祥云岛（又名打网岗）位于渤海湾西北岸，东临京唐港西临大清河口，是早期滦河从大清河口、长河口入海时形成的三角洲滨海沙坝[1]。以祥云岛为主体的唐山三岛旅游区是唐山沿海唯一的滨海沙坝旅游岸段，依照唐山湾三岛旅游区总体规划，祥云岛将被打造成国际休闲、旅游、度假胜地[2]。自滦河迁徙改道北移入海之后，陆源泥沙断绝，京唐港建设中港口防沙堤不断向海延伸，进一步阻断了沿岸泥沙的补给，祥云岛岸滩面临着严重的侵蚀退化的风险[3-6]。
沉积物粒度及其分布特征是沉积物物源、地形地貌、水动力条件、搬运距离等综合作用的结果，是沉积物的基本特征之一[7-11]。因此，通过对沉积物粒度特征的分析，可以揭示沉积物沉积时的地形地貌、水动力及物源信息[12-14]，分析影响沉积物粒度变化的环境因素等，指示底质沉积物的输运方向和响度等信息[15-17]。
本文基于中国地质调查局地质调查项目获取的研究区15个海底表层沉积物样品，开展沉积物粒度分析，同时结合项目获得的区域海洋动力条件，进一步分析研究区沉积物动力响应过程，为区域开发和环境保护提供科学依据。
1 现场调查和数据处理
基于中国地质调查局地质调查项目，在祥云岛附近海域建立长期潮位监测站，开展海洋水动力调查与观测工作，获取研究区流速流向、波浪等海洋动力条件及悬浮沉积物分布特征，潮汐监测站的建立和海洋水动力条件观测等详细信息参考作者已刊文章[18-21]，本文不在赘述。祥云岛海洋表层沉积物样品位置、潮位站及水动力观测站分布（图1），表层沉积物于2017年9月采用蚌式取样器采集，采集深度小于10 cm，现场描述后装入样品袋密封，以备实验室测试分析。
图1 海底表层沉积物和海洋水动力观测站位
Fig.1 Seafloor surface sediments and marine hydrodynamic stations
1.1 沉积物粒度分析
沉积物粒度测定采用Malvern Mastersizer-3000激光粒度仪进行测量，粒径测量范围为0.02～2 000 μm。根据规范要求，样品测试前加入0.5%的六偏磷酸钠浸泡24小时，使沉积物颗粒充分分散。样品的前处理和粒度测试均在天津地质调查中心实验测试室（国土资源部华北矿产资源监督检测中心）中进行。平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数利用McManus矩法公式[22]计算得出：
式中，Xi为一定粒级范围内的中值（Φ）；fi为各粒级范围的百分含量。
1.2 切应力计算
底床切应力是控制海床沉积物侵蚀、沉降和再悬浮最主要的参数之一，海流作用下导致的流致底床切应力采用如下计算公式[23]：
其中
为水深z处采样周期平均流速（burst-averaged），z0为海床粗糙长度（z0=ks 30，其中ks=2.5D50为Nikuradse grain roughness，D50沉积物的中值粒径，ρ=1025kg m3为海水密度。
2 研究区海洋动力环境
2.1 潮汐与潮流特征
对潮位站监测数据进行潮汐调和分析，结果表明研究区以M2、K1、O1、S2为主要分潮，次要分潮为P1、K2、MU2、L2等，属于不规则半日潮海区，该海域涨落潮历时相差约30 min，且落潮历时大于涨潮历时[21]。祥云岛海域潮流以平行于岸线为主，具有明显的往复性，涨潮流为南西向，落潮流为北东向，且涨潮流明显大于落潮流[20]。
2.2 波浪
祥云岛海域常年盛行偏东风，强风向为ENE，波浪以风成浪为主，春夏两季波浪相对较弱，秋冬季波浪较强，强、常浪方向与风向一致[6，24]。2017年9——10月观测结果显示，有效波高最高可达2.95 m，有效波周期4～7 s，强浪作用下波致海床切应力可达表层沉积物临界切应力的10～15倍，沉积物再悬浮受控于强浪作用[19]。祥云岛海域破波带水深约5.5 m[25]，直接影响海底表层沉积物沉降过程（图2）。
图2 观测海域流速流向
Fig.2 Velocity and direction of current in the study area
3 表层沉积物粒度及分布特征
3.1 表层沉积物粒度组成
根据祥云岛海域15个样品中的砂、粉砂和粘土的百分含量，利用谢帕德三角图定名法[26]分类（图3）。结果显示，祥云岛海域表层沉积物主要为4种类型：砂质粉砂（ST）、粉砂质砂（TS）、粉砂（T）和砂（S）（表1）。
表1 沉积物粒度参数及沉积物类型
Table 1 Grain size parameters and types of sediment
站位1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15平均粒径/ø 4.190 5.151 5.729 4.097 5.086 6.030 6.558 5.368 6.591 5.320 5.895 4.805 5.655 5.581 2.022中值粒径/ø 3.007 4.876 5.756 3.007 4.506 5.626 6.756 4.876 6.376 4.756 5.626 4.756 5.256 5.626 2.006分选系数/σi 2.268 1.965 1.706 2.242 1.808 1.396 1.430 1.505 1.409 1.607 1.669 2.296 1.639 1.962 0.392偏度/Ski 1.789 1.227-1.080 1.876 1.328 1.009-0.957 1.345-0.458 1.368 0.986 1.255 1.172-1.132 0.195峰度/Kg 2.620 2.300 2.158 2.645 2.208 1.792 1.884 1.943 1.810 2.050 2.007 2.594 2.029 2.407 0.520粘土百分比6.33 10.23 10.16 6.42 8.39 12.27 18.45 8.56 19.62 9.45 14.83 10.10 11.92 12.64 0.00粉砂百分比38.12 54.80 74.94 36.25 60.93 83.86 77.35 79.74 77.58 75.89 75.35 46.18 76.66 65.40 0.00砂百分比55.55 34.97 14.90 57.33 30.68 3.87 4.20 11.70 2.80 14.66 9.82 43.72 11.42 21.96 100.00沉积物类型粉砂质砂砂质粉砂砂质粉砂粉砂质砂砂质粉砂粉砂粉砂粉砂粉砂粉砂粉砂砂质粉砂粉砂砂质粉砂砂
图3 谢帕德沉积物粒度三角图分类图解
Fig.3 Shepard’s nomenclature of sediments based on sand-silt-clay ratio
砂质粉砂（ST）沉积物采样点编号为S2、S3、S5、S12、S14，位于海洋牧场远海区域，粘土含量8.39%～12.64%，粉砂含量为46.18%～74.94%，砂粒径含量为14.9%～43.72%。平均粒径4.80～5.72Ф，分选系数1.70～2.30，分选差。
粉砂质砂（TS）沉积物采样点编号为S1、S4，位于滦河三角洲南近岸海域和京唐港近岸海域，粘土含量6.33%～6.42%，粉砂含量为36.25%～38.12%，砂粒径含量为55.55%～57.33%。平均粒径4.09～4.19Ф，分选系数2.24～2.26，分选很差。
粉砂（T）沉积物采样点编号为6-11、13，位于祥云岛正前方近岸海域，粘土含量8.56%～19.62%，粉砂含量为75.35%～83.86%，砂粒径含量为2.8%～11.42%。平均粒径5.37～6.56Ф，分选系数1.40～1.67，分选差。
砂（S）沉积物采样点编号为15，位于祥云岛西南方向远海区域，砂粒径含量为100%。平均粒径2.02Ф，分选系数0.39，分选好。
3.2 表层沉积物的频率分布
祥云岛海域的表层沉积物粒度分布曲线（图4），表层沉积物粒度分布为非正态分布，表层沉积物粒度变化范围较大，平均粒径主要集中在2～10 Φ之间，表层沉积物粒度分布呈现出2种模式：单峰、双峰。通常来说，单峰表明沉积物成分单一,为相对稳定的水能条件下形成,双峰表明沉积物有2种主要成分组成，在沉积过程中有其他组分参加进来。
图4 沉积物粒径级配曲线
Fig.4 Grain-size frequency curve of sediments in the study area
单峰模式主要有S3、S7、S9和S15，其中S3、S7、S9为分选较好的粉砂为主，粒径范围2～10 Φ；S15站位沉积物为较窄的2～4 Φ峰为主，粒径以砂质为主，表明该站位受较强的水动力影响。其余站位沉积物粒径分布以双峰为主，其中S1、S2、S4和S5以2～4 Φ为主峰，峰分布较窄，6～8 Φ为次峰，峰分布较宽，属于正偏态，沉积物以粗粒为主，细粒一侧表现为低的尾部。S6、S8及S10～S13以4～6 Φ为主峰，峰分布较窄，6～8 Φ为次峰，峰分布较宽，属于正偏态，主峰沉积物较以S1、S2、S4和S5更细。S14存在对称的两个峰值，分别为3～5 Φ峰和6～8 Φ峰。
祥云岛海域的表层沉积物粒度分布曲线分布形态的差异，说明该区沉积物受陆源、水动力影响差别较大，单峰为主的站位（S3、S7、S9和S15）距离海岸线比较远，主要受强烈的水动力影响，沉积物类型以砂和粉砂为主；且站位S15区域所受水动力条件高于其他站位。双峰站位S1、S2、S4～S6、S8及S10～S13的粒度分布形态反映该区搬运介质动力情况和物源较为复杂，沉积物受多种水动力作用而形成，双峰类型的沉积物与单峰沉积物对比，表明沉积物中粗粒组分减少，细粒组分增加，说明沉积过程中水动力强度减少，使得海水中悬浮的细粒组分沉降。
3.3 沉积物的动力响应
（1）表层沉积物C-M图
C-M图是根据沉积物级配累积曲线上1%的沉积物最粗粒径C值与50%的沉积物中值粒径M值，在双对数图纸上进行投点成图，其中C值与沉积物样品中最粗颗粒的粒径相当，指示了沉积物沉积时达到的最大水动能，M值为中值，指示沉积物沉积时的平均水动能[27]。C-M图被广泛运用于沉积物沉积环境的判读中[5，28，29]。
根据祥云岛海域15个表层沉积物样品粒度组成，绘制C-M图（图5），15个样品在C-M图上分异性较明显，15个沉积物样品，C值均小＜1 000 μm，说明沉积物以悬浮搬运为主。其中S7、S9位于Ⅷ区，M＜15 μm，C值＜1 000 μm；S1、S4位于Ⅴ区，S15位于Ⅳ，其余沉积物位于Ⅶ区。沿祥云岛方向S6→S8→S10、S7→S9→S11沉积物M值逐渐增加，表明沉积物沉积时所需的平均水动能增加，垂直于祥云岛岸线方向S6→S7、S8→S9、S10→S11沉积物M值逐渐减小，沉积物沉积时所需的平均水动能减小。
图5 表层沉积物C-M图
Fig.5 Surface sediment C-M diagram
水动力调查结果显示，该区涨潮流（南西向）明显大于落潮流（落潮流北东向）。平行于岸线方向，海水悬浮泥沙在涨潮流作用下沿SW-NE向运移，粗颗粒最先在祥云岛西南方向沉积，落潮期间，水动能有所下降，海水中的细颗粒沉积物逐渐沉降。这一过程与平行于祥云岛岸线的沉积物粒度分布特征是一致的。垂直于岸线方向，波浪作用在水深低于5.5 m的等深线形成破波带，波浪作用影响到沿海海底，因此近岸端海洋动力作用明显高于远岸端，导致在垂直于岸线方向，沉积物平均粒度向海减小。
（2）沉积物的动力学分析
根据研究区2017年10月的实测水文资料，利用海床切应力计算公式（5）、（6）计算流致切应力如图6所示。基于希尔兹参数θ=
计算海床临界切应力τcr，如图6虚线所示。取研究区表层沉积物平均中值粒径和最小中值粒径，计算得平均临界切应力τcr-ave=0.079N/m2，最小临界切应力为τcr-min=0.038 N/m2。对应水深、流速数据（图6），在涨急和落急阶段，流致海床切应力明显增加，且明显超过沉积物临界切应力（τcr-ave和τcr-min），而在涨憩和落憩前后，流致海床切应力明显减小。因此，除了强浪对研究区沉积物再悬浮的控制作用外，表层沉积物在海流作用下不断的处于侵蚀再悬浮、输运和再沉降过程。长期持续的再悬浮和沉积过程造成了研究区表层沉积物粒度分布的差异。
图6 研究区水位、海流、流致海床切应力
Fig.6 The water level,current and bottom skin friction shear-stresses of current in the study area;the horizontal line is the threshold shear-stress for the initiation of movement for surface sediments
4 结论
本文通过对祥云岛近岸海域表层沉积物的取样测试，分析了研究区沉积物粒度特征及其分布。结合定点水动力观测结果，进一步解释了沉积物粒度分布差异性的原因和海洋动力下沉积物输运规律，确定了海洋动力作用下该区沉积物的输运方向。研究成果为应对祥云岛岸滩面临着的侵蚀退化风险提供了可靠的环境参数。本文研究取得的主要结论如下：
（1）根据谢帕德三角图定名法分类标准，研究区表层沉积物主要分为砂质粉砂（ST）、粉砂质砂（TS）、粉砂（T）和砂（S）四类，表层沉积物粒度沿平行于祥云岛岸线方向由东北向西南方向逐渐变粗，垂直祥云岛岸线方向由近岸向远岸方向变细。
（2）表层沉积物粒度变化范围较大，级配曲线非正态分布，平均粒径主要集中在2～10 Φ之间，沉积物粒度分布呈现单峰、双峰两种模式。单峰为主的站位距离海岸线比较远，主要受强烈的水动力影响，沉积物类型以砂和砂质粉砂为主；双峰为主的站位离岸线较近，沉积物类型以粉砂质砂、粉砂为主。
（3）研究区表层沉积物以悬浮搬运为主，沉积物粒度分布特征与水动力条件密切相关，海流周期性的作用使得表层沉积物长期处于悬浮、沉降、再悬浮、再沉降过程中，细颗粒的沉积物不断被再悬浮带走，导致沉积物粒度发生空间上的分异。
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