沉积物粒度特征受物源和沉积区水动力条件共同作用^[1]，物源决定其粒度特征的基本分布格局，水动力条件促成其在基本格局下的波动^{[1, 2]}。因此，可以通过粒度特征的变化来反演影响沉积物粒度变化的环境因素，特别是沉积场所水动力条件和物源^[3-5]。苏北废黄河三角洲沿岸为开敞淤泥质侵蚀海岸，由黄河1128—1855年南徙时带来巨量泥沙堆积形成，研究区沉积物主要为原水下三角洲受侵蚀后的泥沙^{[6, 7]}。自1855年黄河北归之后，泥沙供应大幅减少，废黄河口也开始了自然侵蚀的进程^[8-11]。

据有关资料，1128—1855年黄河下游河道经历了3个阶段^[12]：(1) 1128—1494年，绝大多数年代黄河全流入黄海，从来没有全流入渤海的情况发生；(2)1494—1579年黄河全流入黄海，入黄海泥沙进一步增加；(3)1579—1855年，潘季训实行“束水攻沙”治理方针后，形成稳定的单一河道，入黄海泥沙进一步增加。1128年后由于黄河在苏北入黄海将原来发育的砂质海岸改变为泥质海岸，黄河入海物质直接进入南黄海，使黄河入海沉积物的分布范围大大南移^[12]。在700多年时间里，古黄河塑造了宏大的苏北废黄河三角洲，该时期形成的废黄河水下三角洲可以向海延伸116km以上，到达46m水深。1855年黄河北归以后^[6-8]，海岸演变由河流作用为主的堆积过程转变为海洋动力作用下的岸滩侵蚀改造，致使水下三角洲大面积冲蚀，三角洲岸线急剧后退。废黄河水下三角洲的侵蚀主要表现在以10m水深为代表的三角洲前缘的侵蚀内移和高程的冲刷降低。

随着江苏沿海地区大开发的实施，港口开发建设也快速推进，江苏省在废黄河口北突咀建设了滨海港区，其中2008—2011年建成了南、北防波堤，据以往研究结果表明防波堤的建设改变了周边流场，造成港池及口门出现淤积^{[13, 14]}。近几十年来，学者对苏北沿岸侵蚀防护研究较多^[15-17]，对沉积环境也做过不少研究^{[18, 19]}，但基于防波堤建成之后沉积环境的变化尚缺乏较为系统的研究, 本文通过建堤后获得的表层沉积物粒度数据，分析了研究区表层沉积物的分布特征及其控制因素，对港区稳定性研究及开发建设具有重要意义。

1.   材料和方法

研究样品是2014年6月按2km×2km测网获得的39个表层沉积物样(图 1)，取样方式为箱式。样品测试方法为：从原始样品中各取样10~20g，经双氧水和稀盐酸浸泡处理，除掉有机质和碳酸盐，然后洗盐，用六偏磷酸钠溶液经超声波分散后，采用英国MLVERN公司生产的Mastersizer-2000型激光粒度分析仪(测量范围为0.02~2000μm，偏差<1%，重现性φ50<1%)进行粒度测试。最后，对测量数据采用矩法(McManus J.1988)计算了平均粒径(Mz)、分选系数(σ_i)、偏态系数(Sk)和峰态(Ku)等粒度参数^[20]。沉积物的分类和定名采用Folk三端元分类法^[21]。

图  1  研究区位置和表层样站位示意图

Figure  1.  Map of the study area and sampling locations

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2.   结果与讨论

2.1   表层沉积物类型及分布特征

根据粒度分析结果，所有表层沉积物均无砾石成分，按Folk三角投影，研究区沉积物类型为粉砂质砂(zS)、砂质粉砂(sZ)、粉砂(Z)和泥(M)等4种(图 2)，各沉积物类型粒级组分及粒度参数如表 1所示。

图  2  研究区表层沉积物类型平面分布(a)及沉积物剖面变化(b)

Figure  2.  Map of sediment types and changes along profile

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表  1  表层沉积物各组分含量及其粒度参数

Table  1.  Contents of sediments and grain size parameters

沉积物类型		砂粒级/%	粉砂粒级 /%	黏土粒级 /%	平均粒径 /Φ	分选系数	偏态(Sk)	峰态(Ku)
粉砂质砂(zS)	最小值	53.82	39.58	1.64	4.00	1.08	1.57	2.18
	最大值	58.72	43.69	2.88	4.19	1.34	1.76	2.37
	平均值	56.48	41.50	2.02	4.07	1.16	1.63	2.25
砂质粉砂(sZ)	最小值	13.17	58.02	7.74	5.17	1.56	1.58	2.41
	最大值	31.03	77.99	16.74	6.05	2.04	2.00	2.63
	平均值	20.88	66.76	12.36	5.55	1.86	1.83	2.52
粉砂(Z)	最小值	0.00	67.48	12.51	5.97	1.40	-0.74	1.84
	最大值	9.44	85.03	32.36	7.50	1.91	1.72	2.54
	平均值	2.67	73.45	23.88	6.86	1.62	1.10	2.13
泥(M)	最小值	0.00	64.13	34.75	7.59	1.30	0.89	1.72
	最大值	0.55	64.73	35.87	7.68	1.41	1.06	1.89
	平均值	0.18	64.52	35.30	7.63	1.36	1.00	1.80

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粉砂(Z)分布最为广泛，占全区面积的50%以上，平均粒径在6.86Φ左右，该类型沉积物主要分布于岸线拐角北部近岸浅水区(＜5m)和＞13m的外海区域。粉砂质砂(zS)分布范围仅次于粉砂，较集中分布于港池南侧＜10m水深，平均粒径在4.01Φ左右，为区内粒径最粗的区域。砂质粉砂(sZ)大体平行-10m水深线呈条带状分布，平均粒径在5.55Φ左右，在港池北部镶嵌于粉砂中，水深一般为6~10m，在港池南部则镶嵌于粉砂质砂与粉砂中，水深一般为10~13m，分布宽度较为狭窄。泥(M)分布较少，仅出现在研究区东北侧深水区和港池口门东南局部区域，平均粒径在7.63Φ左右。

图 2b为PM1剖面NE—E向沉积物剖面变化图，可以看出，随着水深的增加，沉积物颗粒变细，表层沉积物类型表现为粉砂质砂-砂质粉砂-粉砂-泥，平均粒径Φ值逐渐变大，砂粒组分含量逐渐降低，至水深15m线左右，砂粒含量已降至10%以下，这反映出随着离岸距离的增加，沉积物粒度逐渐变细，沉积动力弱。砂粒含量超过50%的区域，基本分布于港池南部＜10m水深的区域，这也表明，＜10m区域处于经常性波浪作用范围内，水动力较强，沉积物在不断筛选，逐渐粗化。而在＞15m的海床区域，波浪对其影响相对较小，水动力条件相对较弱，由前人资料分析可知，废黄河口侵蚀区域逐渐向岸内移，目前主侵蚀区已移至10m左右的水下岸坡，而15m以下的区域冲淤基本达到平衡。因此，港池南侧近岸区域在波浪掀沙、潮流输沙的侵蚀作用改造下，沉积物逐渐粗化，砂粒含量逐渐富集。

总体上来看，研究区表层沉积物分布明显存在着空间上的差异，分带性十分明显，呈现出与该区动力环境相适应的特征。纵向上＜6m近岸区域沉积物粒径大致呈现出由北向南逐渐变粗的规律，由粉砂过渡为粉砂质砂，而其外侧区域南北向粒度变化不大；横向上港池北部自西向东，沉积物粒度由细到粗再到细，沉积物类型由粉砂经砂质粉砂再到粉砂，而港池南部沉积物粒度自西向东呈由粗至细的变化趋势，沉积物主要类型由粉砂质砂经砂质粉砂过渡为粉砂。出现这种现象的原因，可能为水下岸坡为目前主要的侵蚀区域^[7]，导致砂质粉砂自北向南呈带状分布。此外，受岸线形态的影响，拐角南侧的水动力偏强^[22]，细颗粒物质被水流扩散输移，粗颗粒物质就地沉积或作短距离输移，沉积物不断筛选，导致粒度逐渐变粗^{[18, 23]}。

2.2   粒度参数特征

2.2.1   粒级组分分布特征

研究区表层沉积物各粒级含量分布如图 3所示，粒级组分中以粉砂粒级为主，砂粒级和黏土粒级相对较少。砂粒含量与粉砂粒和黏土粒含量互为负相关，当砂粒组分含量高时，粉砂和黏土粒级组分含量就低。各粒级百分含量：砂粒级含量为0~58.72%，均值为14.96%；粉砂粒级含量为39.58%~85.03%，均值为66.30%；黏土粒级含量为1.64%~35.87%，均值为18.74%。

图  3  表层沉积物砂粒级、粉砂粒级、黏土粒级百分含量分布

Figure  3.  Isoline map of grain size fractions

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砂粒级含量平面分布图与沉积物类型分布图有很好的对应性，高值区(>30%)集中分布于港池南侧近岸段＜10m粉砂质砂覆盖区域，其中>50%区集中分布于＜6m区域，整体上砂粒级在港池南部由岸向海含量逐渐递减，该区域沉积物在潮流、波浪的分选作用下明显粗化，形成粗化层，覆盖于古黄河沉积物之上。低值区主要分布于港池北部近岸区域和＞12m的海床，沉积物类型以粉砂和泥为主。砂粒组分的百分含量总体分布趋势大致符合一般的沉积规律，即由陆向海，随着离岸距离的增加颗粒逐渐变细。粉砂粒级含量平面分布图与砂粒级大体相反，低值区(<60%)分布于港池南侧近岸段＜10m区域，高值区(>80%)分布于研究区西北侧＜5m区域。黏土粒级高值区(>30%)分布于研究区东北侧，低值区(<10%)分布于港池南侧近岸段＜10m区域，黏土粒级含量总体上表现为由岸向海递增的趋势。

从以上砂、粉砂、黏土粒级组分分析可以看出，粉砂粒是研究区的优势粒级，平均含量高达66.3%。其中粉砂在高值区能达到80%以上，在低值区也能达到39.6%，而砂粒级最高可达58.72%，最低为0，这些沉积物主要源于1128—1855年黄河夺淮入海期间从黄土高原带来的大量粉砂物质^[23]。黏土含量较低，最高含量仅为35.87%，这与研究区水动力较强有关，细颗粒物质难以沉积。研究区砂粒组分集中分布于港区南侧，一方面是受自然侵蚀的影响，另一方面也受到了防波堤建设等人类工程的影响。以往研究表明^[7]，近20年以来，受自然侵蚀的影响，水下岸坡继续向岸内移，目前最强侵蚀区已内移至水深8~12m的水下岸坡，但近年来自然侵蚀明显减弱。受岸线形态、防波堤走向及强风浪方向的影响，导致港池南侧水动力较北侧明显偏强，沉积物不断筛选，细颗粒物质不断被侵蚀，导致南部沉积物逐渐粗化。

2.2.2   平均粒径和分选系数分布特征

从研究区表层沉积物平均粒径平面分布图 4a上可以发现，平均粒径的平面分布特征与沉积物类型具有很好的对应关系，在港池南部近岸沉积物类型主要为粉砂质砂，平均粒径相对较大，Φ值在4~4.18Φ狭窄范围内；在沉积物类型为砂质粉砂的地区，平均粒径中等，Φ值大概为5.17~6.05Φ；而在粉砂和泥覆盖的区域，平均粒径在全区最小，Φ值为5.96~7.68Φ。根据以往的研究^{[6, 23]}，古黄河物质一般较细，粒径小于0.01mm的泥沙含量为30%~50%，小于0.025mm(约5.2Φ)的细粒物质则达90%，因此, 可以推测本区粉砂和泥等细颗粒物质为古黄河三角洲的主体组分。

图  4  表层沉积物平均粒径和分选系数分布

(a)平均粒径平面分布；(b)分选系数平面分布

Figure  4.  Distribution of mean grain size and sorting coefficient

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从图 4b分选系数平面分布图上可以看出，研究区分选总体较差，分选系数为1.07~2.04，分选系数变化较小，主要集中在1.07~1.75之间。研究区分选系数与平均粒径有较好的相关性，在粗颗粒物质覆盖区分选较细颗粒物质覆盖区要好，也表明在水动力条件下，沉积物不断进行筛选，分选变好，同时也反映不同区域水动力条件不同。

2.2.3   频率和累积概率曲线特征

图 5为4种沉积物类型代表站位的粒径频率和累积概率曲线分布图。从图上可以看出，4种沉积物类型频率曲线均以单峰为主，均呈正偏态，优势粒径(主峰)均偏于粗颗粒一侧，而细颗粒物质一侧发育有低频率尾部。累积概率曲线由“波折”逐渐趋于“平直”，粉砂质砂和砂质粉砂呈“两段式”分布，主要由跃移组分与悬移组分组成，几乎不含推移组分，前者跃移组分含量在90%以上，后者在70%左右，跃移组分与悬移组分分界大概在5Φ左右；粉砂也大体呈“两段式”分布，但已逐渐变的较“平直”，而泥基本呈“一段式”分布，累积概率曲线很“平直”，基本以悬移组分为主。从泥—粉砂—砂质粉砂—粉砂质砂，随着水动力的增强，主峰Φ值不断变小，颗粒变粗，在细颗粒一侧的低频率尾部也越来越长。通过前文分析，粉砂质砂覆盖区处于高能量区域，水动力很强，细颗粒物质不易沉积，因而这一低频率的细颗粒物质很有可能为原有老黄河物质，这也表明，当水动力变强时，沉积物在不断地进行筛选，细颗粒物质逐渐被搬移，但细颗粒物质的搬移并未彻底。

图  5  典型站位粒径频率与累积概率曲线

Figure  5.  Frequency and cumulative probability curves from typical stations

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2.3   沉积环境分区

图 6a为研究区表层沉积物分选系数(σ)与平均粒径(Mz)散点图，从图中可以看出，分选系数与平均粒径呈一定的相关性，表明区内沉积物性质具有一致性与连续性，但显示出两种截然不同的特征：研究区大部分站位(主要为细颗粒物质覆盖区)分选系数与平均粒径呈负相关，亦即沉积物颗粒越细，分选越好；而港池南侧粉砂质砂覆盖区域，分选系数(σ)与平均粒径(Mz)呈正相关性，即沉积物颗粒越粗，分选越好。港池南侧近岸区域的这种分布特征具有波浪沉积的性质，即在波浪掀沙的作用下，较粗颗粒物质悬浮再沉积，较细颗粒物质随潮流逐渐被搬运走，因而表现为颗粒越粗分选越好，这与研究区地形和常风浪方向有很好的吻合性。总的来看，港池南侧近岸区域与其他区域水动力条件有显著的差异性，波浪作用为该区域主要的水动力，而其他区域主要受潮流作用控制。

图  6  研究区沉积环境分区

Figure  6.  The division of dynamic environment

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根据沉积物分选系数与平均粒径分析结果，可将本区的沉积环境分为高能量区(港池南侧近岸)和低能量区(其他海域)两个大区。图 6b和c为表层沉积物水深与平均粒径(Mz)、砂粒含量散点图。从图中可以看出港区南侧近岸6站位平均粒径、砂粒级组分与其他站位有明显的界限，该区域沉积物颗粒粗，水深较浅(＜10m)，砂粒含量高，细颗粒物质含量明显偏低。从图中还可以看出，低能区基本不受水深控制，但在浅水区(＜10m)有部分站位与其主体部分有一定的“离散”，有向高能区转变的趋势，因此在港池北部浅水区不仅受潮流作用的控制，还受波浪作用的影响。而深水区(＞10m)平均粒径和砂粒含量都相对集中，其中砂粒级含量集中在20%以内，可见深水区沉积物处于一种相对稳定状态。因此，低能区可细分为浅水低能亚区和深水低能亚区。研究区各分区沉积环境特征见表 2。

表  2  研究区各分区沉积环境特征

Table  2.  Characteristics of depositional environments

沉积区块		分布范围	粒度特征	沉积环境特征
高能量区		港池南侧近岸＜10m	砂粒级含量＞50%，平均粒径4~4.19Φ，分选系数1.07~1.34	沉积物类型为粉砂质砂和砂质粉砂，水动力以波浪作用为主，潮流作用为辅，水动力条件全区最强
低能量区	浅水亚区	港池北侧近岸＜10m	粉砂粒级含量＞60%，平均粒径5.23~6.75Φ，分选系数1.35~2.04	沉积物类型为砂质粉砂和粉砂，水动力以潮流作用为主，波浪作用中等，水动力条件较弱
	深水亚区	＞10m	粉砂粒级含量＞50%，平均粒径5.25~7.68Φ，分选系数1.3~1.92	沉积物类型为粉砂和泥，水动力以潮流作用为主，波浪作用最弱，水动力条件全区最弱

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3.   沉积物分布控制因素

沉积物的分布主要受控于物源和沉积环境，前人研究资料表明^[6-9]，整个研究区物质主要源于废黄河三角洲原有沉积物的侵蚀改造，以及随沿岸流和涨潮流而运移至此的北部废黄河三角洲侵蚀物质，物源相对较为单一，因此, 沉积环境是区内沉积物分布格局的主控因素。研究区海洋水动力主要为波浪和潮流^{[22, 24]}，沿岸多为小型河流，对区域沉积物的贡献较小。潮流以往复型强潮流为主(主流向大致与岸线平行)，涨潮为东南—南向，落潮为西北—北向^[22]，而常风浪来自东北向，因此，研究区细颗粒沉积物一般沿西北和东南两侧运移。

研究区港池南侧近岸＜10m区域，沉积物组分相对较粗，主要是靠近陆域的区域，水深较浅，从东北而来的强风浪对海底的扰动效应明显，使得细颗粒泥沙不易沉积，较粗的物质则相对容易沉积下来。此外，在深水部分沉积物经过长期的搅动悬浮作用，细物质随潮流向西北和东南方向运送^{[12, 21]}，随着防波挡沙堤的建成，南部近岸海域泥沙往西北运移受阻，而往东南向受其挡流影响，大大削落了水流流速，故而导致该区域沉积物逐渐粗化。

在海床与岸坡接触部位分布有一条带状砂质粉砂，该区域为涨落潮流的主要通道，细颗粒物质逐渐沿潮流往两侧运移，因而导致该区域沉积物颗粒较海床要粗。而北部近岸段，由于岸线形态为NW向，与强风浪方向夹角较小，且往北更为宽阔^[21]，因此, 波浪对其作用也较小，因而水动力相对较弱。

总之，物源和海洋沉积动力是控制沉积物的类型及其分布的基本因素，物源决定了沉积物的基本分布格局，水动力条件促成其在基本格局下的波动变化。区内沉积动力以波浪和潮流为主，但在不同区域水动力主控因素不一，港池南侧近岸区域主要受控于波浪作用，防波挡沙堤的建成，导致该区域沉积物的运移受阻或减缓；砂质粉砂覆盖区沉积物颗粒仅次于粉砂质砂，水动力次之，与潮流通道走向相似，该区域受潮流作用和波浪双重作用；港池北部浅水区，波浪作用和潮流作用均较弱；海床区域因水较深，波浪作用对其影响为全区最小，主要受控于潮流作用，因此, 沉积物颗粒也很细。

4.   结论

(1) 研究区表层沉积物类型包括粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和泥等4种，分带性十分明显。其中粉砂分布最为广泛，分布范围占全区50%以上；粉砂质砂主要分布于港池南侧近岸段，而砂质粉砂呈狭长带状分布于岸坡与海床接触部位。

(2) 研究区表层沉积物纵向和横向上均存有明显的分异性：纵向上＜6m近岸区域沉积物粒径大致呈现出由北向南逐渐变粗的规律；横向上北部自西向东，沉积物粒度由细到粗再到细，而港池南部自西向东沉积物粒度呈由粗至细的变化趋势。

(3) 粉砂粒级为研究区最主要的粒级组分，平均含量高达66.3%，砂粒级和黏土粒级含量较低，与1128—1855年黄河夺淮入海期间从黄土高原带来的大量粉砂物质有关。

(4) 研究区表层沉积物优势粒径高度集中，均呈正偏态，优势粒径均偏于粗颗粒一侧。从泥—粉砂—砂质粉砂—粉砂质砂，随着水动力的增强，主峰Φ值不断变小，颗粒变粗，在细颗粒一侧的低频率尾部也越来越长。

(5) 研究区沉积环境可分为港池南侧＜10m的高能量区和其他区域的低能区，低能量区又可细分为港池北部＜5m的浅水亚区和＞10m的深水亚区。

(6) 研究区表层沉积物的分布主要受控于物源和海洋沉积动力。沉积动力以波浪和潮流作用为主，其中港池南侧近岸主要受控于波浪作用，水动力条件最强；砂质粉砂覆盖区受控于波浪和潮流作用的双重影响，粉砂覆盖区主要受控于潮流作用。