长江河口南汇东滩与南滩沉积物空间相关特征分析 - 图文-

1、海 洋 湖 沼 通 报2008年Transactions of Oceanolog y and Lim no logy 2文章编号:1003 6482(200802 0046 07长江河口南汇东滩与南滩沉积物空间相关特征分析*戴志军,陈建勇,路海亭(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海,200062摘要:利用SVD分解技术,对南汇边滩两大地貌单元-南滩和东滩的沉积物空间分布特征和物质组成的关系进行了探讨,结果表明:(1SV D可以用来诊断两个具有空间相互作用的沉积场遥相关特征;(2南汇东滩没冒沙上端的沉积环境及相应的物质组成对南滩的沉积环境及物质组成有显著的影响,南滩的沉积物特别是粒级较

2、粗的组分主要来源东滩;(3南汇东滩铜沙咀区的沉积环境及物质组成与南汇咀区的沉积环境及物质组成具有正相关特征。关键词:沉积物空间分布;东滩;南滩;奇异值分解中图分类号:TV148+.1 文献标识码:A南汇边滩位于长江口的南岸,其北部称南汇东滩,南部称南汇南滩(图1。杭州湾,特别是其北岸,主要受长江口入海水沙扩散的深刻影响1,由于南汇边滩地处长江口外海滨和杭州湾口的过渡带,自然成为长江口与杭州湾水沙交换的主要场所2。近半个世纪以来,因围滩造地、建堤护岸、长江口南槽深水航道开挖、上海临港新城建设等一系列人类活动因素的作用,南汇边滩的水下地形已发生显著的变化,并导致杭州湾北岸地形的冲淤演替产生联锁作用

3、。基于此,不少学者对该段潮滩的动力作用过程、剖面塑造机制及演变规律进行了研究35,此外,就长江口泥沙入海后的输运变化特性,通过卫片、水动力和河口峰等方面对悬沙的扩散亦作了较多的分析48。然而,对交汇地带南汇边滩沉积物的输运过程、特别是边滩自身的两大地貌单元-东滩和南滩水下沉积物的相互反馈关系及作用机制尚未有涉及,而这恰是深入理解长江口入海底沙输运过程和杭州湾北岸地形冲淤的关键所在。本文即根据2004年7月采集的南汇边滩近岸水域11组共48个沉积物样品的粒度分析资料,利用奇异值分解技术(SVD探讨这两大地貌单元沉积物的空间分布及沉积物物质组成的相互关系,通过对沉积空间场的分析为长江口潮滩演变和沉

4、积物输运的研究提供理论依据,这对河口潮滩的开发亦有重要的实践意义。1 研究区域动力概况边滩地处副热带季风气候区,风向季节性变化十分明显。多年平均常风向春季为SE-ESE,夏季为N NW-N方向,冬季盛行偏北风,其中东南风历时较长,强度较低;东北风历时虽短,但风的强度较大。在频率较高、历时较长的东南风(常风向和强度大、吹程长的东北风(强风向的长期共同作用下,使长江口口门附近的南汇东滩呈现NW-SE、南汇南滩呈现E-W走向5。该区邻近口门外,春季为SE-SSE浪向,夏季为SSE-S浪,秋季为NE-NNE浪以及冬季为NW-NNW浪。受边滩岸线走向的影响,浪向与风向的频率分布并不完全一致。*基金项目:

5、上海市科技启明星项目(06AQ14016;河口海岸国家重点实验室开放基金(200404;908(H AD1基金资助第一作者简介:戴志军(1973 ,男,博士,副教授,主要从事河口海岸动力地貌、岸滩稳定和海岸带遥感、环境灾害等方面的研究,已发表相关论文30余篇,E m ail:z jdais 。收稿日期:2006 11 27图1 研究区域和沉积物分区Fig.1 Study area and distr ibution of the deposition 偏南风产生的浪,在岸边一般发生转折,使偏南浪减少,偏东浪增多所致。影响南汇边滩的主要是东海前进潮波系统(源出于西南太平洋,其主要半日分潮M 2在

6、绿华山、大戢山一带分南北二股,北股的传播方向为305!,流态为顺时针方向的旋转流(SW W N W N NE E SES,南股为270!左右的方向进入杭州湾。故在石皮勒、塘角嘴以北具有长江口潮波特性,以南具有杭州湾潮波特性,石皮勒、塘角嘴介于两者之间18。南汇边滩环境属非正规半日浅海潮流,东滩与南滩的水流呈往复运动性质,石皮勒与塘角嘴附近为旋转流性质,其转流方向绝大多数作顺时针方向,转流时间短18。2 研究方法2.1 样品与粒度分析在2004年6月2930日大潮期间,采集长江口南汇边滩的沉积物11组共计48站位的样品(图1,采集的沉积物样品涵盖的主要范围包括:北至南汇东滩邻近水域没冒沙潮流脊顶

7、端(31!10#N,南至南滩-7m 等深线附近(30!48#N,东至南汇咀-5m 等深线附近(122!10#E,其中南滩沉积物采样西至卢潮港。用帽式采泥器进行采样,采样深度约在15cm 以内,每个样品重约1kg 左右。将采集的沉积物在室内利用激光粒度仪LS100Q 进行粒度分析,获得各百分含量间隔为0.5、1、2、4、8、16、32、63、125、250、500和1000m 共12个粒级组分的粒度分布。2.2 研究方法经验正交函数分解(EOF用于提取气象场的时空变化优势信号特征,具有较明显的优点,目前已经成为单个气象场诊断分析的主要工具912,20世纪70年代以来在河口海岸变化研究中得到很快的

8、应用推广13。对2个(或以上场提取2种耦合的优势信号特征的统计技术,主要有典型分析(CCA、神经网络(BP方法、BP 典型相关分析及其奇异值分解(SVD等,其中SVD 有坚实的数学基础,计算较其他方法简单,而且物理解释意义明确,被认为是1种具有广阔应用前景的分析方法14。SVD 是对2个场的交叉协方差矩阵进行广义对角化运算。这种矩阵运算与经验正交函数(EOF执行的过程类似,但矩阵是矩形和非对称的。当研究2个场相关时,通常代表两个场的空间点数(测站或网格点是不同的,因而求得的协方差阵不是正方形的而是矩形的。Pr o haska 15最先将这种方法用于诊断美国月平均地表气温与北太平洋海平面气压之间

9、的关系。Bretherton 等16从矩阵理论中的奇异值分解定理出发,较系统地描述了这种方法的原理和计算,在此,SV D 的计算方法不再多述。由此而知,SVD 比EOF 具有更广泛的适用性,但将SVD 用来分析不同区域沉积物在空间上的分布关系则至今尚未有人报道。472期长江河口南汇东滩与南滩沉积物空间相关特征分析48海 洋 湖 沼 通 报2008年SVD的计算步骤主要可分为17:(1将两变量场(A场与B场X、Y资料作中心化处理。(2计算两变量场的交叉协方差阵S。(3将非实对称阵S作SVD,得到奇异值和左、右奇异向量。(4分别计算A场和B场的时间系数T、Z。(5计算两场相关程度的相关系数,同时计

10、算异性相关系数。(6计算每对奇异向量的方差贡献和累计方差贡献。(7确认对两场有主要贡献的方差及相应的奇异向量。2.3 资料处理由前述南汇边滩的动力背景状况,南汇边滩石皮勒塘角嘴一带是长江口和杭州湾二股水流相互消长的交汇地区,水流比较复杂,该区以北主要呈东南方向的涨落潮,卢潮港近岸为东西向的潮流,故根据边滩的动力条件和东、南滩的地貌单元特征,将拟用于SVD分析的沉积物样品资料分成二大块(图1:南汇东滩邻近水域采集的样品7组构成A场(以下简称为东滩沉积场,基本代表了东滩-5m等深线以浅区域的沉积场环境,A场由7组样品28个站点组成,每个站点的沉积物细分为12组,构成2812的矩阵。B场由石皮勒海区

11、往南到卢潮港近岸海区的沉积物4组共20个沉积物站点组成,即代表南滩海区的沉积环境(以下简称为南滩沉积场,每个站点的沉积物细分为12组,构成2012的矩阵。3 结果分析和讨论根据SVD的计算步骤,将东滩与南滩两个沉积场的各站位粒度资料分别输入Matlab语言编译的SVD计算程序,结果如表1。由表1,在东滩沉积场和南滩沉积场的模态贡献量中,前二对特征值表征的模态贡献超过90%,应表征两场的主要空间信息。在此将第一、二模态表征的东滩沉积场和南滩沉积场的异性相关系数及相应的时间系数绘制成图2图4。表1 东滩沉积场与南滩沉积场的SV D分析中前4个模态平方协方差贡献百分率及其模态相关系数T able1

12、Per centag e co ntr ibuted by the cova riance averag ed o ver t he first four mo des and cor relativ e coefficients among t he mo des betw een t he east bank deposition field and the south bank deposition field 模 态模态贡献百分量/%累计百分贡献量/%模态相关系数162.0362.030.94232.5896.610.963 2.8899.490.9440.51 1.000.98表1中

13、东滩沉积场与南滩沉积场的第一模态贡献占总方差贡献量的62.03%,2个场的相关系数为0.949,经t分布检验达0.01的信度。可见,东滩沉积场与南滩沉积场有较强的相关性。显然,2场的第一模态完全可以反映东滩与南滩沉积场变化的主要信息。将二者的第一空间模态绘制成图2(A、B,由图2知,南滩沉积场有两大片正值区,正值区中心相关系数都高达0.8以上,其中一块为卢潮港近岸区,另一块为南汇咀-2m等深线以深、-5m等深线以浅区;东滩的正值区分布在没冒沙潮流脊中上部区,中心相关系数达0.8以上,负值区主要分布在东滩没冒沙末端区和南滩南汇咀突起部位,表明南滩这两块正值区域的沉积场与东滩没冒沙中上部的沉积有很

14、强的正相关,并与没冒沙末端沉积区呈现负的相关。即当没冒沙上端的沉积物变粗(细时,南滩两块正值区的沉积物发生相应的变化,即变粗(细,这主要是因为南槽内的沙体向口门推进的原因。沙体的推进具有一定的时间滞后,当江亚南沙的沙体向没冒沙上端输运时,先前堆积在没冒沙体的颗粒较粗的沙,在径流和落潮流等作用下,经过没冒沙体,向南汇咀附近推进;当没冒沙上端沉积变粗时,一方面南汇咀的沙体通过横向环流沉积在南汇咀-2m 以深和-5m 以浅的区域,南汇咀的沉积物变细,另一方面在旋转潮流的带动下,沉积物向外海输运,并进一步在南滩东西向潮流作用下,转运至杭州湾北岸,致使卢潮港岸段近岸沉积变粗;反之,当江亚南沙无沙体下移时

15、,在不变的动力作用强度下,没冒沙上端粗的沉积物继续向下搬运,沉积物趋于变细,往下输运的沙堆积在东滩,而南滩得不到东滩的泥沙补给,在波浪及东西向潮流作用下,南滩侵蚀后退,沉积物亦趋于变细,这也就是通常所说的%南滩淤,东滩冲,南滩冲,东滩淤&。结合相应的时间系数(图4,南滩与东滩的颗粒组分曲线走向基本一致,尤其在500 m 到1mm 的粒径成分,东滩与南滩的沉积组分最为相近,即砂粒组的含量较为接近,这在很大程度上说明,较粗的沉积物是从南槽出河口并转运到杭州湾北岸。由此可见,第一模态表征了南滩沉积物环境的变化与东滩沉积物环境具有极强的遥相关,东滩是南滩泥沙输运的%源&,南滩是接受东滩泥沙输运的%汇&

16、。图3(A,B为东滩沉积场与南滩沉积场的第二对奇异向量分布型,它解释了总方差的32.58%,相关系数为0.96。从左奇异向量分布型(A看出,正值位没冒沙尾部铜沙咀区,中心相关系数为0.8以上,南滩(B场的正值区处于南汇咀部位,中心相关系数亦为0.8左右,表明这2个部位的沉积场空间相关性强,这也是第一对奇异向量空间分布中的负值分布区。当东滩沉积场(A 场该部位的沉积环境改变时,南汇咀的沉积场亦有所响应,由二者的物质组成系数表明(图4,沉积物的粘泥与沙的组成变化基本一致,这也表明除南汇南滩的主要沉积场变化与东滩的沉积物变化有关外,南汇咀的沉积物亦与东滩的沉积物组成有关。此外,由图5,长江口水下三角

17、洲沉积物在南汇咀海区外主要沉积物为粘土与粉砂,这和南滩近岸的物质组成不一致(主要是粉砂和沙,从而该区沉积物对杭州湾北岸的沉积物物质组成的影响较小,这从侧面亦反映南滩的沉积物应主要来自长江底沙的输运。即SVD 分析2个沉积场的空间分布与物质组成表明,杭 州湾北岸的沉积物分布格局与变化与南槽沉积物的分布特征是分不开的。(A东滩沉积场第1模态异性相关系数空间分布(B南滩沉积场第1模态异性相关系数空间分布图2 东滩沉积场与南滩沉积场的第1模态空间分布型Fig.2 T he spatial distr ibut ion of the fir st mode betw een the deposition

18、 of Eastern bank andthe depo sitio n o f Southern bank492期长江河口南汇东滩与南滩沉积物空间相关特征分析 (A东滩沉积场第2模态异性相关系数空间分布(B南滩沉积场第2模态异性相关系数空间分布图3 东滩沉积场与南滩沉积场的第2模态空间分布型F ig.3 T he spatial distributio n o f the second mo de between the deposition of Eastern bank andthe depo sitio n o f Southern bank(1第1模态对应的时间系数图(2第2模态对应

19、的时间系数图图4 东滩沉积场与南滩沉积场2个模态对应的时间系数图(A:东滩场沉积物对应的粒度组成变化系数;B:南滩场沉积物对应的粒度组成变化系数;Fig.4 T he cor respo ndent time coefficients of tw o mo des bet ween the depo sitio n o f Easter nbank and the deposition of So uther n bank4 结 论本文利用SVD 分解技术,从沉积物角度对南汇边滩大地貌单元-南滩和东滩的沉积物空间分布特征和物质组成的关系进行了探讨,主要结论如下:(1SVD 方法的物理意义清晰,

20、不仅可用来诊断大气场的遥相关,亦是诊断2个具有空间相互作用的沉积场遥相关的有效工具之一。(2南汇东滩没冒沙上端的沉积环境及相应的物质组成与南滩的沉积环境及物质组成有显著的正相关关系,南滩的沉积物特别是粒级较粗的物质主要来源东滩。(3南汇东滩铜沙咀区的沉积环境及物质组成与南汇咀区的沉积环境及物质组成具有正相关特征。50海 洋 湖 沼 通 报2008年2期 长江河口南汇东滩与南滩沉积物空间相关特征 分析 51 图5 Fig. 5 长江口水下三角洲沉积物类型图 19 D eposit ion t ypes of s ubmarine delt a in t he Changjiang Est uar

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28、 CH EN Jianyong, L U H ait ing ( St at e Key L abo rat o ry of Est uar ine and Coastal Research, East China Norm al U niversit y, Shang hai 200062, China Abstract: T he relationship of t he spat ial dist ribut ion of deposition f ields bet w een t he east bank and t he south bank in Changjiang River is