現(xiàn)行黃河口區(qū)的水沙動力與汊道演變

陳沈良，于守兵，凡姚申

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

河口區(qū)是流域－海洋相互作用的焦點(diǎn)區(qū)域，既是流域的匯又是海洋的源［1］，其水沙動力受河流來水來沙和海洋動力的直接影響。 河口區(qū)的水沙動力是其地貌演變的直接驅(qū)動力，同時(shí)河口區(qū)地形地貌的改變又反過來影響水沙動力狀況。 河口區(qū)是一個高度動態(tài)的沉積地貌單元，需要長期深入的研究。

黃河以水少沙多、頻繁改道、三角洲造陸快速著稱。 然而，近年來受流域氣候變化和人類活動的影響，黃河入海水沙量持續(xù)減少，呈現(xiàn)枯水少沙情勢［2］。 隨著黃河流域水土保持的深入開展和水庫、淤地壩等攔沙的持續(xù)，以及全球氣候變暖的區(qū)域響應(yīng)，黃河枯水少沙的情勢在短期內(nèi)將不會逆轉(zhuǎn)。 現(xiàn)行河口的水沙動力和沉積地貌也將適應(yīng)枯水少沙這一新的情勢而產(chǎn)生緩慢演變。 黃河口以往的演變模式“淤積－延伸－擺動－改道”的進(jìn)程將變慢、周期將大大延長。 黃河口演變將進(jìn)入一個新的階段。

長期以來，特別是近年來，黃河口區(qū)缺乏水文泥沙觀測，造成對新入海水沙情勢下河口區(qū)的水沙動力狀況缺乏新的認(rèn)識。 鑒于此，筆者基于2017 年8 月大潮期間觀測的黃河口區(qū)水文泥沙數(shù)據(jù)，探討現(xiàn)行黃河口區(qū)水沙動力環(huán)境及其汊道演變，以期為新情勢下黃河口流路穩(wěn)定治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

現(xiàn)行黃河口是在1996 年清8 斷面處人工出汊的基礎(chǔ)上演變而成，見圖1。 20 多a 來該出汊流路盡管總體保持相對穩(wěn)定，但其口門段仍處于不穩(wěn)定的變動狀態(tài)，如2004 年7 月黃河調(diào)水調(diào)沙期間河口向東自然出汊，2007 年6 月又在東汊流路上向北出汊［3－4］。2011 年汊2 河段人工裁彎取直，北汊便成了入海流路的主汊，其兩岸的河口沙嘴逐漸發(fā)育。 2013 年汛期，又在北汊東岸沙嘴沖出了一條汊溝，便形成了目前河口北汊、東汊分流入海的格局。 至2017 年，分隔東汊的原北汊沙嘴頭部已演變成分流河口的沙島。 從分流點(diǎn)（東經(jīng)119°14′30″、北緯37°49′00″）到口門，北汊長3.44 km、口寬1 375 m，東汊長2.98 km、口寬918 m。

圖1 現(xiàn)行黃河口位置與渤海M2 分潮遲角和振幅等值線

1986 年以來黃河口來水來沙過程發(fā)生了顯著變異［5］，持續(xù)枯水少沙。 從利津至口門約110 km 的尾閭河道也發(fā)生了顯著變化。 1986—1996 年尾閭河道淤積萎縮，1996 年以來特別是2002 年黃河調(diào)水調(diào)沙以來，尾閭河道趨勢性沖刷［6－7］，而近口河段出現(xiàn)淤積，造成河道縱剖面坡度趨于平緩，河口河道的動力環(huán)境也發(fā)生了相應(yīng)的變化。

現(xiàn)行河口區(qū)向北距離神仙溝外M2無潮點(diǎn)（東經(jīng)119°20′、北緯38°08′）約30 km，主要受日分潮控制［8］。向南隨著遠(yuǎn)離M2無潮點(diǎn)，半日分潮逐漸增強(qiáng)，過截流溝后就成了半日潮海區(qū)。 研究區(qū)在南部的半日潮海區(qū)影響下，形成了潮型與流型不同的全日潮海區(qū)，并受入海徑流的影響形成了復(fù)雜的動力環(huán)境。

2 資料與方法

為深入了解現(xiàn)行黃河口區(qū)的水沙動力，于2017 年8 月6—9 日大潮期間進(jìn)行了水文泥沙觀測，測站布設(shè)如圖2 所示。 1＃站布設(shè)在河道汊2 斷面處，水深2.84 m，上距清8 斷面6.70 km，下離分流點(diǎn)13.24 km；其余6 站布設(shè)在口外海域，近岸3 站（2＃、4＃、6＃），遠(yuǎn)岸3 站（3＃、5＃、7＃）。 分3 次25 h 準(zhǔn)同步觀測：6 日10：00—7 日10：00，1＃與2＃、3＃同步；7 日12：00—8 日12：00，1＃與6＃、7＃同步；8 日14：00—9 日14：00，1＃與4＃、5＃同步。 測量項(xiàng)目：河道1＃站主要測量懸沙含沙量和鹽度，未測流速流向；口外6 站主要測量分層流速流向、懸沙和底質(zhì)采樣。 此外，還收集了利津站1950—2017 年逐月徑流和輸沙數(shù)據(jù)。

圖2 現(xiàn)行黃河口區(qū)形勢與水文泥沙測站

依據(jù)實(shí)測資料分析，計(jì)算垂線平均流速、流向和懸沙含沙量，繪制各站隨時(shí)間變化曲線，統(tǒng)計(jì)表征潮汐潮流特征的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過余流、床面剪切應(yīng)力、潮流界、潮區(qū)界和口門進(jìn)出水量計(jì)算，揭示現(xiàn)行黃河口區(qū)水沙動力變化和口門汊道演變態(tài)勢。

3 結(jié)果與討論

3.1 海域動力環(huán)境

現(xiàn)行河口海域的整體潮波運(yùn)動受神仙溝外的M2分潮無潮點(diǎn)制約，經(jīng)潮型判別，屬日潮區(qū)，在半個月中有一半左右的天數(shù)為一個太陰日內(nèi)出現(xiàn)一次高潮和低潮的日潮，其余天數(shù)為出現(xiàn)兩次高潮和低潮的半日潮。現(xiàn)行河口區(qū)的日潮區(qū)不僅有日潮亦有半日潮。

實(shí)測期間潮差接近，可將連續(xù)3 次同步觀測視作準(zhǔn)同步，進(jìn)行潮情和水沙分析。 近岸海域水淺，地形摩阻力大，潮波由外海向岸傳播過程中產(chǎn)生變形。 近岸海域平均漲潮歷時(shí)7.5 h，落潮歷時(shí)10 h；遠(yuǎn)岸海域漲潮歷時(shí)10 h，落潮歷時(shí)10.5 h。 隨著入海徑流的銳減，落潮歷時(shí)將進(jìn)一步縮短，徑流擴(kuò)散減弱。 潮差是潮汐大小的標(biāo)志，潮汐大小主要取決于引潮力，前文所述的潮動力增強(qiáng)僅指與徑流動力相比而言，而不是潮動力自身增強(qiáng)。 因此，徑流銳減對潮差影響不大。 實(shí)測期間海域漲潮平均潮差為1.00 m，落潮平均潮差1.07 m，漲落潮平均潮差約為1.04 m。

觀測期間海況良好，實(shí)測資料主要反映河口區(qū)入海徑流與潮汐潮流的作用，以及海岸廓線、海底地形和海上建筑物影響的動力環(huán)境。 實(shí)測資料顯示，在一太陰日（24 h 50 min）內(nèi)具有“潮位一升一降、潮流二次往復(fù)、流速四峰四谷”的特征，漲潮時(shí)段既有南向流亦有北向流，落潮時(shí)段既有北向流亦有南向流（見圖3）。

圖3 黃河口區(qū)2?！?＃測站的潮位與垂線平均流速流向隨時(shí)間變化曲線

據(jù)統(tǒng)計(jì)，流向平均6 h 轉(zhuǎn)換一次，最大流速（峰）與最小流速（谷）的轉(zhuǎn)換時(shí)間，除6＃站受截流溝海公路擋流影響為1～3 h 外，其余各站均為2～4 h，測區(qū)平均約3 h。 其中，不論近岸（4＃、2＃、6＃）還是遠(yuǎn)岸（5＃、3＃、7＃），峰值均由北向南減小，近岸平均和遠(yuǎn)岸平均流速分別為55、61 cm／s，近遠(yuǎn)岸平均為58 cm／s。 因2＃站位在東汊口外的深泓道，其最小流速（15 cm／s）大于南北兩側(cè)4＃和6＃站的流速，近岸水域平均為12 cm／s；遠(yuǎn)岸流速與峰值分布一致，由北向南減小，水域平均為14 cm／s，全域平均為13 cm／s。 近岸和遠(yuǎn)岸平均峰谷值之差分別為43、47 cm／s，總的平均為45 cm／s。 這反映出流速的變幅遠(yuǎn)岸大于近岸，這是由遠(yuǎn)岸水域的潮動力增強(qiáng)所致。

4 種流動的流速分布：近岸為落潮北流＞漲潮南流＞落潮南流＞漲潮北流；遠(yuǎn)岸和全域均為漲潮南流＞落潮北流＞漲潮北流＞落潮南流。 兩組流速序列反映出，僅在近岸海域落潮流占強(qiáng)勢，遠(yuǎn)岸和總體均為漲潮流占強(qiáng)勢。 按時(shí)段計(jì)算全域平均流速：漲潮時(shí)段的南向流速為41 cm／s，北向流速為35 cm／s；落潮時(shí)段的北向流速為38 cm／s，南向流速為34 cm／s；全潮時(shí)段的南向流速為38.0 cm／s，北向流速為38.5 cm／s，兩者基本一致。

近年來黃河入海徑流銳減，從而使潮動力相對增強(qiáng)。 實(shí)測期間屬于黃河自然汛期，而利津該月的徑流量僅9.14 億m3，不到中水期利津8 月徑流量的1／4。

3.2 對峙的余流場

余流是一種非周期性流動，對物質(zhì)凈輸運(yùn)有著重要作用。 在河口區(qū)余流通常受徑流、潮汐變形和風(fēng)力作用而形成。 余流無法直接測量，通過實(shí)測流速計(jì)算獲得。 海域在漲潮和落潮以及全潮時(shí)段均有北向流也有南向流，將各時(shí)段內(nèi)的各向潮流經(jīng)矢量合成可以分別得到漲潮余流、落潮余流和全潮余流（見圖4）。 由圖4 可以看出，近岸余流都指向外海，遠(yuǎn)岸余流都指向海岸，形成了近岸與遠(yuǎn)岸對峙的余流場。

圖4 漲潮余流（紅色箭頭）、落潮余流（藍(lán)色）和全潮余流（綠色）

觀測期間余流主要由徑流和潮汐兩種余流組成。不論漲潮余流還是落潮余流，近岸都指向外海，遠(yuǎn)岸都指向海岸，可見近岸受徑流控制，遠(yuǎn)岸受潮汐影響。 落潮和漲潮余流對比，除6＃站因受海公路影響，落潮余流流速稍大于漲潮外，全海域均為漲潮余流流速大，這是隨著徑流銳減，潮動力相對增強(qiáng)的效應(yīng)在余流中的反映。

全潮余流在近岸向東或近東向流動，在遠(yuǎn)岸則向西或近西向流動，構(gòu)成了近岸與遠(yuǎn)岸近東西向?qū)χ诺母窬帧?成對的兩股對峙余流流速（如2＃、3＃站）分解到東西向軸線上，推算東西向?qū)χ庞嗔鲄R合的位置：北汊口外約距北汊口門4.14 km，東汊口外約距東汊口門5.14 km，截流溝外約距海岸3.7 km。 從北到南，對峙余流的匯合帶大致與岸線平行，亦與漲落潮轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的流速切變鋒的位置相當(dāng)［9］。 余流匯合帶同流速切變鋒一樣具有阻隔近岸泥沙外輸?shù)淖饔谩?/p>

3.3 懸沙含沙量與床面泥沙

入海泥沙量銳減，海域懸沙含沙量普遍下降。 本次大潮觀測期間，近岸海域最高懸沙含沙量僅0.248 0 kg／m3，遠(yuǎn)岸海域更低，僅0.025 6 kg／m3，分別出現(xiàn)在東汊口外2＃站和3＃站的底層，最低含沙量在近岸海域?yàn)?.003 6 kg／m3，在遠(yuǎn)岸海域?yàn)?.001 4 kg／m3，分別出現(xiàn)在截流溝外6＃站和7＃站的表層。 全潮平均含沙量具有自北向南逐漸降低、近岸大于遠(yuǎn)岸的特征（見圖5（c））；漲、落潮相比，近岸漲潮高、遠(yuǎn)岸落潮高（見圖5（a）和（b））；這與入海泥沙落潮向外擴(kuò)散、漲潮向岸回輸一致。

圖5 現(xiàn)行黃河口海域大潮垂線平均含沙量等值線（單位：kg／m3）

入海泥沙量銳減后，受強(qiáng)勁的潮流作用，水體挾沙力普遍增強(qiáng)，底床便成了泥沙源，易發(fā)生侵蝕再懸浮。其沖淤狀況取決于水流對床面的剪切應(yīng)力（τb）和臨界剪切應(yīng)力（τc）。 當(dāng)τb＜τc時(shí)床面泥沙不起動，發(fā)生淤積；當(dāng)τb＞τc時(shí)床面泥沙起動，床面侵蝕。

由于河口區(qū)動力環(huán)境復(fù)雜，水流以紊流為主，沉積物以粉沙居多，因此本文分別采用由摩阻定律得到的τb式［10］和竇國仁的τc式［11］進(jìn)行計(jì)算。

式中：ρ為水體密度，kg／m3；g為重力加速度，取9.8 m／s2；U為垂線平均流速，m／s；H為水深，m；n為曼寧系數(shù)，n＝（0.015＋0.01H）－1。

式中：k為床面泥沙動態(tài)系數(shù)，取0.128；ρs為床沙密度，取2 650 kg／m3；d為床沙粒徑，d?和d′分別是與床面阻力系數(shù)和黏結(jié)力有關(guān)的泥沙粒徑，在平整的泥沙床面，當(dāng)床面泥沙d≤0.5 mm 時(shí)，d?、d′、d均可用d50替代；ε0為綜合黏結(jié)力參數(shù)，對于一般泥沙ε0＝1.75 cm3／s2；δ為薄膜水厚度參數(shù)，具有長度量綱，取2.31×10－5cm［11］；γ0和分別為床面沙粒干容重和穩(wěn)定干容重，各有公式可求。

式中：e0為床面沙最大孔隙率，取0.625；η為滑動黏性系數(shù)，可近似取1。

基于各站全潮實(shí)測數(shù)據(jù)，分別計(jì)算底部剪切應(yīng)力τb的變化過程，并與臨界剪切應(yīng)力τc進(jìn)行比較，從而得到全潮周期內(nèi)侵蝕和淤積的歷時(shí)（見表1）。 同時(shí)依據(jù)沉積物以粉沙居多的狀況，界定床面的沖淤時(shí)間差小于0.5 h 的為動態(tài)穩(wěn)定，在0.5～1.5 h 之間的為微蝕或微淤，在1.5 ～3.0 h 之間的為侵蝕或淤積明顯，大于3.0 h的均屬侵蝕或淤積較大。

表1 現(xiàn)行河口海域底部剪切應(yīng)力與臨界剪切應(yīng)力在全潮中的歷時(shí)對比和平均含沙量統(tǒng)計(jì)

在近岸海域，從北到南由侵蝕、微蝕轉(zhuǎn)為淤積，與全潮平均懸沙含沙量自北向南遞減相對應(yīng)，床面侵蝕則水體含沙量增大。 在遠(yuǎn)岸海域，從南到北由淤積、微淤轉(zhuǎn)為侵蝕，與全潮平均含沙量自南向北遞增相對應(yīng)，床面淤積則水體含沙量減小。 黃河口近岸海域已呈現(xiàn)出泥沙侵蝕再懸浮的顯著效應(yīng)。

3.4 河口河道動力環(huán)境

現(xiàn)行黃河口為分汊河口，按其動力環(huán)境可分為汊道環(huán)流區(qū)、河道往復(fù)流段和單向徑流段3 個區(qū)段。

汊道環(huán)流區(qū)是因北汊和東汊的漲落潮時(shí)間不一致而形成的。 根據(jù)近東汊口2＃站的始漲始落時(shí)刻與近北汊口4＃站的始漲始落時(shí)刻對比，在北汊漲潮初期的40 min 內(nèi)，東汊仍在落潮，從而形成北進(jìn)東出的汊道環(huán)流；在北汊始落后的1 h10 min 內(nèi)，東汊仍在漲潮，形成東進(jìn)北出的汊道環(huán)流。 東汊向北汊的環(huán)流時(shí)間長，有助于徑流輸沙和漲潮回輸東汊的泥沙向北汊匯聚，如漲潮平均懸沙含沙量北汊口大于東汊口，分別為0.064 5 kg／m3和0.059 7 kg／m3，多沙水道易導(dǎo)致水流不暢，如全潮余流流速，北汊口為17 cm／s，東汊口為20 cm／s。 這也在一定程度上反映了現(xiàn)行河口的發(fā)展趨勢，東汊將成為徑流入海的主汊道。

河道往復(fù)流段是徑、潮流往復(fù)作用的河段，實(shí)際上也包括汊道環(huán)流區(qū)。 河道往復(fù)流段受地轉(zhuǎn)偏向力影響，上溯流和下泄流往往產(chǎn)生流路分歧，致使江心地帶易形成弱動力區(qū)，泥沙沉積形成淺灘、沙島等河口地貌，反過來又驅(qū)使流路發(fā)生變動。 所以，河道往復(fù)流段常處于不穩(wěn)定的動力環(huán)境，沖淤多變，應(yīng)列入河口治理的重點(diǎn)區(qū)域。

河道往復(fù)流段的長度L取決于上溯流抵達(dá)的終端，即潮流界距離。 因現(xiàn)行黃河口由北、東兩汊分流入海，故分別計(jì)算潮流界距離：

式中：v為口門的上溯流速；t為時(shí)間；μ為v在上溯沿程受摩擦阻力而衰減的系數(shù)，河口河道底坡平坦，μ可取0.5。

經(jīng)計(jì)算，東汊口漲潮上溯流的L較北汊長0.144 km，約為4.4 km，即潮流界位于距東汊口門約4.4 km 處，在分汊口（分流點(diǎn)）上游約1.4 km 處。 與過去黃河口的潮流界距口門2 ～3 km 相比略有上移，這與徑流量減少有關(guān)。

單向徑流段是潮區(qū)界至潮流界間的單向流河段。漲潮時(shí)徑流下泄受阻，流速減小，水位壅高，泥沙落淤；落潮時(shí)流速增大，落淤泥沙又被徑流沖刷輸向下游。單向徑流段的河床易淤易沖，遇大洪水常沖決岸堤泛濫成災(zāi)。

現(xiàn)行黃河口的潮區(qū)界位置可根據(jù)水位坡降和潮差計(jì)算。 根據(jù)河道內(nèi)1＃站與北汊口4＃站同步水位觀測，兩處相距12.5 km，水面高差37 cm，求得河道低水位時(shí)的水面坡降，根據(jù)當(dāng)時(shí)的漲潮潮差（90 cm），推得潮區(qū)界位于北汊口上游約27 km 處。 同樣，根據(jù)河道內(nèi)1＃站與東汊口2＃站同步水位觀測資料，得到潮流界位于東汊口上游約33 km 處。 因此，現(xiàn)行黃河口的潮區(qū)界在口門以上27～33 km 處。

3.5 河口進(jìn)出潮水量與汊道演變

現(xiàn)行黃河口的演變主要表現(xiàn)為入海汊道及其沙嘴的動態(tài)變化，特別是口門汊道的演變決定了沙嘴的走勢。 目前黃河口的東、北汊的演變趨勢可通過兩汊的入海水量對比來判斷。

入海水量由過水?dāng)嗝婷娣e、斷面平均流速和時(shí)間三者的乘積求得。 北汊口門寬1 375 m、兩側(cè)岸坡坡降為0.03，東汊口門寬度918 m、兩側(cè)岸坡坡降為0.02。經(jīng)計(jì)算，在一個全潮過程中東汊入海水量為6 393 萬m3，北汊5 097 萬m3，各占河口總?cè)牒Ｋ?1 490 萬m3的55.6%和44.4%，可見東汊已成為現(xiàn)行河口入海的主通道。

河口入海水量中包含了進(jìn)入河口的潮量，因此入海徑流量是入海水量減去進(jìn)潮量。 通過計(jì)算，北汊進(jìn)潮量為3 958 萬m3，東汊為3 268 萬m3，各占總進(jìn)潮量7 226 萬m3的54.8%和45.2%，北汊進(jìn)潮量比東汊大。北汊進(jìn)潮量和入海徑流量分別占入海水量的77.7%和22.3%，入海徑流量不足進(jìn)潮量的1／3；東汊進(jìn)潮量和入海徑流量分別占入海水量的51.1%和48.9%，進(jìn)潮量與入海徑流量相比僅大2%。 由此可見，北汊主要受潮動力控制，已演變成潮汐通道，潮汐通道有礙徑流下泄，有利于泥沙倒灌，北汊將逐漸衰退；東汊漲潮上溯力稍大于徑流下泄力，兩者大致相當(dāng)，當(dāng)徑流下泄到分流地帶時(shí)，受到北汊較強(qiáng)的潮動力影響，徑流分流到東汊入海，促使東汊繼續(xù)發(fā)展，但因徑潮動力相當(dāng)，外加波浪作用，演進(jìn)速度緩慢。 簡言之，北汊趨于衰退，東汊緩慢向海演進(jìn)是現(xiàn)行黃河口的演變趨勢。

4 結(jié)論

黃河入海水沙量銳減，海域潮動力相對增強(qiáng)，泥沙補(bǔ)給不足，目前河口沙嘴淤進(jìn)緩慢。 由于徑流向外擴(kuò)散減弱，潮波向河口傳播增強(qiáng)，因此形成了近岸與遠(yuǎn)岸對峙的余流場，余流匯合帶相似于河口流速切變鋒，阻礙泥沙外輸。

入海徑流量的減少助長潮水上溯，與以往黃河口相比，潮流界和潮區(qū)界有所上溯。 北、東兩汊的潮汐始漲始落時(shí)刻不同步，導(dǎo)致兩汊之間存在汊道環(huán)流，影響兩汊的興衰。

盡管目前黃河口外懸沙含沙量仍然是近岸高于遠(yuǎn)岸，但是來水來沙量的銳減使口外近岸海域懸沙含沙量極低，已顯著受到泥沙再懸浮的影響。 這已不同于以往黃河口懸沙含沙量主要受高含沙量入海泥沙控制的規(guī)律。

現(xiàn)行黃河口分汊入海，北汊口入海徑流量遠(yuǎn)小于進(jìn)潮量，已成潮汐通道，泥沙倒灌，趨于衰退。 東汊口入海徑流量與進(jìn)潮量大致相當(dāng)，汊道緩慢向海演進(jìn)。

需要指出的是，僅依據(jù)一次汛期大潮實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算分析，只能在一定程度上推斷河口汊道的演變，未來演變趨勢尚有待進(jìn)一步探討。 同時(shí)，口外海濱的波浪作用也是一個重要的影響因素。 因此，黃河口的水沙動力需要進(jìn)一步加強(qiáng)觀測。