黄河口不同粒度泥沙沉积与扩散分析

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师长兴^,中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室地貌研究室,北京 100101

Deposition and dispersal of different grain-size sediments in the Yellow River estuary

SHI Changxing^,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

收稿日期:2020-03-16接受日期:2020-06-1网络出版日期:2021-04-10

基金资助:

国家重点研发计划项目.2017YFC0405506
国家重点研发计划项目.2016YFC0402502

Received:2020-03-16Accepted:2020-06-1Online:2021-04-10
作者简介 About authors
师长兴（1963-）,男,河北正定人,博士,研究员,博士生导师,主要从事河流地貌、流域物质迁移与环境变化研究工作。E-mail: shicx@igsnrr.ac.cn

摘要
本文采集和收集大量黄河三角洲沉积物剖面和钻孔泥沙粒度资料以及黄河口来沙粒度组成数据,定量研究了黄河口泥沙的沉积与扩散特征。结果显示黄河口来沙以粉砂为主,黏土次之,砂最少,年均中值粒径无长期变化趋势。黄河三角洲平原相泥沙与来沙的黏土、粉砂和砂含量无显著差异;前缘相泥沙比来沙的黏土含量较低,砂含量较高;前三角洲相泥沙比来沙的黏土含量明显提高,砂和粉砂含量显著降低。计算了一个亚三角洲分组粒径泥沙的沉积量和扩散量,发现黄河三角洲平原和前缘拦截了来沙中绝大部分砂颗粒、一半以上的黏土颗粒和近3/4的粉砂颗粒,但是向远海扩散的泥沙中粉砂含量超过50%。由于粉砂含量较大,扩散入海的泥沙在近距离内大量沉积在前三角洲上。
关键词： 黄河三角洲;沉积相;泥沙粒度组成;泥沙扩散

Abstract

Sediment dispersal in estuaries is an important topic in the study of estuarine and coastal processes. In this paper, sediment particle size data of a large amount of deposit sections and cores on the Yellow River delta and long-term monthly mean sediment size composition of riverine input were collected and analyzed, and the sediment dispersal in the Yellow River estuary was quantitatively studied. The results show that the sediment carried into the Yellow River mouth is composed mainly by silt-sized grains and secondarily by the clay-sized and sand-sized grains, without a long-term trend in the annual mean median particle size. There is no significant discrepancy of clay, silt and sand content between the deltaic plain sediment and riverine sediment input. Compared with the riverine input, the delta front sediment has a lower clay content, a higher sand content, and a similar silt content. The clay content of pro-delta sediment is about twice that of riverine input, and its sand content is much lower than that of riverine input. Although the silt content of the pro-delta is significantly lower than that of the riverine input, it is still over 50%. It is found that deposition and dispersal of different grain-size sediments in the delta can be quantified from the amount of riverine sediment input and the grain-size composition of the riverine sediment and deposits in the delta. The estimated amount of deposition and dispersal of different grain-size sediments in a sub-delta of the Yellow River showed that almost all sand-sized grains, nearly three-fourths of silt-sized grains and more than half of the clay particles were retained behind the delta front slope. The percentage of silt particles in the sediments that dispersed out of the delta front edge was more than 50%, so a high portion of the sediments that dispersed offshore tended to be deposited on the pro-delta surface in a short distance, leaving less sediment to be transferred to the deep sea. The results of this study are of reference value for understanding the processes of sediment dispersal in estuaries and the landform evolution of the Yellow River delta.

Keywords：Yellow River delta;deltaic facies;grain size composition;sediment dispersal

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本文引用格式
师长兴. 黄河口不同粒度泥沙沉积与扩散分析. 地理研究[J], 2021, 40(4): 1125-1133 doi:10.11821/dlyj020200203
SHI Changxing. Deposition and dispersal of different grain-size sediments in the Yellow River estuary. Geographical Research[J], 2021, 40(4): 1125-1133 doi:10.11821/dlyj020200203

1 引言

在许多河流的入海或入湖口,因水流动力减弱,挟沙能力降低,以及絮凝作用,大量泥沙沉积下来,形成河口三角洲。河口三角洲泥沙沉积扩散规律是河口海岸过程研究的一个重要问题。河口泥沙的来量、输移方式以及来沙的粒度组成对三角洲的沉积相、发育过程和形态特征有明显的影响^[1]。黄河是世界上三个多年平均来沙量超过10亿t/a的大河之一^[2,3],而含沙量远远超过其他大河,且以粉砂为主,其输送入海的泥沙比其他大河较细^[1],使黄河三角洲的沉积和发育具有一些独特的特征。研究黄河河口泥沙堆积和扩散规律,对于深入了解海陆交互作用和三角洲发育等理论问题,以及黄河三角洲治理有着重要的参考价值。过去对黄河三角洲的泥沙沉积和扩散过程以及沉积物粒度组成特征已有大量研究^{[4,5,6,7,8,9,10,11]},但涉及不同粒度泥沙的通量问题还少见。为此,本文基于大量钻孔资料对这一问题进行了初步分析。

2 研究区概况

现代黄河三角洲是1855年黄河下游改道后,在渤海入海口形成的堆积体,陆地面积约5500 km²,其中新淤成陆地接近3000 km²。1855年以来,黄河口河道经历了9次大的改道^[12]。其中,前5次改道点位于宁海附近;1934年以后,改道点下移至渔洼附近（图1）。因此近代黄河三角洲是由多期亚三角洲（或三角洲瓣）相互交错叠置组合而成。自1976年黄河口被人工改道清水沟,已行水45年以上,期间于1996年在渔洼以下49 km处进行人工截流分汊,将河口改道北流^[13]。黄河输沙量巨大,1953—2016年实测黄河多年平均入海泥沙量为6.62亿t/a,多年平均含沙量约23 kg/m³,而渤海平均水深只有18 m,并且黄河口海洋动力相对较弱,所以黄河三角洲成为地球上陆地生长最快的三角洲,多年平均净造陆速率超过20 km²/a。

图1

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图1黄河三角洲及钻孔和沉积物剖面位置图

Fig. 1The Yellow River delta and locations of sediment cores and sections

3 资料来源和分析方法

本文所用到的泥沙粒度组成资料包括我们在黄河三角洲采集的5个20.2 m深的钻孔,以及深度1 m至3.5 m的38个沉积物剖面粒度组成数据（位置见图1）。5个钻孔有样芯分层和性状记录,并从每1 m样芯上部20 cm取2个样,其中1855年以来样芯长度75.4 m,粒度样品148个。38个沉积物剖面总深度为87.2 m,基本上逐层采样,共计188个粒度样品。此外,收集了黄河三角洲上18个钻孔的粒度组成资料^{[14,15,16,17,18,19,20,21]}（图1）,其中1855年以来沉积物总厚度233.2 m,包括1963组粒度分析数据。这18个钻孔泥沙粒径组成资料,除2个为数字外,其他钻孔粒径数据都是通过将原文中黏土、粉砂和砂百分含量沿深度变化曲线数字化得到。大部分前人文献中划分了钻孔中沉积物的平原、前缘和前三角洲沉积相。沉积相的划分主要依据了沉积物粒径组成、颜色特征、层理构造、沉积层埋深和三角洲沉积发育历史等。对于自采的钻孔和前人原来未划分沉积相的钻孔,除利用上述沉积特征外,结合三类沉积相的高度分布范围（见下文5.1-5.3节）、1855年以来三角洲水下地形测量数据^[22,23]和考虑泥沙沉积后的压实作用^[24],进行综合分析而区分了沉积相。另外还收集了黄河水利委员会发布的黄河口利津站泥沙观测资料。

分析来沙粒度组成变化特征用到了识别时间序列突变点的滑动T检验、滑动F检验^[25,26],以及状态转变检验（RS）^[27]。滑动T检验、滑动F检验都是将一个序列分为前后两个序列,分别以前后两序列的平均值和方差差别最大确定整个序列中的突变点,两者分别用统计量t与F检验突变点的显著程度。RS检验是设定一定长度的时间步长,利用基于t分布确定的均值置信区间,确定前后两个时间步长时段序列是否存在显著差异或发生了状态突变,具体步骤见文献^[27]。

比较不同沉积相沉积物之间以及比较沉积物与来沙之间粒度组成差异程度用到了大样本总体均值差异性Z检验。按中心极限定理,两系列无论分布形式,如果样本数（n₁,n₂）较大（>30）,统计量Z=

({\overset{ˉ}{X}}_{1} - {\overset{ˉ}{X}}_{2})

/(S₁²/n₁+ S₂²/n₂)^1/2服从标准正态分布（式中

{\overset{ˉ}{X}}_{1}

和

{\overset{ˉ}{X}}_{2}

分别是两系列的平均值,S₁和S₂分别是两系列的均方差）。Z>1.96表示两样本总体均值在水平0.05下差异显著。

4 黄河来沙粒度组成特征

黄河利津水文站下距渔洼41 km,其水沙观测值可代表黄河入海水沙条件,该站1960年后有连续的悬沙粒度组成测量记录。输沙中除悬沙外还包括推移质输沙,但是黄河水文泥沙观测中很少对推移质输沙进行观测。据分析,黄河推移质输沙平均不足全沙的1%^[28],因此只考虑悬沙粒度组成,对本文所讨论问题的认识影响不大。

如图2所示,利津站来沙的中值粒径年变幅较大,介于0.008~0.034 mm之间,多年平均中值粒径为0.019 mm。用滑动T检验、滑动F检验方法分析中值粒径年序列,发现1999年是粒径序列的突变年,其中F检验的置信度超过95%,T检验的置信度超过99.9%。这一粒径突变主要反映了2000年小浪底水库建成运用和自2002年起黄河调水调沙作用下,下游河道冲刷,水流携带粗颗粒床沙下移,黄河口来沙粒度组成的变化过程。1960—2017年期间,利津站来沙中黏土（>8 ?或<0.004 mm）平均占20.79%,粉砂（4~8 ?或0.004~0.062 mm）占66.49%,砂（-1~4 ?或0.062~2 mm）占12.72%（注：黏土、粉砂和砂的粒径范围按照水利部发布的《河流泥沙颗粒分析规程》SL40-92中的河流泥沙分类规定）。其中,1999年以前分别为20.91%,66.63%,12.46%;2000年以后分别为18.17%,63.59%,18.24%。即后一时段比前一时段的砂含量增加了5.8%,而粉砂和黏土的含量分别减少了3.0%和2.8%。用RS检验,除1999年同样为突变点外,2009年也是一个突变点,其中2010年后的均值接近1999年以前的均值。可见,经过黄河下游多年河床冲刷调节,入海泥沙粒度组成已恢复到接近建库前的状况。鉴于黄河入海泥沙1999年以前为年均8.69亿t,2000年以后只有1.13亿t,而且本文收集到的主要是1999年以前的沉积物粒度组成资料,所以这里用1999年以前黄河来沙粒度组成。

图2

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图21960—2020年黄河口(利津站)来沙年均中值粒径变化过程

Fig. 2Changes of annual mean median grain size of sediment carried by the Yellow River at Lijin gauging station during 1960-2020

5 三角洲沉积物粒度组成

黄河三角洲的沉积相基本构成为平原相,前缘相和前三角洲相。各沉积相还可进一步划分出多种亚相,亚相之间在沉积物粒度组成上可存在显著的差异。已有许多研究通过采样分析对各种沉积相和亚相沉积物分层粒度组成进行了报道。在此主要分析各沉积相泥沙的总体粒度组成。

5.1 平原沉积相

三角洲平原沉积物是低潮线以上以河流作用为主形成的沉积物,主要包括河床、河漫滩和潮滩沉积物,沉积环境和水动力条件变化很大。合并浅层剖面和钻孔中的平原相沉积层,总厚度为152.8 m,样品数655个。统计其黏土、粉砂和砂的厚度加权平均含量,分别为20.95%、66.91%和12.14%,各自的厚度加权标准误差分别为0.72%、0.73%和0.65%（表1）。可见,黄河三角洲平原沉积物三个粒径组的含量与河口来沙基本一致,统计检验在水平0.05下都无显著差异。

Tab. 1
表1
表1黄河利津站输沙和三角洲沉积物粒度组成特征
Tab. 1Mean grain size composition of suspended sediment measured at Lijin gauging station and deposits in the Yellow River delta

	分组粒级含量与标准误差(%)			备注
	黏土(>8 ?)	粉砂(4~8 ?)	砂(-1~4 ?)	备注
利津来沙	20.91±0.46	66.63±0.38	12.46±0.23	按利津站1960—1999年黄河来沙月均粒度统计。
平原相沉积物	20.95±0.73	66.91±0.74	12.14±0.66	38个沉积物剖面和21个钻孔上部平原相沉积物,总厚度152.8 m,粒度样品655个。
前缘相沉积物	18.13±0.34	66.28±0.35	15.59±0.45	23个钻孔中前缘沉积层,总厚度208.7 m,粒度样品1429个。
前三角洲相沉积物	41.27±1.28	56.88±1.19	1.85±0.27	18个钻孔中前三角洲沉积层,厚度共计34.3 m,粒度样品215个。

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5.2 前缘相

三角洲前缘相沉积于低潮线至三角洲前缘与前三角洲交界之间,黄河三角洲的前缘与前三角洲的交界处位于水下约12~15 m附近。前缘相主要由拦门沙、前缘斜坡和烂泥湾亚相组成。其中,拦门沙亚相包括水下天然堤、河口沙坝以及分流汊道河床沉积,泥沙较粗。烂泥湾亚相是入海细粒泥沙进入行水河口沙嘴两侧环流堆积而成。据观测,发育良好的烂泥湾的面积可达十几km²,浮泥厚度可达10 m^[29]。采样分析揭示^① (①国家海洋局第一研究所. 黄河口区水下底质地貌调查报告, 1986。),浮泥中黏土含量介于49%~61%,粉砂含量39%~51%,砂含量低于0.6%。此外,远离行水河口的废弃河口沙嘴之间的小海湾由于水动力较弱,从河口入海和沿岸侵蚀搬运来的颗粒较细的泥沙会在这里发生沉积。在部分钻孔中,在前缘相分布深度内出现的厚层黏土多属于烂泥湾或沙嘴间海湾沉积。前缘斜坡亚相是前缘相主体,以黏土质粉砂、砂质粉砂为主,部分为粉砂质黏土,而且一般上坡粗,下坡细,河口前方粗,两侧细^[4]。

钻孔中三角洲前缘相沉积物总厚度208.7 m,粒度样品1429个。统计分析得到其黏土、粉砂与砂的厚度加权平均含量分别约为18.13%、66.28%和15.59%,厚度加权标准误差分别为0.34%、0.35%和0.45%（表1）。与河口来沙相比,前缘相沉积物黏土含量平均降低2.78%,占来沙黏土含量的13.3%,粉砂含量基本一致,砂含量抬高3.13%,占来沙砂含量的25.0%。统计检验结果也显示来沙与前缘相沉积物的黏土含量间及砂含量间在水平0.05下有显著差异,粉砂含量无显著差异。

5.3 前三角洲相

前三角洲沉积区位于前缘斜坡以外,与浅海沉积区逐渐过渡。前三角洲相沉积物主要为黏土质粉砂和粉砂质黏土。在23个钻孔中有18个打穿了1855年以来三角洲的沉积层,其中前三角洲相沉积物厚度共计34.3 m,平均厚度1.91 m,粒度样品个数为215。统计分析得到其黏土、粉砂、砂厚度加权平均含量分别为41.27%、56.88%和1.85%,厚度加权标准误差分别为1.28%、1.19%和0.27%（表1）。统计检验结果显示在水平0.05下来沙与前三角洲相沉积物三个粒级含量都存在显著差异。与河口来沙相比,前三角洲相沉积物黏土含量平均高出20.36%,粉砂含量低9.75%,砂含量低10.61%。其中黏土含量提高约1倍,砂含量减少到来沙砂含量的约1/7。

5.4 三角洲整体平均粒度组成

虽然本文自采和收集的粒度数据不少,但简单地平均统计,不能保证可得到三角洲总体平均粒度组成。但是利用上面得到的三种沉积相的粒度组成,在掌握不同沉积相在三角洲体所占比例后,可以估算出合理的三角洲沉积物整体粒度组成。

如上所述,前三角洲沉积区向浅海沉积区逐渐过渡,外围边界不易确定。而从三角洲前缘到前三角洲往往坡度存在明显变化,三角洲前缘外边界相对容易确定。这样可以将沉积在三角洲前缘以内的泥沙作为三角洲沉积,将被带出前缘外边界的泥沙作为扩散入海的泥沙。因此这里所说的三角洲整体只包括三角洲平原和前缘沉积。

根据已有文献对黄河行水钓口河时期1965年6月至1974年9月间钓口河三角洲瓣沉积量分析结果^[23],三角洲瓣平原相沉积占平原和前缘沉积总量的19.5%,同期低潮线至前缘斜坡坡脚间的前缘相沉积占平原和前缘沉积总量的约80.5%。

由平原相、前缘相泥沙的平均粒度组成,以及1965—1974年钓口河三角洲瓣中平原相和前缘相沉积量各自所占比例,可以得到黄河三角洲一个亚三角洲沉积物的平均粒度组成为黏土18.68±0.31%、粉砂66.41±0.31%和砂14.91±0.38%。可见,相对河口来沙,三角洲平原和前缘沉积物中黏土含量减少2.23%,粉砂含量基本未变,砂含量增加2.45%,黏土含量减少量占来沙黏土含量的10.7%,砂含量上升量占来沙砂含量的19.7%。

6 沉积物粒度组成与河口泥沙输移的关系

从上面的分析可见,黄河一个亚三角洲三个主要沉积相中平原相泥沙三个粒径组平均含量与来沙的三个粒径组平均含量基本一致;相对来沙,前缘相泥沙黏土含量减少,砂含量增加,而粉砂含量基本相同;与来沙相比,前三角洲沉积物的黏土含量显著增加,而粉砂和砂含量明显减少,尤其是砂含量减少十分明显。三角洲平原和前缘沉积物总体粒度组成类似前缘相沉积物粒度组成,也是黏土含量相对来沙较少,而砂含量比来沙较多,粉砂含量两者基本一致。

从采样分布情况来看,尽管采样点不是均匀分布,但基本覆盖了平原和前缘沉积物分布区。然而,采集的前三角洲沉积物只是三角洲平原和前缘沉积物下伏的前三角洲沉积物,不包括现在三角洲前缘外围的前三角洲沉积物。因此,本文得到的平原相和前缘相沉积物粒度组成应该代表了两相沉积物的真实粒度组成,但得到的前三角洲沉积物粒度组成可能不能代表前三角洲沉积物整体的真实粒度组成。在河口,泥沙入海后将发生分选,粗粒泥沙会先沉积下来,因此从河口向外,沉积物会逐渐变细^[30]。如此,没有采集到的现在三角洲前缘外围的前三角洲沉积,包括可能被海洋动力输送到外海的细颗粒泥沙,可能比本文得到的前三角洲沉积物粗粒更少,细粒更多。考虑到这部分泥沙,则前三角洲沉积物（或更严格地说是扩散出三角洲前缘的泥沙）中砂含量比表中的1.85%可能更低,即介于0~1.85%之间,黏土含量比41.27%可能更高。

由于扩散入海的泥沙砂含量落在一个较窄的取值范围,即0~1.85%之间,则由来沙量和来沙砂含量、三角洲平原和前缘沉积物砂含量,可以计算出入海泥沙在三角洲平原和前缘的沉积量与扩散出三角洲前缘的泥沙量。估算公式如下：

（1）

x = \frac{a - b}{c - b} T

式中：x表示三角洲平原和前缘沉积量;a表示来沙砂含量;b表示扩散出三角洲前缘的泥沙砂含量;c表示三角洲平原和前缘沉积物砂含量;T表示河口来沙量。利用式（1）计算了1965年6月至1974年9月间黄河口行水钓口河时期三角洲平原和前缘沉积量。此期河口来沙量为96.6亿t,黏土、粉砂、砂的平均含量分别是23.8%、65.2%和11.0%。对应扩散出三角洲前缘的泥沙砂含量0~1.85%,计算得到的三角洲平原和前缘沉积量为67.7亿~71.3亿t。利用三角洲水下地形重复测量数据,有研究得到此期钓口河亚三角洲前缘坡脚以内的泥沙沉积量为71亿t,其中包括此期在前缘坡脚以内沉积的前三角洲沉积约3.9亿t,即此期三角洲平原和前缘沉积量为67.1亿t^[23]。可见,由平均粒度组成数据可以得到比较可信的三角洲平原和前缘沉积量,反过来也说明本文得到的三角洲沉积物平均粒度组成有较高的准确性。

由来沙量和来沙粒度组成、三角洲平原和前缘沉积量67.7亿~71.3亿t及其粒度组成,可进一步计算出1965年6月至1974年9月期间三角洲平原和前缘沉积物中黏土、粉砂和砂的分量分别为12.6亿~13.3亿t、45.0亿~47.4亿t和10.1亿~10.6亿t,各占河口来沙相应粒级泥沙量的55.0%~58.0%、71.4%~75.2%和95.0%~100%。而扩散出三角洲前缘的泥沙中黏土、粉砂和砂的含量分别为35.8%~38.2%、62.4%~61.8%和0~1.85%。可见,扩散出三角洲前缘的泥沙中黏土含量尽管比来沙多出近1倍,但粉砂含量仍占50%以上。由于向海域扩散的泥沙仍以粉砂为主,所以泥沙势必难以长距离搬运而在近距离沉积,前三角洲向海域方向沉积速率快速衰减。这一点得到了前人报道的渤海海底沉积速率分布状况的佐证。利用由²¹⁰Pb方法获得的现行水河口沙嘴以东渤海海底沉积速率数据^[31],可以计算得到现行水河口外从前缘斜坡坡脚向东北、东和东南方向上,在13~27 km距离内,泥沙垂直通量从大约4 g/(cm²·a)降低到不足0.5 g/(cm²·a)。所以扩散出三角洲前缘的泥沙在短距离内大部分沉积在前三角洲^[7],通过渤海海峡输出的泥沙量很小^[8]。

7 结论

通过分析黄河口来沙粒度组成序列和大量黄河三角洲沉积物粒度组成资料,发现1960—2018年间黄河口来沙平均中值粒径为0.019 mm,年均中值粒度除2000年后小浪底建成运用头十年内明显增大外,无长期变化趋势。来沙以粉砂为主,黏土次之,砂最少。在黄河三角洲三个主要沉积相中平原相沉积物与来沙的黏土、粉砂和砂含量基本一致;前缘相泥沙比来沙的黏土含量较低,砂含量较高;同样与来沙相比,前三角洲相泥沙黏土含量高出1倍,粉砂和砂含量较低,特别是砂含量降低十分明显。

利用河口来沙量和其粒度组成以及三角洲沉积物粒度组成可以估算出可信的三角洲泥沙沉积量。以此方法估算黄河口钓口河亚三角洲平原和前缘沉积总量,以及分粒级组泥沙的沉积量,揭示出来沙中绝大部分砂颗粒沉积在黄河三角洲平原和前缘,同时黄河三角洲平原和前缘也截留了来沙中一半以上的黏土颗粒和约3/4的粉砂颗粒。尽管只有约1/4的粉砂扩散出三角洲前缘,但其在向海扩散泥沙中的含量可达50%以上。由于扩散入远海的粉砂颗粒级泥沙较多,所以前三角洲堆积速率离岸衰减比较快。

致谢：

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文标准表述和分析说明等方面的修改意见,使本文获益匪浅。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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