黃河三角洲埕北海域底質沉積物粒度特征及泥沙輸運分析

田動會，滕珊，馮秀麗*，肖曉，宋湦，馮利，姜波

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

黃河三角洲埕北海域底質沉積物粒度特征及泥沙輸運分析

田動會1,2，滕珊1,2，馮秀麗1,2*，肖曉1,2，宋湦1,2，馮利1,2，姜波1,2

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

通過黃河三角洲埕北海域表層沉積物的粒度資料、實測潮流數(shù)據(jù)以及50 a一遇的波浪要素，分析了埕北海域表層沉積物的分布類型以及粒度參數(shù)特征，并計算了表層沉積物的臨界起動應力、日平均單寬輸沙通量以及波流共同作用下的單寬推移質輸沙率。結果表明：研究區(qū)表層沉積物主要是粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂和泥四種，分選中等偏差，近對稱到正偏，中等尖銳到尖銳峰態(tài)；對大潮期間埕北海域潮流底應力和表層沉積物的臨界起動應力的計算說明潮流在大部分區(qū)域具有起動和輸運泥沙的作用；秋季潮流作用下的日平均單寬輸沙通量均值為372.32 kg/(m·d)，方向為漲潮流向。利用貝克爾(Bijker)和經(jīng)典的Van Rijn公式計算出的50 a一遇的波流共同作用下單寬推移質日平均凈輸沙率結果近似相等。

表層沉積物；粒度特征；泥沙輸運；黃河三角洲

1 引言

海洋表層沉積物的粒度特征包含了諸多信息，如海平面的變化、沉積物的來源、沉積物的輸運方向及其運動組合方式，同時沉積環(huán)境和水動力條件的改變也會在沉積物的粒度參數(shù)上有所體現(xiàn)。通過對沉積物粒度特征的研究可以還原其沉積環(huán)境，指示其水動力條件，反演當時的地質作用過程。前人利用黃河三角洲埕北海域沉積物的粒度參數(shù)研究其沉積環(huán)境和水動力特征方面做了大量的研究，積累了豐富的基礎資料和研究成果。

黃河三角洲埕北海域是我國著名的油氣資源產(chǎn)地，近海工程建設項目繁多，沉積環(huán)境較為復雜，再加上黃河尾閭的不斷擺動，形成了復雜疊置的水下三角洲體系，同時其波浪和潮流的沖刷作用較為強烈，表層沉積物空間分布極不均勻。因此，通過沉積物粒度參數(shù)反演其沉積環(huán)境對國家戰(zhàn)略和實際工程需要都有極其重要的意義。馮秀麗等[1]利用黃河三角洲埕島海域表層沉積物資料，研究了其底質特征及其泥沙凈輸運趨勢；張少同等[2]運用原位時間序列沉積物捕獲器,捕獲了黃河口埕島海域的沉降沉積物,計算了沉降通量,推斷了沉降沉積物的來源、影響因素以及沉降量在再懸浮量中所占的比例；袁萍等[3]基于黃河三角洲附近海域表層沉積物樣品粒度資料,研究了沉積物類型和空間分布特征,探討了沉積物粒度分布特征與物源和沉積動力環(huán)境之間的關系。本文基于黃河三角洲埕北海域表層沉積物的粒度資料，研究了其沉積物類型空間分布特征和粒度參數(shù)的空間變化，同時結合實測潮流數(shù)據(jù)和50 a一遇的波浪要素計算了表層沉積物的臨界起動剪應力、日平均單寬輸運通量以及50 a一遇的波流共同作用下的單寬推移質輸沙率，分析其水動力條件和泥沙輸運特征，以期對學術研究和工程應用起到一定的借鑒意義。

2 研究區(qū)概況

1964年黃河改道刁口流路注入渤海灣，攜帶的巨量泥沙流經(jīng)研究區(qū)沉積下來。由于黃河徑流量小，含沙量高，堆積速率極快。黃河所攜帶泥沙主要為細顆粒的泥沙，易于搬運，再懸浮沉積作用明顯。至1976年黃河改道清水溝流路注入渤海，研究區(qū)物源斷絕，在波浪和潮流的共同作用下，海岸發(fā)生侵蝕后退，表層沉積物發(fā)生懸浮再沉積，細粒沉積物被帶向遠海，粗顆粒沉積物遺留下來。另外，人工構筑物的修建使得附近海域的水動力條件發(fā)生改變，本身老黃河口屬于侵蝕后退型海岸，波浪和潮流的作用強烈，這些作用共同導致海底表層極易產(chǎn)生掏空侵蝕和泥沙的懸浮再沉積的現(xiàn)象。

研究區(qū)位于渤海灣南部埕島油田附近海域，海底地形復雜多變，岸線曲折蜿蜒，地勢西南高東北低，水深范圍0～20 m，水深等值線大致平行于岸線。根據(jù)多年統(tǒng)計資料，波浪類型為風生浪，周期短，強浪方向為NNE向，次浪方向為NW向[4]。潮流性質屬于正規(guī)半日潮，以往復運動為主，方向大致與岸線平行。調查范圍、取樣站位以及測潮站位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置、取樣站位以及潮位站示意圖Fig.1 The research area, sampling stations and tide station

3 樣品來源與研究方法

本文粒度數(shù)據(jù)來源于2014年在黃河三角洲埕北附近海域通過箱式取樣器獲得181個海底表層沉積物樣品。樣品于中國海洋大學海底科學與探測技術教育部重點實驗室通過馬爾文MS-2000激光粒度分析儀進行粒度分析。具體流程是：首先將樣品混合均勻后取樣，通過添加適量雙氧水去除有機質、添加適量0.25 mol/L稀鹽酸除碳酸鹽，然后經(jīng)過洗酸洗鹽處理，添加適量0.5 mol/L的六偏磷酸鈉浸泡24 h，之后經(jīng)過超聲儀充分分散樣品20 min，最后上機分析測試樣品。粒度分級標準采用烏頓-溫德華等比制Φ值[5]，對沉積物粒度分析結果采用Folk命名規(guī)則[6]進行分類定名，采用McManus矩法[7]計算沉積物的粒度參數(shù)。

于2015年10月18-19日大潮期間對研究區(qū)某取樣點進行了25 h潮流連續(xù)觀測，海流觀測使用SLC9-2智能型直讀式海流計，數(shù)據(jù)采集間隔為1 h。

(1)潮流底應力的計算

結合研究區(qū)2015年10月大潮期間的實測潮流場的數(shù)據(jù)，對于水深較小的區(qū)域，流速的垂線分布滿足Van Karmam-prandtl公式[8]：

(1)

式中，μ為距離底床高度為z處的潮流流速，μ*為摩阻流速，k為常數(shù)(取值0.4)，z0為底床糙率。已知潮流的垂線平均流速，對上式等式兩邊對水深進行積分，得到的μ*表達式為：

(2)

式中，U為潮流垂線平均流速，H為水深。

利用2015年10月大潮期間埕北海域實測潮流數(shù)據(jù)，計算可以得到其摩阻流速，再由摩阻流速可以得到其潮流底應力：

(3)

式中，ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

(2)臨界起動應力的計算

根據(jù)Dyer[9]提出的海洋環(huán)境沉積物臨界起動摩阻流速公式：

(4)

可以得到表層沉積物臨界起動應力的公式：

(5)

(3)沉積物輸運通量的計算

利用Bartholdy等[10]提出的潮流作用下的半經(jīng)驗公式：

(6)

式中，qsb為單寬輸沙率[kg/(m·s)]；μf為摩阻流速(m/s)；VD為垂線平均流速(m/s)；d為沉積物的中值粒徑(m)；μ為實測流速(m/s)；z為潮流測量高度(m)；k為底床粗糙度(m，k=d/12)；D為水深(m)。

(4)波流共同作用下的推移質輸沙率計算

采用貝克爾(Bijker)[11]提出的波流共同作用下的推移質輸沙率公式：

(7)

本文采用以上公式計算了研究區(qū)表層沉積物的臨界起動剪應力、日平均單寬輸運通量以及50a一遇的波流共同作用下的單寬推移質輸沙率，從而分析其水動力條件和泥沙輸運特征。

4 表層沉積物粒度特征

4.1 沉積物粒度組成及分布

研究區(qū)表層沉積物的粒度組成及分布如圖2所示，經(jīng)過測試分析，研究區(qū)沉積物以粉砂和砂組分為主，各粒級組分分布結果如下：砂含量介于0.17%～73.15%，平均值為13.29%，主要分布在研究區(qū)近岸區(qū)域波浪破碎帶以淺區(qū)域，由岸向海砂含量逐漸減少，分布含量低值區(qū)位于研究區(qū)東北部，且含量均低于10%，分布含量高值區(qū)位于歷史黃河入海口的沙嘴部分和三角洲建造的水下沙壩附近；粉砂含量介于23.28%～85.37%，均值為68.12%，粉砂含量在整個研究區(qū)分布較為廣泛，且含量高值區(qū)位于研究區(qū)中部過渡區(qū)域，與砂含量的分布呈現(xiàn)相反的趨勢；黏土含量介于3.57%～43.80%，平均值為18.58%，整體上看，由岸向海黏土含量逐漸增加，與粉砂含量的分布呈現(xiàn)相同的趨勢。

圖2 研究區(qū)表層沉積物砂、粉砂、黏土百分含量分布Fig.2 Distribution of sand, silt and clay percentages in research area

4.2 表層沉積物類型及分布

在海洋沉積環(huán)境和水動力的研究中，主要命名方法有兩種：Shepard[12]和Folk命名，而Folk命名規(guī)則可以反映出沉積物沉積水動力環(huán)境，所以根據(jù)表層沉積物的粒度分析結果，利用Folk命名規(guī)則可以得出：研究區(qū)表層沉積物的主要類型主要有以下4種：粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂和泥(圖3，圖4)。從圖4中可以看出，研究區(qū)北部基本上底質類型為粉砂，占整個研究區(qū)的51.9%，其中泥零星分布，且均分布在離岸邊最遠的地區(qū)，占整個研究區(qū)的6.1%；研究區(qū)中部區(qū)域底質類型基本上為砂質粉砂，占整個研究區(qū)的37.0%，夾雜零星分布的粉砂和粉砂質砂；研究區(qū)近岸區(qū)域底質類型為粉砂質砂，占整個研究區(qū)的5.0%。整體上看，由岸向海表層沉積物的粒徑逐漸減小。

圖3 研究區(qū)表層沉積物Folk分類圖Fig.3 Surface sediment types in research area according to Folk’s classification

圖4 研究區(qū)底質沉積物底質類型分布圖Fig.4 Distribution of surface sediment types in the research area

4.3 表層沉積物粒度特征

沉積物的粒度參數(shù)可以用來反演歷史時期沉積物的來源及其沉積環(huán)境，當沉積環(huán)境發(fā)生改變時，也會在沉積物的粒度參數(shù)上有所體現(xiàn)。因此，研究沉積物粒度參數(shù)的變化對恢復歷史時期沉積環(huán)境演化具有重要的意義。研究區(qū)表層沉積物粒度參數(shù)的分布如下(圖5和表1)。

中值粒徑：整個研究區(qū)表層沉積物中值粒徑介于3.50Φ～7.72Φ，平均值為5.67Φ。目前，普遍用中值粒徑來表征沉積物的粒徑大小，用以代替平均粒徑。從其擬合關系式(Mz=1.067Md-0.720，R2=0.979)可以明顯看出，中值粒徑和平均粒徑之間存在良好的相關關系，且隨著平均粒徑的逐漸減小，相關性逐漸變好，向對稱分布逼近。

分選系數(shù)：研究區(qū)分選系數(shù)介于0.96～2.20之間，平均值為1.77，屬于分選中等到差，與研究區(qū)復雜的水動力環(huán)境有直接的關系。許多學者認為，分選的好壞極大程度的依賴于中值粒徑。從其分布圖上可以看出沉積物粒徑越粗，其分選越好。

偏態(tài)：研究區(qū)底質沉積物的偏態(tài)與其中值粒徑的分布對應關系良好，大致呈條帶狀分布，與岸線平行，且由岸向海其偏態(tài)數(shù)值逐漸減小。整個研究區(qū)底質沉積物的偏態(tài)最大值為0.62，最小值為0.04，平均值為0.32，屬于近對稱-正偏-極正偏。

峰態(tài)：研究區(qū)底質沉積物的峰態(tài)數(shù)值分布由岸向海呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在研究區(qū)中部形成若干極大值區(qū)。整個研究區(qū)峰態(tài)的最大值為2.10，最小值為0.82，平均值為1.16，屬于中等尖銳-尖銳峰態(tài)。

總體而言，研究區(qū)表層沉積物的粒徑由岸向海逐漸變細，粗顆粒的分選要優(yōu)于細顆粒的分選，大部分屬于近對稱-正偏-極正偏，屬于中等尖銳-尖銳峰態(tài)。各粒級概率分布曲線多為單峰狀態(tài)，說明物源單一，基本上都是來自于黃河的泥沙供給，后期物源斷絕，接受潮流和波浪的改造和簸選作用，粒度參數(shù)發(fā)生改變。

表1 表層沉積物各組分含量及其粒度參數(shù)

圖5 表層沉積物粒度參數(shù)分布Fig.5 Distributions of grain-size parameters in the research areaa.中值粒徑，b.分選系數(shù)，c.偏態(tài)，d.峰態(tài)a：Mz/Φ，b：σi，c：Sk，d：kg

5 泥沙輸運分析

埕北海域水動力條件及其沉積環(huán)境十分復雜，導致其表層沉積物的類型和粒度參數(shù)在空間分布上極不均勻。埕北海域表層沉積物的分布是在波浪和潮流共同作用下的結果，下面將逐一分析。

5.1 海底表層應力分析

潮流屬于常規(guī)性的有規(guī)律的動力因子，直接影響沉積物的再懸浮和泥沙的運移[13]。因研究區(qū)物源斷絕，潮流主要作用為表層沉積物的再懸浮輸運，因此沉積物有明顯粗化的趨勢。匯總了2015年10月埕北海域大潮期間實測潮流特征如表2所示，詳細計算分析如下。

5.1.1 表層沉積物臨界起動應力

根據(jù)上文中提到的公式計算了埕北海域表層沉積物臨界起動應力，其分布如圖6。

表層沉積物的臨界起動應力(圖6)介于0.37～1.20 N·m-2之間，平均值為0.68 N·m-2，表層沉積

表2 埕北海域實測潮流特征統(tǒng)計

物的臨界起動應力數(shù)值由岸向海逐漸減小，由于臨界起動應力主要受控于沉積物的粒徑，因此與其中值粒徑的分布對應良好。由岸向海隨著泥沙顆粒的逐漸變細，臨界起動應力逐漸減小，細顆粒相對容易被水流起動。

圖6 研究區(qū)表層沉積物臨界起動應力分布圖(單位：N/m2)Fig.6 Distribution of critical shear stress for sediment motion (unit: N/m2)

5.1.2 最大潮流底應力的影響

為了更深入了解沉積物運移與潮流之間的關系，本文計算了最大潮流底應力，將其與泥沙臨界起動應力相對比，并且將對比結果與底質沉積物類型相對應，探討潮流與沉積物分布的關系。

利用實測潮流數(shù)據(jù)計算可得大潮期間埕北海域研究區(qū)表層沉積物的潮流底應力介于0.56～4.61 N/m2，平均值為0.96 N/m2。與泥沙臨界起動應力對比得知潮流在大部分區(qū)域具有起動和輸運泥沙的作用。根據(jù)蔣東輝和高抒[14]研究結果表明，當潮流底應力大于沉積物臨界起動應力時，細顆粒沉積物被潮流作用再懸浮并運移，留下較粗顆粒沉積物；反之同樣，當潮流底應力小于沉積物臨界起動應力時，沉積物不能被帶走，所以底質類型為較細顆粒沉積物。

5.2 表層沉積物輸運量

5.2.1 潮流作用下表層沉積物輸運通量

為詳細了解大潮期間潮流作用下表層沉積物的輸運通量，結合研究區(qū)2015年10月實測潮流數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得知：大潮期間埕北海域研究區(qū)潮流作用下的漲潮瞬時單寬輸沙通量介于0.263×10-2～3.06×10-2kg/(m·s)，落潮瞬時單寬輸沙通量介于0.525×10-3～6.11×10-3kg/(m·s)，日平均單寬輸沙通量介于90.91～1 058.02 kg/(m·d)之間，均值為372.32 kg/(m·d)(圖7)。整體上研究區(qū)水動力條件較強，其中漲潮瞬時單寬輸沙通量大于落潮瞬時單寬輸沙通量。秋季離岸潮流凈輸沙量大于近岸泥沙凈輸沙量，凈輸沙方向為漲潮方向，為SE到NW向，這與馮秀麗等[15]的研究結果一致。

圖7 表層沉積物日平均單寬輸沙通量[單位：103 kg/(m·d)]Fig.7 The net transport fluxes per day of surface sediment [unit：103 kg/(m·d)]

5.2.2 波流共同作用下的推移質輸沙率

1976年黃河改道清水溝，研究區(qū)物源斷絕，經(jīng)過多年波浪和潮流的強烈作用，沉積物粒徑變粗，顆粒大部分以推移和躍移運動為主。上面的分析僅僅考慮了潮流對海底表層沉積物的作用，為進一步分析研究區(qū)波流共同作用下的單寬推移質輸沙率。根據(jù)埕北海域50 a一遇的波浪要素[16](波浪周期取8.6 m/s)，采用貝克爾(Bijker)和經(jīng)典的Van Rijn提出的波流共同作用下的推移質輸沙率公式對50 a-遇波浪的有效波高作用下的單寬推移質輸沙率進行了計算，結果如表3。

表3 埕北海域50 a一遇波浪作用下的單寬推移質輸沙率

從表3中可以看出，利用貝克爾(Bijker)和經(jīng)典的Van Rijn公式計算出的黃河三角洲埕北海域在50 a一遇的波浪作用下推移質日平均凈輸沙率結果近似，其中漲潮平均輸沙率均大于落潮平均輸沙率。從結果對比來說，Van Rijn公式計算出來的單寬推移質日平均輸沙率比貝克爾輸沙公式結果略小，這是因為Van Rijn公式對水層的劃分更為細致，分為近底混合層推移質、下層懸移質和上層懸移質。從模式機理上看，Bijker公式和Van Rijn公式并沒有優(yōu)劣之分，都是參照河流輸沙的形式，得到的沿岸流輸沙模式，都是對波流作用下泥沙運動的一種近似假定，兩者也都適合于數(shù)值計算，只不過Van Rijn公式由于考慮了分層積分更加精細[17—21]。當海底表層剪切應力較大時，能夠發(fā)生底床的侵蝕和泥沙的再懸浮。在50 a一遇的波浪作用下，海水流速增大，海底底部剪切應力急劇增大，極易發(fā)生底床侵蝕和泥沙運移，導致沿岸輸沙率增大。另外，波浪荷載作用下，表層沉積物的結構強度降低，臨界剪切應力和起動流速顯著降低，發(fā)生再懸浮的概率增加，表層細顆粒物向上運輸，沉積物發(fā)生粗化現(xiàn)象。

6 結論

本文根據(jù)黃河三角洲埕北海域表層沉積物的粒度資料、實測的潮流數(shù)據(jù)以及不同重現(xiàn)期下的波浪要素，分析了研究區(qū)表層沉積物的粒度特征和運移特征，主要結論如下：

(1)研究區(qū)表層沉積物主要有粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂和泥4種類型，粒級以粉砂和砂組分為主，分選中等到差，屬于近對稱-正偏，中等尖銳-尖銳峰態(tài)。

(2)利用實測潮流數(shù)據(jù)計算可得大潮期間埕北海域研究區(qū)表層沉積物的潮流底應力介于0.29～2.40 N/m2，平均值為0.95 N/m2。而表層沉積物的臨界起動應力介于0.37～1.20 N/m2之間，平均值為0.68 N/m2，說明研究區(qū)水動力條件較強，潮流在大部分區(qū)域具有起動和輸運泥沙的作用。

(3)大潮期間埕北海域研究區(qū)潮流作用下的日平均單寬輸沙通量介于372.32～1 058.02 kg/(m·d)之間，均值為372.32 kg/(m·d)，其中漲潮瞬時單寬輸沙通量大于落潮瞬時單寬輸沙通量。

(4)利用貝克爾(Bijker)和經(jīng)典的Van Rijn公式計算出的研究區(qū)在50 a一遇的波浪作用下推移質日平均凈輸沙率結果近似，秋季波流共同作用下的泥沙輸運方向為漲潮方向。

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Grain-size pattern of surface sediment and analysis of sediment transport in the Chengbei area of the Yellow River Delta

Tian Donghui1,2, Teng Shan1,2, Feng Xiuli1,2, Xiao Xiao1,2, Song Sheng1,2, Feng Li1,2, Jiang Bo1,2

(1.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.KeyLabofSubmarineGeosciencesandProspectingTechnique,MinistryofEducation,Qingdao266100,China)

Based on the analysis of 181 grain size testing data which sampled in Chengbei sea area, and combine with the tidal observation data and the elements of wave in 50 years, analyzing the types of surface sediment and the grain size pattern, calculating surface sediment shear stress, the average net transport flux and bed-load transport rate under the interaction of wave and current, the results show that the sediment is mainly composed of silty sand, sandy silt, silt and mud. The grain sizes are all poor sorted and the skewness are objective to symmetrical. In most places of Chengbei area the tidally-induced shear stress is larger than the critical shear stress, it shows that the tide can start and transport the sediment in most places. The average net transport flux per day is 372.32 kg/(m·d). Under the action of both tide currents and waves in 50 years, the daily sediment bed-load transport rate is approximately equal based on the theory of Bijker and Van Rijn.

surface sediment; grain-size parameter; sediment transport; the Yellow River Delta

2016-08-26；

2016-09-05。

國家重點基金——黃河沉積物環(huán)山東半島陸架的搬運和沉積過程及機制研究(41530966)。

田動會(1990—)，男，山東省德州市人, 主要從事海洋工程環(huán)境研究工作。E-mail：18765951032@163.com

*通信作者：馮秀麗(1962—)，女，教授，主要從事海洋工程環(huán)境研究工作。E-mail：fengxiuli@ouc.edu.cn

P736.21+2

A

0253-4193(2017)03-0106-09