泥沙研究
2003年10月Journal of Sediment Research第5期
黄河口水沙变异与调控I
———黄河口水沙运动与演变基本规律
胡春宏,曹文洪
(中国水利水电科学研究院,北京 100044)
摘要:黄河口以水少沙多、流路多变、不断淤积大量新生土地(湿地)而著称于世。本文根据实测资料分析、理论探讨、数学模型计算等方法,对黄河口水沙运动与演变基本规律进行了系统的研究,主要内容包括:河口潮汐特性、潮流特性,海洋动力的输沙能力,河口泥沙的输移与扩散,河口的淤积延伸、蚀退与造陆,河口拦门沙的形成过程与演变特性,河口流路演变及对下游河道的反馈影响,河口异重流的形成与发展,河口三角洲湿地的发展等。通过与世界其它主要河口的比较,进一步加深了对黄河口———这个独具特色的河口的认识。研究成果为黄河口的综合治理提供了科学的依据。
关键词:黄河口;黄河三角洲;海洋动力;拦门沙;湿地;泥沙输移;河口演变
中图分类号:T V14811 文献标识码:A 文章编号:04682155X(2003)0520001208
1 前言
黄河三角洲地处渤海湾与莱州湾之间,是我国三大三角洲之一。黄河三角洲以宁海为扇面顶点,北起套尔河口、南至支脉沟口,为面积约6000km2的扇形地区,系1855年黄河铜瓦厢决口改道夺大清河入渤海以来,入海尾闾流路经九次大的改道变迁、泥沙淤积塑造的冲积平原。
黄河口以水少沙多、流路多变、不断淤积大量新生土地而著称于世。1949年以前,黄河口基本处于自然变迁的状态,有关黄河口的研究极少,新中国成立后,随着黄河口地区的开发、胜利油田的建设及黄河治理的需要,黄河口的研究逐步开展起来,至20世纪90年代,相继开展了国家“八?五”重点科技攻关和联合国开发署(UNDP)等诸多项目,在黄河口演变与治理方面取得了一系列的重要研究成果[1～3]:①突破了黄河三角洲“大循环”和“小循环”的传统演变模式;②论证了清水沟流路可以使用50年以上;③系统研究了海洋动力与河口淤积延伸相互作用机理、河口泥沙输移与扩散规律、河口拦门沙的形成过程与演变特性、河口变化对黄河下游河道冲淤的影响、黄河三角洲及岸线的形成与变化;④进行了大量黄河口同步水沙运动、最大浑浊带和异重流等的现场观测;⑤建立了用于研究黄河口演变与预测发展趋势的二维泥沙数学模型;⑥探索了黄河口综合治理、水沙利用及三角洲的可持续治理开发的有关措施, 1996年成功实施了汊河改道。但鉴于黄河口泥沙问题的复杂性,特别是近年来进入黄河口水沙条件发生了新的变化,河口地区社会、经济和环境的可持续发展等对黄河口治理提出了新的要求,为此,本文在对黄河口水沙运动与演变基本规律深入研究的基础上,对新时期黄河口治理的方向与调控措施进行了探讨。
2 黄河口水沙运动与演变基本规律
211 潮汐特性
收稿日期:2003205229
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(G1999043604)资助
作者简介:胡春宏(1962-),男,浙江人,博士,教授级高工,主要从事水力学及河流动力学研究。
河口处于河海的交汇处,在这一区域内河流动力与海洋动力相互作用,交替变化,河口的演变是这两种动力综合作用的结果。黄河三角洲地区潮汐复杂[1,4],大洋潮流经渤海海峡进入渤海后,受地转偏向力及地形影响,一支向北绕辽东湾左旋,在辽东湾西南部形成一无潮点,另一支则向西经渤海湾沿逆时针方向向东推进,在黄河口附近的五号桩以外形成无潮点,无潮点地区M
2分潮振幅接近于0,此处潮差最小、潮流速最大。黄河三角洲海岸潮汐类型较多,分为不规则半日潮、不规则全日潮等。黄河口属弱潮河口,潮差沿三角洲海岸分布呈马鞍形,平均潮差在0173～1177m之间,目前的黄河口(清水沟口)平均潮差为111～115m之间,如图1所示。
图1 黄河三角洲潮位沿岸分布
Fig.1 T ide level along the coastal line in the Y ellow River delta
212 潮流特性
潮流在整个海区是旋转流[1,4],在渤海的中央区,潮流椭圆的椭率为013,而在岸边,三角洲海岸限制了潮流的旋转,潮流椭圆变得更加扁平,短长轴之比小于011,即往复流。在一般情况下,三角洲沿岸潮流长轴平行于海岸,在两个海湾的顶部,潮流的流向几乎与海岸垂直。自1976年黄河口改道清水沟流路以来,黄河口附近海域流速分布如图2所示,由图可见,在这一区域内存在两个高流速区[4],一个在神仙沟口,一个在清水沟口,它们均构成封闭式的辐射中心,其中以清水沟之外的最大流速变化最为显著,这与黄河口口门不断向外淤积延伸有关,实测最大流速达212mΠs。黄河口外沿岸余流流速一般在011～013mΠs之间,海浪高在115～517m之间。
图2 黄河口沿岸实测海域流速场(单位:cm?s-1)
Fig.2 Measured flow field in the Y ellow River delta(Unit:cm?s-1)
213 海洋动力的输沙能力
根据实测断面资料整理分析得到1976～1995年清水沟流路泥沙淤积分布与海流输沙量如表1所示,由表可见,虽然每一时期进入黄河口的水沙总量不同,尾闾河道和滨海的淤积量不同,输送到深海的泥沙比例也是不同的,但海洋动力的年输沙量基本维持在210～214亿t之间,表明海洋动力输送泥沙的作用是相对稳定的[5]。图3为河口沙嘴变幅与水沙比(河口来沙量与来水量之比)的关系,由图可见,在水沙比约为0101时,河口沙嘴变幅为0,即河口口门处于相对平衡状态[1]。
214 河口泥沙的输移与扩散
黄河口泥沙输移是一个十分复杂的问题,受诸多因素的影响,早期的研究通常以武汉水院的挟沙能
力公式为基本形式,通过实测资料率定其中的系数与指数。根据黄河口实测的同步水沙运动资料,我们
对此问题进行了进一步的研究[6]。取反映河流动力的无量纲因子为V 2
Πgh (V 为合流速、h 为水深)、反
映泥沙絮凝作用的无量纲因子为V Πω(ω为泥沙沉速)、反映潮流作用的无量纲因子为Δh Π h (Δh 为潮
差, h 为一个潮周期的平均水深),据分析认为这些因子是影响黄河口泥沙输移的主要因素。经回归分析,得到了黄河口泥沙输移关系
S ≤15kg Πm 3
时 S =123
V
2
gh
014
?V
ω
-013
?1-Δh
h
012
(1)
S >15kg Πm 3
时 S =10
V
2
gh
0101
?V
ω
012
?1-
Δh
h
012
(2)
表1 清水沟流路泥沙淤积分布和海流输沙量统计表
(单位:亿t )
T able 1 Deposition distribution and tidal current-carrying sediment am ounts in the Qingshuig ou waterway (unit :108
t )
起止时间
利津站来沙量
滩地淤积量
河道淤积量
滨海淤积量
海流输沙量
总量
排沙比Π%
年均输沙量
197616～1985197916413178
01244611119151241521111985110～198919171670179111798128461921071989110～19921121217201484166715859162137199311～1995110151650162
4182710244182134197616～19921121101031317811516215635137321121141985110～1995110461041189
211272218849172129197616～1995110
125168
131782113
67138
42139
3317
2119
图3 黄河口口门沙嘴淤进蚀退与来水来沙的关系
Fig.3 Relationship between eat Πgrow by erosion Πdeposition and the incoming flow and
sediment near estuarine sandbar in the Y ellow River estuary
此外,我们还从理论上对黄河口泥沙输移规律进行了探讨,通过对国内外有关潮流和波浪作用下的悬移质挟沙能力的研究成果进行了系统的总结和分类,分析各类挟沙能力公式的优缺点,指出只有系统地研究床面泥沙交换的微观机制,引入新的理论和方法才能使潮流和波浪作用下挟沙能力的研究取得较大的进展[7]
。基于湍流猝发的时空尺度得到波浪和潮流作用下床面泥沙上扬通量,然后根据连续律,建立了平衡近底含沙量的理论表达式,进而根据波浪掀沙和潮流输沙的模式,推导得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式
S 3=
ρs
δvT +
B
dS vm
u 4
3
ωs u 23k
1+g C f k
J 1-g C f k J 2
Π1-ζb ζb Z
(3)
式中S vm 为单位面积床面层的极限体积含沙量;u 3为波浪和单向流共同作用下的摩阻流速;u 3k 为临界
起动摩阻流速;ωs 为浑水中泥沙颗粒的沉速;d 为泥沙粒径;ν为水的运动粘滞系数;k 为卡尔曼常数;δ为单位床面面积内的平均猝发面积,δ=01016;T +
B 为近壁区的低流速带无因次间隔,T +
B ≈100;ζb =
b Πh ,b 为近底某处距床面的距离,h 为水深,一般取b Πh =0101～0105;J 1=
∫
1
ζ
b
1-ζ
ζ
Z
d
ζ,J 2=-∫
1
ζ
b
1-ζ
ζ
Z
ln ζd ζ,Z =ωs Πk ωs 。
经过黄河口实测资料的验证,公式(3)的计算结果与实测值符合良好
[8]
。
图4为根据卫星照片分析得到的黄河口汛期、非汛期泥沙输移扩散途径[4]
,由图可见,输移到河口口门的泥沙,通过口门两侧不同的搬运路线,最终朝东北方向将部分泥沙输送到深海,汛期和非汛期的情况都是如此。需要指出的是,充分利用海洋动力将粒径d <01025mm 的泥沙输入深海具有重要意义[2]
,据1986～1995年的实测资料统计,利津水文站40%的来沙d >01025mm ,15%～20%的来沙d >0105mm ,而河口口门区域90%的淤积物d 50=0104mm ,拦门沙段51%～71%的淤积物d 50=0106～01085mm ,表明几乎所有d >01025mm 的泥沙都淤积在整个三角洲地区,此外尚有10%左右d <01025mm 的泥沙通过扩散沉积在河口口门两侧,因此,充分利用突出的河口海岸线,通过海洋动力将d <01025mm 的细颗粒泥沙输入深海,而将d >01025mm 的泥沙有计划地堆积在海滨堆沙区域内,以延长
流路的使用年限。215 河口的淤积延伸、蚀退与造陆
进入黄河口的泥沙大部分淤积在口门附近,使河口不断延伸,陆地面积不断增加,这是黄河口区别其它河口的显著特点。随着来水来沙和季节的不同,黄河口向海域淤积延伸的速度是不同的,甚至一些
时候还会出现蚀退,特别是1986年以来,持续的枯水少沙,河口向外延伸速率放慢,并出现蚀退[1]
。据统计,神仙沟流路河长年平均延伸3145km Πa ,钓口河流路为2168km Πa ,清水沟流路1976～1987年为2164km Πa ,1988～1994年为1114km Πa ,目前每年延伸速率在1km 以下;1855年以来,黄河三角洲新生陆地面积约2500km 2
,年平均造陆2215km 2
,其中1855～1954年年平均造陆2316km 2
,1954～1976年为
2419km 2Πa ,1976～1992年为1417km 2Πa ,1992年以来约为816km 2
Πa ,可见,随着来水来沙的减少,河口延伸与造陆速率均大幅减少,由于泥沙补给量的大幅减少,一些海岸出现了严重的蚀退。
图4 黄河口流路泥沙输移扩散入海示意图
Fig.4 Sketch of entering the sea of sediment convection and diffusion
from various waterways in the Y ellow River estuary
216 河口拦门沙的形成过程与演变特性
在河流来水来沙和海洋动力双重作用下,河口拦门沙平面形态十分复杂,当海洋动力占优势时,以
形成口门以内的沙坎为主,当径流因素处于优势时,以形成口门以外沙堤为主,当两种因素相当时,出现
口门外散乱堆积体及沙堤,如图5(a )、
(b )、(c )所示[9]。拦门沙的纵剖面主要由上游逆坡段、顶坡段、下游陡坡段及缓坡段组成,顶坡段构成了河道出口的侵蚀基准面,顶坡段的淤积高程与来水来沙密切相关,来水来沙量大时,顶坡段上升较快,1976年改道清水沟的初期,来水来沙量较多,拦门沙发育较快,顶坡高程很快上升到一个相对稳定的高程上,1984年以后拦门沙的升降幅度都较小了,1996年改走汊河,由于来水来沙较少,拦门沙基本没发育。
图5 黄河口拦门沙平面形态
Fig.5 Plan view of sandbars in the Y ellow River estuary
217 河口流路演变及对下游河道的反馈影响
自1855年到2003年,在黄河河口实际行河的148年中,河口三角洲上发生了9次大改道,从平面形态上看,黄河口尾闾河道的每一次改道基本上都经历了三个阶段,即漫流游荡阶段、单一顺直阶段和出汊摆动阶段,每个阶段都有其形成的原因和特点。每次大改道完成了一次横扫三角洲的“大循环”,而在每次大循环过程中,河道还发生若干次“小循环”,因此,许多学者把“大循环—小循环”作为黄河口演变基本规律。事实上,这一规律是对过去自然状态下黄河口演变的总结,是在当时的客观条件下的演变规律,随着河口来水来沙的变异,河口三角洲社会经济的发展,科学治河水平的提高,人们的认识水平也不断提高,突破了“大循环—小循环”这一传统演变横式,提出了在人工控制下的自然演变(小循环)模式[1]。
河口的淤积延伸对下游河道将带来一定的影响,造成溯源淤积、水位抬高、河床淤积加大;而河口改道缩短河长将产生溯源冲刷,降低水位,据实测资料分析[1],河口溯源冲刷的影响范围约在160～180km 以内,关于溯源淤积的影响范围则有许多不同的看法,一般认为影响范围为艾山以下。
218 河口异重流的形成与发展
在河口咸淡水的混合会形成盐水楔异重流,含沙水流与清水的混合会形成泥沙异重流。泥沙异重流是河口泥沙输移和淤积的重要形式之一。据实测资料分析,黄河口泥沙异重流成因有三种情形[3]:第一种是由河流向海域排放的高浓度泥沙水体形成的浊流;第二种是由黄河河口两侧烂泥区及沿岸未固结软泥在风暴情况下受波浪作用发生再次悬浮所形成的高含沙水体顺水下斜坡向下流动形成的泥沙异重流;第三种是由于沉积物块体运动引起的阵发性泥沙异重流。通过大量的同步测量资料,在黄河口泥沙异重流的水体结构上,除了观测到盐度呈现上淡-中咸-下淡的“三明治”结构外,还观测到“倒盐水楔”的新结构,即水体上咸下淡。此外,从泥沙粒度在水体的分布中也观测到“三明治”结构和上粗下细的倒置型新结构。
219 河口三角洲湿地的发展
湿地是水域和陆域相交错而成的特殊生态系统,黄河三角洲作为世界上新生湿地最快的地区,具有湿地年轻、与泥沙联系密切等独有的特点,湿地的保护将有助于区域社会、经济和生态环境的可持续发展。采用灰色理论,依据卫星遥感图像和实测资料建立了预测湿地变化的G M(1、3)模型[5],通过G M(1、3)模型可以计算出黄河三角洲新生湿地与入海泥沙量和口门外5km内平均水深的变化关系,图6为预测关系图。由图可见,当口门外5km内平均水深为3m和年来沙量为5～6亿t时,得到每年新增湿地10～20km2,这与实测资料是符合的。
3 黄河口与世界其它河口比较
黄河口作为一个独具特色的河口,通过与世界其它主要河口的比较[5],可以加深对黄河口和黄河三
图6 黄河口新增湿地与来沙量的关系
Fig.6 Relationship between the newly growing wetland
and the incoming sediment of the Y ellow River estuary
角洲的认识。
311 水少沙多
表2为世界主要入海河口的径流泥沙情况统计值,由表可见,流域面积大于30万km2的河流年平均入海水量一般都大于1000亿m3,而黄河流域面积为75124万km2,但多年平均(1950～2000年)入海水量为335亿m3,多年平均入海沙量却高达8149亿t,多年平均含沙量为2514kgΠm3,为世界之最。美国密西西比河流域面积是黄河的413倍,多年平均入海水量是黄河的1713倍,但入海沙量为黄河的1Π4,入海平均含沙量仅为黄河的1Π70。据统计,世界上大多数河口当入海含沙量大于012kgΠm3时,一般形成三角洲,含沙量小于0116kgΠm3,一般形成三角江,含沙量介于0116～012kgΠm3之间,河口处于过渡状态。黄河口径流含沙量如此之高,故河口三角洲发展非常迅速。
表2 世界主要入海河口的径流泥沙特征
T able2 Runoff and sediment characteristics of the main estuaries in the w orld
国别河口流域面积
Πkm2
径流量
Π108m3
输沙量
Π108t
含沙量
Πkg?m-3
中国黄河口75240033581492514
巴基斯坦印度河口96900175041352149
埃及尼罗河口2970000850016601776印度、孟加拉恒河-布河口172000011160610001538中国长江口18072009250418601525
越南湄公河口7950003870117001438
美国密西西比河口32300005800210801359
罗马尼亚多瑙河口11650001990016701339
中国珠江口355000294501830128
尼日利亚尼日尔河口1112000180001400122
巴西亚马逊河口705000038000419701131
荷兰莱茵河口224000685010045010066
312 潮区界和潮流量
表3给出了一些典型河口的潮区界和潮流界范围,由表可见,目前黄河口的平均潮差在111～115m 之间,属于弱潮河口;黄河口的潮区界仅有10～20km,只相当于辽河口的1Π7,密西西比河口的1Π20,长江口的1Π30;黄河口的潮流界范围更小,一般只有几公里;这种影响范围还与河口河床比降的大小有关,
黄河口的比降在1Π10000左右,属于较大的,比较而言,黄河口潮汐和潮流对尾闾河道的影响较小。
表3 典型河口的潮区和潮流界范围
T able3 Boundary between the tide-affected region and pure tide current area of a typical estuary 河口黄河口长江口珠江口钱塘江口闽江口辽河口密西西比河口平均潮差Πm111～115216112514541521750145潮区界长度Πkm10～2062140～30027067140417潮流界长度Πkm0～63190～1601705792
313 尾闾河道频繁改道
表4给出了世界一些河口尾闾河道摆动的情况,由表可见,加拿大的弗纳斯河在约100年内摆动6次,平均17年摆动一次,意大利的波河平均500年摆一次,美国的密西西比河平均1000年摆动一次,而黄河平均十几年摆动一次。
表4 世界一些河口尾闾河道的摆动情况
T able4 Shift of tail waterways for s ome estuaries in the w orld
河流
国别
统计时间Π年摆动次数黄河
中国
140
9
弗纳斯河
加拿大
约100年
6
萨斯喀彻温河
加拿大
1000年左右
7
波河
意大利
3000
6
密西西比河
美国
7500
7
吉底兹河
土耳其
10000年左右
6
多瑙河
罗马尼亚
11500
5
314 河口延伸速度快
表5给出了世界一些河口淤积延伸速度的统计值,河口的淤积延伸速度与河口淤积推进的模式有关,1953年以前,黄河口是在整个三角洲淤积扇上摆动淤积,那时的延伸速度较慢,每年约为190～285mΠa,1953年以后河口改道是人为控制的有计划改道,尾闾河道摆动范围较小,河口延伸速度较快,年平均延伸速率在2000mΠa以上,由表可见,黄河口的延伸速度是其它河口的几十倍。
表5 世界一些河口的淤积延伸速度
T able5 Extending rate by deposition in s ome estuaries
河口统计时段岸线长度Πkm延伸速度Πm?a-1黄河口1578～1855年70285
1855～1953年128190
神仙沟流路1954～1963年261760
钓口河流路1964～1975年291800
清水沟流路1975年以后251320
河口统计时段岸线长度Πkm延伸速度Πm?a-1长江口40
珠江口27
韩江口16
密西西比河口1898年以来30
尼罗河口1500～1900年21～28
315 人类活动影响大
与世界上其它河口相比,黄河口受人类活动的影响尤为突出,主要表现为:①随着社会经济的持续发展,黄河两岸工农业的用水量持续增长,黄河多年平均耗用河流径流量达到约300亿m3,占天然径流总量的52%;同时黄土高原大规模的水土保持建设,小浪底水库的调节运用,两岸堤防和整治工程的控制,黄河已不是真正意义上的天然河流,而河口作为流域的最后出口,受到的影响最大,近年来进入黄河口的水沙条件发生了变异;②黄河三角洲既是我国第二大油田—胜利油田的主产区,也是我国东部沿海土地后备资源最广阔的地区,又是以保护新生湿地和珍稀、濒危鸟类为特色的我国暖温带保存最完整、面积最大的湿地生态保护区,河口三角洲社会经济持续稳定发展不允许河口流路自由摆动,自1976年以来河口流路实行有计划的人工改道;③为稳定河口流路,在黄河口实施大量的整治和控导工程,在一
定程度上影响尾闾河道的演变。
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V ariation,R egulation and Control of Flow and Sediment in the Yellow River Estuary I: Mechanism of Flow-Sediment T ransport and Evolution
H U Chun-hong,C AO Wen-hong
(China Institute o f Water Resources and Hydropower Research,Beijing100044)
Abstract:The Y ellow River estuary is fam ous for its less runoff and high sediment supply,frequent shift of flow paths,accumulative deposition,and continuous growing of wetland.By res orting to field data analyses,theoretical study and numerical simulation,a com prehensive investigation on the mechanism of flow-sediment m ovement and ev2 olution of the Y ellow River m outh is conducted.The main interested issues include:tidal characteristics,sediment-carrying capacity by tidal current,convection and diffusion of estuarine sediment,estuary extension by deposition, decrease of shoreline by erosion back,land growing,formation and ev olution of estuarine sandbar,shift of water2 ways and their effect on the fluvial processes of the lower reach,formation and development of estuarine density flow,and the growing of estuarine wetland.Als o,the knowledge to the Y ellow River estuary is enriched and inten2 sified through the com parative study on other main estuaries over the w orld.Presented results provide a scientific guideline for the com prehensive regulation of a featured estuary,the Y ellow River m outh.
K ey w ords:the Y ellow River estuary;the Y ellow River delta;ocean dynamics;estuarine sandbar;wetland;sedi2 ment transport;estuary ev olution