粤东神泉湾顶表层沉积分布特征及运移趋势研究

黄广灵，邱 静，罗志发，陈思淳

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635；3.广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室，广州 510635；4.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640)

海底表层沉积物是泥沙在一定的水动力条件下，经搬运、堆积形成的，受物质来源、动力条件、地貌特征、沉积过程等多种因素的控制。因此，海底表层沉积物能在一定程度上反映沉积物的来源、沿岸的地质条件、海域内泥沙的运动规律及水动力条件等特征[1]。沉积物的粒度特征可以在一定程度上反映沉积物的沉积环境和搬运方式[2-3]，这使通过粒度参数空间分布特征分析表层沉积物的运移趋势成为可能，Gao和Collins在总结前人一维分析模型的基础上，提出了平面二维的沉积物输移趋势计算方法[4]，此后许多学者运用该方法对我国近岸海域的沉积物特征及输移趋势开展了研究[5-10]，均取得较好效果。目前针对粤东近岸海域的沉积物特征及沉积环境的研究还比较缺乏，本文以神泉湾海域为研究对象，以沉积动力学理论为基础，分析表层沉积物特征、运移趋势及其动力机制。

1 研究区域概况

神泉港地处广东省揭阳市惠来县南面，是外海进入惠来内陆的必经之路(见图1)。神泉湾是冰后期于澳角-神泉花岗岩台地西南侧发育起来的砂质海岸，有龙江和雷岭水系在此汇流入海。龙江和雷岭水系均发育于中生代花岗岩和石英砂岩分布区，地面风化比较强烈。自6 000年前海平面相对稳定后，河流和原陆坡带来的大量泥沙在河流和海洋(潮流、海流、波浪)两类动力因素的共同作用下将古神泉湾逐步填塞，并发育成现今的海岸轮廓。神泉湾海域内没有大的岛屿对海域整体流况产生明显干扰，因此，该海域与南侧外海海水的交换顺畅。海域内水深较大，一般在10～30 m范围；潮差不大，正常状况下最大潮差在160 cm左右，根据观测数据，本海域常年海况较差，无风条件下仍有明显涌浪。

2 研究资料和方法

2013年期间在神泉湾海域对50个站位(采样点位置见图1)的底质进行取样并分析了粒度。粒度分析采用筛析法和马尔文MS2000激光粒度分析仪法，沉积物命名采用谢帕德沉积物命名法。结合《海洋调查规范》中的类型划分，沉积物中值粒径(d50) 、分选系数(σi) 、偏态(SKi)、偏态(Kg) 等粒度参数计算采用福克和沃德公式。

3 沉积物分布特征

3.1 沉积物分类及分布

研究海区表层沉积物类型见表1所示，从表1可知：海区海底表层沉积物以粘土质粉砂(YT)和砂质粉砂(ST)为主，分别有28个和17个测站，各占总采样点数的56%和34%。此外1号站、6号站和16号站为砂(S)，20号站为砾砂(GS)，50号站为粉砂质砂(TS)，各类型分布如图2所示。

表1 本海区表层沉积物类型统计

图2 表层沉积物类型分布示意

1) 砂质粉砂(ST)

砂质粉砂(ST)在调查海域内离岸广泛分布，从东西向将粘土质粉砂(YT)割裂开来。砂质粉砂砂含量在15.96%～37.76%之间，粉砂含量在48.68%～67.97%之间，粘土含量在11.78%～19.41%之间，峰态值Kg在0.80～1.13之间，平均值为0.92，频率累积曲线为接近正态的平缓分布。

2) 粘土质粉砂(YT)

粘土质粉砂(YT)在调查海域内主要在近岸区域分布和砂质粉砂(ST)的南边。其砂含量在2.87%～18.30%之间，粉砂含量在58.96%～ 0.72%之间，粘土含量在15.64%～33.73%之间，峰态值Kg在0.89～1.24之间，平均值为1.01，频率累积曲线以接近正态的平缓型为主。

3) 砂(S)

调查海域内零星出现，共有3 个采样点底质为砂，分别分布在研究海域的东部、中部和西部。砂含量在80.58%～94.76%之间。峰态值Kg平均值为2.03，频率累积曲线以窄的单峰型为主。

4) 砾砂(GS)

调查海域中仅在20号站出现砾砂(GS)沉积物，位于研究海域最东侧，其中砾石含量为42.29%，砂的含量为51.5%，峰态值频率累积曲线为窄的双峰型。

5) 粉砂质砂(TS)

调查海域中仅在50号站出现粉砂质砂(TS)，位于研究海域中部，粘土质粉砂(YT)和砂质粉砂(ST)交界处。

3.2 表层沉积物粒度参数分布特征

1) 中值粒径分布特征

中值粒径是衡量沉积物颗粒大小的一种指标，是沉积物样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。研究区的沉积物MdΦ等值线分布见图3a。据图3a可知：各测站表层沉积物中值粒径MdΦ低值区(MdΦ<1.0Φ)位于16号站、20号站和50号站。16号站和20号站位于采样区的东北，靠近靖海湾西南口门处，由靖海湾带来的陆源沉积物中粒径较大的泥沙颗粒因水动力环境的改变先发生沉积，因此，表层沉积物的中值粒径较粗，另外在50号站也出现MdФ低值；表层沉积物的中值粒径中值区(2.0Φ5.0Φ)则普遍存在于整个调查海域内，主要为细粒的粘土质粉砂(YT)和砂质粉砂(ST)分布，说明整个海区的水动力作用较弱。综上，靠近靖海湾口处的表层沉积物中值粒径最粗(MdΦ<1.0Φ)；神泉湾入海处沉积物表层中值粒径相对较粗(2.0Φ5.0Φ)，最小值出现在神泉湾顶附近的45号站。

2) 分选系数分布特征

标准偏差(σi)：又称分选系数，反映沉积物分布的分散程度，σi愈小，分选性愈好；σi愈大，分选性愈差。研究区的沉积物分选系数(σi)等值线分布见图3b。从图3b上可以看出:σi多集中在1.2～3.2之间，说明整体分选性很差，其中σi的最大值为3.25，位于50号站，说明该站的分选最差。

图3 研究海域表层沉积物粒度参数分布示意

3) 偏态分布特征

偏态(SKi)：反映沉积物颗粒频率分布的对称程度。SKi=0，粒度曲线图形对称；SKi>0，正偏态，平均值向中位数较细的方向移动，粒度集中于粗端；SKi<0，负偏态，平均值将向中位数较粗的方向移动，粒度集中在颗粒的细端部分。研究区的沉积物偏态系数(SKi)等值线分布见图3c。调查区内各站沉积物偏态系数SKi的分布较为散乱，区内偏态数值范围为-0.26～0.70。明显正偏的站位有6号站、16号站、20号站和50号站，其余采样站的偏度界于-0.25～0.25之间，但变化范围较小，说明此海域内水动力条件较弱。从各站位沉积物偏态系数来看，约有52.0%的数据集中在负偏的范围内，说明沉积物粒度偏向细粒沉积；约有24.0%的数据集中在近对称的范围内，说明沉积物粒度组成较为单一；约有24.0%的数据集中在正偏的范围内，说明沉积物粒度偏向粗粒沉积。

4) 峰态分布特征

峰态(Kg)：反映粒度分布曲线的峰凸程度和分布的分散程度。Kg=0，正常峰态；Kg>0，宽峰，说明沉积物粒度分布较分散；Kg<0，窄峰，沉积物粒度分布集中。研究区的沉积物峰态系数(Kg)等值线分布见图3d。从图3d可见：调查海区内峰态值均为正值，平均为1.1，反映区内粒度分布较为分散。6号站、16号站和20号站的峰态Kg值在2.0～2.8，其余站位的峰态Kg值均在1左右，说明这3个站位受到的水动力作用较其他站位更复杂。总体而言，调查海区表层沉积物粒度峰型分布接近于正态峰的低平峰。

3.3 沉积物分布特征

研究海区海底表层沉积物类型主要有砾砂(GS)、粉砂质粘土(TY)、粘土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和粉砂质砂(TS)，其中以粘土质粉砂(YT)和砂质粉砂(ST)为主，50个采样点中有45个测站的表层沉积物类型属此2种类型，也同时说明整个海区的水动力作用较弱。靠近河流入海口位置，表层沉积物中值粒径相对较粗(MdΦ<4.0Φ)；研究区中部多数采样站位的沉积物中值粒径相对较小(MdΦ>5.0Φ)。平均粒径与中值粒径相差不大，且分布规律相同。因此，研究海区受到来自靖海湾和神泉港的陆源物质和河流径流等的影响，还受来自外海潮汐潮流作用的影响，沉积物分选较差，沉积物颗粒频率分布较散乱，多数站位的沉积物粒度峰型分布接近正态峰的低平峰。

4 沉积物运移趋势

研究海区潮流运动形式为往复流，涨落潮流方向近似平行于岸线，涨潮流由东向西或由东北向西南方向流动，落潮流基本由西向东或由西南向东北流动。各分潮的椭圆长轴方向与主要海流方向一致，均为东西向。海流只有在转流的几个小时内有可能出现偏北向，其余多数为东西向。观测资料显示，海流流速都较小，一般在60 cm/s以下，极少出现大于70 cm/s。海区波浪主要受西南季风、热带气旋、东北季风3种天气系统所影响，常浪向和次常浪分别为E及ESE向，强浪向为SSE向。周年的平均H1/3为1.17 m，周年平均T1/3为6.2 s，周年平均TZ为5.0 s。

在分析了表层沉积物分布特征及海岸动力基础上，采用二维粒径趋势分析模型(Gao-Collins模型)[11]对神泉湾顶的表层沉积物输移趋势进行分析，采用研究海域表层沉积物粒度参数进行计算的结果生成表层沉积物输运趋势示意(见图4)，图4可以从整体上看出表层沉积物平均输运趋势，箭头的起点是泥沙运动的起点，箭头指向即为输运方向，长短表示其泥沙输运强弱程度。

图4 研究海域泥沙输运趋势示意

研究海区表层沉积物输移趋势为自外海向岸输运，表明本海域表层沉积物以海域来沙为主。神泉湾顶位置由于岸线外凸，形成本海域泥沙输运趋势的一个节点，湾顶以西海域泥沙输移趋势是由海向岸再转向西，而湾顶以东海域泥沙输移趋势则是由海向岸再转向东，海域来沙向岸输移过程中刚好以湾顶为节点分别向东、西两侧沿岸输运，但输运强度较弱。从表层沉积物输移的总体趋势来看，其驱动动力可考虑系波浪动力，但研究海域水深较大，10 m等深线距岸仅1 km左右，根据本海区的波浪观测，其有效波高主要分布在0.5～2 m之间，对应破波水深较浅，对照研究海域的水深，波浪难以对研究海域的表层沉积物产生作用，因此，本海区的表层沉积物向岸搬运动力应该是由深层陆架水入侵(即近岸上升流[12-15])所提供。

夏季沿岸上升流中心的主要特征是低温高盐，因此,低温高盐等值线的封闭区或低温高盐等值线与岸线组成的封闭区往往可用于确定上升流的位置。图5所示为2013年夏季研究海域的表层温盐观测结果，从表层水温平面分布来看，近岸区表层平均水温为27.7°反而低于离岸较远区的28.1°，从近岸到离岸表层水温呈现上升趋势，此乃深层陆架水低温海水在近岸上升混合后所致；从表层盐度平面分布来看，近岸区的最高盐度达到29.85psu，而离岸最过处的盐度为29.7 psu，盐度由近岸向离岸逐渐降低，这也是因为高盐海水在近岸上升所致。从神泉湾顶表层温盐分布可初步判断该海域的确存在近岸上升流，因此，近岸上升流是神泉湾顶海域表层沉积物输移的作用动力。

图5 2013年夏季研究海域的表层温盐平面分布示意

5 结语

1) 研究海区海底表层沉积物类型主要有砾砂(GS)、粉砂质粘土(TY)、粘土质粉砂(YT)、砂质粉砂(ST)和粉砂质砂(TS)，其中以粘土质粉砂(YT)和砂质粉砂(ST)为主，整个海区的水动力作用较弱。

2) 研究海区受到来自靖海湾和神泉港的陆源物质和河流径流等的影响，还受来自外海潮汐潮流作用的影响，沉积物分选较差，沉积物颗粒频率分布较散乱，多数站位的沉积物粒度峰型分布接近正态峰的低平峰。

3) Gao-Collins模型计算结果显示，神泉湾顶海域表层沉积物自外海向岸输运，表层沉积物以海域来沙为主。神泉湾顶为本海域泥沙输运趋势的一个节点，湾顶以西海域泥沙输移趋势是由海向岸再转向西，而湾顶以东海域泥沙输移趋势则是由海向岸再转向东。本海区的表层沉积物向岸搬运动力是由深层陆架水入侵(近岸上升流)所提供。