懸浮體粒度特征反映的南黃海輻射沙脊群泥沙擴散趨勢*

劉 濤 石學法 劉焱光 劉升發 王昆山

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懸浮體粒度特征反映的南黃海輻射沙脊群泥沙擴散趨勢*

劉 濤1, 2石學法2①劉焱光2劉升發2王昆山2

(1. 廣西紅樹林保護與利用重點實驗室 北海 536007; 2. 海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

基于大量的懸浮體現場粒度和濃度數據, 借助細顆粒懸浮體作為示蹤物, 分析了潮流作用下南黃海輻射沙脊群海底沉積物的再懸浮和擴散特征, 并探討了輻射沙脊群以北泥質區的形成機制。研究結果表明: (1) 在輻射沙脊群以北, 近岸懸沙在離岸方向上的擴散受到限制, 向南又被輻射沙脊群中心淺灘所阻擋, 只能在輻射沙脊群與廢黃河口之間形成沿岸分布的高濃度渾水團。(2) 輻射沙脊群以北的往復潮流對海底沉積物有分選作用, 傾向于把海底沉積物中的粗顆粒分選搬運至沙脊群, 把細顆粒沉積物向北輸送, 從而在沙脊群以北形成泥質區。(3) 在正常海況下, 沙脊表層沉積物再懸浮作用十分微弱, 沙脊上覆水體中的懸沙主要來自于臨近溝槽海底沉積物的水平擴散。

南黃海; 輻射沙脊群; 懸浮體

南黃海輻射沙脊群是我國江蘇岸外南黃海內陸架上發育的大型潮成沉積體系, 長期以來, 其成因機制、現代動力過程、泥沙輸運特征和地貌演化趨勢一直是眾多學者關注和研究的科學問題。輻射沙脊群以北為廢黃河三角洲, 自1855年黃河北歸后, 主要輸沙來源喪失, 而幾條本地小型河流輸沙量又很低, 因而該區水體中的懸沙主要來自于海底沉積物在潮流、波浪作用下的再懸浮(Milliman, 1986; 秦蘊珊等, 1989; 宋召軍等, 2006; 吳德安等, 2007; 邢飛等, 2010)。廢黃河口以南的江蘇沿岸成為一個半封閉體系, 體系內的泥沙輸運導致侵蝕與淤積并存, 海岸帶和海底地貌變化十分劇烈(張忍順等, 2002; 虞志英等, 2002), 這對沿岸的土地利用、航行安全、港口航道建設都產生了較大影響, 深入研究該區域海底沉積物的再懸浮和擴散輸運特征, 對于理解和預測其海底地貌演化有重要意義。本文依據大量站位的懸浮體濃度和粒度數據, 對該區水體中各粒級懸浮顆粒濃度的空間分布特征進行了分析, 結合研究區海底沉積物粒度數據和水動力資料, 對研究區內懸沙的擴散輸運特征進行了討論。

1 材料與方法

本文一共使用了411個站位的懸浮體現場粒度數據, 數據采集時間為2008年5月至6月間, 現場采樣期間海況正常, 最大波高不超過2.5m(據隨船海況記錄)。所有站位使用LISST-100X型現場激光粒度儀(美國SEQUOIA公司生產)采集懸浮體粒度剖面數據, 該儀器可探測海水中直徑2.73—462μm的懸浮顆粒體積濃度, 共分32個粒級(圖1), 使用時以勻速施放至距海底0.5m處, 數據采集頻率設定為3Hz, 這樣可以保證0.2m左右的采樣間距。考慮到LISST- 100X探測范圍有限(其激光束測定水柱長度為6nm), 為排除偶然性, 原始數據在使用前均需經預處理, 將異常值剔除并按照一米深度間隔取平均值。同時采集的水樣則以真空抽濾法將其中的懸浮體過濾到濾膜上(孔徑0.7μm, 經Mettler AE163型電子分析天平預先稱重), 將濾膜置于冷凍干燥器中連續干燥48h, 然后利用同一天平進行稱重, 取得數據后即可計算懸浮體的質量濃度SSC=(-0)/, 其中為干燥后的濾膜總重(單位mg),0為濾膜原始重量(單位mg),為過濾水體積(單位L)。

圖1 現場數據采集站位(a)及分析斷面(b)分布

2 結果與分析

2.1 懸浮體濃度平面分布特征

2.1.1 懸浮體質量濃度(SSC) 如圖2所示, 研究區底層SSC一般超過50mg/L, 廢黃河口外直至輻射沙脊群中心的沿岸淺水區域發育有十分明顯的高濃度渾水團, 渾水團內底層SSC一般超過300mg/L, 部分站位超過400mg/L, 在沙脊群北部的深槽(如西洋)中, 底層SSC甚至可以超過1000mg/L。在此渾水團外的其他區域, 底層SSC顯著偏低, 在沙脊上覆水體中一般不超過100mg/L, 部分甚至低于50mg/L; 在脊間溝槽內則略高, 部分區域可超過100mg/L, 應是潮流流速較高時較強的再懸浮作用所致。表層水中SSC的平面分布格局和底層基本一致, 渾水團內表層SSC可超過100mg/L, 而渾水團外大片區域的表層SSC則介于20—50mg/L之間。

2.1.2 各粒級懸浮體顆粒體積濃度 LISST-100X型現場激光粒度儀可以探測32個粒級的懸沙體積濃度, 這使得我們可以分別研究各粒級沉積物的懸浮和擴散特征。本文將32個粒級劃分為三個粒組: 細顆粒組分(粒徑<20μm)、中等顆粒組分(粒徑20— 100μm)、以及粗顆粒組分(粒徑>100μm)。這樣劃分的依據是: 該區域海底沉積物的粒徑譜實際上是由3個“動力組分”(意即可視為具有相同的動力性質, Liu, 2012)混合而成的, 上述三個粒組即分別對應三個“動力組分”的主要粒度區間。

圖3展示了研究區表、底層水中各粒組懸浮顆粒的體積濃度平面分布特征: 細顆粒組分濃度的高值區(在底層水中大于100μL/L, 在表層水中大于20μL/L)與沿岸高濃度渾水團相對應, 渾水團中細顆粒組分的體積濃度一般超過200μL/L, 遠高于研究區內的其他區域; 中等顆粒組分體積濃度的高值區分布范圍較細顆粒組分要大的多, 基本上包括了渾水團分布區域和大部分沙脊; 粗顆粒組分濃度高值區則主要位于沙脊群以北的渾水區之內。細顆粒組分和中等顆粒組分濃度的平面分布顯然受控于海底沉積物粒度組成: 細顆粒組分濃度高值區位于沙脊群以北的泥質區, 其海底沉積物中富含粒徑小于20μm的組分, 而在沙脊區海底沉積物中這種組分的含量基本為零(圖4a)。中等顆粒組分在研究區的海底沉積物中廣泛分布(圖4b), 這可以解釋其濃度在大部分區域都達到較高水平的現象。有趣的是粒徑大于100μm的粗顆粒組分在沙脊群北部渾水團內也大量出現, 而當地海底沉積物中根本沒有這種組分(圖4c), 這反映了水動力強度較弱時細顆粒絮凝形成大直徑團粒的現象。

圖2 懸浮體質量濃度平面分布特征

a: 底層; b: 表層單位: mg/L

圖3 懸浮體各粒級聚類結果及體積濃度(μL/L)平面分布特征

細顆粒組分可以在水中長時間保持懸浮狀態, 因而十分易于擴散(尤其是在流速較高的表層水中), 但是在研究區內, 輻射沙脊群以北渾水團中濃度極高的細顆粒懸浮體卻沒有越過沙脊群中心區域繼續向南擴散, 這一現象在表層水細顆粒濃度平面中表現的尤其明顯: 15μL/L的濃度等值線被限制在輻射沙脊群中心區域。由此推斷, 輻射沙脊群中心部位的淺水區顯然起到了限制北部高濃度懸沙向南擴散的作用。

2.2 細顆粒組分濃度斷面特征

鑒于細顆粒組分可以在水體中長時間保持懸浮狀態, 因而可以將其作為指示懸浮體擴散的有效示蹤物。為了進一步認識研究區懸浮體的來源和擴散特征, 本文根據研究區海底地貌和懸沙濃度分布特征, 分析了一系列斷面中細顆粒組分的濃度特征, 并對一些典型站位的懸浮體和海底沉積物的粒徑譜進行了對比, 以便分析其來源。

2.2.1 沙脊群以北斷面 斷面L1—L4呈東西走向, 橫切輻射沙脊群與廢黃河口之間的渾水團。如圖4所示, 在渾水團中, 細顆粒組分體積濃度一般大于100μL/L且上下混合十分均勻。值得注意的現象是, 在渾水團邊緣, 細顆粒組分濃度在較短距離內迅速減少至20μL/L以下, 沿岸渾水團中的泥沙向外海擴散似乎受到了某種因素的限制作用。渾水團向南延伸直至沙脊群北部脊槽處, 其表層水中的細顆粒組分濃度高于底層水, 說明漲潮時表層水可由北部泥質區輸送來大量的細顆粒沉積物。綜合分析L1—L4斷面中各站的細顆粒組分濃度剖面、懸浮體粒徑譜和海底沉積物粒徑譜特征, 可以將這些站位分為兩種情形: 第一種情形以S1站和S3站為代表, 這兩站懸浮體濃度高、混合作用強烈, 懸浮體粒徑譜粗峰與海底沉積物主峰相一致, 顯示了強烈的本地再懸浮作用(圖5)。另一種情形則以S2站為代表, 該站細顆粒懸浮體濃度剖面層化明顯, 且懸浮體粗峰要粗于海底沉積物的粗峰, 甚至出現超出該區海底沉積物粒徑范圍的情況, 這反映了漲急或落急之后流速減弱階段懸浮顆粒沉降時(導致濃度剖面分層明顯)細顆粒懸浮體大量絮凝(形成懸浮體粒徑譜中的粗峰)的情形。

2.2.2 渾水團以外橫切脊、槽的斷面 斷面T1、T2和T3橫切沙脊群中部和南部的主要脊槽, 這些斷面中細顆粒組分的體積濃度都遠低于渾水區。在底層水中一般不超過80μL/L, 在中、表層水中一般低于20μL/L。值得注意的是, 沙脊上覆水體中細顆粒組分的濃度一般有高于臨近溝槽的趨勢(圖5)。分析T1和T2斷面中典型站位的懸浮體粒徑譜可以發現, 在沙脊上覆水體中, 懸浮體粒徑譜的眾數區間與海底沉積物粒徑譜的眾數區間相差很大(圖5)。而在溝槽中懸浮體粒徑譜數區間與海底沉積物有較多重合部分, 只是主峰位置更加偏細(如S6站和S10站), 這反映了溝槽底部的沉積物可以在潮流過程中部分再懸浮進入水體。沙脊上水體中懸浮體粒徑譜的形狀和主峰位置幾乎與臨近溝槽中的完全相同, 這說明沙脊上覆水體中的懸浮體并非來自于沙脊表層沉積物, 而是來自于臨近溝槽水體中懸浮體的水平擴散作用。

圖4 研究區海底沉積物中各粒級組分含量

a: 細顆粒組分; b: 中等顆粒組分; c: 粗顆粒組分

圖5 斷面L1—L4細顆粒組分體積濃度剖面及典型站位懸沙粒徑譜

圖6 斷面T1—T3細顆粒組分體積濃度剖面及典型站位懸沙粒徑譜

3 討論

3.1 輻射沙脊群與廢黃河口之間的泥沙擴散特征

如前所述, 調查期間在廢黃河口至輻射沙脊群中心區域發育有沿岸線伸展的條帶狀高濃度渾水團, 渾水團中的懸浮體主要來自沙脊群以北泥質區。以細顆粒懸浮體(粒徑<20μm)作為泥沙輸運擴散的示蹤物, 其濃度平面分布表明, 輻射沙脊群以北泥沙向南輸運的趨勢被輻射沙脊群中心區域的淺灘所阻擋, 難以進入輻射沙脊群東南部海域。而細顆粒組分濃度在渾水團邊緣迅速降低, 顯示其向外海“潔凈”水體中的擴散量有限, 說明近岸高濃度泥沙在離岸方向上的擴散受到了限制。在海洋環境中, 懸浮體正常擴散受阻通常是由于水團物理性質突變造成的, 這種突變既可能是密度的差異, 如高溫高鹽的黑潮水對長江泥沙向深海擴散的阻隔作用(郭志剛等, 2002); 也可能是動力性質的差異, 如黃河口外潮流切變峰對黃河泥沙向渤海深水區擴散的阻隔總用(Li, 2001; Wang, 2007)。本文研究區域內沒有大型河流入海, 且水深很淺(<20m), 潮流作用很強, 混合作用強烈導致水體溫鹽結構均一, 因而可以排除海水密度差異成因, 潮周期內沿岸水與外海水之間的動力性質差異才是關鍵因素。已有的數值模擬結果和現場觀測數據表明, 在廢黃河口以南的淺水區, 潮周期內沿岸水以順岸往復流為主, 流速高、流向集中, 基本沒有垂直于岸線方向的流速矢量。而隨著外海水深迅速增加, 潮流流速降低且旋轉流性質加強(諸裕良等, 1998; 周良勇等, 2009; Xing, 2012), 導致近岸懸沙缺乏向外海擴散的動力, 只能順岸輸送, 從而造成沙脊群以北的渾水團呈帶狀沿岸分布。

綜合本研究的現場調查結果和前人的一些遙感和數值模擬結果(宋召軍等, 2006; Xing, 2012)可知, 單純潮流作用下, 在沙脊群以北形成高濃度沿岸渾水團是研究區懸沙濃度空間分布的一個典型特征。但是較強的波浪作用可以改變這一模式, 較強的風浪可以使得研究區大片淺水區域的懸沙濃度劇增, 這一趨勢在盛行偏北大風的冬季尤其明顯。

3.2 沙脊與溝槽之間的泥沙擴散特征

在渾水團之外的海域, 由于輻射沙脊群中心淺灘的淤高使得其北部淺水區的高濃度懸沙更加難以輸送至沙脊群的東部和南部, 水體中懸浮體濃度顯著偏低。在以潮流作用為主的正常水動力情況下, 沙脊表面較粗砂質沉積物再懸浮作用十分微弱, 沙脊上覆水體中的懸浮體主要來自于臨近溝槽的水平擴散, 細顆粒泥沙濃度總有高于臨近溝槽的趨勢, 這可能緣自于溝槽中的橫向環流效應(劉振夏等, 2004)。橫向環流產生自潮流過程中因脊槽水深變化而導致的橫向流速差和水位差, 其流向在上層水體中指向溝槽, 在下層水體中指向沙脊, 因而有利于溝槽底部懸浮體向沙脊頂部輸送。但是從研究區沙脊沉積物的粒徑譜來看, 這些被橫向環流輸送的懸浮顆粒很難在沙脊頂部沉積下來(可能由于沙脊頂部波浪擾動較強), 因而對沙脊的維持發育貢獻甚微, 沙脊的發育和維持可能主要靠推移質向其頂部輸送(以沙波、沙紋等形式)。

3.3 輻射沙脊群以北泥質區的成因

自1855年黃河北歸之后, 輻射沙脊群以北海底因主要泥沙來源斷絕而遭受侵蝕, 導致廢黃河口外的大沙、五條沙等沙體消失, 海底等深線迅速后退(張忍順等, 2002; 劉振夏等, 2004), 按照常理, 侵蝕應導致海底沉積物粗化, 但是在廢黃河口和沙脊群之間遭受侵蝕的海底卻出現了泥質區。本文細顆粒懸浮體濃度的空間分布特征可以對此作出解釋: 在廢黃河口與沙脊群之間, 近岸高濃度泥沙缺少向外海擴散的動力, 只能在潮汐過程中順岸往復運動, 這種往復運動對侵蝕區沉積物起到了分選的作用, 較粗顆粒組分可以在水動力較強的沙脊群淺水區沉積下來, 較細的顆粒組分則更趨向于沉積在沙脊群以北水動力相對較弱的區域, 長此以往就在沙脊群和廢黃河三角洲之間的近岸形成了泥質區(圖7)。

圖7 沙脊群以北泥質區成因示意圖

渾水團及泥質區僅標出研究區內部分

4 結論

(1) 在潮流作用下, 在輻射沙脊群以北, 泥質區細顆粒沉積物可以被潮流大量懸浮進入水體, 但是由于潮汐過程中近岸水和遠岸水動力性質的差異, 近岸懸沙在離岸方向上的擴散受到限制, 向南又被輻射沙脊群中心淺灘所阻擋, 傾向于在沙脊群與廢黃河口之間形成沿岸分布的高濃度渾水團。

(2) 輻射沙脊群以北的順岸往復潮流對海底沉積物有分選作用, 傾向于把海底沉積物中的粗顆粒分選搬運至沙脊群, 把細顆粒沉積物向北輸送, 從而在沙脊群以北形成泥質區。

(3) 在調查期間的正常海況下(潮流作用為主),沙脊表層沉積物再懸浮作用十分微弱, 沙脊上覆水體中的懸沙主要來自于臨近溝槽海底沉積物的水平擴散作用。

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DIFFUSION OF SEDIMENT IN RADIAL SAND RIDGES IN SOUTHERN YELLOW SEA

LIU Tao1, SHI Xue-Fa2, LIU Yan-Guang2, LIU Sheng-Fa2, WANG Kun-Shan2

(1. Guangxi Mangrove Research Center, Guangxi Key Lab of Mangrove Observation and Utilization, Beihai 266071, China; 2. Key Lab of Marine Resources and Environmental Geology, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Using large amount of in-situ data of the grain size and concentration of suspended particles in the radial sand ridges of Southern Yellow Sea, the sediment resuspension and diffusion were studied. In total, 411 sites were deployed and sample collected in May to June, 2008 during which local maritime weather was normal. An LISST-100X in-situ laser particle size analyzer (SEQUOIA, USA) was used to profile suspended particle-size distribution in water column; the instrument could cover size ranges 2.73—462μm in 32 grades. Results show that between the radial sand ridges and the abandoned Yellow River delta, suspended sediments were restricted within shallow water and could be transported only along coast by rectilinear tidal current. In addition, rectilinear tidal current in the northern radial sand ridges played a role in sorting sediment, which trended to transport coarse particles onto the sand ridges and fine particles northward (seaward). Moreover, in the area outside local turbid plume, surface sediment on sand ridges was too coarse to be resuspended by normal tidal current. Therefore, the suspend matters in water column above these sand ridges were mainly come from adjacent channels by horizontal movement.

South Yellow Sea; radial sand ridges; suspended sediment

10.11693/hyhz20121129001

* 我國近海海洋綜合調查與評價專項, 908-ZC-I-05號。劉濤, E-mail: salanitana@sina.com

石學法, 研究員, E-mail: xfshi@fio.org.cn

2012-11-29,

2013-04-03

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