鸭绿江河口地区沉积物特征及悬沙输送

_ _ _ 1T h u ⋅ c⋅ d z0 ⋅ dt = h0 ⋅ u0 ⋅ c0 + ht ⋅ ut ⋅ c0 + ht ⋅ ct ⋅ u0 + ht ⋅ ut ⋅ ct + h0 u'0 ⋅ c' 0 + ht ⋅ u'0 ⋅ c'0 + ht ⋅ u't ⋅ c'0 + ht ⋅ u't ⋅ c' 0 ( 4 ) ∫∫ T0 0 T1
１ 数据采集和分析方法
1.1 数据采集 1994 年 8 月和 1996 年 6 月，根据鸭绿江河口生物地球化学项目分别在 C1 站和 C2 站 进行了全潮水文观测 ( 图1)。 1994 年的数据采集采用六点法， 1996 年则在垂向上采用 0.5 m 间距采集水样和测量温度、盐度、水深和浊度等数据。流速仪采用 LSC9-2 型直读式海流 计定采用过滤称重法，建立 浊度仪记录与悬沙浓度关系曲线，由浊度仪记录换算。此外，于 2001 年 9 月在鸭绿江口西 侧沿岸的潮间带采集了 3 个柱状样 (B1、 B2 和 B3 ，采样地点见图 1)。对样品进行了现场描 述；在室内，按 2 cm 间隔取样，采用英国 Malvern 2000 型激光粒度仪进行粒度测量，该仪 器的测量范围为 0.01～ 2 000 μ m，粒级分辨率为 0.1μ m，重复测量的相对误差 <3 %。粒 [12] 度参数的计算采用矩值法 1.2 悬沙输运率计算方法 [12～14] 瞬时流速 可按照垂向和潮平均分解为不同的项 ： u ( z, t ) _ _ (1) u (z , t) = u 0 + u t + u ' 0 + u t ' 式中： _为垂线平均项的潮平均项； _ 为垂线平均项的潮变化项； 为垂线偏差项的 u' 0 ut u0 潮平均项； 为垂线偏差项的潮偏差项。 ut ' 以相同方法可得悬沙浓度分解公式：
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
２ 结果与讨论
2.1 流速与悬沙浓度的潮周期变化 鸭绿江河口的潮流流速和悬沙浓度变化主要有以下几个特征 (图 2 和图 3)：C2 站的水 位过程线大致呈现正态分布，但随着潮波向内河推进，由于河床比降、河槽断面、江水深
/m
图 2 各站位流速 (m/s) 随时间变化 Fig.2 Current speed (m/s) variations in tidal cycle
式中： T1 为平均流引起的输沙； T2 为潮波与潮流相关项，即斯托克斯漂移效应 (Storkes drift)；T3 为水深与悬沙浓度的潮变化相关项；T4 为水深流速和悬沙浓度的三阶相关项； T5 为悬沙浓度与流速的潮变化相关项，它可产生潮汐捕捉作用 (Tidal trapping)；T6 为时均 量引起的剪切扩散；T7 为潮变化量引起的剪切扩散；T8 为潮振荡引起的剪切扩散。
度、河道弯曲度以及河流径流量等因素的影响使其变形逐渐加大，落潮历时增大，涨潮历时 缩短，涨落潮历时差不断加大； 由于 C1 和 C2 分别位于河口最大浑浊带的上游侧和下游 侧，因此 C1 站的悬沙浓度极大值多发生在涨潮时期，而 C2 站的悬沙浓度的极大值一般都 出现在落潮或者落转涨的憩流期内，同时 C1 站点的悬沙含量随潮位的波动变化要比 C2 小，水体悬沙浓度和潮位的变化有着良好的对应关系。 2.2 鸭绿江沿岸沉积物的粒度特征 鸭绿江河口地区 3 个柱状样粒度参数的垂向和沿程变化也反映了沿岸动力条件和沉积环 境的差异。B1 整个柱状样颜色呈灰黑色，除表层的 0 ～10 cm 、80～82 cm 和 86 ～88 cm 三 段外 (图 4)，平均粒径、分选系数和沉积物的组分都比较稳定。平均粒径的垂向平均值为 6.7φ，组分以粉沙为主，平均含量 66 %。平均分选系数为 1.97，分选较差，偏态在整个柱
引 言
悬移物质输送是海洋沉积动力学研究的一项重要内容，特别是有关河口物质通量研究已 [1, 2] 经取得了很多重要的成果 ，他们通过将河口断面要素在时间和空间上分解为不同的变化 量，从而得到了不同机制影响下的物质输送量。鸭绿江河口是我国北方一条重要河流，但从 目前情况看，人们对它的研究还很薄弱，基础研究资料比较缺乏，因此本文的写作目的主要 是探讨鸭绿江河口在洪水季节和大潮期的悬沙输运机制和最大浑浊带的形成关系，同时结 合 3 个柱状样垂向和纵向粒度参数的变化，对鸭绿江河口地区的悬沙输送方向、物质来源以 及沿岸的沉积动力环境的变化进行了探讨，从而为鸭绿江河口地区的港口和航道治理、海岸 防护提供科学依据。 鸭绿江位于中国朝 鲜 边 境 ( 图 1) ，发源于长白山麓，全长 790 km ，流程短、比降大， 8 3 是一条沿断裂发育而成的、典型的山溪型河流。鸭绿江的年径流量为 3.02× 10 m /a ， 径 流 的年内分配不均衡，大多集中在夏季， 7— 9 月份的径流量占全年径流总量的 36 %，其中 8 月份最多，占 15 %；2 月份的径流量最少，仅占年径流总量的 5.9 %。 鸭绿江河口是一个湾顶位于浪头镇附近的喇叭状河口湾，扭岛以上部分因为众多岛屿的 屏障作用，径流作用强烈，在涨潮流和径流的共同作用下形成三角洲平原和广阔散乱分布的 草坪，其中扭岛至蚊子沟共长约 24 km 的地区为潮流和径流交互作用地区，形成最大浑浊 [3] 带 ，蚊子沟到大沙河口地区为径流控制区，长约 20 km 。扭岛以下到口门地区则以潮流控 制为主，在潮流和波浪的共同控制下形成了大面积的潮流沙脊和潮流通道。但是，20 世纪 70 年代以来，由于上游建水库以及两岸大量的人工护岸工程使河口地区除少量地区淤积以 外，大部分地区都处于稳定和侵蚀状态。此外由于上游来沙供应量不足，口外历史上形成的
/ cm Fig.5 图 5 B2 沉积物组成和粒度参数 Sediment component and grain size parameters of B2
状样中的波动相对较大，波动范围为 -2.4～3.3，但大多数数值稳定在 1 左右，为正偏，其 余则多在 -2.4～1 (极负偏到正偏) 间波动。 B2 的质地较粘，0 ～25 cm 呈黄色条形泥，25～100 cm 为灰黑色 (图 5)。整个柱状样在 12～24 cm 出现一个明显波动值，粒径明显变粗 (砂的组分最高可达 92 %) ，分选变差，偏态 值增大，砂的含量也急剧增加，说明此处的动力条件发生了明显变化 (可能曾发生了风暴沉 积等突发事件)。其余部分的粒度参数沿垂向变化比较稳定，平均粒径平均值为 5.39φ，分 选系数平均值为 2.1，偏态值则在 1.79 附近波动，为极正偏。 B3 的水平层理清晰，0～25 cm 为灰黑色，25～ 50 cm 为浅灰色，50 ～100 cm 为灰黑色 (图 6)。整个柱状样组分以粉砂为主 (35.4 %～ 74.1 %)，平均含量为 59.2 %。其粒度参数在 垂向上的变化表现出一定的周期性，平均粒径大致以 5.59φ为中轴线、 11 cm 为周期表现出 了一定的周期变化特性；分选系数和偏态在垂向上也显示了同样的周期变化。三个粒度参数 之间的变化规律为平均粒径越小 (φ值越大)，分选越差，偏态也越负偏。 沉积物粒度参数在一定程度上反映了其所在时期的动力条件和沉积环境，目前国内外有
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高建华等：鸭绿江河口地区沉积物特征及悬沙输送
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图 3 水体悬沙浓度 (kg/m ) 随时间变化 Fig.3 Suspended sediment concentration (kg/m )variations in tidal cycle
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图 4 B1 沉积物组成和粒度参数 Fig 4 Sediment component and grain size parameters of B1
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些学者已经成功地通过数学手段对沉积物的组 分进行了分离，对每种组分所对应的动力条件 和沉积环境进行了还原分析，这种分析方法的 有效性已经在陆相和河流相沉积环境中得到了 [15, 16] 证实 。标准差是度量一列已知数据与算术 平均数之间的离散程度，因此可利用其从整个 柱状样沉积序列的多组分、多成因混合沉积物 中分离出每一单一组分的含量和众数值 (峰 值 )，从而探讨每一粒度组分所对应的沉积动 [17] 力过程 。本文的 3 个柱状样标准差计算结果 图 6 B3 沉积物组成和粒度参数 反映了 B1 、B2 和 B3 所在地区的水动力条件 Fig.6 Sediment component and grain size parameters of B2 和物源的差异：B1 的整个粒度分布区可分为 3 个区间，粉砂分布区对应一个标准差峰值，粘土分布区则在 12.625 φ和 13.667φ上对应 2 个峰值 (图 7 a ) 。粉砂对应的峰值则是由于潮流所携带的悬沙在潮相和悬沙浓度的周期性变 化的影响下形成的。表层大约 10 cm 厚的淤泥层造成了 B1 在粘土粒级的标准差峰值，它可 能是在鸭绿江河口地区高悬沙环境下，在小潮期由于水动力条件相对较弱，水层底部的细颗 粒物质沉降而成的。 B2 在 -0.125 φ和 3.625φ两处各有 1 个标准偏差峰值 ( 图 7 b)，其中较粗组分对应的峰值也代表 了极端事件的发生，较细粒级的峰值也 反映了大小潮等周期变化的特征； B3 在 3.375 φ和 6.725 φ两处各对应 1 个峰 值 (图 7 c) 。 去掉每个柱状样可能与极端事件所 对应的子样后，鸭绿江沿岸粒度参数在 自东向西的方向上有如下变化：平均粒 径变小，分选系数变大，偏态系数变 大，说明在此方向上动力作用逐渐减 图 7 标准差随粒径变化 弱。根据 3 个柱状样中φ值为 1 ～10 部 Fig.7 Variations of standard deviation with different components 分的标准差的比较 ( 图 7 d)，大于 6 φ的 组分标准差分布曲线在形态和数值上都相对接近，说明其来源比较一致。在φ值 2 ～4 范围 内，B2 和 B3 各对应一个众数值，而 B1 表现出了明显的差异，这是由于 B1 位于涨潮流通 道的西水道，受流域来沙的影响相对较小，而 B2 和 B3 由于受到汇入鸭绿江河水的辽东沿 岸流的影响，因此更多地受到径流洪枯季节变化的影响。 2.3 悬沙输送和最大浑浊带的形成机制 2.3.1 悬沙瞬时输送 瞬时输运率是在某一时刻流速、潮位和悬沙浓度三者之间共同作用 的结果，由于 1994 年和 1996 年的观测时间分别处于 8 月份的汛期和 5 月份的大潮，同时 C1 和 C2 测站又分别位于河口最大浑浊带的上部和下部，因此各个站位的悬沙输送在时间 和空间上表现出不同的特征 ( 图 8) 。E1 、E2 、E3 和 E4 是导致悬沙输送的最主要机制，它们 在潮周期内有着不同的变化形式，因而相互叠加后可对悬沙输送瞬时输运率在潮周期内的变