浅海港湾是海岸系统的重要组成部分，这些区域湿地广布，动、植物资源丰富，港口航运发达，海陆相互作用最为敏感和强烈，具有重要的生态意义和经济价值，同时也是人类活动最为强烈的区域之一，其现代沉积环境深受河流、海洋及人类活动的影响，沉积过程复杂^{[1, 2, 3, 4, 5]}。沉积物粒度特征及其分布是沉积物的基本性质之一，其空间分布主要受控于区域物源、水动力、植被分布等因素^{[6, 7]}，蕴含了丰富的海洋沉积方面的信息。不同的沉积环境有特定的沉积物粒度参数及其组合特征，因此，利用粒度参数可以提取沉积物的物质来源信息^[8]，识别沉积环境的类型^{[9, 10, 11, 12]}，反映沉积过程中的水动力条件^{[13, 14, 15]}，推断沉积物扩散、搬运与沉积过程^{[16, 17]}，还可以指示底质沉积物的输运方向及输运强度^{[18, 19]}。

福建省安海湾是我国东南沿海典型的小型半封闭性港湾，环湾经济发展迅速，码头林立，海湾内湿地广布，海陆交互作用强烈。本文通过对安海湾内表层沉积物粒度资料的详细研究，结合系统聚类分析和粒径趋势分析模型，分析安海湾的表层沉积物的分布特征和现代沉积环境，尝试探讨海湾内的沉积动力过程及其机制，为区域开发和环境保护提供科学依据。 1 研究区域概况

安海湾位于福建省泉州市东南沿海，紧邻厦门湾，与台湾金门县隔海相望。安海湾属于构造成因海湾，但因后期泥沙的沉积，已演变成东西向狭窄，南北向延伸的狭长半封闭型海湾^[20]。海湾湾口发育沙嘴和砂坝，湾内潮滩十分发育，可见众多树枝状潮沟，水域面积较小，水深较浅，自北向南逐渐变深^[20]。安海湾平均潮差大于4 m，属强潮海湾，潮汐类型为正规半日潮，潮流为地形控制的稳定往复流，落潮流历时与涨潮流历时相差不大；由于安海湾为深入陆地的狭长型海湾，湾口狭窄，波浪作用较弱^[20]②。安海湾北半部有诸条小河溪注入，泥沙来源较为丰富^[20]；海湾内悬浮泥沙主要受潮流的影响，含沙量高值一般出现在涨、落急时段，低值一般出现在涨、落憩时段^②。

②国家海洋局第三海洋研究所. 泉厦漳城市联盟高速公路工程水文观测与分析研究报告[R].2013. 2 研究方法 2.1 样品采集与实验分析

2013年8月，利用蚌式抓斗在福建安海湾采集了62个站位的表层沉积物样品，调查区域与站位见图 1。样品均取自表层5 cm的沉积物，现场描述后装入样品袋密封，以备实验室内分析。水文数据采用研究区内2013年8月在SW-1和SW-2站位开展的实测水文资料^①。

图 1 研究区位置与调查站位 Fig. 1 The study area and station locations

图选项

粒度分析采用激光粒度仪和筛析法相结合的方法。将采集回来的样品充分混合后取样，当样品中含有砾石的颗粒时，对样品过筛，将大于1 mm的样品利用筛析法进行粒度分析，获得1/2 φ间隔的粒度分布数据；对无砾石样品和过筛后的细颗粒样品加入0.5%的六偏磷酸钠((NaPO₃)₆)浸泡24 h，使沉积物颗粒充分分散，利用英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪进行粒度分析，获得1/4 φ间隔的粒度分布数据。最后，合并激光粒度仪和筛析法的数据。样品前处理和粒度分析均在国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室完成。 2.2 数据处理与分析

根据实验分析的粒度数据，计算了砾石、砂、粉砂和黏土的颗粒组分含量^[21]，利用谢帕德分类法对不含砾石的沉积物类型进行分类，含砾石的沉积物类型采用福克分类法分类；粒度参数使用矩值法计算^[22]，参考国家标准划分粒度参数的等级^[21]。

由于水文观测点附近沉积物均为细颗粒的黏性沉积物，因此其临界起动切应力可采用适合黏性沉积物的公式(1)得到^[23]。公式(1)中τ_cr为底部临界切应力；β是与颗粒粒径有关的系数，取β=0.3，s=ρ_s/ρ_w-1；ρ_w为海水密度；ρ_s为沉积物颗粒密度；W为沉积物含水量(计算采用百分数)。两个水文观测站位的水深都较浅，可以认为整个水层在边界层内，因此可采用公式(2)计算底部切应力^[24] (Dyer，1986)。式中，U_a为垂线平均流速；u_*为摩阻流速；κ=0.408为von Karman常数；h为水深，z₀为底部粗糙长度，根据沉积物的类型，取z₀=2×10^-4 m。

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采用Q型聚类分析方法对所有样品进行聚类分析^{[4, 25]}，划分现代沉积环境。通过标准偏差—粒级曲线提取了环境敏感粒级^[26]。利用目前比较成熟的Gao-Collins二维粒径趋势分析模型研究沉积物的输运方向和强度^{[27, 28]}。沉积物二维粒径趋势分析模型中，根据沉积物的平均粒径、分选系数及偏态的平面分布特征，用相邻的两个采样点进行比较可以定义8 种粒径趋势，其中有两种类型的粒径趋势在沉积物的净搬运方向上有较高的出现概率，将每个站位的沉积物粒度参数与周围其他站位进行比较，确定各采样点的粒径趋势矢量，对每个采样点得到的矢量进行合成，可以得到研究区沉积物粒径二维搬运格局^[19]。

① 国家海洋局第三海洋研究所.泉厦漳城市联盟高速公路工程水文观测与分析研究报告[R].2013. 3 研究结果 3.1 沉积物类型分布特征

根据62个站位的表层沉积物粒度分析结果，调查海域表层沉积物可分为6种类型，分别为黏土质粉砂(YT)、粉砂(T)、含砾泥((g)M)、砾质泥(gM)、砾质泥质砂(gmS)和砾质砂(gS)。沉积物类型中以黏土质粉砂(YT)和粉砂(T)为主，含砾石沉积物零星出现在调查区内。总体上，沉积物类型呈现自海湾两侧潮滩向潮汐通道变粗的分布趋势(图 2)。

图 2 研究区表层沉积物类型分布图 Fig. 2 Types of surface sediments distribution in the study area

图选项

黏土质粉砂是研究区内分布最广的沉积物类型，覆盖了大部分调查区域，尤其是海湾两侧的潮滩地貌(图 2)，该沉积物类型组分以粉砂为主，含量介于62.3%~74.9%之间，平均71.6%；黏土含量次之，含量介于20.0%~37.7%之间，平均25.6%。粉砂分布范围仅次于黏土质粉砂，主要出现在研究区的西北角和潮汐通道深槽(图 2)，该沉积物类型组分也以粉砂为主，含量介于75.0%~77.1%之间，平均76.0%；黏土含量次之，含量介于20.0%~24.4%之间，平均21.9%。其他沉积物类型均含砾石组分，主要在潮汐通道深槽内的站位中出现(图 2)。

图 3 研究区表层沉积物粒度参数分布图 Fig. 3 Surface sediments grain size parameters distributions of the study area

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研究区表层沉积物平均粒径大体上从湾内潮滩上向湾内深槽内及湾外逐渐增大，总体变化幅度不大，平均粒径介于0.10~7.61 φ之间，平均6.58 φ，整体为细粒沉积物。在湾内潮滩上平均粒径φ值一般大于6.5 φ；海湾东南侧潮滩平均粒径略小于西北侧潮滩；在湾口南北两侧及调查区中部深槽内最低，φ值一般小于6.0 φ。平均粒径的空间分布与粉砂组分含量的空间分布对应较好，表明该海域沉积物粒度分布主要受控于沉积物中粉砂含量的分布。沉积物的分选系数介于1.03~4.20之间，平均为1.88，属于分选差到极差。在湾内潮滩上分选系数一般小于1.8，沉积物分选相对最好；随着水深的增大，在研究区深槽内沉积物分选系数逐渐增大，尤其在研究区的南部5 m深槽内。研究区内大部分站位沉积物为正偏，偏态介于-3.94~2.72之间，平均为0.95。深槽区和海湾东部潮滩的个别站位沉积物偏态值较小，呈现近对称和负偏。沉积物峰态值分布趋势与分选系数十分相似，峰态均为宽峰(低峰)，变化范围介于1.34~5.03之间，平均为2.42，在湾内潮滩上峰态变化不大，在海湾南部深槽和东部潮滩可见相对较高的峰态。 3.3 现代沉积环境划分

由于各项粒度参数之间存在不同程度的内在联系，采用所有的粒度参数进行系统聚类分析不能有效揭示研究区内的沉积环境差异，故选择研究区内最具代表性的粒度参数进行分析。本文选择砂粒级含量、平均粒径和峰态3个特征参数进行Q型聚类分析。聚类方法采用组间距离法，组间距离测定采用欧式距离平方，分析结果见图 4。根据上述聚类分析结果将研究区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类沉积环境分区(图 5)。

图 4 研究区表层沉积物粒度参数Q型聚类分析树状图 Fig. 4 Tree diagram of Q-type cluster analysis for surface sediments grain size parameters in the study area

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图 5 研究区现代沉积环境分区图 Fig. 5 Modern sedimentary environment zone in the study area

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Ⅰ类沉积环境占据了研究区的大部分范围，Ⅱ类沉积环境主要出现在研究区北部潮汐通道内外，Ⅲ类沉积环境呈三部分出现在海湾西部潮滩上，Ⅳ类沉积环境分区主要出现在研究区南部潮汐通道内。Ⅰ、Ⅱ两类沉积环境都以黏土质粉砂沉积物类型为主，有少量粉砂沉积物类型；Ⅲ类全部为黏土质粉砂沉积物类型；Ⅳ类沉积物类型相对复杂，沉积物均含有砾石组分。前三类沉积环境沉积物颗粒大小逐渐减小，但颗粒均较细，分选差，偏态为正偏，峰态为宽峰态(低峰态)；Ⅳ类沉积环境沉积物颗粒较粗，分选差，偏态以负偏为主，峰态为宽峰态(低峰态)。Ⅰ类沉积环境中，除个别站位外，粒度频率曲线均呈现明显的单峰型；Ⅱ类沉积环境中，北部潮汐通道内部样品粒度频率曲线均呈现单峰型，而潮汐通道外侧部样品则可见微弱的双峰，细颗粒区间峰值明显显著；Ⅲ类和Ⅳ类沉积环境中，粒度频率曲线多呈现较明显的双峰型，Ⅳ类沉积环境中可见多峰型粒度频率曲线(图 6)。

图 6 研究区不同沉积环境分区粒度频率曲线图(Ⅰ类沉积区只绘制了典型样品的频率曲线) Fig. 6 Grain-size frequency curve in different sedimentary environment zone in the study area

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根据研究区内2013年8月开展的实测水文资料(SW-1与SW-2站位，图 7)，利用研究方法中的切应力计算公式可计算得到SW-1和SW-2站位沉积物临界起动切应力(分别为0.113 N/m²和0.103 N/m²)和底部切应力(图 8)。计算结果显示，在涨急和落急阶段，底部切应力都明显增加，而在涨憩和落憩前后，底部切应力明显减小，大潮期间底部切应力强度和变化幅度均比小潮期间的大。

图 7 研究区垂向平均流速潮周期变化 Fig. 7 Tide-current shear stress variation and critical shear stress of surface sediment in the study area

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图 8 研究区潮流切应力变化与表层沉积物临界起动切应力 Fig. 8 Tide-current shear stress variation and critical shear stress of surface sediment in the study area

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沉积物的物质来源和沉积过程中的海洋动力环境(特别是水动力环境)因子是影响表层沉积物粒度分布差异的主要控制因素。

海湾环境中，底质沉积物在潮流作用下不断进行着再悬浮、输运和沉降过程，长期、连续的再悬浮和沉降作用造成底床的侵蚀和堆积，而且再悬浮的泥沙可能被海流搬运并沉积到其他区域，影响沉积物类型的分布，海底地形、地貌的发展和演化^[29]。对比底部切应力和临界起动切应力可以判断海底沉积物是否发生侵蚀或水体悬浮泥沙是否发生沉降，当底部切应力大于沉积物临界侵蚀切应力时，沉积物会发生侵蚀，而当底部切应力小于沉积物临界沉降切应力时，水体中的悬沙会发生沉降。研究区水文站位切应力对比结果显示，观测站位大、小潮期间均有部分时段底部切应力大于临界起动切应力，特别在涨急和落急时刻，切应力增大显著，底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮。底质沉积物的搬运和再悬浮能够改变沉积物的粒度参数，因此潮流切应力应是控制研究区底质沉积物粒度分布的重要因素之一。 4.2 沉积物输运趋势分析

根据安海湾南部研究区内的沉积物粒度参数，应用Gao-Collins二维粒径趋势分析模型进行了沉积物输运趋势分析。为了消除因采样边界带来的噪声，在成图时消除了边界噪声，图中矢量箭头表示沉积物净输运方向，矢量长度仅表示粒径趋势的显著性，不代表搬运速率的大小^{[27, 30]}。计算结果表明(图 9)，研究区内沉积物主要向东南、东北和西南三个方向搬运，呈现出明显的顺时针方向汇聚的输运趋势。研究区北部沉积物自西北向东南搬运的趋势最为显著，尤其在潮汐通道内；在研究区南部，输运显著性相对较弱，沉积物主要向东北输运；而在海湾东南部潮滩上，沉积物输运趋势稍有散乱，表现出微弱的北向和西南向输运趋势。

图 9 研究区表层沉积物输运趋势 Fig. 9 Transport trend of surface sediment in the study area

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研究区表层沉积物的输运趋势应该与该区的物源输入与潮流影响有关。安海湾潮汐通道内(SW-1站)涨潮流主要为东北向，落潮流主要为西南向，湾口(SW-2站)涨潮流主要为西北偏北向，落潮流主要为东南偏南向(图 7)；两者余流在大潮期间主要为东北向，小潮余流很小，以东南向为主^①。根据实测的水文泥沙和历史的输沙特征分析^[20]①，泥沙自安海湾湾外随潮流进入安海湾后主要朝着东北方向，不断地向海湾东侧岸滩运移，而海湾周边陆源来沙则随着潮流由湾顶部往湾口方向下泄，这与表层沉积物的输运趋势较为接近，应是研究区内表层沉积物出现明显的顺时针方向汇聚运移趋势的原因之一。而研究区东侧白沙头以北岸段浅滩不断淤积，高程高于海湾西侧石井以北岸段浅滩^①，应与表层沉积物的输运趋势以及悬浮泥沙的输运有关。此外，由于植被对滩面水流的阻碍作用降低了滩面水流流速和紊流程度，使水流携带的泥沙更易发生堆积^{[30, 31]}，研究区东侧白沙头以北岸段植被覆盖面积相对较大，起到了一定的消能作用，也促进了浅滩的淤积；白沙头沙嘴的遮断效应也是导致泥沙在其北侧淤积的原因之一，同时，湾口的波浪作用掀起的泥沙在潮流的作用下向西输运，使得白沙头沙嘴往西延伸，进一步加强了白沙头沙嘴的遮断效应。

①国家海洋局第三海洋研究所. 泉厦漳城市联盟高速公路工程水文观测与分析研究报告[R].2013. 4.3 现代沉积环境分析

沉积物的粒度特征与其形成时的沉积环境息息相关，沉积物的粒度参数可以反映沉积物来源和沉积环境。一般认为,沉积物平均粒径和分选系数与沉积物来源和动力条件关系密切，偏态和峰态则反映的是沉积环境对粒度的改造结果^[32]。因此，可以利用沉积物粒度参数反演划分沉积环境，分析不同沉积环境的沉积作用机制。 4.3.1 不同沉积环境粒度参数相关性

沉积物粒度参数随地貌单元的变化而发生变化(图 3，10)，地貌单元和沉积环境的差异在沉积物粒度参数组合特征上也有所体现。将表层沉积物粒度参数(平均粒径、分选系数、偏态、峰态)分为所有沉积区、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类沉积区5个数据组分别进行的线性相关性统计分析(表 1)，研究结果表明，各个沉积区之间的统计结果差异明显，只有分选系数与偏态在所有沉积区中表现出显著地正相关。对比各个沉积区之间统计结果，发现同样位于潮滩地貌的Ⅰ类沉积区和Ⅲ类沉积区的统计结果较为相似，平均粒径与分选系数、偏态与峰态之间表现出较为显著地负相关关系，分选系数与偏态和峰态、峰态与偏态之间均表现为正相关；而同样位于潮汐通道地貌的Ⅱ类沉积区和Ⅳ类沉积区的统计结果较为相似，Ⅳ类沉积区内的平均粒径与其他参数的相关性也要强于Ⅱ类沉积区，两者与潮滩地貌沉积区的统计结果差别明显。

图 10 研究区不同地貌单元表层沉积物粒度参数变化 Fig. 10 Surface sediment grain size variation of different geomorphic units in the study area

图选项

上述差异应与两种地貌内的动力条件差异相关。潮汐通道内，水动力作用强劲，沉积物在涨落潮流反复作用下，较细粒的沉积物被再悬浮带走，使得粗颗粒的含量增大，而在动力最强的潮汐通道深槽内甚至出现砾石颗粒；在潮滩地貌内，水动力作用向岸逐渐减弱，悬浮物质因潮流减缓而发生分选沉降，形成向岸颗粒逐渐变细的横向分异结果。

①国家海洋局第三海洋研究所.泉厦漳城市联盟高速公路工程岸滩冲淤及海床稳定性分析研究报告[R]. 2013. 4.3.2 敏感粒级及其沉积环境意义

由样品各粒级含量的标准偏差—粒级曲线，不仅可以清楚看出沉积物样品中粒度组成间的变化^[25]，还可以提取反映环境变化的沉积物粒度特征用于古环境演化反演^{[33, 34, 35]}，其研究理论基于沉积物沉积历史上沉积环境变化引起的颗粒物粒度差异，这种差异在受沉积动力和物质来源显著影响的现代沉积环境中理应存在。由于研究区内只有个别站位有φ值大于2 φ的粒级组分，所以本文主要讨论φ值大于2 φ的粒级的标准偏差变化。图 11显示，整个研究区的标准偏差—粒级分布呈现“双峰”分布特征，两个主要高峰值粒度组分分别接近砂和黏土粒级，低峰值粒度组分主要成分与第一个高峰值较为接近，为黏土质粉砂，是研究区样品粒度的主要组成部分。总体上，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类沉积区也呈现“双峰”分布，高峰值区间有所不同，标准偏差差别明显，而低峰值区间及其标准偏差相差不大。Ⅰ类与Ⅱ类沉积区的标准偏差—粒级曲线变化趋势较为相似，但变化范围具有显著差异，Ⅰ类沉积区的标准偏差要显著大于Ⅱ类沉积区，而Ⅱ类沉积区的两个高峰值差异明显。Ⅲ类沉积区在粗粒级组分的标准偏差与其他沉积区显著不同，呈现明显的高峰值。Ⅳ类沉积区的标准偏差变化最为显著，在7 φ粒级左右呈现显著地“单峰”，只在极细粒级出现微弱的峰值。不同沉积区的粒级—标准偏差曲线差别明显，也是研究区沉积环境区域性差异的佐证。

图 11 研究区表层沉积物标准偏差—粒级曲线 Fig. 11 The standard deviation of surface sediment grain size in the study area

图选项

标准偏差大的组分，其在各样品中的含量变化就大，可以作为指示海洋环境变化的敏感粒级。安海湾顶部有较大的九溪汇入，港湾两侧还有4条流程仅8~14 km长的小溪流和小冲沟，在洪水季节，随着九溪开闸排洪，九溪与安海湾周边溪流能够携带陆源泥沙进入安海湾；此外，在季风浪和潮流的共同作用下，湾外海水携带一些细粒物质随涨潮流入港，也为安海湾增加了物质来源^[20]，2013年8月现场实测的水文泥沙资料也显示外海泥沙向海湾内输运。研究区中两种主要敏感粒级的出现，应是受上述两种物质来源的影响。整体上，研究区内较细的敏感粒级标准偏差较大，敏感粒级范围也较宽，较粗的敏感粒级在研究区北部标准偏差相对较细的敏感粒级变化显著，而在海湾南部则与之相反。可以认为，不同沉积环境区敏感粒级的差别显示出不同物源的影响程度，较细的敏感粒级主要受潮流携带的泥沙的影响，而较粗的敏感粒级主要受到河流入海泥沙的影响，由于安海湾顶部入海河流较小且口门建有堤坝，致使外海输沙可能成为安海湾的主要物质来源，继而控制海湾内的表层沉积物分布格局。

①国家海洋局第三海洋研究所. 泉厦漳城市联盟高速公路工程水文观测与分析研究报告[R].2013. 5 结论

(1) 研究区表层沉积物包括黏土质粉砂(YT)、粉砂(T)、含砾泥((g)M)、砾质泥(gM)、砾质泥质砂(gmS)和砾质砂(gS)共6种沉积物类型，以黏土质粉砂(YT)和粉砂(T)为主，沉积物大体呈现自海湾两侧潮滩向潮汐通道变粗的分布趋势。

(2) 表层沉积物粒度的分布特征与水动力条件密切相关，水动力的机械分异作用使得湾口附近及湾内深槽内，细颗粒的沉积物被再悬浮带走，粗颗粒的含量增大；在湾内潮滩上，悬浮物质因水动力作用向岸逐渐减弱而发生分选沉降，形成向岸颗粒逐渐变细的横向分异。

(3) 安海湾湾外泥沙随潮流进入海湾后主要沿东北向不断地向海湾东侧岸滩运移，海湾周边陆源来沙随潮流由湾顶部往湾口方向下泄，两者应是研究区内表层沉积物出现明显的顺时针方向汇聚运移趋势的原因之一。表层沉积物的输运趋势、悬浮泥沙的输运、潮滩植被与湾口沙嘴的遮蔽效应共同影响了研究区内浅滩地形的形成和变化。

(4) 根据粒度分析结果，并结合系统聚类分析将研究区分为四类沉积环境区，研究区以潮滩和潮汐通道环境为主，不同沉积区内粒度参数、粒级频率分布和敏感粒级均有差异。不同沉积区内的动力条件差异和不同物源的影响程度是研究区现代沉积环境分布格局的主要影响因素。