王偉斌,姚弘毅,吳 昊,蔚廣鑫
(1.福建海洋研究所,福建 廈門(mén) 361013;2.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361102)
五緣灣是福建廈門(mén)筼筜港-鐘宅斷裂帶因新構(gòu)造時(shí)期的斷裂和斷塊活動(dòng)而發(fā)育形成的斷陷淺水海灣[1]。為興辦鹽場(chǎng)、養(yǎng)殖水產(chǎn)等,廈門(mén)在1958年和1979年共修筑了兩條海堤,人為阻礙了五緣灣與外側(cè)同安灣海域的自然水體交換,導(dǎo)致泥沙淤積、沉積物受污染嚴(yán)重、水體富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮頻發(fā)、濕地生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重[1-3]。為保護(hù)和改善海灣濕地生態(tài)環(huán)境,廈門(mén)市政府于2005年啟動(dòng)了五緣灣生態(tài)修復(fù)工程。工程拆除了鐘宅海堤,恢復(fù)了五緣灣內(nèi)外自然水體交換過(guò)程,同時(shí)對(duì)灣內(nèi)淤塞的灘涂區(qū)域進(jìn)行了疏浚,增加了海灣納潮量。2011年,為了改善廈門(mén)灣水動(dòng)力條件,提升海洋環(huán)境質(zhì)量,廈門(mén)市政府開(kāi)展了高集海堤開(kāi)口改造工程,包括海堤拆除及改造工程、海堤兩側(cè)海域清淤工程、高崎側(cè)濱海路延伸段工程和集美側(cè)岸線整治工程,實(shí)現(xiàn)了廈門(mén)東海域與西海域間的連通,增強(qiáng)了東、西兩側(cè)海域的水體交換,改善水質(zhì)環(huán)境,從而有利于廈門(mén)灣西海域污染物外輸[4-5]。這一系列提升改造工程,勢(shì)必對(duì)五緣灣及同安灣口的水動(dòng)力環(huán)境和沉積動(dòng)力過(guò)程造成影響。
粒度特征是沉積物固有的基本特征,包含了沉積區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境、地質(zhì)歷史時(shí)期環(huán)境演變、物質(zhì)輸運(yùn)和沉降過(guò)程等重要沉積信息[6-11]。沉積物的粒度分布曲線往往同時(shí)存在多個(gè)峰,位置也不盡相同,其反映了不同輸運(yùn)形式、沉降過(guò)程及不同動(dòng)力組分的疊加[6-7,12-13]。Weltje G J等[14-15]提出了端元分析沉積物粒度數(shù)據(jù)的模型,該模型利用動(dòng)力組分的概念,將多元疊加的多峰沉積物分解成單峰的沉積動(dòng)力組分,在河口[16-19]、海灣[20]、近海及陸架區(qū)域[21-27]等海洋環(huán)境沉積物粒度分析中得到了廣泛應(yīng)用,在解析沉積動(dòng)力和物質(zhì)來(lái)源推測(cè)方面取得了良好的應(yīng)用效果。
本文于2022年1月在五緣灣及同安灣口采集表層沉積物,運(yùn)用粒度端元分解方法對(duì)該區(qū)域的粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,以期進(jìn)一步了解五緣灣及同安灣口在人類(lèi)活動(dòng)影響下的沉積動(dòng)力過(guò)程。
五緣灣位于廈門(mén)本島東北部湖里區(qū),水域北側(cè)與同安灣連通,東北側(cè)鄰近翔安,東南側(cè)則與金門(mén)諸島隔海相望。研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒ШQ笮詺夂?,受季風(fēng)環(huán)流的影響,四季分明,氣候溫和,空氣濕潤(rùn),雨量充沛。潮汐屬正規(guī)半日潮,潮差較大,根據(jù)廈門(mén)海洋站1907至2002年的觀測(cè)資料,最高高潮位為4.51 m,最低低潮位為-3.33 m,最大潮差為6.89 m。五緣灣灣口外緊鄰翔安航道,通航水深為11.6 m,水動(dòng)力較強(qiáng),實(shí)測(cè)大潮漲落潮流以往復(fù)流性質(zhì)為主,其主軸方向與岸線、潮溝大致平行。
如圖1所示,2022年1月在研究區(qū)域內(nèi)使用蚌式采泥器共采集了25個(gè)表層沉積物樣品,刮取表層2 cm厚的沉積物裝入樣品袋內(nèi)。沉積物粒度分析采用英國(guó)Malvern生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀,儀器測(cè)量范圍為0.02~2 000 μm,粒徑分辨率為0.001 Φ,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于3%,具體分析步驟參照文獻(xiàn)[28-30]中的方法。采用Folk R L等[31]的圖解法公式計(jì)算沉積物的平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σi)、偏度系數(shù)(SKi)和峰度系數(shù)(Kg);采用Folk R L等[32]的含礫和無(wú)礫圖解法對(duì)沉積物類(lèi)型進(jìn)行命名。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分:海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB/T 12763.8—2007)[33]中的劃分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)海砂粒級(jí)進(jìn)行劃分。
本文采用Paterson G A等[34]改進(jìn)的端元分析模型對(duì)沉積物粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行端元分析。在Matlab計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行AnalySize計(jì)算程序,將沉積物的頻率分布數(shù)據(jù)按照海砂粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分段后,作為計(jì)算的原始輸入數(shù)值。在計(jì)算過(guò)程中,具有對(duì)比非參數(shù)化方法和參數(shù)化方法兩種分析方法,但通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在使用非參數(shù)化方法時(shí),端元呈現(xiàn)多峰分布形態(tài),表明針對(duì)本文中的沉積物樣品,該方法分解出的端元并非有效的單一物源或沉積動(dòng)力環(huán)境,因此宜采用參數(shù)化方法[20-21,35]。研究表明,Gen.Weibull分布函數(shù)在形狀上具有更大的靈活性并能更好地控制偏度,在分析大量數(shù)據(jù)時(shí)更為迅速[21],故本文選擇該函數(shù)進(jìn)行參數(shù)化端元分解。計(jì)算結(jié)果可包含不同端元數(shù)的擬合結(jié)果以及相應(yīng)的相關(guān)性分析,綜合研究區(qū)域的水動(dòng)力環(huán)境、物源特征和相關(guān)性系數(shù)等因素后,可具體判定所使用的端元數(shù)量和端元計(jì)算結(jié)果。
平均粒徑(Mz)主要受源區(qū)物質(zhì)的粒度分布和搬運(yùn)介質(zhì)的平均動(dòng)能2個(gè)因素的影響。在源區(qū)一致的情況下,其可作為搬運(yùn)介質(zhì)速度的替代性指標(biāo),反映搬運(yùn)營(yíng)力的平均動(dòng)能[36]。圖2a為研究區(qū)域海域平均粒徑分布圖,從圖中可以看出采樣區(qū)域的表層沉積物平均粒徑變化范圍為0.33~7.60 Φ,其中五緣灣內(nèi)及大離浦嶼東南側(cè)表層沉積物顆粒較細(xì),在6.00~7.60 Φ之間,而五緣灣口至翔安之間海域表層沉積物平均粒徑較粗,在0.33~3.00 Φ之間。總體上,表層沉積物平均粒徑呈現(xiàn)出自五緣灣灣內(nèi)及近岸向海逐漸增大的趨勢(shì),從側(cè)面可以反映出五緣灣內(nèi)及近岸水域水動(dòng)力較弱,而作為連接廈門(mén)東部海域和同安灣的重要潮汐通道,同時(shí)受到兩側(cè)地形條件的約束作用,導(dǎo)致五緣灣口至翔安之間海域的水動(dòng)力較強(qiáng)。
分選系數(shù)(σi)反映了水動(dòng)力條件對(duì)沉積物的分選程度。研究區(qū)域內(nèi)分選系數(shù)在1.28~3.38之間,屬于分選較差和分選差,其中五緣灣內(nèi)分選系數(shù)在1.28~1.50之間,略好于灣口外的表層沉積物,五緣灣口的分選系數(shù)則達(dá)到了3.38,分選最差(圖2b)。這表明研究區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力整體分選作用較弱,沉積過(guò)程復(fù)雜,多種沉積環(huán)境下泥沙相互混雜,導(dǎo)致粒度分布分散。
偏度系數(shù)(SKi)是用來(lái)表示沉積物粒度頻率曲線對(duì)性的參數(shù),實(shí)質(zhì)上反映粒度分布的不對(duì)稱(chēng)程度,并表明眾數(shù)、中位數(shù)、平均值的相對(duì)位置,用這一參數(shù)能反映介質(zhì)類(lèi)型、搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱及能量變異情況[28,36]。研究區(qū)域內(nèi)沉積物偏度系數(shù)在-0.28~0.73之間(圖2c),兩側(cè)表現(xiàn)為負(fù)偏,而中間區(qū)域則表現(xiàn)為正偏至極正偏。
峰度系數(shù)(Kg)是刻畫(huà)數(shù)據(jù)在平均粒徑兩側(cè)集中程度的參數(shù),用以度量粒徑分布曲線的峰凸程度[28,36]。研究區(qū)域內(nèi)沉積物峰度系數(shù)在-0.66~3.20之間(圖2d),整體上以平坦至中等為主,其中靠近翔安、五緣灣灣內(nèi)人工沙灘區(qū)域以及五緣灣口的表層沉積物峰度系數(shù)較大,表現(xiàn)為很尖銳至非常尖銳,表明該區(qū)域的水動(dòng)力條件較為復(fù)雜,環(huán)境對(duì)沉積物的改造不充分。
在確定端元數(shù)量時(shí),往往需根據(jù)擬合情況和識(shí)別難度進(jìn)行綜合考量,原則上端元數(shù)量應(yīng)盡量少,一般采用3~4個(gè)端元數(shù)較為合適[20-21,25]。假定研究區(qū)域的端元數(shù)分別為2~8,對(duì)所有表層沉積物的粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行端元分析,擬合結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,當(dāng)端元數(shù)為3時(shí),擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的平方線性關(guān)系R2已經(jīng)達(dá)到了0.926,已能充分代表沉積物和沉積物環(huán)境特性。隨著端元數(shù)的增加,R2逐漸增大,至8個(gè)端元時(shí),R2僅增大了0.043,增幅較小。從結(jié)果看,端元數(shù)越多,擬合組分結(jié)果越理想,但是端元數(shù)增加至4以后,新增加的端元是上一組端元中某些端元的二次拆分細(xì)化。例如當(dāng)端元數(shù)為4時(shí),與端元數(shù)3相比,端元EM2將會(huì)被拆分成2個(gè)平均粒徑相近的砂組分,而事實(shí)上,這2種組分所對(duì)應(yīng)的可能是相近的環(huán)境營(yíng)造力或泥沙來(lái)源。故端元數(shù)的增加會(huì)模糊端元間物理含義的辨識(shí)度,對(duì)具體識(shí)別造成困難。因此,本文選取3個(gè)端元(EM1、EM2、EM3)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。
表1 端元擬合結(jié)果
3個(gè)端元組分的頻率分布曲線如圖3所示,其中端元EM1為細(xì)顆粒組分,其粒級(jí)范圍主要分布在3~10 Φ之間,根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8—2007)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[33],屬于粉砂粒級(jí)的范圍,平均粒徑為7.60 Φ,分選系數(shù)為2.45,偏度系數(shù)為0.03,峰度系數(shù)為0.92;端元EM2為較粗顆粒組分,其粒級(jí)范圍主要分布在0~3.47 Φ之間,屬于砂質(zhì)范圍,平均粒徑為1.92 Φ,分選系數(shù)為1.92,偏度系數(shù)為-0.11,峰度系數(shù)為1.14;端元EM3為粗顆粒組分,其粒級(jí)范圍主要分布在-2.00~2.32 Φ之間,屬于粗砂和礫石范圍,平均粒徑為-0.07 Φ,分選系數(shù)為2.47,偏度系數(shù)為-0.04,峰度系數(shù)為0.77。
在端元數(shù)為3的條件下,本次采集到的所有樣品的3個(gè)端元組分的和為100%。通過(guò)對(duì)各端元組分進(jìn)行地理空間插值,可以獲得各端元在空間上的分布特征(圖4)。EM1代表的細(xì)顆粒組分在五緣灣內(nèi)及廈門(mén)島近岸處的淺水區(qū)域含量較高,而在五緣灣口至翔安之間的深水區(qū)域含量明顯降低。EM2所代表的較粗顆粒組分的分布特征與EM1恰好相反,其在五緣灣內(nèi)及廈門(mén)島近岸處的淺水區(qū)域含量較低,占比均在20%以下,而在同安灣口的深水區(qū)域含量較高。EM3所代表的粗顆粒組分在五通至翔安、大離浦嶼至翔安之間以及五緣灣口的水域含量相對(duì)較高。
2022年11月5日至6日(農(nóng)歷十月初一至初二,大潮),福建海洋研究所對(duì)五緣灣及同安灣口進(jìn)行了6點(diǎn)同步潮流觀測(cè)。五緣灣及同安灣口潮流受地形因素控制,潮流流向呈現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特性,漲潮流由灣外向同安灣頂及西海域方向流動(dòng),落潮流則在同安灣口匯聚后向?yàn)惩饬鲃?dòng)(圖5);最大漲潮流速和最大落潮流速均出現(xiàn)在5號(hào)站位,流速均為97 cm/s(表2);各站位最大流速均出現(xiàn)在表層或0.2H層,受海底摩擦阻力影響,流速自表層向底層逐漸減小。除4號(hào)站位落潮流明顯強(qiáng)于漲潮流外,其余站位漲落潮垂線平均流速差值均在5 cm/s以下;5號(hào)站和6號(hào)站的漲潮最大流速大于落潮,漲落潮間流速相差在20%以上。整體上可以看出,研究區(qū)域內(nèi)潮流通道內(nèi)的水動(dòng)力條件較好,而五緣灣內(nèi)水動(dòng)力孱弱,漲潮和落潮平均流速分別僅為6、14 cm/s。
表2 研究區(qū)域大潮實(shí)測(cè)漲落潮分層最大流速和垂線平均流速及其流向
注:圖上數(shù)字1~6表示站位。
EM1端元所代表的細(xì)粉砂組分,分選差、頻率曲線近對(duì)稱(chēng)分布、峰度中,在水深較淺、水動(dòng)力較弱的五緣灣內(nèi)含量較高,因此可認(rèn)為該端元組分代表了水深較淺、水動(dòng)力較弱的沉積環(huán)境。EM2端元所代表的粗顆粒組分,分選較差、頻率分布曲線正偏、峰度尖銳,空間分布與EM1組分呈現(xiàn)出明顯的反相關(guān)性,主要分布在五緣灣外、離岸較遠(yuǎn)的開(kāi)闊深水區(qū)域,水動(dòng)力作用強(qiáng),在潮流的機(jī)械分異作用下,只有較粗的顆粒得以沉積下來(lái),表明該端元組分代表了較強(qiáng)的沉積動(dòng)力環(huán)境。EM3端元?jiǎng)t為部分礫石與粗砂混合的顆粒組分,分選差、頻率曲線近對(duì)稱(chēng)分布、峰度平坦,代表了更為強(qiáng)勁的動(dòng)力作用環(huán)境。從空間分布上不難看出,EM3端元組分高值區(qū)主要分布在研究區(qū)域南北兩側(cè),五通至翔安、大離浦嶼至翔安之間以及五緣灣口等水域,這些水域都處在從開(kāi)闊水域向狹窄水域過(guò)渡,區(qū)域受到兩側(cè)岸線地形的限制,過(guò)水?dāng)嗝媸?,水?dòng)力作用明顯增強(qiáng);同時(shí),高崎海堤開(kāi)口工程的施工使廈門(mén)東、西海域重新連通,潮通量增加,表現(xiàn)為自東海域向西海域凈輸水,同安灣口流速增大,從側(cè)面增強(qiáng)了其水動(dòng)力條件,不利于細(xì)顆粒泥沙沉積,只有粗砂和礫石組分得以保留。此外,EM3端元組分高值區(qū)周邊分布有在建的翔安大橋、劉五店港區(qū)、五緣灣游艇碼頭航道、劉五店航道、五通-金門(mén)航道以及規(guī)劃建設(shè)中的丙洲航道、東坑航道和高通航道等工程(圖6),可見(jiàn)該區(qū)域受到橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等多種高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)的影響。
研究區(qū)域內(nèi)泥沙來(lái)源主要包括海岸侵蝕陸源碎屑、河溪來(lái)沙以及來(lái)自臺(tái)灣海峽的物質(zhì)等。粒徑趨勢(shì)分析結(jié)果表明,同安灣沉積物自灣頂向?yàn)硟?nèi)、再?gòu)臑硟?nèi)向?yàn)晨谳斶\(yùn)[37],來(lái)自臺(tái)灣海峽的泥沙隨漲潮流進(jìn)入翔安南部和同安灣[38],翔安南部海域沉積物輸運(yùn)方向指向同安灣[39]。諸多來(lái)源的泥沙在本區(qū)域匯合,通過(guò)不同水動(dòng)力條件再分配,從而形成復(fù)雜的沉積格局,而端元分析就是將不同動(dòng)力組分和物源屬性的混合組分進(jìn)行剝離的過(guò)程。
西溪發(fā)源于廈門(mén)同安區(qū)北部寨尖尾山,由蓮花溪、澳溪和汀溪水流相匯而成,在雙溪口與發(fā)源于廈門(mén)市北部汀溪鎮(zhèn)西格山的東溪匯合后,向東南流入東咀港并出海進(jìn)入同安灣。東、西溪每年入海泥沙約6×104t,同安灣周邊小溪流的入海泥沙可達(dá)10×104t[40],這些入海泥沙中,粗顆粒大多沉積在下游河道中,細(xì)顆粒懸浮泥沙大量進(jìn)入海灣。隨漲潮流進(jìn)入同安灣的臺(tái)灣海峽懸沙也以細(xì)顆粒泥沙為主,這部分泥沙主要來(lái)源于浙閩沿岸流的南下物質(zhì)、粵東沿岸流隨西南季風(fēng)北上的懸沙以及臺(tái)灣西部河流中的細(xì)顆粒組分[24,41-42]?,F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的臺(tái)灣海峽懸沙的峰值粒徑在4 μm左右[24],與EM1端元的平均粒徑相近,因此EM1端元可較好地指示河溪入海泥沙以及隨漲潮流而來(lái)的臺(tái)灣海峽細(xì)顆粒物質(zhì)。
廈門(mén)灣海域海底沉積物表現(xiàn)出較好的親陸性,周邊基巖風(fēng)化侵蝕以及風(fēng)浪導(dǎo)致的海岸侵蝕是其重要的泥沙來(lái)源之一[38,43]。在潮流的機(jī)械分異作用下,同安灣海域泥沙自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸變細(xì)[44]。在海灣區(qū)域,這部分泥沙往往分布于水域較開(kāi)闊、流速較大的區(qū)域[20],與EM2組分的空間分布特征和平均粒徑較為接近,因此EM2端元組分可能代表了海岸風(fēng)化侵蝕陸源碎屑物質(zhì)。
2003至2008年的沉積物采樣結(jié)果表明,同安灣口的沉積物類(lèi)型均以黏土質(zhì)粉砂為主[37-38],而在高集海堤修建之前,1938年測(cè)制的海圖則顯示同安灣灣口的原有底質(zhì)類(lèi)型為礫質(zhì)砂和粗砂[45]。柱狀樣顯示同安灣沉積物在礫質(zhì)砂和粗砂層上覆蓋了一個(gè)7~30 cm的細(xì)顆粒沉積層,這是高集海堤建設(shè)和多年來(lái)的圍墾活動(dòng)導(dǎo)致水動(dòng)力條件變化而產(chǎn)生的淤積[43]。而端元分析結(jié)果中,EM3端元恰好可以指示這部分礫質(zhì)砂和粗砂的原始沉積層。該組分在表層沉積物中的重新出現(xiàn),并且在個(gè)別站位中有著較高的占比,說(shuō)明了近期的橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等人類(lèi)活動(dòng),尤其是2011年高集海堤開(kāi)口后,研究區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力條件發(fā)生新的變化,對(duì)沉積環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了一定的影響。
本文采用粒度端元分析方法,對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的表層沉積物樣品進(jìn)行了端元擬合,提取了3個(gè)有效端元組分,通過(guò)端元組分和粒度參數(shù)的空間分布,綜合歷史沉積過(guò)程、水動(dòng)力條件和人類(lèi)活動(dòng)影響等初步探討了該區(qū)域內(nèi)的沉積動(dòng)力環(huán)境和泥沙來(lái)源,得到了以下結(jié)論:
1)表層沉積物端元分析提取到的3個(gè)端元基本可以反映出五緣灣及同安灣口海域的沉積動(dòng)力環(huán)境。3個(gè)端元均為單峰,頻率分布曲線接近正態(tài)分布。EM1端元主要分布在五緣灣內(nèi),代表了水深較淺、水動(dòng)力較弱的沉積環(huán)境;EM2端元主要分布在同安灣口的深水區(qū)域,代表了水動(dòng)力作用較強(qiáng)、機(jī)械分異作用顯著的沉積環(huán)境;EM3端元?jiǎng)t主要分布在開(kāi)闊水域與峽道水域的過(guò)渡區(qū)域,代表了受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈擾動(dòng)作用下的沉積動(dòng)力環(huán)境。
2)EM1端元可用于指示河溪入海泥沙以及隨漲潮流而來(lái)的臺(tái)灣海峽細(xì)顆粒物質(zhì);EM2端元可代表海岸風(fēng)化侵蝕陸源碎屑物質(zhì);EM3端元?jiǎng)t代表了同安灣受高集海堤、圍墾等人類(lèi)活動(dòng)影響發(fā)生大范圍淤積之前的底砂物質(zhì)。
3)近年來(lái),研究區(qū)域內(nèi)開(kāi)發(fā)活動(dòng)頻繁,橋梁修建、航道和港池疏浚及圍填海等工程對(duì)局部的沉積動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng),此外,高集海堤開(kāi)口工程的建設(shè)使廈門(mén)東、西海域重新貫通,改善了兩側(cè)的水沙交換條件,間接增強(qiáng)了研究區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力。這兩方面的作用疊加后,研究區(qū)域的底砂出現(xiàn)粗化現(xiàn)象、原同安灣的礫質(zhì)粗砂底質(zhì)再次出露,需加強(qiáng)關(guān)注。