2016—2017年調(diào)水調(diào)沙中斷后黃河口演變特征

陳俊卿，范勇勇，吳文娟，高 潔，李小娟

（黃河河口海岸科學研究所，山東東營257091）

受自然因素和人類活動的共同影響，黃河入海徑流量和輸沙量自20世紀50年代以來表現(xiàn)出明顯減少的趨勢，尤其近年來急劇減少［1］，導致黃河行洪和輸沙能力降低。為了沖刷下游河槽、增大河道主槽行洪能力、減輕下游河道淤積［2］，自2002年7月開始，黃河水利委員會實施了黃河調(diào)水調(diào)沙，每年利用黃河干流的大型水庫，通過人造洪峰的形式將大量徑流和泥沙用20 d左右的時間輸送入海［3］。調(diào)水調(diào)沙使入海水沙特征發(fā)生了顯著變化，對河口地形地貌的演變產(chǎn)生了重要影響。從2002年開始持續(xù)進行的黃河調(diào)水調(diào)沙，在2016年和2017年因黃河水沙總量明顯減少而中斷，2018年恢復調(diào)水調(diào)沙。筆者基于已有監(jiān)測資料，結(jié)合同期黃河利津水文站來水來沙資料，分析了2016年、2017年調(diào)水調(diào)沙中斷后河口地形的演變特征和沉積物的粒度變化特征，以期為黃河三角洲的開發(fā)及生態(tài)保護提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

黃河口水文水資源勘測局于2015年8月7日—10月13日、2016年8月26日—9月25日、2017年8月17日—9月18日、2018年10月6日—11月15日連續(xù)4 a開展了黃河河口近海水下地形調(diào)查。2015年在海區(qū)布置了41條間隔為500 m的測驗斷面、測點間距為250 m；2016—2018年布置81條間隔為250 m的測驗斷面（測驗斷面分布見圖1，圖中坐標軸刻度為北京54坐標系二十度帶坐標，單位為m，刻度間距為5 km，下同）、測點間距為250 m，測區(qū)范圍以河口為中心兩側(cè)各10 km、自海岸向外延伸15～35 km，水下地形測量采用GPS信標機和測深儀聯(lián)合作業(yè)，在岸邊設(shè)置潮位站進行水深改正，水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一以黃海基準面為基準。2017—2018年在地形測驗的同時進行海底質(zhì)取樣（取樣點分布見圖2），取樣間隔2．5 km，對底質(zhì)表層沉積物樣品利用激光粒度儀進行測量。除收集上述資料外，收集了同期利津水文站水沙資料，運用Surfer等計算機軟件，對數(shù)據(jù)資料進行處理，繪制等深線變化圖及沖淤圖，并計算各年度監(jiān)測海域內(nèi)沖淤變化量，對比分析河口水下地形的沖淤變化和沉積物粒度變化特征。

2 研究結(jié)果

2．1 黃河口海域沖淤演變特征

根據(jù)2015—2018年施測的黃河口水下地形數(shù)據(jù)，繪制等深線圖（見圖3）。

由圖3可以看出：各條等深線基本平行，10 m以淺的等深線較密集，而10 m以深的等深線比較稀疏，說明在水深10 m以淺的水下坡降大、地形較陡，而10 m以深的等深線坡降小、地形比較緩；2015—2016年各等深線變化較大，入?？陂T南部海域的變化幅度大于北部海域的，較淺的近岸海域的大于較深的遠岸海域的；各等深線包圍面積除16 m等深線增加外，其余等深線包圍面積均減少，表明研究區(qū)海域整體向陸地蝕退，以沖刷為主，其中蝕退面積最大的是5 m等深線（蝕退8．6 km2）；2016—2017 年各等深線變化幅度較小，整體上在較淺的海域除0 m和5～6 m等深線包圍面積增加外，其余等深線包圍面積減少，表明近岸海域向陸地蝕退（其中蝕退面積最大的是8 m等深線，蝕退1．7 km2），而較深的海域等深線主要是淤進（其中淤進面積最大的是 16 m等深線，淤進 4．6 km2）；2017—2018年各等深線變化幅度又較大，研究區(qū)內(nèi)從口門前方海域向兩側(cè)變化幅度減小，除14～16 m等深線包圍面積減少外，其余等深線包圍面積增加，表明絕大部分等深線向海淤進，海域以淤積為主，其中淤進面積最大的是8 m等深線（淤進19 km2），蝕退面積最大的是16 m 等深線（蝕退5．3 km2）。

將2015—2018年水深數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學模型處理，繪制沖淤厚度等值線圖（見圖4，圖中沖淤厚度正值表示淤積、負值表示沖刷）。

由圖4可以看出：2015—2016年黃河口大部分海域處于沖刷狀態(tài)，在黃河入?？陂T前方海域出現(xiàn)侵蝕中心，最大侵蝕厚度為3．2 m左右，而在口門西側(cè)和離岸較遠的海域發(fā)生較大的淤積，研究區(qū)淤積面積為122．7 km2、沖刷面積為 294．1 km2、平均沖刷厚度為0．17 m，淤積體積為 0．21 億 m3、沖刷體積為 0．94 億m3、凈沖刷體積為0．73億m3，黃河口海域泥沙容重取1．533 t／m3［4］，則 計 算 出 的 凈 沖 刷 量 為 1．119 億 t；2016—2017年在黃河入?？陂T前方海域出現(xiàn)較大范圍的侵蝕中心，最大侵蝕厚度為1．2 m左右，河口東側(cè)較淺的海域也發(fā)生較大的沖刷，但研究區(qū)域大部分處于微淤狀態(tài)，淤積面積為 254．0 km2、沖刷面積為162．7 km2、平均淤積厚度為 0．02 m，淤積體積為 0．36億 m3、沖刷體積為 0．27 億 m3、凈淤積體積為 0．09 億m3，計算的凈淤積量為 0．138 億 t；2017—2018 年大部分處于淤積狀態(tài)，在黃河入海北口門和東口門前方海域出現(xiàn)兩個淤積中心，最大淤積厚度為9．2 m，平均淤積厚度為 0．39 m，淤積面積為 251．9 km2，淤積體積為2．0億m3，而在東口門河道附近出現(xiàn)沖刷，沖刷面積為164．8 km2，沖刷體積為 0．32 億 m3，研究區(qū)凈淤積體積為1．68 億 m3，計算的凈淤積量為 2．575 億 t。

2．2 黃河口海域沉積物粒度變化特征

2017—2018年沉積物粒徑分布見圖5。

2017年黃河口海域沉積物中值粒徑變化范圍為5．38～105．37 μm、平均值為 37．15 μm，平均粒徑變化范圍為 10．28～ 108．68 μm、平均值為 43．74 μm；2018年中值粒徑變化范圍為 5．12～113．26 μm、平均值為32．62 μm，平均粒徑變化范圍為 8．89～120．6 μm、平均值為38．03 μm，2018年沉積物粒度相對于 2017年變細。由圖5可以看出：2017年中值粒徑和平均粒徑分布特征相似，在現(xiàn)行河口北口門和東口門附近海域形成粒度較粗的中心，在口門東西兩側(cè)的近岸海域粒度也較粗，而在離岸較遠的海域粒度較細；2018年中值粒徑和平均粒徑分布特征也相似，2018年在孤東附近海域的粒度也表現(xiàn)出較粗的特征，孤東大堤的修建使得自然岸線成為人工海岸，近堤海域的流場產(chǎn)生了復雜的變化，海流流速加快［5］，海底泥沙受到侵蝕沖刷，細粒沉積物隨潮流向外海搬運，同時該區(qū)域受黃河入海泥沙的補給較少，粒度表現(xiàn)為偏粗。

3 黃河口水下地形總體分析及測驗優(yōu)化設(shè)計

3．1 黃河口水下地形總體分析

從2002年開始調(diào)水調(diào)沙以來，除去2002年入海水沙量（分別為 41．89 億 m3、0．54 億 t）較少外，入海水量連續(xù)13 a達到了100億m3，但持續(xù)進行的黃河調(diào)水調(diào)沙在2016—2017年中斷，這2 a入海水沙量顯著減少（見圖 6），徑流量分別為 81．75 億、91．33 億 m3，沙量分別為0．11億、0．08億t。有關(guān)研究表明：維持河口三角洲葉瓣沖淤平衡的臨界輸沙量應(yīng)大于0．5億 t／a［6］，而2016—2017年入海沙量都較少，來自黃河入海泥沙的補給較少，會打破入海來沙量和海洋動力之間的動態(tài)平衡，河口口門淤積泥沙減少，海洋動力相對增強，使口門處于蝕退狀態(tài)；隨著河口向外淤進，沙嘴逐漸突出，在現(xiàn)行入?？谕庑纬梢粋€高流速區(qū)，潮流的輸沙能力隨之提高，有利于更多的泥沙向外海搬運［7］；黃河三角洲沿岸是風暴潮易發(fā)地區(qū)，增水1 m以上（強風或氣壓驟變等強烈大氣擾動引起的海面驟發(fā)性異常升降現(xiàn)象）的較大風暴潮平均每年3．3次，對海底沉積物的沖刷和搬運以及海岸的侵蝕作用比平常海況劇烈［5］，因而2016—2017年在來沙較少的情況下，入?？陂T前方海域出現(xiàn)侵蝕中心。2018年黃河來水來沙量大幅度增加，徑流量和輸沙量分別為334．42億m3、2．95億t，小浪底水庫進行防洪預泄，利津水文站2018年7月8日—10月17日水沙量分別為184．07億m3、2．56億 t，分別占全年水沙量的55%和 86．8%，大量泥沙入海后，由于水面展寬、流速減小且受潮流的頂托以及絮凝作用等，因此在口門海域迅速沉積，研究區(qū)整體上淤積明顯。在2015—2018年每2次地形測驗期間的入海徑流量分別為 80．19億、83．29億、343．00億m3，輸沙量分別為 0．10 億、0．06 億、2．96 億 t，通過沖淤計算分析，河口口門海域整體上經(jīng)歷了沖刷—微淤—顯著淤積的過程。

2016—2017年未進行調(diào)水調(diào)沙，黃河入海泥沙量較少，在波浪和潮流的作用下，底質(zhì)沉積物中值粒徑和平均粒徑較大，粒度相對較粗；而2018年恢復調(diào)水調(diào)沙，入海水沙量顯著增加，研究區(qū)海域得到黃河較細粒入海泥沙的補給，沉積物粒度相對較細。

3．2 未來黃河口水下地形監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計

為更好地監(jiān)測來水來沙對黃河口水下地形變化的影響，需要對測驗范圍、頻次進行優(yōu)化設(shè)計。為盡可能監(jiān)測到來水來沙擴散邊緣，黃河口攔門沙地形測驗范圍應(yīng)以河口為中心南北兩側(cè)各15 km；東西向布設(shè)101條斷面，中間口門區(qū)20 km寬的海域測線間距為250 m，其南北外側(cè)5 km寬的海域測線間距為500 m；1 m等深線至西部邊界陸地部分采用GPS人工測量RTK高程，以后測次可只施測上水灘涂部分；同時對孤東、黃河口、截流溝、老黃河口4處潮位觀測站進行驗潮水深改正。由于黃河入海沙量主要在夏季入海，秋季測量泥沙沉積密實情況時淤積時間太短，遠不如經(jīng)過一個冬春季沉積穩(wěn)定后在夏初測驗?zāi)嗌趁軐嵡闆r，因此黃河口攔門沙地形測量最好安排在每年6月黃河調(diào)水調(diào)沙前，并將其納入常規(guī)監(jiān)測任務(wù)。這樣，再配合同期水位、含沙量、溫度、鹽度、深度等水文因子調(diào)查，將有助于對河口攔門沙推移規(guī)律的進一步認識，為河口物理模型建設(shè)、河口防洪規(guī)劃、河口治理研究等積累實測資料。

4 結(jié) 論

（1）2016—2017年由于黃河調(diào)水調(diào)沙中斷，因此入海水沙量顯著減少，黃河口海洋動力相對增強，整體上等深線向陸地蝕退，研究區(qū)海域遭受沖刷；而2018年恢復調(diào)水調(diào)沙后入海水沙量明顯增加，泥沙堆積過程占優(yōu)勢，等深線向海淤進，研究區(qū)海域發(fā)生淤積。2015—2018年黃河口海域各等深線的變化幅度出現(xiàn)了由大變小再變大的過程，這與黃河入海沙量的變化相一致。2017年入海沙量較少，研究區(qū)海域底質(zhì)沉積物受到?jīng)_刷篩選，而2018年研究區(qū)海域受到大量黃河入海較細粒泥沙的補給，底質(zhì)沉積物中值粒徑和平均粒徑變小，粒度表現(xiàn)為相對較細。

（2）為更好地監(jiān)測黃河來水來沙對河口地形演變的影響，應(yīng)對黃河口海域測驗范圍、時間、頻次進行優(yōu)化設(shè)計。