長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關特征分析 - 圖文-

1、海 洋 湖 沼 通 報2008年Transactions of Oceanolog y and Lim no logy 2文章編號:1003 6482(200802 0046 07長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關特征分析*戴志軍,陳建勇,路海亭(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海,200062摘要:利用SVD分解技術,對南匯邊灘兩大地貌單元-南灘和東灘的沉積物空間分布特征和物質(zhì)組成的關系進行了探討,結果表明:(1SV D可以用來診斷兩個具有空間相互作用的沉積場遙相關特征;(2南匯東灘沒冒沙上端的沉積環(huán)境及相應的物質(zhì)組成對南灘的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成有顯著的影響,南灘的沉積物特別是粒級較

2、粗的組分主要來源東灘;(3南匯東灘銅沙咀區(qū)的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成與南匯咀區(qū)的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成具有正相關特征。關鍵詞:沉積物空間分布;東灘;南灘;奇異值分解中圖分類號:TV148+.1 文獻標識碼:A南匯邊灘位于長江口的南岸,其北部稱南匯東灘,南部稱南匯南灘(圖1。杭州灣,特別是其北岸,主要受長江口入海水沙擴散的深刻影響1,由于南匯邊灘地處長江口外海濱和杭州灣口的過渡帶,自然成為長江口與杭州灣水沙交換的主要場所2。近半個世紀以來,因圍灘造地、建堤護岸、長江口南槽深水航道開挖、上海臨港新城建設等一系列人類活動因素的作用,南匯邊灘的水下地形已發(fā)生顯著的變化,并導致杭州灣北岸地形的沖淤演替產(chǎn)生聯(lián)鎖作用

3、?；诖?不少學者對該段潮灘的動力作用過程、剖面塑造機制及演變規(guī)律進行了研究35,此外,就長江口泥沙入海后的輸運變化特性,通過衛(wèi)片、水動力和河口峰等方面對懸沙的擴散亦作了較多的分析48。然而,對交匯地帶南匯邊灘沉積物的輸運過程、特別是邊灘自身的兩大地貌單元-東灘和南灘水下沉積物的相互反饋關系及作用機制尚未有涉及,而這恰是深入理解長江口入海底沙輸運過程和杭州灣北岸地形沖淤的關鍵所在。本文即根據(jù)2004年7月采集的南匯邊灘近岸水域11組共48個沉積物樣品的粒度分析資料,利用奇異值分解技術(SVD探討這兩大地貌單元沉積物的空間分布及沉積物物質(zhì)組成的相互關系,通過對沉積空間場的分析為長江口潮灘演變和沉

4、積物輸運的研究提供理論依據(jù),這對河口潮灘的開發(fā)亦有重要的實踐意義。1 研究區(qū)域動力概況邊灘地處副熱帶季風氣候區(qū),風向季節(jié)性變化十分明顯。多年平均常風向春季為SE-ESE,夏季為N NW-N方向,冬季盛行偏北風,其中東南風歷時較長,強度較低;東北風歷時雖短,但風的強度較大。在頻率較高、歷時較長的東南風(常風向和強度大、吹程長的東北風(強風向的長期共同作用下,使長江口口門附近的南匯東灘呈現(xiàn)NW-SE、南匯南灘呈現(xiàn)E-W走向5。該區(qū)鄰近口門外,春季為SE-SSE浪向,夏季為SSE-S浪,秋季為NE-NNE浪以及冬季為NW-NNW浪。受邊灘岸線走向的影響,浪向與風向的頻率分布并不完全一致。*基金項目:

5、上海市科技啟明星項目(06AQ14016;河口海岸國家重點實驗室開放基金(200404;908(H AD1基金資助第一作者簡介:戴志軍(1973 ,男,博士,副教授,主要從事河口海岸動力地貌、岸灘穩(wěn)定和海岸帶遙感、環(huán)境災害等方面的研究,已發(fā)表相關論文30余篇,E m ail:z jdais 。收稿日期:2006 11 27圖1 研究區(qū)域和沉積物分區(qū)Fig.1 Study area and distr ibution of the deposition 偏南風產(chǎn)生的浪,在岸邊一般發(fā)生轉(zhuǎn)折,使偏南浪減少,偏東浪增多所致。影響南匯邊灘的主要是東海前進潮波系統(tǒng)(源出于西南太平洋,其主要半日分潮M 2在

6、綠華山、大戢山一帶分南北二股,北股的傳播方向為305!,流態(tài)為順時針方向的旋轉(zhuǎn)流(SW W N W N NE E SES,南股為270!左右的方向進入杭州灣。故在石皮勒、塘角嘴以北具有長江口潮波特性,以南具有杭州灣潮波特性,石皮勒、塘角嘴介于兩者之間18。南匯邊灘環(huán)境屬非正規(guī)半日淺海潮流,東灘與南灘的水流呈往復運動性質(zhì),石皮勒與塘角嘴附近為旋轉(zhuǎn)流性質(zhì),其轉(zhuǎn)流方向絕大多數(shù)作順時針方向,轉(zhuǎn)流時間短18。2 研究方法2.1 樣品與粒度分析在2004年6月2930日大潮期間,采集長江口南匯邊灘的沉積物11組共計48站位的樣品(圖1,采集的沉積物樣品涵蓋的主要范圍包括:北至南匯東灘鄰近水域沒冒沙潮流脊頂

7、端(31!10#N,南至南灘-7m 等深線附近(30!48#N,東至南匯咀-5m 等深線附近(122!10#E,其中南灘沉積物采樣西至盧潮港。用帽式采泥器進行采樣,采樣深度約在15cm 以內(nèi),每個樣品重約1kg 左右。將采集的沉積物在室內(nèi)利用激光粒度儀LS100Q 進行粒度分析,獲得各百分含量間隔為0.5、1、2、4、8、16、32、63、125、250、500和1000m 共12個粒級組分的粒度分布。2.2 研究方法經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF用于提取氣象場的時空變化優(yōu)勢信號特征,具有較明顯的優(yōu)點,目前已經(jīng)成為單個氣象場診斷分析的主要工具912,20世紀70年代以來在河口海岸變化研究中得到很快的

8、應用推廣13。對2個(或以上場提取2種耦合的優(yōu)勢信號特征的統(tǒng)計技術,主要有典型分析(CCA、神經(jīng)網(wǎng)絡(BP方法、BP 典型相關分析及其奇異值分解(SVD等,其中SVD 有堅實的數(shù)學基礎,計算較其他方法簡單,而且物理解釋意義明確,被認為是1種具有廣闊應用前景的分析方法14。SVD 是對2個場的交叉協(xié)方差矩陣進行廣義對角化運算。這種矩陣運算與經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF執(zhí)行的過程類似,但矩陣是矩形和非對稱的。當研究2個場相關時,通常代表兩個場的空間點數(shù)(測站或網(wǎng)格點是不同的,因而求得的協(xié)方差陣不是正方形的而是矩形的。Pr o haska 15最先將這種方法用于診斷美國月平均地表氣溫與北太平洋海平面氣壓之間

9、的關系。Bretherton 等16從矩陣理論中的奇異值分解定理出發(fā),較系統(tǒng)地描述了這種方法的原理和計算,在此,SV D 的計算方法不再多述。由此而知,SVD 比EOF 具有更廣泛的適用性,但將SVD 用來分析不同區(qū)域沉積物在空間上的分布關系則至今尚未有人報道。472期長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關特征分析48海 洋 湖 沼 通 報2008年SVD的計算步驟主要可分為17:(1將兩變量場(A場與B場X、Y資料作中心化處理。(2計算兩變量場的交叉協(xié)方差陣S。(3將非實對稱陣S作SVD,得到奇異值和左、右奇異向量。(4分別計算A場和B場的時間系數(shù)T、Z。(5計算兩場相關程度的相關系數(shù),同時計

10、算異性相關系數(shù)。(6計算每對奇異向量的方差貢獻和累計方差貢獻。(7確認對兩場有主要貢獻的方差及相應的奇異向量。2.3 資料處理由前述南匯邊灘的動力背景狀況,南匯邊灘石皮勒塘角嘴一帶是長江口和杭州灣二股水流相互消長的交匯地區(qū),水流比較復雜,該區(qū)以北主要呈東南方向的漲落潮,盧潮港近岸為東西向的潮流,故根據(jù)邊灘的動力條件和東、南灘的地貌單元特征,將擬用于SVD分析的沉積物樣品資料分成二大塊(圖1:南匯東灘鄰近水域采集的樣品7組構成A場(以下簡稱為東灘沉積場,基本代表了東灘-5m等深線以淺區(qū)域的沉積場環(huán)境,A場由7組樣品28個站點組成,每個站點的沉積物細分為12組,構成2812的矩陣。B場由石皮勒海區(qū)

11、往南到盧潮港近岸海區(qū)的沉積物4組共20個沉積物站點組成,即代表南灘海區(qū)的沉積環(huán)境(以下簡稱為南灘沉積場,每個站點的沉積物細分為12組,構成2012的矩陣。3 結果分析和討論根據(jù)SVD的計算步驟,將東灘與南灘兩個沉積場的各站位粒度資料分別輸入Matlab語言編譯的SVD計算程序,結果如表1。由表1,在東灘沉積場和南灘沉積場的模態(tài)貢獻量中,前二對特征值表征的模態(tài)貢獻超過90%,應表征兩場的主要空間信息。在此將第一、二模態(tài)表征的東灘沉積場和南灘沉積場的異性相關系數(shù)及相應的時間系數(shù)繪制成圖2圖4。表1 東灘沉積場與南灘沉積場的SV D分析中前4個模態(tài)平方協(xié)方差貢獻百分率及其模態(tài)相關系數(shù)T able1

12、Per centag e co ntr ibuted by the cova riance averag ed o ver t he first four mo des and cor relativ e coefficients among t he mo des betw een t he east bank deposition field and the south bank deposition field 模 態(tài)模態(tài)貢獻百分量/%累計百分貢獻量/%模態(tài)相關系數(shù)162.0362.030.94232.5896.610.963 2.8899.490.9440.51 1.000.98表1中

13、東灘沉積場與南灘沉積場的第一模態(tài)貢獻占總方差貢獻量的62.03%,2個場的相關系數(shù)為0.949,經(jīng)t分布檢驗達0.01的信度?？梢?東灘沉積場與南灘沉積場有較強的相關性。顯然,2場的第一模態(tài)完全可以反映東灘與南灘沉積場變化的主要信息。將二者的第一空間模態(tài)繪制成圖2(A、B,由圖2知,南灘沉積場有兩大片正值區(qū),正值區(qū)中心相關系數(shù)都高達0.8以上,其中一塊為盧潮港近岸區(qū),另一塊為南匯咀-2m等深線以深、-5m等深線以淺區(qū);東灘的正值區(qū)分布在沒冒沙潮流脊中上部區(qū),中心相關系數(shù)達0.8以上,負值區(qū)主要分布在東灘沒冒沙末端區(qū)和南灘南匯咀突起部位,表明南灘這兩塊正值區(qū)域的沉積場與東灘沒冒沙中上部的沉積有很

14、強的正相關,并與沒冒沙末端沉積區(qū)呈現(xiàn)負的相關。即當沒冒沙上端的沉積物變粗(細時,南灘兩塊正值區(qū)的沉積物發(fā)生相應的變化,即變粗(細,這主要是因為南槽內(nèi)的沙體向口門推進的原因。沙體的推進具有一定的時間滯后,當江亞南沙的沙體向沒冒沙上端輸運時,先前堆積在沒冒沙體的顆粒較粗的沙,在徑流和落潮流等作用下,經(jīng)過沒冒沙體,向南匯咀附近推進;當沒冒沙上端沉積變粗時,一方面南匯咀的沙體通過橫向環(huán)流沉積在南匯咀-2m 以深和-5m 以淺的區(qū)域,南匯咀的沉積物變細,另一方面在旋轉(zhuǎn)潮流的帶動下,沉積物向外海輸運,并進一步在南灘東西向潮流作用下,轉(zhuǎn)運至杭州灣北岸,致使盧潮港岸段近岸沉積變粗;反之,當江亞南沙無沙體下移時

15、,在不變的動力作用強度下,沒冒沙上端粗的沉積物繼續(xù)向下搬運,沉積物趨于變細,往下輸運的沙堆積在東灘,而南灘得不到東灘的泥沙補給,在波浪及東西向潮流作用下,南灘侵蝕后退,沉積物亦趨于變細,這也就是通常所說的%南灘淤,東灘沖,南灘沖,東灘淤&。結合相應的時間系數(shù)(圖4,南灘與東灘的顆粒組分曲線走向基本一致,尤其在500 m 到1mm 的粒徑成分,東灘與南灘的沉積組分最為相近,即砂粒組的含量較為接近,這在很大程度上說明,較粗的沉積物是從南槽出河口并轉(zhuǎn)運到杭州灣北岸。由此可見,第一模態(tài)表征了南灘沉積物環(huán)境的變化與東灘沉積物環(huán)境具有極強的遙相關,東灘是南灘泥沙輸運的%源&,南灘是接受東灘泥沙輸運的%匯&

16、。圖3(A,B為東灘沉積場與南灘沉積場的第二對奇異向量分布型,它解釋了總方差的32.58%,相關系數(shù)為0.96。從左奇異向量分布型(A看出,正值位沒冒沙尾部銅沙咀區(qū),中心相關系數(shù)為0.8以上,南灘(B場的正值區(qū)處于南匯咀部位,中心相關系數(shù)亦為0.8左右,表明這2個部位的沉積場空間相關性強,這也是第一對奇異向量空間分布中的負值分布區(qū)。當東灘沉積場(A 場該部位的沉積環(huán)境改變時,南匯咀的沉積場亦有所響應,由二者的物質(zhì)組成系數(shù)表明(圖4,沉積物的粘泥與沙的組成變化基本一致,這也表明除南匯南灘的主要沉積場變化與東灘的沉積物變化有關外,南匯咀的沉積物亦與東灘的沉積物組成有關。此外,由圖5,長江口水下三角

17、洲沉積物在南匯咀海區(qū)外主要沉積物為粘土與粉砂,這和南灘近岸的物質(zhì)組成不一致(主要是粉砂和沙,從而該區(qū)沉積物對杭州灣北岸的沉積物物質(zhì)組成的影響較小,這從側(cè)面亦反映南灘的沉積物應主要來自長江底沙的輸運。即SVD 分析2個沉積場的空間分布與物質(zhì)組成表明,杭 州灣北岸的沉積物分布格局與變化與南槽沉積物的分布特征是分不開的。(A東灘沉積場第1模態(tài)異性相關系數(shù)空間分布(B南灘沉積場第1模態(tài)異性相關系數(shù)空間分布圖2 東灘沉積場與南灘沉積場的第1模態(tài)空間分布型Fig.2 T he spatial distr ibut ion of the fir st mode betw een the deposition

18、 of Eastern bank andthe depo sitio n o f Southern bank492期長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關特征分析 (A東灘沉積場第2模態(tài)異性相關系數(shù)空間分布(B南灘沉積場第2模態(tài)異性相關系數(shù)空間分布圖3 東灘沉積場與南灘沉積場的第2模態(tài)空間分布型F ig.3 T he spatial distributio n o f the second mo de between the deposition of Eastern bank andthe depo sitio n o f Southern bank(1第1模態(tài)對應的時間系數(shù)圖(2第2模態(tài)對應

19、的時間系數(shù)圖圖4 東灘沉積場與南灘沉積場2個模態(tài)對應的時間系數(shù)圖(A:東灘場沉積物對應的粒度組成變化系數(shù);B:南灘場沉積物對應的粒度組成變化系數(shù);Fig.4 T he cor respo ndent time coefficients of tw o mo des bet ween the depo sitio n o f Easter nbank and the deposition of So uther n bank4 結 論本文利用SVD 分解技術,從沉積物角度對南匯邊灘大地貌單元-南灘和東灘的沉積物空間分布特征和物質(zhì)組成的關系進行了探討,主要結論如下:(1SVD 方法的物理意義清晰,

20、不僅可用來診斷大氣場的遙相關,亦是診斷2個具有空間相互作用的沉積場遙相關的有效工具之一。(2南匯東灘沒冒沙上端的沉積環(huán)境及相應的物質(zhì)組成與南灘的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成有顯著的正相關關系,南灘的沉積物特別是粒級較粗的物質(zhì)主要來源東灘。(3南匯東灘銅沙咀區(qū)的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成與南匯咀區(qū)的沉積環(huán)境及物質(zhì)組成具有正相關特征。50海 洋 湖 沼 通 報2008年2期 長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關特征 分析 51 圖5 Fig. 5 長江口水下三角洲沉積物類型圖 19 D eposit ion t ypes of s ubmarine delt a in t he Changjiang Est uar

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