鸭绿江河口及近岸海域沉积物中重矿物组成_分布及其沉积动力学意义

第31卷　第3期
海 洋 学 报
Vol 131,No 13
2009年5月
ACTA OCEANOLO GICA SIN ICA
May 2009
鸭绿江河口及近岸海域沉积物中重矿物组成、
分布及其沉积动力学意义
高建华1,李军2,3,汪亚平1,白风龙2,3,李家胜1,程岩4
(11南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏南京210093;21国土资源部青岛海洋地质研究所海洋油
气地质与环境地质国土资源部重点实验室,山东青岛266071;31国土资源部青岛海洋地质研究所,山东青岛
266071;4辽东学院城市建设学院,辽宁丹东118003)
收稿日期:2008203214;修订日期:2008212203。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40506022;40506013;40871019);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET -06-0446)。

作者简介:高建华(1973—
),男,辽宁省抚顺市人,副教授,从事河口海岸的研究。

E 2mail :jhgao @ 摘要:通过研究鸭绿江河口和近岸海域沉积物的重矿物分布和区域组合特征,同时以重矿物作为示踪物,分析了河口区底部沉积物的运动状况。

研究结果表明,研究区的重矿物主要分为两种组合,一是黑云母2普通角闪石2绿帘石组合,二是由不稳定的矿物普通角闪石、较稳定矿物绿帘石和石榴石以及金属矿物(包括磁铁矿、钛铁矿和赤褐铁矿)组成,该组合又可分为四个亚组合。

不稳定矿物与稳定矿物含量的比值变化、推移质潮周期输运率和净输运方向计算以及断面的粒度分布特征表明,鸭绿江河口10m 等深线以北地区的底部沉积物主要向上游地区输运。

这一结论与以往分析结果有很大不同,这主要是由于鸭绿江流域受到了人类活动,尤其受水利工程和人工挖沙的影响而出现的一种自我调节机制。

此外,重矿物分析的初步结果还表明,鸭绿江河口10m 等深线以南的沉积物主要向下游输运,而近岸地区的沉积物可能由东西两端向中间输运,但是由于受到研究资料的限制,以上结论还有待于通过其他研究方法进一步验证。

从北黄海东西两个地区的重矿物分布来看,北黄海西部地区的石榴石和电气石等稳定重矿物含量要大于东部地区的,而白云石和云母等不稳定矿物的含量要小于东部的。

综合对比北黄海西部与北黄海东部、南黄海北部和南部来看,前者与后三者最大的区别就是沉积物中没有自生黄铁矿。

关键词:重矿物;区域组合;沉积动力;鸭绿江
中图分类号:P736121 文献标识码:A
文章编号:025324193(2009)0320084211
1　引言
鸭绿江位于中国和朝鲜边境,是汇入北黄海海域的一条重要河流,也是典型的中小型河流;该河全长790km ,年平均径流量为289×108m 3,年平均输沙量为1113Mt 。

鸭绿江水沙的年内分配极不平均,洪季的径流量约占全年总量的80%以上,而枯水期则显得流缓水清[1]。

鸭绿江河口地区以悬沙含量高、潮差大、潮流强、最大浑浊带显著为主要特征[2—3]。

口门以上为沙坎区,是高流态沙坪,水深较
浅,具辫状水系特征。

口门以下为潮流脊广泛分布
的地区,潮流脊群呈扇形向外展开,前缘可达40m 等深线附近,分布面积达4×103km 2,南侧与西朝鲜湾陆架梳状沙脊相连接[4—5]。

河口是流域与海洋的枢纽,是陆海相互作用的界面,深受人类活动的影响[6],但河口系统对于各种驱动力的综合作用将如何响应是河口学研究值得深入探讨的问题[7]。

对河口沉积物特性及其输运特征的了解是研究河口过程的基础,鸭绿江河口沉积物输运的一个显著特点是推移质运动远较悬移质强
烈[8]。

人类活动已经深刻地影响了鸭绿江河口地貌的演化、航道演变以至港口布局[9-11]。

在这种情况下鸭绿江推移质运动将发生哪些变化,这些变化会对河口地貌演化和口外潮流沙脊产生哪些影响,这些都是有待解决的科学问题。

重矿物相对密度较大,而且主要与粗粒物质相伴生,因此重矿物分析方法是了解推移质运动的一个天然示踪物[12—13]。

主要重矿物和特征矿物的成分和含量可以表征沉积物的区域性差异,也可以作为追溯泥沙来源的标志[14]。

本文通过研究鸭绿江河口和近岸海域沉积物的重矿物分布和区域组合特征,以重矿物作为示踪物,分析河口区底部沉积物的运动状况,以期为鸭绿江河口地区的港口和航道治理、海岸防护提供科学决策辅助;通过搜集历史资料,对比北黄海西部与东部、南黄海北部和南部重矿物组成和分布的差异,以加深对整个黄海地区重矿物组成和区域分异的了解。

2　材料和方法
2006年6月和8月分别在鸭绿江河口区干流
河道及其邻近海域布设了
4个断面,用蚌式采样器采集了62个表层底质样(图1)。

断面1由站位1—32组成,从河口向南延伸至浅海陆架;断面2由站位33—41组成,与断面1平行,位于河口西侧;断面3由站位42—46组成,从鸭绿江口至大洋河口沿
岸,大致呈东西走向;断面4由站位47—62组成,呈东西走向,与断面1垂直。

依据《海洋调查规范》G B/T 13909—92[15],在实验室利用细筛分选出01063～01125mm 的碎屑颗粒级制备鉴定样。

用密度为2189g -1・cm -3的三溴甲烷分离出重矿物,称重后计算其质量分数。

应用光学显微镜对重矿物进行鉴定(鉴定颗粒为300-500颗),确定矿物种类并对不同种类重矿物的含量进行统计(颗粒分数,下同)。

利用英国Malvern 公司的Mastersizer2000型激光粒度仪对
沉积物样品进行粒度分析,粒度参数计算采用矩
法公式[16]。

图1　鸭绿江河口及近岸海域采样图
3　结果
311　重矿物含量特征
鸭绿江河口和近岸地区沉积物中的重矿物质量
分数介于110%～810%,平均为313%。

河口区上游沉积物中的重矿物含量较高(1—13号站位),除
部分站位外,重矿物质量分数均大于510%。

312　重矿物组成及分布特征共检测出29种重矿物,其中磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿、石榴石、单斜辉石、普通角闪石、阳起石、绿帘石和黝帘石等9种为主要重矿物,占重矿物总量的4119～9212%,平均值为8019%;白钛石、锆石、
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图2　不同站位重矿物质量分数
电气石、蓝晶石、风华云母、岩屑、石英和长石等8种重矿物占总量的018%～2918%,平均含量为1219%;榍石、磷灰石、金红石、锐钛矿、斜方辉石、褐帘石、石字石、红柱石、矽线石、绿泥石、黑云母、白云母等12种重矿物平均含量只占总量的612%,绝大部分含量小于510%。

鸭绿江河口和近岸地区主要以硅酸盐矿物为主,表1展示了4个断面沉积物中磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿、石榴石、单斜辉石、普通角闪石、阳起石、绿帘石和黝帘石等9种重矿物颗粒分数的平均值和分布范围。

普通角闪石是整个鸭绿江河口和近岸地区含量最高的重矿物,绝大多数站位的颗粒分数为20%～40%,最高含量出现在断面1的站位8,含量为5217%。

石榴石的含量次之,含量大多为10%～25%,但在断面1的站位7—10,以及断面3的站位42—44沉积物中的石榴石含量较低,均小于5%。

绿帘石分布的总体趋势是在断面1的上游地区(站位1—15)含量相对较低,大多小于10%,而在其余站位含量大多在10%～25%之间波动。

绝大多数站位的磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿、单斜辉石、阳起石和黝帘石的含量小于10%,含量变化较大。

表1　不同断面主要重矿物含量(%)特征值
断面特征值磁铁矿钛铁矿赤褐铁矿石榴石单斜辉石普通角闪石阳起石绿帘石黝帘石1平均值411519213181041231101161010418范围　012-814112-1310015-415019-2917017-10121818-5217012-517218-1816218-914 2平均值616317118131631730162191115812范围　412-912112-12013-314316-2318310-8112016-4015112-413911-1311415-919 3平均值21101721481711031162101510218范围　011-710013-210113-416111-1914011-3142314-4016013-215918-2215018-317 4平均值110101111241616115331132111219417范围　012-118216-1713013-3171111-2516013-3131413-1316016-916417-2114310-717
从不同断面的重矿物分布看,断面1基本可代表鸭绿江河口和邻近海域由陆向海重矿物含量和组成的变化,而不同断面之间的差异则代表了整个研究区内重矿物分布的变化。

断面1的分布特征显示(见图3):磁铁矿和赤褐铁矿含量在斗流浦上游地区相差不大,但由此向海含量有逐渐减小的趋势,至口门以外地区含量又大致保持相对稳定;阳起石含量自站位15向海逐渐降低;绿帘石以及次主要重矿物白钛石含量由陆向海逐渐增加;站位7—10四个站点的钛铁矿、单斜辉石、石榴石含量明显低于断面其他站位的,而普通角闪石和阳起石的含量又明显高于断面其他站位的。

次主要重矿物长石含量先由上游到下游逐渐增加,至薪岛沿岸又迅速降低并保持稳定(站位8—20),由站位20向海再迅速增高,之后大致保持稳定。

在断面2磁铁矿和石榴石的含量由陆向海逐渐增加,而赤褐铁矿、普通角闪石、阳起石以及非主要重矿物白钛石和白云母的含量由陆向海逐渐减小。

在断面3站位42—44分别自东向西位于鸭绿江西岸的潮滩上,而站位45和46则分别位于獐岛的潮滩上。

在獐岛潮滩2个站位沉积物样品的重矿物组成与研究区其他几个断面的较为相似,但在鸭绿江河口西岸潮滩上的3个样品却表现出了不同的组合和分布特征。

黑云母是3个站点沉积物中的最
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主要重矿物,而且含量由东向西逐渐减小,在站位42含量达到了4313%,在站位44含量为2714%,而磁铁矿、钛铁矿、石榴石和单斜辉石的含量要明显少于研究区其他站位的。

由图4可见,断面4的磁铁矿含量明显小于其他断面的,钛铁矿的含量由西向东逐渐增加,至站位57含量达到最大(大于16%),由此向东又逐渐减小
(但站位62的含量较高);绿帘石和赤褐铁矿的含量
先由站位47至站位54增加,之后又出现减小的趋势。

与此相反,普通角闪石的含量自西向东减少,至站位53后又增加。

白云母和黑云母的含量由西向东逐渐增加;在断面4长石的含量普遍大于其他地区的,但在东西方向没有表现出分异规律。

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313　重矿物区域组合特征
根据研究区的区域特征以及重矿物的含量变
化,研究区的重矿物主要分为两种组合,一是黑云母2普通角闪石2绿帘石组合,该组合主要分布在鸭绿江西岸的潮滩,由黑云母(3716%)、普通角闪石(2814%)和绿帘石(1019%)组成,重矿物的平均质量分数仅为114%,在整个研究区最低,属水动力作用较弱的一种重矿物组合类型。

二是由不稳定的矿物普通角闪石、较稳定矿物绿帘石和石榴石以及金属矿物(包括磁铁矿、钛铁矿和赤褐铁矿)组成。

根据这些矿物的含量变化,该组合又可分为4个亚组合。

亚组合Ⅰ由普通角闪石2石榴石2金属矿物2单斜辉石组成。

该亚组合主要出现在中水道的上游地区(主要位于断面1的上游地区,包括站位1—6以及站位11—13,其中普通角闪石的平均颗粒分数为2615%,石榴石为2017%,金属矿物为1517%(磁铁矿、钛铁矿和赤褐铁矿的平均颗粒分数分别为613%,611%和313%),单斜辉石为717%。

重矿物的质量分数在整个研究区最大,平均值为514%。

亚组合Ⅱ由普通角闪石2金属矿物2绿帘石2石榴石组成。

该亚组合主要分布于斗流浦地区(站位7-10)。

普通角闪石的平均颗粒分数为3415%,金属矿物为1215%(磁铁矿、钛铁矿和赤褐铁矿的平均颗粒分数分别为418%、316%和411%),绿帘石为817%,石榴石为814%。

亚组合Ⅲ由普通角闪石2石榴石2绿帘石2金属矿物组成。

该亚组合主要位于断面1的中游地区和西
水道(站位14—21以及站位33—41)。

普通角闪石的平均颗粒分数为3218%,石榴石为1514%,绿帘石为1118%,金属矿物为1116%(以磁铁矿为主,平均颗粒分数为611%,钛铁矿和赤褐铁矿的平均颗粒分数分别为410%和114%)。

亚组合Ⅳ由普通角闪石2石榴石2绿帘石2金属矿物2长石组成。

该亚组合主要位于断面1的下游地区(站位22—32)和断面4。

普通角闪石的平均颗粒分数为3116%,石榴石为1813%,绿帘石为1314%,金属矿物为918%(以钛铁矿为主,平均颗粒分数为715%,磁铁矿和赤褐铁矿含量较少,平均颗粒分数仅为019%和114%),长石为415%。

此组合分布区域的另一个特点是石英的平均颗粒分数达到415%,明显大于其他几个组合分布区的(除潮滩组合的含量为016%外,其他几个地区均近似为0)。

314　粒度分布
在断面1沉积物的平均粒径越小,分选越差,峰态越宽(图5),其平均粒径介于110Φ-516Φ,组分以沙为主。

在断面2沉积物的平均粒径越小,偏态越负偏,峰态越窄。

其沉积物组分以砂和粉砂为主,粉砂含量明显较中水道沉积物高,因此沉积物较断面1细。

断面3的站位42-站位44的沉积物平均粒径由东向西逐渐减小,组分也以粘土和粉砂为主,但站位45和站位46的沉积物以砂为主。

断面4沉积物的平均粒径越粗,分选越好,峰态越负偏,峰态越窄。

其平均粒径介于113Φ—310Φ,组分也以砂为主。

图5　研究区沉积物的平均粒径、分选系数、偏态、峰态和沉积物组分分布
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4　讨论
411　研究区重矿物分布的沉积动力学指示意义
在海洋环境中重矿物组成的变化主要受物源和分选作用的影响[17—18]。

鸭绿江流域所处地质构造单元为中朝准地台,主要由深变质的角闪岩、变粒岩、黑云母片麻岩及各种混合岩组成,岩体节理裂隙发育,球状、网状风化剧烈[1],因此角闪石是该地区含量最高的重矿物。

沉积物中重矿物的质量分数与其沉积环境有着较为密切的关系[19]。

图6a 表明,在站位1-14重矿物的质量分数与沉积物的平均粒径有着较好的线性相关关系(平均粒径越大,重矿物的质量分数越大),而在研究区的其他站位,两者之间没有表现出明显的相关性(图6b ),这可能是由于站位1-14位于鸭绿江中水道的潮流和径流交汇区,水动力作用较强,加之地处河口浅滩,水深较浅,属于高能沉积环境,因此沉积物所受的动力分选作用较强造成的。

从重矿物的组成和分布来看,整个研究区虽然重矿物含量有变化,但除潮滩外,其余地区主要重矿物的基本组合没有大的变化,这就给判断沉积物的来源和分析沉积物运动带来了一定的难度。

由于矿物的物理化学性质不同
,沉积物在搬运过程中抵抗
磨蚀力强的稳定矿物被保存下来,而抵抗磨蚀力差的不稳定矿物不断被磨耗,因此会导致搬运过程中矿物的含量发生变化,一般随着搬运距离的增大,不稳定矿物与稳定矿物含量的比值不断变小[20]。

由图7可见,断面1的不稳定矿物与稳定矿物含量的比值由陆向海有3个转折变化,斗流浦地区的沉积物由海向陆运动,沉积物在站位21附近(约位于10m 等深线)的上游向陆一直输运到斗流浦地区,而在下游向海输运。

在斗流浦附近的站位7-10,由于不稳定矿物含量远远高于稳定矿物的,因此可能是底质沉积物向上游输送的一个源,而站位11-13的不稳定矿物与稳定矿物含量的比值没有显著差异,因此可能是站位21上游地区沉积物向陆输送的北界。

为了验证该结果,本文利用Gao 等[21]的数据,并应用Bagnold 型的Nielsen 公式[22—23]对推移质输运情况进行了计算,上游和下游2个站位分别处于本文中站位3和站位13的位置。

计算结果表明,无论是洪季的大潮还是枯季的中潮,2个站位的底质均为向陆输运,其中在上游地区由于径流的顶托作用,洪季大潮的向陆单宽净输沙量远小于枯季中潮的,而下游站位的向陆单宽净输沙量则是洪季大潮远大于枯季中潮。

因此,推移质输运的计算结果与通过重矿物分析得到的底质运动状况的结果是一致的。

图6　重矿物质量分数和沉积物平均粒径的关系
a 1站位1-14;
b 1站位15-62
底质和悬沙粒度为本地区的沉积物运动提供了
良好的指示作用。

斗流浦地区(站位7-10)是鸭绿江河口冲淤演变最剧烈的地区之一[1]。

笔者在采样过程中发现,该地区两岸滩地有许多侵蚀的陡坎。

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图7　断面1不稳定矿物与稳定矿物含量比值的沿程变化
(因站位8-11不稳定矿物与稳定矿物含量比值远大于其它站位,图b为图a中去除站位8-11后的比值分布情况)
表2　鸭绿江潮周期底质输沙率
位置位置D50/mm单宽输沙量/kg・m-1单宽输沙率/kg・s-1・m-1方向/°
洪季大潮上游01433941560101328103下游014168531850110341192
枯季中潮上游014337921670106323111下游01419981370101329176
从断面1粒度分布可以看出(见图5),站位7-10 (斗流浦地区)以及站位15-17的沉积物相对于其他站位平均粒径明显偏小,粉砂含量明显增大,但分
选也明显变差。

另外,这几个站位也与鸭绿江最大浑浊带悬沙含量最大的2个区域相对应
[3]。

为了更进一步了解底部沉积物的运动情况,本文将悬沙以及断面1不同地区有代表性底质粒度的频率分布曲线进行了对比(图8),从中可以发现,除了最大浑浊带2个地区(站位7和16)沉积物的频率分布曲线为双峰外,其他均为单峰分布;站位7以高峰为主,站位16以细峰为主,2个站位的短峰也均位于悬沙的频率曲线分布范围之内,而高峰又与其他地区的沉积物频率分布曲线较为接近。

由于河口区的悬沙主要由陆向海输运[24],因此从斗流浦侵蚀下来的沉积物中一部分细颗粒组分可能在落潮流作用下向口门输运并在站位16附近沉降下来,而粗颗粒部分则在涨潮流作用下向陆输运,并与河流携带的底移质相混合,斗流浦附近可能也是鸭绿江底质输运的南界。

图8　断面1典型站位底质与悬沙粒度频率分布曲线对比
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站位21以南地区的沉积物由于位于水深大于10m的潮流沙脊区[4],已不属于河口浅滩,主要受潮流控制,径流的影响已经相当微弱,沉积物的运动受到人类活动的影响有限,因此在辽东沿岸流的作用下仍由北向南输运,但是由于本文在10m等深线以南没有水文测站,无法计算潮周期底质输沙率和输运方向,加之该地区的研究资料较少,因此该结论仍有待于进一步研究证实。

传统观点一直认为,鸭绿江河流下泻的推移质泥沙运动主导了鸭绿江河口的造床过程,上游来沙并广泛分布于河口湾口内外的砂质沉积物成为鸭绿江河口湾潮流脊建造的物质基础[25]。

从鸭绿江河口长期的地形和地貌的演化看[9],鸭绿江流域的底质应该是由陆向海输运,但本文展示的重矿物的分布、推移质在潮周期输运率和净输运方向以及断面的粒度分布特征却表明,近期鸭绿江地区口门以内的底部沉积物主要向上游地区输运。

由于本文采集的是表层沉积物,因此所得分析结果只是鸭绿江及近岸海域底部沉积物近期的输运趋势,不能代表该地区底质沉积物长期的输运特征。

笔者认为,鸭绿江河口口门以上的沉积物由海向陆输运趋势可能是在水利工程和人工挖沙等人类活动影响下河口系统出现的一种自我调节机制。

自1940年以来,鸭绿江流域共修建了大、中、小型水库41座,而河口地貌自此也发生了巨大变化[10]。

由于水库对径流的年内分配起着“削峰填谷”的作用,造成潮水上溯能力增强,改变河道原有的洪冲枯淤的态势。

据辽宁省交通科学研究所等的数值模拟结果①,浪头港的淤积在很大程度上是由于底质随涨潮流向上游输运造成的,而在洪季,由于河流的径流量较修建水库前减小,涨潮流加强更加重了这种趋势。

潮汐分析结果也表明,鸭绿江河口近年来涨潮流速不断增强,而落潮流速不断减弱,涨潮大流速带进的泥沙不能被落潮小流速全部带出,造成沉积物向河口内的运移[26]。

除了大型水利工程,浪头港下游附近的挖沙可能也是加剧底移质由海向陆输运的一个重要原因。

随着社会经济的发展,鸭绿江河口挖沙量自1990年以来不断增加,据挖沙现场调查,浪头港下游附近的挖沙量达到了0138Mt/a,约相当于鸭绿江每年径流输沙量的25%。

已有研究结果表明[27—28],由于河口挖沙改变了河床的形态,降低了水位,可导致潮汐动力加强,咸水入侵加剧。

从鸭绿江河口地区来看,上游水库对沉积物尤其对底移质的拦截作用以及人工挖沙造成沉积物的入海通量减少,使由浪头港向下游输运的推移质减少(浪头港是鸭绿江砾石输运的南界),而潮流动力加强更加有助于口外沉积物由海向陆输运,以“补偿”浪头港附近由于上游来沙减少和人工挖沙造成的泥沙亏损。

鸭绿江河口浅滩面积近年来逐年减小也证实了口门外沉积物运动方向发生的变化[11]。

通过以上分析,本文初步得出了鸭绿江河口地区底部沉积物的近期运动趋势,这将对其他地区有借鉴意义。

例如,在长江沉积物入海通量逐年减少的情况下,河口区的地貌形态以及沉积物运动将如何调整以适应这种变化。

由于鸭绿江只是一条中小型和清水河流,如果受到人类活动影响之前的鸭绿江河口地区沉积物和大部分河流一样是由陆向海输送,那么鸭绿江是否能够为口门附近的大面积浅滩以及岸外的平行状辐射沙脊的形成提供充足的物源,如果不能够提供充足的物源,那么这些浅滩和沙脊的沉积物又主要来自哪里,所有这些问题,还有待于今后进一步研究和探讨。

412　鸭绿江口近岸地区重矿物的东西向分异由先前的论述可知,鸭绿江口近岸重矿物分布的最大特点是稳定矿物含量(钛铁矿、赤褐铁矿)分别自东西两端向中间增加,而不稳定重矿物(普通角闪石)则表现出与此相反的变化规律。

极不稳定重矿物白云母和黑云母可能受到水动力的分选作用自西向东逐渐增加。

从断面4不稳定矿物与稳定矿物含量比值在东西向分布可看出(见图9),在站位47—50及站位61—56,该比值逐渐减小,站位52—55的比值变化较大。

其所显示的沉积物运动方向可能为由东西两端向中间输运,站位52—55可能为过渡区。

西朝鲜湾沿岸有大同江、清川江等河流注入,据金亨植等[29]的数值模拟结果,西朝鲜湾内的沉积物所受的动力方式主要为波浪掀沙、潮流输沙和风暴潮混沙。

在波浪、潮流及风暴潮的作用下,底部沉积物主要由陆向海输运,但输沙强度逐渐减小,其结果与本文断面4东侧通过重矿物分析所得到的沉积物由东向西输送的结果一致,但总体上上述结果还需要从地球化学、沉积动力学等角度去进一步证实。

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3期　高建华等:鸭绿江河口及近岸海域沉积物中重矿物组成、分布及其沉积动力学意义
①辽宁交通科学研究所,大连工学院海洋工程研究所,丹东航道处.丹东港、浪头港附近航道淤积原因及治理方案研究报告,1987.72.。