1976年以來黃河口泥沙淤積與擴散分析

摘 要：河口泥沙沉積與擴散過程是海陸交互作用研究的一個重要課題，也是三角洲開發(fā)以及以其為出口的流域治理規(guī)劃的科學基礎。主要利用1976—2015年4期黃河三角洲水下地形測量數(shù)據(jù)，根據(jù)三角洲地貌發(fā)育特征，確定不斷變化的三角洲前緣坡腳位置，計算清水溝和刁口河岸段分時段三角洲平原與前緣沉積量和侵蝕量。發(fā)現(xiàn)在1976—1981年，即河口改道清水溝初期，因河口河道一段時間內(nèi)分股漫流，泥沙向遠海擴散比例較大，清水溝亞三角洲沉積量占來沙比例約為70.9%，低于近幾十年的平均比例。雖然黃河入海泥沙輸沙率1981—2007年比1976—1981年降低近一半，2007—2015年進一步減少三分之二以上，但清水溝現(xiàn)行水河口三角洲淤長岸段保持了較高的泥沙沉積比例，1981—2007年達到84.2%，2007—2015年仍有73.0%。1976—2015年清水溝亞三角洲比刁口河行水時期亞三角洲滯留泥沙的比例大，而且1981—2007年清水溝亞三角洲比已廢棄刁口河亞三角洲年均向海擴散泥沙量還小。計算得到從刁口河至清水溝岸段向外海的泥沙擴散量1981—2007年年均為1.75億t，2007—2015年降低到1.10億t。未來如果入海輸沙量仍保持較低的水平，隨著廢棄河口岸段岸坡侵蝕速率的降低，從河口及三角洲岸坡向遠海的泥沙擴散速率仍將趨于減小。

關鍵詞：黃河三角洲;三角洲前緣邊界;泥沙通量;泥沙擴散

中圖分類號：P343.5;TV148+.1;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.008

Abstract：The processes of sediment accumulation and dispersal in estuaries are an important issue in the study of land-sea interaction and also the scientific basis for the exploitation of deltas and the management of river basins upstream. Using subaqueous topographic data of the Yellow River Delta recorded at four times from 1976 to 2015， this paper determined the position of the moving delta front slope foot according to delta landform characteristics and calculated the sedimentation and erosion of the delta plain and delta front of the Diaokouhe and Qingshuigou sub-delta lobes. The results show that in 1976-1981 when the Yellow River was firstly diverted to the Qingshuigou course and had a wandering channel for some years， the proportion of sediment dispersed offshore was larger， so the Qingshuigou sub-delta arrested only about 70.9% of terrigenous sediment input. Although the mean sediment discharge of the Yellow River reduced by nearly one-half from 1976-1981 to 1981-2007 and was further reduced by over two-third from 1981-2007 to 2007-2015， the sediment retention ratio of the active Qingshuigou sub-delta maintained at a high level， reaching 84.2% in 1981-2007 and 73% in 2007-2015. The sediment retention ratio of the Qingshuigou sub-delta in 1976-2015 was higher than that of the growing Diaokouhe sub-delta in 1965-1974， and the amount of offshore sediment dispersal from the abandoned Diaokouhe sub-delta was higher than that of the Qingshuigou sub-delta in 1981-2007. There was a mean volume of 0.175 billion tons was dispersed offshore annually along the coast from Diaokouhe to the Qingshuigou sub-deltas in 1981-2007， and it declined to 0.11 billion tons annually in 2007-2015. In the future， if the amount of terrigenous sediment input remains low， the rate of sediment dispersal off the Yellow River Delta will tend to decrease with the decrease of the erosion rate of the regressive coastal slopes. The findings are of reference value for understanding the evolution of the Yellow River Delta and coastal changes and sediment dispersal in other estuaries.

Key words： Yellow River Delta; boundary of delta front; sediment flux; sediment dispersal

1 前 言

河流挾帶泥沙入海后，隨著入海水沙量、泥沙特征以及河口外海洋動力的變化，泥沙是沉積還是擴散，以及沉積和擴散數(shù)量都會變化[1-4]。沉積少的河口形成河口灣，沉積多的則發(fā)育成不同規(guī)模的三角洲。由于泥沙在河口的沉積與擴散過程關系到河口營養(yǎng)元素和污染物的遷移、生態(tài)系統(tǒng)的存續(xù)與發(fā)展[5-7]，影響三角洲發(fā)育、海岸的蝕淤過程[8-10]，三角洲的淤長還將反饋于其上游河流河道的演變[11-12]，而這些自然過程對人們的生存環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展可能會產(chǎn)生巨大的影響，因此河口泥沙沉積與擴散問題長期以來受到許多學者的關注。

黃河是地球上為數(shù)不多的年輸沙量超過億噸的河流，河口海洋動力較弱，在河口發(fā)育了巨大的三角洲體。針對黃河口來沙有多少沉積在河口參與了三角洲建造，又有多少泥沙擴散遠離河口和向什么方向擴散，以及其變化過程等問題，已經(jīng)有學者從不同角度進行過分析探討[13-18]。能夠?qū)S河口泥沙擴散和沉積量進行定量分析并給出可信度較大的結果得益于黃河口幾十年來基本上連續(xù)的每年一次的水下地形觀測，據(jù)此數(shù)據(jù)也產(chǎn)生了不少研究成果[14，19-25]。但由于不同學者在計算過程中采用的沉積物容重不同、水下三角洲邊界的差異，因此得出的河口泥沙沉積量和擴散量不盡相同，這將影響人們對黃河口泥沙擴散和三角洲發(fā)育規(guī)律的正確認識，不利于對未來三角洲演化的準確預測和制定合理的流域治理規(guī)劃。

2 研究區(qū)概況

自1855年黃河決口改道注入渤海以來，以寧海為頂點，以支脈溝口和徒駭河口為南北兩端，在河口堆積形成陸地面積達5 000 km2的三角洲，其中新淤積3 000 km2。黃河三角洲由圍繞多期河口河道發(fā)育的亞三角洲組成。1934年以前河口改道圍繞寧海，之后圍繞漁洼，如圖1所示。現(xiàn)河口河道是1976年由刁口河改走清水溝后的河道，已行水40多a，其中1996年在漁洼以下49 km處人工改道，河口由向東南流改向北流。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù) 據(jù)

黃河水利委員會每年進行一次河口外水下三角洲地形測量，本文收集到1976年、1981年、2007年和2015年共4年（期）測量數(shù)據(jù)。盡管數(shù)據(jù)不連續(xù)，但跨越時間長，可用于分析揭示黃河口三角洲多年沖淤變化情況。以往每年完成水下三角洲地形測量需要較長的時間，開始和結束的時間不同，覆蓋的范圍也不同，在本研究收集到的4期觀測資料中，1976年未能完全覆蓋刁口河岸段，觀測時間為9月份，后3期覆蓋了從刁口河到清水溝的全部岸段，觀測時間分別為1981年8月、2007年4月下旬至5月上旬、2015年8月上中旬。4期水下三角洲地形觀測覆蓋面積1976年為4 489 km2，1981年為6 792 km2，2007年為12 354 km2，2015年為12 168 km2，觀測點的密度分別為0.25點/km2、0.50點/km2、1.36點/km2、1.68點/km2，測點高程精度為0.1 m。

為統(tǒng)計計算利津至河口河段淤積量，收集了從利津至河口的河道大斷面觀測資料。為得到漁洼以下三角洲的來沙量，進行三角洲泥沙收支平衡計算，收集了1976年以來利津日均輸沙率數(shù)據(jù)和利津—漁洼河段月引水引沙數(shù)據(jù)。

3.2 方 法

在用4期地形測量數(shù)據(jù)生成4期三角洲岸灘和水下三角洲D(zhuǎn)EM時，采用1980年10月航測、1981年9月調(diào)繪的1∶50 000地形圖，補充了東經(jīng)118°52′以東或北緯38°以北三角洲沿岸陸地部分的高程，其中漁洼以下黃河南北大堤間清水溝亞三角洲陸地地面高程數(shù)據(jù)用同期河道大斷面高程取代。地形圖和河道大斷面測點高程精度為0.1 m。在ArcMap上用Kriging插值法生成空間分辨率為100 m的DEM。

為定量揭示黃河三角洲泥沙堆積與擴散現(xiàn)象，需要界定三角洲的范圍。由于三角洲沉積相構成是泥沙沉積與擴散的結果，因此合理并客觀地界定三角洲范圍的方法是按三角洲的沉積相邊界進行劃分[22]。一般三角洲的主要沉積環(huán)境為平原相、前緣相和前三角洲相，其中平原相與前緣相以低潮線為界，前緣斜坡與前三角洲間可以以坡度的突然減緩為界，前緣斜坡與前三角洲間坡度突變與兩地貌單元泥沙堆積速率不同有關。前緣斜坡是來沙在三角洲沉積的主要場所，這里存在入海高密度異重流堆積和低密度漂浮流中粗顆粒泥沙落淤，堆積速度較快;大范圍的前三角洲只能接納能夠被海洋動力搬運的較細泥沙，堆積速度較慢。從搬運和沉積方式看，在前三角洲堆積的泥沙屬于擴散出三角洲的泥沙。前緣斜坡與前三角洲間坡度轉(zhuǎn)變的顯著程度存在時空變化，而且隨著三角洲淤長與蝕退，邊界位置不斷變化，需要依據(jù)每期的地形觀測數(shù)據(jù)確定前緣斜坡的外邊界。為精準地確定坡度的轉(zhuǎn)折點，采用大致垂直于前緣斜坡走向的包括前三角洲和前緣斜坡的水下地形剖面，計算剖面上各點至剖面兩端點連線的垂直距離，以距離最大的點為坡度轉(zhuǎn)折點。確定前緣斜坡外邊界的過程分幾步：①按等深線大致繪制出邊界線;②沿這一邊界線，等間隔生成垂直穿過邊界線的線段，將每個線段轉(zhuǎn)變成等距離分布的點，得到沿岸分布的剖面線點位置序列（xi， yi），其中xi和yi是第i點的大地坐標;③用剖面線點序列從水下地形DEM采集每點的高程hi;④將每個剖面線點位置高程序列（xi， yi， hi）轉(zhuǎn)換為點的距離和高程序列（di， hi），其中di為第i點距剖面一端端點的距離;⑤確定每個剖面的坡度轉(zhuǎn)折點，利用轉(zhuǎn)折點的位置序列，連接相鄰轉(zhuǎn)折點，生成前緣斜坡外邊界。由于存在局部不規(guī)則水下地形起伏，部分坡度轉(zhuǎn)折點可能不代表前緣斜坡坡腳，因此需要根據(jù)大多數(shù)轉(zhuǎn)折點構成的邊界線走向判斷并刪除有問題的轉(zhuǎn)折點。前緣斜坡的上邊界為低潮線，但依據(jù)現(xiàn)有地形和遙感影像數(shù)據(jù)很難準確確定其位置，因為可以將三角洲平原沉積和前緣沉積合并作為入海泥沙在河口三角洲的沉積，所以將從遙感影像上勾繪出的水邊線作為前緣沉積區(qū)上邊界。至于前緣斜坡兩側(cè)邊界，需要依據(jù)水下地形結合時段沉積厚度確定。

定量分析河口泥沙沉積與擴散過程，還需要將沉積體積轉(zhuǎn)換為泥沙質(zhì)量，結合河流來沙量，進行泥沙收支平衡分析。進行體積與質(zhì)量轉(zhuǎn)換的參數(shù)是沉積物（干）密度。有研究根據(jù)大量黃河三角洲沉積物密度測量數(shù)據(jù)以及沉積物密度與粒度組成和埋深的關系[22]，將三角洲體的平均密度定為1.36 g/cm3，本文采用這一密度值。

4 分期三角洲沉積量

圖2顯示了4期水下地形測量所界定的3個時段三角洲前緣沉積區(qū)的邊界，每時段的邊界由其前后兩期的最外側(cè)的前緣坡腳線及最內(nèi)側(cè)水邊線組成。因為1976年測量范圍不能覆蓋全部刁口河岸段，所以1976—1981年時段只涉及清水溝岸段。1981年后兩個時段則包括刁口河岸段（包括神仙溝晚期向東出汊的岔河岸段）和現(xiàn)行水的清水溝岸段，清水溝岸段又分為現(xiàn)行水汊道岸段和廢棄汊道岸段。

用相鄰兩期DEM相減得出時段沖淤高度DEM，再按分區(qū)范圍可得出各時段不同分區(qū)的沖淤量，見表1。其中陸上部分用河口河道大斷面分時段沖淤面積和斷面距離計算得到，也可從DEM陸地部分數(shù)據(jù)得到，兩者結果相近。由黃河三角洲來沙量（即漁洼以下清水溝來沙量，可由利津輸沙量扣除利津至漁洼河段河道淤積量及引沙量得到）和河口淤積量可以計算得到來沙在河口的沉積比例和擴散遠離河口的比例。按表1中漁洼來沙量和時長計算，3個時段河口來沙量逐漸減少，平均輸沙率從22.9 t/s減小到3.6 t/s，來沙淤積在三角洲平原及前緣區(qū)的比例從70.9%提高到84.2%，然后又降低到73.0%。如果按整個清水溝岸段統(tǒng)計，則1981—2007年三角洲平原與前緣總沉積量為86.7億t，占來沙量的82%，2007—2015年的總沉積量為4.5億t，占來沙量的47%。

原刁口河河段一直處于侵蝕狀態(tài)，其中：1981—2007年（具體時段見表1，下同），總侵蝕量為25.9億t，年均侵蝕量為1.01億t;2007—2015年總侵蝕量為4.14億t，年均侵蝕量降至0.50億t。清水溝岸段中廢棄汊道前緣斜坡也處于侵蝕狀態(tài)，其中：1981—2007年清水溝北側(cè)廢棄汊道岸段總侵蝕量為2.47億t，年均侵蝕量為0.10億t;2007—2015年清水溝現(xiàn)行水河口南北兩側(cè)廢棄汊道岸段總侵蝕量為2.43億t，年均侵蝕量為0.29億t。這些侵蝕下來的泥沙與由河口直接入海沒有沉積的泥沙構成三角洲向遠海擴散的全部泥沙，其中清水溝岸段1981—2007年年均0.75億t，2007—2015年年均0.60億t。清水溝至刁口河整個岸段1981—2007年年均1.75億t，2007—2015年年均1.10億t。

5 河口泥沙沉積與擴散變化特征與原因

由表1可以看出，3個時段中，清水溝行水河口最早的一個時段來沙在河口的沉積比例較小，為70.9%，中間時段最大，為84.2%，最后時段又有所降低，但仍高于第一時段。3個時段平均輸沙率分別為22.9、13.0、3.6 t/s，從3個時段平均輸沙率與沉積比例對應情況看，來沙輸沙率變化不是3個時段沉積比例不同的主因。在刁口河行水時期，也存在早期河口三角洲沉積比例相對較小的現(xiàn)象[26]，這種現(xiàn)象的形成可能與入海水流含沙量大小有關。含沙量大，入海泥沙以含沙異重流形式沿水下前緣斜坡流動，并大多以粗細俱下的方式沉積在前緣斜坡上[27-29]，泥沙向外海擴散的比例減小。然而，在一條河口流路行水的初期，往往會分汊漫流[30]，一部分泥沙在三角洲平原上沉積，分散入海的水流含沙量降低，低含沙漂浮流發(fā)生概率提高，泥沙向遠海擴散比例增大，亞三角洲發(fā)育初期的泥沙沉積比例較小。至于2007—2015年河口沉積比例比1981—2007年小，兩個時段相差較大的輸沙率可能是原因之一，這是因為無論來沙量大小，三角洲沿岸岸坡都將有一定量的泥沙被侵蝕并擴散入海。不過值得一提的是，最后一個時段行水河口三角洲泥沙沉積量及沉積比例可能被低估了，因為計算前緣相沉積量是按前后兩期地形數(shù)據(jù)得到的，但是此時段前緣相沉積體有一大部分分布在前一時段前緣沉積體以北厚層細顆粒組成的前三角洲相沉積物上，這層沉積物受其上新沉積的前緣相沉積重壓而發(fā)生沉降，使得新的前緣沉積層底界下沉，造成新的前緣沉積物體積被低估，但是準確估計其誤差較難。不過，即使按現(xiàn)有結果，近一個時段的河口泥沙淤積比例也只比其前一時段低11.2%，而近一時段河口輸沙率只是前一時段的28%，這表明黃河口泥沙沉積比例對于來沙量的變化有較高的穩(wěn)定性。從另一個角度考慮，在黃河輸沙率顯著減小的情況下，河口的泥沙堆積范圍也明顯減?。ㄒ妶D2），泥沙向外擴散的通道，即岸段寬度減小，這有助于行水河口泥沙淤積比例維持在一個穩(wěn)定的水平。

按照河口來沙量和沉積量計算結果，整個清水溝岸段1981—2007年沉積量占來沙量的比例約為82.0%，1976—2015年年均為77.0%。根據(jù)對黃河口行水刁口河時的泥沙沉積與擴散量的分析[22]，1965年6月—1974年9月刁口河亞三角洲平原相和前緣相沉積量為71.00億t，與同期河口來沙量96.60億t相比，其所占比例約為73.5%，可見清水溝亞三角洲滯留來沙的比例相對較高。究其原因，可能與清水溝口靠近原神仙溝口外無潮點，沿岸潮差小而潮流強有關，其次是因為刁口河的河口靠近三角洲相對突出的中部，面向該區(qū)風力相對較強的東北風，受浪蝕作用較大。研究發(fā)現(xiàn)，同樣黃河入海輸沙率條件下清水溝比刁口河的河口河道延伸速率大[31]，這里揭示的清水溝相對刁口河河口滯留泥沙比例較大應該是原因之一。

表1中刁口河岸段以及清水溝廢棄汊道岸段侵蝕量代表了這些岸段向遠海的泥沙擴散量，利用行水河口的來沙量和三角洲沉積量可以得到正在建造三角洲岸段向遠海擴散的泥沙量，由此可以探究不同情況下河口泥沙向遠海擴散的變化特征。首先，關于刁口河岸段，2007—2015年年均侵蝕量或擴散量比1981—2007年降低了約50%，這反映了侵蝕過程中由于泥沙粗化，抗侵蝕能力提高，以及岸坡比降逐漸減小，亞三角洲岸線突出部位逐漸蝕退等，使得侵蝕作用逐漸減弱的現(xiàn)象。再者，關于建造中的三角洲岸段，由表1數(shù)據(jù)可得到，3個時段擴散出三角洲前緣的年均泥沙量分別為2.10億、0.65億、0.31億t，第一個時段遠遠高于后面兩個時段，其主要原因應該是上述河口河道改道初期分汊漫流，入海低含沙漂浮流發(fā)生概率高，泥沙向遠海擴散比例大。至于最后時段比其前一時段泥沙擴散量小，應該與入海輸沙率前一時段明顯高于后一時段有關。如果按單位岸段長度的泥沙擴散量計算，則兩時段每年單位岸線擴散量約為0.015億、0.019億t，代表了清水溝岸段行水河口外泥沙的擴散速率。這里同樣值得一提的是，因為上面提到的最后一個時段行水河口三角洲泥沙沉積量可能被低估了，所以向外海的泥沙擴散量被高估了。最后，計算刁口河岸段和清水溝岸段的單位岸段長度的年均泥沙擴散量，得到刁口河岸段1981—2007年和2007—2015年兩個時段的值分別為0.015 0億、0.007 6億t，清水溝岸段分別為0.012 0億、0.009 0億t，其中廢棄岸段分別為0.006 1億、0.005 7億t。可見，1981—2007年27 a間已廢棄的刁口河岸段泥沙擴散率平均值超過1981年后清水溝岸段的泥沙擴散率，比清水溝廢棄汊道岸段的泥沙擴散率更大，再次說明刁口河外海洋動力較強。對比上面的清水溝現(xiàn)行水河口岸段和廢棄汊道岸段外的泥沙擴散速率，前者明顯比后者大。

因為現(xiàn)行水河口岸段較廢棄河口岸段的泥沙擴散率大，廢棄初期的河口岸段比長期廢棄的河口岸段泥沙擴散率大，所以隨著黃河口入海輸沙量的減少，建造中的三角洲岸段的縮窄，黃河入海泥沙中擴散出三角洲的泥沙量將逐漸降低。按表1數(shù)據(jù)，整個清水溝岸段1981—2007年年均有0.75億t泥沙擴散出三角洲前緣，2007—2015年減小為年均0.60億t，刁口河至清水溝岸段從1981—2007年的年均1.75億t減小到2007—2015年的年均1.10億t。未來一段時間內(nèi)，即使年入海泥沙量保持不變，隨著廢棄河口岸段岸坡侵蝕速率的減小，向遠海擴散的泥沙量也會繼續(xù)降低。

6 結 論

三角洲水下地形測量數(shù)據(jù)是定量分析黃河口泥沙沉積與擴散的重要依據(jù)，但是客觀地揭示河口泥沙沉積與擴散特征需要根據(jù)三角洲地貌發(fā)育特征界定三角洲淤積體邊界。

通過對1976年至2015年4期清水溝至刁口河岸段水下三角洲前緣坡腳的界定，并計算分時段三角洲平原與前緣沉積量或前緣侵蝕量，發(fā)現(xiàn)河口泥沙沉積和擴散表現(xiàn)出以下幾點主要特征：①來沙在現(xiàn)行水河口三角洲的沉積比例在河口改道初期較低，與河流分汊漫流、入海水流含沙量較低、低含沙漂浮流發(fā)生概率大、泥沙向遠海擴散比例大有關;②相對較大的來沙輸沙率的變化，現(xiàn)行水河口三角洲泥沙沉積比例具有較高的穩(wěn)定性;③由于海洋動力條件的差異，清水溝亞三角洲相對刁口河亞三角洲滯留泥沙的比例更大，廢棄后的相當長時間內(nèi)，刁口河亞三角洲比行水中的清水溝亞三角洲岸段的泥沙擴散率大;④由于刁口河岸段岸坡遭受侵蝕，泥沙向遠海的擴散速率隨時間延長而減小，清水溝廢棄汊道岸段相對現(xiàn)行水河口岸段的單位長度岸線泥沙向遠海擴散率也明顯降低，因此在黃河入海輸沙量多年持續(xù)減少的情況下，刁口河至清水溝岸段向外海擴散的泥沙量從1981—2007年的年均1.76億t減小到2007—2015年的年均1.10億t。未來在較低的入海輸沙量條件下，可能仍將持續(xù)降低。

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【責任編輯 張 帥】