黃河三角洲刁口葉瓣堆積過(guò)程

邢呂陽(yáng)，李廣雪,2，劉思雨,2，李浩楠，潘煜峰

1. 中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

2. 中國(guó)海洋大學(xué)未來(lái)海洋學(xué)院，青島 266100

黃河三角洲曾是世界上堆積速度最快、演變最劇烈的大河三角洲，埕島油田位于現(xiàn)代黃河三角洲北部海域，主體工程區(qū)坐落于廢棄的刁口水下三角洲葉瓣上，共建有在役各類平臺(tái)107 座、海底管道162 條、海底電纜123 條，依附于刁口葉瓣堆積體，因此，研究刁口葉瓣堆積體形成過(guò)程有利于查明工程設(shè)施所處的地層組合狀態(tài)，有利于埕島油田工程設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

1980 年以來(lái)，隨著國(guó)際對(duì)高含沙河口沉積作用的逐漸關(guān)注，以及黃河三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，眾多學(xué)者研究了黃河三角洲堆積體的發(fā)育演變過(guò)程。根據(jù)前人研究，黃河三角洲由10 個(gè)大型三角洲葉瓣組成，流路行水期，在異重流[1-2]和切變鋒[3-4]作用下，河口快速堆積形成三角洲葉瓣[5]。刁口流路三角洲葉瓣是1964—1976 年間形成，前人圍繞黃河來(lái)水來(lái)沙[6-7]、岸線變化[8-11]、河道演化[10-13]和形成過(guò)程[14-18]對(duì)刁口葉瓣水下三角洲做了一些研究，論證了刁口流路行水期整體演化過(guò)程。

由于歷史測(cè)量資料收集難，學(xué)者們對(duì)刁口葉瓣形成期的研究往往局限于總體描述，缺少堆積體階段性發(fā)育過(guò)程分析，本文收集了刁口葉瓣形成期多次岸線航測(cè)和水深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重建了刁口流路三角洲葉瓣形成期岸線演變和堆積中心階段性形成過(guò)程。

1 資料與方法

1.1 選區(qū)

1964 年1 月黃河改道刁口流路行河， 到1976 年5 月人工改道清水溝流路，在此期間形成的三角洲稱為刁口流路三角洲葉瓣，本文簡(jiǎn)稱刁口葉瓣。本文研究區(qū)范圍是38°05′36′′～38°18′35′′N、118°38′19′′～118°57′27′′E 之間的區(qū)域，覆蓋了刁口葉瓣的主體區(qū)域（圖1）。水深數(shù)據(jù)坐標(biāo)采用1954 年北京坐標(biāo)系，投影格式為高斯-克呂格投影，6 度帶，中央經(jīng)線117 度，1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，高斯坐標(biāo)系的研究范圍為20644000～20671000、4220000～4243000。

圖1 黃河三角洲研究選區(qū)2021 年刁口葉瓣遙感圖像。Fig.1 The study area of the modern Yellow River deltaRemote sensing images of the Diaokou Lobe in 2021.

1.2 資料來(lái)源

黃河來(lái)水來(lái)沙數(shù)據(jù)來(lái)自黃河水利委員會(huì)利津水文站1950—2000 年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，黃河年平均輸沙量為8.54×108t/a，年平均徑流量為335×108m3，水沙年際變化大，年內(nèi)分配不均，來(lái)水來(lái)沙主要集中在夏季汛期（每年7—10 月）。

本文岸線數(shù)據(jù)基于航測(cè)資料（1963、1964 年）、水深插值0 m 岸線（1964、1968 和1972 年）和1976年Landsat2MSS 遙感數(shù)據(jù)。高潮線和低潮線均常作為遙感圖像提取的海岸線基線[9,19]，但高潮線已經(jīng)處于低動(dòng)能海洋環(huán)境，不足以反映水下三角洲堆積體的沖淤變化，因此本文選用低潮線用于刁口流路三角洲葉瓣岸線變化研究。低潮線是平緩潮間帶與坡度較大的三角洲前緣斜坡的地形轉(zhuǎn)換界線，在遙感圖像上界線明顯，容易識(shí)別。

本文收集到刁口流路行河期間1959、1966、1968、1972、1975 和1976 年的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要來(lái)自黃河水利委員會(huì)、勝利油田和國(guó)家基礎(chǔ)調(diào)查項(xiàng)目的測(cè)量數(shù)據(jù)，形成了一套比較全面的歷史數(shù)據(jù)集。水深測(cè)量采用SDH-13A 型測(cè)深儀，測(cè)量范圍0.5～200 m，測(cè)深誤差小于5 cm。水深測(cè)量時(shí)間基本集中于每年9—10 月，黃河三角洲海床年際地形沖淤幅度較大，所用測(cè)深儀器測(cè)量誤差在允許范圍以內(nèi)。其中，1964 年缺乏水深測(cè)量數(shù)據(jù)，用1959 年作為刁口葉瓣發(fā)育的初始水深，由于該海域大部分區(qū)域?qū)儆谠缙趶U棄的三角洲葉瓣，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間海床調(diào)整，1959—1964 年之間海床變化強(qiáng)度相對(duì)偏弱，所以可以近似用1959 年水深代替1964 年。

為了研究刁口葉瓣水下三角洲堆積體演變的階段性規(guī)律，采用堆積體厚度平面分布和特征剖面的時(shí)間序列變化分析相結(jié)合的方法。堆積中心是整個(gè)葉瓣形成期海床變化最敏感的代表性區(qū)域，特征剖面選取都穿過(guò)了這些堆積中心，因此提取垂直岸線的3 條特征剖面的水深數(shù)據(jù)，對(duì)于多條剖面不同水深采集固定點(diǎn)水深數(shù)據(jù)和不同水深界面，分析海床沖淤和堆積體的階段性變化特征。

1.3 堆積效率計(jì)算方法

本文引入造陸效率、堆積效率和最大堆積比例3 個(gè)參數(shù)，用于研究黃河來(lái)水來(lái)沙在三角洲葉瓣的堆積效果：

造陸效率計(jì)算公式為

λ為造陸效率，表達(dá)黃河入海泥沙形成陸地的能力，單位km2/108t；A為造陸面積，單位km2；Q為黃河入海泥沙量，單位108t。

堆積效率計(jì)算公式為

γ為堆積效率，表達(dá)的是水下三角洲捕獲入海泥沙的能力，堆積效率值是無(wú)量綱百分比；σ為海底沉積物密度，本文選為1.1 t/m3[20]；V為堆積體體積，單位m3。

最大堆積比例計(jì)算公式為：

Δmax為最大堆積比例，單位t/(m3·a)（每年堆積中心每堆積1 m 沉積物所需的黃河來(lái)沙量）；Hmax堆積中心厚度，單位m；T是堆積時(shí)間，單位a。最大堆積比例Δmax表達(dá)的是入海泥沙在水下三角洲形成最大堆積厚度的能力，堆積比例越高，入海泥沙向外擴(kuò)散的能力越弱。

2 海岸線變化

2.1 黃河水沙特征

1950—2000 年間，黃河在汛期入海的徑流量占年徑流量的61.32%，入海泥沙量占全年的85.20%。刁口葉瓣形成期水沙充足，來(lái)水來(lái)沙同樣集中在汛期，汛期徑流量占全年的59.09%，泥沙量占全年的82.07%（圖2），整個(gè)形成期入?？偵沉繛?40.48×108t，黃河水沙供應(yīng)峰值同期，平均含沙量為25.44 kg/m3。如此高的河流含沙量，使得刁口葉瓣堆積較快。

圖2 黃河利津水文站逐月平均水沙量占全年的百分比Fig.2 Monthly annual percentage of water and sediment in the Yellow River at Lijin gauge station

2.2 岸線與陸地面積變化

刁口葉瓣形成期岸線變化資料顯示（圖3）。1963 年底，近岸存在一個(gè)小型古海灣，自1964 年1 月1 日黃河改道刁口流路后的第一個(gè)汛期，黃河上游三門峽大壩改建后，排水排沙能力加大，入海泥沙量達(dá)到了19×108t，為整個(gè)行水期間輸沙平均值的兩倍。三門峽大壩大規(guī)模的排沙將原始內(nèi)凹的小海灣迅速填平，到1964 年9 月，葉瓣?yáng)|西兩側(cè)岸線基本平行。1964 年汛期之后開(kāi)始形成水下三角洲，岸線向外?？焖僦鸩酵埔疲▓D3），1964 年汛后到1976 年之間，岸線整體向外海推移，1964—1968 年岸線平均推移速度為2 073 m/a，1968—1972 年岸線平均推移速度為902 m/a。1972—1976年，堆積體主要在葉瓣西側(cè)發(fā)育，岸線向海推移速度為1 019 m/a。

圖3 刁口葉瓣岸線與河道演化A1：1964—1966 年堆積中心，A2：1966—1968 年堆積中心，A3：1968—1972 年堆積中心，A4：1972—1975 年堆積中心，A5：1975—1976 年堆積中心。Fig.3 Shoreline and channel evolution of Diaokou LobeA1: Accumulation center (1964—1966), A2: accumulation center(1966—1968), A3: accumulation center (1968—1972), A4: accumulation center (1972—1975), A5: accumulation center (1975—1976).

1964—1976 年黃河入海泥沙總量高達(dá)140.48×108t，劉家峽大壩復(fù)工使得1968 年后整體來(lái)水來(lái)沙量有所降低，年平均輸沙量?jī)H為1964 年的一半，整個(gè)行水期岸線隨著河道尾閭擺動(dòng)仍不斷向海推進(jìn)，新堆積的陸地總面積為599.26 km2，每年平均造陸面積為49.94 km2，每年岸線平均向海推進(jìn)1692.56 m。表1 是刁口葉瓣形成期造陸情況匯總，泥沙供應(yīng)量和造陸速度呈明顯正相關(guān)關(guān)系。1964 汛期到1966年岸線向海推進(jìn)，造陸面積316.58 km2，造陸效率達(dá)到每?jī)|噸泥沙造陸8.27 km2，其中，1964 年汛期將古海灣填滿，造陸速度高達(dá)157.20 km2/a。1964 年汛期后，造陸速度和效率逐步下降（表1），造陸效率下降一半以上，主要原因是河口向海凸出后，入海泥沙向外海擴(kuò)散的作用加強(qiáng)。

表1 刁口葉瓣形成期造陸統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of epeirogeny during the formation of the Diaokou Lobe

3 堆積特征

3.1 水深演變特征

為了研究不同時(shí)間段的堆積過(guò)程，選取三條剖面（圖4a 中剖面47、54 和62），以刁口葉瓣1976 年1～15 m 間隔1 m 的水深點(diǎn)作為固定點(diǎn)，研究整個(gè)建設(shè)期內(nèi)不同年份固定點(diǎn)水深隨著河口堆積發(fā)生的變化。根據(jù)3 個(gè)剖面水深演變可看出，整個(gè)形成期堆積體的分區(qū)特征和階段性演變明顯（圖4）。分區(qū)特征表現(xiàn)為以1976 年10 m 水深為界分為淺水區(qū)和深水區(qū)，淺水區(qū)快速堆積，深水區(qū)堆積緩慢，12 m以深海域堆積更為緩慢。

圖4 固定點(diǎn)水深變化a：剖面布設(shè)位置，b：#47 剖面固定點(diǎn)水深，c：#54 剖面固定點(diǎn)水深，d：#62 剖面固定點(diǎn)水深。Fig.4 Evolution of water depth at fixed pointsa: location of survey lines; b-d: profiles of water depth at fixed points of #47 (b), #54 (c), and #62 (d).

3.2 水下堆積體變化特征

刁口葉瓣形成期總堆積體厚度見(jiàn)圖5a，堆積體體積為450.96×108m3，兩個(gè)大于13 m 厚的堆積中心位于7～10 m 水深范圍，以中間線為界，分別計(jì)算研究區(qū)東西兩側(cè)堆積量：西側(cè)水下堆積體體積為276.60×108m3，占整個(gè)堆積體體積的61.34%，三角洲造陸面積占總造陸面積的58.71%，說(shuō)明在東西兩個(gè)堆積中心厚度接近的情況下，受到刁口水下三角洲葉瓣?yáng)|部近岸無(wú)潮點(diǎn)強(qiáng)潮流區(qū)影響，聯(lián)合東北向大浪的作用，造成研究區(qū)西側(cè)堆積體體積大于東側(cè)。

圖5 刁口葉瓣堆積體厚度變化A1：1964—1966 年堆積中心，A2：1966—1968 年堆積中心，A3：1968—1972 年堆積中心，A4：1972—1975 年堆積中心，A5：1975—1976 年堆積中心，A6：1964—1966 年沖刷中心，A7：1966—1975 年堆積中心。Fig.5 Sedimentary thickness of the Diaokou LobeAccumulation centers during 1964—1966 (A1), 1966—1968 (A2), 1968—1972 (A3), 1972—1975 (A4), 1975—1976 (A5), and 1966—1975 (A7), and erosion center during 1964—1966 (A6).

由圖5 不同時(shí)期堆積中心A1-A5變化過(guò)程可以看出，刁口葉瓣形成初期，河口位于西側(cè)，隨著行河時(shí)間推移，在北半球柯氏力作用下河道持續(xù)向東擺動(dòng)，古河道口位置不斷東移，到1976 年刁口流路廢棄時(shí)，河道又調(diào)整回到西側(cè)?；诟鲿r(shí)間段堆積中心位置和堆積體等厚度分布綜合分析，將形成期水下三角洲演變劃分為3 個(gè)階段（圖5）：近岸堆積階段（1964—1966 年）、整體堆積階段（1966—1975 年）、調(diào)整堆積階段（1975—1976 年）。

（1）近岸堆積階段（1964—1966 年）：黃河入海水沙量充足，泥沙總量達(dá)40.13×108t，黃河徑流總量為1 692.50×108m3，堆積中心位于研究區(qū)西側(cè)，靠近1964 年汛期后水下三角洲0 m 水深線，堆積中心位于A1，遠(yuǎn)離1966 年10 m 水深線，堆積厚度超過(guò)8 m，堆積總體積為12.33×108m3，堆積中心的堆積速度為4 m/a；近岸堆積階段刁口葉瓣海床并非都處于堆積狀態(tài)，東側(cè)的神仙溝流路在其行水期1953—1964年后被廢棄，此時(shí)仍處于快速?zèng)_刷階段，使得研究區(qū)東部出現(xiàn)一個(gè)4 m 左右的沖刷中心A6，黃河口在附近供應(yīng)入海泥沙，仍然抵擋不住神仙溝流路廢棄后的侵蝕調(diào)整作用，沖刷總量為1.33×108m3，最大沖刷厚度為4 m（圖5b）。

（2）整體堆積階段（1966—1975 年）：1968 年之后黃河口來(lái)水來(lái)沙量有所下降，該階段黃河入海泥沙總量為91.73×108t，徑流總量為3 334.60×108m3，研究區(qū)整體堆積（圖5c），在柯氏力作用下黃河河口向東側(cè)偏移，岸線向海推進(jìn)，兩種作用結(jié)合下整體堆積階段的堆積中心由A1向東北轉(zhuǎn)移到A7。堆積中心最大堆積厚度超過(guò)12 m，堆積體呈橢圓形分布，堆積體中心軸線與岸線平行，表明入海泥沙受到往復(fù)性潮流場(chǎng)攜帶擴(kuò)散控制，沿等深線堆積。淤積總體積為30.65×108m3，平均堆積速度為0.51 m/a，堆積中心的堆積速度為1.33 m/a，堆積速度慢于近岸堆積階段。

（3）調(diào)整堆積階段（1975—1976 年）：1975 年黃河汛期入海水沙充足，入海泥沙總量為8.62×108t，徑流總量為425.90×108m3，最大堆積厚度超過(guò)5 m。前期柯氏力使得古河口持續(xù)向東向北偏移，引起河道曲率過(guò)大，河道開(kāi)始失穩(wěn)，1976 年河口回到葉瓣發(fā)育初期的西側(cè)位置，堆積中心由A7轉(zhuǎn)移至A5，1975 年研究區(qū)東部海床缺少河口泥沙直接供應(yīng)，堆積緩慢（圖5d）。這一階段淤積總量為4.20×108m3，中部地區(qū)出現(xiàn)微弱沖刷，沖刷總量?jī)H為0.75×108m3（圖5d），堆積中心的堆積速度為4 m/s。

3.3 三角洲堆積效率

表2 是針對(duì)上述3 個(gè)堆積階段計(jì)算的水下三角洲葉瓣堆積效率。

表2 刁口葉瓣形成期堆積統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of accumulation in the Diaokou Lobe formatin

（1）近岸堆積階段（1964—1966 年）：黃河入海輸沙量為13.38×108t/a。整個(gè)研究區(qū)經(jīng)歷了1964 年汛期充足的水沙供給、上游水利工程改建的泄洪泄沙和研究區(qū)東部神仙溝葉瓣廢棄初期快速的沖刷，近岸堆積階段堆積體積為11.00×108m3，早期黃河潮流動(dòng)力強(qiáng)，近岸堆積階段堆積體的堆積效率最低，為30.14%，堆積比例最高，為2.51×108t·m-1·a-1，入海泥沙向外擴(kuò)散能力最弱，依靠充足的泥沙供應(yīng)，刁口葉瓣水下三角洲近岸堆積階段堆積速度為5.50×108m3/a（表2）。近岸堆積階段研究區(qū)西部水下三角洲堆積體體積為9.81×108m3，占近岸堆積階段堆積體體積的89.18%，該時(shí)期古河口位于西側(cè)，研究區(qū)西側(cè)是主要堆積區(qū)域。

（2）整體堆積階段（1966—1975 年）：研究區(qū)枯水少沙，含沙量最高達(dá)到27.50 kg/m3，整體堆積階段的堆積效率有所上升，為36.70%。研究區(qū)整體堆積，堆積中心狹長(zhǎng)，堆積比例最低，為0.85×108t·m-1·a-1，整體堆積階段堆積速度最慢，僅為3.40×108m3/a（表2）。整體堆積階段研究區(qū)西部堆積體體積為15.03×108m3，占整體堆積階段堆積體體積的49.05%，由于持續(xù)柯氏力作用，堆積中心已經(jīng)偏移至研究區(qū)東側(cè)，該階段研究區(qū)西側(cè)堆積體體積仍接近整個(gè)研究區(qū)的一半，無(wú)潮點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)的潮流場(chǎng)作用下使得大量泥沙入海后仍以向西擴(kuò)散為主。

（3）調(diào)整堆積階段（1975—1976 年）：堆積中心位置調(diào)整回到西側(cè)，研究區(qū)東部水下三角洲海床穩(wěn)定。調(diào)整堆積階段堆積體體積為3.45×108m3，由于堆積集中在西北新形成的水下三角洲，調(diào)整堆積階段的堆積效率最高，為44.03%，研究區(qū)堆積體集中在堆積中心（表2）。調(diào)整堆積階段研究區(qū)西部水下三角洲堆積體體積為2.82×108m3，占整個(gè)堆積體體積的81.79%。

4 古河道變化

成國(guó)棟等[15]認(rèn)為黃河三角洲形成過(guò)程中古河道演化可以總結(jié)為漫流、歸股順直和出汊擺動(dòng)3 個(gè)階段。黃河三角洲為河控型三角洲，地表徑流直接控制來(lái)水來(lái)沙，黃河尾閭擺動(dòng)控制堆積區(qū)域，是刁口葉瓣形成期三角洲不同演化階段的主要控制因素。本文基于不同階段堆積中心位置和1976、1977年遙感圖像中陸地遺存古河道痕跡，重現(xiàn)了1964—1976 年刁口流路行水期河口位置和河道擺動(dòng)過(guò)程（圖3）。

（1）1964—1966 年，刁口流路改道初期，河口處于神仙溝與挑河間的狹窄海灣上，海底平坦，水深在5 m 左右，河水漫流入灣，泥沙大量淤積在濱海地區(qū)，1964 年汛期后將海灣填平（圖3），1965 年之后，河口向外海推移。

（2）1966—1968 年，刁口流路河道在新的河灘分汊入海，呈現(xiàn)一條主流、一條小汊河的入海情景，兩股水流輸水輸沙能力極不平衡，在經(jīng)歷1967 年旱情后，刁口流路逐漸形成單一的分流河道行水，匯流順直單一入海（圖3）。河道逐漸向NNE 向偏移，河口快速向海推進(jìn)。

（3）1968—1972 年，河道持續(xù)沿NNE 增長(zhǎng)，河口迅速向海推進(jìn)，呈鳥(niǎo)嘴狀插入海中，河口水下三角洲前緣迅速堆積，水下三角洲輪廓呈現(xiàn)平行于海岸線的橢圓形（圖3）。

（4）1972—1975 年，刁口古河道曲直向海，1974 年時(shí)河道曲率過(guò)大平行于岸線，河口逐漸失穩(wěn)開(kāi)始向西側(cè)回?cái)[（圖3）。三角洲葉瓣整體向海推進(jìn)，河口外海擴(kuò)散范圍大，堆積厚度變薄，堆積中心厚度最大可達(dá)到5 m，1975 年河口向西偏移明顯。

（5）1975—1976 年，東南側(cè)水下三角洲缺少泥沙供應(yīng)，不再堆積，研究區(qū)東側(cè)出現(xiàn)斷流，刁口分流河道在西岸決口，河口調(diào)整回到西側(cè)（圖3）。河道演變過(guò)程與堆積中心遷移過(guò)程基本一致：1964—1966年漫流入海，1968—1972 年歸股順直，1972—1976年出汊擺動(dòng)。

5 結(jié)論

（1）1964 年汛期將古海灣填平，之后岸線快速向海淤進(jìn)。1964—1976 年黃河入海輸沙總量140.48×108t，造陸面積為599.26 km2，每?jī)|噸泥沙造陸4.3 km2；岸線向外海最大延伸距離27.1 km，平均每年向海推移1.7 km。

（2）刁口葉瓣形成期堆積總體積為450.96×108m3，堆積中心位于7～10 m 水深范圍，隨著岸線向海推進(jìn)，淺水區(qū)快速堆積，深水區(qū)緩慢堆積，13 m水深外海基本維持沖淤平衡。堆積過(guò)程分為近岸堆積（1964—1966 年）、整體堆積（1966—1975 年）和調(diào)整堆積（1975—1976 年）3 個(gè)階段。1964—1966年堆積厚度8 m，河口在葉瓣西側(cè)；1966—1975 年間，由于岸線向海推進(jìn)和柯氏力持續(xù)作用，水下三角洲堆積中心不斷向東北移動(dòng)，其中1968—1972年是葉瓣?yáng)|部最主要的堆積階段，堆積中心厚度高達(dá)12 m；1975—1976 年河道調(diào)整回到西側(cè)，堆積中心厚度5 m。

（3）刁口葉瓣形成期海床并非都處于堆積狀態(tài)，1953—1964 年黃河走神仙溝流路，靠近研究區(qū)東側(cè)，1964 年神仙溝流路被廢棄后該區(qū)處于快速?zèng)_刷階段，沖刷速度高于同一時(shí)期刁口供沙，東側(cè)局部形成一個(gè)小型沖刷中心。

（4）整個(gè)形成期，計(jì)算得到西側(cè)水上三角洲造陸面積和水下三角洲堆積體積占比均超過(guò)58%，堆積中心位于西側(cè)時(shí)，西側(cè)水下三角洲面積占比超過(guò)80%，堆積中心位于研究區(qū)東側(cè)時(shí)，研究區(qū)西側(cè)水下三角洲堆積體占比仍達(dá)到49%，總結(jié)來(lái)看在無(wú)潮點(diǎn)強(qiáng)潮流場(chǎng)的影響下，刁口葉瓣形成期西側(cè)水下三角洲是泥沙堆積最活躍區(qū)域。

（5）刁口流路河口和河道演變分3 個(gè)階段：1964—1966 年，河口漫流入海，將老海灣填平；1966—1972 年，河道分汊入海，逐漸形成NNE 向單一分流河道，河口三角洲前緣迅速堆積；1972—1976 年，隨著岸線推進(jìn)，刁口河道不斷擺動(dòng)調(diào)整，河道曲率過(guò)大失穩(wěn)，1976 年河道調(diào)整回到西側(cè)。