青島仰口灣海灘沉積物粒度特征及動力環(huán)境響應*

韓宗珠，徐翠玲，周艷芝，李安龍，丁咚，張晶

（中國海洋大學1.海底科學與探測技術教育部重點實驗室；2.海洋地球科學學院，山東 青島266100）

海岸帶處于不斷向陸或向海的變化中，是海陸作用最活躍的地區(qū)。海灣是海岸帶子系統(tǒng)之一，受陸圈、水圈（海洋）、大氣圈和生物圈等各種的動力過程影響，對環(huán)境變化敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱；海灣蘊藏著多種自然資源，如良好的沙灘、廣闊的灘涂、優(yōu)良的港口和能源資源。因此，海灣成為人類活動較為頻繁的區(qū)域，同時使得該地區(qū)成為環(huán)境變化的敏感區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的地帶。

國內(nèi)外研究表明，現(xiàn)代海岸侵蝕伴隨著全球變化不斷發(fā)展，海岸侵蝕現(xiàn)象普遍存在［1－2］。當前世界砂質海岸線約有70%以上處于侵蝕后退狀態(tài)，由此引起濱海環(huán)境惡化，海岸侵蝕已成為全球性的環(huán)境問題，被列為嚴重的海洋災害之一［3－4］。我國海岸侵蝕的范圍自1950年代末期以來呈不斷擴大趨勢，侵蝕岸線長度已占全國大陸岸線總長度的1／3以上，約70%的砂質海岸在遭受侵蝕，侵蝕速率多在1～3m／a之間［5］。海岸侵蝕造成海濱浴場退化、海灘生態(tài)環(huán)境惡化、海岸防護壓力增大等，已成為一種嚴重的環(huán)境地質災害。目前，海岸侵蝕研究多集中于沙質海岸［6－7］，對基巖海岸的研究較為欠缺。

沉積物粒度數(shù)據(jù)可用于識別沉積環(huán)境的類型，判定物質運動方式和沉積物輸運方向。利用粒徑趨勢分析對研究區(qū)域的沖淤變化進行預測，可為海灘的演變趨勢分析和海岸防護提供科學依據(jù)。

本文選取青島市仰口灣這一基巖岬灣海岸作為研究對象，根據(jù)沉積物粒度數(shù)據(jù)判斷泥沙輸運方式和沉積環(huán)境，建立海灘侵蝕與堆積的一般模式，并預測與動力條件的變化相適應的海灘演變趨勢，從而為海岸侵蝕的防護和海灘環(huán)境的改善及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

青島市仰口灣位于嶗山腳下，王哥莊村南4.5km，鷹定崮東麓（120°40′E，36°16′W）。仰口灣屬于基巖岬灣海岸，南起泉嶺角，北至峰山角，南北長約2.2km，面積約2.5km2，水深2～6m。岬角之間海灘走向近東北，長約1.5km、寬250m左右。該區(qū)無河流入海，沙源貧乏。潮汐類型為正規(guī)半日潮，潮流為半日潮流，屬往復流，漲潮時流向為順時針方向，落潮時流向為逆時針方向。波浪以風浪為主，隨季節(jié)變化。春季多出現(xiàn)E或ESE向風浪；夏季風浪多為E或S向；秋季NW向風浪最多；冬季風浪多為WNW或NNW向。涌浪以SE向的涌浪最多［8］。

2 樣品及分析方法

2.1 樣品采集

分別于2009年6月（夏季）、9月（秋季）和12月（冬季）在仰口灣灘面上進行南北兩條橫剖面調查，并采集落大潮時表層沉積物樣品64個（見圖1），采樣間隔為10m左右，采樣深度小于1cm，并同時對采集樣品進行GPS定位，樣品基本上均勻覆蓋了潮間帶。

2.2 粒度分析

去除有機質和鈣質膠結物，并且洗鹽和烘干后，采用篩析法對樣品進行粒度分析，實驗程序參照《海洋調查規(guī)范：海洋地質地球物理調查》［9］，獲得φ值為0.25間隔的粒度數(shù)據(jù)，得出平均粒徑Mz、分選系數(shù)δi、偏態(tài)Ski和峰態(tài)Kμ等4個粒度參數(shù)值（計算方法如表1）。采用?？说热说某练e物粒度三角圖解法對沉積物進行分類定名［10］。

3 研究結果

3.1 沉積物類型及其分布特征

研究區(qū)表層沉積物類型分為3種類型：含礫砂（g）S為主，占87%，其次是礫質砂gS，占4%，砂質礫sG類型零星分布。含礫砂（g）S類型的沉積物以具有較高的砂組份為特征，多數(shù)樣品達95%～99%以上，幾乎沒有黏土組份，或含量極低（＜0.25%），分選較好。

圖1 研究區(qū)域開發(fā)現(xiàn)狀及采樣剖面位置示意圖Fig.1 Present development of research area and the sampling location

表1 粒度參數(shù)計算方法Table 1 Calculation method of grain size parameters

研究區(qū)2個海灘剖面的表層沉積物平均粒徑基本呈現(xiàn)沿岸帶狀分布，總體上剖面粒度由陸向海變細。PfA夏剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－砂質礫－含礫砂，PfA秋剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－礫質砂，PfA冬剖面從陸向海灘面上依次分布為礫質砂－含礫砂－礫質砂－含礫砂。PfB夏剖面從陸向海灘面上分布幾乎全是含礫砂，PfB秋和PfB冬剖面基本類似，從陸向海灘面上依次分布為含礫砂－砂質礫－含礫砂。

3.2 沉積物粒度參數(shù)特征

3.2.1 平均粒徑特征 研究區(qū)海灘沉積物平均粒徑的分布范圍為0.15φ～1.5φ，平均約0.28φ。圖2為研究區(qū)海灘表層沉積物的平均粒徑季節(jié)變化圖，從圖中可以看出，本區(qū)平均粒徑的變化具有良好的規(guī)律性，即整體分布由陸向海由粗漸細。PfA和PfB剖面在不同季節(jié)均表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。其中PfA剖面夏季出現(xiàn)1個采樣點的平均粒徑突然增大，確定為潮間帶附近出現(xiàn)的1條礫石帶，與現(xiàn)場調查相符，而秋冬兩季粒徑相差不大。PfB剖面與PfA剖面相反，在秋冬兩季出現(xiàn)了1條明顯的礫石帶。

圖2 海灘表層沉積物的平均粒徑季節(jié)變化圖Fig.2 The seasonal variation of the average particle size of the beach surface sediment

3.2.2 分選系數(shù)分布特征 研究區(qū)表層沉積物分選系數(shù)范圍為0.45～2.1，平均值0.9。圖3為海灘表層沉積物的分選系數(shù)季節(jié)變化圖，如圖所示，研究區(qū)絕大部分沉積物分選系數(shù)在0.5～1.6范圍內(nèi)。PfA夏＼冬剖面表層沉積物的分選較差，大部分表層沉積物分選系數(shù)大于1，而PfA秋大多小于1，分選較好，但在近陸和近海σi值接近于1，分選性較中部差。PfB夏整個剖面表層沉積物的分選變化不大，均在1左右，PfB秋在秋季的分選較好，分選系數(shù)除了在礫石灘部位＞2，其余均低于1，PfB冬冬季沉積物的分選系數(shù)大多大于1，分選較差，且不同區(qū)域的分選系數(shù)變化較大。

圖3 海灘表層沉積物的分選系數(shù)季節(jié)變化圖Fig.3 The seasonal variation of the sorting coefficient of the beach surface sediment

3.2.3 偏度分布特征 研究區(qū)沉積物偏度范圍為－0.65～0.7，平均值為－0.31，整體上由陸向海表層沉積物偏度逐漸降低，在靠陸一側，大部分站位3個季節(jié)的偏度均大于0，而向海一側降低到0以下。PfA夏表層沉積的偏度明顯高于秋冬兩季，并且呈現(xiàn)較大的起伏；PfA秋在剖面中間偏度較低，而在兩端大于0；而PfA冬則變化較為平緩。PfB夏分為正偏和負偏兩部分，負偏出現(xiàn)在近海處，正偏出現(xiàn)在遠海處；PfB秋在3個季節(jié)中的偏度最大，大部分偏度大于0；PfB冬也出現(xiàn)正偏和負偏兩部分，負偏出現(xiàn)在中部，正偏出現(xiàn)在近海、遠海兩端（見圖4）。

3.2.4 峰態(tài)分布特征 研究區(qū)表層沉積物峰態(tài)絕大部分介于0.5～1.5的范圍內(nèi)（見圖5）。夏季PfA夏峰度由尖銳到扁平又尖銳變化，秋季PfA秋除在近海處扁平外都表現(xiàn)為尖銳，PfA冬在前60m與PfA夏的峰態(tài)基本類似，在后60m先變得扁平，在低潮線附近轉為尖銳。PfB夏和PfB冬整體較為尖銳，PfB秋則在中部扁平，兩端較尖銳。

圖4 海灘表層沉積物的偏態(tài)季節(jié)變化圖Fig.4 The seasonal variation of the skewness of the beach surface sediment

圖5 海灘表層沉積物的峰態(tài)季節(jié)變化圖Fig.5 The seasonal variation of the peakedness of the beach surface sediment

綜上分析，海灘高潮帶到低潮帶附近具有平均粒徑減小而泥沙分選變好的趨勢，反映了泥沙運動過程中受到波浪分選和自身的重力分異作用。高潮帶及以上灘面泥沙粒徑參數(shù)（平均粒徑和分選系數(shù)）從高潮線到灘肩方向趨于先變小后稍變大交錯出現(xiàn)，這可能因為平均岸線以上的海灘經(jīng)常出露于海面，受不同浪向及風向等的動力作用，致使泥沙粒徑參數(shù)呈現(xiàn)多樣化。此外，泥沙粒度參數(shù)偏度以負偏為主，則說明海灘泥沙主要受波浪的改造作用［12］。

4 沉積物粒度特征的動力環(huán)境分析

沉積物的粒度特征主要取決于物源和沉積環(huán)境兩大因素。沉積物來源對沉積物粒度組成的影響表現(xiàn)為原有組分的丟失或新組分的加入。自然環(huán)境特征對海灘沉積物的組成、類型和分布均有重要影響，如物質來源、地形地貌（如岸線輪廓）、風暴、水動力條件以及后濱高度等［13］。

4.1 物質來源

研究區(qū)無大河入海，其海灘沉積物主要來源于海岸侵蝕供沙和陸架來砂，物源較單一。研究區(qū)海岸類型為基巖砂質海岸，基巖遭受海洋動力的侵蝕并向海灣供沙，在岸灘上發(fā)現(xiàn)嶗山綠石證實了這一點。近岸海域的殘留沙體受海流和風暴大浪的作用，在一定條件下可向岸輸送。

4.2 地形地貌和波浪的影響

地形地貌影響著沉積物的性質和分布。波向線與岸線交角的差異，影響沉積物粒徑的差異：若波向線與岸線的交角較小，波浪能量主要引起沿岸流的運動，表層沉積物會較細，若交角較大，波浪能量主要釋放于塑造和改造海灘剖面，表層沉積物平均粒徑較粗。在大浪和風暴浪的天氣下，沿岸流造成表層沉積物顆粒粗化，形成沉積物的垂向粒度分異［14］。

仰口海灘呈彎月型，北部海灘為NE向，中部為NNE向，南部為NNW向。夏季受到SE向季風影響，北部海灘與風浪夾角較小，沉積物粒度明顯比中南部的粗，并且在沖洗帶形成一礫石灘；而在PfB剖面附近海灘呈NNE向，與風浪夾角較小，并且海浪受到南部的砂咀和NNW向海灘的阻擋，導致PfB剖面沉積物粒度與秋冬兩季的相差不大。秋季強浪出現(xiàn)在N、NNE向，對海灘的中南部影響比較大，導致PfB剖面秋冬兩季的沉積物較粗，并且在沖洗帶出現(xiàn)礫石灘，而北部海灘風向由陸向海，沉積物粒度變化不大。

4.3 海灘的季節(jié)性變化

海灘季節(jié)性變化與波浪作用下泥沙的橫向搬運有關。在不同季節(jié)不同強度和方向的波浪作用下，海灘砂的搬運力和主要搬運方向的也發(fā)生變化，使得各剖面在不同位置呈現(xiàn)沖刷或堆積變化。盡管沙灘剖面的季節(jié)性變化影響因素較多而顯得復雜，但仍可從不同岸段變化的差異看出季節(jié)性風浪影響的痕跡。圖6是沙灘的地貌形態(tài)和沉積物粒度水平分異季節(jié)變化關聯(lián)圖，從該圖中顯示，A剖面從夏季到秋季海灘發(fā)生堆積，這和風浪力隨季節(jié)減弱有關，并且與A剖面中平均粒徑夏季較大表現(xiàn)出一致性；而B剖面由夏季到秋冬季受到侵蝕，與秋冬季B剖面的風浪作用較強相關。而且A剖面坡度較B剖面陡，總體說明了泥沙運動的趨勢是由北向南運移。

圖6 沙灘的地貌形態(tài)和沉積物粒度水平分異季節(jié)變化關聯(lián)圖Fig.6 The seasonal variation of the beach morphology and average particle size of the surface sediment

5 結論

總結以上仰口灣海灘沉積粒度特征和動力環(huán)境分析，得出以下結論：

（1）研究區(qū)存在3種沉積類型。以含礫砂（g）S為主，礫質砂gS，砂質礫sG類型零星分布，幾乎沒有黏土組份，或含量極低。砂粒級組成的變化趨勢與平均粒徑基本一致，礫石含量的變化趨勢則與砂粒級含量相反，且不同季節(jié)沉積物樣品的組成基本一致。

（2）研究區(qū)海灘表層沉積物平均粒徑呈帶狀由陸向海變細，分選變好；偏態(tài)多數(shù)為正偏，到低潮帶附近逐漸變?yōu)樨撈?；整體峰態(tài)較尖銳，峰態(tài)多樣。

（3）波浪和風是本區(qū)沉積物輸運的主要動力，海灘北部夏季受到波浪的影響最大，表現(xiàn)為整體剖面高程降低，沉積物較粗，分選較差，偏態(tài)值高，峰態(tài)尖銳。其次為中南部的秋、冬兩季。

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