長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關(guān)特征分析 - 圖文-

1、海 洋 湖 沼 通 報(bào)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(guān)特征分析*戴志軍,陳建勇,路海亭(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200062摘要:利用SVD分解技術(shù),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(guān)系進(jìn)行了探討,結(jié)果表明:(1SV D可以用來診斷兩個(gè)具有空間相互作用的沉積場遙相關(guān)特征;(2南匯東灘沒冒沙上端的沉積環(huán)境及相應(yīng)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(guān)特征。關(guān)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(xiàn)標(biāo)識(shí)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(kuò)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(gè)世紀(jì)以來,因圍灘造地、建堤護(hù)岸、長江口南槽深水航道開挖、上海臨港新城建設(shè)等一系列人類活動(dòng)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(dǎo)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(xué)者對該段潮灘的動(dòng)力作用過程、剖面塑造機(jī)制及演變規(guī)律進(jìn)行了研究35,此外,就長江口泥沙入海后的輸運(yùn)變化特性,通過衛(wèi)片、水動(dòng)力和河口峰等方面對懸沙的擴(kuò)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(yùn)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(guān)系及作用機(jī)制尚未有涉及,而這恰是深入理解長江口入海底沙輸運(yùn)過程和杭州灣北岸地形沖淤的關(guān)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(gè)沉積物樣品的粒度分析資料,利用奇異值分解技術(shù)(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(guān)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(yùn)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(shí)踐意義。1 研究區(qū)域動(dòng)力概況邊灘地處副熱帶季風(fēng)氣候區(qū),風(fēng)向季節(jié)性變化十分明顯。多年平均常風(fēng)向春季為SE-ESE,夏季為N NW-N方向,冬季盛行偏北風(fēng),其中東南風(fēng)歷時(shí)較長,強(qiáng)度較低;東北風(fēng)歷時(shí)雖短,但風(fēng)的強(qiáng)度較大。在頻率較高、歷時(shí)較長的東南風(fēng)(常風(fēng)向和強(qiáng)度大、吹程長的東北風(fēng)(強(qiáng)風(fēng)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(fēng)向的頻率分布并不完全一致。*基金項(xiàng)目:

5、上海市科技啟明星項(xiàng)目(06AQ14016;河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(200404;908(H AD1基金資助收稿日期: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(fēng)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(jìn)潮波系統(tǒng)(源出于西南太平洋,其主要半日分潮M 2在綠華山、大戢山一帶分南北二股,北股的傳播方向?yàn)?05!,流態(tài)為順時(shí)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(jìn)入杭州灣。故在石皮勒、塘角嘴以北

6、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(fù)運(yùn)動(dòng)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(shí)針方向,轉(zhuǎn)流時(shí)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(jì)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(jìn)行采樣,采樣深度約在15

7、cm 以內(nèi),每個(gè)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(jìn)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(gè)粒級組分的粒度分布。2.2 研究方法經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF用于提取氣象場的時(shí)空變化優(yōu)勢信號特征,具有較明顯的優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為單個(gè)氣象場診斷分析的主要工具912,20世紀(jì)70年代以來在河口海岸變化研究中得到很快的應(yīng)用推廣13。對2個(gè)(或以上場提取2種耦合的優(yōu)勢信號特征的統(tǒng)計(jì)技術(shù),主要有典型分析(CCA、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP方法、BP 典型相關(guān)分析及其奇異值分解(SVD等,其中SVD 有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)

8、基礎(chǔ),計(jì)算較其他方法簡單,而且物理解釋意義明確,被認(rèn)為是1種具有廣闊應(yīng)用前景的分析方法14。SVD 是對2個(gè)場的交叉協(xié)方差矩陣進(jìn)行廣義對角化運(yùn)算。這種矩陣運(yùn)算與經(jīng)驗(yàn)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(dāng)研究2個(gè)場相關(guān)時(shí),通常代表兩個(gè)場的空間點(diǎn)數(shù)(測站或網(wǎng)格點(diǎn)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的關(guān)系。Bretherton 等16從矩陣?yán)碚撝械钠娈愔捣纸舛ɡ沓霭l(fā),較系統(tǒng)地描述了這種方法的原理和計(jì)算,在此,SV D 的計(jì)算方法不再多述。由此而知,SVD 比EOF 具有更廣泛

9、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(guān)系則至今尚未有人報(bào)道。472期長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關(guān)特征分析48海 洋 湖 沼 通 報(bào)2008年SVD的計(jì)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(jì)算兩變量場的交叉協(xié)方差陣S。(3將非實(shí)對稱陣S作SVD,得到奇異值和左、右奇異向量。(4分別計(jì)算A場和B場的時(shí)間系數(shù)T、Z。(5計(jì)算兩場相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù),同時(shí)計(jì)算異性相關(guān)系數(shù)。(6計(jì)算每對奇異向量的方差貢獻(xiàn)和累計(jì)方差貢獻(xiàn)。(7確認(rèn)對兩場有主要貢獻(xiàn)的方差及相應(yīng)的奇異向量。2.3 資料處理由前述南匯邊灘的動(dòng)力背景狀況,南匯邊灘石皮勒塘角嘴一帶

10、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(fù)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(dòng)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(gòu)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(gè)站點(diǎn)組成,每個(gè)站點(diǎn)的沉積物細(xì)分為12組,構(gòu)成2812的矩陣。B場由石皮勒海區(qū)往南到盧潮港近岸海區(qū)的沉積物4組共20個(gè)沉積物站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)的沉積物細(xì)分為12組,構(gòu)成2012的矩陣。3 結(jié)果分析和討論根據(jù)SV

11、D的計(jì)算步驟,將東灘與南灘兩個(gè)沉積場的各站位粒度資料分別輸入Matlab語言編譯的SVD計(jì)算程序,結(jié)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(xiàn)量中,前二對特征值表征的模態(tài)貢獻(xiàn)超過90%,應(yīng)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(guān)系數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)繪制成圖2圖4。表1中東灘沉積場與南灘沉積場的第一模態(tài)貢獻(xiàn)占總方差貢獻(xiàn)量的62.03%,2個(gè)場的相關(guān)系數(shù)為0.949,經(jīng)t分布檢驗(yàn)達(dá)0.01的信度?？梢?東灘沉積場與南灘沉積場有較強(qiáng)的相關(guān)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

12、知,南灘沉積場有兩大片正值區(qū),正值區(qū)中心相關(guān)系數(shù)都高達(dá)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(guān)系數(shù)達(dá)0.8以上,負(fù)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強(qiáng)的正相關(guān),并與沒冒沙末端沉積區(qū)呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)。即當(dāng)沒冒沙上端的沉積物變粗(細(xì)時(shí),南灘兩塊正值區(qū)的沉積物發(fā)生相應(yīng)的變化,即變粗(細(xì),這主要是因?yàn)槟喜蹆?nèi)的沙體向口門推進(jìn)的原因。沙體的推進(jìn)具有一定的時(shí)間滯后,當(dāng)江亞南沙的沙體向沒冒沙上端輸運(yùn)時(shí),先前堆積在沒冒沙體的顆粒較粗的沙,在徑流和

13、落潮流等作用下,經(jīng)過沒冒沙體,向南匯咀附近推進(jìn);當(dāng)沒冒沙上端沉積變粗時(shí),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(xì),另一方面在旋轉(zhuǎn)潮流的帶動(dòng)下,沉積物向外海輸運(yùn),并進(jìn)一步在南灘東西向潮流作用下,轉(zhuǎn)運(yùn)至杭州灣北岸,致使盧潮港岸段近岸沉積變粗;反之,當(dāng)江亞南沙無沙體下移時(shí),在不變的動(dòng)力作用強(qiáng)度下,沒冒沙上端粗的沉積物繼續(xù)向下搬運(yùn),沉積物趨于變細(xì),往下輸運(yùn)的沙堆積在東灘,而南灘得不到東灘的泥沙補(bǔ)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(xì),這也就是通常所說的%南灘淤,東灘沖,南灘沖,東灘淤&。結(jié)合相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖4,南灘與東灘的顆

14、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(yùn)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(qiáng)的遙相關(guān),東灘是南灘泥沙輸運(yùn)的%源&,南灘是接受東灘泥沙輸運(yùn)的%匯&。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(guān)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(guān)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(guān)系數(shù)亦為0.8左右,表明這2個(gè)部位的沉積場空間

15、相關(guān)性強(qiáng),這也是第一對奇異向量空間分布中的負(fù)值分布區(qū)。當(dāng)東灘沉積場(A 場該部位的沉積環(huán)境改變時(shí),南匯咀的沉積場亦有所響應(yīng),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(guān)外,南匯咀的沉積物亦與東灘的沉積物組成有關(guān)。此外,由圖5,長江口水下三角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(yīng)主要來自長江底沙的輸運(yùn)。即SVD 分析2個(gè)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

16、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(guān)系數(shù)空間分布(B南灘沉積場第1模態(tài)異性相關(guān)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 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(guān)特征分析 (A東灘沉積場第2模態(tài)異性相關(guān)系數(shù)空間分布(B南灘沉積場第2模態(tài)異性相關(guān)系數(shù)空間分布圖3 東灘沉積場與南灘沉積場的第2

17、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(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖(2第2模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖圖4 東灘沉積場與南灘沉積場2個(gè)模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖(A:東灘場沉積物對應(yīng)的粒度組成變化系數(shù);B:南灘場沉積物對應(yīng)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 wee

18、n the depo sitio n o f Easter nbank and the deposition of So uther n bank4 結(jié) 論本文利用SVD 分解技術(shù),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(guān)系進(jìn)行了探討,主要結(jié)論如下:(1SVD 方法的物理意義清晰,不僅可用來診斷大氣場的遙相關(guān),亦是診斷2個(gè)具有空間相互作用的沉積場遙相關(guān)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(yīng)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(guān)關(guān)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

19、沉積環(huán)境及物質(zhì)組成具有正相關(guān)特征。50海 洋 湖 沼 通 報(bào)2008年2期 長江河口南匯東灘與南灘沉積物空間相關(guān)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 uary 參考文獻(xiàn): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Su Jilan, W ang K ang shan. Chang jiang River plume and suspended sediment transport in H angzhou B

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