2019年長江口南北槽水域表層沉積物特征分析

劉啟雄，陳家祺，劉海江，張東來

(1. 浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058; 2. 中交上海航道勘察設計院有限公司，上海 200120)

泥沙的中值粒徑和粒度參數特征受物質來源、水動力條件、地形地貌等多種因素的影響，通過研究泥沙樣本的空間分布規律與粒度參數特征可以獲得有關泥沙運動和沉積模式等重要信息[1-2]。此外，泥沙磁性物質含量分布受泥沙來源和水動力環境等因素影響，蘊含豐富的泥沙運動信息[3]。長江口泥沙在運動過程受徑流、潮汐、風浪等多種因素的綜合作用[4-9]，而河床表層泥沙物理參數的時空變化可以體現泥沙運動規律和特征[10]。因此研究近年來長江口區域表層泥沙樣本的物理參數特征，對于揭示變化水動力條件下研究區域內泥沙運動特征十分重要。

前人對于南北槽泥沙樣本特征以及磁性物質含量已經做過大量的研究工作，但大多數粒度特征研究僅局限在某一次取樣中長江口區域表層泥沙特征的分析。即使有多次取樣分析，但取樣空間距離一般較大，缺少針對南北槽及其周邊區域內高密度的空間取樣，及洪枯季的對比取樣[10-12]。在磁性物質含量方面前人有做過相應的研究，同樣少有對洪枯季對比分析[13]。同時長江口南北槽作為長江入海的主要通道，人類活動影響頻繁，水沙動力條件一直處于動態變化中。因此，對于長江口南北槽河床表層泥沙運動的研究是一個持續更新的過程，研究最新環境下該區域內泥沙特征十分重要。本研究基于2019年枯季和洪季在該區域內的現場兩次河床表層泥沙取樣，分析了研究區域內在不同季節泥沙樣本中值粒徑、粒度參數和磁性物質含量的空間分布特征及其變化特征，為探討近年來北槽深水航道及周邊區域泥沙運動規律，提供最新的實測分析資料和一定的理論支撐。

1 研究區域和實驗方法

1.1 研究區域和實地取樣

為研究長江口南北槽及其周邊區域最新的河床表層泥沙物理參數的空間分布特征及洪枯季變化規律，2019年1月22—30日(枯季)和2019年8月1—5日(洪季)在長江口南北槽及其周邊區域進行了現場取樣，枯季和洪季分別取得21個和58個河床表層泥沙樣本。現場每個采樣點的采樣量約為1 kg，采樣在河床表層進行。枯季取樣區域為南港下段以及南北槽航道沿線周邊區域，洪季在枯季取樣區域基礎上，在九段沙區域、北港、以及南槽以南部分區域也進行了取樣。本研究以上述取樣區域為研究區域(圖1)，在分析過程中選取南港中指定的采樣點為基準點(圖1南港中五角星標注的點)，同時將北槽深水航道分為上段、中段和下段三個區域。現場取樣過程為采樣船行駛至指定位置后，開動吊機將取樣抓斗緩慢放到河床表層上，取樣抓斗以自身重力深入河床抓取表層泥沙樣本。

圖1 研究區域(長江口南北槽及周邊區域)Fig. 1 Research area (south and north passages of the Yangtze estuary and its surroundings)

1.2 實驗室分析

現場取回的泥沙樣本根據其表觀特征可以分成兩類，一類呈明顯的散體狀與沙相似，另一類具有一定黏聚性與泥相似(圖2)。兩類泥沙樣本在粒度、黏聚性等物理特性具有明顯差異。因此，將現場取樣的泥沙樣本分為兩類，呈明顯散體狀的樣本稱為沙樣本(圖2(a))，具有一定黏聚性的樣本稱為泥樣本(圖2(b))，2019年洪枯季泥沙樣本的分類結果匯總于表1中。

將采集的泥沙樣本放入試驗袋中帶回實驗室，利用激光粒度儀對泥沙樣本進行粒度測量分析。具體操作過程如下，對于每一泥沙樣本在3個不同的位置處進行取樣，共取1.5 g樣品于小燒杯中，滴入足量質量分數為10%的過氧化氫溶液，在滴入過程中可以觀察到泥沙樣本中會有大量氣泡產生，同時可觀察到泥樣本解體，形成絮狀沉淀。等待氣泡停止后，繼續加入過氧化氫溶液，重復上述過程直至泥沙樣本不再產生氣泡為止，此過程可以去除泥沙樣本中的有機質。有機質去除后加入六偏磷酸鈉溶液對樣品進行分散，向樣品中加入10 ml配置好的5 mol/L六偏磷酸鈉溶液進行攪拌，攪拌均勻后將懸浮液倒入離心管中，靜置24 h等待上機[14]。通過激光粒度儀測量之后可以得到泥沙樣本的粒徑分布累積曲線和粒徑頻率分布曲線，進而得到樣本的中值粒徑和相應的粒度參數，并在此基礎上對泥沙樣本的粒徑空間分布特征和洪枯季變化規律開展進一步的研究。測試中使用的測試儀器為BT-9300Z激光粒度儀，其測試范圍為0.1～1 250 μm，分辨率為0.01φ(φ尺度粒徑見式(1))，重復性誤差小于1%，準確性誤差小于1%。

表1 洪枯季泥樣本和沙樣本分類匯總Tab. 1 Classification of sandy and muddy samples in flood and dry seasons

對于沙樣本，本研究還分析了其磁性物質含量。測量過程中首先將20 g烘干的沙樣本放置在試驗臺上，將釹鐵硼強磁鐵裝入透明自封袋中放在樣本上來回移動吸取樣本中的磁性物質，吸取的磁性物質將貼在自封袋上。吸取完成一次后將磁鐵從自封袋中拿出，磁性物質落在稱量紙上，重復上述過程15次(保證樣本中的磁性物質均已提取)，然后稱量出在稱量紙上的磁性物質質量，并由此計算磁性物質在該泥沙樣本中的含量[15]。

1.3 粒度分析方法

泥沙樣本的粒度參數主要有分選系數、偏度和峰度。為進行泥沙樣本粒度參數分析，本研究首先根據克倫賓公式[16]將粒徑單位由毫米轉換為φ單位，轉換公式如下：

φ=-log2d

(1)

式中：d為泥沙粒徑，mm。粒徑轉換完成后根據Folk-Ward公式[10, 17]分別計算樣本的粒度參數。樣本分選系數表示分選性的好壞，分選系數越大，分選性越差；分選系數越小，分選性越好。分選系數σ的計算公式如下：

(2)

式中：φa表示在φ單位下粒徑分布曲線上小于該粒徑的泥沙顆粒占總質量為a%對應的粒徑。

偏度表示粒徑頻率曲線的對稱性，偏度接近于0表示粒徑頻率分布曲線對稱性好，偏度值大于0表示正偏，偏度值小于0表示負偏。偏度值Sk計算公式如下：

(3)

峰度反映了頻率曲線相對于正態分布的寬窄陡緩程度。峰度值小表明粒徑頻率分布曲線尾部展寬相對于中部較小，為寬峰態；峰度值大表明尾部展寬相對于中部寬大，為窄峰態。峰度K值計算公式如下：

(4)

2 測量結果分析

2.1 洪枯季泥沙樣本中值粒徑分布

Udden對泥沙顆粒的大小進行了分類，定義單顆粒的粒徑大于63 μm的為沙顆粒，單顆粒的粒徑小于63 μm的為泥顆粒[18]。在本研究中，測量結果表明沙樣本中值粒徑都大于63 μm，泥樣本中值粒徑都小于63 μm(中值粒徑指粒徑分布曲線上小于該粒徑的泥沙質量占總質量的50%所對應的粒徑[10])。因此，在后續研究中以中值粒徑63 μm為界區分沙樣本和泥樣本。

圖3顯示了2019年研究區域內，洪枯季泥沙樣本的中值粒徑空間分布。

圖3 洪枯季泥沙樣本中值粒徑空間分布(單位：μm)Fig. 3 Spatial distribution of median grain size of collected sediment samples in flood and dry seasons (Unit: μm)

由圖3可以看出枯季時期，沙樣本主要集中在南港、北槽中下段和南槽中段，其余區域均為中值粒徑很小的泥樣本，其中值粒徑大多小于20 μm。洪季時期，沙樣本分布于南港和北槽中下段，而南槽區域內均為泥樣本(無沙樣本)，北槽上段、北槽口以及南槽內樣本也均為泥樣本。洪季中的泥樣本總體上中值粒徑更小，中值粒徑在10 μm左右。此外，洪季在九段沙淺灘區域也進行了取樣，取樣結果表明在江亞南沙串溝中部附近為沙樣本(中值粒徑分別為105 μm和164.1 μm，如圖3圓圈所示)。總體上，洪季泥沙樣本中值粒徑小于枯季泥沙樣本中值粒徑，區域分布特征為南港內泥沙樣本中值粒徑最大，北槽中下段與南槽中段泥沙中值粒徑其次，其余區域泥沙樣本中值粒徑均很小。

圖4以南港內指定點為取樣基準點(如圖1所示)，分析了河床表層泥沙中值粒徑沿南北槽航道從南港向下游的空間分布特征，并對同一采樣點洪枯季泥沙樣本的中值粒徑進行了對比。

圖4 南北槽沿航道洪枯季中值粒徑變化趨勢對比Fig. 4 Medium grain size distribution along the south and north passages in flood and dry seasons

圖4(a)表明沿北槽深水航道，無論洪枯季，南港內泥沙樣本的中值粒徑大(距離<15 km，沙樣本)，北槽上段區域中值粒徑小(15 km<距離<30 km，泥樣本)，到北槽中下段區域泥沙樣本中值粒徑再次變大(30 km<距離<55 km，沙樣本)，到深水航道下口處中值粒徑再次變小(距離>55 km，泥樣本)。在北槽深水航道內，河床表層泥沙樣本的中值粒徑呈兩端小(泥樣本)，中間大(沙樣本)的特征。對比洪枯季北槽泥沙樣本中值粒徑可以發現，洪枯季中值粒徑空間分布特征無明顯差異。圖4(b)表明沿南槽航道內的泥沙樣本中值粒徑均小于南港基準點，但洪枯季不同時期航道內泥沙樣本中值粒徑的空間分布特征明顯不同。枯季時期，南槽中段(45 km<距離<65 km)區域為沙樣本，其中值粒徑明顯大于南槽其他區域(均為泥樣本)；洪季時期，整個南槽區域內無沙樣本，只存在泥樣本(中值粒徑在10 μm左右)，且沿航道無明顯的空間變化趨勢。

綜上所述，2019年長江口表層泥沙取樣的對比分析表明，北槽內泥沙中值粒徑的空間分布特征在洪枯季無明顯的變化，均呈中段大(沙樣本)兩端小(泥樣本)的特征。南槽內泥沙中值粒徑的空間分布在洪則呈明顯不同的特征，枯季南槽中段存在中值粒徑較大的沙樣本，其他區域為泥樣本；南槽洪季泥沙樣本中值粒徑分布空間上較均勻，都為泥樣本。南北槽河床表層泥沙中值粒徑空間分布趨勢與南導堤加高工程之前較為一致，南港段與北槽中下段河床泥沙較粗，枯季南槽河床泥沙中值粒徑大于以往南槽研究結果中值粒徑值[11-12, 19]。北槽河床表層泥沙較南槽粗表明北槽水動力條件較強，北槽深水航道束水沖沙工程作用顯現。

2.2 粒度參數結果對比分析

進一步探討了洪枯季所取泥沙樣本的分選系數、偏度、峰度等粒度參數與泥沙中值粒徑間的相互關系，如圖5所示。圖5中橫坐標中值粒徑以φ尺度表示，φ尺度中值粒徑數值越大代表實際泥沙中值粒徑越小。沙樣本(中值粒徑>63 μm)的φ粒徑小于4，泥樣本(中值粒徑<63 μm)的φ粒徑大于4。圖5表明整體上洪枯季泥沙樣本間的粒度參數無明顯的不同。

圖5 泥沙樣本分選系數、偏度和峰度隨φ尺度中值粒徑的變化Fig. 5 Relation between the sorting coefficient, skewness and kurtosis of sediment samples and the φ-scale median grain size in dry and flood seasons

圖5(a)表示所有泥沙樣本分選系數在φ尺度下隨中值粒徑的變化趨勢。整體上，泥樣本分選系數大于沙樣本，分選性比沙樣本差。泥樣本中，洪枯季間樣本分選系數隨著中值粒徑變化趨勢較一致，都隨著φ值增大(中值粒徑的減小)而呈現略微的減小趨勢，但始終維持在一個較大的數值(樣本分選系數>1.5)。對于沙樣本，其分選系數的波動范圍(0.5～2.5)較泥樣本大，整體上隨著φ值的增大(中值粒徑的減小)呈增大趨勢，即分選性變差。由分選系數計算公式(式(2))可以看出，泥沙樣本粒徑在φ尺度下分布越廣，其分選系數就會越大，分選性越差(表明樣本中含有各種不同粒徑的泥沙組分)，泥樣本分選系數較大，表明對于泥樣本的粒度組成分布更為寬泛。對于某一指定中值粒徑的泥樣本，不同樣本間的分選系數差異較小，表明不同泥樣本的粒度組成分布特征類似。沙樣本分選系數小于泥樣本，表明沙樣本粒徑分布范圍相對于泥樣本較小，沙樣本粒度組分主要為沙顆粒。但對于某一指定中值粒徑的沙樣本，不同樣本間的分選系數差異較大，表明不同樣本的粒度組成分布特征不同，這種不同主要是由于沙樣本中細顆粒組分含量的差異造成的。沙樣本隨著φ值增大(中值粒徑的減小)分選系數變大，表明隨著φ值增大，總體上沙樣本中細顆粒含量增多，使分選性變差。

圖5(b)表示所有泥沙樣本偏度值隨著中值粒徑在φ尺度下的變化趨勢。整體上，所取樣本的偏度值均大于0，表明在同一泥沙樣本中較粗顆粒組分含量更多一些。對于沙樣本，偏度值變化與樣本中值粒徑變化無明顯相關性，在φ=2時偏度值最小，在φ=3附近偏度值達最大，同時在φ=3附近也是偏度值波動的最大區域。泥樣本的偏度值雖有一定的波動性，但總體上隨著φ值的增大(中值粒徑的減小)呈減小趨勢，泥樣本中值粒徑越小，頻率分布曲線越對稱。如前所述，考慮到沙樣本會含有一定量的細顆粒，細顆粒組分含量的不同會改變沙樣本在粒徑頻率分布曲線的對稱性，進而改變沙樣本的偏度值。對于沙樣本，如其中混入一定量的細顆粒，其偏度值會發生改變。沙樣本偏度的最大值和最小值均出現在枯季，表明枯季不同沙樣本中細顆粒成分組成變化明顯。

圖5(c)表示所有泥沙樣本的峰度值在φ尺度下隨中值粒徑的變化趨勢。整體上，泥樣本峰度值明顯小于沙樣本峰度值，說明泥樣本粒徑頻率分布曲線為寬峰態，不同粒度組分的含量差別相對較小；沙樣本的頻率分布曲線為窄峰態，樣本中粒度組分的分布更集中于中值粒徑附近。隨著中值粒徑的改變，沙樣本的峰度變化無明顯特征，在某一指定中值粒徑下不同沙樣本間的峰度值波動范圍大(波動范圍0.7～2.0)；泥樣本峰度值隨中值粒徑的改變無明顯變化(均在1附近波動)，且在某一指定中值粒徑下不同泥樣本間的峰度值波動小(波動范圍0.8～1.2)，表明泥樣本的粒徑頻率曲線的峰態特征不隨樣本中值粒徑的改變而變化。結合峰度計算公式(式(4))，可以看出峰度值表示粒徑頻率分布曲線中尾部和中部展寬之比。對于泥樣本其粒徑分布曲線無明顯尾部，峰度值會相對較小；而對于沙樣本其頻率分布曲線受樣本中細顆粒組分的影響，細顆粒組分越大頻率分布曲線尾部明顯，峰度值大。因此沙樣本峰度值波動較大，峰度值較大的沙樣本中含有較多的細顆粒。

由分選系數、偏度、峰度三個粒度參數的分析表明，對于某一指定中值粒徑的泥沙樣本，泥樣本洪枯季各粒度參數之間無明顯差異，沙樣本粒度參數之間差異顯著，引起沙樣本粒度參數波動的主要原因是沙樣本中細顆粒組分含量的變化。長江口存在攔門沙渾濁帶，渾濁帶的范圍隨潮汐在長江口一定范圍內變動。由于渾濁帶水體的懸沙濃度遠高于上下游水體，因此受渾濁帶影響區域的沙樣本會含有較多的細顆粒組分，進而影響沙樣本的粒度參數。同一中值粒徑的沙樣本中由于細顆粒組成的差異，導致沙樣本粒度參數的大范圍波動。

圖6分析了同一采樣點的洪枯季泥沙樣本粒度參數的變化特征。圖6中直線所連接的一對空心和實心點表示同一采樣點的泥沙樣本粒度參數從2019年枯季到洪季的變化。從圖6整體看出除個別采樣點外，從枯季到洪季大多數采樣點的中值粒徑都減小(同一樣本線段實心點在空心點右測，φ粒徑變大)，其中有3個采樣點的樣本從枯季沙樣本變為洪季泥樣本。整體上看，洪枯季間沙樣本各粒度參數的變化較泥樣本更為明顯。圖6(a)表明枯季到洪季泥樣本和沙樣本分選系數變化趨勢不同，沙樣本的變化無明顯規律，而大部分泥樣本的分選系數從枯季到洪季呈減小的趨勢。圖6(b)表明對于同一采樣點從枯季到洪季樣本的偏度值變化沒有呈現出較為一致的規律，與中值粒徑變化沒有明顯的相關性。從圖6(c)中可以看出，在中值粒徑φ<6的范圍內從枯季到洪季同一采樣點峰度值呈現減小的趨勢，而對于φ>6的范圍內樣本峰度值從枯季到洪季呈現一定增大的趨勢。

圖6 洪枯季同一采樣點分選系數、偏度和峰度隨φ尺度中值粒徑的變化Fig. 6 Relation between the sorting coefficient, skewness and kurtosis of sediment samples and the φ-scale median grain size in dry and flood seasons

整體上對于同一采樣點，從枯季到洪季沙樣本的各粒度參數變化較大，但其變化無明顯規律。枯季泥樣本的中值粒徑和粒度參數分布較分散(相應粒度參數值的變化范圍較大)，而洪季泥樣本的中值粒徑和粒度參數結果更為集中(變化范圍較小)，表明洪季泥樣本的中值粒徑和其粒度參數在空間分布上較枯季泥樣本更為均一。

2.3 磁性物質含量分析

對2019年洪枯季實地取樣沙樣本的磁性物質含量進行分析。圖7給出了2019年洪枯季各沙樣本磁性物質成分含量的空間分布，圖中黑色扇形區域表示磁性物質含量在樣本中的質量占比。

圖7 洪枯季沙樣本磁性物質含量(圖中數字)空間分布Fig. 7 Spatial distribution of the magnetic composition (numbers) of sandy samples in flood and dry seasons

2019年枯季時期，整體上沙樣本磁性物質含量在10%上下波動，在研究區域內有明顯的空間變化特征，枯季磁性物質含量最大的沙樣本在南港內，其含量達16.43%，磁性物質含量最小的點在北槽深水航道中段彎道附近，磁性物質含量僅為7.6%。南港內沙樣本磁性物質含量多，北槽中段沙樣本磁性物質含量少。此外，南北槽枯季沙樣本磁性物質含量差異不明顯。總體上，南港內樣本磁性物質含量較多，北槽中段磁性物質含量較少。

2019年洪季時期沙樣本磁性物質含量仍然在10%上下波動，但其波動幅度減小，研究區域內的空間變化并不明顯。枯季磁性物質成分含量最大的點(南港內)在洪季中仍為研究區域內磁物質含量最大的點。枯季磁性物質含量最少的采樣點在洪季其磁性物質含量有所增加，與整個研究區域內沙樣本的平均磁性物質含量相當。整體上來看，洪季沙樣本的磁性物質含量的空間分布較枯季更為均一。

磁性物質含量的變化在一定程度上反映了河床表層的變化，測量結果表明枯季河床表層泥沙的空間變化相對于洪季會更加明顯。本研究分析了2019年研究區域內沙樣本磁性物質含量的時空分布，并基于上述時空分布的變化特征對研究區域內的泥沙運動規律的分析進行了初步的嘗試。

3 結 語

利用2019年洪枯季長江口南北槽及周邊區域所取的河床表層泥沙樣本，分析了洪枯季泥沙樣本的中值粒徑和粒度參數(分選系數、偏度和峰度)，并測量了沙樣本內磁性物質含量。基于上述泥沙樣本的物理特征，進一步探討了2019年洪枯季該區域內表層泥沙樣本的空間分布特征和其在不同季節的變化規律，結論如下：

1) 2019年長江口南北槽以及周邊區域泥沙中值粒徑空間分布。枯季時期，南港、北槽中下游和南槽中段泥沙樣本中值粒徑較大(大于63 μm)，為沙樣本；其余區域泥沙樣本中值粒徑較小(小于63 μm)為泥樣本。洪季時期，南港和北槽中下游泥沙樣本中值粒徑大，為沙樣本，南槽中段由枯季的沙樣本變為泥樣本，中值粒徑減小，其余區域仍為中值粒徑很小的泥樣本。

2) 對于某一指定中值粒徑的泥沙樣本，不同沙樣本的分選系數、偏度和峰度等粒度參數間的差異較大， 而不同泥樣本的粒度參數間的差異相對較小。隨著樣本中值粒徑的減小，沙樣本的分選系數增大，偏度和峰度變化無明顯規律，而泥樣本的分選系數和偏度減小，峰度不變。

3) 從枯季到洪季對于相同采樣點的泥沙樣本，其中值粒徑一般減小，沙樣本的粒度參數變化幅度明顯大于泥樣本。洪季泥樣本的中值粒徑和粒度參數分布較枯季更為集中，空間變化小。

4) 研究區域內，洪枯季沙樣本磁性物質含量都在10%上下波動，但枯季磁性物質含量空間分布差異大，而洪季磁性物質含量空間分布差異小。

5) 河床表層泥沙物理特征數據作為研究長江口演變的基礎數據，需進行長期的現場取樣測量，同時在今后研究中可以結合河床表層泥沙垂向分布特征，水動力條件研究長江口南北槽區域水沙輸運特征。