黃河下游高村以上河道沉積物粒度特征分析

黃河下游高村以上河道沉積物粒度特征分析

地表沉積物的特征受水動(dòng)力條件、地形類型和物源的控制，是描述沉積環(huán)境的重要參數(shù)之一。特定的沉積環(huán)境往往具有特定的沉積物粒度參數(shù)。河口三角洲濱海區(qū)沉積物粒度是河流、海洋動(dòng)力和地貌之間相互作用的結(jié)果,通過(guò)對(duì)沉積物分布特征及其變化規(guī)律的研究,可以判別不同的沉積環(huán)境,進(jìn)而揭示沉積物的源匯、運(yùn)移趨向和海洋動(dòng)力作用的狀況。黃河水少沙多,每年大量泥沙入海以后,在潮流、波浪等海洋動(dòng)力的作用下,泥沙發(fā)生運(yùn)移、擴(kuò)散、堆積和再懸浮等過(guò)程。其中沉積下來(lái)的泥沙即表層沉積物可在一定程度反映各種過(guò)程綜合作用的結(jié)果。本文的研究范圍為黃河下游距入海口約550km的高村以下河段,到黃河三角洲濱海區(qū)。黃河下游流經(jīng)華北平原,由于中游帶來(lái)大量泥沙淤積,使得河床抬高,黃河大堤相應(yīng)加高,以致黃河下游成為“地上河”(自花園口以下為地上河,全長(zhǎng)約900km)。至山東墾利縣北鎮(zhèn)以下進(jìn)入河口段,由于泥沙不斷地在河口堆積,使黃河不斷向海伸展,形成規(guī)模巨大的黃河三角洲。黃河三角洲濱海區(qū)是指與黃河三角洲毗連的弧形海域,即北起徒駭河以東,南至南旺河以北的濱海區(qū)域,包括了渤海灣南緣及萊州灣西部。1數(shù)據(jù)來(lái)源與分析1.1采樣時(shí)間及采樣情況黃河下游至三角洲濱海區(qū)表層沉積物樣品采集分成以下區(qū)域:1)黃河下游高村-清8斷面:黃河下游高村至河口清8以下的汊2斷面沉積物取樣,共50個(gè)河道斷面,每個(gè)斷面取樣5～7個(gè),共采集樣品328個(gè)(圖1a)。樣品采集時(shí)間為2002年7月17—25日。2)清8斷面-口門附近海域:從清8分汊口以下,到攔門沙至附近濱海區(qū)。其中現(xiàn)行河道至口外海濱一個(gè)縱剖面取樣13個(gè);口門附近海域按間隔2.5km進(jìn)行網(wǎng)格采樣,獲取樣品91個(gè),共計(jì)104個(gè)(圖1b)。采樣時(shí)間是2002年7月22日—8月1日小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙期間。3)黃河三角洲濱海區(qū):2000年7—9月,在黃河三角洲濱海區(qū)選擇了18個(gè)斷面(見(jiàn)圖1c中編號(hào)S1～S18)進(jìn)行海底表層沉積物取樣,共計(jì)采樣123個(gè)。取樣范圍涵蓋了整個(gè)濱海區(qū),每10km布設(shè)一條斷面,每個(gè)斷面采集7～9個(gè)表層沉積物樣品,取樣點(diǎn)水深從0.5～25m不等,其分布為淺灘區(qū)2～3個(gè),前緣急坡區(qū)3個(gè),緩坡區(qū)3個(gè)。1.2砂、粉砂和粘土的粒度特征對(duì)獲取的沉積物樣品采用LS100激光粒度儀進(jìn)行粒度分析,得到各樣品的級(jí)配。沉積物的分類和命名采用Shepard以砂、粉砂、粘土百分含量為基礎(chǔ)的三角圖解分類法。這3類成分的粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:>0.0625mm為砂,0.0625～0.0039mm為粉砂,<0.0039mm為粘土。根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)每個(gè)沉積物中砂、粉砂和粘土的體積分?jǐn)?shù),其中的砂實(shí)際上是粒級(jí)大多在0.05～0.10mm之間的極細(xì)砂。本文以上述黃河下游至現(xiàn)行河口和三角洲濱海區(qū)的表層沉積物資料為基礎(chǔ),結(jié)合地形變化、水動(dòng)力條件和泥沙特征,對(duì)沉積物的分布規(guī)律及其動(dòng)力沉積環(huán)境進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析。2結(jié)果與討論2.1河道表層沉積物的特征黃河下游高村-河口汊2斷面沉積物粒徑總體變細(xì)(圖2)。其中砂的含量呈減少趨勢(shì);粉砂含量明顯增加;粘土含量較穩(wěn)定,變化不大。分析每一斷面中央的沉積物樣品發(fā)現(xiàn),大多數(shù)河道表層沉積物表現(xiàn)為雙峰分布,峰值分別為0.1768mm和0.0884mm。這是洪、枯季不同動(dòng)力條件下沉積物的反映,洪季流量增大(2002年利津站最大值為2360m3/s),流速加快,水流挾沙力加大,因而可以將上游較粗的物質(zhì)搬運(yùn)至此,使得沉積物中粗顆粒部分含量增加;而枯季黃河水量很小(2002年利津站最小值為23.8m3/s),水動(dòng)力弱,細(xì)顆粒物質(zhì)落淤,構(gòu)成沉積物中的細(xì)粒組分。2.2清八門附近海域2.2.1經(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)規(guī)律從現(xiàn)行黃河入?？诘那?分汊口到口門外15m等深線附近,沉積物粒徑呈現(xiàn)由粗到細(xì)的變化規(guī)律(圖3)。前3個(gè)站點(diǎn)不符合這一規(guī)律是由于地形上處于河流彎道的凸岸,接受堆積,因而物質(zhì)較細(xì)。從第4個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始,砂的體積分?jǐn)?shù)由88.1%逐步減少到4.7%,而粉砂和粘土的含量則迅速增加,粉砂體積分?jǐn)?shù)由11.9%增加到75.3%,粘土由0增加到24.4%。2.2.2充填材料的分選分析口門附近沉積物的中值粒徑平面分布,在新灘北側(cè)高潮線附近存在一個(gè)0.07mm的等值線閉合區(qū),向岸沉積物顆粒變細(xì),其原因是由于這一區(qū)域位于孤東三號(hào)排澇站丁壩的波影區(qū),水動(dòng)力較弱,故而細(xì)顆粒物質(zhì)落淤。口門附近為粗粉砂到中粉砂,向外逐步變細(xì),如圖4a。該區(qū)的分選系數(shù)為0.8～1.9,屬分選中等到分選較差,如圖4b,由口門向岸外分選變差。對(duì)比圖4a和4b,該區(qū)表層沉積物的分選系數(shù)與中值粒徑大致呈負(fù)相關(guān),表現(xiàn)為離岸越遠(yuǎn),物質(zhì)越細(xì),分選系數(shù)越大,分選性越差。該區(qū)域的偏態(tài)均為正偏,介于0.26～1.83之間,粒徑越粗,偏態(tài)越正偏,如圖4c。峰度大多為很尖窄,平面分布特征與分選系數(shù)較為相似,在口門外以1.9等值線閉合,如圖4d。該區(qū)表層沉積物表現(xiàn)出粒徑越細(xì),分選越差,峰度值越大的整體規(guī)律。2.3黃河三角洲沿海地區(qū)的沉積物分布特征2.3.1細(xì)砂及粘土質(zhì)粉砂沉積根據(jù)Shepard分類,黃河三角洲濱海表層沉積物類型包括:細(xì)砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土和砂-粉砂-粘土,共7類。其中,粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂居多,分別占總樣品數(shù)的28.2%,25.0%和20.2%,這3類樣品占總樣品數(shù)的73.4%。整個(gè)黃河三角洲濱海區(qū)表層沉積物粒徑的分布趨勢(shì)是從近岸向離岸由粗變細(xì)(圖5)。細(xì)砂是黃河三角洲濱海區(qū)沉積物中最粗的類型,其分布范圍較小,呈零星的斑狀嵌于粉砂質(zhì)細(xì)砂沉積的范圍中,主要分布在灣灣溝口附近、神仙溝口以及萊州灣北部的灣頂?shù)貐^(qū)。灣灣溝口附近和神仙溝口的細(xì)砂沉積,是由于水動(dòng)力較強(qiáng),沉積物粗化的結(jié)果;而萊州灣北部的灣頂?shù)貐^(qū),由于地形的原因水動(dòng)力相對(duì)較弱,卻出現(xiàn)細(xì)砂的分布,則是由于風(fēng)暴潮帶來(lái)較粗的物質(zhì)。由于特殊的地形和地理位置,萊州灣成為熱帶風(fēng)暴潮重災(zāi)區(qū)和溫帶風(fēng)暴潮頻發(fā)區(qū),使得該處的潮灘沉積較正常潮灘沉積顆粒粒徑變粗,泥質(zhì)含量減少。粉砂質(zhì)細(xì)砂是黃河三角洲潮間帶的最主要沉積物類型,于細(xì)砂的外圍呈條帶狀分布。粘土質(zhì)粉砂是黃河三角洲近岸海域分布最廣的一種沉積物類型,粉砂區(qū)向外的海域多為粘土質(zhì)粉砂區(qū),粘土質(zhì)粉砂的組成以粉砂粒組為主,粉砂含量最多可達(dá)74.9%,最少也有41.2%,平均為55.6%。粉砂質(zhì)粘土在黃河三角洲地區(qū)屬最細(xì)的一種沉積物,主要分布在三角洲北部海域15m等深線到20m等深線之間以及現(xiàn)行河口兩側(cè)的爛泥區(qū),其粘土含量為41.4%～71.3%,平均為50.8%;粉砂含量為18.1%～42.4%,平均為36.5%,另外還有超過(guò)10%的砂含量。2.3.2粒級(jí)分布特征總體上看,黃河三角洲濱海區(qū)沉積物的實(shí)測(cè)中值粒徑最大值為0.0794mm,最小值為0.0007mm,平均中值粒徑0.0345mm,其中黃河三角洲北部(S01～S06斷面)最粗,平均為0.0369mm;黃河海港附近(S09和S10斷面)平均為0.0342mm;現(xiàn)行河口附近(S11～S14斷面)平均為0.0341mm;萊州灣地區(qū)(S15～S18斷面)平均為0.0359mm。其平均粒級(jí)分布見(jiàn)表1。其平面分布特征總體為由近岸向離岸沉積物粒徑逐漸變小(圖6)。在三角洲北部海域0.02,0.03,0.04mm等值線基本平行,由近岸向離岸逐漸減小,而在清水溝流路兩側(cè)的爛泥區(qū)存在兩個(gè)粒徑小于0.02mm的等值線閉合區(qū),表明此處為黃河細(xì)粒物質(zhì)沉積區(qū)。這是由于入海干流受潮位、潮流的影響,漲潮流向南,落潮流向北。已有的研究表明,河口附近的余流在其南北兩側(cè)存在著渦旋流,漲潮時(shí)南側(cè)出現(xiàn)順時(shí)針?lè)较虻男郎u,落潮時(shí)北側(cè)出現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较虻男郎u。黃河水沙入海后,遇漲潮時(shí),由于潮水頂托、流速減慢、粗粒物質(zhì)沉積于河口區(qū),形成沙嘴的組成部分,細(xì)顆粒物質(zhì)被帶向河口南側(cè);落潮時(shí),則被帶向北側(cè)。在河水與海水的混合過(guò)程中,由于絮凝作用,泥沙沉降,形成河口南北兩側(cè)的爛泥灣。2.3.3砂體體積分?jǐn)?shù)從沉積物各組分的等值線分布圖來(lái)看(圖7),屬于侵蝕區(qū)的黃河三角洲北部岸灘粘土的體積分?jǐn)?shù)低于10%,砂的體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到80%;而處于堆積區(qū)的現(xiàn)行河口粘土的體積分?jǐn)?shù)則高達(dá)40%,老河口雖然現(xiàn)已呈蝕退狀態(tài),但由于行河時(shí)期的堆積過(guò)程使得該區(qū)的粘土的體積分?jǐn)?shù)仍然較高,可達(dá)50%?？傮w上呈現(xiàn)侵蝕區(qū)砂多,堆積區(qū)泥多的規(guī)律。2.3.4沉積物中值粒徑隨埋深的變化沉積物組分中,粘土和粉砂含量隨水深的增加而增加,而砂的含量則隨水深的增加而減少。整個(gè)濱海區(qū)沉積物粒徑與水深顯示一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8)。利津懸沙中值粒徑為0.0179mm(據(jù)1963年—2000年利津站水沙資料)。黃河三角洲濱海區(qū)絕大部分底質(zhì)樣品(76.7%)的中值粒徑大于利津站的懸沙中值粒徑,整個(gè)濱海區(qū)的平均中值粒徑約是懸沙粒徑的2倍。這表明黃河入海泥沙盡管堆積快速,但在沉積過(guò)程中也存在一定的分選,有相當(dāng)一部分的細(xì)顆粒組分隨水流漂浮到較遠(yuǎn)的海區(qū)。黃河三角洲濱海區(qū)不同水深范圍的沉積物平均中值粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表2),粒徑隨水深的增加而減小,如0～2m范圍粒徑最粗,為0.0547mm;20m水深以外平均中值粒徑僅0.0175mm,與利津站的懸沙中值粒徑(0.0179mm)相當(dāng)。黃河入海泥沙在5m水深范圍以內(nèi),沉積物粗化最明顯,平均中值粒徑大于0.05mm;5～10m水深范圍,沉積物粒徑是利津站懸沙粒徑的近2倍;10～20m水深范圍,沉積物變細(xì);20m水深以外,沉積物粒徑已接近甚至略小于利津站的中值粒徑。因此,大致以20m等深線為界,20m水深以內(nèi),黃河入海泥沙堆積經(jīng)過(guò)水動(dòng)力作用的分選,沉積物出現(xiàn)粗化;20m水深以外,沉積物主要由細(xì)顆粒部分組成,較粗顆粒的沉積較少,反映出黃河入海泥沙的擴(kuò)散、運(yùn)移和沉積存在明顯的分帶性。3沉積物粗化的環(huán)境因素1)黃河下游至河口,沉積物粒徑