条件下被输送到较深海域,从而表现出浅海域分选性较好;而在-5m等深线以深的海域在水深较大的情况下,波浪潮流作用减弱,海域的沉积动力作用相对较弱,沉积物相对稳定,另外来自黄河的细颗粒物质对较深海域也有一定的影响。4.3沉积物和砂组成选取14个测站沉积物粒度数据和悬浮泥沙粒度数据来分析两者在沉积过程中的相互关系,其中近岸区海域7个站位(A01、B01、C01、D01、E01、F01、G01站),远岸海域7个站位(A05、B05、C05、D06、E05、F06、G05站),比较结果见表4和表5。总体来说,小清河口以北的近岸海域(A01、B01、C01、D01站)采集的悬浮泥沙中值粒径准值要小于沉积物的中值粒径,其中砂为主要组分,粉砂与黏土含量较少;小清河以南的近岸海域的悬浮泥沙中值粒径φ值要大于沉积物的中值粒径,砂仍然为主要组分,但是悬浮泥沙中的黏土含量要大于沉积物。远岸海域的悬浮泥沙中值粒径基本都小于沉积物的中值粒径,其主要组分为粉砂,砂含量要明显高于沉积物,而黏土含量相差很小;悬浮泥沙底层中值粒径准值要比表层中值粒径φ值偏大,与沉积物相比,含砂量高出很多,而粉砂含量却相对较低,黏土含量相差不大。从沉积物与悬浮泥沙的粒度组成方面看,近岸海域沉积物与悬浮泥沙较为相似,水体中的悬浮泥沙主要是来源自于沉积物的再悬浮(江文胜等,2005),而远岸的较深海域沉积物的颗粒要比悬浮泥沙颗粒粗,同时各组分含量相差不小,说明该区域的悬浮泥沙可能来源于浅水区再悬浮的泥沙向较深水体的输运,而深水区的沉积物在黄河入海物质的影响下,表现出颗粒较细的分布特征,即使有部分较粗颗粒在此沉降,也不会影响整体颗粒较细的分布特征。近岸浅水区沉积物在相对较小的风浪条件或采样船只的搅动下极易起动,从而沉积物中相对较粗的泥沙可以再悬浮进入水体,而在深水区,底床沉积物相对稳定,在同样的风条件和船只搅动下很难起动,因此,较深海域的沉积物对水体中的悬浮泥沙影响不大,故而较深水域的悬浮泥沙颗粒要大于沉积物。5海底沉积物类型对悬浮体粒度的影响通过以上论述发现,研究海域的沉积物由岸向外呈现出条带状分布,由粒径相对较粗的砂、粉砂质砂和砂质粉砂向海逐渐过渡为颗粒较细的粉砂和黏土质粉砂,并呈现出明显的北细南粗的分布特征。沉积物的这种空间分布格局在悬浮体浓度的空间分布特征及其与沉积物的关系中都有所反映。近岸和弥河口以南的沉积物相对较粗,在较强的水动力条件下才能起动,而由于颗粒较大在搬运过程中容易再次沉积,因此,较粗粒级的颗粒很难长时期保持悬浮状态,多数是处于间歇性的悬浮状态。而海域北部沉积物较细,易于起动,受冬季较强的海洋水动力影响在产生了较大的悬浮体浓度的同时间分布特征及其与沉积物的关系中都有所反映。近岸和弥河口以南的沉积物相对较粗,在较强的水动力条件下才能起动,而由于颗粒较大在搬运过程中容易再次沉积,因此,较粗粒级的颗粒很难长时期保持悬浮状态,多数是处于间歇性的悬浮状态。而海域北部沉积物较细,易于起动,受冬季较强的海洋水动力影响在产生了较大的悬浮体浓度的同时影响了悬浮体的粒度,但该海域海底沉积物类型对悬浮体特性影响较小。两者之间的关系常因海底地形及水动力因素的综合作用而复杂化。悬浮体浓度高值区的底层悬浮体粒径由岸向外减小,但又粗于沉积物的特征,反映出底层悬浮体中的粗粒组分可能除源于沉积物的再悬浮之外,还有一部分是悬浮体由近岸向海逐渐输送的结果。此外,悬浮体的物质来源、水动力环境、海水中的含沙量也会对悬浮体的粒度产生较大的影响。此外研究海域内的弥河、小清河、淄脉沟、潍河等入海河流的入海泥沙对现在水体中的含沙量贡献不是很大。大量的黄河人海泥沙沉积在以莱州湾西岸岬角/沙嘴为中心的弧形海域内,只有少量向周围海域扩散(李蒙蒙等,2013),一般情况下在莱州湾内向西南约为35km,可到淄脉沟北岸(曹文洪