黄河三角洲泥沙运移的河道水沙变化

黄河三角洲泥沙运移的河道水沙变化

黄河三角洲的发展和发展是海洋动力、河流动力和河流泥沙联合变化的结果。黄河三角洲河流动力的作用是局部的、小范围的,并且,随着黄河入海水沙的逐年减少,其作用亦远不及上个世纪90年代以前的规模,而海动力的作用已越来越突出地表现出大范围的持久力。黄河三角洲因突出于渤海的三角洲地貌形态和黄河下游近年来的水沙减少,在海洋动力——流、浪、潮特别是风暴潮的作用下,整个三角洲都表现了日益加剧的海岸侵蚀,致使黄河三角洲这块世界最大的新生滨海湿地和国土资源逐步退化,湿地对风暴潮危害的缓冲器功能逐渐丧失,已严重地恶化了黄河现代三角洲的发育功能和三角洲经济开发环境,不仅对胜利油田的滩海工程和海上平台、管缆设施造成了严重威胁,而且对整个黄河三角洲国家高效生态经济示范区及其湿地自然环境影响也带来了严重的后果,其侵蚀态势倍受油田和综合开发管理部门的重视,也是学术界面临的世界性热点问题之一。本文旨在从黄河入海泥沙的运移与扩散出发,探讨三角洲的冲淤变化规律和岸滩侵蚀态势。(杜素兰编辑)1角洲叶瓣发育过程黄河尾闾的摆动和河口变迁使黄河入海泥沙的运移和扩散存在2个明显不同的过程。其一,发生在黄河行水口门附近,黄河入海泥沙在河海动力综合作用下,大部分堆积在河口附近,只有少量扩散到外海,这个过程可以称为三角洲叶瓣发育过程。其二,在黄河尾闾改道、河口他徙之后,河流作用消失,泥沙来源断绝,已经堆积的泥沙在海洋动力作用下,重新起动,再次运移扩散,这个过程称为海岸过程。就近些年来黄河入海水沙变化言,三角洲叶瓣发育过程仅局限于黄河行水口门附近,且规模呈越来越小之态势,而表现渐趋突出的则是广大三角洲沿岸因物源断绝所引起的泥沙再分配发生的岸滩侵蚀后退现象。1.1悬沙运移的形态黄河进入河口段后,由于地势平坦,河口不通畅,同时受与河流流向近于垂直的往复潮流的阻挡,使得黄河水沙入海时流势大减,大部分泥沙沉淤在口门及其附近,形成河口沙坝及三角洲前缘陡坡。其余较细泥沙输出口门后(当然包括沉淤后重新悬浮的细粒),主要在往复潮流的作用下,多以悬沙形式分成两支向南北方向运移。出口门向南运移的悬沙分支,悬沙浓度较高,先向SE方向运移,至水深约10m处转向SW,在距口门10~15km处形成直径为3~4km的涡旋,最后向NE方向扩散。这一支悬浮运移显然主要受涨潮流的控制。另一支悬沙主要在落潮流的作用下向北运移,悬沙浓度较低,运移势头较小,在距口门更近的地方,也形成一个较小的涡旋,向北未达五号桩以东海区,最后也转向NE方向扩散。1996年人工从清8开挖汊道,使黄河向NE方向入海,此后河口附近的悬沙运移形势略有变化,但仍然是沙随潮流流动,基本形势未有大的变动。1.2-8月坡下运移模式如前所述,黄河入海泥沙大部分淤积在口门及其附近,形成河口沙坝及三角洲前缘陡坡,此处最先快速堆积的大多数为较粗的泥沙。这部分泥沙在以波浪为主的波、流共同作用下,以底移质方式向坡下运移,其运移距离较之悬沙更近。然后在河口大咀的南北两侧,以沿岸输沙的形式,沿岸滩分别向南、北方向运移。由于沿岸输沙的控制动力是波浪,其运移方向和规模存在明显的季节性。夏半年(3-8月)本区以南风为主,盛行SE浪,沿岸输沙以向北运移为主,规模不大。种种迹象表明,向北的沿岸输沙也没到达五号桩岸滩。冬半年,主要是晚秋至早春,本区以偏北风为主,相应盛行NE向浪,且风大浪高。沿岸输沙以南向为主,规模较大。根据1988年的监测资料,南向沿岸输沙已达小清河口,其泥沙运移的基本形势如图1所示。1.3黄河大量泥沙根据前人研究,黄河入海河口附近三角洲前缘斜坡上存在众多的破坏性地形,有些破坏性地形是由海底块体运动(塌陷、滑坡等)和粉砂流造成的,成为黄河入海泥沙运移的重要方式之一。众所周知,黄河入海泥沙多集中在汛期,根据前人资料计算,黄河在汛期输送入海的泥沙占全年入海泥沙总量的80%以上,而汛期入海水量仅占全年水量的不足60%。在汛期大量泥沙集中在黄河河口段,在潮流顶托、河口环流和涡流等作用下,形成悬沙浓度较大的河口浑浊带,浑浊带中泥沙若快速沉降,很易形成浓度更大的“泥水混合物”(浮泥),顺坡流动,形成“泥沙流”,有学者将其称作粉砂流,是黄河入海泥沙一种快速的重要运移方式。黄河大量泥沙在河口不大的范围内快速沉淤,使堆积速度加快,在三角洲前缘形成较陡的斜坡。沉积后的泥沙比较松软,在波浪等动力的扰动下,常常形成塌陷、滑坡等块体移动,这也是黄河入海泥沙运移的方式之一。2黄河三角洲沿岸侵蚀变化的基本状态2.1多年来，不同深度地形的冲砂机变化2.1.1角洲海岸岸线的变化黄河自1855年于河南铜瓦厢决口夺大清河重入渤海以来,三角洲海岸岸线发生了显著变化。据前人统计,至1998年,黄河实际行水133a,三角洲岸线平均向海推进18.4km,造陆面积2677km2,平均每年造陆20km2。2.1.2河口周边泥沙冲蚀1959-1976年冲淤变化如图2所示,由图2可见,三角洲东北部滨外出现大范围淤积区,其中钓口大嘴外偏西部淤积最烈,最厚达13m以上。据查,1959-1976年是黄河走神仙沟流路的后期和全部钓口流路时期。河口附近泥沙淤积说明,大部分的入海泥沙扩散距离很近。钓口大嘴外淤积厚度不对称分布表明,黄河当时的入海泥沙以向西运移为主。另外,在甜水沟口外偏南部有一块范围不大的冲蚀区,最大冲蚀厚度达4m以上。冲蚀区以南为一带状弱淤积区,以北则是大范围的较强淤积区。说明甜水沟流路终结以后,河口附近发生强烈的冲蚀。在这个过程中,蚀余物质大部分沿海岸向南北运移,致使南北两侧均发生淤积。而北侧由于地处岔河流路,河口附近有黄河物质的多次直接输入,淤积较厚。2.1.3河口周边泥沙1976-1984年是黄河走清水沟流路入海的前期,在河口附近也形成一个强烈淤积区。若以河流及其延长线为轴,此淤积区也是不对称的。河口以南,淤积范围小而强度大;以北则相反,淤积强度较小,但范围较大(图3)。由图3可见,黄河入海泥沙主要堆积在河口附近,部分泥沙沿海岸向南北方向运移,南向较多,北向较少。河口北侧的淤积区少部分泥沙也可能来自岸边的蚀余物质。在五号桩附近海域(原钓口流路河口附近),存在一个强烈冲蚀区,最大冲蚀深度达3m以上。该区南部海岸为现代河口淤积区,向西的挑河口附近也出现了一个淤积区。由此可见,五号桩附近强冲蚀区的蚀余物质主要沿海岸向西运移,小部分漂向外海,也可能有极小部分沿岸向南运移。2.2黄河口和k4资料冲淤变化为了研究黄河断流(实际是黄海入海水沙量)对河口附近海区冲淤变化的影响,自黄河海港向南至黄河清水沟流路入海口以南5km处布设K1~K6六条剖面,于2000年5月和2000年10月进行了固定剖面的重复水深地形测量。其中,K1剖面位于黄河海港南侧附近,距1996年6月改道的黄河口约40km;K2剖面位于孤东验潮站北侧6km处,距1996年6月改道的黄河口约28km;K3距1996年8月改道的黄河口约15km;K4位于1996年6月改道的黄河口北侧2km处;K5剖面位于1996年6月改道的黄河出汊口与未改道前的黄河口之间;K6剖面位于未改道前的黄河口南侧。此外,为研究黄海海港的冲淤变化,曾于1996年7月和1996年10月,对上述部分剖面进行过重复水深地形测量。据此,将不同时间测量的六条剖面的冲淤变化量汇总于表1。从表1可以看出以下几点:(1)1996年7月-1996年10月,所测量的三条剖面全面淤积,且淤积厚度有自北向南逐渐增加的趋势。(2)1996年10月-2000年5月3a多时间,所测剖面则是以冲蚀为主。距河口仅约15km的K3剖面,平均冲蚀厚度达1m以上。仅靠近新开河口的K4剖面(距河口仅2m)发生较为强烈的淤积。(3)2000年5月-2000年10月的冲淤变化仍然是以冲蚀为主。令人费解的是,距离改道后河口较远的K1和K6剖面却发生了淤积。(4)1996年7月-2000年10月4a时间的冲淤变化表明,可以以K3剖面为界将监测区分成南北两段。K3剖面是典型的上冲下淤剖面,以水深约10m为界,上部强烈冲蚀,最大冲蚀厚度2.7m,平均每年约0.64m;下部较缓淤积,最大淤积厚度仅0.4m,平均每年仅0.09m。K3剖面以北,仍处在冲蚀状态,以南则发生明显淤积。2.3角洲冲淤变化黄河素以水少沙多著称于世。黄河将巨量泥沙倾泄入海,而作为黄河泥沙堆积盆地的渤海又是水动力较弱的浅海区。因此,黄河三角洲是世界上淤长最快的三角洲。据1855-1984年(实际行沙119a)统计,黄河三角洲岸线平均向海推进18.4km,平均每年0.16km;共计造陆2530km2,平均每年造陆21.26km2。20世纪80年代以来,由于黄河入海水、沙的减少,年平均造陆面积呈逐年减少之趋势,但三角洲整体上仍然是淤进状态。然而,许多学者的研究都表明,黄河入海泥沙大部分堆积在行水河口附近,使河口快速淤积增长;一旦黄河改道,河口他徙,向海突出的河口大咀首当其冲遭受强烈侵蚀而后退。随着黄河尾闾的摆动和河口变迁,黄河三角洲岸滩的不同岸段会发生截然不同的冲淤变化。整个黄河三角洲岸滩实际上处在此淤彼冲和淤、冲迅速的变化之中。三角洲岸滩的不同岸段产生不同的泥沙运移,不同岸段的岸滩经历着不同的塑造过程(或称为塑造阶段)。这是黄河三角洲岸滩冲淤变化的基本特点。根据泥沙运移和岸滩塑造的特点,一般将黄河三角洲岸滩分成三段。2.3.1泥沙运移的自然过程指西起套尔河口、东到挑河口的一段岸滩。黄河已经有半个多世纪未直接从该岸段入海,该段岸滩遭受海洋动力相当充分的改造。表层沉积类型的分布表现出明显的平行岸线的分带性,岸滩地貌已发育较为充分,从大潮高潮线附近的贝壳堤,向海依次为高潮滩、中潮滩、低潮滩和水下岸坡,一应俱全。泥沙运移以段内游荡性运移为主,即在海水动力较大时(尤其是大风浪和风暴潮),主要是中潮滩,有时甚至高潮滩遭受较弱侵蚀,出现较多的侵蚀性微地貌型态,如小陡坎、冲蚀沟、滩斑、泥砾等,蚀余物质多移向外海和陆地。在正常天气条件下,则接受外海和陆地来的泥沙而产生弱淤。在南侧的羊角沟岸段,长期以来也基本呈显这种态势。总而言之,该段岸滩处在弱冲弱淤,亦即动态平衡或相对稳定状态。2.3.2水清水沟以来的岸滩现状指西起挑河口、向东转南至五号桩正南附近的一段岸滩。黄河曾于1953年7月-1976年5月行水钓口河、神仙沟经本段入海,塑造了一个最新的向东北突出较远的亚三角洲。自1976年5月,黄河改道行水清水沟以来,本段岸滩一直遭受海洋动力的强烈改造。地貌和沉积格局发生巨大变化,表层沉积物被簸选粗化,主要是细颗粒泥沙被移向外海,岸线后退且趋于平直,岸坡逐渐变缓。随着胜利油田建设的飞速发展,自1984年开始,在此段沿岸修筑了防潮大堤,建设了黄河海港,开发了海上油田。这些人工设施的建立干扰了原来的自然环境,岸线侵蚀后退被阻止,改变了岸坡塑造过程。目前该段绝大部分已修筑防潮大堤,堤外的潮间浅滩已不复存在。然而1999年和2000年的两次监测表明,本段水下岸坡上的表层沉积物仍有被粗化的趋势,泥沙运移形式以悬移质为主,冲淤变化已经基本进入以冲刷为主间有少量淤积的调整期1。2.3.3古生代洋砂滩沙坝型指北起五号桩正东附近,向南直达支脉沟口的一段岸滩。黄河曾经于1929年9月-1934年9月和1976年5月至今数次从本岸段入海。但调查表明,1976年5月以来发育的现行水流路的三角洲叶瓣已经将老的三角洲叶瓣全部覆盖,所以从地貌上看,此段是正在发育的三角洲叶瓣,所谓岸滩主要是指正在发育的河口沙坝。河口沙坝是黄河入海泥沙经初步沉积分异后,在海水顶托下快速堆积而形成的沉积体。由于堆积速度过快,故无潮滩发育。沙坝上部,以河流作用为主,形成一系列沙咀和潮间河流汊道,沙咀发育在汊道两侧,呈齿状向海伸展。沙坝下部,河流作用逐渐减弱,河成汊道消失,沙咀展平,形成宏观上呈扇形和滩面较平坦的沙坝。组成沙坝的沉积物主要是砂质粉砂和粗粉砂。在河口沙坝的南、北两侧,发育了比较典型的淤进型潮滩,以南侧支脉沟口附近一段发育得最典型。该潮滩具有明显的水平分带性,即可进一步分成高潮滩、中潮滩和低潮滩。表层沉积物从高潮滩到低潮滩由细变粗。随着岸滩的淤进,在垂向上形成从下到上、沉积物由粗变细的淤进层序。2.3.4角洲冲淤平衡如前所述,黄河以水少沙多著称于世,接纳黄河入海泥沙的渤海又是水动力较弱的浅海。因此,上朔多年的平均值,黄河三角洲冲淤变化的总趋势是淤积增长。然而由于近期黄河入海泥沙数量的减少,黄河三角洲淤积增长速率也随之减少。前人利用大量的实测资料和卫星遥感照片,研究了黄河三角洲面积变化与黄河入海水沙数量的关系,得出三角洲整体冲淤平衡的年均来沙量临界值为2.45×108t。应当特别强调指出的是,与这个临界值相对应的所谓冲淤平衡是指黄河三角洲整体而言的。对三角洲的一部分——现代行水河口附近一段而言则另当别论。实际上,黄河三角洲由于河口的变迁,具有“此淤彼冲”的特点。所谓三角洲的淤积扩展是以河口段的淤积延伸为基本形式,其影响范围仅40~60km,只占整个三角洲岸线的1/4~1/3。所以在黄河入海流路相对稳定时,黄河三角洲大部分岸段是处在被侵蚀状态。黄河入海水、沙量减少的最直接结果是河口淤积量的减少,如1992-1996年,年均输沙量5.46×108t,年均径流量187×108m3,清水沟流路原河道并没有明显延长。1996年5月清8人工改汊后的河道,当年汛期过后的新开河口延长约9km,至2000年,该处的河口大咀非但没有延长,反而有所蚀退。3海底冲淤情况据胜利石油管理局研究,现在黄河的入海口,理应是整个黄河三角洲陆地增长最快的地区。传统的表现形式是河道不断延伸,每年延伸约2km以上,两岸新生陆地也应迅速增长。但近年发生了根本性变化,1999年与1996年相比,3a的时间河道长度增加176m,平均每年58m,基本上没有延伸,新口门两岸陆地面积不但没有增大,反而缩小6km2,给垦东油田的勘探开发造成了很多困难②。黄河三角洲西北部飞雁滩油田一带,为1964年1月-1976年5月时段黄河钓口流路入海口。据测报,1976-2000年的24a间,0m等深线冲刷后退10.5km,年均437m。以东的埕岛油田中心平台海区,11a间岸线蚀退3.3km,年均蚀退0.275km,岸堤处平均刷深1.75m,年均刷深0.15m。1992年以来,虽然冲刷速率有所放慢,但在7~11m水深段和近岸堤脚及平台管缆水动力能量辐聚区,依然保持较大速率的冲刷态势。飞雁滩油田开发建设初期离海岸线较远,如果不存在海岸线蚀退问题,采取开放式生产应该是合理的,但在海岸线迅速蚀退的情况下,目前油田200多口油井已有60多口井区进入到退潮线以内,如不能迅速采取防止海岸线蚀退的有效措施,3~5a内这个油田将被海水淹没。黄河三角洲中段的黄河海港一带,为1953年7月-1963年12月时段黄河入海的神仙沟流路入海口。据1985-1989年的监测资料,黄河海港西侧,岸滩以当时年均大于550m的后退速度向岸蚀退。海港岸段,也表现为较强的冲刷后退,3~5m等深线向岸蚀退150~400m,港区南侧岸滩趋于平衡。但是,2000年5月和10月两次测量结果表明,该剖面以南附近海底已受到显著冲刷,比1996年10月平均刷深0.67m。黄河海港始建于1986年,至今已有16a,在海流和风浪的冲刷作用下,滚装码头和输油码头已受到不同程度的破坏。目前