珠江口磨刀门河口表层沉积物分布及其运动特征

珠江口磨刀门河口表层沉积物分布及其运动特征

研磨门是西江主要的出海口。在珠江的八个出口中，最大的输沙量（见图1）。磨刀门灯笼山站年均净泄量为883.93亿m3,占上游西、北江来水量的31.85%,占西江马口站来水量的37.86%;年均输沙总量为2341万吨,占八大口门出海总沙量的33%,占马口站输沙量的30%。磨刀门是典型的以河流作用为主的河口,潮流作用相对较弱,其山潮比为5.77。磨刀门潮汐属不规则半日混合潮,潮差较少,一般为1m左右,属弱潮河口。磨刀门口洪枯季动力及沉积特征变化显著。洪季径流较强,潮流界往往被外推至口门附近,枯季径流减弱而潮汐动力相对增强,潮流界上溯至西江下游的永安-高要之间,距离口门150～200km。由于动力条件的季节变化,磨刀门口附近的表层沉积物也相应出现明显的季节变化。表层沉积物的特征及其变化可以在一定程度上反映磨刀门附近的动力环境和沉积作用的特征及其变化,对了解河口区的动力及沉积过程有一定的意义。根据2003年12月12～14日期间于磨刀门河口采集的81个表层沉积物样(使用0.025方抓斗取样,采样深度砂样一般在5cm以内,泥在5～15cm)的粒度分析资料来分析磨刀门枯季表层沉积物特征,由于珠江水系在一般在10月份进入枯水期,本次采样时磨刀门已经过了较长的枯水期,底质可以代表枯水期沉积。分析采用ϕ粒径指标,ϕ=-log2d,d为粒径值(mm)。沉积物根据中国《海洋调查规范》命名,粒度参数计算根据:中值粒径Md(Φ)=Φ50,平均粒径Mz(Φ)=Φ16+Φ50+Φ843峰态值Kg(Φ)=Φ95−Φ52.44*(Φ75−Φ25),偏态值skf=Φ84+Φ16−2*Φ502*(Φ84−Φ16)+Φ95+Φ5−2*Φ502*(Φ95−Φ5)分选选系σi(Φ)=Φ84−Φ164+Φ95−Φ56.6本次采样期间逢枯水大潮,12月12、13、14日西江马口站日平均流量分别是1520、2120及2270m3/s,12日三灶站、横琴站、灯笼山站的潮差分别为2.17、1.67和1.9m。本次采样主要集中在磨刀门河口段,最上至磨刀门水道灯笼山附近,最下至石栏洲附近,包括洪湾水道、十字门水道和澳门浅海区(见图2)。1磨损门干旱时期地表沉积物的组成和分布特征1.1粒径f采样区域底质的平均中值粒径为6.356ϕ(0.0122mm),属细粉砂。其中,灯笼山至石栏洲平均中值粒径为6.261ϕ(0.038mm),洪湾水道为6.868ϕ(0.0086mm),十字门水道为5.832ϕ(0.0176mm),澳门浅海区6.734ϕ(0.0094mm),平均中值粒径最细的为洪湾水道,最粗的为十字门水道。采样区域表层沉积物类型以粘土质粉砂(YT)为主(见图3)。在本次所采的81个底质样品中,有59个样品为粘土质粉砂,占总样品的72.8%,其次为粉砂(T)(5个),砂质粉砂(ST)(5个),砂(S)和粉砂质砂(TS),沉积物种类较少,详见图3。沉积物粒级组成以粉砂为主,样品平均占到57.9%,59个粘土质粉砂样中的粉砂含量更是高达60%以上;其次为粘土,平均为25.49%;再次为砂,平均为16.56%。一般不含或含极少量砾石。根据2003年12月9～15日水文同步测验在鹤洲断面和洪湾水道断面的涨急、落急和涨平、落平期间采集的8个水样的悬沙级配分析,悬沙中的粉砂含量约占80%左右,砂的含量均低于10%,粘土的含量在7%～16%之间。鹤洲断面和洪湾水道断面的底质砂样中,粉砂含量约占60%,粘土含量约占30%。悬沙与底沙的级配表明,底质与悬移质的组分非常相似,所不同的是悬移质中粉砂组分较大,粘土的含量较小。1.2充填料中值粒径枯季磨刀门区域底质的平均粒径、分选系数等无明显的沿程变化,不同于西江河流段的底质自上游至下游呈明显变细的趋势,详见图4、5、6(沿深槽自上游至下游取样进行对比)。沿磨刀门水道至石栏洲主干(图4),表层沉积物中值粒径大多在7ϕ左右,属细粉砂。珠海大桥附近由磨刀门水道转入洪湾水道处出现较明显变化,底质有砂,其中样品MD80为粉砂质砂。由洪湾水道至澳门浅海区(图5),底质沿程变化也不大,中值粒径在6.7～6.9ϕ。洪湾水道至十字门水道底质略有变粗,中值粒径由6.868ϕ变为5.832ϕ,即由细粉砂变为粗粉砂。十字门水道平均中值粒径最大(图6)。从分选系数来看,磨刀门口自上游至下游呈现微弱的变好趋势,但总的来说差别不大。采样区域分选系数平均值为2.025,其中,磨刀门水道至石栏洲段2.296,洪湾水道至澳门浅海区1.985(澳门浅海区1.977),十字门水道1.790,分选最好。2充填质细度与粒度特征线表层沉积物的运动可分为推移、跃移和悬移三种搬运方式,根据单个沉积物样品粒度概率累积曲线特征可以区分沉积物的不同的运动方式。概率累积曲线上的粗、细截点的位置可以用来分析表层沉积物中推移质、跃移质和悬移质各组分的粗细程度和相对百分含量,一般粗截点以下为推移组分,粗细截点之间的为跃移组分,细截点以上为悬移组分,无粗截点表明缺失推移组分。各组分特征线的斜率是各组分分选性的反映。为研究磨刀门表层沉积物运动特征,选取16个有代表性的底质样品,绘制了概率累积曲线(图7),读取粒度特征值,如粗、细截点及推移质、跃移质和悬移质三种组分的百分含量,有关统计特征值见表1。由图7及表1可知:1)磨刀门口区域底质普遍缺乏推移组分。只在少数样品中存在推移组分,且含量都在10%以下。2)主要的表层沉积物类型粘土质粉砂的跃移质比例也很低,一般均低于10%;在砂质粉砂和粉砂质砂等样品中,跃移质含量较大,但含量也低于50%。3)底质中悬移组分含量最大,一般都高于50%,粘土质粉砂中的悬移组分更是高达90%左右;4)悬移总体中间有一个截断,截点位置一般在10～11ϕ,该截点以上属细粘土级组分,在各样品中,分选最好。3磨刀门区域的皮质偏态系统分析,有以下几种根据福克和沃德的分选性、偏态、峰态等级表计算,磨刀门附近底质情况有如下特征:1)81个底样中有40个样属分选差,占总样品的49.4%,有38个样为分选较差,占总样品的46.9%,分选中等、较好、极好的各1个。总体上来看以分选差和较差为主。2)磨刀门口区域的底质偏态以近对称为主。在81个样品中,偏态系数在-0.10～0.10之间的有52个,占64.2%,属近对称;-0.30～-0.10之间的17个,占21%,属负偏;0.10～0.30之间的10个,占12.3%,属正偏,2个属极负偏。3)磨刀门口区域底质大部分属中等峰态,峰态值在0.90～1.11之间,在总样本中有61个,占75%;其次为宽的峰态,峰态值在0.67～0.90之间,在总样本中有13个,占16%,其余为窄峰态和很窄峰态。4样品分析方法与样品分析方法对比点中山大学于1998年12月进行西北江三角洲河道大范围采样时曾沿磨刀门水道至洪湾水道、澳门浅海区采了15个底质样品,采样方法与样品分析方法与本次的相同,所以尽管样点较疏,仍可用来对相同区域底质的历史变化进行一定的对比。这15个样平均中值粒径为3.985ϕ,属极细砂,分选系数平均为1.314,属分选较差类别,沉积物类型以细砂为主,其次为粘土质粉砂。本次相同采样区域底质的平均中值粒径为6.8ϕ,属细粉砂,与1998年枯季相比,中值粒径明显细化。5讨论5.1磨刀门、采沙过程可能导致河槽内表面沉积物细化在自然动力条件下,表层沉积物的特征可以较好地反映其沉积环境的动力特征,不同动力条件下表层沉积物的特征存在明显的差别。但是在人类活动干预下,表层沉积物的特征会有更为明显的变化,沉积物的特征不全是自然动力的反映。根据有关的研究报道,始于20世纪80年代至今仍在进行的珠江三角洲大规模的河道采沙活动的“取粗去细”,使得珠江三角河道的床沙明显细化,这与一些水道局部(如东平水道)动力加强的趋势明显矛盾。磨刀门口表层沉积物细化的趋势是与珠江三角洲水网表层沉积物变化的整体趋势是一致的。挖沙一方面取走了河床沉积物中较粗的部分(主要是砂),留下了较细的泥沙,另一方面,由于采沙过程搅动水体从而增加了水体中的悬移质含量,这就有可能增加河口的悬移质输沙量,使得河口的推移质和跃移质沙来源减少,从而使河口表层沉积物细化。磨刀门口也受到大规模的挖沙行为的影响。根据文献,从1991～1994年(采沙高峰期)3年内竹艮至珠海大桥24.4km河段,共挖河沙2400万m3,1994～2000年(采沙禁止期)6年内共挖沙1920万m3。珠海大桥以南河段的采沙量,1997年因在洪湾水道中段建“洪湾北保税区”,需挖沙吹填基础,从横洲水道北口左侧采沙,采沙量为1000万m3。珠江河口整治近期防洪所进行的磨刀门主干道(一期)整治工程,对磨刀门进行疏浚,全长8.41km(鹤洲上下),疏浚工程量为约500万m3,该工程于2002年7月份开工,于2003年10月份完工。由于上述人类活动的影响,灯笼山～横洲口河段1983～2000年0m高程以下河槽容积增加3836.18万m3,年均加深6.4cm。很多河段形成人工深槽。人工深槽成为悬移质沙落淤的场所,因此在人工深槽中所采的样品粒径都较细,有些新近挖成的深槽中可采到古沉积物。5.2层沉积物细化的影响由于大规模的挖沙,三角洲河网的分流比发生了重大的变化,磨刀门口的动力也发生了变化。珠江八大口门中东四口门分流比增加,而西四口门分流比减少,与20世纪80年代相比,90年代以后磨刀门口分流比有一定的减少(-3.4%),径流动力有一定的减弱,对磨刀门表层沉积物的细化也有一定的影响。尽管由于上述人类活动的影响,磨刀门枯季表层沉积物的特征仍可反映磨刀门枯季较弱的动力环境。本次采样期间逢枯水大潮,12月12、13日西江马口站日平均流量分别是1520及2120m3/s,12日三灶站、横琴站、灯笼山站的潮差分别是2.17、1.67、1.9m,大井角测站10～11日测得表层涨潮平均流速62.55cm/s,底层33.10cm/s;表层落潮平均流速63.73cm/s,底层50.49cm/s,潮汐动力在本区相对较强,但仍属于较弱的河口动力环境。在磨刀门口相对较弱的动力环境下,在涨落潮流的涨平、落平期间都有一段时间河口相对静止或流速很小,此时悬沙容易落淤,而近底部已落淤的悬沙由于底部流速较低常就此沉积下来,在潮流动力较强的环境中,近底流速较大,即使是暂时落淤的悬沙也会重新起动而难以沉积。6磨刀门枯季沉积特征1)磨刀门表层沉积物级配与悬沙级配非常相似,反映了典型的河口沉积特点。河口段沉积明显不同于河流段沉积,河流段由于存在所谓的冲泻质,细颗粒泥沙难以落淤,一般不参与造床,所以河流段底质中悬移组分较少,如在1998年枯季西江肇庆～思贤溶段所采的底质中,悬移质组分平均仅有3.19%,而跃移质则达87.51%,推移质平均为9.3%,而在磨刀门口这样的河口环境中,由于动力环境较弱,又处在盐水环境中,即使是很细的泥沙也可以通过絮凝、团聚等机制沉积下来,所以底质级配与悬沙级配并无很大差异。2)表层沉积物运动特征表明,磨刀门枯季以悬沙沉积为主,推移质运移很少。西江沙基本上以跳跃推移形式为主,粉砂以悬移的运动形式为主。在磨刀门口区域底质组成中,粉砂和粘土的比例占了85%以上,而砂的比例则在15%以下,以粉砂为主的底沙不可能是推移运动所形成的。磨刀门水道枯季由于径流动力较弱和较强的潮汐动力顶托,西江带来的推移质沙已很难到达口门,枯季推移质沙运移的尾端多在神湾以上。磨刀门口枯季存在的大量悬移质就其来源来说,应是洪季河流带来的,并主要沉积在磨刀门拦门沙外坡及其以外的海底。在枯季,随着径流减小和潮流动力相对加强,又重新被涨潮流和波浪掀动而悬浮,并随流向陆搬运和沉积。3)从表层沉积物特征反映的动力环境来看,磨刀门口附近的动力枯季以潮流作用为主。与西江干流(天河～百顷头段)相对比,根据1998年12月该段所采的床沙粒度分析资料,该段床沙平均中值粒径为1.95ϕ,分选系数平均为0.41,沉积物组成以细砂为主,尽管天河至百顷头段枯季处在潮流界范围内,但以径流作用为主,潮周期平均流速始终指向下游,泥沙净输移方向亦向下,底沙经过近底水流的充分改造,因此其分选性较好,粒径也较粗。磨刀门口悬沙被潮流反