黃河三角洲泥沙運移的河道水沙變化

黃河三角洲泥沙運移的河道水沙變化

黃河三角洲的發(fā)展和發(fā)展是海洋動力、河流動力和河流泥沙聯(lián)合變化的結(jié)果。黃河三角洲河流動力的作用是局部的、小范圍的,并且,隨著黃河入海水沙的逐年減少,其作用亦遠(yuǎn)不及上個世紀(jì)90年代以前的規(guī)模,而海動力的作用已越來越突出地表現(xiàn)出大范圍的持久力。黃河三角洲因突出于渤海的三角洲地貌形態(tài)和黃河下游近年來的水沙減少,在海洋動力——流、浪、潮特別是風(fēng)暴潮的作用下,整個三角洲都表現(xiàn)了日益加劇的海岸侵蝕,致使黃河三角洲這塊世界最大的新生濱海濕地和國土資源逐步退化,濕地對風(fēng)暴潮危害的緩沖器功能逐漸喪失,已嚴(yán)重地惡化了黃河現(xiàn)代三角洲的發(fā)育功能和三角洲經(jīng)濟開發(fā)環(huán)境,不僅對勝利油田的灘海工程和海上平臺、管纜設(shè)施造成了嚴(yán)重威脅,而且對整個黃河三角洲國家高效生態(tài)經(jīng)濟示范區(qū)及其濕地自然環(huán)境影響也帶來了嚴(yán)重的后果,其侵蝕態(tài)勢倍受油田和綜合開發(fā)管理部門的重視,也是學(xué)術(shù)界面臨的世界性熱點問題之一。本文旨在從黃河入海泥沙的運移與擴散出發(fā),探討三角洲的沖淤變化規(guī)律和岸灘侵蝕態(tài)勢。(杜素蘭編輯)1角洲葉瓣發(fā)育過程黃河尾閭的擺動和河口變遷使黃河入海泥沙的運移和擴散存在2個明顯不同的過程。其一,發(fā)生在黃河行水口門附近,黃河入海泥沙在河海動力綜合作用下,大部分堆積在河口附近,只有少量擴散到外海,這個過程可以稱為三角洲葉瓣發(fā)育過程。其二,在黃河尾閭改道、河口他徙之后,河流作用消失,泥沙來源斷絕,已經(jīng)堆積的泥沙在海洋動力作用下,重新起動,再次運移擴散,這個過程稱為海岸過程。就近些年來黃河入海水沙變化言,三角洲葉瓣發(fā)育過程僅局限于黃河行水口門附近,且規(guī)模呈越來越小之態(tài)勢,而表現(xiàn)漸趨突出的則是廣大三角洲沿岸因物源斷絕所引起的泥沙再分配發(fā)生的岸灘侵蝕后退現(xiàn)象。1.1懸沙運移的形態(tài)黃河進(jìn)入河口段后,由于地勢平坦,河口不通暢,同時受與河流流向近于垂直的往復(fù)潮流的阻擋,使得黃河水沙入海時流勢大減,大部分泥沙沉淤在口門及其附近,形成河口沙壩及三角洲前緣陡坡。其余較細(xì)泥沙輸出口門后(當(dāng)然包括沉淤后重新懸浮的細(xì)粒),主要在往復(fù)潮流的作用下,多以懸沙形式分成兩支向南北方向運移。出口門向南運移的懸沙分支,懸沙濃度較高,先向SE方向運移,至水深約10m處轉(zhuǎn)向SW,在距口門10~15km處形成直徑為3~4km的渦旋,最后向NE方向擴散。這一支懸浮運移顯然主要受漲潮流的控制。另一支懸沙主要在落潮流的作用下向北運移,懸沙濃度較低,運移勢頭較小,在距口門更近的地方,也形成一個較小的渦旋,向北未達(dá)五號樁以東海區(qū),最后也轉(zhuǎn)向NE方向擴散。1996年人工從清8開挖汊道,使黃河向NE方向入海,此后河口附近的懸沙運移形勢略有變化,但仍然是沙隨潮流流動,基本形勢未有大的變動。1.2-8月坡下運移模式如前所述,黃河入海泥沙大部分淤積在口門及其附近,形成河口沙壩及三角洲前緣陡坡,此處最先快速堆積的大多數(shù)為較粗的泥沙。這部分泥沙在以波浪為主的波、流共同作用下,以底移質(zhì)方式向坡下運移,其運移距離較之懸沙更近。然后在河口大咀的南北兩側(cè),以沿岸輸沙的形式,沿岸灘分別向南、北方向運移。由于沿岸輸沙的控制動力是波浪,其運移方向和規(guī)模存在明顯的季節(jié)性。夏半年(3-8月)本區(qū)以南風(fēng)為主,盛行SE浪,沿岸輸沙以向北運移為主,規(guī)模不大。種種跡象表明,向北的沿岸輸沙也沒到達(dá)五號樁岸灘。冬半年,主要是晚秋至早春,本區(qū)以偏北風(fēng)為主,相應(yīng)盛行NE向浪,且風(fēng)大浪高。沿岸輸沙以南向為主,規(guī)模較大。根據(jù)1988年的監(jiān)測資料,南向沿岸輸沙已達(dá)小清河口,其泥沙運移的基本形勢如圖1所示。1.3黃河大量泥沙根據(jù)前人研究,黃河入海河口附近三角洲前緣斜坡上存在眾多的破壞性地形,有些破壞性地形是由海底塊體運動(塌陷、滑坡等)和粉砂流造成的,成為黃河入海泥沙運移的重要方式之一。眾所周知,黃河入海泥沙多集中在汛期,根據(jù)前人資料計算,黃河在汛期輸送入海的泥沙占全年入海泥沙總量的80%以上,而汛期入海水量僅占全年水量的不足60%。在汛期大量泥沙集中在黃河河口段,在潮流頂托、河口環(huán)流和渦流等作用下,形成懸沙濃度較大的河口渾濁帶,渾濁帶中泥沙若快速沉降,很易形成濃度更大的“泥水混合物”(浮泥),順坡流動,形成“泥沙流”,有學(xué)者將其稱作粉砂流,是黃河入海泥沙一種快速的重要運移方式。黃河大量泥沙在河口不大的范圍內(nèi)快速沉淤,使堆積速度加快,在三角洲前緣形成較陡的斜坡。沉積后的泥沙比較松軟,在波浪等動力的擾動下,常常形成塌陷、滑坡等塊體移動,這也是黃河入海泥沙運移的方式之一。2黃河三角洲沿岸侵蝕變化的基本狀態(tài)2.1多年來，不同深度地形的沖砂機變化2.1.1角洲海岸岸線的變化黃河自1855年于河南銅瓦廂決口奪大清河重入渤海以來,三角洲海岸岸線發(fā)生了顯著變化。據(jù)前人統(tǒng)計,至1998年,黃河實際行水133a,三角洲岸線平均向海推進(jìn)18.4km,造陸面積2677km2,平均每年造陸20km2。2.1.2河口周邊泥沙沖蝕1959-1976年沖淤變化如圖2所示,由圖2可見,三角洲東北部濱外出現(xiàn)大范圍淤積區(qū),其中釣口大嘴外偏西部淤積最烈,最厚達(dá)13m以上。據(jù)查,1959-1976年是黃河走神仙溝流路的后期和全部釣口流路時期。河口附近泥沙淤積說明,大部分的入海泥沙擴散距離很近。釣口大嘴外淤積厚度不對稱分布表明,黃河當(dāng)時的入海泥沙以向西運移為主。另外,在甜水溝口外偏南部有一塊范圍不大的沖蝕區(qū),最大沖蝕厚度達(dá)4m以上。沖蝕區(qū)以南為一帶狀弱淤積區(qū),以北則是大范圍的較強淤積區(qū)。說明甜水溝流路終結(jié)以后,河口附近發(fā)生強烈的沖蝕。在這個過程中,蝕余物質(zhì)大部分沿海岸向南北運移,致使南北兩側(cè)均發(fā)生淤積。而北側(cè)由于地處岔河流路,河口附近有黃河物質(zhì)的多次直接輸入,淤積較厚。2.1.3河口周邊泥沙1976-1984年是黃河走清水溝流路入海的前期,在河口附近也形成一個強烈淤積區(qū)。若以河流及其延長線為軸,此淤積區(qū)也是不對稱的。河口以南,淤積范圍小而強度大;以北則相反,淤積強度較小,但范圍較大(圖3)。由圖3可見,黃河入海泥沙主要堆積在河口附近,部分泥沙沿海岸向南北方向運移,南向較多,北向較少。河口北側(cè)的淤積區(qū)少部分泥沙也可能來自岸邊的蝕余物質(zhì)。在五號樁附近海域(原釣口流路河口附近),存在一個強烈沖蝕區(qū),最大沖蝕深度達(dá)3m以上。該區(qū)南部海岸為現(xiàn)代河口淤積區(qū),向西的挑河口附近也出現(xiàn)了一個淤積區(qū)。由此可見,五號樁附近強沖蝕區(qū)的蝕余物質(zhì)主要沿海岸向西運移,小部分漂向外海,也可能有極小部分沿岸向南運移。2.2黃河口和k4資料沖淤變化為了研究黃河斷流(實際是黃海入海水沙量)對河口附近海區(qū)沖淤變化的影響,自黃河海港向南至黃河清水溝流路入?？谝阅?km處布設(shè)K1~K6六條剖面,于2000年5月和2000年10月進(jìn)行了固定剖面的重復(fù)水深地形測量。其中,K1剖面位于黃河海港南側(cè)附近,距1996年6月改道的黃河口約40km;K2剖面位于孤東驗潮站北側(cè)6km處,距1996年6月改道的黃河口約28km;K3距1996年8月改道的黃河口約15km;K4位于1996年6月改道的黃河口北側(cè)2km處;K5剖面位于1996年6月改道的黃河出汊口與未改道前的黃河口之間;K6剖面位于未改道前的黃河口南側(cè)。此外,為研究黃海海港的沖淤變化,曾于1996年7月和1996年10月,對上述部分剖面進(jìn)行過重復(fù)水深地形測量。據(jù)此,將不同時間測量的六條剖面的沖淤變化量匯總于表1。從表1可以看出以下幾點:(1)1996年7月-1996年10月,所測量的三條剖面全面淤積,且淤積厚度有自北向南逐漸增加的趨勢。(2)1996年10月-2000年5月3a多時間,所測剖面則是以沖蝕為主。距河口僅約15km的K3剖面,平均沖蝕厚度達(dá)1m以上。僅靠近新開河口的K4剖面(距河口僅2m)發(fā)生較為強烈的淤積。(3)2000年5月-2000年10月的沖淤變化仍然是以沖蝕為主。令人費解的是,距離改道后河口較遠(yuǎn)的K1和K6剖面卻發(fā)生了淤積。(4)1996年7月-2000年10月4a時間的沖淤變化表明,可以以K3剖面為界將監(jiān)測區(qū)分成南北兩段。K3剖面是典型的上沖下淤剖面,以水深約10m為界,上部強烈沖蝕,最大沖蝕厚度2.7m,平均每年約0.64m;下部較緩淤積,最大淤積厚度僅0.4m,平均每年僅0.09m。K3剖面以北,仍處在沖蝕狀態(tài),以南則發(fā)生明顯淤積。2.3角洲沖淤變化黃河素以水少沙多著稱于世。黃河將巨量泥沙傾泄入海,而作為黃河泥沙堆積盆地的渤海又是水動力較弱的淺海區(qū)。因此,黃河三角洲是世界上淤長最快的三角洲。據(jù)1855-1984年(實際行沙119a)統(tǒng)計,黃河三角洲岸線平均向海推進(jìn)18.4km,平均每年0.16km;共計造陸2530km2,平均每年造陸21.26km2。20世紀(jì)80年代以來,由于黃河入海水、沙的減少,年平均造陸面積呈逐年減少之趨勢,但三角洲整體上仍然是淤進(jìn)狀態(tài)。然而,許多學(xué)者的研究都表明,黃河入海泥沙大部分堆積在行水河口附近,使河口快速淤積增長;一旦黃河改道,河口他徙,向海突出的河口大咀首當(dāng)其沖遭受強烈侵蝕而后退。隨著黃河尾閭的擺動和河口變遷,黃河三角洲岸灘的不同岸段會發(fā)生截然不同的沖淤變化。整個黃河三角洲岸灘實際上處在此淤彼沖和淤、沖迅速的變化之中。三角洲岸灘的不同岸段產(chǎn)生不同的泥沙運移,不同岸段的岸灘經(jīng)歷著不同的塑造過程(或稱為塑造階段)。這是黃河三角洲岸灘沖淤變化的基本特點。根據(jù)泥沙運移和岸灘塑造的特點,一般將黃河三角洲岸灘分成三段。2.3.1泥沙運移的自然過程指西起套爾河口、東到挑河口的一段岸灘。黃河已經(jīng)有半個多世紀(jì)未直接從該岸段入海,該段岸灘遭受海洋動力相當(dāng)充分的改造。表層沉積類型的分布表現(xiàn)出明顯的平行岸線的分帶性,岸灘地貌已發(fā)育較為充分,從大潮高潮線附近的貝殼堤,向海依次為高潮灘、中潮灘、低潮灘和水下岸坡,一應(yīng)俱全。泥沙運移以段內(nèi)游蕩性運移為主,即在海水動力較大時(尤其是大風(fēng)浪和風(fēng)暴潮),主要是中潮灘,有時甚至高潮灘遭受較弱侵蝕,出現(xiàn)較多的侵蝕性微地貌型態(tài),如小陡坎、沖蝕溝、灘斑、泥礫等,蝕余物質(zhì)多移向外海和陸地。在正常天氣條件下,則接受外海和陸地來的泥沙而產(chǎn)生弱淤。在南側(cè)的羊角溝岸段,長期以來也基本呈顯這種態(tài)勢。總而言之,該段岸灘處在弱沖弱淤,亦即動態(tài)平衡或相對穩(wěn)定狀態(tài)。2.3.2水清水溝以來的岸灘現(xiàn)狀指西起挑河口、向東轉(zhuǎn)南至五號樁正南附近的一段岸灘。黃河曾于1953年7月-1976年5月行水釣口河、神仙溝經(jīng)本段入海,塑造了一個最新的向東北突出較遠(yuǎn)的亞三角洲。自1976年5月,黃河改道行水清水溝以來,本段岸灘一直遭受海洋動力的強烈改造。地貌和沉積格局發(fā)生巨大變化,表層沉積物被簸選粗化,主要是細(xì)顆粒泥沙被移向外海,岸線后退且趨于平直,岸坡逐漸變緩。隨著勝利油田建設(shè)的飛速發(fā)展,自1984年開始,在此段沿岸修筑了防潮大堤,建設(shè)了黃河海港,開發(fā)了海上油田。這些人工設(shè)施的建立干擾了原來的自然環(huán)境,岸線侵蝕后退被阻止,改變了岸坡塑造過程。目前該段絕大部分已修筑防潮大堤,堤外的潮間淺灘已不復(fù)存在。然而1999年和2000年的兩次監(jiān)測表明,本段水下岸坡上的表層沉積物仍有被粗化的趨勢,泥沙運移形式以懸移質(zhì)為主,沖淤變化已經(jīng)基本進(jìn)入以沖刷為主間有少量淤積的調(diào)整期1。2.3.3古生代洋砂灘沙壩型指北起五號樁正東附近,向南直達(dá)支脈溝口的一段岸灘。黃河曾經(jīng)于1929年9月-1934年9月和1976年5月至今數(shù)次從本岸段入海。但調(diào)查表明,1976年5月以來發(fā)育的現(xiàn)行水流路的三角洲葉瓣已經(jīng)將老的三角洲葉瓣全部覆蓋,所以從地貌上看,此段是正在發(fā)育的三角洲葉瓣,所謂岸灘主要是指正在發(fā)育的河口沙壩。河口沙壩是黃河入海泥沙經(jīng)初步沉積分異后,在海水頂托下快速堆積而形成的沉積體。由于堆積速度過快,故無潮灘發(fā)育。沙壩上部,以河流作用為主,形成一系列沙咀和潮間河流汊道,沙咀發(fā)育在汊道兩側(cè),呈齒狀向海伸展。沙壩下部,河流作用逐漸減弱,河成汊道消失,沙咀展平,形成宏觀上呈扇形和灘面較平坦的沙壩。組成沙壩的沉積物主要是砂質(zhì)粉砂和粗粉砂。在河口沙壩的南、北兩側(cè),發(fā)育了比較典型的淤進(jìn)型潮灘,以南側(cè)支脈溝口附近一段發(fā)育得最典型。該潮灘具有明顯的水平分帶性,即可進(jìn)一步分成高潮灘、中潮灘和低潮灘。表層沉積物從高潮灘到低潮灘由細(xì)變粗。隨著岸灘的淤進(jìn),在垂向上形成從下到上、沉積物由粗變細(xì)的淤進(jìn)層序。2.3.4角洲沖淤平衡如前所述,黃河以水少沙多著稱于世,接納黃河入海泥沙的渤海又是水動力較弱的淺海。因此,上朔多年的平均值,黃河三角洲沖淤變化的總趨勢是淤積增長。然而由于近期黃河入海泥沙數(shù)量的減少,黃河三角洲淤積增長速率也隨之減少。前人利用大量的實測資料和衛(wèi)星遙感照片,研究了黃河三角洲面積變化與黃河入海水沙數(shù)量的關(guān)系,得出三角洲整體沖淤平衡的年均來沙量臨界值為2.45×108t。應(yīng)當(dāng)特別強調(diào)指出的是,與這個臨界值相對應(yīng)的所謂沖淤平衡是指黃河三角洲整體而言的。對三角洲的一部分——現(xiàn)代行水河口附近一段而言則另當(dāng)別論。實際上,黃河三角洲由于河口的變遷,具有“此淤彼沖”的特點。所謂三角洲的淤積擴展是以河口段的淤積延伸為基本形式,其影響范圍僅40~60km,只占整個三角洲岸線的1/4~1/3。所以在黃河入海流路相對穩(wěn)定時,黃河三角洲大部分岸段是處在被侵蝕狀態(tài)。黃河入海水、沙量減少的最直接結(jié)果是河口淤積量的減少,如1992-1996年,年均輸沙量5.46×108t,年均徑流量187×108m3,清水溝流路原河道并沒有明顯延長。1996年5月清8人工改汊后的河道,當(dāng)年汛期過后的新開河口延長約9km,至2000年,該處的河口大咀非但沒有延長,反而有所蝕退。3海底沖淤情況據(jù)勝利石油管理局研究,現(xiàn)在黃河的入海口,理應(yīng)是整個黃河三角洲陸地增長最快的地區(qū)。傳統(tǒng)的表現(xiàn)形式是河道不斷延伸,每年延伸約2km以上,兩岸新生陸地也應(yīng)迅速增長。但近年發(fā)生了根本性變化,1999年與1996年相比,3a的時間河道長度增加176m,平均每年58m,基本上沒有延伸,新口門兩岸陸地面積不但沒有增大,反而縮小6km2,給墾東油田的勘探開發(fā)造成了很多困難②。黃河三角洲西北部飛雁灘油田一帶,為1964年1月-1976年5月時段黃河釣口流路入海口。據(jù)測報,1976-2000年的24a間,0m等深線沖刷后退10.5km,年均437m。以東的埕島油田中心平臺海區(qū),11a間岸線蝕退3.3km,年均蝕退0.275km,岸堤處平均刷深1.75m,年均刷深0.15m。1992年以來,雖然沖刷速率有所放慢,但在7~11m水深段和近岸堤腳及平臺管纜水動力能量輻聚區(qū),依然保持較大速率的沖刷態(tài)勢。飛雁灘油田開發(fā)建設(shè)初期離海岸線較遠(yuǎn),如果不存在海岸線蝕退問題,采取開放式生產(chǎn)應(yīng)該是合理的,但在海岸線迅速蝕退的情況下,目前油田200多口油井已有60多口井區(qū)進(jìn)入到退潮線以內(nèi),如不能迅速采取防止海岸線蝕退的有效措施,3~5a內(nèi)這個油田將被海水淹沒。黃河三角洲中段的黃河海港一帶,為1953年7月-1963年12月時段黃河入海的神仙溝流路入海口。據(jù)1985-1989年的監(jiān)測資料,黃河海港西側(cè),岸灘以當(dāng)時年均大于550m的后退速度向岸蝕退。海港岸段,也表現(xiàn)為較強的沖刷后退,3~5m等深線向岸蝕退150~400m,港區(qū)南側(cè)岸灘趨于平衡。但是,2000年5月和10月兩次測量結(jié)果表明,該剖面以南附近海底已受到顯著沖刷,比1996年10月平均刷深0.67m。黃河海港始建于1986年,至今已有16a,在海流和風(fēng)浪的沖刷作用下,滾裝碼頭和輸油碼頭已受到不同程度的破壞。目前