大陆岛入海沉积物通量的估算研究

李高聪，蔡廷禄，李志强，高抒

( 1. 广东海洋大学 海洋技术系，广东 湛江 524088；2. 广东省海洋遥感与信息技术工程技术中心，广东 湛江 524088；3. 自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；4. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

1 引言

大陆岛是地质构造和岩性与邻近大陆相似的大陆边缘岛屿，是研究海岸带陆、海、气相互作用的重要对象之一。大陆岛原属大陆组成，因受地壳沉降或海面上升影响，低洼地带被海水淹没，较高的山地和丘陵出露在海面以上所形成的岛屿[1-2]。中国的大陆岛主要分布在大陆山地基岩海岸附近，包括辽东半岛、山东半岛、浙闽和华南沿海区域，以及台湾附近海域，约占岛屿总数的90%[3]。它们具有多种重要的价值和功能，主要包括：（1）提供土地、港口和旅游资源[4-5]；（2）维持生物多样性和生态过程多样性[6-7]；（3）研究古地理、古气候和古生态的重要场所[8-9]。

自20世纪80年代以来，与大型河流三角洲密切相关的内陆架泥质沉积体系的形成、演化及其沉积记录解译工作逐渐成为了当前国际的研究热点[10-16]。物源供给、可容空间和沉积物输运和堆积过程共同构成了大陆架沉积体系形成和演化的3大主控因素[17-18]。大陆架沉积体系通常被认为有两个主要物源，即大陆河流供给和大陆架沉积物的再悬浮供给[19-20]。前者主要受入海河流流域特征的影响，包括流域内的地质、岩性、地形、植被、温度、降雨量和人类干预活动等因素[21-22]。后者则主要取决于区域的沉积物输运和堆积过程，包括入海径流、波浪、潮汐、陆架环流和沉积物重力流等沉积动力条件[17-18]。内陆架远端泥质沉积的物源通常被认为主要来自于大型河流的远距离供给，然而在大陆岛广泛分布的区域则往往忽略了更加靠近远端泥质沉积区域的沿岸中、小型河流以及大陆岛的中距离和近距离供给[19-20]。因此，在海岛广布的区域获取其入海沉积物通量及其时空分布特征信息，不仅有助于该大陆架区域物源收支研究，也是完善该大陆架区域沉积记录精确解译的关键所在[23]。

传统研究，河流入海沉积物通量信息的获取一般可分为3种方式。第1种方法是根据大陆的剥蚀速率估算其通量[24-25]；第2种方法是关键断面观测方法，其时间分辨率较高，分为分析邻近河口的水文站的统计数据获取经验公式[26-27]和在河口地区布设典型观测断面，通过关键时段的全潮水文观测获取水沙通量数据[28]两类；第3种方法是沉积记录的反演算法，其时间分辨率较低，需获取大量的沉积钻孔和年代数据。对于第1种方法而言，其估算值往往存在高估的情况，因为在现实中有大量被侵蚀的沉积物仍然滞留在流域内，并未完全抵达河口[27]。对于第2种方法的第2类方法而言，虽然获取的数据时空精度较高，但由于野外观测的人力、财力和物力成本较大，且难以获取长时间序列的通量数据，因而在分析较长时间尺度通量问题时并不推荐使用[29]。对于第3种方法而言，其人力、财力和物力成本也较大，且需要先解答年代框架和沉积物滞留指数的难题。因此，在讨论年或更长时间尺度的河流入海通量问题时，通过水文观测站的资料构建经验公式成了最为常用的方法。

按照上述传统方法，定量刻画大陆岛入海沉积物通量时需获取海岛河流的长期水沙观测数据。但由于大陆岛河流流域较小，水系并不发育，几乎未设置有水文站，因而缺乏水沙特征数据，也就缺少了由水文站观测数据构建的沉积物入海通量经验公式。近年来，研究者指出，由于大陆岛与邻近大陆沿海流域在地理和地质背景方面具有一定的相似性，可推测两者在流域产沙特征上具有相似性，即可利用邻近大陆河流的经验公式估算大陆岛的入海沉积物通量[23]。相较于大陆岛，关于大陆河流水沙特征的研究极为丰富，这就为大陆岛邻近大陆河流流域参数特征值的获取提供了充足的数据支撑，确保了构建入海沉积物通量的区域经验公式的可行性。因此，邻近大陆河流的经验公式有效构建为计算大陆岛入海沉积物通量提供了可能。

2 研究方法

河流入海沉积物通量的经验方程是估算大陆岛沉积物通量 （Qs）的重要依据[23]。根据全球数百条河流的水沙特征与流域参数（如流域面积、最大高程和平均温度等）之间的数学关系，研究者提出了多个可用于预测全球大中型河流的Qs经验公式[21-22,30-31]。然而，在特定地区使用时，由于不同地区或大流域和中小流域之间的沉积物产出特征存在差异，需考虑对现有公式进行修正，以提高Qs的预测精度[32-33]。此外，在估算大陆岛Qs时需注意两点：一是大陆河流流域参数特征值需选取人类干扰较小时段，尽量降低人类活动干预对流域产沙特征的影响；二是由于大陆岛存在众多子流域，在岛屿详细地形数据获取困难或子流域地形参数特征不明确的前提下，需解决大陆岛子流域的地形特征值提取以及其Qs计算及验证的问题。

为了对大陆岛Qs进行估算，本文提出两个假设：（1）大陆岛的Qs法则遵循邻近大陆中小河流的Qs法则；（2）可将1个大陆岛当作1个河流流域计算Qs。具体研究步骤如下：首先，本文选取中国东南部大陆岛和邻近大陆中小型河流作为典型研究区（图1）；其次，基于河流的特征值对现有Qs的经验公式进行区域校正，并分析其相对误差；随后，根据经验公式对大陆岛的Qs进行计算；最后，讨论假设（2）对大陆岛通量总量的影响，并分析大陆岛Qs对远端泥沉积体系及其沉积记录研究的意义。

典型研究区包括浙、闽、粤和琼26条中小型河流和8 227个大陆岛（图1），它们具有相似的地质和地理特征。在第四纪冰期的低海面时期，这些大陆岛与中国大陆相连[3]。研究区同处华夏块体，其出露岩石主要由泥砂质沉积岩和火成岩构成[23]。研究区位于季风气候区，夏季受台风影响，而在冬季则受风暴活动影响[15,17]。年平均降水量为1 300～2 400 mm，年平均温度为16～24 °C[3,15]。东海近岸的潮汐为半日潮，南海北部则主要为全日潮[15,23]。

邻近大陆河流的特征值参数包括流域面积、最大高程、平均气温、平均径流量（Q）和Qs，数据来自于已公开发表的文献或书籍（表1），作者主要包括王文介等[34]，张伯虎等[35]和杨志宏等[36]。本文研究的河流共包括23条中小型河流，受26个水文观测站控制（图1）。它们的主干河道长度、流域最大高程、流域面积分别为50～541 km，596～2 158 m，425～60 992 km2。为了降低人类活动干预对流域产沙特征的影响，河流的Q和Qs选取20世纪50年代至70年代之间数据的平均统计值，它们的数值范围分别为0.1～7.5 Mt/a和0.4～53.9 km3。

表1 研究区26条河流特征参数特征值统计表Table 1 Statistic of characteristics values of the 26 coastal rivers

图1 大陆岛及其平均气温控制点和邻近大陆河流及其水文控制站分布Fig. 1 Locations of continental shelf islands and their control of average temperature,and adjacent continent rivers and their gauging stations

大陆岛特征值参数包括8 227个大陆岛面积和4 978个大陆岛最大高程数据，数据来自于《中国海岛（礁）名录》[3]。4 978个大陆岛总面积为4 205.3 km2；其余3 249个大陆岛总面积为213.19 km2，它们的最大高程值是通过已有4 978个大陆岛面积和最大高程的数学关系插值求得。大陆岛的总面积为4 418.49 km2，它们的最大高程和面积分别为0.1～1 404 m和接近0 km2至490.9 km2。此外，还收集了35个大陆岛的平均气温数值，作为所研究大陆岛平均气温空间插值的控制点。大陆岛的平均气温通过ArcMap中的反距离加权空间插值算法计算得到。

本文采用3个全球经验公式进行大陆岛Qs的研究，包括Milliman和Syvitski[21], Mulder和Syvitski[30]，Syvitski等[22]提出的经验模型，分别对应命名为Model 1，Model 2和Model 3。基于中国大陆东南部20条中小型河流的流域参数的特征值，本研究利用Matlab的最小二乘算法分别对3个模型开展了经验公式的系数校正，结果如表2所示。在此基础上，分别使用全球公式和修正公式对大陆河流的Qs进行计算，并利用水文观测站的观测值对其进行预测精度评估。

表2 沉积物入海通量（Qs，单位：Mt/a）经验公式Table 2 Prediction equations of sediment flux (Qs, unit: Mt/a)

为评估将1个海岛看作1个流域对计算大陆岛Qs的影响，本文采取典型区域验证和经验公式极值求解相结合的方法。选取海南岛的南渡江、昌化江和万泉河作为典型研究区，并假定上述3条河流共同组成了1个大陆岛“海南岛”。区域数据验证过程中，首先将这3条河流的流域特征参数值进行合并处理，并利用校正公式计算其Qs，其次利用校正公式分别计算3条河流的Qs，并求和，随后对比两者之间的差异，并用相对误差（RE）表示。RE的计算公式如下

式中，Qsp和Qsm分别为利用校正公式计算的Qs和水文观测站获取的Qs。

3 研究结果

3.1 经验公式计算值的相对误差

基于全球公式和修正公式，本文利用23条邻近大陆中小河流的流域参数特征值计算了它们的Qs（图2）。当全球公式计算值与水文站观测值相比较时，Model 1和Model 2计算的Qs被高估了100～101个数量级，而Model 3计算的Qs被高估了101～102个数量级；3个模型计算值的平均RE依次为3.49、2.27和47.34。当使用修正公式时，预测值和实测值较为接近，除个别河流外，相对误差为±1之间；3个模型计算值的平均RE分别为0.05、0.05和0.11。因此，利用全球公式计算中国东南部中小型河流的Qs时，将显著高估其数值，需对其计算公式进行区域参数校正。

图2 利用全球公式（a）和修正公式（b）计算的23条沿海流域沉积物入海通量预测值和观测值的相对误差Fig. 2 Relative errors between the predicted sediment flux and observations of the 23 coastal watersheds calculated by global equations (a) and modified equations (b)

3.2 “海南岛”河流检验结果

表3 展示了使用修正公式计算“海南岛”Qs所得的预测值和观测值相对误差数值。结果分析表明：（1）使用修正公式将相对高估南渡江的Qs，其相对误差为1.27～1.87；（2）修正公式能较好地预测昌化江和万泉河的Qs，其RE范围仅为-0.18～0.28；（3）使用修正公式会轻微高估“海南岛”的Qs，其RE范围为0.15～0.39，小于3条河流的平均值RE（0.34～0.75）。因此，将海南岛的3条河流看作1个河流流域—“海南岛”时，上述修正公式可用于预测其Qs。

表3 “海南岛”Qs观测值、预测值和相对误差统计表Table 3 Relative errors between the sediment flux predicted by the modified equations and observations of rivers in the Hainan Island

3.3 修正公式的极值特征

本文先将1个大陆岛看作1个河流流域，随后利用修正公式计算其Qs。但在现实中，1个大陆岛包含了多个河流流域。比如，海南岛包含了南渡江、昌化江和万泉河等13个流域面积超过500 km2的子流域。由于大陆岛的子流域数据未知，本文拟通过极值求解的方式分析其影响。首先，假定A为大陆岛的总面积，An是1个大陆岛的第n个子流域的面积，可以推出

其次，引入指数P1，P2和P3，分别代表了利用前述3个修正公式计算1个大陆岛所有子流域Qs的总和与将其看做1个流域计算得到的Qs之间的差异。它们的计算公式分别为

当n=1，公式（3）、（4）和（5）均取值1。当n＞1时，上述公式可分别变形为

分析可知，公式（3）、（4）和（5）的下限均为1，上限分别为n0.09，n0.13和n0.04。因此，将1个大陆岛当作1个流域处理时，使用修正公式计算得到的Qs是该大陆岛的下限值。而真实值与所研究大陆岛的河流流域数量n有关，修正公式低估其Qs的程度不超过n0.09，n0.13和n0.04。

3.4 大陆岛Qs的空间分布特征

3个修正公式计算的大陆岛Qs的数值大小与大陆岛的面积和最大高程呈显著正相关关系，与平均气温的关系不明显（图3）。3个模型估算的大陆岛Qs的数量级均为100～105t/a。就所有大陆岛的总Qs而言，Model 1和Model 2的计算结果较为接近，分别为1.26 Mt/a和0.91 Mt/a，而Model 3的计算结果数值相对较高，其值为5.15 Mt/a。尽管存在差异，但3个模型之间也构成了相互验证关系。3个模型计算值之间存在差异与它们的计算公式中主控因素的权重分配差异有关。基于3个模型计算结果的数值范围，本文推断所研究大陆岛的总Qs数量级为106t/a。

图3 大陆岛的面积（a）、最大高程（b）、平均气温（c）和Qs（d-f）空间分布Fig. 3 Distribution of the area (a), maximum relief (b), average temperature (c) and sediment flux (d-f) of continental shelf islands

4 讨论

掌握沉积物来源的大小及其时空分布特征是准确解译大陆架沉积记录的关键问题之一[16,18]。在大陆岛广泛分布的区域，大陆架沉积记录解译的物源收支研究主要集中在大陆河流的供给方面，而往往直接忽略大陆岛的贡献[16,20]。一方面相较于大陆河流流域，大陆岛的面积显得非常小，在理论上是可以直接忽略的，另一方面由于缺乏水文站的观测数据，也就无法构建出有效的大陆岛Qs经验方程。针对上述问题，本文基于邻近大陆河流与大陆岛的流域产沙特征具有相似性的推断，以中国东南部东海和南海的8 227个大陆岛为典型研究对象，提出了一种利用邻近大陆中小型河流Qs的经验公式估算大陆岛Qs的解决方案。

上述解决方案的实施需设置两个假定，即大陆岛的Qs法则遵循邻近大陆中小河流的Qs法则和可将1个大陆岛当作1个河流流域计算Qs。关于前者，由于所研究的大陆岛缺少水文观测站的统计数据，也就无法直接对其进行验证。针对这一假定，本文采取了一种替代方法，即采用海南岛已知河流的数据对其进行检验。具体而言，首先，将已知的海南岛河流（即南渡江、昌化江和万泉河）组建为一个大陆岛“海南岛”；其次，“海南岛”的最大高程、流域面积和平均气温分别取所有河流的最大值、汇总值和平均值；最后，利用修正公式对“海南岛”Qs进行计算，并与海南河流的观测值比较。结果表明，修正公式会轻微高估“海南岛”的Qs，其RE范围仅为0.15～0.39。针对假定二，本文对3个修正公式的极值情况进行了分析。结果显示，通过修正公式获得的大陆岛Qs为其最低数值，当实际情况被考虑时，其数值会轻微提高，但其增幅不超过n0.13（n为大陆岛的流域数量）。基于上述讨论，本文认为，利用邻近大陆中小型河流Qs的经验公式估算大陆岛Qs的方法是切实可行的。

尽管目前的修正公式不能计算出精确的Qs数值，但也为研究者提供了研究区大陆岛Qs的大致数量级信息（表4）。在全新世期间，东海和南海内陆架地区分别发育了两个大型的泥质沉积体系[14-15]。就泥质区的物源供给数量级而言，1个大陆岛的面积为接近0 km2至490.9 km2，对应Qs的数量级为100～105t/a；1条中小型河流的流域面积为425～60 992 km2，对应Qs的数量级为104～106t/a；1条大型河流（西江和长江）的流域面积为329 705～1 705 383 km2，对应Qs的数量级为107～108t/a。这一信息的获取对内陆架泥质沉积体系物源收支研究工作是个重要补充。将大陆岛和邻近大陆河流的流域面积、Qs和泥质沉积体系联系起来，可分析东海和南海内陆架地区沉积物供给的数量级特征和空间分布格局。

表4 东海和南海内陆架泥质沉积体系陆源供给特征（表中数值均指数量级）Table 4 Sediment sources characteristics of the mud sedimentary systems in inner continental shelf of East China Sea and South China Sea (the values in the table refer to order of magnitude)

就泥质沉积体系物源供给的空间分布特征而言，大陆河流与大陆岛存在明显差异（表4）。对于大陆河流而言，其供给模式属于沿大陆岸线分布的河口点源大数量级补给，其沉积物不仅用于河口及邻近区域沉积体的生长，还支持着远端泥质区的形成和演化[23,29]。比如，大量的长江细颗粒沉积物（101～102Mt/a）在逃离河口之后[46]，在波浪、潮流和陆架环流的共同作用下输运至浙闽近岸浅海，并延伸至台湾海峡中部区域，形成了全长800 km, 宽约100 km, 面积约为80 000 km2的东海泥质沉积体[14,16,47-48]。对于大陆岛而言，由于其更加靠近或甚至就位于泥质沉积区，其供给模式为沿大陆岛岸线散布的小数量级物源供给，仅能用于支持较短距离范围内的沉积体系的生长[23,29]。

就泥质沉积体系物源的时间序列供给特征而言，大陆岛和大陆河流在不同时间段分别对内陆架泥质沉积体扮演着重要角色（表4）。以往的研究结果表明，全新世高海面以来，来自大型河流的沉积物先是主要被用于其河口湾的充填[47-51]。河口湾的充填阶段受原始大陆架地形、海面位置和河流沉积物供给等因素的综合影响。对于杭州湾而言，由于堆积空间相对较大和入海河流的Qs较小，其河口湾目前仍处于继续充填阶段。珠江河口湾的堆积空间也相对较大，但流入该区域河流Qs的数量级也比较大，目前其充填过程已接近完成。来自珠江的沉积物在最近几百年里逐渐大量从河口湾逃逸，并在南海北部内陆架地区形成了面积辽阔的珠江远端泥沉积体系[15,18,49]。尽管长江河口湾的堆积空间较大，但由于其Qs数量级也比较大，其河口湾的充填大约在2 000多年前业已完成[51]。

在大河河口湾充填阶段完成以后，河流的细颗粒沉积物开始大规模向海逃逸，成为了支撑内陆架泥质沉积体系快速生长的主要物源[29]。但在充填阶段完成以前，来自邻近中小型河流或大陆岛的短距离补给沉积物是泥质沉积体系最主要的物质来源。虽然大陆岛Qs的数量级是最小的，但由于数量庞大（8 227个），它们的总面积（4 418.49 km2）和总Qs（106t/a）也相应达到了1条中小型河流的数量级。在泥质沉积体形成的整个生命周期里，大陆岛持续不断地提供着物源，不仅提供着细粒沉积物，而且补给了粗颗粒沉积物[23]。假设泥质沉积体的生长周期为6 000 a，那么这些大陆岛将给大陆架地区提供数量级约103Mt的沉积物，相当于目前10 a长江入海河流沉积物的总量。因此，关于大陆岛的入海沉积物对大陆架沉积体系的影响应引起研究人员的重视。

需指出的是，本文所采用的Qs计算方法只针对流域产生的入海沉积物，并未考虑因海岸基岩侵蚀产生的物质通量[52]。为了系统评估大陆岛对内陆架沉积体系的形成和演化过程的影响，未来需借助现场观测、实验室分析、数值模拟和大数据分析等研究方法，继续对如下几点开展研究工作：（1）建立大陆岛基岩岸线因侵蚀产生的Qs计算方法；（2）建立大陆架泥质沉积物中大陆岛沉积物的识别标志；（3）定量揭示大陆岛入海沉积物的时空分布特征；（4）探讨大陆河流、大陆岛和海洋动力过程在内陆架泥质沉积体形成和演化进程中的相互作用过程和机理。

5 结论

基于大陆岛遵循邻近大陆中小型河流的Qs法则和将1个大陆岛当作1个河流流域的两个假设，本文利用邻近大陆23条中小型河流Qs的经验公式对我国东南部东海和南海8 227个大陆岛的Qs进行了估算研究，并得出了如下主要结论：

（1）当使用全球经验公式预测河流的Qs时，其计算值会比河流水文站的观测值高100～102个数量级。

（2）当使用3个修正公式时，河流Qs的预测精度显著提高，其平均相对误差仅为0.05～0.11。

（3）3个修正公式能较好地预测“海南岛”的Qs，其相对误差为0.15～0.39。

（4）利用修正公式计算所得的大陆岛Qs为其最小值。当考虑流域数量n的实际情况时，Qs值会稍微增加，但其增幅不超过n0.13。

（5）我国东南部大陆岛的总Qs接近于邻近大陆的中小型河流的Qs，其数量级达到了106t/a。