长江口北支与口外沉积特征及其影响机制研究

长江口北支与口外沉积特征及其影响机制研究沉积特征是沉积物受沉积环境长时间作用的结果,蕴含了丰富的

沉积环境信息。河口地区受径-潮流相互作用、盐淡水混合、风浪作

用的影响,动力过程复杂,同时泥沙的絮凝、沉降和再悬浮作用等过程对沉积环境也具有重要影响,使得河口沉积十分复杂。长江口北支是

典型的衰退型潮汐河口,自18世纪中叶长江主泓南偏由南支入海以来,河槽不断萎缩,特别是近30年来,流域来沙量锐减,对北支河槽及

水下三角洲沉积环境产生了深刻影响。因此开展在自然演变和人类活动共同作用下,北支衰退型潮汐河口的沉积特征、机制及其趋势研究,对河口地貌演变研究、工程整治措施以及生态环境保护等方面均具有重要的理论和实践意义。研究基于长江口北支与口外表层沉积物采样、定点水文泥沙观测等现场调查,以及上世纪80年代海岸带调查的沉积、地形等历史资料,通过室内实验分析、实验分析方法校正,结合粒度、高程等数字方法,分析近期长江口北支与口外沉积物粒度特征和

空间差异,并基于校正后的历史粒度数据,讨论长江口北支与口外近

30年的粒度变化特征及其原因;在上述基础上,研究不同因子在北支

沉积环境演变过程中的作用和机制;同时结合北支来水来沙锐减、围

垦工程建设等人类活动过程及趋势,探讨在自然和人类活动共同作用

下北支沉积环境的演变趋势。主要结论如下:1、沉积物粒度特征(1)

沉积物组分和类型:沉积物中砂、粉砂、粘土三组分含量分别为37%、46%和17%,以粉砂和砂组分为主;沉积类型以粘土质粉砂、砂质粉砂

和砂三种沉积类型为主,其中粘土质粉砂沉积含量最高。(2)沉积物粒

度特征及粒度参数:沉积物中值粒径分布呈双峰型分布,范围在6.2μm~235.4μm之间,平均为53.6μm,北支口内、口外沉积物中值粒径总体均表现为自西向东递减分布特征;沉积物分选系数在0.6~2.9之间,分选性差,口内河槽分选性好于口外;沉积物偏度在-0.17~0.8之间,

粒径曲线总体正偏,粗颗粒组分较多,口内河槽较口外更正偏、粒径较粗区域偏度值相对更高;沉积物峰度值在0.68~3.68之间,粒径曲线

尖锐,口内河槽峰度大于顾园沙水域及口外,粒径较粗区域峰度也更高。(3)沉积物粒形特征:沉积物颗粒形状较接近球体,颗粒表面平整

性良好,颗粒对称度和宽长比也基本接近,表明北支口内、口外沉积物颗粒性质较为一致,强劲水流、波浪作用是形成沉积物粒形特征的外

部动力环境,北支口内、口外泥沙频繁交换是沉积物粒形参数相似的

重要因素。2、长江口北支与口外沉积特征长江口北支与口外沉积特征:北支口内河槽沉积特征分段性明显,北支口外不同水深区域沉积

特征差异显著。(1)北支口内河槽沉积特征分段性明显:北支河槽沿程沉积特征变化剧烈,分段性明显。崇头-灵甸港河段:以砂沉积为主,

粒径粗,粒径分布曲线呈单峰形态,峰度尖锐;灵甸港-三和港河段:沉

积物组分中砂含量迅速减小,粉砂和粘土组分含量均呈增大趋势,分

选性变差,偏度和峰度值都呈锐减趋势,沉积物类型由砂和粉砂质砂

沉积迅速向粘土质粉砂沉积过渡;三和港-连兴港河段:沉积类型以粘

土质粉砂沉积为主,整体较细,中值粒径为13.5μm,分选差,峰度中等。

(2)北支口外不同水深区域沉积特征差异显著:(1)0-2 m等深线浅滩

易受风浪影响,沉积物粗,沉积物砂组分含量达93.4%,分选性较好,呈

典型的风浪沉积特征。(2)2-5 m等深线区域,沉积物组分砂含量减小,粘土、粉砂含量增加,总体仍以砂组分为主。(3)5-10 m等深线区域沉积物处于过渡阶段,上段沉积特征与2 m等深线处相近,下段沉积物组分粘土、粉砂含量进一步增加,砂含量进一步降至40~50%。(4)10 m 等深线近似为砂与粉砂的分界限,该水深以浅,粒径较粗,砂含量较高,沉积类型主要为砂沉积,粒度特征随水深变化而变化;该水深以深,粒径较细,砂和粘土组分含量均在20~30%之间,粉砂在50~60%之间,各

粒度特征随水深增大变化不明显,沉积特征空间分布相对平稳。3、近30年来长江口北支与口外沉积变化特征近30年来长江口北支与口外沉积变化特征总体表现为:北支河槽沉积物呈变细趋势、口外浅滩物质粗化、口外水下区域相对稳定。(1)与上世纪80年代沉积物样品粒级统计相比,2015年的粒径范围变大,平均中值粒径减小,粗粒级比重下降,细粒径比重上升,各粒级频数分布相较均匀。(2)沉积物变化特征总体表现为:北支河槽变细,北支口外0-10 m等深线区域变粗、10 m 等深线以深区域变化不大。沉积物变化特征反映了沉积环境的变化特点:北支口内粒径变细,反映北支口内总体处于淤积环境;口外0-5 m 等深线区域由于受风浪作用较强,泥沙补给不足,颗粒粗化;10 m等深线以深区域,水深较大,风浪作用减弱,沉积物粒径变化不大,沉积环

境相对稳定。(3)从时间变化过程上看,总体表现为北支河槽沉积物呈变细趋势、口外浅滩(10 m等深线以内)物质粗化、口外水下区域(10 m等深线以外)相对稳定的整体格局,这与30年前后沉积特征变化趋势基本一致,其中上世纪90年代至21世纪初为北支河槽沉积物整体

细化相对较快的时期。4、自然条件下长江口北支与口外沉积环境演变机制分析(1)沉积物来源影响北支及口外沉积环境分布格局,沉积

物来源变迁影响北支及口外沉积环境的调整和趋势。(2)涨落潮不对称是影响北支沉积环境差异的直接因素,涨落潮不对称使口外泥沙向口内净输移,造成口内河槽总体淤积,河槽萎缩,沉积物变细。(3)涨、落潮流路分异加剧了北支河槽局部沉积环境的差异,涨落潮流路分异强化了河槽北岸冲刷、河槽南边滩淤积的沉积环境,河槽中部粗颗粒易于堆积,心滩、沙咀、潮流脊发育,形成河槽深泓靠北、南边滩细颗粒淤积,以及河槽中部潮流脊等发育的沉积环境。(4)风浪扰动引起沉积物的再悬浮是口外浅滩沉积物粗化的主要动力因素。北支口外(3.1 m等深线)以偏北和偏东向风浪为主,平均有效波高超过1 m,其中偏北向浪超过1.2 m,波浪作用显著,对口外浅滩扰动强烈。口外10 m等深线以浅区域,风浪作用频繁,沉积物粗、砂含量较高,随着水深增大,粒径和砂含量减小、粉砂和粘土含量增大;10 m等深线以深区域,风浪作用影响减弱,总体沉积物粒径较细,粒度特征的空间分布差异不大。(5)地形冲淤既是沉积环境变化的结果,也是影响沉积环境变化的诱导因素,对北支及口外沉积环境的变化具有指示意义。5、长江口北支与口外沉积环境演变趋势在自然演变和人类活动的共同作用下,北支总体处于上游泥沙来源减少,下游涨潮优势流作用增强的趋势。北支口内河槽在涨潮优势流作用下,整体处于淤积环境,河槽萎缩;北支口外水下三角洲由于缺乏足够的泥沙补给,地形由快速堆积转为相对稳定和略有侵蚀的状态。未来北支及口外沉积环境演变趋势仍将保持,