長江口底床沉積物粒度分布特征及測定方法對比研究

楊海飛，楊世倫*，孟 翊*，朱 強，吳創(chuàng)收，史本偉

（1. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2. 浙江省水利河口研究院，浙江·杭州 310020；3. 南京大學海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇·南京 210093）

長江口底床沉積物粒度分布特征及測定方法對比研究

楊海飛1，楊世倫1*，孟 翊1*，朱 強1，吳創(chuàng)收2，史本偉3

（1. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2. 浙江省水利河口研究院，浙江·杭州 310020；3. 南京大學海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇·南京 210093）

通過傳統(tǒng)法（吸管—篩析綜合法）和激光法（采用美國Coulter激光粒度儀，LS-100Q）兩種方法對179個長江口底床沉積物分別進行了粒度測量。結(jié)果顯示，長江口內(nèi)上半段和北港要明顯粗于南港，以砂至粉砂質(zhì)砂為主，而由南港至口外及杭州灣北部均以黏土質(zhì)粉砂為主；而對于口外，粉砂質(zhì)砂覆蓋了北面的大部，要明顯粗于南面的黏土質(zhì)粉砂。南支口外以現(xiàn)代沉積物為主，而北支口外沉積物受控于更新世殘留砂。在測量方法方面，傳統(tǒng)法與激光法測得結(jié)果的相對大小，隨著不同樣品粒徑的變化存在明顯的分布規(guī)律。同時，對平均粒徑、中值粒徑、標準偏差、峭度和偏度五個粒度參數(shù)進行了回歸分析，得出了可靠的換算公式，可運用于今后的粒度參數(shù)轉(zhuǎn)換。

長江口；沉積物；粒徑分布；測定方法；對比分析

海洋沉積物的粒度分析，是海洋科學研究中最基本的實驗之一。粒度分析是判別海洋沉積物來源，研究海洋動力沉積過程和劃分沉積環(huán)境的基礎(chǔ)資料。傳統(tǒng)的方法包括吸管法（沉析法）和篩析法，它們分別用于小于4Ф和大于4Ф的粒度測量，二者的結(jié)合可以完整地測量出沉積物各個粒級區(qū)間的百分比[1]。隨著上世紀科學技術(shù)的發(fā)展，coulter計數(shù)器法和激光衍射等粒度測量方法的問世，其測量效率的高效性、可再現(xiàn)性、需樣少、各粒級的百分含量更詳細等優(yōu)勢明顯[2]，使得激光粒度儀不斷地更新發(fā)展，逐漸取代了傳統(tǒng)的粒度測量方法。

長江是我國第一大河，全長6300km，流域面積達180萬km2，流域內(nèi)資源環(huán)境的狀況牽動著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對我國的重要性不言而喻。隨著近些年長江流域大壩的建設(shè)，下游河口的演變也得到越來越多的關(guān)注。在研究長江口底床的沖淤演變過程中，上世紀沉積物的粒度測量方法以篩析法和沉降法為主，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，這些傳統(tǒng)方法逐漸被更方便、簡潔和更精確的激光粒度法所取代。因此，在將現(xiàn)在的粒度數(shù)據(jù)與上世紀粒度測量結(jié)果進行比較時，往往缺乏很好的科學依據(jù)。在這方面，有關(guān)學者做過一些相關(guān)研究，程鵬等認為，對于玻璃珠等規(guī)則球狀物體，激光粒度法與傳統(tǒng)篩析法測試結(jié)果十分接近，但對于天然沉積物樣品二者分析結(jié)果有明顯區(qū)別[3]。P. Buurman等對海洋、河流和黃土沉積物的兩種方法的研究對比，以及仝長亮等對江蘇潮灘不同區(qū)域的沉積物研究對比，均發(fā)現(xiàn)不同沉積環(huán)境的沉積物對兩種方法的分析結(jié)果有著不同的響應(yīng)[4,5]。在過去的幾十年中對于長江口沉積物的研究，也經(jīng)歷了由傳統(tǒng)方法向激光法的過渡[6～8]。那么這兩種粒度測量方法在各區(qū)間又有著怎樣的聯(lián)系與區(qū)別，這是判斷沉積環(huán)境變化中的重要一環(huán)。對于長江河口天然沉積物樣品，粒度對比分析的研究很有必要。

本文基于長江口底床表層沉積物，通過激光法與傳統(tǒng)法兩種粒度測量方法的對比，研究了整個長江口口內(nèi)口外沉積物的分布特征，發(fā)現(xiàn)兩種方法測量結(jié)果的之間的相互關(guān)系，并期望在今后長江河口的研究中實現(xiàn)兩種方法測量結(jié)果的相互轉(zhuǎn)化。

1 研究區(qū)域和樣品采集情況

本文于2012年采集了長江口底床表層沉積物樣品，共計179個，包括自徐六涇至南、北支口外以及杭州灣北部的底床樣，如圖1。并對179個樣品采用激光粒度法和吸管—篩析綜合法（傳統(tǒng)法）兩種方法對樣品粒度進行測量對比。激光粒度法采用美國Coulter激光粒度儀在實驗室進行測量；傳統(tǒng)法測量粒徑過程中，因沉積物顆粒均較細，故以吸管法為主，對所有樣品進行了吸管法測量的同時，對部分樣品的粗顆粒部分輔以篩析法分析。其中傳統(tǒng)法的測量因?qū)嶒灩ぷ髁刻?，實驗過程中以測出Ф50為標準，僅對砂質(zhì)含量大于50%的樣品輔以篩析法，砂質(zhì)含量小于50%的樣品不進行篩析法分析。據(jù)《海岸環(huán)境和地貌過程導論》所述方法，畫出粒度分布的累計頻率曲線圖，讀出Ф5、Ф16、Ф25、Ф50、Ф75、Ф84和Ф95，運用圖解法[9]計算五個常用粒度參數(shù)：平均粒徑、中值粒徑、標準偏差、偏度和峭度。由于部分樣品的累計頻率曲線讀不到Ф75、Ф84和Ф95，所以部分樣品的部分參數(shù)未能計算，但所有樣品的激光法的粒度參數(shù)均可計算得出。

圖1 采樣點分布Fig.1 The distribution of sampling sites

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)法（吸管—篩析法）

操作和計算流程遵循《海洋調(diào)查規(guī)范》[1]和《海岸環(huán)境和地貌過程導論》[9]，具體步驟如下：

（1）原樣均勻攪拌均勻，按四分法取樣，烘干后稱量；

（2）加入0.5N的六偏磷酸鈉（[NaPO3]6）分散劑和蒸餾水，浸泡；

（3）將小于4Ф（＜0.063mm）的樣品篩入燒杯中，兩部分樣品分別105℃恒溫兩小時、烘干、稱重；

（4）對大于4Ф（＞0.063mm）的樣品按規(guī)定的粒級選取套篩，進行篩分，得出各粒級樣再烘干、稱重；

（5）把小于4Ф（＜0.063mm）的樣品稀釋至量筒中，定容至1000ml；

（6）測定水溫，用攪拌器在量筒中上下勻速地攪拌一分鐘（60次/分），最后一秒準時地、輕輕地拔出攪拌器，提取懸液時間從此刻算起；

（7）按照規(guī)范的時間和深度，在吸液前15秒，將移液管移于量筒中心位置，放入指定深度，當時間到達，在20秒內(nèi)準時地準確滴開始吸取懸液25ml；

（8）各粒級懸液分別盛入不同的小燒杯中，烘干、稱重；

（9）計算總的各粒級百分含量，并算出平均粒徑、中值粒徑、標準偏差、偏度和峭度五個參數(shù)。

2.2 激光法

樣品準備和測試流程遵循激光粒度儀操作手冊，主要過程如下：

（1）取10g左右表層沉積物樣品，放入50ml的燒杯，加入10ml濃度為10%的H2O2去除樣品中的有機質(zhì)；

（2）微熱后靜置24小時，加入10ml濃度為10%的鹽酸去除碳酸鹽（主要是鈣質(zhì)物）；

（3）加入10ml濃度為4%的六偏磷酸鈉（[NaPO3]6），用超聲波震蕩對樣品進行分散處理；

（4）用Coulter激光粒度儀（LS-100Q，適用小于1mm顆粒）測試分析沉積物粒徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 長江口沉積物分布特征

長江口沉積物樣品的頻率分布曲線如圖2，紅色曲線為根據(jù)所有樣品的平均值所畫頻率分布曲線。

圖2 傳統(tǒng)法(a)與激光法(b)測得樣品頻率分布曲線Fig.2 The curves of sediment frequency distributions from traditional(pipette and sieving) methods (a) and laser methods (b)

雖然根據(jù)兩種方法得出的頻率分布曲線存在一定的差異，但是兩張圖對比可以看出，整體分布規(guī)律相似，結(jié)果均反映出樣品存在兩個主要的類型。一類中值粒徑在4～8Ф之間，為泥質(zhì)，一類在2～4Ф之間，為砂質(zhì)。這些樣品的類型總的來說，本身種類有所不同，加上野外天然樣品錯綜復雜，沉積動力環(huán)境又存在多元性。而對于單個樣品存在雙峰甚至多峰現(xiàn)象，沉積物顆粒組成復雜，且磨圓程度不同，形狀不規(guī)則。傳統(tǒng)法與激光法雖然有所差異，但反映出的沉積物特性基本一致。在對沉積環(huán)境的判別過程中，沉積物的定性是一個重要的環(huán)節(jié)，而沉積物的定性則要根據(jù)沉積物的砂、粉砂和黏土的含量來判定。根據(jù)沉積物的各組分含量數(shù)據(jù)，對沉積物進行命名（沉積物中不含礫石），命名按照Shepard分類系統(tǒng)進行[10]，如表1。

表1 各沉積物類型樣品個數(shù)統(tǒng)計Table 1 The quantity of samples in difference sediment types

對179個樣品，運用兩種方法測量結(jié)果逐個進行命名比較。傳統(tǒng)法和激光法得出的沉積物的類型均有大部分落在黏土質(zhì)粉砂上，分別占54.7%和58.1%。其次即為砂，沉積物數(shù)量為27至28。粉砂質(zhì)黏土最少，僅有傳統(tǒng)法測得1個。根據(jù)此統(tǒng)計，運用楊康等的柵格圖疊合判斷方法[11]，繪制長江口底床沉積物類型圖（圖3）。

圖3 長江口底床沉積物類型圖對比（A:傳統(tǒng)法；B:激光法）Fig.3 Comparison between sediments types in the Yangtze Estuary(A: traditional methods, and B: laser methods)

據(jù)圖3，可以發(fā)現(xiàn)兩種方法結(jié)果繪制出的長江口底床沉積物類型圖相差不大。均表現(xiàn)出，口內(nèi)上半段和北港要明顯較粗，要粗于南港，沉積物類型以砂至粉砂質(zhì)砂為主；南港至口外及杭州灣北部均以黏土質(zhì)粉砂為主，沉積物較細；而對于口外，粉砂質(zhì)砂覆蓋了北面的大部，與南面的黏土質(zhì)粉砂形成鮮明對比。長江口外南部屬于現(xiàn)代沉積物沉積中心[12],近十年來長江上游來沙粒徑均值約10.5μm，二者大小相當。而長江口北側(cè)則主要受控于更新世的殘留砂和沉積中心的南遷，表層細顆粒沉積物被再懸浮并向南輸送[6,12]。泥沙沉積中心的南遷，將促進南匯灘地的淤漲，為上海的灘涂面積增長做出了積極貢獻[13～16]。

兩種方法的整體相似性，反映出兩種方法對于沉積物類型的判斷，整體上具有一致性。但仔細觀察也可以看見，對于研究區(qū)域的東南角—北槽深水航道的外部以及一些小的局部地區(qū)，兩種方法的結(jié)果有明顯區(qū)別，而且據(jù)統(tǒng)計結(jié)果也有51個樣品的命名出現(xiàn)了差異，占28.5%，說明兩種方法對于沉積物的命名，個體樣品測量差異的偶然性不容忽視。所以，由于粒度測量方法的更新，在與老資料的沉積環(huán)境進行對比的時候，不能把沉積物類型直接對比，差異不僅僅來自于沉積環(huán)境的變化，也有可能是因為粒度測量方法的變更。

3.2 粒度參數(shù)分析

（1）粒度參數(shù)對比

計算出這179個樣品的兩種方法測得的中值粒徑和平均粒徑，圖4展示了所有樣品及兩個分段粒徑區(qū)間的樣品的兩種測量方法的粒徑散點圖。其中黑色實直線為y=x，藍色實直線為回歸分析擬合出的線性相關(guān)關(guān)系，藍色虛直線為粒徑區(qū)間分界線。

圖4 傳統(tǒng)法與激光法測得的粒徑對比及回歸分析（A：中值粒徑；B：平均粒徑）Fig.4 Comparisons and regression analyses of grain sizes for Laser and traditional methods (A: median size; B: mean size)

對照圖4-A1，以激光法測得結(jié)果為參考標準可發(fā)現(xiàn)，當激光法測得結(jié)果大于32μm時，這些散點大部分都落于直線y=x的下部，即98.2%的樣品傳統(tǒng)法測得結(jié)果小于激光法，且平均值傳統(tǒng)法要比激光法小28.08μm（圖4-A3）；而相對較細的樣品，測的結(jié)果恰好相反，對于中值粒徑，小于32μm的樣品，62.9%的樣品傳統(tǒng)法測得值大于激光法，中值粒徑平均值則大激光法0.90μm（圖4-A2,表2)。同理對照圖4-B1，以激光法測得結(jié)果為參考標準可發(fā)現(xiàn)，當激光法測得結(jié)果大于12μm時，這些散點同樣也是大部分都落于直線y=x的下部，即傳統(tǒng)法測的結(jié)果小于激光法的比例高達94.7%，平均值則較激光法小13.02μm（圖4-B3）；而平均粒徑對于小于12μm的樣品，有83.8%的結(jié)果顯示傳統(tǒng)法測得值大于激光法，該部分的平均粒徑的平均值則大激光法2.09μm（圖4-B2,表2)。

通過計算，兩種分析方法均可計算出標準偏差、偏度和峭度的樣品均為115個（圖5），其中黑色直線為y=x，藍色直線回歸分析擬合出的線性相關(guān)關(guān)系。

圖5 傳統(tǒng)法與激光法測得粒度參數(shù)對比及回歸分析Fig.5 Comparisons and regression analyses of parameters for laser and traditional methods

兩種方法測得標準偏差、偏度和峭度的總體平均值相差不大，均表現(xiàn)為分選差、正偏和窄尖的峰態(tài)。三者測量結(jié)果均呈散點狀分布在y=x的兩側(cè)，沒有明顯規(guī)律，根據(jù)回歸分析可以看出，除標準偏差有相對較好的相關(guān)性之外，偏度和峭度的線性相關(guān)關(guān)系均較差。

表2 粒度參數(shù)平均值對比Table 2 The comparisons of average sediment parameters

傳統(tǒng)法對于細顆粒部分測得粒徑要大于激光法，而對于粗顆粒部分要小于激光法。這是因為天然沉積物樣品受其自身物理性質(zhì)影響，尤其是粗顆粒樣品受到顆粒物形狀影響很大，比如在吸管法過程中，一些扁平狀顆粒沉降速率要小于同等粒徑顆粒，而在篩析法過程中，長條狀顆粒往往能以較小的截面通過篩孔等等，這些因素都會導致在傳統(tǒng)法的測量過程中，測得粒徑較激光法偏小。而對于相對較細的樣品，傳統(tǒng)法測得值要大于激光法。因為天然的細顆粒之間本身存在許多固定的膠結(jié)，雖然經(jīng)過分散劑處理卻仍然難以完全分離開來，且在吸管法的過程中由于在水中因長時間的靜置，也會因為水的黏合作用再次發(fā)生膠結(jié)，“變成”相對較粗的顆粒，而激光法先是經(jīng)過分散劑作用，再運用超聲波震蕩，結(jié)束后馬上進行上機測試，且激光法測試周期遠小于傳統(tǒng)法，所以能夠較好地分散開來，故傳統(tǒng)法過程會使細顆粒測的結(jié)果較激光法偏粗。傳統(tǒng)法與激光法一個基于質(zhì)量一個基于體積，測量原理不同加上沉積物組成成分復雜，導致了兩種測量方法在標準偏差、偏度和峭度參數(shù)上存在很大的不一致性。

（2）粒度參數(shù)轉(zhuǎn)換

基于兩種粒度方法的測量，建立回歸方程，并對其進行F檢驗。對于兩種方法粒度參數(shù)回歸方程的建立，以往的研究基本采用一段式回歸，但本文基于大量樣品測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于激光法，對于中值粒徑小于32μm、平均粒徑小于12μm的樣品，并不存在很好的線性回歸關(guān)系，測量結(jié)果相對離散，所以本文中對于中值粒徑和平均粒徑采用分段式回歸（圖4）。

根據(jù)F顯著性檢驗公式：

式（1）中N為樣品個數(shù)，R為線性相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)α為信度為 α 的時候 F 的臨界值。本文中 N中值粒徑(小于32μm)=124，12μm)=75，N標準偏差=N偏度=N峭度=115，α取 0.01，分子自由度為1，分母自由度分別為122、53、72、73、113、113和113，查得α=0.01，分子自由度為1，分母自由度為100、50、60、60、100、100和100時，F(xiàn)α的值為分別為6.90、7.17、7.08、7.08、6.90、6.90和6.90。根據(jù)式（1）反推計算，相關(guān)系數(shù)R必須滿足：

R平均粒徑(大于12μm)、R標準偏差、R偏度和R峭度，分別為0.628、0.933、0.316、0.956、0.844、0.674 和 0.495，除了 R平均粒徑(小于12μm)不能通過顯著性檢驗，其余參數(shù)均可通過顯著性檢驗。其遠大于計算得出檢驗參數(shù)，所以針對平均粒徑、中值粒徑和標準偏差，傳統(tǒng)法和激光法測量結(jié)果是顯著相關(guān)的，可以作為可靠的換算公式，整理各參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，見表3。

表3 粒度參數(shù)回歸方程及相關(guān)系數(shù)

Table 3 The regression equations and correlation coef fi cients for sediment parameters

注：y代表傳統(tǒng)法，x代表激光法

4 總結(jié)

基于傳統(tǒng)法與激光法，對長江口沉積物粒度進行分析，研究其空間分布特征和粒度參數(shù)轉(zhuǎn)換，為今后的研究打下基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下：

（1）長江口沉積物總體呈現(xiàn)口內(nèi)北港粗，南港細，口外北邊粗，南邊細的分布特征。沉積物中主要包含兩大沉積體，一類是粗顆粒的更新世殘留砂，一類是細顆粒的現(xiàn)代長江沉積物。沉積中心的南移，將促進南匯灘涂的淤漲。

（2）對傳統(tǒng)法與激光法測得的粒度參數(shù)進行回歸分析，其中中值粒徑和平均粒徑進行分段回歸，部分參數(shù)有著較好的相關(guān)關(guān)系，并能通過F顯著性檢驗，在今后的研究中可以運用于參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。

（3）根據(jù)傳統(tǒng)法和激光法,對長江口沉積物定性的結(jié)果總體相差不大，但是局部有所差異；對于某些個體樣品，尤其在新老沉積環(huán)境的比較中更應(yīng)引起注意，不能簡單地直接對比，以免給沉積物定名造成偏差。

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Sediment distribution patterns in the Yangtze Estuary and comparison of particle size measurement methods

YANG Hai-Fei1, YANG Shi-Lun1, MENG Yi1, ZHU Qiang1, WU Chuang-Shou2, SHI Ben-Wei3
(1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China;
2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Zhejiang Hangzhou 310020, China;
3. Ministry of Education Key Laboratory for Coast and Island Development, Nanjing University, Jiangsu Nanjing 210093, China)

Sediment grain size analyses for 179 seabed samples in the Yangtze Estuary were conducted by both traditional(pipette and sieving) and laser (Coulter, LS-100Q, USA) methods. Our results show that the sediments in the North Channel and the upper reach of the inner Yangtze Estuary are mainly sands and silty sands, usually coarser than those in the South Channel. The deposits in the South Channel and the Northern Hangzhou Bay are mainly clayey silt. Meanwhile, silty sands cover the most northern part of the outer estuary, and are apparently coarser than the clayey silty in the southern part of the outer estuary. The sediments in the outer estuary off the South Channel mainly re fl ect the modern deposits, while the sediments off the North Channel are dominated by relict Pleistocene sands. As to the measurement methods, there are apparent distribution patterns of relative size from the two methods. Moreover, regression analyses for the fi ve parameters,including mean size, median size, standard deviation, skewness, and kurtosis, were conducted to obtain reliable conversion formulas for the two methods. These can be used in future studies for comparison with historical data.

Yangtze estuary; sediment; particle size; measurement methods; comparison analysis

P737.14

A

2095-1329(2017)04-0075-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.04.016

2017-09-08

修回日期:2017-10-08

楊海飛(1991-),男,博士生,研究方向為河口海岸動力沉積學.

電子郵箱:hfyang1991@163.com

聯(lián)系電話:021-62233115

國家自然科學基金委—山東省聯(lián)合基金項目(U1606401);科技部重點專項(2016YFA0600901)

＊通訊作者:楊世倫(教授/博導): slyang@sklec.ecnu.edu.cn;孟翊(博士/副研究員): ymeng@sklec.ecnu.edu.cn