800年來(lái)蘇北廢黃河三角洲的演變模式*

張 林 陳沈良 劉小喜

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200062)

三角洲演變與入海河流有密切關(guān)系,河道遷移、河流輸水輸沙量的變化和工程直接影響三角洲的發(fā)育和侵蝕(Scraton,1960)。由于河流體系的變化,世界上許多三角洲經(jīng)歷了建設(shè)和破壞的演變過(guò)程,許多學(xué)者對(duì)美國(guó)的密西西比河(Gould,1970)、埃及的尼羅河(Frihyet al,1991)、中國(guó)的黃河(任于燦等,1994;Chuet al,2006)和灤河(高善明,1981;Fenget al,1998)形成的三角洲的演變進(jìn)行了研究和分析。研究結(jié)果可以總結(jié)為,三角洲發(fā)育階段是不同時(shí)期形成的葉瓣的組成體,當(dāng)泥沙斷絕后葉瓣廢棄后均遭受了侵蝕,或者當(dāng)入海泥沙減少時(shí),三角洲呈現(xiàn)出廢棄三角洲遭受侵蝕的特征。

黃河在歷史時(shí)期頻繁發(fā)生河道變遷,形成了黃淮三角洲(今廢黃河三角洲)和現(xiàn)代黃河三角洲。廢黃河三角洲同其他由于氣候變化、水庫(kù)或大壩建設(shè)和部分河段廢棄或改道而被侵蝕的三角洲有重要的區(qū)別,所以研究蘇北廢黃河三角洲的演變對(duì)現(xiàn)代黃河三角洲的演變具有重要的借鑒和參考意義。目前,蘇北廢黃河三角洲的研究主要集中于三角洲的侵蝕過(guò)程(虞志英等,1986;高抒,1989;Zhang,1998;Fan,2001),比較關(guān)注廢棄后的岸線后退和水下三角洲侵蝕方面;關(guān)于廢三角洲的發(fā)育,歷史資料和部分文獻(xiàn)均有記載(張忍順,1984;葉青超,1986;萬(wàn)延森,1989;李元芳,1991),多局限于文字性的記載和描述。因此,對(duì)于整個(gè)三角洲的演變?nèi)狈ο到y(tǒng)的研究分析,無(wú)法了解廢三角洲的系統(tǒng)演變過(guò)程。

本文主要研究廢黃河三角的演變過(guò)程,根據(jù)歷史資料進(jìn)行分析岸線和地貌的變化,從而建立演變模式。廢三角洲的演變主要分為發(fā)育和侵蝕兩個(gè)演變階段,岸線在發(fā)育階段不斷向海淤長(zhǎng),而在侵蝕階段則不斷向陸退縮,同時(shí),三角洲面積和岸線長(zhǎng)度也隨之發(fā)生改變,發(fā)育和侵蝕是個(gè)方向相反的演變過(guò)程。通過(guò)演變模式的模擬,分析廢三角洲發(fā)育和侵蝕階段的地貌演變過(guò)程,結(jié)合影響因子,呈現(xiàn)出廢黃河三角洲較完整和系統(tǒng)的發(fā)育和侵蝕過(guò)程。

1 研究區(qū)域背景

1.1 廢黃河和廢三角洲

黃河是中國(guó)含沙量最大的河流,因此歷史上的黃河下游經(jīng)常決口泛濫,河流流路和河口位置常發(fā)生擺動(dòng)和遷移(圖1)。歷史上,黃河入海口主要在山東省和江蘇省之間變動(dòng),分別注入渤海和黃海。據(jù)黃河水利委員會(huì)統(tǒng)計(jì),近2000年來(lái),黃河有26次較大的改道,其中14次呈南徙流入淮河。1128—1855年間,黃河南徙注入黃海,1855年黃河北歸后,廢棄在江蘇北部的黃河下游流路就成為廢黃河,是黃河奪淮河入海遺留的產(chǎn)物,期間塑造的三角洲隨之成為廢黃河三角洲。

1194年黃河南侵之前,淮河河口主要在云梯關(guān)附近,黃河奪淮后,黃河河水流向單一。根據(jù)黃河水利委員會(huì)科研所統(tǒng)計(jì),黃河的多年流量為 1546 m3/s,現(xiàn)代黃河入海的泥沙量達(dá) 10億 m3(南京師范大學(xué)黃河古道綜考隊(duì),1984)。黃河流經(jīng)江蘇700多年的時(shí)間里,攜帶的巨量泥沙不斷沉積及向海加積,三角洲和淺灘不斷發(fā)育,同砂壩、沙島和瀉湖淤積相聯(lián)疊加,規(guī)模較大的陸上三角(9000 km2)和水下三角洲(25000 km2)發(fā)育而成(沈怡,1971)。1855年后,黃河北歸,廢黃河的徑流量和含沙量劇減,枯水期時(shí)發(fā)生斷流。廢黃河口附近的水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生巨變,陸海之間的動(dòng)力平衡被打破,廢三角洲隨著進(jìn)入侵蝕后退的時(shí)期(Fan,2001)。目前,廢黃河三角洲屬于淤泥質(zhì)海岸,陸上范圍以云梯關(guān)為頂點(diǎn),北達(dá)灌河口,南至射陽(yáng)河口,海岸線長(zhǎng)139.9 km,面積約7000km2。

圖1 黃河改道圖(據(jù)《黃河防洪志》改繪,1991)Fig.1 The evolution channel of the Huanghe(Yellow) River(modified after The Annals of the Yellow River Flood Prevention,1991)

1.2 蘇北歷史岸線

蘇北岸線的位置在歷史時(shí)期處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)中(圖2)。平原上分布有西岡、中岡、東岡和新岡四列貝殼堤,代表了蘇北不同時(shí)期的古岸線的位置(凌申,1994)。通過(guò)蘇北平原的地質(zhì)鉆孔和黃海淺鉆等歷史資料的分析研究,晚更新世氣候比較干冷,發(fā)生過(guò)三次海進(jìn)和兩次海退(耿秀山等,1983),海進(jìn)時(shí)期有三次越過(guò)現(xiàn)今蘇北海岸的位置(距今13—8萬(wàn)年、3萬(wàn)年和 0.6—0.5萬(wàn)年),海退時(shí)期兩次推到東海外陸架–100m和約–155m水深處(大陸架外緣坡折線)。全新世以來(lái),全球氣溫升高,伴隨著冰融事件,海平面迅速回升(Edouard,1996),至7 ka B.P.左右時(shí)海侵達(dá)到最大,蘇北海岸線退到最西側(cè)(凌申,2002)。其后,氣候和海平面相對(duì)穩(wěn)定,并發(fā)育了西岡貝殼堤,經(jīng)14C測(cè)定形成時(shí)間約為6.5 ka B.P.(虞志英等,1982),可以代表5.5—6.5 ka B.P.古海岸的大體位置。6 ka B.P.以來(lái),海平面變化總體趨勢(shì)是穩(wěn)中有降,岸線向東推進(jìn)非常緩慢,基本在20 km范圍內(nèi),期間中岡和東岡砂堤相繼出現(xiàn)。中岡出露較多也比較連續(xù),經(jīng)14C測(cè)定年代在4.2 ka B.P.左右,東岡為唐代和宋代范公堤所在地帶,經(jīng)14C測(cè)年鑒定該砂堤形成在3.3 ka B.P.以前,所以至800 a B.P.前的3000多年中,海岸線基本徘徊在東岡附近。新岡形成于黃河奪淮后,約公元1128年以后,估計(jì)在1426—1435年(凌申,1994)。

1.3 地貌及水動(dòng)力環(huán)境

廢三角洲在黃河南徙奪淮期間發(fā)育形成,在黃河北歸后被廢棄進(jìn)入侵蝕階段,地貌由淤積型轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g型,湖泊、沙洲相間的地貌轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆?曲折的岸線轉(zhuǎn)變?yōu)檩^平直的岸線。沉積特征為平面上多為決口扇沉積、泛濫平原沉積和洼地沉積,縱向剖面上為充填沉積(蔡明理等,1999),組成物質(zhì)多為粘土或亞粘土,沉積物厚度由河道向兩側(cè)減少。廢黃河三角洲地勢(shì)西高東低,地面高程在1.3—3 m之間,沿岸地勢(shì)平坦。廢黃河兩側(cè)為高灘地,河床高出地面2—4 m,是黃河淤積和人工筑堤的原因,沉積物以粉砂為主(Wanget al,1997),粒度由河床向兩側(cè)變細(xì)(任美鍔,1985)。廢黃河口的沉積物可能成為東海類黃河沉積物的來(lái)源,為東海陸架提供了粘土礦物(周曉靜等,2010)。

廢黃河三角洲主要受黃海旋轉(zhuǎn)潮波和東海前進(jìn)駐波兩個(gè)潮波系統(tǒng)控制,兩者在弶港岸外輻合,無(wú)潮點(diǎn)位于廢黃河口以東80 km處。潮流多屬于不正規(guī)半日潮,往復(fù)流顯著,潮流趨勢(shì)是漲潮流速大于落潮流速,垂線全潮平均流速為 0.6—0.7 m/s。研究區(qū)為中潮型海域,沿岸潮差均小于2 m,河口區(qū)只有1.5 m,平均潮差由北向南增大。波浪常浪向?yàn)?NE,強(qiáng)浪向?yàn)?N-NE,冬季主要是以風(fēng)浪為主的混合浪,以偏北向浪為主,夏季基本上為混合浪,大多以南向浪為主(任美鍔,1985)。廢黃河口附近含沙量在0.5 kg/m3以上,由岸向海遞減,由底層向表層逐漸減小,南側(cè)大于北側(cè)。

圖2 廢黃河三角洲歷史海岸線向海變化圖(白色線表示歷史海岸線的位置)(據(jù)耿秀山等改繪,1983)Fig.2 Changes of shorelines of the abandoned Huanghe(Yellow) River delta,progressing seaward(white line is the location of shorelines in the past)(modified after Geng,1983)

2 資料來(lái)源

在中國(guó)歷史長(zhǎng)河中,每個(gè)朝代均有關(guān)于黃河流域或治理方面的記載,根據(jù)歷史資料、歷史遺跡和考古文化,分析研究廢黃河三角洲的演變過(guò)程。岸線變化主要依據(jù)葉青超(1986)資料,圖中根據(jù)鹽城市、射陽(yáng)縣、阜寧縣等村鎮(zhèn)共計(jì)13個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)在Arcgis中進(jìn)行配準(zhǔn),配準(zhǔn)最大RMS為0.0147,平均RMS為0.0114。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后,距離誤差為2.1%,本文認(rèn)為其可以作為長(zhǎng)時(shí)間尺度海岸線變遷精度的要求。

岸線形態(tài)變化分析主要根據(jù)海圖資料,三角洲發(fā)育時(shí)期,清代雍正和道光年間(A.D.1678—1850)有記載三角洲地貌形態(tài)粗略的地貌圖。黃河北歸后,近代國(guó)內(nèi)外出版了該三角洲的海圖,包括1904(英版)、1935—1940(日版)1960、1980年的海圖。隨著科學(xué)發(fā)展和調(diào)查技術(shù)的出現(xiàn),20世紀(jì)80年代以來(lái),中國(guó)考察隊(duì)(如:南京師范大學(xué)黃河故道考察隊(duì)、江蘇海岸帶和海涂資源綜合考察隊(duì))先后對(duì)蘇北三角洲進(jìn)行了調(diào)查,獲取了珍貴的資料。結(jié)合實(shí)地野外調(diào)查研究,布設(shè)固定斷面對(duì)岸灘演變進(jìn)行監(jiān)測(cè)(陸培東,2007),取得了第一手資料和數(shù)據(jù)。

3 研究結(jié)果

廢黃河三角洲的演變過(guò)程分為發(fā)育和侵蝕兩個(gè)階段,1128—1855年為發(fā)育階段,1855年以后進(jìn)入侵蝕階段。廢三角洲發(fā)育和侵蝕過(guò)程主要表現(xiàn)為面積增減、岸線長(zhǎng)度和形態(tài)的改變,作為黃河流路變遷的產(chǎn)物,演變特征具有大淤大沖的特點(diǎn)。發(fā)育階段中河口向海延伸達(dá)90 km,岸線向海推進(jìn)平均約66 km,岸線推進(jìn)距離和速率由河口向三角洲兩側(cè)減小。侵蝕階段中岸線后退距離達(dá) 22.5 km,流失了約 1/6的土地面積。

3.1 廢三角洲發(fā)育和侵蝕

1128年(南宋建炎二年)杜充為了阻止金兵南下人為掘開(kāi)黃河,使河水奔流南下流入淮河(王質(zhì)彬等,1994),此時(shí)黃河分為北流和南流兩個(gè)河道,泥沙主要沿途淤積,至 1194年,岸線主要穩(wěn)定在云梯關(guān)附近(圖3)。1194—1578年,由于黃河流路分散和決口,泥沙主要淤積在下游的沖積平原上(葉青超,1986),沿岸泥沙淤積較少,所以,岸線延伸平均距離為14.2 km,延伸速率為36.8 m/a(表1)。1578年,潘季馴采用“束水攻沙”的治河策略,黃河結(jié)束了近 400年的分流局面,泥沙大量向下游輸運(yùn)和堆積,河口位置達(dá)到四套(圖3)。至1591年,黃河兩岸修建堤防(王質(zhì)彬,林觀海,1994),黃河水沙被固定于堤防之間,泥沙大量向海輸運(yùn),河口延伸速率高達(dá)1540 m/a,河口位置到達(dá)十套。1579—1591年間,20年的時(shí)間里岸線向海推進(jìn)13.2 km,速率達(dá)1015.8 m/a。1592年后由于黃河頻繁發(fā)生決口分流,岸線向海推進(jìn)減緩,至1700年,河口到達(dá)八灘,岸線向海推進(jìn)8 km,速率為72.7 m/a(圖3和表1)。1747年,河口延伸至七巨港,岸線推進(jìn)速率為256 m/a,1776年,河口延伸至新淤尖,岸線推進(jìn)速率為156 m/a,推進(jìn)距離約12 km。1777—1803年,由于期間有 15年(1782—1797年)為枯水時(shí)段,河口淤積較緩,位置到達(dá)南北尖(圖3),岸線推進(jìn)速率為146.2 m/a。1808年以后,修復(fù)并延長(zhǎng)河口提防,1804—1810年,河口延伸速率增大(500 m/a),岸線推進(jìn)速率為478 m/a。至 1855年河口位置到達(dá)最東端(望海墩),岸線推進(jìn)速率為157.8 m/a(表1)。

圖3 廢黃河三角洲岸線變化圖(①—⑨分別為1194、1578、1591、1700、1747、1776、1803、1810和1855年的岸線;侵蝕和淤積是現(xiàn)代廢三角洲相對(duì)于1855年時(shí)期的三角洲變化)(據(jù)葉青超改繪,1986)Fig.3 Shoreline change of the abandoned Huanghe(Yellow) River delta(Numbers ①—⑨ are shorelines in the years of 1194,1578,1591,1700,1747,1776,1803,1810,and 1855,respectively;erosion and deposition are estimated using present abandoned Huanghe River delta vs that in 1855)(modified after Ye,1986)

1855年,黃河北歸入渤海后,廢三角洲進(jìn)入侵蝕階段,由于泥沙基本斷絕和陸海相互之間的動(dòng)力平衡被打破,廢三角洲遭到嚴(yán)重侵蝕(Wanget al,1987)。1855—1890年岸線蝕退距離達(dá)12.3 km,平均每年后退342 m,扁擔(dān)河附近侵蝕強(qiáng)度較大。1934年,射陽(yáng)河口由淤積轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g,所以,1855—1934年三角洲南側(cè)處于向海淤積增長(zhǎng)狀態(tài),河口處及北側(cè)為侵蝕狀態(tài)。隨著侵蝕的自然衰減,岸線后退逐漸減緩,至1971年,侵蝕速率減小為73 m/a,整體岸線后退距離達(dá)22.5 km。20世紀(jì)70年代后,一系列海岸防護(hù)工程減緩了岸線的進(jìn)一步蝕退,1978—1987年岸線侵蝕速率減小為28 m/a(張旸等,2009)。隨著防護(hù)工程的完善,至 2010年岸線侵蝕后退基本得到控制,侵蝕后退速率僅為0.003 m/a(彭修強(qiáng),2012)。

表1 廢黃河三角洲岸線向海推進(jìn)距離與速率、面積和岸線長(zhǎng)度Tab.1 Distance,rate,delta area,and shoreline length of seaward extension of the abandoned river delta

由于侵蝕的持續(xù),廢三角洲沿岸的部分陸上三角洲轉(zhuǎn)變?yōu)樗氯侵?隨著岸線后退得到控制,下蝕作用繼續(xù)侵蝕岸灘。廢三角洲沿岸的4條固定斷面分析顯示(圖4),陸上三角洲的侵蝕不僅表現(xiàn)在岸線和岸灘的侵蝕后退,也表現(xiàn)為岸灘的下蝕。四個(gè)斷面形態(tài)均顯示為下凹型,這是遭受侵蝕特有的特征,尤其是拐角處和廢黃河口處最為顯著。由于廢三角洲經(jīng)歷了最初幾十年的侵蝕,90年代后,北側(cè)岸灘演化表現(xiàn)為以距岸4.5 km為界,上部比較穩(wěn)定或略有淤積,下部侵蝕,南側(cè)以侵蝕為主。至2004年,拐角處在距岸5 km處下蝕深度達(dá)16 m,坡度為4.7‰,廢黃河口處的剖面坡度為4‰,兩處的10 m等深線離岸距離在2 km左右。所以,斷面剖面演變充分說(shuō)明了岸灘的侵蝕程度,拐角和廢黃河口侵蝕最嚴(yán)重,侵蝕程度由拐角向兩側(cè)減緩。

3.2 廢三角洲面積、岸線長(zhǎng)度和岸線變遷

廢三角洲的演變過(guò)程中,三角洲面積和岸線長(zhǎng)度表現(xiàn)為時(shí)空增減的變化(表1)。1149年以來(lái)三角洲面積增加了約7600 km2,沉積厚度平均為9 m左右。1855年時(shí)期的三角洲同20世紀(jì)80年代的三角洲對(duì)比計(jì)算可以得出,三角洲面積整體增加約800 km2。侵蝕階段中南側(cè)淤長(zhǎng)了約780 km2的面積,北側(cè)和河口處減少了約 1500 km2的面積。發(fā)育階段中岸線長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng),至1855年,岸線長(zhǎng)度為192 km。侵蝕階段初期(1890年)岸線達(dá)到最長(zhǎng)(232 km),侵蝕作用使岸線形態(tài)趨于平直,岸線長(zhǎng)度也趨于逐漸縮短。

1855年至1985年的岸線如圖5所示,以廢黃河口以南20 km為界,以北呈后退狀態(tài),最大后退距離為22.7 km,平均12 km,以南呈淤積狀態(tài),最大淤長(zhǎng)距離為11.2 km,平均6 km。1989年至2010年(圖5),廢三角洲北側(cè)岸線較少的岸段發(fā)生較弱侵蝕,整體以淤長(zhǎng)為主,岸線平均淤長(zhǎng)了148 m。拐角處侵蝕距離平均為 289.6 m,表現(xiàn)為廢黃河口兩側(cè)的岸線侵蝕強(qiáng)度比河口處大,其中南側(cè)最大。

圖4 廢黃河三角洲沿岸斷面演化(a.南側(cè),b.廢黃河口處,c.拐角處,d.北側(cè))(陸培東,2007)Fig.4 Profile showing evolution of the abandoned Huanghe(Yellow) River delta(a:the southern part;b.around the estuary of the abandoned Huanghe River;c:corner of the delta,d:the northern part)

圖5 廢黃河三角洲岸線變化距離圖(1989—2010年數(shù)據(jù)來(lái)源:彭修強(qiáng),2012)Fig.5 Change in distance of the shoreline in abandoned Huanghe(Yellow) River delta during 1989—2010(after Peng,2012)

3.3 岸線形態(tài)演變

廢黃河三角洲岸線形態(tài)的歷史演變同海平面變化、黃河和長(zhǎng)江兩大河流入?？谧冞w、陸海相互作用和人類活動(dòng)有密切關(guān)系。早全新世時(shí)期,氣候變暖引起海平面上升,海岸線在廢黃河口海域水深30 m附近(任美鍔,1985),長(zhǎng)江在現(xiàn)今入?？谝员比牒?岸線形如喇叭口(圖6)。最大海侵時(shí),岸線退回到內(nèi)陸地區(qū)約 119°E以西的位置(圖2),隨著海平面的降低,岸線向海推進(jìn),古長(zhǎng)江入?？谝渤醪诫r形,大致在弶港附近入海。據(jù)歷史記載,隋唐時(shí)期(A.D.581—907)岸線穩(wěn)定在云梯關(guān)一線,近海為淺水海灣,長(zhǎng)江入?？谥饾u向南移動(dòng)(任美鍔,1985)。至1128年,黃河南移至江蘇入黃海,由于黃河較高的含水含沙量,大量泥沙向海方向淤積,海岸線迅速向海推進(jìn),灌河口和射陽(yáng)河口之間的地區(qū)成陸速度最快,因此三角洲迅速發(fā)育,地貌呈現(xiàn)出河網(wǎng)密布、岸線曲折的特征。同時(shí),岸外的淺灘也發(fā)生了一系列變化,黃河南徙前的淺灘隨著三角洲的發(fā)育逐漸并陸或遷移,同時(shí)又在岸外生成了新的淺灘。清朝雍正年間(A.D.1678—1735)和道光年間(A.D.1782—1850)的蘇北海岸圖顯示,岸線形態(tài)向曲折多變發(fā)展的趨勢(shì),岸外淺灘比較發(fā)育,有向南移動(dòng)的趨勢(shì)。至1855年,廢三角洲發(fā)育形成,岸線曲折,岸外的五條淺灘非常明顯。

1855年后,岸線形態(tài)隨著三角洲的侵蝕逐漸平滑和順直(圖6),支離破碎的陸地逐漸合并,侵蝕后退的過(guò)程中岸線曲率變的越來(lái)越小,形態(tài)也越來(lái)越平直。1904年英國(guó)版海圖顯示,岸線曲折程度有所減緩,岸線形態(tài)如扇形,岸外的五條沙和大沙等淺灘仍比較清晰。1935-1940年版的海圖上岸線比較平直,初顯三角洲拐角形態(tài)的岸線,岸外的淺灘已明顯衰減,拐角海域的淺灘已不存在。1960年版海圖顯示,廢三角洲的岸線形狀明顯向海突出,淺灘規(guī)模減小,橢圓長(zhǎng)軸方向呈平行于北側(cè)岸線方向發(fā)育。1980年海圖顯示岸線已比較平直,淺灘基本不存在,現(xiàn)今的岸線與 1980的岸線相比,除了水平方向較弱的侵蝕后退外,形狀變化不是很明顯。

4 討論

蘇北廢黃河三角洲的歷史演變過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,不僅包括長(zhǎng)達(dá)700多年的發(fā)育階段,也包括約 150多年的侵蝕階段。根據(jù)歷史資料和侵蝕機(jī)理,采用演化模式闡述其演變過(guò)程,有助于分析研究該三角洲的具體發(fā)育和侵蝕過(guò)程。同時(shí),分析演變過(guò)程的影響因素,泥沙輸運(yùn)、海平面升降和人類活動(dòng)與廢三角洲的演變有密切關(guān)系,對(duì)其發(fā)育和侵蝕有重要的影響。

圖6 岸線變化圖(發(fā)育階段:a.早全新世,b.最大海侵時(shí)期,c.黃河奪淮前期,d.清朝雍正年間(據(jù)陳倫炯《沿海全圖》,1723—1730,e.清朝道光年間(據(jù)陶澍《海運(yùn)圖》);侵蝕階段據(jù)4個(gè)時(shí)期的海圖)Fig.6 The shoreline changes in different periods:a.early Holocene;b.maximal transgression period;c.prophase of the Huanghe(Yellow) River capturing Huaihe River;d.Yongzheng Reign in Qing Dynasty(after Chen L J:the Coastal Map 1723—1730);e.Daoguang Reign in Qing Dynasty(after Tao S: Ocean Shipping Map;the erosion phase(based on marina chart of four periods)

4.1 演變模式

廢黃河三角洲的演化模式主要建立在發(fā)育基底、沉積物淤積或侵蝕、岸線演變、水動(dòng)力作用和泥沙輸運(yùn)等基礎(chǔ)上,將廢三角洲的演變劃分為7個(gè)階段,闡述演變和侵蝕機(jī)制,分析三角洲的演變過(guò)程(圖7)。發(fā)育期主要受徑流和潮流影響,以沙洲并陸淤積延伸方式進(jìn)行演變;侵蝕期主要受波浪和潮流影響,以沙洲合并侵蝕后退和淤積外長(zhǎng)交替侵蝕的方式進(jìn)行演變。

發(fā)育前期:全新世中期,海平面穩(wěn)中有降,淮河攜帶的泥沙在古淮河口海灣的堆積作用比較活躍,發(fā)育了濱海砂堤和河口沙嘴,砂堤分為青蓮岡古砂堤和淮北貝殼砂堤群南北兩支,內(nèi)側(cè)發(fā)育有古碩項(xiàng)湖(凌申,2003)。隨著古岸線向海遷移的過(guò)程中,發(fā)育了中岡、東岡等一系列平行的古砂堤。所以,黃河南徙奪淮之前,研究區(qū)為瀉湖-堡島體系(張忍順,1984),沿海為淺水灣地貌,發(fā)育基底為瀉湖和淺海沉積。

第一階段:1128年黃河奪淮入黃海,攜帶了大量泥沙淤積在古淮河三角洲上、古瀉湖和淺海灣中,先前的砂堤并陸,并發(fā)育了新岡。三角洲向海緩慢淤積,下游河道沙洲雛形,同時(shí),岸外發(fā)育有少量淺灘。

第二階段:1578年采取了治河策略,泥沙大量向下游堆積,古瀉湖由于處于黃泛區(qū)域,泥沙逐漸淤積在湖內(nèi)和潮汐汊道中,也淤積在淮河入?？?凌申,2003)。灌河以北和河口處淤積較快,隨著三角洲向海推進(jìn),下游發(fā)育有沙洲,岸線曲折程度較大,廢黃河口和射陽(yáng)河口均出現(xiàn)沙咀(彭修強(qiáng),2012),岸外沙洲和岸外淺灘比較發(fā)育。

第三階段:清朝中后期(始于1796年),大量的泥沙繼續(xù)向海輸運(yùn),古海灣、古瀉湖相繼淤積成為陸地。岸線迅速向海推進(jìn),前期的沙洲先后并陸,同時(shí)又發(fā)育新的沙洲,岸外淺灘繼續(xù)發(fā)育和遷移,淺灘橢圓長(zhǎng)軸方向平行于黃河入海方向。北部連云港海灣淤積成平原,云臺(tái)山并陸,岸線形態(tài)呈鋸齒狀,河口呈鳥(niǎo)咀狀的三角港形態(tài)向海突出(陳希祥等,1983;萬(wàn)延森,1989),至1855年,以沙洲先后并陸為主,并陸后岸灘以向海淤長(zhǎng)為輔的形式發(fā)育了沼澤平原相三角洲(張忍順,1984)。

第四階段:由于黃河北歸,大量泥沙來(lái)源斷絕,從而導(dǎo)致廢三角洲的岸線、沙洲和岸外淺灘與新的水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行重新調(diào)整。河口沙咀首先受到侵蝕后退,沙洲外側(cè)侵蝕的泥沙主要向內(nèi)側(cè)和兩側(cè)輸運(yùn),用于填充沙洲間的水道、潮流汊道和潮灘上的潮溝,南側(cè)接受搬運(yùn)來(lái)的泥沙向海淤積推進(jìn),岸線趨于平滑。同時(shí),岸外淺灘(如五條沙和大沙)在波浪和潮流的聯(lián)合作用下開(kāi)始消減并向南移動(dòng),橢圓長(zhǎng)軸開(kāi)始縮短。

圖7 蘇北廢黃河三角洲發(fā)育模型(包括7個(gè)發(fā)育階段:發(fā)育前期和①②③為發(fā)育階段,④⑤⑥為侵蝕階段)Fig.7 Model of the development of the abandoned Huanghe(Yellow) River delta in North Jiangsu Province(including 7 phases:prophase development,deposition phase(①②③),and erosion phase(④⑤⑥)

第五階段:侵蝕仍在繼續(xù)進(jìn)行,廢三角洲向海凸出的拐角夾角增大,岸線在波浪、波流聯(lián)合作用下侵蝕后退,形狀向平直趨勢(shì)發(fā)展,侵蝕范圍向南擴(kuò)散,沉積物在潮流作用下主要向三角洲兩側(cè)和外海輸運(yùn)。20世紀(jì)初,五條沙和大沙由于處于開(kāi)闊水域,在較強(qiáng)的波浪和潮流作用下基本侵蝕殆盡,岸外只存有接近圓形的淺灘。20世紀(jì)70年代,岸線趨于平直并較穩(wěn)定,但后退仍在進(jìn)行,射陽(yáng)河口已發(fā)生侵蝕后退,岸外淺灘橢圓軸方向向平行于岸線方向發(fā)展。這與潮流有重要聯(lián)系,陳可峰(2008)認(rèn)為隨著廢黃河三角洲不斷侵蝕后退,分潮振幅以廢黃河口為界,以北振幅減小以南振幅增大,M2和 S2分潮無(wú)潮點(diǎn)位置向西南方向發(fā)展。

第六階段:岸外的淺灘已基本被侵蝕殆盡,水下三角洲被夷平,岸灘侵蝕在水動(dòng)力調(diào)整作用下逐漸趨于平衡。20世紀(jì)70年代后,由于陸續(xù)采取了護(hù)岸措施,如修建了一系列的護(hù)岸工程,岸線后退基本得到控制。但是,護(hù)岸堤壩導(dǎo)致了岸灘下蝕,岸灘在水動(dòng)力的作用下侵蝕深度有所增大。

4.2 演變模式特征

廢黃河三角洲的演變?yōu)檫^(guò)程可以分為緩慢發(fā)育、快速發(fā)育、快速侵蝕和侵蝕減緩的階段,河口區(qū)的發(fā)育和侵蝕速率比三角洲兩側(cè)高。演變模式特征為以徑流-潮流為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆ɡ?潮流為主,以沉積物快速向海和沿岸淤積的形式發(fā)育,以沉積物大量被侵蝕、懸浮和擴(kuò)散的形式侵蝕后退,以岸線扇形形態(tài)向海擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)橐院涌谙蚝Ｍ怀?、岸線趨于平直的三角形形態(tài)向陸侵蝕。因此,這種快速淤積和快速侵蝕的演變過(guò)程和特征同其它三角洲演變有重要區(qū)別。

廢黃河三角洲同其它在弱潮和多沙條件下形成的三角洲具有不同的演變模式。廢三角洲主要以沙洲并陸的形式進(jìn)行發(fā)育,現(xiàn)代黃河三角洲以葉瓣發(fā)育并相互堆疊的發(fā)育模式為主,葉瓣的形成與黃河改道有密切關(guān)系(Liet al,2004)。中國(guó)的灤河三角洲在弱潮、河流和波浪為主的動(dòng)力作用下,以不同時(shí)期連續(xù)發(fā)育沙壩、沙島形成堡島瀉湖的扇形三角洲。密西西比河三角洲的發(fā)育基礎(chǔ)是峽谷狀河流和連接深海的沉積環(huán)境,以葉瓣發(fā)育、葉瓣分布不連續(xù)的模式發(fā)育形成鳥(niǎo)足狀的三角洲(Duncanet al,2004)。

4.3 泥沙輸移

泥沙輸運(yùn)在廢黃河三角洲演變過(guò)程中具有舉足輕重的作用。泥沙來(lái)源的輸運(yùn)量、方向和入海口位置決定了三角洲發(fā)育過(guò)程中淤積速度、方向和淤長(zhǎng)位置。根據(jù)黃河口不同部位的泥沙量(陸上 24%,濱海49%,海域36%)計(jì)量(龐家珍等,1980),1194年以來(lái)有650×108t泥沙淤積在濱海區(qū),有318×108t泥沙淤積在陸上,每年有2×108t泥沙被輸運(yùn)至廢黃河口。黃河在奪淮期間經(jīng)常發(fā)生河道變遷,1495年前,黃河奪淮的河道南北擺動(dòng),泥沙多是沿途散布,三角洲向海淤積緩慢。黃河入海位置主要位于向海突出的位置,有時(shí)由于人為因素或決口而發(fā)生遷移,北側(cè)決口多于南側(cè),據(jù)記載明萬(wàn)歷二十三年(1595年)、康熙四年(1665年)和嘉慶十三年(1808年),黃河從灌河入海(吳君勉,1942;中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利史研究室,2004)?？滴跞迥?1696年)黃河被導(dǎo)入南潮河入海,南潮河迅速淤為陸地,道光二十二年(1842年),黃河水三分入埒子口,七分入灌河,所以三角洲北側(cè)迅速淤積,三角洲北側(cè)成陸速度最快。嘉慶十二年(1807年)黃河在云梯關(guān)決口由射陽(yáng)河入海。黃河南徙期間,黃河入海的泥沙主要向南輸運(yùn),南側(cè)長(zhǎng)期保持淤長(zhǎng)狀態(tài)。

泥沙輸移方向和含沙量決定了侵蝕過(guò)程中的三角洲沖/淤及位置。侵蝕期的泥沙輸運(yùn)主要是橫向泥沙運(yùn)動(dòng)和縱向泥沙運(yùn)動(dòng)(李本川,李成治,1980):橫向運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為波流作用下的沉積物橫向分異規(guī)律,結(jié)果是岸線侵蝕后退,水下形成潮間淺灘;縱向運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為廢三角洲兩側(cè)方向相反的泥沙流,結(jié)果是廢三角洲拐角海域的岸線和岸灘遭受侵蝕。懸沙濃度的分布也反映出泥沙輸運(yùn)狀態(tài),懸沙受潮流、波浪、季風(fēng)和環(huán)流因素的影響,向三角洲兩側(cè)、黃海和東海輸運(yùn)(邢飛等,2010;陳斌等,2011;Wanget al,2011;Dong,2011)。因此,廢三角洲的沉積物持續(xù)的處于侵蝕、懸浮、搬運(yùn)、沉積和再侵蝕作用的循環(huán)過(guò)程中,三角洲不斷地侵蝕后退,沖/淤節(jié)點(diǎn)不斷向南移動(dòng)。

4.4 人類活動(dòng)和氣候變化

廢黃河三角洲的演變是泥沙輸運(yùn)史,泥沙對(duì)三角洲演變的影響是顯性的,而人類活動(dòng)和氣候變化則是隱性的影響因素。人類活動(dòng)和氣候變化與三角洲的演變有重要關(guān)系(Morton,1977;Hartwinget al,2005;Syvitski,2005),人類活動(dòng)(如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建設(shè)等)、氣溫、降水和海平面變化影響三角洲的演變過(guò)程。發(fā)育前期岸線主要受海平面升降的影響,人為因素導(dǎo)致了黃河的南徙。在發(fā)育過(guò)程中,黃河上游的農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水土狀況影響了黃河的含沙量(許炯心,2001;Walling,2006),人為改變黃河入?？诤椭魏硬呗杂绊懥擞俜e狀態(tài)和岸線變遷(潘季馴,1590;李元芳,1991),氣候變化的影響退居次要地位(楊達(dá)源,1999)。人類活動(dòng)在侵蝕過(guò)程中仍具有重要的影響,采挖海沙和貝殼堤加劇岸線侵蝕,護(hù)岸工程控制了岸線的進(jìn)一步蝕退,但加劇了岸灘的下蝕。極端天氣(臺(tái)風(fēng)引起風(fēng)暴潮)加劇海岸帶的侵蝕,氣候變化將在三角洲的演變趨勢(shì)中占越來(lái)越重要的影響,對(duì)侵蝕的貢獻(xiàn)率有增大的趨勢(shì)(Titus,1986;朱季文等,1994;IPCC,2007)。

5 結(jié)論

蘇北廢黃河三角洲的演變經(jīng)歷了發(fā)育階段和侵蝕階段,演變主要表現(xiàn)在岸線進(jìn)退、面積增減和岸線形態(tài)變化方面。發(fā)育時(shí)期岸線向海延伸了約 90 km,面積增加了近8000 km2,侵蝕時(shí)期岸線后退了約22 km,侵蝕的面積約800 km2?，F(xiàn)代的廢三角洲相對(duì)于發(fā)育時(shí)期的三角相岸線后退平均約 3 km,北側(cè)和河口區(qū)的面積減少了1500 km2,南側(cè)淤長(zhǎng)了約800 km2。岸線形態(tài)變化顯示出平直-曲折-平滑-平直的過(guò)程,顯示了三角洲地貌形態(tài)的變化。

廢三角洲的演變模式較好的模擬了發(fā)育和侵蝕階段的演變過(guò)程,根據(jù)歷史資料和有關(guān)研究分析,將演變過(guò)程分為7個(gè)階段進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示,發(fā)育期主要受徑流和潮流影響,以沙洲并陸淤積和延伸方式進(jìn)行演變,侵蝕期主要受波浪和潮流影響,以沙洲合并侵蝕后退和淤積外長(zhǎng)交替侵蝕的方式進(jìn)行演變,岸線后退被控制后,以岸灘下蝕作用為主的方式演變。

影響廢三角洲演變的影響因素中,泥沙輸運(yùn)對(duì)三角洲的發(fā)育和侵蝕都有非常重要的影響,決定了三角洲的演變趨勢(shì)。人類活動(dòng)和氣候變化時(shí)三角洲演變的隱含的影響因子,人類活動(dòng)對(duì)黃河河道的變遷有一定的影響,護(hù)岸工程減緩了廢三角洲的侵蝕后退,卻加劇了岸灘下蝕。氣候變化影響黃河泥沙產(chǎn)量,海平面變化長(zhǎng)時(shí)間尺度影響岸線的變遷,極端天氣加劇海岸侵蝕。

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