謝津劍 王愛軍 葉翔 陶舒琴 蔡楓

摘 要 【目的】河口三角洲是陸海相互作用的敏感地帶，也是人類活動最為頻繁的地區(qū)，研究人類活動對河口三角洲演化的影響，一直以來都是國際沉積學(xué)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)?！痉椒ā恳愿＝ㄩ}江河口水下三角洲為研究對象，通過水動力模擬和表層沉積物粒度分析，探討了閩江河口水下三角洲及周邊海域現(xiàn)代沉積環(huán)境演化?！窘Y(jié)果與結(jié)論】研究區(qū)河口內(nèi)潮流以往復(fù)流為主，在口外海域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流，水下三角洲地區(qū)流速大，外海流速較??；沉積物類型以砂、粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，平均粒徑平均值分別為1.57 Φ、6.78 Φ 和5.62 Φ，并且由河口向口外陸架方向沉積物粗顆粒組分含量逐漸減少，細(xì)顆粒組分含量逐漸增大；沉積物輸運(yùn)趨勢顯示，在閩江河口水下三角洲內(nèi)，沉積物輸運(yùn)呈現(xiàn)向東、東南和東北方向，在口外海域沉積物呈現(xiàn)朝東南和東北離岸方向，以及向西北朝岸方向輸運(yùn)；基于粒度組成、粒度參數(shù)及站位水深多元統(tǒng)計分析，綜合地理位置、沉積物源和水動力條件，將研究區(qū)現(xiàn)代沉積環(huán)境劃分為4個沉積區(qū)；通過探討不同控制因素下的河口水下三角洲沉積環(huán)境差異，揭示了不同沉積區(qū)的沉積環(huán)境對人類活動的響應(yīng)。該研究結(jié)果可為河口資源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 水下三角洲；閩江河口；粒度參數(shù)；沉積物輸運(yùn)趨勢；沉積環(huán)境

第一作者簡介 謝津劍，男，1997年出生，碩士研究生，河口海岸動力過程，E-mail： 470007095@qq.com

通信作者 王愛軍，男，博士，研究員，河口海岸沉積動力學(xué)，E-mail： wangaijun@tio.org.cn

中圖分類號 P736.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

河口三角洲形成于海陸交匯的特定部位，是陸海相互作用的敏感地帶，也是人類活動最為頻繁的地區(qū)。河流入海物質(zhì)大部分主要分布在河口、三角洲地區(qū)及近岸陸架地區(qū)，僅有少量向外陸架及深海輸運(yùn)[1]。大量入海泥沙在河口三角洲地區(qū)的堆積導(dǎo)致河口水下三角洲地區(qū)一般都具有較高的沉積速率[2]。同時，在地質(zhì)歷史時期，由于氣候變化、地質(zhì)構(gòu)造的不穩(wěn)定性以及海平面的升降等因素，三角洲不斷淹沒和出露，造成沉積環(huán)境不斷變化。因此，三角洲地區(qū)的沉積記錄包含了豐富的流域過程自然變化及人類活動等環(huán)境信息[3]。挖掘沉積物中的環(huán)境信息，研究其沉積環(huán)境，對于探討三角洲的沉積環(huán)境演化過程、反演區(qū)域環(huán)境的變化歷史以及認(rèn)識海陸相互作用的沉積模式具有重要的科學(xué)意義，為預(yù)測今后三角洲地區(qū)環(huán)境演變，人類活動和環(huán)境相互協(xié)調(diào)及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)和借鑒，因此一直以來都是國際上的重點(diǎn)研究區(qū)域[4]。20世紀(jì)50年代以來，我國對河口進(jìn)行了高強(qiáng)度開發(fā)與利用，同時也針對河口三角洲的形成演化展開了系統(tǒng)性的研究，并取得了非常豐碩的成果，進(jìn)一步豐富了河口三角洲形成演化模式及其理論體系。當(dāng)前我國對于長江、黃河、珠江此類大河三角洲開展了大量的研究，對于中型山溪性河口三角洲的研究相對較少，對河口三角洲沉積過程及其控制機(jī)制的認(rèn)識略顯不足。事實(shí)上，中小河流對全球河流入海泥沙通量的貢獻(xiàn)非常顯著[5?6]，在沉積物的“從源到匯”、生物地球化學(xué)循環(huán)等方面都扮演著重要的角色[7]。然而，隨著流域上的人類活動強(qiáng)度不斷增加，河口系統(tǒng)正在發(fā)生變化[8?10]，而中小型山溪性河流由于流域面積相對較小，河口三角洲演化對流域環(huán)境變化響應(yīng)迅速[6，11]。因此，有必要開展中小型山溪性河口三角洲現(xiàn)代沉積過程及其控制機(jī)制方面的研究工作，以便為河口資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

閩江作為福建省最大的河流，也是我國典型的中型山溪性河流，河流入海水沙通量較大，河口區(qū)潮汐與波浪作用強(qiáng)，屬于典型的徑流量大、泥沙供應(yīng)較為豐富、河口動力強(qiáng)的沉積環(huán)境。在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景控制和河口動力作用下，閩江河流攜帶泥沙進(jìn)入河口后形成了一套完整的水下三角洲沉積體系[12?13]。然而，隨著閩江流域人類活動強(qiáng)度的不斷增大，閩江入海泥沙通量銳減[14]，引起河口水下三角洲部分地區(qū)發(fā)生侵蝕[15]。因此，在當(dāng)前流域來沙量銳減的情況下，研究現(xiàn)代河口沉積過程對人類活動的響應(yīng)，對于認(rèn)識河口系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換背景下的河口水下三角洲演化過程、河口資源開發(fā)利用、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)等都有非常重要的應(yīng)用前景。

因此，選取福建閩江河口三角洲作為研究區(qū)域，基于表層沉積物粒度分析結(jié)果，采用聚類分析方法，結(jié)合歷史資料，探討閩江河口水下三角洲現(xiàn)代沉積過程及其對人類活動的響應(yīng)，為閩江河口礦產(chǎn)資源勘探與開發(fā)、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閩江是福建省沿海的第一大河流，發(fā)源于閩贛邊界的武夷山脈，自北向南穿過閩北、閩中丘陵，流至竹岐進(jìn)入福州盆地，在馬尾匯合后穿越閩安峽谷，自亭江附近受瑯岐島阻隔，分為南支梅花水道和北支長門水道，北支出長門水道后受粗蘆島、川石島及壺江島等阻隔，又分為烏豬、熨斗、川石和壺江四個水道分別注入東海，其中川石水道為主航道，發(fā)育內(nèi)沙和外沙兩個淺灘，內(nèi)沙淺灘位于川石水道口門，是川石水道的攔門沙體，外沙淺灘位于鐵板沙下游（圖1）。整個流域?qū)儆趤啛釒ШＱ蠹撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均徑流量為605×108 m3，多年平均輸沙量750×104 t，并且表現(xiàn)出明顯的洪、枯季變化[16]。然而，近年來受人類活動影響，多年平均徑流量沒有明顯變化，但入海泥沙通量銳減至原來的三分之一左右[14]。閩江河口地區(qū)平均潮差4.46 m（梅花站），潮汐類型為正規(guī)半日潮，平均落潮流速大于平均漲潮流速，潮流以往復(fù)流為主，具有一定的旋轉(zhuǎn)流特征，年平均波高1.1 m[16]。閩江河口三角洲屬于典型的山溪性強(qiáng)潮三角洲河口，河床縱坡降大，河口水下三角洲分布于口門至15 m等深線附近，主要受控于潮流和波浪，由河流汊道沉積、河口沙壩、口外淺灘以及口內(nèi)外潮灘等組成[12?13]；而在水下三角洲以外的離岸斜坡區(qū)，潮流沙脊發(fā)育[17?18]。

1.2 樣品采集與分析

2017年9月在閩江河口及周邊海域利用蚌式抓斗采集表層沉積物，獲取了135個站位的沉積物樣品，每個站位選取的采樣厚度為表層5 cm。具體站位分布如圖1。在2017年7月30日至8月1日，臺風(fēng)“納沙”和“海棠”相繼在福清沿岸（閩江河口以南70 km左右）登陸，但根據(jù)福建省水文水資源勘測中心發(fā)布的《水文旬報》及中華人民共和國水利部發(fā)布的《中國河流泥沙公報2017》，竹岐水文站徑流量和泥沙通量并沒有因臺風(fēng)登陸而增加。因此，本次采樣可以代表一種正常情況下的沉積特征。

表層沉積物在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過去除有機(jī)質(zhì)和去除碳酸鹽、分散等前處理后利用激光粒度儀（英國馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀）進(jìn)行粒度分析，具體前處理與樣品測試參照《海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》。測試數(shù)據(jù)利用儀器自帶軟件以0.25 Φ 間隔導(dǎo)出數(shù)據(jù)，利用矩法計算沉積物粒度參數(shù)[19]，粒度參數(shù)定性描述以適合矩法參數(shù)的分級為依據(jù)[20]，沉積物類型分類采用Folk分類體系[21]，沉積物輸運(yùn)趨勢采用粒徑趨勢分析方法[22]，本次沉積物采樣為等間距網(wǎng)格采樣，故選擇最大采樣間距作為特征距離。

利用多元統(tǒng)計分析中R型聚類和Q型聚類方法以及因子分析法，采用SPSS19.0軟件對沉積物粒度參數(shù)進(jìn)行了聚類分析和因子分析[23?24]。

1.3 水動力模擬

研究區(qū)域模型東靠外海，西臨閩江，模型的計算范圍包括了整個閩江河口水下三角洲和水下岸坡區(qū)域，將閩江河口水下三角洲和水下岸坡區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)域并對此區(qū)域范圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密，使其計算結(jié)果更加精確；整個模型區(qū)域內(nèi)共有節(jié)點(diǎn)數(shù)5 773，網(wǎng)格數(shù)10 884（圖2）。在上游閩江來水處設(shè)置開邊界，邊界條件以模型計算期間10天平均流量來控制（數(shù)據(jù)來源于福建省水文水資源勘測中心發(fā)布的《水文旬報》），外海域的開邊界則設(shè)置為潮汐強(qiáng)迫開邊界，基于全球潮汐模型數(shù)據(jù)預(yù)測開邊界，時間間隔1 h。

選取2019年8月的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證，模擬計算了2019年洪季期間（7—9月）閩江河口及周邊海域水動力場，模型采用的時間步長為300 s，總步數(shù)14 976。模型參數(shù)設(shè)置中，淺水方程的CFL數(shù)設(shè)為0.8，渦粘系數(shù)取常數(shù)默認(rèn)值0.28，在模型中考慮了干濕邊界的交替變化，干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m，濕水深為0.1 m，均采用模型默認(rèn)參數(shù)[25]；床面阻力系數(shù)經(jīng)率定后得到相對的Manning數(shù)，選取值為60[26]。計算期間未有極端天氣發(fā)生，模型在模擬過程中不考慮風(fēng)、降水和蒸發(fā)等因素，采用冷啟動，模型的初始水位和初始速度均設(shè)置值為0。

2 結(jié)果

2.1 閩江河口及周邊海域水動力特征

根據(jù)2019年8月在川石島附近建立的臨時潮位站和川石島以東海域開展的2個站位的大潮（2019年8月30日8時至31日10時）周日水文觀測數(shù)據(jù)對模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（觀測站位見圖1）。如圖3所示，觀測期間實(shí)測和計算的潮位曲線基本吻合，大潮下實(shí)測垂線平均流速與計算流速、流向基本接近。

閩江河口及周邊海域大潮期間落急和漲急時刻潮流場顯示（圖4），落急時刻流速變化小，流向整體上為東北向；而在閩江河口水下三角洲范圍內(nèi)流向存在由東南向、東向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北向的變化，流速變化范圍為0.15～1.35 m/s，川石島附近海域的落潮流速值較大，閩江出川石島后在南航道外沙淺灘附近流速也較大，流速為1.05～1.35 m/s。漲急時刻潮流流速由外海域至閩江河口水下三角洲流速逐漸變大，流向整體上表現(xiàn)為西南向，在水下三角洲范圍內(nèi)流速在0.5～2.5 m/s之間變化，在口門附近流速較大，在航道內(nèi)表現(xiàn)明顯。

2.2 表層沉積物類型及分布特征

粒度分析結(jié)果顯示（表1、圖5a～c），研究區(qū)表層沉積物砂組分含量介于0～100%，平均值為54%，其空間分布格局為在閩江河口三角洲前緣表層沉積物砂組分含量高，向東至前三角洲和淺海水下岸坡地區(qū)沉積物砂組分含量顯著減少，再往東至馬祖列島和白犬列島西南部海域表層沉積物砂組分含量又明顯增高。研究區(qū)沉積物的粉砂組分含量介于0～76%，平均值為34%，分布特征及規(guī)律與砂組分含量相反；黏土組分含量介于0～32%，平均值為12%，其分布特征與粉砂一致。

分類結(jié)果顯示（圖5d），閩江河口及周邊海域表層沉積物共有六種類型，包括砂質(zhì)泥、泥質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂和粉砂，其中以砂、粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，分別占調(diào)查總站位數(shù)的42%、29%和20%，其分布格局與各粒級組分空間分布一致。

2.3 表層沉積物粒度參數(shù)分布特征

粒度參數(shù)計算結(jié)果顯示，閩江河口及周邊海域表層沉積物平均粒徑為0.54～7.31 Φ，均值為4.09 Φ，在空間上表現(xiàn)為水下三角洲范圍內(nèi)和東南部分海域平均粒徑較大（<4 Φ），研究區(qū)北部海域和南部海域沉積物平均粒徑小（>6 Φ）（圖6a）。沉積物分選系數(shù)為0.41～3.06，平均值為1.43，變化范圍較大；在空間分布上表現(xiàn)為水下三角洲前緣分選程度較好，隨著向河口外部延伸，沉積物分選程度總體變差（圖6b）。沉積物偏態(tài)在-2.53～2.92之間變化，平均值為0.25，水下三角洲及東部海域大部分沉積物表現(xiàn)為正偏（圖6c）。峰態(tài)范圍為0.53～3.64，平均值為1.91，在空間分布上也表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律（圖6d）。

研究區(qū)各類型沉積物粒度參數(shù)、粒度組分及變化的統(tǒng)計關(guān)系見表1。

2.4 粒徑輸運(yùn)趨勢分析

沉積物輸運(yùn)趨勢是沉積環(huán)境動力條件、物質(zhì)源匯的重要表現(xiàn)，但其應(yīng)用需要滿足一定的條件[27]。本次沉積物選取表層5 cm的混合樣，基本可以代表同一時段的樣品。雖然河口地形復(fù)雜，但研究區(qū)內(nèi)沉積物輸運(yùn)主要受閩江影響，河口三角洲及附近海域的粒徑趨勢分析結(jié)果得到了水動力觀測和推移質(zhì)輸運(yùn)計算結(jié)果的驗(yàn)證[13]，表明該地區(qū)粒徑趨勢分析方法可以適用。

粒徑趨勢分析結(jié)果顯示（圖7），在閩江河口水下三角洲平原至三角洲前緣，閩江攜帶的入海沉積物在通過瑯岐島南側(cè)的梅花水道和北側(cè)的長門水道出閩江口門后，分別向東、東南和東北方向輸運(yùn)，并且在輸運(yùn)過程中不斷發(fā)生沉積。南部入海沉積物在經(jīng)梅花水道出口門后主要向東、東北和東南方向輸運(yùn)，部分沉積物在向東和東南方向的輸運(yùn)過程中不斷發(fā)生沉積，在梅花水道口門附近形成了一系列水下淺灘（如鱔魚沙、梅花淺灘等），其余沉積物則向東北方向輸運(yùn)，輸運(yùn)至梅花東北部海域后的沉積物轉(zhuǎn)向西和西北方向輸運(yùn)，與出梅花水道輸運(yùn)的沉積物堆積在梅花沙嘴形成了大片的淺灘，繼續(xù)向西北輸運(yùn)方向的沉積物則在川石島南側(cè)的內(nèi)沙淺灘附近堆積。經(jīng)長門水道的入海沉積物在出川石島后向東和東北方向輸運(yùn)，在輸運(yùn)過程中沉積物在川石島東南部不斷發(fā)生堆積，在鐵板沙、腰子沙一帶形成粗顆粒堆積體。繼續(xù)向東方向輸運(yùn)的沉積物與出梅花淺灘向東北輸運(yùn)的沉積物在外沙淺灘附近匯合，促進(jìn)了外沙淺灘的發(fā)育。在三角洲前緣斜坡至前三角洲區(qū)域，部分沉積物在穿過外沙淺灘后受漲潮流的作用輸運(yùn)方向發(fā)生改變，向西和西北方向輸運(yùn)，進(jìn)一步促進(jìn)了腰子沙附近海域的沉積。其余出川石島后向東和東北方向輸運(yùn)的沉積物繼續(xù)向東和東北方向輸運(yùn)，輸運(yùn)至梅花以東的沉積物則繼續(xù)向東和東南方向輸運(yùn)。在水下岸坡區(qū)域，沿東和東南方向輸運(yùn)的沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)槲骱臀鞅狈较蜉斶\(yùn)，沉積物在口外東南側(cè)海域交匯發(fā)生沉積并形成了大片的細(xì)顆粒沉積物。沿東北方向輸運(yùn)的沉積物在輸運(yùn)過程中，輸運(yùn)方向轉(zhuǎn)變?yōu)槲骱臀鞅狈较?，并與南向閩江河口輸運(yùn)的沉積物在口外東北側(cè)海域沉積形成大片細(xì)顆粒沉積物。

2.5 多元統(tǒng)計分析

2.5.1 系統(tǒng)聚類分析

沉積環(huán)境差異主要體現(xiàn)在沉積物粒度參數(shù)特征，與水深、水動力、物質(zhì)來源密切相關(guān)。由于采用所有的粒度特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析不能有效揭示研究區(qū)內(nèi)的沉積環(huán)境差異，各項(xiàng)粒度特征參數(shù)之間也可能存在不同程度的聯(lián)系，因此將研究區(qū)表層沉積物的平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)、砂含量、粉砂含量、黏土含量以及采樣點(diǎn)的水深作為聚類指標(biāo)，進(jìn)行R型聚類分析，將具有相同聚集趨勢的參數(shù)合并，對8個指標(biāo)進(jìn)行壓縮合并，提取出對沉積環(huán)境鑒別最敏感的參數(shù)，最終選擇分選系數(shù)、砂含量、粉砂含量和水深作為沉積環(huán)境劃分參數(shù)[23]。研究表明，砂含量是受物質(zhì)來源條件影響最為顯著的參數(shù)，粉砂含量和水深是對研究區(qū)水動力條件最為敏感的參數(shù)，而分選系數(shù)是對地形與流場相互作用最為敏感的參數(shù)[24]。因此，以這四個指標(biāo)參數(shù)作為變量進(jìn)行Q型聚類分析，能夠有效地劃分樣品的類別。

2.5.2 因子分析

為了識別控制沉積環(huán)境的因子，對研究區(qū)135個站位的粒度參數(shù)、組分含量和水深進(jìn)行因子分析，結(jié)果顯示（表2），因子1 和因子2 的貢獻(xiàn)累積方差達(dá)81.75%。因此，可以將因子1和因子2作為主要因素考慮，其中因子1的貢獻(xiàn)方差達(dá)到66.74%，表明該因子對平均粒徑、分選系數(shù)、粉砂含量和黏土含量有較強(qiáng)的控制作用，且與水深有一定的關(guān)系，為研究區(qū)控制沉積物分布的最主要的因素；因子2的貢獻(xiàn)方差為15.27%，主要對分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)有一定的控制作用，對其他粒度參數(shù)控制很弱。

為了進(jìn)一步區(qū)分各變量對主因子的貢獻(xiàn)，應(yīng)用方差最大旋轉(zhuǎn)法對因子負(fù)荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。結(jié)果顯示（表2），因子1在平均粒徑、粉砂含量和黏土含量上的負(fù)荷系數(shù)較大，表明其概括了這3個參數(shù)表達(dá)的信息；因子2在分選系數(shù)和峰態(tài)上的負(fù)荷系數(shù)較大，分選系數(shù)和峰態(tài)是對地形與流場作用較為敏感的參數(shù)。因此，因子1和因子2能有夠效反映研究區(qū)內(nèi)表層沉積物粒度參數(shù)受到水動力和物源條件的控制。

將每個樣品對主因子的貢獻(xiàn)度量化為因子得分，把因子得分作為樣品的新變量進(jìn)行Q型聚類分析，采用的聚類方法是組間距離法，組間距離測定采用歐式距離平方。

2.5.3 沉積環(huán)境分區(qū)

通過系統(tǒng)聚類分析和因子分析相結(jié)合，將兩種方法的統(tǒng)計結(jié)果結(jié)合實(shí)地勘察情況綜合分析得出各樣品所屬類別，可將研究區(qū)表層沉積物樣品分為4類沉積環(huán)境區(qū)，并以此繪制研究區(qū)沉積環(huán)境分區(qū)圖（圖8），各沉積環(huán)境分區(qū)內(nèi)的沉積物組成及粒度參數(shù)統(tǒng)計見表3。

沉積區(qū)I有46個沉積物樣品，沉積物主要分布在研究區(qū)西部，即閩江河口水下三角洲范圍內(nèi)的水下三角洲平原至三角洲前緣區(qū)域。其中在瑯岐島東面口門區(qū)域出現(xiàn)較細(xì)顆粒沉積物，與周邊粗顆粒沉積物形成鮮明對比，由平均粒徑分布圖也可明顯看出這塊區(qū)域沉積物粒徑較細(xì)，因此又將沉積區(qū)I分為I1和I2兩個小沉積區(qū)。沉積區(qū)I內(nèi)的沉積物類型主要為砂，有些許沉積物為粒徑較細(xì)的砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂，粒級組分中砂含量最高，粉砂和黏土含量極低。沉積區(qū)中值粒徑均值為2.02 Φ，平均粒徑為2.10 Φ，分選系數(shù)為0.90，分選程度好，偏態(tài)基本為正偏，峰態(tài)較小。

沉積區(qū)II有15個沉積物樣品，主要分布在三角洲前緣斜坡至前三角洲的研究區(qū)域。沉積物的類型以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主，粒徑變化幅度大，粒級組分中粉砂含量和黏土含量較低，平均值分別為35.86%和12.47%。沉積區(qū)中值粒徑均值為4.34 Φ，平均粒徑為4.54 Φ。分選系數(shù)為2.27，分選程度差，正偏峰態(tài)大。

沉積區(qū)III有52個沉積物樣品，其分布范圍廣，主要分布在口外淺海水下岸坡。沉積物類型以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主。砂含量和黏土含量較低，為8.17%和24.31%，與I沉積區(qū)有顯著差異。中值粒徑均值為6.78 Φ，平均粒徑為6.69 Φ，分選系數(shù)為1.83，分選程度較差，偏態(tài)均值為負(fù)偏，峰態(tài)較大。

沉積區(qū)IV有22個沉積物樣品，主要分布在研究區(qū)東南部的殘留砂沉積體系。沉積物的類型以砂為主，IV沉積區(qū)為研究區(qū)中粒徑最粗的區(qū)域，粒級組分含量特點(diǎn)同I沉積區(qū)相似，粒徑中值粒徑均值為1.63Φ，平均粒徑為1.79 Φ，分選系數(shù)為0.99，分選較好，偏態(tài)基本為正偏，峰態(tài)較小。

3 討論

3.1 閩江河口水下三角洲及周邊海域現(xiàn)代沉積環(huán)境分區(qū)及其控制機(jī)制

河流入海泥沙在進(jìn)入河口后，其輸運(yùn)和堆積過程受到河口地形、水道分流、水動力、鹽淡水混合等因素控制，在河口周邊地區(qū)形成了一定規(guī)模的水下三角洲[1，28?30]。閩江河口水下三角洲前緣是河流與海洋動力相互作用最強(qiáng)烈的地區(qū)，也是三角洲沉積最迅速的部分[31?34]。閩江河口及周邊海域表層沉積物的分布格局顯示，在閩江河口水道內(nèi)及川石島以東的沉積物砂組分含量高、平均粒徑大、分選程度相對較好，峰態(tài)類型窄（圖5，6），同時該地區(qū)水流流速大（圖4），表明該地區(qū)沉積物再懸浮頻繁[35]，細(xì)顆粒沉積物無法沉積下來。但在出長門水道和梅花水道口門，即川石島—梅花一帶海域，入海泥沙經(jīng)長門水道和梅花水道到達(dá)川石島—梅花一帶的口門附近，水域面積展寬，水流流速減弱（圖4a），因徑流和潮流頂托、鹽淡水混合明顯且水體鹽度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[13，36?39]，泥沙發(fā)生絮凝，并在瑯岐島東側(cè)出現(xiàn)高濁度帶狀水體分布[13]，大量泥沙在此沉積，在川石島—梅花之間的口門附近逐漸發(fā)育并形成了一系列的水下淺灘（如內(nèi)沙淺灘、新埕沙、南上行沙等），沉積物分選差，峰態(tài)類型表現(xiàn)為寬峰（圖6）。出川石島—梅花口門后潮流流速增大（圖4）入海泥沙在落潮流的作用下繼續(xù)向東、東北、東南方向輸運(yùn)（圖7），沿程堆積，粗顆粒沉積物在徑流、強(qiáng)潮流與地形的相互作用下快速堆積[13，32，36，40]，在閩江河口外海域形成了一系列粗顆粒堆積體（如鐵板沙、腰子沙、鱔魚沙、外沙淺灘、梅花淺灘等），沉積物分選較好，峰態(tài)類型多為窄峰（圖6）。由圖4可知，在該粗顆粒堆積體附近海域，漲潮流速明顯較落潮流速大，而座底觀測結(jié)果也顯示，該海域推移質(zhì)輸運(yùn)主要發(fā)生在漲潮期間，并在旋轉(zhuǎn)流的作用下使粗顆粒沉積物向北、西北方向輸運(yùn)[13]，這表明隨落潮流輸運(yùn)至外沙淺灘一帶海域的閩江入海泥沙在漲潮流的作用下又向北和西北方向輸運(yùn)，進(jìn)一步促進(jìn)了川石島東側(cè)粗顆粒堆積體的發(fā)育（圖7）。根據(jù)潮流數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計，在該沉積區(qū)內(nèi)，漲潮和落潮流速大，表明該沉積區(qū)屬于強(qiáng)動力環(huán)境，落潮流控制了該沉積區(qū)北部的分布范圍（圖9a，b），而漲潮流則控制了沉積區(qū)南部分布范圍，并且對北部邊界范圍也有一定的影響（圖9c）。

一般情況下，河流攜帶的泥沙在進(jìn)入河口后，大部分泥沙被截留并沉積在河口水下三角洲地區(qū)，少量被輸送到離岸較遠(yuǎn)的口外海域[1]。閩江入海泥沙在經(jīng)過一系列輸運(yùn)、沉積、再懸浮等沉積動力過程后，依然有部分泥沙繼續(xù)向海方向輸運(yùn)[13]，但隨著向海方向推進(jìn)，水深逐漸增加，海底逐漸平坦[17]，潮流流速減?。▓D4）。因此，較粗的沉積物和部分細(xì)顆粒沉積物地在該海域發(fā)生沉積，形成一片較細(xì)顆粒堆積體（圖7，8）。沉積物輸運(yùn)趨勢顯示（圖7），閩江河口水下三角洲前緣斜坡至前三角洲北部海域的細(xì)顆粒沉積物輸運(yùn)方向呈北東向，南部主要呈北西向朝岸輸運(yùn)，這與底層濁度和水動力觀測結(jié)果一致[13]。根據(jù)潮流數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計，該沉積區(qū)位于落潮流速逐漸減弱的過渡地區(qū)，水動力相對較強(qiáng)，其分布范圍主要受落潮最大流速和漲潮最大流速控制（圖9b，d）。

研究區(qū)的東南部和東北部也存在由海向岸的輸運(yùn)現(xiàn)象，表明閩江入海泥沙在穿過水下三角洲后，受到夏季河口羽流和東側(cè)海域水動力強(qiáng)度相對較大的影響（圖9），細(xì)顆粒泥沙在出閩江河口南航道口門后再向東輸運(yùn)的過程中，底層水動力凈向北輸運(yùn)，因此閩江入海泥沙無法繼續(xù)向東擴(kuò)散、輸運(yùn)，僅在外沙淺灘東側(cè)形成窄條帶狀的較細(xì)顆粒沉積體（圖7，8）。閩江入海的部分細(xì)顆粒泥沙在落潮流的作用下穿過水下三角洲后繼續(xù)向東北方向輸運(yùn)，但由于總體水動力作用較弱（圖9），有利于細(xì)顆粒沉積物的堆積，因此閩江入海的細(xì)顆粒泥沙在該海域發(fā)生沉積[34]。此外，由圖4可知，漲潮流由黃岐半島東側(cè)海域向閩江河口方向輸運(yùn)，也帶來了大量東海陸架的細(xì)顆粒沉積物在此發(fā)生沉降，加之黃岐半島海岸地貌引起的閩江落潮流雍水效應(yīng)與海岸的摩擦作用[41]，促使閩江河口水下三角洲東北側(cè)至黃岐半島海域沉積了大片的細(xì)顆粒沉積物。研究表明，閩江河口外東北側(cè)的泥質(zhì)沉積區(qū)屬于浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)的南端[42?43]，屬于長江水下三角洲遠(yuǎn)端泥[44]，而表層沉積物和柱狀沉積物的黏土礦物分析結(jié)果也表明，該地區(qū)細(xì)顆粒沉積物主要來源于長江輸入的細(xì)顆粒物質(zhì)[45?46]，并且離岸距離越遠(yuǎn)貢獻(xiàn)越大[46]。在閩江河口外東南部海域，漲、落潮水動力作用都相對較強(qiáng)（圖9），但依然發(fā)育了一片細(xì)顆粒沉積體，可能主要是由于閩江入海細(xì)顆粒泥沙在落潮時向海輸運(yùn)，漲潮時又隨漲潮流向岸輸運(yùn)，至高潮后又向外輸運(yùn)，如此反復(fù)，在旋轉(zhuǎn)潮流的作用下最終向東南方向輸運(yùn)并沿途沉積所致[47]。細(xì)顆粒沉積物的分布格局與粒徑趨勢分析結(jié)果一致（圖7），也得到了底層余流觀測結(jié)果和地層層序解譯結(jié)果的支持[13，41]，表明該地區(qū)細(xì)顆粒泥沙輸運(yùn)與沉積主要受潮流控制。

沉積物粒度分布結(jié)果顯示（圖5，6），水下岸坡區(qū)域不僅分布著大片的細(xì)顆粒沉積物，在東側(cè)和東南側(cè)還有一片粗顆粒沉積物分布區(qū)。該海域潮流流速較大（圖4）；沉積物粒度組成均為砂，且分選程度較好，峰態(tài)類型為窄峰（圖6）；在沉積層序方面，該地區(qū)缺失全新世海相沉積層[41]；從地理位置上對比層序地層解譯結(jié)果，該粗顆粒分布區(qū)為晚第四紀(jì)低海面期間閩江古河道所在區(qū)域[41]。已有研究結(jié)果顯示，該粗顆粒沉積體屬于陸架殘留沉積[48]，這一結(jié)論也得到了該海域潮流沙脊成因分析的支持，即該粗顆粒堆積體是以古閩江河口三角洲物質(zhì)為基礎(chǔ)，在全新世海平面上升過程中，在水動力的長期改造作用下形成的殘留堆積體[18]。

3.2 閩江河口水下三角洲現(xiàn)代沉積環(huán)境演化及其對流域人類活動的響應(yīng)

河口水下三角洲作為陸海相互作用最為強(qiáng)烈的地區(qū)，其沉積環(huán)境對流域人類活動和海洋環(huán)境變化的響應(yīng)尤為敏感[49?50]。研究表明，流域人類活動導(dǎo)致入海泥沙通量發(fā)生劇烈變化，從而引起河口三角洲的沖淤變化格局和強(qiáng)度發(fā)生顯著改變[50?54]，河口系統(tǒng)狀態(tài)也正在發(fā)生變化[8?10]。在閩江流域強(qiáng)烈人類活動的影響下，閩江河口水下三角洲的沉積過程也同樣發(fā)生了顯著變化，河口附近淺灘沖淤格局發(fā)生變化[15]，部分地區(qū)由淤積逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷[55]，前三角洲泥質(zhì)沉積區(qū)的沉積速率顯著減小[14]。

河流入海泥沙通量的減小可以引起河口水下三角洲侵蝕，導(dǎo)致表層沉積物變粗，在空間上具有明顯差異[56?57]。對比20世紀(jì)80年代[58]和90年代[59]閩江河口表層沉積物中值粒徑平面分布（圖10a），從20世紀(jì)80年代初到90年代期間，閩江河口南航道以南的淺灘地區(qū)表層沉積物中值粒徑總體減小，并且在空間上中值粒徑較大的等值線（2 Φ）向北遷移（圖10a），表明該時段閩江河口水下三角洲南部處于淤積狀態(tài)；而閩江河口南航道以北的鐵板沙、腰子沙等淺灘地區(qū)沉積物中值粒徑明顯增大，并且在空間上中值粒徑較大的等值線（2 Φ）范圍顯著擴(kuò)大（圖10a），表明該時段閩江河口水下三角洲北部處于侵蝕狀態(tài)。這種南部淤積、北部侵蝕的空間分布格局表明閩江河口水下三角洲沉積環(huán)境變化對人類活動的響應(yīng)具有顯著的空間差異。研究結(jié)果顯示，雖然閩江流域耕地面積自20世紀(jì)80年代以來逐年減少，林地面積逐年增大[60?61]，但由于林地結(jié)構(gòu)不合理，天然林地比例逐漸減小，森林資源質(zhì)量下降[61?62]，建設(shè)用地面積明顯增加[63]，導(dǎo)致上游水土流失面積顯著增加[62]，輸沙量顯著增大[64]。閩江河流入海泥沙通量統(tǒng)計結(jié)果顯示（圖11），20世紀(jì)60—70年代的閩江入海泥沙通量高于50年代，自20世紀(jì)70年代末至80年代初的安砂水庫和池潭水庫建成后，閩江入海泥沙通量開始總體緩慢減少，而1984年沙溪口水庫建成后，閩江入海泥沙通量繼續(xù)持續(xù)減小，而1993年水口水庫建成后，閩江入海泥沙通量顯著減小。20世紀(jì)80年代以前輸沙量的明顯增大對河口水下三角洲的沉積環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在淤積強(qiáng)度增大[14?15]。然而，自1980年前后泥沙通量開始逐漸減小后，閩江河口水下三角洲南側(cè)海域依然表現(xiàn)出持續(xù)淤積狀態(tài)，而北側(cè)海域則開始出現(xiàn)侵蝕，這與圖10 對比結(jié)果一致[14，55]，表明閩江河口水下三角洲北側(cè)海域沉積物變化對流域人類活動響應(yīng)比南側(cè)更快。這種空間差異的出現(xiàn)可能與閩江河口地區(qū)的水動力條件有關(guān)。水文資料統(tǒng)計結(jié)果顯示[65]，瑯岐島南側(cè)的梅花水道漲落潮分流比分別為30.8%和27.5%，分沙比分別為9.2%和21.9%，而北側(cè)的長門水道漲落潮的分流比分別為69.2%和72.5%，分沙比分別為70.8%和78.1%，表明閩江入海泥沙主要通過長門水道入海。在整個潮周期內(nèi)，閩江河口水下三角洲北側(cè)水動力相對更強(qiáng)（圖9），因而該地區(qū)沉積物活動性更強(qiáng)，且長門水道分沙比大，泥沙通量減少對北側(cè)海域沉積過程影響更大，海底沖淤變化響應(yīng)迅速。南側(cè)梅花水道分沙比小，泥沙通量顯著減少對南側(cè)海域影響相對較小，并且在梅花水道口門及附近海域水動力較弱，有利于泥沙堆積，盡管閩江入海泥沙通量逐漸減少，但在該海域仍然表現(xiàn)為淤積狀態(tài)。

自2010年前后至2017年，閩江河口區(qū)沉積物中值粒徑空間分布格局變化比較穩(wěn)定，在水下三角洲前緣斜坡附近海域表層沉積物中值粒徑較大的等值線（2 Φ）總體呈現(xiàn)向岸后退，中值粒徑略微減小?？傮w來說，該時段沉積環(huán)境處于基本穩(wěn)定狀態(tài)（表4），僅在川石島東北側(cè)海域出現(xiàn)較明顯的變化（圖10c）。將2010年前后的沉積物粒度分析結(jié)果按上述沉積環(huán)境分區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計、對比，顯示各沉積環(huán)境分區(qū)在該時段內(nèi)表層沉積物中值粒徑變化微小，各粒度參數(shù)變化也相對穩(wěn)定（表4）。對比沉積區(qū)I和沉積區(qū)II，沉積物略微粗化的現(xiàn)象，這也說明在該時段閩江河口水下三角洲前緣、水下三角洲前緣斜坡等海域依然存在一定程度的侵蝕，與中值粒徑空間分布對比結(jié)果一致（圖10c）。該變化與閩江入海泥沙通量持續(xù)減少及海砂開采活動有關(guān)。自2010年后，閩江入海泥沙通量持續(xù)減少，使得沉積區(qū)I和II所在區(qū)域海底持續(xù)侵蝕（圖11）。

此外，統(tǒng)計結(jié)果顯示，閩江河口地區(qū)在2012—2017 年間采砂活動頻繁，海砂開采量約為0.4×108m3，而且多集中分布在川石島東北側(cè)海域，導(dǎo)致該地區(qū)沉積物粒度組成變粗[66]。從空間位置上來看，沉積區(qū)I的沉積物粗化主要是由海砂開采引起的，而沉積區(qū)II因與采砂區(qū)距離相對較遠(yuǎn)，其沉積物略有粗化主要是由河流入海泥沙通量持續(xù)減少所致。因流域人類活動導(dǎo)致河口水下三角洲沉積物出現(xiàn)粗化現(xiàn)象在大河三角洲有所體現(xiàn)[56，67]，只是閩江河口水下三角洲沉積物粒度響應(yīng)更為迅速。對于沉積區(qū)III，表層沉積物出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，這可能與閩江入海泥沙通量顯著減少有關(guān)。研究表明，閩江河口外的東海陸架表層細(xì)顆粒沉積物中閩江入海泥沙貢獻(xiàn)約占30%，由長江遠(yuǎn)距離輸送的細(xì)顆粒泥沙貢獻(xiàn)約占70%[46]；在水口水庫建設(shè)后，閩江入海泥沙通量顯著減少，前三角洲細(xì)顆粒沉積區(qū)的沉積速率同步顯著減小[14]，從而使得沉積區(qū)III所在區(qū)域的細(xì)顆粒沉積物中由長江遠(yuǎn)距離輸送的細(xì)顆粒泥沙貢獻(xiàn)增大，相比閩江入海細(xì)顆粒泥沙黏土含量約25%（本文）來說，長江及浙閩沿岸長距離輸運(yùn)至東海陸架南部的細(xì)顆粒泥沙黏土含量高達(dá)30%～40%[68]，因而該沉積區(qū)的沉積物變細(xì)。沉積區(qū)IV的表層沉積物也存在一定程度的細(xì)化現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵搮^(qū)域的沙脊群在水動力不斷改造下逐漸向東南遷移[18]，而原來的區(qū)域也開始出現(xiàn)少量細(xì)顆粒沉積物，在2010年前后該區(qū)域表層沉積物基本沒有細(xì)顆粒組分，而到2017年粉砂和黏土含量略有增大（表4）。

4 結(jié)論

（1） 閩江河口及周邊海域落潮流向整體上為東北向，而在閩江河口水下三角洲范圍內(nèi)流向存在由東南向、東向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北向的變化，流速在0.15～1.35 m/s范圍變化；漲急時刻潮流流速由外海域至閩江河口水下三角洲流速逐漸變大，流向整體上表現(xiàn)為西南向，在水下三角洲范圍內(nèi)流速在0.5～2.5 m/s范圍變化。

（2） 閩江河口及周邊海域表層沉積物共有六種類型，以砂、粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主；在空間上，沉積物粗顆粒組分由河口向口外陸架總體逐漸減小，細(xì)顆粒組分總體逐漸增大，平均粒徑也表現(xiàn)出相同的變化趨勢。

（3） 粒徑趨勢分析結(jié)果顯示，在閩江河口水下三角洲內(nèi)，閩江攜帶的入海沉積物在通過梅花水道和長門水道后，分別向東、東南和東北方向輸運(yùn)，并且在輸運(yùn)過程中不斷發(fā)生沉積，在鱔魚沙、鐵板沙、腰子沙、內(nèi)沙淺灘和外沙淺灘等區(qū)域形成粗顆粒沉積物堆積；在口外水下岸坡區(qū)域，閩江入海沉積物在輸運(yùn)過程中受潮流作用和外海沉積物的影響，在口外東北側(cè)和東南側(cè)海域沉積大片細(xì)顆粒沉積物。

（4） 根據(jù)徑流、潮流等水動力條件及沉積物來源，可以將現(xiàn)代閩江河口及周邊海域劃分為4個沉積區(qū)，沉積區(qū)I包括水下三角洲平原和水下三角洲前緣，沉積區(qū)II包括水下三角洲前緣斜坡和前三角洲，沉積區(qū)III為水下岸坡的細(xì)顆粒沉積區(qū)，沉積區(qū)IV為古閩江三角洲殘留沉積。

（5） 不同人類活動對閩江河口水下三角洲沉積環(huán)境演化過程影響不同，流域土地利用變化加劇水土流失，引起入海泥沙通量增加，從而使得河口水下三角洲淤積強(qiáng)度和淤積范圍增大；水庫建設(shè)使得閩江入海泥沙通量顯著減少，河口水下三角洲發(fā)生侵蝕，沉積物粗化，而因閩江入海細(xì)顆粒泥沙通量減少導(dǎo)致閩江河口外水下岸坡地區(qū)沉積物細(xì)化；海砂開采在局部地區(qū)會引起沉積物粗化。

致謝 黃書仁、黃財賓、余永澤、陳海煌、劉三善參與了野外采樣工作，黃書仁參與了實(shí)驗(yàn)室樣品分析，盧惠泉提供了閩江河口及周邊海域的水深底圖，謹(jǐn)致謝忱！

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