黃河三角洲海底沖刷演變規(guī)律研究

黃河三角洲海底沖刷演變規(guī)律研究

黃河三角洲的現(xiàn)代船是由細(xì)粒沉積物快速運(yùn)輸和堆積而成的。近年來(lái),由于黃河下游頻繁斷流,入海水沙急劇減少,黃河三角洲除口門附近的小范圍區(qū)域呈現(xiàn)向海淤進(jìn)外,其他大部分區(qū)域都面臨著不同程度的海岸侵蝕,并有愈演愈烈的態(tài)勢(shì)。海岸侵蝕已嚴(yán)重地影響了黃河三角洲的發(fā)育功能和三角洲經(jīng)濟(jì)開發(fā)環(huán)境,對(duì)勝利油田油氣資源開發(fā)及整個(gè)黃河三角洲濕地自然環(huán)境的影響不可忽視。要解決這一問(wèn)題首先必須了解侵蝕變化的基本規(guī)律和演變機(jī)理,因此,對(duì)三角洲進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析就顯得尤為重要。1方法及數(shù)據(jù)來(lái)源研究區(qū)位于現(xiàn)代黃河三角洲北部,飛雁灘油田以東,黃河海港以西海域;陸上對(duì)應(yīng)樁古46和樁106岸段;向海延伸到大約16m等深線附近,整個(gè)研究區(qū)面積大約280km2(見(jiàn)圖1虛線框所示)。研究區(qū)海域處在M2分潮無(wú)潮點(diǎn)附近,面向渤海灣,潮差小,潮流大,波浪強(qiáng)。據(jù)全國(guó)海岸帶調(diào)查,大潮平均潮差0.22~0.24m,小潮平均潮差0.08~0.18m。無(wú)潮點(diǎn)附近的水域潮能主要呈現(xiàn)在水平方向,潮流流速加大形成了大流速區(qū)。在研究區(qū)曾測(cè)到表層最大流速達(dá)120cm/s,底層(離底0.5m)最大流速為40~60cm/s,大流速區(qū)主要分布在海岸坡腳之內(nèi)5~15m水深。該區(qū)每天出現(xiàn)兩次漲潮流和兩次落潮流,漲潮流方向?yàn)镾E向,落潮流方向?yàn)镹W向,主流向與岸線平行,潮流的運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流。秋季潮流流速大于夏季流速,且漲潮流流速大于落潮流,漲、落潮流歷時(shí)較為復(fù)雜。該區(qū)波浪以風(fēng)浪為主,常浪向?yàn)镹E,頻率10.3%。強(qiáng)浪主要來(lái)自NNE—ENE,尤以NE向最強(qiáng),其次為偏NW向。本區(qū)底質(zhì)分布有細(xì)砂、粉質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂4種類型,較為松散,動(dòng)水中易于起動(dòng)和運(yùn)移。該區(qū)是懸沙高濃度區(qū),由于沉積物是最新沉積的結(jié)構(gòu)松散物質(zhì),所以其懸沙來(lái)源主要是海底沉積物在風(fēng)浪、海流作用下懸浮而來(lái)的細(xì)顆粒物。懸沙輸運(yùn)方向與余流方向基本一致,在春季,泥沙運(yùn)移方向多指向外海;夏季以北向輸沙為主;秋季以東北、東南方向?yàn)橹?。本次研究采用了?shí)測(cè)資料與歷史圖件對(duì)比分析的方法。2004年6月、9月在研究區(qū)進(jìn)行了夏、秋兩個(gè)航次共21條剖面測(cè)線的調(diào)查工作(圖1)。在水動(dòng)力條件、泥沙運(yùn)移狀況、淺地層調(diào)查、地貌探測(cè)、水深測(cè)量等方面做了大量工作,了解了三角洲演變的最新現(xiàn)狀。在調(diào)查中,采用美國(guó)Trimble公司的212H型雙信標(biāo)GPS和美國(guó)StarLink公司的210P型雙信標(biāo)GPS實(shí)時(shí)差分定位系統(tǒng)定位,海上定位誤差為±2.0m;用美國(guó)DF-3200型雙頻回聲測(cè)深儀(配有TSS涌浪濾波器)測(cè)深,測(cè)深精度<0.2m。對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,統(tǒng)一到北京54坐標(biāo)系、高斯投影、中央經(jīng)線117°的地圖系統(tǒng)上。分別在海三站與黃河海港碼頭設(shè)立驗(yàn)潮站,對(duì)工作水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè),統(tǒng)一到85黃海高程,并對(duì)聲速、吃水及水位等誤差進(jìn)行了校正,保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,測(cè)量的數(shù)據(jù)間隔為100m。另外,通過(guò)搜集1985、1999年在此區(qū)域的實(shí)測(cè)水深資料,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到整體海底地形變化的總趨勢(shì)和不同時(shí)間段內(nèi)的變化形式及速率,研究了目前的岸線演變狀況,并對(duì)演變機(jī)理進(jìn)行初步探討,做出了侵蝕預(yù)測(cè)。2海岸發(fā)展分析通過(guò)歷史與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取與計(jì)算,分別從平面和立體兩個(gè)角度來(lái)分析近20年來(lái)研究區(qū)海底地形沖淤變化特征。2.1侵蝕中心與侵蝕業(yè)按照對(duì)應(yīng)水深值的變化,分別繪制1985—1999年沖淤圖、1999—2004年沖淤圖。按照此地多年研究經(jīng)驗(yàn),本次研究規(guī)定,年平均侵蝕量大于0.3m的為侵蝕中心區(qū);介于0.3~0.2m之間的為強(qiáng)烈侵蝕區(qū);小于0.2m的為弱侵蝕區(qū)(見(jiàn)圖2和圖3)。圖中實(shí)線為侵蝕深度等值線,虛線為2004年實(shí)測(cè)等深線。1985—1999年時(shí)間跨度14年,按照前述劃分標(biāo)準(zhǔn),侵蝕量4.2m以上為強(qiáng)侵蝕中心區(qū);侵蝕量2.8~4.2m為強(qiáng)侵蝕區(qū);侵蝕量0~2.8m為弱侵蝕區(qū)。如圖2顯示,14年間研究區(qū)域遭受全面侵蝕,有一個(gè)明顯的侵蝕深度大于4.2m的侵蝕中心存在,中心區(qū)最大侵蝕深度為6.2m,最大年侵蝕量為0.44m。侵蝕等值線圍繞著這個(gè)侵蝕中心呈近橢圓狀展布,橢圓長(zhǎng)軸方向?yàn)镹W—SE向。強(qiáng)侵蝕區(qū)和侵蝕中心區(qū)總面積約為45km2,范圍基本上在5~8m等深線之間,越靠近侵蝕中心,其侵蝕的深度越大。通過(guò)1999年與2004年資料比較,5年間該區(qū)海底地形仍以侵蝕為主,局部發(fā)生了淤積現(xiàn)象。根據(jù)該區(qū)沖淤程度可以分為侵蝕中心區(qū)、強(qiáng)侵蝕區(qū)、弱侵蝕區(qū)和弱淤積區(qū)4種(圖3)。1999—2004年這5年間,侵蝕量1.5m以上為強(qiáng)侵蝕中心區(qū);侵蝕量1~1.5m為強(qiáng)侵蝕區(qū);侵蝕量0~1m為弱侵蝕區(qū)。從圖3可知,強(qiáng)侵蝕區(qū)仍呈近橢圓狀,位于5m等深線附近,東西長(zhǎng)約10km,南北寬約400~3500m,侵蝕深度大于1.0m。強(qiáng)侵蝕中心區(qū)東西長(zhǎng)約5000m,南北寬約2200m,強(qiáng)侵蝕區(qū)和侵蝕中心區(qū)面積約為26km2,中心區(qū)最大侵蝕深度達(dá)到2.5m。強(qiáng)侵蝕區(qū)內(nèi)海底地形凹凸不平,侵蝕溝槽與侵蝕殘留體相間組合,并交替變化,地形起伏可達(dá)3~4m。1999年以來(lái),研究區(qū)內(nèi)侵蝕范圍逐漸縮小,局部已發(fā)生淤積現(xiàn)象。在15m等深線以深的海底平原區(qū),由于水下岸坡上部侵蝕沉積物的補(bǔ)充,所以略有淤積,淤積厚度小于0.2m;在近岸處也出現(xiàn)少量淤積區(qū),淤積厚度在0.2~0.5之間,淤積原因也與侵蝕物堆積有關(guān)。從1985—1999年與1999—2004年變化比較來(lái)看,該區(qū)1999—2004年期間,強(qiáng)侵蝕區(qū)范圍在逐漸縮小,強(qiáng)侵蝕區(qū)中心位置由西北漸向東南方向移動(dòng),同時(shí)也不斷向岸遷移。侵蝕中心之間的距離約為5~6km,移動(dòng)方向約為128°。強(qiáng)侵蝕中心區(qū)的侵蝕程度仍十分強(qiáng)烈,且這種強(qiáng)烈的侵蝕離海岸越來(lái)越近,對(duì)該段的人工海岸帶來(lái)不利影響。2.2海底地形結(jié)構(gòu)及侵蝕的行為為使三期水深數(shù)據(jù)較好重合,選取P6、P7、P83條剖面(圖1),提取其1985、1999及2004年3期的水深資料,將其統(tǒng)一到85黃海高程基準(zhǔn)上,且平衡去除地面沉降的影響,進(jìn)行對(duì)比。以離岸距離為橫坐標(biāo),以水深值為縱坐標(biāo),作出3條剖面的水深對(duì)比圖,如圖4。從圖4可知,1985年黃河三角洲北部仍為典型的河口三角洲沉積的地貌類型,即離岸0~7.0km左右為較平緩的三角洲頂積層;離岸7.0~9.0km左右為明顯的三角洲前緣陡坎;9.0km以遠(yuǎn)坡度減緩,為三角洲底積層。對(duì)比1999年水深剖面可見(jiàn),1985—1999年14年間的侵蝕作用十分明顯,3m等深線的位置從離岸約7.5km迅速退到約3.5km處,平均每年以280m的速度后退。海底地形整體下蝕,平均下蝕速率約為0.18m/a。近岸區(qū)侵蝕較強(qiáng),松散三角洲沉積物大部分被剝蝕,三角洲前緣陡坎逐漸消失,海底地形呈整體平緩向海傾斜態(tài)勢(shì)。原三角洲前緣陡坎的坡腳處還可見(jiàn)侵蝕殘留體分布(如P6、P7剖面),此處在地貌上也對(duì)應(yīng)形成了地形復(fù)雜區(qū)。9.0km以遠(yuǎn)的底積層形態(tài)上變化不大,僅下蝕作用比較明顯。另外,比較分析1999年和2004年的水深剖面可知,侵蝕作用仍在繼續(xù)。2~10m水深之間侵蝕現(xiàn)象最為明顯,3m等深線再次后退約0.6km,年侵蝕后退速率為120m/a,相對(duì)前14年有所減緩。岸灘地形重塑與整體下蝕作用相伴出現(xiàn),離岸3~7.5km范圍內(nèi)灘面有明顯下凹。10~15m水深之間的灘面塑造作用減緩,侵蝕以下蝕為主,海底整體地形進(jìn)一步趨于平緩,向著正常淺海地形發(fā)展。3個(gè)剖面橫向上對(duì)比,P6剖面受到的改造最完善,其次是P7,而P8剖面正處于改造初期,灘面最不穩(wěn)定。這正和平面上侵蝕中心的移動(dòng)方向相對(duì)應(yīng),隨著侵蝕中心向東南方向移動(dòng),侵蝕作用進(jìn)一步加深,P8剖面將逐漸達(dá)到P7,進(jìn)而達(dá)到P6的形態(tài)。3侵蝕中心向海底遷移的研究區(qū)本研究區(qū)位于1976年黃河刁口故道東側(cè),黃河行水期間為快速淤積,沉降物質(zhì)主要為黃河帶來(lái)的粉砂,由于淤積速度快,沉積物密實(shí)度差,含水量高,在波浪和潮流作用下易被擾動(dòng)懸浮進(jìn)入水中,被離岸流帶走。黃河行水刁口流路期間,在河口近岸處為淤積中心,并形成突入海的水下堆積體,成為岸坡的組成部分。在河口兩側(cè)也有水下堆積體形成,距河口距離越大,向海突進(jìn)距離越小。1976年黃河改道以后,物質(zhì)來(lái)源斷絕,整個(gè)北部岸段開始遭受侵蝕。原來(lái)河口沉積中心處形成的水下堆積體前緣的突出部位易使潮流流速增強(qiáng)、波能輻聚,加大沖刷力,因此最易受到侵蝕,在原來(lái)的淤積中心處則形成了侵蝕中心。隨著侵蝕的不斷進(jìn)行,強(qiáng)侵蝕中心會(huì)自河口向其側(cè)面移動(dòng),在研究區(qū)內(nèi)則表現(xiàn)為侵蝕中心區(qū)沿三角洲沉積前緣向東南側(cè)移動(dòng)。另外,該區(qū)漲潮流為SE方向,落潮流為NW方向,漲潮流流速大于落潮流,這也在一定程度上影響強(qiáng)侵蝕區(qū)中心位置不斷由西北向東南移動(dòng)。在該海區(qū),波浪作用應(yīng)為侵蝕的主要?jiǎng)恿χ?其主要表現(xiàn)為起動(dòng)泥沙、搬運(yùn)泥沙,尤其在波浪破碎帶,作用更為明顯。通過(guò)佐藤公式計(jì)算可以得出,該區(qū)的波浪破碎深度大約為6m。另?yè)?jù)陳沈良等觀測(cè)計(jì)算,該區(qū)在水深6.5m以淺的區(qū)域同時(shí)也為強(qiáng)潮流區(qū),波浪掀沙和潮流輸沙結(jié)合,泥沙搬運(yùn)能力大大增加,岸灘受到更為強(qiáng)烈的侵蝕,因此,6m等深線附近應(yīng)為侵蝕中心區(qū)所在位置,這與我們的觀測(cè)結(jié)果也十分吻合。近十幾年來(lái),該研究區(qū)一直處于侵蝕狀態(tài),原三角洲頂積層物質(zhì)已基本被侵蝕,下蝕深度達(dá)3~5m,從水深剖面圖中也可以看出海底地形現(xiàn)呈平緩向海傾斜的形態(tài)。與1985年相比,現(xiàn)今6m等深線的位置已向岸移動(dòng)了3~4km,因此,侵蝕中心區(qū)位置也相應(yīng)發(fā)生向岸遷移。通過(guò)3期的水深數(shù)據(jù)對(duì)比可知,測(cè)區(qū)內(nèi)海底地形仍以侵蝕為主,侵蝕強(qiáng)度逐漸減弱,強(qiáng)侵蝕中心由西北向東南移動(dòng)的過(guò)程中不斷縮小。種種跡象表明