用耗散結(jié)構(gòu)理論分析黃河三角洲的形成與演化

用耗散結(jié)構(gòu)理論分析黃河三角洲的形成與演化耗散結(jié)構(gòu)理論在地理學(xué)中的廣延。地理系統(tǒng)是一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，它通過與外界不斷地交換物質(zhì)與能量，有可能在一定條件下形成新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從無序向有序的轉(zhuǎn)化，這種新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)即地理耗散結(jié)構(gòu)。一般的地理系統(tǒng)具有符合耗散結(jié)構(gòu)的3個明顯特點：①為開放系統(tǒng)；②遠(yuǎn)離平衡態(tài)；③地理系統(tǒng)內(nèi)各要素之間存在著“非線性”的相互作用。作為一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的地理系統(tǒng)，從無序的混沌狀態(tài)形成了耗散結(jié)構(gòu)之后，就具備了一定的抵抗外界環(huán)境干擾的能力。外界環(huán)境所發(fā)生的一般性漲落（波動），會被具有耗散結(jié)構(gòu)的地理系統(tǒng)所吸收，有時也把這種性質(zhì)，稱為地理耗散結(jié)構(gòu)的“性”，或“漲落回歸能力”。地理系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)水平越高，其漲落回歸能力越強(qiáng)，保持地理系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。一旦發(fā)生難以抵御的巨大漲落時，可使地理耗散結(jié)構(gòu)崩潰或解體，經(jīng)過一定的演化，又會形成新的耗散結(jié)構(gòu)形式耗散結(jié)構(gòu)是自組織現(xiàn)象中的重要部分，它是在開放的遠(yuǎn)離平衡條件下，在與外界交換物質(zhì)和能量的過程中，通過能量耗散和內(nèi)部非線性動力學(xué)機(jī)制的作用，經(jīng)過突變而形成并持久穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。[1]黃河三角洲是中國最大的三角洲，也是中國暖溫帶最大的濕地，區(qū)內(nèi)自然資源豐富，生物種類繁多，具有極大的經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)價值。研究黃河三角洲的形成與演變對于合理開發(fā)和保護(hù)黃河三角洲具有重要意義。為此，前人做了大量細(xì)致的工作，得到了一系列關(guān)于黃河三角洲形成與演變的理論成果。但是，將黃河三角洲作為一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性開放系統(tǒng)，用耗散結(jié)構(gòu)理論來分析黃河三角洲的形成與演變的各種規(guī)律，還很少見。因此，本文的思路具有一定的創(chuàng)新性。黃河三角洲的概況黃河三角洲位于渤海西緣，北臨渤海灣，南臨萊州灣，地理坐標(biāo)為117°31'-119°18'E和36°55，-38°16N。它主要分布于山東省東營市和濱州市境內(nèi)，由古代、近代和現(xiàn)代三個三角洲體系聯(lián)合而成。古代三角洲以蒲城為頂點，西起套爾河口，南至小清河口，陸上面積約為7200平方千米。近代三角洲以東營市寧海鄉(xiāng)為頂點，西起套爾河口，南達(dá)支脈溝口，陸上面積約為5400平方千米?，F(xiàn)代黃河三角洲以漁洼為頂點，西起挑河，南到宋春榮溝，陸上面積約為3000平方千米。黃河三角洲的形成開放與耗散是自組織的必要條件。⑵開放系統(tǒng)跟環(huán)境之間存在熵交換，吸取高品位的物質(zhì)、能量來組織自身，再把低品位的物質(zhì)、能量排放到環(huán)境中。黃河三角洲的形成是黃河自身的水沙條件、黃河口的水流條件、海水的化學(xué)作用以及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造條件等多種因素綜合作用的結(jié)果。與國內(nèi)外其他的大江大河的三角洲相比，黃河三角洲的沉積模式及地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很大的的特殊性。2.1黃河的水沙條件黃河是我國第二長河，干流全長5464km，其突出特點是“水少沙多”。黃河中游流經(jīng)世界上最大的黃土高原，由于該地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，黃河在此攜帶了巨量的泥沙進(jìn)入下游地區(qū)。黃河平均每年輸入下游的泥沙多達(dá)16億噸，平均含沙量為35kg/m3，均居世界大江大河之首。黃河在蘭州以上補(bǔ)給的水量占60%以上，而攜帶的沉積物量只占7.0%，近90%的泥沙和粒徑大于0.5mm全部粗泥沙，集中來自河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間，并且60%的水量和80%的泥沙量來自汛期。進(jìn)入黃河下游的16億噸泥沙中，約有4億噸淤積在下游河道內(nèi)，約有4億噸被輸入深海，而約有8億噸淤積在利津以下的河口三角洲及濱海地區(qū)。由此可見，黃河的形成有著充足的泥沙作為基礎(chǔ)條件。2.2黃河河口的水流條件當(dāng)黃河進(jìn)入河口地區(qū)時，河道逐漸變寬，彎曲度逐漸加大，河流作用逐漸減小，水流速度與水面比降也逐漸減小。同時，受海流及潮汐作用的影響，河口水流速度進(jìn)一步減小，導(dǎo)致河口地區(qū)泥沙大量沉積。2.2.1黃河河口的徑流條件黃河三角洲地區(qū)河道彎曲，徑流受到的阻力大，再加上河道寬度加大，河水流速緩慢，水流對泥沙的搬運(yùn)能力減弱，泥沙極易沉積。另外，黃河三角洲地區(qū)地勢低平，西南部海拔11m,東北部最低處小于成,自然比降為1/8000——1/120000黃河受水盆地很淺，河口處水深僅幾米到幾十米，河流落差非常小，水流速度緩慢，泥沙大量沉積。2.2.2黃河河口的海流條件黃河注入渤海，三角洲的形成受海流及潮汐作用的影響很大。黃河河口處的海水流速約為3-16cm/so在北部海區(qū)，海流流向為從東向西，與海岸線大致平行，利于泥沙向兩側(cè)擴(kuò)散。在南部海區(qū)，海流從南向北流，與河口相沖，不利于泥沙向深海擴(kuò)散。另外，在漲潮時，由于海水倒灌入河口，頂托河水，使河水流速更低，更利于泥沙在河口處沉積。退潮時，潮水同河水一同退回河門及渤海，有利于泥沙向河口外擴(kuò)散。2.3海水的電解質(zhì)作用黃河攜帶的沉積物中的一部分呈膠體狀態(tài)搬運(yùn)。在河水入海時，因海水電解質(zhì)的作用，懸疑質(zhì)中的膠體物質(zhì)絮凝，主要沉積在河門處，形成“攔門沙”。攔門沙的形成和發(fā)展使該區(qū)域過水面積減小，河流分汊，并不斷循環(huán)往復(fù)，不斷在河口沉積堆高，并向海外擴(kuò)展，從而形成三角洲。⑶2.4地質(zhì)構(gòu)造條件遠(yuǎn)離平衡態(tài)是耗散有序之源。遠(yuǎn)離平衡態(tài)代表性質(zhì)不同的大約束，是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的外部條件。隨著環(huán)境約束他組織力逐漸增大而把系統(tǒng)推向遠(yuǎn)離平衡態(tài)，是系統(tǒng)內(nèi)在的非線性因素逐漸釋放出來，被逐步擴(kuò)大到系統(tǒng)就能夠按照耗散結(jié)構(gòu)的模式自行把巨量的微觀組分組織起來。沒有足夠大的約束不足以吧系統(tǒng)推向近平衡態(tài)。囹因此，黃河三角洲的泥沙沉積需要足夠大的外部約束，而該地區(qū)的沉降運(yùn)動為三角洲的形成提供了外部條件。黃河口位于渤海灣與萊州灣之間，黃河三角洲位于華北地區(qū)濟(jì)陽凹陷的東北部。濟(jì)陽凹陷是中、新生代的一個大面積強(qiáng)烈沉降區(qū)。當(dāng)前，區(qū)內(nèi)仍分布著多條活動斷裂，仍在緩慢沉降，為泥沙長期持久的沉降運(yùn)動提供了地質(zhì)構(gòu)造條件。黃河三角洲的演變漲落導(dǎo)致有序。有序的耗散結(jié)構(gòu)是靠巨漲落來實現(xiàn)對稱破缺選擇而確立的，耗散結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定下來的巨漲落，是涌現(xiàn)出來的宏觀整體有序結(jié)構(gòu)，及大量微觀組分協(xié)同動作的相干態(tài)。囪黃河三角洲由古代、近代和現(xiàn)代三個三角洲體系聯(lián)合而成，每個體系的河道都按照淤積…延伸…抬高…擺動…改道的規(guī)律不斷演變的，使三角洲陸地面積不斷擴(kuò)大，海岸線不斷推進(jìn)。每一次改道都是一次漲落，而三個體系之間的轉(zhuǎn)變則是分別通過兩次巨漲落實現(xiàn)的。3.1黃河三角洲的演變階段黃河三角洲河道演變可歸納為淤積f延伸f抬高f擺動f改道五個階段。其中，前四個階段的演變是一種量上的漸變，而最后一個階段是一種質(zhì)上的突變，是一次漲落。第一階段，河水由于主流不穩(wěn)定而漫流入海，在受到水流變緩及海水電解質(zhì)作用等多種因素的影響，泥沙在河口處堆積，使三角洲不斷向海擴(kuò)展。第二階段，由于河流歸股順直延伸，形成單一穩(wěn)定的河道注入渤海，泥沙在入海口淤積，河口外延且突出進(jìn)入海中。第三階段，由于河口外延，泥沙不斷淤積在河道，是河床不斷被抬高，河床坡度不斷變緩。第四階段，河床不斷被太高，并形成攔門沙，堵塞河道，迫使水流朝側(cè)向分散，泥沙輸移橫向發(fā)展，在河口處沙壩連接成堤，黃河尾閭出現(xiàn)擺動。第五階段，河道堆積影響增大，是河口處開始出現(xiàn)決口，逐漸導(dǎo)致河口改道。隨著決口點不斷上移，一旦在三角洲頂點發(fā)生決口，河流最終在頂點處改道。如果改道幅度足夠大，舊的三角洲體系便會被逐漸廢棄，開始形成新的三角洲體系。黃河三角洲的現(xiàn)狀耗散結(jié)構(gòu)具有不可逆性與復(fù)雜性。與此相似，黃河三角洲的形成與演變同樣具有不可逆性與復(fù)雜性。通過研究黃河三角洲當(dāng)前地理特點的復(fù)雜性和造陸運(yùn)動的不可逆性，更有利于理解黃河三角洲的形成與演變規(guī)律，從而更好的開發(fā)保護(hù)黃河三角洲。4.1黃河三角洲的地理特點黃河三角洲以寧海為軸點，向東呈扇狀展開，海拔高程低于15米，面積達(dá)5450平方千米。自1855年以來，黃河尾閭決口50多次，大的改道11次。每次改道，都會在頂點附近兩次改道之間形成多個堆積體（包括陸上和水下兩部分），這些堆積體被稱作三角洲葉瓣。1855年以來，黃河共形成了8個葉瓣體，不同時期的葉瓣上下疊置，相鄰年代的葉瓣彼此緊挨。每一個葉瓣之間存在著非線性關(guān)系，其形成與演變具有復(fù)雜性。4.2黃河的造陸運(yùn)動事物只能向某個方向自發(fā)進(jìn)行而不能向相反方向自發(fā)進(jìn)行的過程，叫做不可逆過程，相關(guān)的屬性叫做不可逆性?！安豢赡嫘栽谖镔|(zhì)世界中起著基本的建設(shè)性的作用?！盵6]黃河三角洲是由黃河填海造陸而形成的，這一過程是不可逆的。黃河每年攜帶的巨量泥沙在河口附近淤積，是河床逐年上升，露出水面，從而形成新的陸地。黃河三角洲平均每年以2-3公里的速度向渤海推進(jìn)。1855年以來，黃河三角洲地區(qū)新生陸地面積約達(dá)2530km2。其中1855-1954年造陸1510km2；1954-1976造陸548.3km2；1976-2010年造陸471.7km2。在此期間，雖然由于海水侵蝕，海岸線曾出現(xiàn)過倒退，但黃河三角洲自發(fā)進(jìn)行的造陸運(yùn)動沒有停止過，這一過程是不可逆的。研究黃河三角洲形成與演變的意義黃河三角洲是我國最大的三角洲，也是我國溫帶最廣闊、最完整、最年輕的濕地，有著豐富的礦產(chǎn)、土地、生物和海洋資源。研究黃河三角洲的形成與演變的規(guī)律對合理開發(fā)利用該地區(qū)自然資源及保護(hù)濕地環(huán)境有重要意義。5.1對石油勘探開發(fā)的意義在地學(xué)研究中，常常在觀察沉積過程和沉積物特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)古代沉積標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用古地理復(fù)原的方法推斷沉積體分布規(guī)律，指導(dǎo)礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)。[7]黃河三角洲是中國國內(nèi)少有的油氣資源富集區(qū)。截止到1995年底，已發(fā)現(xiàn)不同類型的油田67個，石油總資源達(dá)75億噸，累計探明石油儲量34.2億噸，天然氣的儲量為303億立方米。對于油氣資源的合理勘探開發(fā)需要研究黃河三角洲的形成與演變規(guī)律。5.2對土地利用的意義黃河三角洲的土地資源豐富，而且土地面積還在不斷擴(kuò)大。黃河三角洲的土地總面積達(dá)175.04公頃，其中有耕地70.03公頃，尚有30.03公頃荒堿地有待開發(fā)，后備土地資源豐富。但是，由于黃河三角洲形成歷史短，墾殖程度低，且位于沿海地區(qū)，土地鹽漬化嚴(yán)重，因此黃河三角洲的土地生產(chǎn)率低，中低產(chǎn)田占耕地總面積的比例大。為了開發(fā)利用黃河三角洲巨大的土地資源，就必須在認(rèn)識和掌握黃河三角洲的形成與演變規(guī)律的基礎(chǔ)上改良土壤，徹底改造中低產(chǎn)田。5.3對保護(hù)黃河三角洲濕地的意義黃河三角洲濕地是世界少有的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)，是伴隨著黃河三角洲的形成與演變發(fā)展起來的。黃河三角洲濕地生態(tài)類型獨特，濕地資源豐富，生物種類繁多。區(qū)內(nèi)水生生物資源豐富，據(jù)初步調(diào)查有800多種，其中屬國家重點保護(hù)的有文昌魚、江豚、松江鱸魚等。有野生植物上百種，屬國家重點保護(hù)的瀕危植物野大豆分布廣泛，各種鳥類約187種，列為中日候鳥保護(hù)協(xié)議受保護(hù)的達(dá)108種，其中國家重點保護(hù)野生動物丹頂鶴、白頭鶴、白鸛、金雕、大鴇、大天鵝、小天鵝、灰鶴、蜂鷹等32種，各種鷺類、雁鴨類水禽不但種類多，數(shù)量也極為豐富。因此，保護(hù)黃河三角洲濕地是勢在必行的，是每個三角州人民的義務(wù)。而要科學(xué)的保護(hù)黃河三角洲濕地需要從源頭出發(fā)，了解黃河三角洲的形成與演化，保護(hù)濕地存在的根本。5.4對建設(shè)高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的意義中國國務(wù)院2009年11月23日正式批復(fù)《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，中國三大三角洲之一的黃河三角洲地區(qū)的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，成為國家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要