黄河是世界级大河之一, 素以高浓度泥沙入海闻名于世。现代黄河三角洲是由黄河1855年自河南铜瓦厢决口夺大清河入海所形成, 以宁海为顶点, 西起套尔河口, 南至支脉沟口的多流路瓣状堆积体叠置而成的复合三角洲^[1]。黄河三角洲地区拥有大量的土地与油气资源, 是我国重要的粮食产区和产油区, 区域建设发展具有巨大的社会经济效益。但黄河三角洲由于尾闾河道变动频繁, 导致其近岸海域是一个极为动态变化的区域, 这对三角洲沿岸的生产生活带来显著的影响。加之近年来, 受强烈的人类活动干预、入海水沙急剧减少、气候变化及海洋动力作用等多重耦合作用的影响^[2-6], 黄河三角洲近岸海域冲淤演变呈现出新的格局。

对于黄河三角洲近岸演变方面, Ji等^[7]分析了新水沙情势下黄河口附近地形演变, 发现现行河口附近淤积, 而孤东沿岸区域侵蚀; Fan等^[8]分析调水调沙以来三角洲岸线动态发现冬季现行流路河口三角洲发生侵蚀; Jiang等^[9]分析在人类活动和自然条件的共同影响下, 黄河三角洲在不同阶段呈现不同的演变格局。孤东近岸作为黄河三角洲冲淤变化的典型区域, 对该海域的冲淤演变, 已有许多学者做过相应的研究。如, 崔玉刚等^[10]通过剖面监测发现孤东及新滩海域在近岸水深10 m内出现冲刷, 并在孤东海堤附近侵蚀尤为严重; 陈小英等^[11]从动力地貌角度描述孤东近岸冲淤过程, 发现孤东近岸呈蚀退状态, 水深下蚀明显; 李向阳等^[12]利用孤东海域波浪、潮汐潮流等动力数据分析发现海洋动力对孤东近岸冲淤影响强烈; 彭俊等^[13]通过对入海沙量数据的分析发现孤东近岸冲淤演变对于入海沙量变化响应敏感; 程义吉等^[14]通过孤东海域剖面资料发现浅水区侵蚀后退, 深水区淤积抬高, 侵蚀最大区域出现在浅水区。但以往研究对于孤东近岸较长时间尺度的冲淤演变关注较少, 特别在黄河入海水沙显著减少、季节性特征转变的新情势下^[15-16], 孤东近岸海域侵蚀更为突出, 大堤前沿下蚀明显。因此, 为研究孤东近岸在自然过程和人类活动影响下的演变过程, 本文以1976年黄河改道清水沟流路入海至今作为研究时段, 深入揭示近40年来孤东近岸海域的冲淤演变过程及其影响因素, 这对该区域的海岸治理与防护具有重要的科学意义。

1 研究区概况

黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一, 位于渤海湾与莱州湾之间。孤东近岸海域位于黄河三角洲现行入海口北侧(图 1)。研究区内为不规则全日潮, 潮差小, 介于0.8~1.3 m, 潮流主要为往复流, 垂线平均流速0.2~0.3 m/s^{[12, 17]}。波浪主要为风浪, 常、强向浪为NE向浪, 季节变化明显。研究区属于以粉砂为主的淤泥质海岸, 沉积物搬运活跃^[12]。为保证孤东及新滩油田的安全生产, 采取修建孤东大堤及入海口清8改汊等举措。孤东大堤修建始于1985年, 于1987年竣工, 全长17.2 km, 大堤为NW和NNW走向。

2 数据与方法

本文的研究范围为剖面CS19—CS22之间的近岸海域, 研究区南北以CS19与CS22剖面为界, 东侧以距起测点25 km为界(图 1)。水下地形资料主要基于1976年8月、1986年8月、1996年9月、2002年9月和2014年9月实测水深数据, 相邻剖面间距为5 km, 水深均以黄海基面为深度基准。利用ArcGIS软件进行克里金插值, 生成规则网格的数字高程模型(DEM)。通过对不同年份数据进行空间叠加, 绘制及计算不同时期的冲淤分布图与冲淤量。同时提取近岸5 m、10 m等深线, 计算其等深线与固定区域的包络面积变化。利用研究区内各剖面的实测水深, 绘制剖面地形变化曲线, 从动力地貌学角度分析孤东近岸海域剖面的演变特征和规律。

黄河入海水沙数据来自于1976—2014年水利部逐年发布的《中国河流泥沙公报》和水利部黄河水利委员会发布的《黄河泥沙公报》中距河口最近的一个水文观测站(利津站)的实测数据。波浪数据来源于1996—2000年五号桩外实测资料统计值。

3 研究结果 3.1 不同时期的冲淤变化

根据主要的自然变化和人类活动事件, 将研究区近40年来的冲淤演变过程分为4个阶段: 1976—1986年、1986—1996年、1996—2002年、2002—2014年。各个阶段的冲淤演变分述如下。

1976—1986年为黄河改道现行清水沟流路至孤东大堤修建之前阶段。该时期研究区处于强淤积, 孤东近岸区域在此阶段通过清水沟流路入海泥沙快速落淤堆积的自然淤涨过程, 大致形成了目前孤东油田的区域范围(图 2a)。此10年间, 区内共淤积泥沙16.399亿t, 平均淤厚6.54 m(表 1)淤积程度由南向北逐渐减缓, 且仅在近岸3 km范围内存有小于2 m的轻微冲刷。

1986—1996年为孤东大堤主体工程竣工至清水沟流路改汊清8之前阶段。该时期孤东海岸由原来易随三角洲动力环境变化的自然岸线变为固定的人工岸线(图 2b)。在此期间, 研究区域内淤积程度减缓, 冲刷仅在孤东北大堤附近出现, 侵蚀程度在2 m以内。该时期内, 研究区共淤积泥沙3.956亿t, 平均淤厚1.60 m(表 1)。

1996—2002年为黄河人工改汊清8入海至黄河调水调沙之前阶段(图 2c)。该时期内, 研究区开始出现全域冲刷现象, 冲刷泥沙8.123亿t, 平均冲刷3.27 m(表 1)。冲刷主要位于大堤前2 km内区域, 侵蚀4~6 m。孤东北大堤距岸6 km外海域侵蚀现象加剧, 冲刷达6~8 m。

2002—2014年为黄河调水调沙以来阶段。该时期现行河口继续向北淤进, 河口滩地持续淤涨, 研究区内侵蚀范围进一步扩大, 处于强侵蚀阶段(图 2d)。区内泥沙冲刷9.246亿t, 平均冲刷3.77 m(表 1)。研究区内侵蚀基本处于4~8 m范围, 其中研究区南侧侵蚀最为严重, 最大侵蚀深度超过8 m。

3.2 近岸等深线变化

水下地形冲淤引起等深线的淤进、蚀退变化。鉴于孤东近岸水深大, 部分区域堤前水深已达4~5 m, 本文选取5 m、10 m特征等深线作为研究参考, 并以5 m和10 m等深线包络面积反映其近岸冲淤变化(图 3和图 4)。由近岸等深线包络线面积变化看, 孤东近岸5 m、10 m等深线包络面积均在1996年达到峰值, 水深净淤积面积分别为118.18 km²和157.37 km², 等深线均向海推进。1996年以后, 5 m等深线包络水面积开始减小, 等深线向岸蚀退逐期明显, 在2002—2014年减小速率达2.51 km²/a, 是1996—2002年的2.8倍。同期, 10 m等深线包络面积变化却不大。由此可见, 1996年以后的侵蚀主要发生在近岸5 m水深范围内, 10 m水深内区域则基本处于冲淤平衡。

3.3 典型剖面冲淤变化

为了更好反映研究区海域的垂向冲淤变化, 选取CS19—CS21剖面绘制剖面演变形态图, 分析各剖面地形在垂向上的演变特征(图 5)。

CS19—CS21剖面在1976—1986年属于淤积型, 在1986—2014年属于上冲下淤型。

CS19剖面(图 5a)近岸坡度变化不大, 冲淤平衡点出现在水深11 m附近, 平衡点以上坡段冲刷, 并在2002—2014年水深7 m以浅区域向岸侵蚀明显, 最大蚀退4.5 km, 平衡点以下坡段淤积; CS20剖面(图 5b)冲淤平衡点在9 m水深附近, 平衡点以上坡段向岸侵蚀, 坡度由1986年的1.6‰减缓至2014年的0.5‰, 以下坡段快速淤积; CS21剖面(图 5c)冲淤平衡水深在5 m左右, 1986—2002年剖面在冲淤平衡点附近形态变化不大, 而2014年剖面在冲淤平衡点两侧迅速变化, 平衡点向岸侧坡段迅速向岸侵退, 离岸侧坡段发生小幅度淤积, 这与离岸侧剖面更易受到入海口门附近泥沙沉积落淤的影响所致。

4 讨论

孤东近岸海域的冲淤演变主要受自然环境变化和人类活动共同作用影响。前者主要指由气候等多因素引起的流域水沙变化及海洋动力条件变化, 后者主要指黄河口人为改汊、流域调水调沙、孤东大堤及入海口附近丁坝兴建等。

4.1 黄河入海水沙量

1976—2002年, 黄河入海水沙量年际波动剧烈, 平均入海水沙量呈阶梯状下降。2002—2014年, 黄河流域调水调沙实现年均水量增大明显, 但年均沙量却未同比增长(表 2和图 6)。1976—1986年的清水沟流路时期平均入海水沙量为研究期内最大, 分别为354.04亿m³/a和8.49亿t/a; 孤东大堤修建至1996年清8改汊时期, 年均入海沙量为4.83亿t/a; 清8改汊至2002年黄河调水调沙期间, 入海泥沙量平均为1.09亿t/a; 2002—2014年, 年平均入海水沙量分别为190.21亿m³/a和1.58亿t/a。

来沙系数(γ)是衡量水沙占比的重要参数^[18], 结合来沙系数(γ=S/Q, S为输沙量, Q为径流量)与孤东近岸海域的冲淤规律发现, 1976—1986年、1986—1996年这两个时期内的来沙系数处于0.024~0.027, 此阶段研究区域处于大部分淤积, 局部轻微冲刷状态。1996—2002年, 来沙系数减小到0.020, 海域开始由淤积向冲刷转变, 研究区平均冲刷4~6 m。2002—2014年, 来沙系数迅速减少到0.008, 研究区内侵蚀严重, 出现大范围侵蚀6~8 m现象。对于孤东近岸海域的冲淤, 来沙系数中的入海沙量起关键作用, 通过对年均入海沙量与研究区年均冲淤量的分析, 发现两者之间存在很好的相关性, 计算得到两者之间的关系式: y=3.495x–13.23(图 7)。为维持研究区内冲淤平衡, 估算年均入海泥沙临界值为3.78亿t/a。

4.2 人类活动影响

人类活动对孤东近岸海域的影响主要体现在河口人工改汊、黄河调水调沙、孤东大堤及丁坝的修建上。黄河口改汊对孤东近岸海域的泥沙来源有直接影响, 入海泥沙在河口附近快速淤积, 其余海域由于缺乏泥沙的补充发生侵蚀。黄河调水调沙后, 入海水量增幅明显, 但入海沙量并未随之同比增长, 来沙系数大幅下降, 泥沙供给不足, 孤东近岸冲刷显著。孤东大堤的修建使得岸线由原本的自然岸线转变为由工程固定的人工岸线, 改变原有海洋与岸滩泥沙交换方式。入海口附近的丁坝修建, 导致泥沙扩散运移路径受阻, 入海泥沙难以向北继续输移, 只能在附近落淤^[19]。孤东近岸泥沙亏损不能通过岸线后退以及入海口泥沙扩散方式得以补充, 进而通过冲淘堤前海底泥沙来达到泥沙输运平衡。

4.3 海洋动力作用

孤东近岸的海洋动力主要有波浪、潮汐潮流以及风暴潮等^[20]。对于淤泥质海岸而言, 波浪对于泥沙的扰动作用极其显著, 浅水波是导致侵蚀的重要因素^[21]。由东营五号桩的波浪资料分析计算, 该区以风浪为主, 常、强向浪为NE, 实测最大波高5.2 m, 频率10.3%, 次常浪向为SE和E, 最大波高为4.5 m和3.6 m, 频率分别为8%和7.6%。显然可见, 孤东近岸在NE-E-SE方位上浪频率最大。孤东大堤的走向与区域内强、常浪向几近垂直, 这大大增加了近岸海域受波浪影响的频率与强度。而泥沙的输移主要以潮流与余流作用为主, 大堤沿岸潮流为往复流, 潮流输沙作用明显, 而北向余流作用时间长, 对泥沙长距离的输移作用也非常显著^[17]。在波、潮、流等海洋动力的共同作用下, 孤东近岸泥沙亏损严重。

5 结论

1) 孤东近岸在近40年间经历了“强淤积-冲淤平衡-侵蚀-强侵蚀”4个阶段。孤东近岸海域由淤积向侵蚀的转变于1996年开始, 侵蚀程度不断加剧。2002—2014年侵蚀最为严重, 大部分近岸海域侵蚀达6~8 m, 南侧区域最大侵蚀超过8 m。这对孤东大堤的安全和孤东及新滩油田的安全生产造成了严重的威胁。

2) 等深线变化时空差异明显, 蚀退最先出现在北侧, 并逐渐向南部发展变化。近岸5 m水深区域内冲淤变化较水深10 m内敏感。5 m、10 m等深线包络面积在1996年之前增大, 近岸淤积, 但淤积程度逐期减缓明显。1996年之后, 5 m等深线包络面积开始发生侵蚀, 且侵蚀出现加剧现象, 在2002—2014年面积减少最为显著。而相比之下, 10 m等深线包络面积变化则相对平缓。

3) 通过剖面演变发现, 除第一阶段剖面属于淤积型, 后三个阶段研究区内剖面均属于上冲下淤型, 呈现出近岸侵蚀, 离岸淤积现象。剖面冲淤平衡点的位置由CS19剖面的11 m水深变化到CS21剖面的5 m水深, 说明自北向南海域侵蚀范围逐渐减小, 淤积范围则逐渐增大, 这与剖面距离黄河口位置相关, 靠近入海口剖面则更易受黄河入海泥沙影响发生淤积, 反之亦然。

4) 入海沙量的大幅减少是造成孤东近岸海域侵蚀的重要原因, 黄河年均入海沙量与研究区内年均冲淤量密切相关, 通过两者的线性关系估算研究区内冲淤临界的入海泥沙阈值是3.78亿t/a。孤东大堤的建设改变了原有的海洋动力环境, 波能由原有的向岸自然衰减转变为冲击大堤方式衰减, 增强了对水下泥沙的扰动。孤东大堤走向与近岸海域常、强浪向几近垂直, 这也大大增加了近岸海域受波浪的频率与强度。