五臺(tái)山島岸段冬夏重復(fù)的地貌特征與沉積物運(yùn)移

五臺(tái)山島岸段冬夏重復(fù)的地貌特征與沉積物運(yùn)移

沉積物顆粒特征能有效識(shí)別沉積環(huán)境，分離沉積物運(yùn)移方式，闡明環(huán)境因素。這是研究海岸動(dòng)態(tài)地形最迅速的方式之一。近年來,進(jìn)行了大量關(guān)于海岸帶表層沉積物分布規(guī)律與與海岸動(dòng)力地貌作用的研究[9,10,11,12,13,14]。在此基礎(chǔ)上,一些學(xué)者開始利用平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)這三個(gè)粒徑參數(shù)建立沉積物運(yùn)移趨勢(shì),目前Gao和Collins所建立的二維粒徑趨勢(shì)分析模型(GSTA)具有較高的認(rèn)可度,并在近岸和遠(yuǎn)海等多種的海洋環(huán)境中得到成功應(yīng)用,但是鮮有關(guān)于受潮流作用的砂質(zhì)岸段環(huán)境的研究。砂質(zhì)海岸具有無可比擬的旅游資源,是海岸動(dòng)力沉積研究的一大課題。近年來,我國濱海沙灘遭受嚴(yán)重侵蝕,海灘灘面變窄、變陡、海灘沉積物粗化等問題嚴(yán)重,近70%的沙質(zhì)海灘處于侵蝕狀態(tài)(三山島岸段被證實(shí)也遭受侵蝕)。因此,本文章選取萊州灣東岸三山島砂質(zhì)岸段為研究區(qū),在多次地形測(cè)量和表層沉積物粒度特征分析的基礎(chǔ)上,揭示該區(qū)地貌特征及變化規(guī)律、沉積物分布特征與運(yùn)移趨勢(shì),探討造成其運(yùn)移的動(dòng)力機(jī)制,意在為海灘養(yǎng)護(hù)和海岸管理提供相應(yīng)的技術(shù)支持,為現(xiàn)代沉積學(xué)和海岸動(dòng)力地貌學(xué)的理論研究提供數(shù)據(jù)幫助。1研究區(qū)的制度特征三山島海灘位于渤海三大海灣之一的萊州灣東岸,地處萊州淺灘東部(圖1a),由古潟湖淤積填滿而成。海灘順直,長(zhǎng)達(dá)12km,處于郯廬大斷裂東側(cè),膠東隆起及膠北臺(tái)凸的西北翼,為構(gòu)造上升區(qū),沿岸多低緩丘陵,砂嘴、沙壩和澙湖十分發(fā)育。三山島海灘富含優(yōu)質(zhì)的石英砂資源。但是自20世紀(jì)80年代起,人為挖沙活動(dòng)猖獗加之大量修建后濱建筑物,造成海灘嚴(yán)重侵蝕,侵蝕速率高達(dá)2.0m/a,對(duì)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)造成嚴(yán)重影響。研究區(qū)受往復(fù)潮流影響,漲潮流、落潮流分別指向東南和西北。離岸一定距離,潮流控制海底地貌,使本區(qū)海底形成一個(gè)潮流通道(潮流沖刷槽),呈SE-NW走向,貫穿整個(gè)研究區(qū),斷面由東及西逐漸增大。自2號(hào)測(cè)線開始向西,發(fā)育三個(gè)近似平行且與潮流通道方向一致的潮流沙脊,造成了該處通道的分汊,也使得通道在此處形成脊間溝槽(圖2)。在研究區(qū)東側(cè)萊州市三山島鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)模較小的潮汐汊道系統(tǒng)(圖1b),有充填痕跡,納潮盆地面積約0.4km2,口門水道寬約78m,汊道開口方向與潮流沖刷槽走向一致。納潮盆地受王河補(bǔ)給,使得該汊道系統(tǒng)屬于介于潮汐汊道與河口灣之間的沉積環(huán)境,并在汊道口門西側(cè)形成一個(gè)受潮流和河流共同控制的三角洲。根據(jù)開發(fā)程度的差異,研究區(qū)砂質(zhì)海岸可分為開發(fā)岸段和未開發(fā)岸段。其中,開發(fā)岸段(圖1c)地處于萊州市黃金海岸海水浴場(chǎng),海灘寬度較寬,達(dá)200~250m;未開發(fā)岸段(圖1d)處海水浴場(chǎng)西側(cè),海灘較窄,僅有120~150m。2材料和方法2.1研究區(qū)地震測(cè)深剖面位置和采樣研究如圖1所示,在研究區(qū)內(nèi)以坐標(biāo)37°23′N,119°56′E為起點(diǎn),向西每700m布設(shè)一條測(cè)線,共計(jì)布設(shè)5條測(cè)線,測(cè)線以后濱人工岸線為起點(diǎn),垂直于海灘展布方向測(cè)量至波浪破碎帶以下的淺海陸架區(qū)域,每條測(cè)線長(zhǎng)達(dá)4~6km(其中1和2布設(shè)于開發(fā)岸段,而3,4和5布設(shè)于未開發(fā)岸段)。自2010-11-2012-08,對(duì)5條測(cè)線進(jìn)行了冬夏重復(fù)地形測(cè)量,岸灘部分在低潮位時(shí)期或近低潮位時(shí)期采用HD5800N-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS定位儀進(jìn)行測(cè)量,儀器基點(diǎn)位于萊州市三山島黃金海岸沙灘后濱商務(wù)區(qū)(CBD),高6.552m(1985國家高程基準(zhǔn)),水下部分采用高潮時(shí)船舶走航式測(cè)深的方式測(cè)量,兩者實(shí)現(xiàn)完全閉合。在研究區(qū)共布設(shè)了45個(gè)表層沉積物站位,并在2010-11進(jìn)行了沉積物的采樣工作。45個(gè)站位中有17個(gè)位于岸灘部分,沿測(cè)線間隔約8~10m,采樣深度在2cm以內(nèi)。另外28個(gè)站位位于海底,間隔約450~550m,采樣使用自制錨式取樣器,取樣深度控制在5cm以內(nèi)。采樣過程采用RTK星鏈差分定位,定位精度優(yōu)于0.2m。所有沉積物樣品送至國家海洋局第一海洋研究所進(jìn)行室內(nèi)粒度測(cè)試和分析。2.2組織標(biāo)準(zhǔn)分樣在充分混合均勻的前提下,選取樣品烘干并稱重,加入10~15mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫溶液去除有機(jī)質(zhì),微加熱并靜置24h,再次烘干樣品稱取干重。采用63μm標(biāo)準(zhǔn)分樣篩將樣品分為兩部分,直徑大于63μm部分采用標(biāo)準(zhǔn)分樣套篩繼續(xù)分篩,小于63μm部分采用層析法以獲得各個(gè)粒級(jí)的級(jí)配。沉積物分類和定名采用Folk分類方案,同時(shí)利用各粒徑質(zhì)量百分含量擬合各樣品沉積物概率累積曲線和分布曲線,并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Mcmanus矩法公式計(jì)算出平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σi)和偏態(tài)系數(shù)(Ski)等粒徑參數(shù)。2.3輸運(yùn)特征距離計(jì)算在粒度測(cè)試和分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,按照Gao-Collins粒徑趨勢(shì)分析理論(GrainSizeTrendAnalysis),采用Poizot和Mear開發(fā)的eCsetrend軟件進(jìn)行研究區(qū)表層沉積物輸運(yùn)趨勢(shì)分析,其中特征距離Dcr采用最大采樣間距。最后將粒徑趨勢(shì)矢量圖與兩年內(nèi)海底地形變化圖相疊加,觀察其耦合關(guān)系,結(jié)合相關(guān)水文和輸砂資料,校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性,以揭示研究區(qū)表層沉積物在較短時(shí)間尺度內(nèi)的輸運(yùn)規(guī)律。3土地特征和變化規(guī)律3.1潮流通道的選取根據(jù)夏東興等對(duì)一般砂質(zhì)岸段地貌單元?jiǎng)澐址椒?三山島岸段橫向(垂直于岸線的方向)分別以低潮水位和閉合水深(H)為節(jié)點(diǎn),由后濱至陸架平原可劃分為海灘、水下岸坡和淺海陸架三個(gè)地貌單元。由于閉合深度的計(jì)算十分復(fù)雜,需要長(zhǎng)期水文數(shù)據(jù),因此本文采用經(jīng)驗(yàn)公式H=1.57He計(jì)算該值。式中He采用10%大波平均波高近似代替。根據(jù)龍口站相關(guān)潮汐資料和相關(guān)波浪資料(1),計(jì)算出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別位于-1.2和-6.5m(1985國家高程基準(zhǔn))處(圖2)。水下岸坡地貌單元覆蓋了大部分測(cè)區(qū),其間發(fā)育前文提到的潮流通道。就地形資料而言,該潮流通道距后濱岸線850~1500m,中等規(guī)模,平均斷面寬度451m,平均高差1.02m,平均斷面面積437.8m2。通道斷面由東及西逐漸增大,最大值均出現(xiàn)于5號(hào)海灘剖面,最大斷面寬度為602m,最大高差為2.4m,最大斷面面積為709m2。潮流通道斷面多呈“V”型,沙脊靠近通道一側(cè)坡度較大。3.2橫截面地形地貌就海灘橫向剖面年際和年內(nèi)變化規(guī)律而言(圖3),在2a的研究尺度內(nèi),該岸段高程變化微弱,平均值約2cm。變化主要集中于海灘地貌單元和潮流通道處,以海灘地貌單元中潮海灘和高潮海灘交界處的高程變化最為顯著,最大高差達(dá)1.8m,變化規(guī)律復(fù)雜(表現(xiàn)為季節(jié)性的海底韻律更迭,但并不是簡(jiǎn)單的冬夏更替規(guī)律)。剩余海灘地貌單元高程變化幅度略小,灘肩和低潮海灘有顯著的夏侵冬淤現(xiàn)象,高程變化約5~15cm;潮流通道斷面表現(xiàn)出侵蝕擴(kuò)大的趨勢(shì),尤其是向岸一側(cè)的沙脊邊坡,高程變化約5~10cm。就橫截面地形變化規(guī)律而言,以第一次(2010-10)和第四次(2012-08)地形測(cè)量結(jié)果為例,存在如下特點(diǎn):1)研究區(qū)大部分區(qū)域以弱侵蝕作用為主,但侵蝕厚度小于20cm。淤積物主要形成于研究區(qū)西部,鄰近萊州淺灘處以及潮流通道處內(nèi),淤積范圍較小;強(qiáng)侵蝕區(qū)位于研究區(qū)東部,其最大高程變化達(dá)1m,而淤積區(qū)最大高程變化為0.9m。地形變化整體態(tài)勢(shì)可概括為“東侵西淤”;2)強(qiáng)侵蝕區(qū)域與淤積區(qū)往往相伴而生;研究區(qū)西部和潮流通道處的淤積區(qū)泥沙可能來自中、東部損失的沙泥。3)潮流通道內(nèi)沖淤變化較為復(fù)雜,概括而言,為“兩脊侵蝕,底部淤積;東、西部淤積,中部侵蝕”。4沉積物的粒度分布和運(yùn)移趨勢(shì)4.1陸架沉積特征三山島海灘表層沉積物類型多樣,包括砂、礫質(zhì)砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和含砂礫,其中砂、礫質(zhì)砂和粉砂質(zhì)砂三種類型分布較廣(圖4)。不同地貌單元不同采樣點(diǎn)的沉積物類型差異很大,尤其是一些次級(jí)地貌單元,如中潮海灘、潮流通道處等處沉積物類型和組分差異顯著。海灘地貌單元多為砂、含礫砂、礫質(zhì)砂;水下岸坡多見含礫砂、砂、粉砂質(zhì)砂和泥質(zhì)粉砂;陸架區(qū)表層沉積物較為復(fù)雜,以砂、含礫砂、粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主,局部伴有含砂礫。研究區(qū)各采樣點(diǎn)常見礫、砂、粉砂和粘土四大組分,其中砂組分分布最為廣泛,質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為31.0%~100.0%,平均值為87.4%,絕大多數(shù)樣品砂組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%,砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)100.0%的樣品多位于動(dòng)力條件較強(qiáng)的風(fēng)成沙丘和低潮海灘。礫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為0~39.5%,平均值為3.76%,主要集中于海灘地貌單元,在灘肩、灘面分界線和平均水位兩處,礫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20.0%以上。粉砂組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為0~64.2%,平均值為7.5%,絕大多數(shù)樣品粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足10.0%,粉砂組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30.0%的樣品多位于遠(yuǎn)離海岸的陸架平原地貌單元和潮流通道內(nèi)。粘土組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為0~10.4%,平均值為1.3%,研究區(qū)絕大多數(shù)樣品不含粘土或粘土含量低于0.5%,僅少數(shù)位于潮流通道處的沉積物樣品粘土組分可達(dá)6%~10%。4.2陸架沉積相特征結(jié)構(gòu)因子不同的地貌單元受不同的動(dòng)力條件影響,如波浪(沖流、回流、裂流)、潮汐(潮流)、風(fēng)應(yīng)力和人為因素[10,12-13、41-45]。粒徑參數(shù)的差異性分布規(guī)律與地貌單元是對(duì)應(yīng)的,主要表現(xiàn)在這些動(dòng)力因素對(duì)各個(gè)地貌單元沉積物的搬運(yùn)作用以及各個(gè)地貌單元的物源補(bǔ)給情況。相反地,粒徑參數(shù)的分布規(guī)律也能反映出各環(huán)境動(dòng)力因素的狀況。1)平均粒徑平均粒徑可反映環(huán)境能量的強(qiáng)弱,一般高能量的地區(qū)沉積粗顆粒物質(zhì),而弱能量地區(qū)則多見細(xì)顆粒物質(zhì)。研究區(qū)大部分地區(qū)平均粒徑為0~4Φ,但在閉合水深附近和海灘地貌單元存在幾個(gè)平均粒徑的負(fù)值區(qū);海灘地貌單元沉積物中值粒徑是三個(gè)地貌單元中最大的,為0~2.5Φ,由于受到多種波浪能量和風(fēng)應(yīng)力等動(dòng)力因素的控制,該處環(huán)境能量高,尤其是平均海平面和平均低潮線附近堆積“礫石帶”,形成平均粒徑的負(fù)值區(qū);水下岸坡地貌單元平均粒徑多集中于1~3Φ,粗顆粒物質(zhì)多見于潮流通道處及其北部區(qū)域;陸架平均粒徑為-1~4Φ,在閉合深度附近出現(xiàn)平均粒徑的負(fù)值區(qū),向外沉積物粒度依次變細(xì)(圖5a)。2)分選系數(shù)分選系數(shù)表示沉積物的分選程度,其數(shù)值大小與分選程度成反比,能綜合反映沉積動(dòng)力過程的能量變幅、運(yùn)移方式(滾動(dòng)、跳躍、懸浮)和組分的組合情況。研究區(qū)各采樣點(diǎn)分選系數(shù)為0.6~1.8,以中等分選和較差分選最為常見;海灘地貌單元中,開發(fā)岸段由于養(yǎng)灘的原因,分選系數(shù)多小于0.6,為好-較好分選,而未開發(fā)岸段分選顯著變差,為中等-較差分選(分選系數(shù)0.9~1.8);水下岸坡地貌單元分選系數(shù)為0.9~1.5,多數(shù)樣品分選較差,中等分選的沉積物樣品主要來自潮流通道處和閉合水深附近;陸架區(qū)分選系數(shù)為0.6~1.5,由閉合深度處向海延伸,沉積物分選逐漸變差(圖5b)。3)偏態(tài)系數(shù)偏態(tài)系數(shù)能夠輔助辨別沉積物的物源和成因。研究區(qū)沉積物偏態(tài)系數(shù)多介于-0.3~0.5之間,以對(duì)稱偏態(tài)和正偏態(tài)最為常見,負(fù)偏態(tài)沉積物主要來自潮流通道中部,對(duì)應(yīng)地形的淤積區(qū)(圖5c)。4.3水下岸坡地貌單元粒徑趨勢(shì)分析結(jié)果及其與空間地形變化間關(guān)系(圖6)表明,研究區(qū)表層沉積物總體上呈現(xiàn)出向西的運(yùn)移趨勢(shì),這與研究區(qū)地形上“東侵西淤”的整體態(tài)勢(shì)吻合。在水下岸坡地貌單元和陸架平原地貌單元,西向粒徑趨勢(shì)矢量占主導(dǎo),在矢量長(zhǎng)度上也有優(yōu)勢(shì)。但在潮流通道以南和閉合水深以南的區(qū)域,沉積物粒徑趨勢(shì)矢量則多平行于岸線方向,即西偏南向。海灘地貌單元的沉積物運(yùn)移規(guī)律較復(fù)雜,但大體上仍與地形變化規(guī)律吻合。在開發(fā)岸段,沉積物存在著較強(qiáng)的向海運(yùn)移的趨勢(shì),而未開發(fā)岸段沉積物則多向西運(yùn)移。5移動(dòng)機(jī)制與動(dòng)態(tài)特征的探討5.1民族水文動(dòng)力特性研究區(qū)各粒徑參數(shù)的差異性分布雖與地貌單元的劃分結(jié)果吻合,仍受到兩個(gè)次級(jí)地貌單元的影響,即潮流通道處和閉合深度線,這也預(yù)示著它們擁有與周邊不同的沉積動(dòng)力環(huán)境。本文章將采用粒度分析所獲得的頻率趨勢(shì)和概率累積曲線(圖7)分析潮流通道處和閉合深度線附近的沉積動(dòng)力特征。潮流通道內(nèi)沉積物頻率曲線為雙峰型(圖7a)。其主峰突出,粒度區(qū)間在250~1250μm,次峰較弱,在180~250μm,附于主峰一旁。主峰組分主要為中砂和粗砂,次峰組分主要為細(xì)砂,表明該系統(tǒng)環(huán)境能量較強(qiáng),并且主要存在兩種沉積動(dòng)力,其中,主峰水流占據(jù)主導(dǎo),次峰水流有一定的控制作用。由于潮流通道兩側(cè)的沉積環(huán)境動(dòng)力較弱,可以推測(cè)主峰水流是往復(fù)潮流。次峰水流可能是波浪作用或動(dòng)力差異引起的邊界流。累積曲線不同于水下岸坡大部分樣品的“滾動(dòng)跳躍加懸浮式”(標(biāo)準(zhǔn)波浪帶砂樣)曲線類型,而介于“低截位一跳一懸式”與“上拱式”之間,在強(qiáng)潮流動(dòng)力作用下,其曲線形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)河道砂[6、46-47]相似,特點(diǎn)是懸浮組分發(fā)育,達(dá)10%以上,跳躍組分含量高,不存在滾動(dòng)組分。淺海陸架地貌單元表層沉積物樣品(圖7b)個(gè)體間差異明顯,就整體而言,在頻率曲線和累積曲線上呈現(xiàn)出類似波浪帶砂樣的特征,但是懸浮組分含量顯著高于波浪帶砂樣,達(dá)10%,甚至在一些樣品中達(dá)到20%以上,滾動(dòng)總體和跳躍總體之間的細(xì)截點(diǎn)在不同樣品間也存在差別。由于該地貌單元處于閉合深度之后,波浪對(duì)海底表層沉積物已不存在明顯影響,紛繁復(fù)雜的近岸潮流控制著這一沉積區(qū)表層沉積物。作為水下岸坡和陸架的分界,閉合深度附近的表層樣顯著區(qū)別于淺海陸架其他表層沉積物樣品。頻率曲線呈單峰型(圖7b),主峰極端突出,粒度區(qū)間在1000~2000μm,主要為粗砂,含量達(dá)95%以上,該峰型反應(yīng)了較潮流通道處更強(qiáng)的環(huán)境能量。累計(jì)曲線呈“低截位一跳一懸式”,跳躍總體與懸浮總體截點(diǎn)較粗。此處是海底沉積物發(fā)生顯著橫向運(yùn)動(dòng)的向海界線,也是海灘剖面是否存在顯著年際變化及季節(jié)變化的界線,由于沉積環(huán)境較為特殊,暫未發(fā)現(xiàn)與其概率曲線或累積曲線類似的典型沉積物樣品,動(dòng)力環(huán)境亟待進(jìn)一步探索。5.2沉積相與沉積的補(bǔ)給粒徑趨勢(shì)的結(jié)果(圖6)表明西北向的落潮流是本區(qū)往復(fù)流中優(yōu)勢(shì)水流,這在潮流通道的空間地貌形態(tài)上也能得到驗(yàn)證(圖2),潮流通道斷面隨流向擴(kuò)大,沙脊出現(xiàn)在潮流動(dòng)能逐漸減弱的下游,共同指示在潮流通道處,優(yōu)勢(shì)流流向向西。由于潮流通道兩側(cè)潮流沙脊發(fā)育,地勢(shì)較高,加之潮流通道和閉合深度附近的沉積物多以躍移方式運(yùn)動(dòng),一旦遇到沙脊等正地形,易被攔截而產(chǎn)生局部堆積,這正是本區(qū)西部沙脊處地形逐漸增高的原因之一。此外,粒徑趨勢(shì)表明該處受到多個(gè)方向運(yùn)移而至的沉積物補(bǔ)給,也是逐漸淤積堆高的原因之一。海灘地貌單元的沉積物運(yùn)移規(guī)律較復(fù)雜。其中開發(fā)岸段沉積物運(yùn)移趨勢(shì)中的北向分量推測(cè)是由波浪作用造成:由于海灘地貌單元受到波浪和風(fēng)等營力的作用,加之其處于不穩(wěn)定岬角-海灣的地理格局之中,造成NNE向的強(qiáng)浪向和常浪向,波浪頻率達(dá)12%,與岸線走向成鈍角。這一波浪能量在開發(fā)岸段最強(qiáng),向西至未開發(fā)岸段最弱。在到達(dá)海灘地貌單元之后,波浪能量分解為平行于岸線方向的沖流和垂直于岸線方向的回流。由于開發(fā)岸段波浪能量大,其沖流延伸至未開發(fā)岸段之后,占據(jù)了能量上的優(yōu)勢(shì),使得海灘地貌單元的北向粒徑趨勢(shì)矢量向西逐漸減弱,而西向矢量則逐漸增強(qiáng)。三山島岸段主要受兩種優(yōu)勢(shì)沉積動(dòng)力因素的控制。前人研究表明,萊州淺灘東北側(cè)存在反氣旋式潮余環(huán)流,在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為西南向水流,流速可達(dá)15.0cm/s。水下岸坡地貌單元和陸架平原地貌單元由于受落潮流占優(yōu)勢(shì)的往復(fù)潮流和潮余流影響,沉積物多向西輸移,形成潮流通道-沙脊沉積系統(tǒng)。西向的泥沙流以懸浮和跳躍組分