黃河口沙嘴演變及泥沙擴散對濰坊港海區(qū)的影響分析

張 杰，楊春松

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程研究中心 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.國家發(fā)展與改革委員會國家投資項目評審中心，北京 100037 )

濰坊港位于渤海南部的萊州灣(圖1)，距離濰坊市區(qū)60 km，西距東營港廣利港區(qū)約18 km，東距龍口港約120 km，為國家一類對外開放口岸、山東省區(qū)域性重要港口。濰坊港劃分為東、中、西三個港區(qū)。中港區(qū)是濰坊港的主體港區(qū)，位于濰坊濱海經濟開發(fā)區(qū)海岸，白浪河入?？谖鱾?，現(xiàn)有碼頭與黃河入?？谥本€距離約45 km，從宏觀背景來看，濰坊港海域處于黃河口入海泥沙擴散范圍之內，受到黃河口入海泥沙或三角洲淺灘泥沙在風、浪以及潮流作用向外擴散的影響。為此需要研究黃河口輸水輸沙對濰坊港海區(qū)地形和外航道淤積的影響，為后續(xù)濰坊港的工程建設服務。

圖1 濰坊港地理位置及形勢示意圖Fig.1 General situation of Weifang Port

工程區(qū)位于萊州灣西部沿岸，為黃河近代沖積、海積平原，東部為廣闊的泥質粉砂及粉砂組成的平緩岸灘，其坡度在0.5‰～1.0‰[1-2]。濰坊港海域潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差1.6 m左右，最大潮差3.0 m左右。該海域潮流為規(guī)則的半日潮流，呈明顯往復流性質，漲潮流向為SW向，落潮流向為NE向；漲、落潮平均流速在0.12～0.35 m/s，實測最大流速不超過0.8 m/s。本區(qū)常風向為SE—SSE，風速較小且為離岸風，對本區(qū)影響較??；強風向為NE向，且為向岸風，對本區(qū)影響較大。常浪向和強浪向均在N—NE向范圍，濰河口最大波高2.0 m；該海域為風暴潮常發(fā)區(qū)，溫帶風暴潮出現(xiàn)頻率較大，多發(fā)生在春季4月、5月或秋季，風暴最大增水達3.55 m[1-2]。該海域實測漲落潮平均含沙量在0.2～0.5 kg/m3；本區(qū)海床底質沉積物平均中值粒徑介于0.035 5～0.080 2 mm，以砂質粉砂、粘土質粉砂分布最廣，總體呈自西向東由細轉粗，從岸到海由粗轉細的趨勢[3]。

濰坊港現(xiàn)有港區(qū)與黃河入?？谥本€距離約45 km，處于黃河口入海泥沙擴散范圍之內。黃河口入海泥沙對濰坊港及其周邊沉積物和地形等均產生了不同程度的影響[3-8]。在歷史時期，黃河三角洲岸線及沙嘴的演變從大格局上可分為兩個時間段，一是淤進期，另一個是蝕退期。淤進期：自黃河三角洲演變有較詳記載的1954年以來，盡管其間各年的來沙狀況有所差別，三角洲向外延伸速度各不相同，但總體上表現(xiàn)為淤進的規(guī)律不變。蝕退期：當黃河改道后，由于泥沙來源斷絕或者大幅度減少，此時影響三角洲發(fā)育的水動力及沙量兩大因素中，從改道前的來沙量占主導轉化為改道后的水動力占優(yōu)，此時岸線則無例外的表現(xiàn)為蝕退。自1976年黃河從清水溝入海以來，河道基本固定，本研究以此為起點時間分析黃河口沙嘴演變，在此基礎上進一步分析黃河口入海泥沙擴散對濰坊港水域影響。

1 黃河口清水溝流路沙嘴的演變

1.1 沙嘴發(fā)育的三個階段

沙嘴的演變與黃河三角洲的發(fā)育在性質上存在共性。即來沙量大，三角洲向外擴展的速度則快，反之則慢；當來沙量減少到一定程度時，還將出現(xiàn)沖蝕后退現(xiàn)象。例如清水溝流路：1987年—1996年，來沙量介于4.2～4.9億t/a[9]，屬中等來沙狀況，沙嘴相應的延伸速度為1.35～1.97 km/a；在1985年—1987年及1996年—2000年，年來沙量低于3億t[9]，沙嘴則表現(xiàn)為蝕退。按照黃河泥沙入海淤積區(qū)域、沙嘴延伸的穩(wěn)定性，以及人為控制與否的不同，可將清水溝流路沙嘴的發(fā)育大體分為三個階段[10-12]。

(1)沙嘴發(fā)育的初期階段(1976年—1981年)。

該時期河口水流散亂，無穩(wěn)定流路，入海泥沙以造陸(岸線向外推移)為主，沙嘴向外延伸速度相對較慢，泥沙向外海的輸送量較小。

(2)沙嘴發(fā)育的中期階段(1981年—1996年)。

自1855年以來，黃河在其三角洲區(qū)曾發(fā)生大、小改道數(shù)十次。改道的原因在于泥沙堆積、岸線延伸，從而導致坡降減緩，當阻力增加到一定程度后，將出現(xiàn)不能滿足泄洪能力的情況，此時洪水在三角洲原河道區(qū)泛流，最終尋其相對較短的新流路入海。因沙嘴的延伸而造成河床比降的減緩，尚未達到影響泄洪的極限值，此時沙嘴的延伸速度相對較快，即黃河所攜帶的入海泥沙，從“初期階段”以造陸為主，轉化為以沙嘴延伸為主。此后，由于沙嘴明顯突出于岸線以外的波、流動力相對較強的深水區(qū)，致使泥沙出沙嘴后的流失量增大。

(3)沙嘴發(fā)育的近期階段(1996年—2000年)。

1976年黃河從清水溝入海至1996年6月以前，一直保持著單一而穩(wěn)定的入海通道，沙嘴平均延伸速度達1.5 km/a，凈延伸總距離達29.2 km。沙嘴的快速延伸導致近河口區(qū)比降減小，為有利于行洪，于1996年6月在原流路的北側沙嘴人工開口引黃入海。迄止2000年，從已有的衛(wèi)片圖像看黃河從原來的單一入海通道(下簡稱老通道)變?yōu)殡p通道，即老通道和開北側沙嘴形成的新通道(下簡稱北新通道)入海。

1.2 沙嘴演變趨勢

由于沙嘴的延伸長度與黃河入海泥沙擴散范圍(或泥沙流失量)有關，而泥沙擴散范圍又與濰坊港區(qū)水域的泥沙來源存在一定的關系，所以對沙嘴演變趨勢的分析顯得十分重要。

(1)沙嘴的“極限”延伸長度。

隨著沙嘴的延伸，河床比降將降低，當泄洪能力不能滿足汛期流量下泄時將出現(xiàn)溢流，并最終形成入海距離較短的新流路，沙嘴不會無限度的延伸。在新流路形成至消亡(改道)之間，存在一個沙嘴的極限長度。據(jù)統(tǒng)計分析，黃河自釣口河入海(1964年)至改道前(1973年)，沙嘴累計延伸的最大長度為47.3 km[10-12]；黃河自清水溝流路入海(1976年)至人工在北側沙嘴開口泄洪前(1996年)，沙嘴累計延伸距離為29.2 km[13]。上述兩條沙嘴的長度相差約18 km，除了可能與兩個時期的水沙比及兩個區(qū)域的海洋動力等因素的不同有關外，還與人為因素有關。釣口河流路的出現(xiàn)與消亡基本反映其自然演變過程，而清水溝流路、老通道沙嘴則明顯受人為控制的影響，即1996年開北口(形成北新通道)是為提高排洪能力而為之。因此可近似認為清水溝流路沙嘴的極限長度應在30 km左右。

(2)新老沙嘴的興衰與轉換。

清水溝流路老通道沙嘴的規(guī)模與黃河來沙狀況及人為控制有關。自1976年后的成長發(fā)育至1996年后的蝕退，大致經歷19 a，此期的累計延伸長度約29 km。

北汊開口(1996年)形成新的入海通道后，與老通道的沙嘴發(fā)育相比較，一方面在總體上應存在相似性，即亦存在自興至亡的發(fā)育過程。另一方面亦存在差異性：(1)沙嘴發(fā)育的起始點不同。老通道沙嘴延伸的起點靠內側，而北新通道沙嘴則大約在老沙嘴的中后區(qū)域向外延伸，從這一點看北新通道沙嘴(含開口以里的沙嘴長和開口以外沙嘴長)欲達到老沙嘴的相同規(guī)模，所需的時間應遠短于19 a；(2)有關資料表明，由于受黃河中上游水土保持能力提高、小浪底水庫攔沙以及人們用水量增加等綜合因素的影響，黃河的入海水量將呈減少趨勢，泥沙的下泄量亦隨之減少，從這一點看，與老通道沙嘴的延伸相比較，北新通道沙嘴的延伸速度又相對較慢。由此判斷，清水溝流路枝狀沙嘴綜合體的平均延伸速度不會快，其平均長度將很難突破長29 km的老沙嘴范圍。

2 黃河口外泥沙擴散范圍

2.1 從遙感影像看渾水擴散范圍

所謂“渾水擴散范圍”系指1976年—2007年期間，各遙感影像上濃度相對較高水體分布的臨界線，或者說受黃河細顆粒泥沙影響較大與影響較小區(qū)域的分界線。“渾水擴散距離”，系指渾水擴散最遠的邊界(即主體外邊界)與某一區(qū)域的距離。

渾水擴散范圍雖然與黃河的時段來沙量以及沙嘴長度等因素有關，但統(tǒng)計表明，在這些因素中以沙嘴延伸長度的影響最大。黃河來沙量從總體看呈減小趨勢，特別是20世紀80年代中葉以來，其來沙量減小更加明顯。1976年黃河自清水溝入海至1996年期間，渾水主體方向的外邊界與1976年河口的距離，卻并未因入海沙量的減少而穩(wěn)定在1976年的河口近側；相反，渾水主體外邊界與1976年河口的距離呈現(xiàn)與日俱增的趨勢。例如1976年12月渾水主體外邊界與1976年河口的距離僅9.3 km(相應沙嘴長≈0)，而1984年10月卻增至33.4 km(沙嘴長18.1 km)；1991年1月又增至46.2 km(沙嘴長21.8 km)；此后，大致維護在50 km(沙嘴長約28 km)左右。從而不難看出，渾水的擴散范圍(自1976年河口起算)與沙嘴延伸長度直接有關。不過1996年6月黃河口人工改道清水溝清8段面向北入海，自此南側沙嘴逐漸呈萎縮狀態(tài)，而北側沙嘴逐漸發(fā)育(圖2)。

2-a 1976-12-012-b 1984-10-052-c 1991-01-262-d 1998-05-052-e 2000-03-072-f 2007-07-17圖2 不同時期黃河口渾水線范圍Fig.2 Muddy waterline range of the Yellow River estuary in different periods

2.2 入海河口變遷與渾水擴散的關系

1996年清水溝流路的沙嘴演變表明，當沙嘴達到一定規(guī)模后，將人為開口或自動出汊，沙嘴發(fā)育將再次出現(xiàn)類似老通道沙嘴的發(fā)育模式。這種變化對濰坊港泥沙淤積的影響顯然是一個值得探討的問題。以1996年人工開北口后的沙嘴發(fā)育為例：1996年開北口后，沙嘴將呈緩慢延伸趨勢，其最大長度不會超過30 km。盡管自老通道沙嘴的北側開口，但入海泥沙的流向并未直指N向，而是指向NE。其原因在于NE方向遠離岸線，自然水深和納泥量相對較大，有利于泥沙的沉積與宣泄。從老通道沙嘴的走向看，在本海區(qū)水流及偏N強浪向的綜合作用下，總體上沙嘴將向SE方向延伸。從而推測，盡管1996年—1999年北新通道沙嘴在發(fā)育的初期仍呈NE走向，但當發(fā)育到一定規(guī)模后，很有可能亦向SE方向偏轉。也就是說，盡管在北汊出口，導致入海泥沙與濰坊港的距離增大，但這種優(yōu)勢只體現(xiàn)在沙嘴發(fā)育的初期階段，從整體看入海泥沙的擴散范圍不會因出汊口門方向的不同而改變。因此在考慮黃河入海泥沙對濰坊港的影響時，可近似忽略口門變遷這一因素，其影響程度可參照老通道沙嘴的泥沙擴散范圍。

3 濰坊港兩側的灘面淤積

3.1 統(tǒng)計區(qū)域的劃分

黃河口(0 m線河口)至濰坊港以東水域，按等深線走向的明顯變化及淤積強度區(qū)域分布的差異性，可將該水域分為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)三個區(qū)域。即1984年及2002年各等深線走向發(fā)生明顯偏轉的各拐點(圖3中“△ ”及“O”)連接線以西水域(即圖3中AB直線與CD折線所挾范圍)，稱為“西區(qū)”；上述連接折線至濰坊港航道軸線走向(217.5°～37.5°)以東6.5 km范圍，各等深線走向差別不大，淤強亦顯著下降，故將該水域稱為“中區(qū)”( 圖3中CD和EF所挾范圍)；EF線以東至測圖所能提供的圖幅范圍稱“東區(qū)”。從圖3可以看出，1984年和2002年，東、中區(qū)各等深線基本遵循NW走向，而西區(qū)1984年和2002年卻分別自NW轉為偏N(1984年)和NE(2002年)走向，加之等深線發(fā)生明顯轉向后的水域，淤強較大。

3.2 等深線的進退

與1984年比較，2002年等深線的變化在西區(qū)、中區(qū)及東區(qū)中表現(xiàn)為不同特點。

西區(qū)：1984年拐點(圖3中“△”)以北的4～8 m各等深線呈偏N走向，而時至2002年，拐點(圖3中“O”)以北4～8 m各等深線卻明顯轉為NE走向。即8 m以里，各等深線以大轉向角(59°～32°)扇形偏轉及等深線的快速推進(18 a累計推進12.7～11.4 km；平均推進速度706～633 m/a)。

中區(qū)：2002年與1984年比較，除個別等深線仍存在30°左右的偏轉角外，其他各等深線，其偏轉角或者在10°以內，或者表現(xiàn)為平行推進和蝕退。其中在4～10 m范圍內，等深線的累計推進距離為0.2～3.2 km，平均推進速度為12～179 m/a。10 m線以外，等深線出現(xiàn)了蝕退現(xiàn)象。

東區(qū)：2002年與1984年對比，各等深線中累計最大推進距離為876 m(10 m線)，累計最大蝕退距離為-240 m(7 m線)。雖然等深線的淤進與蝕退呈相間分布，似無一定的規(guī)律可尋，但從統(tǒng)計區(qū)域的總體看，推進仍略大于蝕退。

3.3 灘面沖淤

西區(qū)：由淺至深各等深線所挾范圍的累計淤積強度，自5.8 m(2～4 m線)漸減到0.9 m(10～12 m線)；全區(qū)平均累計淤強達2.7 m。

中區(qū)：由淺至深累計淤強的變化，介于0～0.6 m；全區(qū)平均累計淤強為0.3 m。

東區(qū)：由淺至深，各等深線所挾范圍的累計淤強變化在0.3～-0.1 m；全區(qū)平均累計淤強為0.1 m。

圖4為黃河入海泥沙宏觀沖淤圖。從淤強分布的總體看，西區(qū)明顯大于中區(qū)，中區(qū)略大于東區(qū)。最大淤強出現(xiàn)在黃河口的東南近側。

圖3 1984年—2002年等深線比較圖Fig. 3 Comparison of isobath lines from 1984 to 2002圖4 1984年—2002年海域沖淤變化圖Fig.4 Erosion and silting change of sea area from 1984 to 2002

4 黃河口入海泥沙擴散對濰坊港影響分析

黃河入海泥沙中的細顆粒通過深水區(qū)的擴散及粗顆粒的沿岸運動兩種途徑，在一定程度上影響著濰坊港海區(qū)的地形演變。主要體現(xiàn)在以下幾個方面[14]。

4.1 黃河口外渾水主體外邊界抵達航道

衛(wèi)片判讀表明，黃河自清水溝入海以來，渾水主體外邊界與濰坊港航道軸線的垂向距離，由初期(1976年)的約35 km，減至1999年的8 km，與濰坊港現(xiàn)防波堤頭連線距離由48 km減至30 km。

4.2 “中區(qū)”等深線明顯外移

濰坊港所處水域(即“中區(qū)”)，在水深4～10 m范圍內，2002年與1984年比較，等深線向海推進的累計距離為0.2～3.2 km，推進速度為12～179 m/a；2～12 m范圍的最大淤強為0.6 m，平均淤強為0.3 m，中區(qū)平均淤量為740萬m3。濰坊港兩側除黃河外，其他諸河來沙量甚微，岸線無侵蝕跡象，4 m線以內的灘面亦基本穩(wěn)定，即使處于微沖，因4 m線以內所覆蓋的面積有限，所以沖刷量亦將遠小于其外堆積量(740萬m3/a)，因此濰坊港外航道會受黃河泥沙擴散影響是顯然的。

4.3 “西區(qū)”強淤積線逼近航道軸線

西區(qū)處于強淤積狀態(tài)。其中，淤強為1 m的等值線(自然水深7.5～10 m區(qū)域)與航道軸線的垂向最小距離已不足2 km，平均距離亦僅5.7 km；在自然水深10～12 m區(qū)域內，二者的最小距離為4.8 km ，平均距離為7.7 km。即使淤強為2 m的等值線，與航道軸線的最小垂向距離亦僅7.7～9.1 km。

4.4 存在向濰坊港海區(qū)的沿岸輸沙

研究沿岸輸沙的方法有多種：如波能法，即認為沿岸輸沙率與波能沿岸分量成正比，通常采用一些半經驗公式(如我國《港口與航道水文規(guī)范》中的推薦公式[15])計算、重礦物分析、地貌形態(tài)(如沿岸沙壩延伸方向)等分析方法。除此外，河口水道軸線的位移也常被利用于對沿岸輸沙方向的判斷。一般認為，河口水道自一個方向規(guī)律地向另一個方向發(fā)生位置上的移動，則其位移方向常被視為沿岸輸沙的去向。

圖5清楚地展現(xiàn)了1969年—1980年期間河口2 m槽的擺動狀況：在11 a的時間內，河口通道的內端平面位置變化不大，但其外卻呈扇形不斷向東偏轉。其中，1969年—1976年的擺動總距離為700 m(100 m/a)；1976年—1978年、1978年—1979年和1979年—1980年，均分別累計向東擺動150 m。從小清河口2 m槽的擺動可以認為濰坊港海區(qū)存在一定的沿岸泥沙輸送。

圖5 小清河口2 m等深線擺動情況Fig.5 The 2 m isobath swing in Xiaoqing Estuary

從動力條件上來看，小清河口以北的岸線大致成S—N走向，黃河口附近的強浪向為NE，濰坊港海區(qū)的強浪向為NNE，次強浪向為N，顯然上述二種岸線走向與強浪向和次強浪向均存在一定的有利于泥沙自N向S或自W向E運移的交角，加之黃河入海泥沙雖然較細，但由于入?？偵沉枯^大，所以其間也不乏粗顆粒成份。充足的沙源、必要的波浪動力及有利于向濰坊海區(qū)輸送的浪岸夾角，滿足了實現(xiàn)泥沙沿岸運動的所有必要條件。

但是，從濰坊港區(qū)及其附近4 m線以里灘面基本平衡，甚至略有沖刷，以及濰坊港以東約50 km處突出于岸線的人工堤壩的迎沙面淤積甚微看，沿岸輸沙量不大，不會成為有雙堤掩護條件下港口淤積主要的直接沙源。

5 結語

(1)1976年黃河從清水溝入海至1996年，沙嘴累計延長29.2 km，平均速度為1.5 km/a。盡管沙嘴演變與來沙量直接相關，來沙豐則進，來沙少則退。但綜合分析表明，今后沙嘴仍將呈緩慢延長趨勢，其極限長度在30 km左右。

(2)黃河口外渾水的擴散范圍與沙嘴延伸長度成正相關。渾水擴散對濰坊港的影響隨沙嘴長度增加而增加：1976年—1981年，沙嘴長近于0～9.4 km，渾水主體外邊界與濰坊港航道軸線的垂向距離為33～35 km；而1991年—1999年，沙嘴增至22～28 km，渾水主體外邊界與航道軸線的距離則減至5～8 km。渾水擴散已鄰近航道(特別是自然水深7.5～10 m段)，并且隨著時間的延續(xù)而靠近，甚至超越。

(3)黃河口至濰坊港區(qū)附近，鄰近黃河口的“西區(qū)”淤積強度大、等深線向外推進速度快。從渾水主體外邊界及西區(qū)強淤積等值線目前已逼近航道軸線，并呈發(fā)展趨勢判斷，黃河細顆粒泥沙來源充沛，對濰坊港外航道淤積將產生較明顯的影響。黃河口至濰坊港區(qū)，雖然沿岸粗顆粒泥沙的輸送量不大，但對港區(qū)水深4 m以內灘面粗物質向深水區(qū)輸送流失卻是一種補充，并將成為開敞航道粗顆粒淤積的沙源之一，從而增加了開敞航道水深維護的難度。