（气象学专业论文）黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究.pdf

黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 摘要 黄河三角洲处于河流与海洋相互作用的过渡带，其陆海相互作用强烈，是黄 河入海物质的主要“汇”，同时还是这些入海物质向渤海扩散的“源”。为了深入 系统地研究黄河入海物质( 水、沙、营养盐和主要污染物) 的输运、转化和归宿， 中国海洋大学主持的“9 7 3 ”项目“中国典型河口一近海陆海相互作用及其环境 效应”第四课题“黄河三角洲海岸蚀积转换机制和趋势预测”与其他课题组一起 于2 0 0 3 年8 月2 4 2 7 日及2 0 0 3 年9 月2 5 - 2 6 日在黄河口及附近海域进行了两次 海洋环境综合调查。第一航次动用了1 3 艘船只，进行了1 0 船定点同步观察，共 获取了1 2 6 2 个温度、海流数据，7 2 9 个盐度数据，7 2 9 个悬浮体数据；第二航次 出动了三艘船只，进行三船定点同步观察和三条断面观测，共获取温度、海流数 据3 4 1 个，盐度数据2 0 8 个，悬浮体数据2 0 8 个。此外，收集了现代黄河三角洲 水下地形的从1 9 6 0 - - 2 0 0 3 年的实际测量数据。这些数据成为论文研究的重要依 据。 本论文首先对黄河口洪、枯季两个航次的海上调查数据资料分析，研究了枯 季的水文、泥沙基本特征，重点讨论了淡水扩散、盐淡水混合、盐水入侵过程、 泥沙输运、河口密度环流和黄河口最大浑浊带；其次，根据多年黄河三角洲水深 实测数据，对黄河水下三角洲冲淤量进行了计算和分析，并采用e o f 删统计分 析与预测数学模型，对黄河三角洲冲淤的空间格局、趋势变化等进行了分析，并 结合径流变化等对黄河三角洲形态的发育趋势进行了探讨。本次研究得到了以下 主要结论： 1 黄河口河水以异轻羽状流的形式向海方向扩散。淡水扩散具有潮周期性，高 潮时盐水入侵河道，阻挡了淡水的向海扩散，而低潮时淡水易于扩散。枯季 黄河口为垂向均匀混合型，洪季黄河口混合复杂，水体混合随时空不同而出 现高度分层型、部分混合型、垂向均匀混合型三种形式。 2 余流计算表明在黄河口拦门沙下游存在着熟盐成因的河口密度环流，环流上 支向海流动，下支向陆运动，它对拦门沙地区泥沙汇集起着极其重要的作用。 这是首次通过多船同步观察证实黄河i z l 河口环流的存在。 3 拦门沙上游泥沙向n e 方向运移，下游泥沙向w n w 方向运移，这种泥沙运 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 移特征使得现行黄河三角洲叶瓣向n n e 方向生长，黄河入海口不断向左偏 移，这种趋势与清水沟时期河口的偏转趋势完全相反。 4 枯季黄河口拦门沙附近一个潮周期内始终存在一个悬浮体浓度高值区，亦即 最大浑浊带。最大浑浊带在高高潮后的落急时晟为发育，悬浮体浓度峰值滞 后流速峰值约1 h 。拦门沙地区丰富的再悬浮泥沙是最大浑浊带形成的物质基 础，而汛急的水流是最大浑浊带形成的动力条件，盐水入侵使最大浑浊带向 陆推移，盐水通过使悬浮体絮凝降低了最大混浊带的强度，抑制最大浑浊带 的发展。 5 e o f a n n 统计分析预测模型实现了对黄河三角洲冲淤的空间格局、趋势变化 等比较简洁而准确的描述，并给出了黄河三角洲形态的发育趋势合理的预测。 黄河三角洲的冲淤变化基本上围绕着新老河口进行，行水河口淤积，但淤积 速度随着黄河来水来沙强度的减弱而趋于缓和；废弃河口冲刷，而冲刷速度 随海洋动力、水下地形等的变化也趋向于缓和。如果黄河水沙入海量按照现 有趋势发展，根据预测，黄河三角洲整体将里逐年收缩趋势。 关键词：黄河三角洲最大浑浊带泥沙输运统计预测模型冲淤变化 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 s t u d y o i ld y n a m i c a ls e d i m e n t a t i o na n d e r o s i o n - d e p o s i t i o ne v o l u t i o no fy e l l o wr i v e rd e l t a a b s t r a c t y e l l o wr i v e rd e l t ai sl o c a t e di nt h et r a n s i t i o n a lz o n eo f t h ef i v e r - s e ai n t e r a c t i o n , w h e r el a n da n ds e ai n t e r a c ti m e n s e l y t h i sf i t c ai sn o to n l yt h es i n ko ft h em a t e r i a l s f r o my e l l o wr i v e ri m ot h es e a , b u ta l s ot h es o u r c co ft h ey e l l o wr i v e rm a t e r i a l d i s p e r s a ls y s t e mi n t ot h eb o h a ls e a i no r d e rt os y s t e m a t i c a l l ys t u d y0 1 1t h e t r a n s p o r t a t i o n , t r a n s f o r m a t i o na n dt h ef a t eo ft h em a t e r i a l si n c l u d i n gf r e s h w a t e r , s i l t ， n u t r i t i o ns a l t sa n dp o l l u t a n t sf r o my e l l o wr i v e ri n t ot h es e a , t w os y n t h e t i cs u r v e y s 、e 砧c a r r i e do u tf r o m2 4a u g u s to f2 0 0 3t d2 7a u g u s to f2 0 0 3a n df r o m2 5 s e p t e m b e ro f2 0 0 3t o2 6s e p t e m b e ro f2 0 0 3r e s p e c t i v e l yb yo c e a nu n i v e r s i t yo f c h i n as u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f m e c h a n i s ma n dp r o t e c t i o no f e r o s i o n - d e p o s i t i o no f y e l l o wr i v e rd e l t a , w h i c hi s p a r to fn a t i o n a l9 7 3p r o j e c to fc h i n a ： l a n d - s e a i n t e r a c t i o na n di t se f f e c to i lt h ee n v i r o n m e n ti nt h et y p i c a le s t u a r i e sa n dc o a s t a ls e a s o fc h i n a t h i r t e e r lb o a t sw e r eu s e di nt h ef i r s tt i m e , t e no fw h i c hw e r eu s e dt oc a r r y o l ls y n c h r o n o u sf i x e d - p o i n to b s e r v a t i o n 1 2 6 2d a t ao ft e m p e r a t u r ea n dc u r r e n tf l o w ， a n d7 2 9d a t ao f s a l i n i t ya n d7 2 9d a t ao f s u s p e n d e ds e d i m e n tw c i eo b t a i n e dt o t a l l y i n t h es e c o n dt i m e ，t h r e eb o a t sw e r eu s e dt oc a r r yo bs y n c h r o n o u sf i x e d - p o i n t 0 b s e r v a t i o na n dt h r e eg l o s ss e c t i o no b s e r v a t i o n s i nt h a tc r u i s e 3 4 1d a t ao f t e m p e r a t u r ea n dc u r r e n tf l o w , a n d2 0 8d a t ao fs a l i n i t ya n ds u s p e n d e ds e d i m e n tw c l q 。 o b t a i n e dt o t a l l y i na d d i t i o n , t h et e r r a i nd a t ao f y e l l o wr i v e rd e l t af r o m1 9 6 0t o2 0 0 3 w e r ec o l l e c t e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h es u r v e yd a mi nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r ya r e ad u r i n g f l o o da n dd r o u g h ta a p p l i e dt oa n a l y z et h eh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e d i m e n td u r i n gd r o u g h ta n df l o o d , r e s p e c t i v e l y f r e s h w a t e r d i s p e r s i o n , f r e s h - s a l i n ew a t e rm 政i n 舀s a l t w a t e ri n t r u s i o n , s e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n , e s t u a r i n ec i r c u l a t i o na n dt u r b i d i t ym a x i m u ma r es t u d i e di nd e t a i l s e c o n d l y , t h e t e r r a i nd a mi sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ee r o s i o n - d e p o s i t i o nr a t eo fy e l l o wr i v e td e l t a a ne o f & a n ns t a t i s t i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt od e s c r i b ea n df o r e c a s tt h et o p o g r a p h i c m 差翌三垄型垫查婴垄苎茎堕奎翌塞 d e v e l o p m e n to ft h ey e l l o wd e l t a t h ea n a l y s i so f t h ev a r i a t i o no fe r o s i o n - d e p o s i t i o n a n dt h em o r p h o l o g i c a le v o l u t i o no ft h ey e l l o wd e l t ai sa l s ob a s e do nt h ev a r i a t i o no f t h ew a t e ra n ds e d i m e n td i s c h a r g ea n de s t - t l a r i n ep o s i t i o no ft h ey e l l o wr i v e r t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e 舶s hw a t e rd i s p e r s e si n t ot h es e a 勰t h eh y p o p y c n a lf l o w t h ef r e s h w a t e r d i s p e r s i o na n dt h es a l t w a t e ri n t r u s i o nb o t hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et i d a lc y c l e t h es a l tw a t e ri n t r u d e si n t ot h ec h a n n e ll i k eaw a l lb ym e a n so ff r e s h - s a l i n ew a t e r m i x i n g , w h i c ho b s u u c t st h ed i s p e r s i n go ft h ef r e s hw a t e r a tt h ef l o o dt i m e , w h i l et h e f r e s hw a t e rd i s p e r s e sf a r t h e ra tt h ee b bt i m e y e l l o wr i v e rm o u t hi sc o m p l e t e d v e r t i c a lm i x i n gt y p ed a r i n gd r o u g h t , w h i l et h em i x i n go fy e l l o wr i v e rm o u t hi s c o m p l i c a t e dd u r i n gf l o o d t h et y p e so fp a r tm i x i n g ，c o m p l e t e dm i x a n ga n ds t r a t i f i e d m i x i n ga p p e a ri nd i f f e r e n tp l a c ea n d a td i f f e r e n tt i m e 2r e s i d u a le a r r e n tc a l c u l a t e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h ed a t ao fc u r r e n tf i r s t l y i n d i c a t e st h a tt h e r ei sa l le s t u a r i n ec i r c u l a t i o ni nt h ed o w n r i v e ro f m o u t hb a r , u po f f s e t o fw h i c hm o v eo f f s h o r e ，w h i l ed o w no f f s e to fw h i c hm o v eo n s h o r e ，w h i c hp l a ya l l i m p o r t a n tr o l ei n t h es e d i m e n tt r a pi nt h em o u t h b a r 3 s e d i m e n ti nt h eu p r i v e ro fm o u t hb a ri st r a n s p o r t e dt o w a r d st h en e ，a n dt h e s e d i m e n ti nt h ed o w n r i v e ri st r a n s p o r t e dt o w a r dt h ew e w , w h i c hr e s u l l si nt h en e w d e l t al o b ee x p a n d i i l gt ot h en n e t h em o u t ho f y e l l o wr i v e r w i l lo f f s e tl e i t , a n dt h i s t r e n do f d e v e l o p i n gi sa b s o l u t e l yo p p o s i t et ot h a td u r i n ge p o c ho f s h u i q i n gc h a n n e l 4 t h e r ei sam a x i n l u l no fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nn a m e d a st u r b i d i t yl 】a a x i m m n e a rt h em o u t hb a rf r o mu p r i v e rt od o w n r i v e ri no n et i d a lc y c l e t h ec o n c e n t r a t i o no f t h es e d i n a e n tr e a c h e st ot h em a x i m u mw h e nt h es p e e do fc u r r e n ti ne b bt i m ei si n m a x i m u n lag r e a td e a lo fr e s p o n d e ds e d i m e n tn e a rt h em o t hb a ri s t h eb a s i c c o n d i t i o n , a n dt h er a p i dc u r r e n ti st h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o nf o rt h ef o r m i n go f t u r b i d i t ym a x i m l m l t h es a l t - w a t e ri n t r u s i o nc o m p e l st h et u r b i d i t y l 姚l l mt ot h e u p r i v e r , a n dt h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sw i t ht i ms a l t - w a t e ri n t r u d i n gi n t o t h e f i v e r w h i c h a c c e l e r a t e s t h e f l o c c u l a t i o n o f f i n e r g r a i n - s i z es e d i m e n t s 5 w i t ht h ee o f & a n ns t a t i s t i c a lm o d e l ，t h ep a t t e r no f e r o s i o na n dd e p o s i t i o nc a n b ew e l lr e v e a l e da n dt h em o r p h o l o g i c a le v o l u t i o nc a nb ef o r e c a s t e di ns o m ed e g r e e i v 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 i nt e r mo f s p a c e ，t h ee v o l u t i o no f t h ey e l l o wr i v e rd e l t ah a sb e e nc e n t e r e do nt h eo l d a n dc t m - e n te s t u a r i e s n e a rl h ed i s c a r d e dr i v e rm o u t h , t h eu n d e r w a t e rs h o r es l o p ei s e r o d e dd u ot ot h ei n f l u e n c eo ft h ew a v e sa n dc u r r e n t s c o n v e r s e l y , i nt h ec u r r e n t e s t u a r i n ea r e a ，t h ew a t e r - s e d i m e n td i s c h a r g ef r o mt h ey e l l o wr i v e rs e a s o n a l l yh a s m a d et h es h o r e l i n ee x t e n s i o no u t w a r d o t h e r w i s e ，f r o mt h et e m p o r a lp o i n to fv i e w , b o t hd e p o s i t i o na n de r o s i o na r ei naw e a k e n i n gt r e n d a c c o r d i n gt ot h ef u t u r e s u b m a r i n et o p o g r a p h yc a l c u l a t e db yt h em o d e l ，t h ew h o l ed e l t ai ss h r i n k i n gy e a rb y y e 瓯 k e yw o r d s ：y e l l o wd e l t at u r b i d i t ym a x i m u m s e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n s t a t i s t i c a lm o d e l d e p o s i t i o na n de r o s i o n v 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 1 引言 河口海岸带是水圈、岩石圈、大气圈、生物圈四圈交汇和共同作用的地带， 这些作用造成了河口、海岸及其邻近海域、河陆域的物理、化学、生物和地质等 过程在时空上的复杂变化，陆海相互作用强烈。全世界河流入海悬浮物质、生源 要素及污染物的7 5 - - 9 0 归宿于海岸带，全世界8 0 9 6 以上人口超过百万的大城市 位于海岸带，特别是大河河口。这里是人类经济文化活动最为频繁的区域，是开 发、利用海洋资源最为重要的地带。海岸带的地貌演变和生态环境演化直接关系 到人类的生存空间、生存质量和持续发展。因此，海岸带陆海相互作用( l o i c z ) 研究成为国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 的核心计划之一。 1 1 黄河三角洲沉积过程研究意义 中国河流每年向海输送的泥沙达2 0 亿吨，约有1 3 是被河流输送至近岸海 洋( 程天文，赵楚年，1 9 8 4 ) 。黄河以其巨量的泥沙而著称，黄河三角洲又最敏 感地反映了流域的环境变化。自7 0 年代以来黄河入海水沙量大幅度减少、甚至 出现严重的断流现象，黄河三角洲延伸造陆速率明显减慢，表现在原行河流路海 岸带上出现严重的蚀退。黄河三角洲是我国睢一的每年产生大面积后备土地资源 的地区，同时又是我国第二大油田胜利油田的所在地，三角洲造陆会使胜利油田 的海上采油变为陆上采油，可以产生巨大的经济效益。因此，研究黄河三角洲沉 积过程，不仅对黄河三角洲的规划治理、国土整治以及油气资源的勘探和开发具 有十分重要的现实意义，而且能为世界提供丰沙大河三角洲趋于整体动态平衡的 研究实例。同时，黄河是典型的水少沙多、来沙量最集中的河流，具有独特而典 型的沉积动力现象，被称为“天然实验室0 对其沉积动力学的研究对河口海岸 学的研究有重要的理论意义。 1 2 现代黄河三角洲的研究现状 黄河是中国第二大河，也是世界著名大河，黄河入海泥沙量巨大，以来水来 沙集中，河水含沙量高而著称。黄河入海泥沙在河口地区快速落淤，形成规模巨 大的河口拦门沙和陡峭的河口前缘，同时黄河口是一个典型的弱潮型河口，潮区 界一口门( 感潮河段) 只有1 5 k m 左右，加之波浪、海流、风暴潮等复杂动力因素 的作用河口的泥沙沉积，进而影响着三角洲的发育和演变。由于黄河口性质独特， 使得它成为国内外河口海岸研究领域内的一个热点和难点。国内外诸多学者曾对 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 黄河三角洲做了大量的实际调查与理论研究。 现代黄河三角洲的研究历史可以追溯到1 8 6 8 年r p u m p e l l y 对黄河三角洲平 原和古河道的论述，但在1 9 3 4 年以前，基本上无观测资料。上个世纪7 0 年代末 以来，由于黄河三角洲油气资源的开发及三角洲总体发展的需要，黄河三角洲的 研究取得了长足的发展，国内外诸多学者从黄河三角洲地质地貌特征，三角洲的 发育演变，黄河河口及其近海水文水动力特征、泥沙运动及沉积作用、地球化学 特征和生态环境演变等多个方面做了大量的实际调查与理论研究工作。二十多年 来的调查研究工作可以大体分为两个阶段： 第一阶段，从上世纪7 0 年代末至9 0 年代初，采用的调查手段和研究资料比 较单一，大部分的研究多为建立在野外调查数据之上的定性分析和解释。 如1 9 8 5 1 9 8 7 年中国海洋大学分别同美国、法国合作进行的黄河口沉积动 力学调查；1 9 8 5 - - 1 9 8 8 年中国科学院海洋研究所利用遥感资料对黄河三角洲沉 积物扩散、岸滩演变进行的研究；1 9 8 6 - - 1 9 8 9 年原地矿部青岛海洋地质研究所 与荷兰合作进行的比较沉积学的研究，重点是探讨黄河三角洲现代沉积作用和沉 积模式。李栓科( 1 9 8 9 ) 、李从先( 1 9 8 8 ) 、薛春汀等( 1 9 9 3 ) 、姜在兴等( 1 9 9 3 ) 、 万延森( 1 9 8 9 ) 、林承焰等( 1 9 9 3 ) 研究了黄河三角洲沉积特征、沉积环境、沉 积模式等地质特征；叶青超( 1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) 、任于灿( 1 9 9 2 ) 、李元芳等( 1 9 9 1 ) 、 李培英等( 1 9 9 2 ) ，杨作升等( 1 9 9 0 ) 、陈卫民和杨作升( 1 9 9 2 ) 从不同角度研究 了现代黄河三角洲地貌结构特征及其发育演化；庞家珍和司书亨( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 、 陈吉余( 1 9 8 9 ) 、庄振业等( 1 9 9 1 ) 、尹学良( 1 9 8 2 ) 分别研究了黄河流路的变迁、 黄河三角洲的发育演变、三角洲岸线的演变等问题；j o h nd m i l l i m a n ( 1 9 8 3 ， 1 9 9 2 ) 、侍茂崇等( 1 9 8 5 a ，1 9 8 5 b ) 、李泽刚( 1 9 8 4 ，1 9 9 3 ) 、刘风岳( 1 9 8 9 ) 、张 世奇( 1 9 9 0 ) 、孙效功等( 1 9 9 3 a ，1 9 9 3 b ) 、黄世光和王志豪( 1 9 9 0 ) 、范顺庭和 王以谋( 1 9 9 3 ) 定性定量研究了黄河河口及其附近海域的水文水动力特征、泥沙 运动及沉积作用、冲淤变化；黄薇文和张经( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ) 、沈志良和乐肯堂( 1 9 9 3 ) 研究了黄河河口沉积物地球化学特征及环境变化。 第二阶段，从上世纪9 0 年代初至今，不仅调查手段和研究资料呈现多样化 一发展了多学科联合调查，高分辨率声学探测，卫星遥感等等，而且随着河口海 岸动力学、现代数学以及计算机功能的迅速发展，对黄河三角洲的研究从定性走 2 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 向定量，从较为单一的方法走向多种方法尤其是数学方法的综合，从区域性研究 走向整体性研究，因此研究进入了横向铺展和纵向深入阶段。 崔承琦和印萍( 1 9 9 4 ) 、杨作升等( 1 9 9 4 ) 、林振宏和杨作升( 1 9 9 5 ) 、常瑞 芳等( 2 0 0 0 ) 、孙效功等( 2 0 0 1 ) 、陈卫民和杨作升( 2 0 0 1 ) 、刘庆生等( 2 0 0 3 ) 用新的调查研究方法研究了黄河三角洲地质地貌新特征及其发育演化；l i 等 ( 1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ，2 0 0 0 ，2 0 0 0 1 ，2 0 0 4 ) 研究了黄河三角洲的沉积动力过程；曹 文洪( 1 9 9 7 ) 、周永青( 1 9 9 8 ) 、y o s h i ms a i t o a ( 2 0 0 0 ) 、尹延鸿等( 2 0 0 4 ) 、常 军等( 2 0 0 4 ) 、黄海军和樊辉( 2 0 0 4 ) 基于遥感与实测资料结合数学方法等研究了 整体黄河三角洲及其海岸的发育演变；孙效功( 1 9 9 5 ) 、庞家珍等( 2 0 0 0 ) 、李福 林等( 2 0 0 1 ) 、李希宁等( 2 0 0 1 ) 、刘曙光等( 2 0 0 1 ) 、许炯心( 2 0 0 2 ) 、鹿洪友和 李广雪( 2 0 0 3 ) 依据多年实测与遥感资料结合黄河水沙变化等从不同角度采用不 同的定量分析方法研究了黄河三角洲整体冲淤演变规律、发展趋势及其与径流水 沙等的关系；董年虎( 1 9 9 7 ) 、王以谋等( 1 9 9 8 ) 、李广雪( 1 9 9 9 ) 、乐肯堂( 2 0 0 1 ) 、 曹文洪( 2 0 0 1 ) 、张士华和邓声贵( 2 0 0 4 ) 结合实测资料运用数值模型或其它数 学方法模拟并研究了黄河河口及近岸海域水动力特征及泥沙运动特征。 另外，受全球变化及人类活动影响，进入上世纪7 0 年代，黄河入海水沙剧 减，断流问题日趋严重，使黄河三角洲及其邻近海区的生态环境发生了重大变化， 业已成为2 1 世纪中国重大河口海岸带生态环境问题之一。基于此，田家怡和王 民( 1 9 9 7 ) 、周永青和陈宗团( 1 9 9 8 ) 、吴凯等( 1 9 9 8 ) 、王爱军等( 2 0 0 2 ) 、韩景 瑞和王世溪( 2 0 0 2 ) 、崔树强等( 2 0 0 2 ) 研究了黄河入海水沙剧减、黄河断流的 特征和趋势及其对黄河三角洲及近海生态环境造成的影响。 1 3 河口水沙沉积动力学研究进展 国内外诸多学者对河口水沙的沉积动力学做过研究，涉及海洋动力与河口径 流的相互作用机理、盐水楔的特点和运移规律，河口泥沙输移与扩散规律、河口 拦门沙的形成过程与演变特性等。总结一下，可分为以下几类： 首先是基于实际调查资料的研究，在分析大量河口同步水沙运动、最大浑浊 带和异重流等的现场观测的基础上对河口的动力过程进行论述。l i 等( 2 0 0 1 ， 2 0 0 4 ) 通过对实测资料的分析从理论上论述了黄河口切变锋的发生机理、河口异 重流的产生条件，在此基础上论述了在几种动力作用下黄河口泥沙的快速沉积过 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 程：朱建荣、丁平兴等( 2 0 0 3 ) 通过对长江口冲淡水的资料分析，论述了河口羽 状流传播的规律及分析了冲淡水的分布类型与径流量的关系；谷国传等( 1 9 9 4 ) 分析了长江口盐水入侵的特征、盐水来源并探讨了盐水入侵的原理；庞重光、杨 作升等( 2 0 0 0 ) 从实测资料出发分析了黄河口最大浑浊带的特征及其时空演变规 律，探讨了其形成杌制。这类研究展示了自然界的动力现象，具有极高的理论价 值，由于实测资料的限制，对机理的探讨往往以描述为主，不能深入。为了克服 这个缺点，数值模拟方法被广泛的引入到河口沉积动力的研究中来，并为河口沉 积动力学增添了新的活力。 在研究初期，许多学者建立了二维的数值模型来模拟河口的动力过程和现 象。庞重光、杨作升( 2 0 0 1 ) 利用二维的输沙模型对黄河口异重流进行数值模拟 研究；李东风、张红武等建立了黄河河道河口的二维数学模型，模拟了河口区域 的潮流潮汐特性和泥沙输移规律( 1 9 9 9 ，2 0 0 4 ) 。近年来三维数值模拟在河口沉 积动力的研究中广泛应用，取得了很大的进展。 前述这些研究成果阐述了河口动力的作用形态，为进一步黄河口水沙输运动 力机制的研究提供了重要依据。黄河是一条含沙量极高、径流量季节性变化明显 的典型河口。高流量状态下黄河携带大量泥沙入海，在河口区形成最大浑浊带、 泥沙异重流等典型的沉积动力现象。这些现象的研究对促进河口沉积动力学的发 展有着重大的意义，同时，对黄河口水沙运动规律的研究是研究泥沙冲淤、海岸 侵蚀等的基础，对探索黄河口综合治理、水沙利用及三角洲的可持续治理开发有 着重要的现实意义。 1 4 统计与恢复预测模型的研究现状 所谓统计模型的方法实际上就是通过对野外调查数据进行统计处理进而得 到所研究的物理现象基本规律的方法。目前常用的方法有回归分析、趋势面分析、 判别分析、聚类分析、典型相关分析和主成分分析。这些统计分析模型在众多颁 域应用非常广泛。这里只介绍与本文相关的e o f 分析模型，另外还简单介绍了本 文采用的恢复预测模型一人工神经网络。 e o f ( e m p i r i c a l0 r t h o g o n a lf u n c t i o n ) 方法，又称主分量分析方法，是一 种多变量统计分析方法( 黄嘉佑，2 0 0 0 ) 。e o f 最早应用于气象方面的要素场( 如 气压场、海温场、降水场) 分析( c r a d d o c k ，1 9 6 9 ；k u 乜b a c h ，1 9 7 0 ) ，从2 0 世 4 黄河三角洲动力沉积及冲凇演变研究 纪7 0 年代末开始至今，许多学者将e o f 方法用于水下地形变化及相应输沙规律 的分析( w i n a n t ，1 9 7 5 ；a u b r e y ，1 9 7 9 ；l a r s o n ，1 9 9 9 ) 。国内对e o f 的应用始 于2 0 世纪8 0 年代，主要集中于对气压高度场、降水场、温度场等的研究分析。 后来也有人将e o f 方法应用于地学方面( 金庆祥，1 9 8 8 ：黄卫凯，陈吉余，1 9 9 5 ； 龙胜平，金庆祥，1 9 9 7 ；崔笃信，刘文义，2 0 0 0 ) 。 e o f 方法基本原理是将随时间变化的要素场( 水深场、气温场等) 分解为空 间函数部分和时间函数部分，每个函数的各个分量相互正交，其中前几个主分量 代表了要素场的主要信息。其优点在于：( 1 ) 典型场由要素场本身的特征来确定， 不需要事先人为地规定任何函数形式，因而能客观地反应要素场的主要特征；( 2 ) 可以压缩大量资料，排除一些随机扰动的影响，有利于找到影响要素场变化的主 要因素；( 3 ) 便于与其他方法( 如回归分析等) 结合来进行要素场的恢复和预测。 人工神经网络模型是一种非线性预测模型，通过采集数据样本进行学习的方 法来建立数据模型，并进行模式识别和预测。神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 3 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 提出了“卅p ”模 型开创了神经网络研究的先河，之后，陆续有感知器模型、自适应线性单元网络 等面世。2 0 世纪8 0 年代中期以来，尤其是b p 神经网络的提出，使神经网络的 应用研究取得了很大的成绩，涉及面非常广泛。 b p 神经网络通常是指基于误差反向传播算法的多层前向神经网络，它是d e r u m e l h a r t 和j l m c c e l l a n d 及其研究小组在1 9 8 6 年研究并设计出来的。b p 网络的神经元采用的传递函数通常是s i g m o i d 型可微函数，所以可以实现输入和 输出间的任意非线性映射，这使得它成为目前应用最为广泛的神经网络学习算 法。然而b p 神经网络也存在一定的局限性，由于它是基于梯度下降的误差反向 传播算法进行学习的，所以其网络训练速度通常很慢，而且很容易陷入局部极小 点，尽管采用一些改进的快速学习算法可以较好地解决某些实际问题，但是在设 计过程中往往都要经过反复的试凑和训练过程，无法严格保证每次训练时b p 算 法的收敛性和全局最优性。此外，b p 网络隐层神经元的作用机理及其个数选择 已成为b p 网络研究中的一个难点问题。 1 5 本论文主要工作 本论文主要依据2 0 0 3 年8 、9 月两次黄河口野外调查数据资料，通过系统整 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 理和深入分析，揭示河 3 - - - 角洲水动力环境、泥沙运动特征，探讨黄河三角洲动 力沉积作用；同时，基于河口三角洲的多年水深实际测量资料，探讨了三角洲的 冲淤演变规律。本论文的主要研究工作如下： 1 对2 0 0 3 年8 、9 月黄河不同流量状态下两次黄河口海洋调查资料进行处 理分析，查明黄河口附近水域的水文和泥沙特征，初步探讨黄河不同流量状态下 黄河口入海水沙的输运形式和特征，进而分析黄河口在黄河不同流量状态下淡水 扩散和泥沙输运的规律，探索河口沉积动力现象的形态和形成机制，为以后黄河 三角洲泥沙冲淤演变的进一步研究打下基础。这些工作不仅对河口沉积动力学研 究有重要意义，同时也是国家“9 7 3 ”项目“中国典型河口一近海陆海相互作用 及其环境效应”( 2 0 0 2 1 2 2 0 0 7 1 2 ) 第四子课题“黄河三角洲冲淤转换机制及趋 势预测”的重要研究内容之一。 2 基于较长时问尺度( 主要是年际的尺度) 考虑，采用经验正交函数分解 ( e m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n s ，e o f ) 与人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k , a n n ) 相结合的多元统计与预测模型来分析黄河三角洲水下地形的时 空变化规律，同时联系黄河水沙变化、外海动力变化等各项因素对黄河三角洲的 发育趋势进行多层次多方面的探讨。 6 ， 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 2 研究区域概况 现代黄河三角洲是指1 8 5 5 年8 月黄河自河南铜瓦厢决口夺大清河入渤海以 来所形成的巨大的扇形堆积体，南、北分别与渤海湾、莱州湾相邻。黄河三角洲 是由古代、近代和现代三个三角洲体系组成的联合体。三角洲平原地势低平，西 南部海拔l l m ，最高处利津南宋乡河滩高地高程为1 3 3 m ，老董一垦利一带9 l o m ， 罗家屋子一带约7 m ，东北部最低处小于l m ，自然比降1 8 0 0 0 1 1 2 0 0 0 。区内 以黄河河床为骨架，构成地面的主要分水岭。此区域以及其相邻附近海域动力因 素复杂，海岸变化剧烈。本文的研究区域为以宁海为顶点的现代黄河三角洲及其 临近海域，它西起套尔河，东至1 1 9 。4 8 7 e ，北起3 8 。3 0 7 n ，南至支脉沟，黄 河三角洲的范围及水下地形如图2 1 所示。 图2 1 黄河三角洲的范围及地形 黄河三角洲是由黄河多次改道和决口泛滥而形成的，其总体冲游待点是行水 ， 河道口门外淤积，而废弃河道口门外冲刷。百余年来，尾闾河道历经1 0 次大规 模的改道，其扇形摆动先以宁海为顶点，1 9 3 4 年后下移至渔洼。1 9 7 6 年5 月黄 河改道清水沟入海，由于巨量入海泥沙在口门外淤积，至今清水沟流路已形成了 凸向东南的鸟嘴状黄河亚三角洲。1 9 7 6 年以来，黄河口门外年均淤积厚度达l m 以上( 孙效功等，1 9 9 3 b ) ，1 9 7 6 年黄河取道清水沟至1 9 8 0 年汛期后，泥沙填满 了改道前水深l o m 的海域，至1 9 8 4 年河口沙嘴前伸2 8 k m ，建造了以清水沟为中 黄河三角洲动力沉积及冲淤演变研究 轴的新亚三角洲，造陆率约为3 3 5 0 1 a u a ( 孙效功等，1 9 9 3 b ) 。而原钓口河流 路所形成的亚三角洲则由于黄河来沙的终止而不断遭受海洋动力的侵蚀，其岸线 大幅度蚀退。1 9 9 6 年由于油田建设的需要，黄河人工改走清水沟北汉入海，河 口继续向海淤积，而原清水沟流路水下三角洲开始蚀退。 2 1 气象水文 2 1 1 气候概况 1 气温及降水 现行黄河三角洲邻近半封闭的渤海海域，属于大陆性温带季风气候区，四季 差异明显，气候适中。年均气温i i 5 1 2 4 。c 。累年各月平均气温：7 月最高， 为2 6 6 。c ；1 月最低，为一4 1 。c 。历年的年最高气温均在3 6 2 0 c 以上，历年的 年最低气温均在一1 0 3 0 c 以下。 黄河三角洲处于半干旱地带，累年年平均降水量5 9 0 9 , m 。累年各月平均降 水量以7 月份最大，为2 2 7 舢；1 月份最小，为1 7 r m 。雨季一般在6 月底至7 月开始，结束期在9 月上旬，雨季的持续时间为6 5 天，大都集中在7 8 月份， 约占全年总降雨量的5 0 - 7 0 。年蒸发量在1 5 0 0 m 以上，大予降水量，故天 气干旱。 2 风向及风速 黄河三角洲地处温带季风区，全年风向变化明显，总的来讲，冬半年盛行偏 北风，夏半年盛行偏南风。本海区风况据1 9 7 0 1 9 8 4 年的1 5 年连续观测资料分 析表明，常风向s w ，频率为1 1 3 7 ；次常风向为e 和e n e ，频率分别为8 8 8 和6 9 1 。强风向以e n e 为主，频率为0 8 8 ；次强风向为e 和n n w ( 崔承琦 等，2 0 0 1 ) 。据黄河海港区域的风向统计资料可知：