黄河调水调沙影响下河口入海泥沙扩散及沉积效应

基于2013年黄河调水调沙期间四条断面连续25h的温度、盐度、含沙量资料,分析了黄河调水调沙影响下河口入海水沙的扩散的范围。结合2010年调水调沙期间(7月)和调水调沙前后(5、9月)黄河口底质沉积物粒度的变化特征,探讨了黄河调水调沙工程对黄河输沙的影响以及河口沉积效应。结果表明:调水调沙期间,入海泥沙以粗颗粒为主,快速沉积在河口口门附近,扩散范围有限,而河口冲淡水则能够扩散至离岸较远的距离,入海水沙扩散范围不一致。黄河口沿岸悬浮泥沙主要向东北及偏东北方向扩散,最大通量可达2000kg/cm/s,但在距离河口10km以外区域通量锐减。黄河调水调沙期间,入海沉积物源由调水调沙前期粗颗粒的河床沉积物转变为后期小浪底水库排放的细颗粒沉积物,沉积物在河口附近快速堆积,导致河口区沉积环境短期内急剧改变。     

调水调沙影响下黄河口泥沙异重流过程

利用黄河干流大型水库进行调水调沙,在短期内将大量沉积物快速输送入海,是河口泥沙异重流触发的重要窗口期。根据2010年调水调沙期间黄河口沉积动力现场观测资料,建立覆盖整个渤海海域的ROMS数学模型,以黄河利津站逐日水沙数据和海域潮汐、风场数据作为模型驱动条件,模拟调水调沙期间的河口泥沙异重流发育过程。模拟结果显示,在没有大风扰动的情况下,河流入海悬沙浓度29.0 kg/m~3时会在河口产生高密度泥沙异重流。黄河冲淡水携带大量悬浮物从河口流出后,与海水迅速混合,在潮流影响下,冲淡水舌随时间由西北向东南偏转,输运至莱州湾西侧。淡水和沉积物主要以表层羽状流和底层异重流形式输运:表层羽状流扩展范围较大,输运路径为河口西北方向-远岸(河口东北区域)-莱州湾西侧;底层异重流扩散范围较小,输运路径为河口西北方向-河口沿岸(东)-莱州湾西侧。河口泥沙异重流生消和水体垂向结构存在周期性变化特征:落潮时段异重流发育较好,水体层化增强;涨潮时段异重流逐渐消亡,水体混合增强。估算出黄河口清水沟清8叉流路主泓区内水体由河口径流、潮汐应变和潮汐搅动引起的势能变化率,其中潮汐应变和潮汐搅动起主导作用,比河口径流引起的势能变化率高出2～3个数量级(102～103)。     

黄河在调水调沙影响下的入海泥沙通量和粒度的变化趋势

基于1950—2013年的黄河水文泥沙资料,系统研究了黄河实施调水调沙以来入海泥沙在通量、粒度组成和时间分布上的变化特征,揭示了调水调沙影响下黄河入海泥沙的变化趋势。在2002年黄河实施调水调沙以来,6—11月平缓均衡的持续性高水沙量取代了调水调沙之前7—10月峰值尖瘦的汛期特征,汛期与非汛期差异减小,入海水沙通量的季节性特征显著改变。随着调水调沙的逐年实施,河床泥沙颗粒粗化,临界起动功率不断增大,而调水调沙期间的径流量峰值基本稳定,径流对下游河床冲刷效率不断降低,导致入海泥沙通量持续降低、泥沙颗粒变细。可以预见,黄河河口的淤积将会大大减缓,入海的泥沙将更多地沉积在远离河口的区域,维持河口三角洲叶瓣冲淤平衡的临界泥沙量将会加大。     

现代黄河三角洲表层沉积物的空间分布特征

基于近期在黄河三角洲附近海域采集的97个表层沉积物样品的粒度测试结果,研究了黄河三角洲海域表层沉积物的类型和空间分布特征,探讨了沉积物粒度分布特征与物源和沉积动力环境之间的关系。研究结果表明,研究区表层沉积物类型以砂质粉砂和粉砂为主,在绝大部分海域,表层沉积物的偏态表现为正偏和极正偏,分选程度较差,峰态表现为宽和很宽。现行河口三角洲叶瓣周围的表层沉积物以砂质粉砂为主,粒度较粗;而在远离河口的区域表层沉积物以粉砂为主,粒度较细。与20世纪80年代的观测结果相比,受物源供应和沉积环境的共同影响,近期黄河三角洲沿岸的表层沉积物有粗化的趋势,且河口口门区域表层沉积物粗化趋势最为明显。表层沉积物粒度粗化的主要原因是黄河入海泥沙供应不足,导致三角洲沿岸侵蚀加剧;黄河调水调沙以来入海泥沙的粒度变粗,粗颗粒组分在河口口门附近快速堆积。黄河水下三角洲现代沉积速率的分布特征表明,黄河入海沉积物主要在现行河口及三角洲的近岸区域沉积,在15m以深的区域沉积速率较低。同时,还可看出入海泥沙有向北和东北向的运移趋势,与渤海中部泥质沉积以及通过莱州湾向渤海海峡的泥沙输运相对应。粗颗粒沉积物在现行河口三角洲叶瓣的堆积范围与潮流切变锋的位置基本一致,反映了物源供应和沉积动力环境对研究区表层沉积物分布特征的控制性影响。     

百年来黄河三角洲东北部毗邻海域沉积记录演化及其影响因素

通过对黄河三角洲东北部毗邻海域采集的多个沉积物岩心,开展系统的沉积物粒度、有机碳氮及其同位素特征的分析,结合210Pb年代测定,探讨研究区近百年来高分辨率的沉积记录及其变化的主要因素。研究表明:岩心O3、M2和B63处于相对稳定的沉积环境中,沉积物的粒度分布都呈阶段性变化但表现出差异性,O3和M2自1976年以来沉积物粒度出现粗化,而距离现行河口较近的B63则变细之后粒度粗化,在沉积物的上段C/N和δ13C的变化都反映了陆源有机质输入的增加。黄河1976年改道使三角洲北部和东部海域的沉积环境发生改变,O3和M2受再悬浮泥沙的影响粒度变粗,废弃三角洲叶瓣再悬浮泥沙对研究区的供给量增加,导致O3和M2接受更多陆源有机质的供给。而B63受到更多较细粒黄河入海泥沙影响,粒度变细,陆源有机质输入也增加。黄河入海水沙的阶段性递减和调水调沙工程导致输运至研究区的细粒物质减少,使岩心B63沉积物上段层位的粒度变粗。     

2005年黄河调水调沙期间入海泥沙扩散研究

针对黄河调水调沙试验开始前,黄河入海水沙通量非常少,调水调沙试验开始后,入海径流量和泥沙量增加近10倍的情况。通过2005年黄河调水调沙入海泥沙扩散的数值模拟,并结合收集到的黄河口卫星航片解译结果,研究结果表明,调水调沙实验开始后黄河入海水沙量急剧增加,由于地形及射流效应,入海水沙出河口后形成E和SE方向为主扩散的泥沙流,但其扩散范围有限,呈现以河口为中心的扇形分布格局,最大影响距离约20km×40km。风作为悬浮泥沙扩散的驱动力,成为泥沙扩散运动方向和大小的重要决定性因子。     

基于GEE的黄河口表层悬浮泥沙浓度时空分布及其影响因素分析

黄河三角洲作为我国重要的生态功能区,探究入海口处表层悬浮泥沙浓度（Suspended Sediment Concentration, SSC）分布及其影响因素对沉积物侵蚀再悬浮、河口海岸带生态过程等具有指导意义。本文基于色度角与SSC之间的关系建立了适于黄河口及邻近海域的SSC反演模型（R2=0.80,MRE=11.0%,RMSE=1.35 mg/L）。借助GEE平台,研究得到2000-2021年黄河口及邻近海域SSC的时空分布特征和变化规律,并从自然和人类活动两方面进行影响因素分析。研究区年均SSC呈波动下降的趋势（-1.83 mg/（L·a））;空间分布表现为由近岸向远岸逐渐降低的趋势;扩散区间（年均SSC> 20 mg/L）仅在距离河口4.8～14.6 km之间,黄河入海泥沙对现行黄河口处泥沙扩散影响有限。波浪与悬浮泥沙浓度存在相同的季节特征,非调水调沙期间,有效波高与SSC年代际月均值呈现正相关关系（r=0.66,p <0.01）;调水调沙期间,现行黄河口门以及莱州湾处SSC受风速、有效波高影响有限,调水调沙占主导地位。调水调沙期间的来沙系数与高浓度区面积变化率呈正...     

黄河调水调沙影响下的现行三角洲叶瓣冲淤演化格局

基于1986—2013年的黄河水文泥沙资料,研究了黄河实施调水调沙以来入海泥沙在通量和粒度组成上的变化特征,揭示了调水调沙影响下黄河入海泥沙通量增加、悬沙粒径粗化的趋势。从2002年调水调沙实施后,现行黄河三角洲叶瓣由侵蚀转为淤积,现行河口处淤积明显,逐渐形成一个饱满的"楔子"。然而,随着调水调沙的持续冲刷,下游河床逐渐粗化,2006年以后径流的冲刷效率不断降低,入海泥沙通量持续降低、悬沙粒径变细。若维持目前调水调沙流量不变,现行黄河三角洲叶瓣造陆速率将逐渐减缓,甚至可能出现蚀退。     

现代黄河口南岸海洋沉积环境分析

根据在现代黄河口南岸采集的45个表层沉积物样品与5个柱状沉积物样品的粒度测试结果,研究了现代黄河口南岸沉积物的类型与空间分布特征。通过粒度参数计算和聚类分析方法绘制了粒度概率累积曲线,探讨了沉积物粒度分布特征与物源和沉积动力环境间的关系。现代黄河口至广利河河口的沉积物颗粒呈"粗—细—粗"分布,表层沉积物分为粉砂质砂和砂质粉砂2种类型。通过分析对比柱状沉积物不同深度粒度频率曲线与概率累积曲线,结合对沉积环境和沉积速率的分析,认为黄河河道摆动是影响沉积环境的主导因素。通过对比典型潮滩剖面丰枯季节粒度概率累积曲线发现,广利河在局部区域对沉积环境产生一定的影响。研究表明:黄河改道是影响沉积环境的主导因素,同时,广利河等沿岸河流在河口局部区域对原有沉积环境有一定的改造作用,至莱州湾南岸,沿岸小清河、弥河等河流取代黄河成为影响沉积环境的主导因素。     

55年来黄河下游逐日水沙过程变化及其对干流建库的响应

以55年来（1950-2004年）黄河下游花园口和利津水文站逐日水沙资料为依据，将黄河下游水沙变化分为5个阶段，分别与4个黄河干流水库的开始运作时间对应，分析和对比了花园口和利津两站5阶段逐日水沙记录和图谱特征和变化。结果显示黄河下游逐日水沙特征在干流水库的运作下发生显著的阶段性改变，至小浪底水库建成后发生了根本性变化，主要是洪峰和沙峰消失，传统汛期与非汛期季节划分趋于模糊，调水调沙短期内的输沙量占全年输沙量的2／3以上，下游由淤积变为冲刷、可能产生泥沙异重流的天数大幅度减少。下游河道有显著的削峰、滞洪和淤沙作用，花园口／利津站36月逐日水沙量差距分阶段快速加大，最大可达20倍，表明下游耗水增加并集中在春灌时段，是入海水量减少的主因之一。目前，水库联合调水调沙期间是河口异重流发育的最佳时段。55年来黄河下游逐日水沙过程的变化表明，黄河逐日水沙特征发生了受控于人类活动的根本性变化。     

调水调沙期间黄河口羽状流的逐时变化

2002年黄河实施调水调沙以来,黄河入海泥沙普遍以异轻羽状流的形式在河口附近的有限区域内堆积下来。采用2011年、2012年以及2013年调水调沙期间3期静止轨道海洋水色卫星(GOCI)数据对黄河口附近海域进行悬浮物浓度反演,提取了黄河口羽状流的逐时变化信息;通过黄河口水动力数值模拟以及风场、潮汐等实测数据分析,阐明了羽状流逐时变化的驱动机制。研究结果表明:黄河调水调沙前后黄河口羽状流表现出单向变化和往复变化两种不同的变化过程;而悬浮物浓度的逐时变化显示:河口附近不同站位的悬浮物浓度逐时变化过程差异较大,同一站位的悬浮物浓度可在1小时之内升高或降低约100mg/L。单向变化型羽状流主要受单向潮流的控制,且GOCI观测时段位于一个落潮或者涨潮过程,河流动力较弱;往复变化型羽状流受涨、落潮往复潮流的控制,涨、落潮流向的转换驱使羽状流向相反的方向运动,而且羽状流位于潮流切变带以内,切变锋对羽状流的形态、分布范围具有明显的切变效应。     

黄河调水调沙期间入海泥沙沉积动力过程的数值模拟

本文根据2007年黄河调水调沙期间黄河三角洲及其毗邻海域的水文、泥沙调查数据资料,使用Mike 3三维水沙数值模型模拟了黄河调水调沙全过程(低流量、高流量、高含沙量)入海水沙输运过程,揭示了人造洪峰下水沙扩散范围和特征,分析了泥沙入海后的沉积动力学机制。研究发现:入海淡水和表层细颗粒泥沙主要以异轻羽状流形式向外海和河口两侧沿岸扩散,中、底层粗颗粒泥沙向外海扩散非常有限,有少量向河口两侧沿岸扩散,扩散范围小于表层;河口区在涨-落、落-涨潮流转换时刻分别存在着潮流切变锋,切变锋均形成在浅水区,而后向深水区移动,切变锋的发生对泥沙向外海扩散有着明显的阻隔作用。     

黄河下游调水调沙与暴雨事件对营养盐输出通量的影响

2012年2月至2014年3月在黄河下游采集水样,分析黄河下游营养盐浓度与通量的月际、季节性以及在调水调沙期和暴雨期的变化情况,并估算了调水调沙期和洪水期输水量和营养盐入海通量对黄河年入海通量的贡献。结果表明NO₃- 是TDN的主要存在形式,各形态氮营养盐枯水期高于丰水期;DIP是TDP的主要存在形式,PIP是TPP的主要存在形态,颗粒态磷和DSi丰水期高于枯水期。黄河水体中具有高DIN/DIP和DSi/DIP,低DSi/DIN,严重偏离Redfield比值。营养盐输送通量具有很强的月际变化,在径流量及输沙量最大月份也存在营养盐入海通量峰值。2002-2012年10年间调水调沙和暴雨在营养盐输送通量上占黄河下游营养盐输送通量的23%~68%和5%~59%,对营养盐年入海通量的平均贡献分别为 38%和24%,二者均在短期内导致水、沙和营养盐的大量输送,将对黄河口及其邻近海域的生态环境产生重要的影响。     

调水调沙对黄河下游溶解铀浓度及入海通量的影响

为研究调水调沙对黄河下游溶解铀浓度及其入海通量的影响，于2014年调水调沙期间在黄河小浪底站及利津站进行了连续同步观测。结果发现，调水调沙期间，小浪底站溶解铀浓度的平均值在调水阶段为（4.28±0.33）μg/L，调沙阶段为（4.19±0.29）μg/L；利津站溶解铀浓度的平均值在调水阶段为（4.55±0.22）μg/L，调沙阶段为（4.87±0.40）μg/L。无论是调水阶段还是调沙阶段，利津站溶解铀浓度的平均值均比小浪底站高，且调沙阶段溶解铀增加量显著高于调水阶段。进一步分析讨论得出调水调沙期间氧化还原条件的变化以及悬浮颗粒物粒径的变化是影响黄河下游溶解铀化学行为的主要因素。2014年调水调沙的运行使得黄河下游利津站的溶解铀入海通量比河流正常输运状态下增加了8.3×102 kg；而2015年在只进行了调水的情况下，从小浪底站到利津站溶解铀通量减少了4.1×103 kg，说明不同模式下的调水调沙对溶解态铀入海通量的影响是不同的。由于在黄河口咸淡水混合带存在着悬浮颗粒物向水体释放溶解铀的现象，根据调水调沙期间悬浮颗粒物的增加量及溶解铀的释放系数估算得到2010年、2012年、2013年、2014年调水调沙期间在河口混合带释放的溶解铀分别为1.57×104 kg、0.739×104 kg、0.690×104 kg和8.25×102 kg，分别占各自年份全年溶解铀入海通量的15%、7.7%、5.3%和1.3%。     

现行黄河口滨海区冲淤时空演变及其影响因素

自黄河入海流路人工改道清 8 汊后，受自然因素变化和人类活动干预影响，入海水沙出现新的情势，河口滨海区水下地形也发生相应调整。本文基于 1997—2018 年实测水深断面资料，建立水下地形数字高程模型 （DEM），综合研究了黄河 口滨海区冲淤的时空演变及其影响因素。结果表明，1997—2018 年黄河口滨海区整体呈淤积状态，累积淤积量为 5.36 * 108 m3。从时间上来看，水下地形演变经历 3 个阶段：缓慢冲刷 （1997—2002 年）、快速淤积 （2002—2007 年）、缓慢淤积 （2007— 2018 年）。从空间上来看，现行河口区呈淤积状态，而孤东近岸和老河口区呈冲刷状态。在水下地形不同的发展阶段，维持冲淤平衡的临界输沙量也有所不同，调水调沙之前为 1.65*108t/a，调水调沙以来为 1.09* 108t/a。来水来沙对河口滨海区的冲淤演变起着主导作用，2016—2017 年调水调沙中断，河口滨海区大面积冲刷。2018 年防洪调度的实施使水下地形迅速淤积。黄河口滨海区演变除了受来水来沙的直接影响，还受泥沙粒径和口门位置的影响。     

外源对太湖河口沉积物有机质贡献的同位素示踪

分析了太湖流域不同土地利用类型土壤、河口表层沉积物及主要生物的有机碳含量和同位素分布特征,并利用端元混合法求取了陆源输入对湖泊沉积物有机质的贡献及分布。研究结果表明,流域表层土壤有机质δ13C受植物群落的δ13C值影响,不同植被类型的土壤有机质δ13C值存在差异。茶园、菜地、林地和农田δ13Corg平均值分别为-25.4‰、-25.8‰、-27.1‰和-28.1‰,其中茶园有机碳同位素值最高。河口表层沉积物有机碳同位素变化范围为-27.5‰～-25.1‰,平均值为-25.7‰。河口近岸区域表层沉积物δ13Corg偏低,且以河口为轴心向湖心逐渐增大,呈扇形条状分布,其分布主要受低δ13C值的陆源有机质输入影响。利用端元混合法求得近河口表层沉积物中陆源有机质贡献高达70%～80%,随着离岸距离的增加,陆源有机质贡献量逐渐减少。     

1996－2020年黄河口清水沟流路海岸线动态演变及其与水沙量的关系研究

海岸线演变及其动态监测,对沿海地区生态保护和可持续发展至关重要。受自然过程和人类活动的影响,黄河三角洲海岸线始终处于动态变化之中。本文基于1996－2020年黄河口Landsat系列卫星影像,利用数字岸线分析系统（DSAS）,探讨了近25年来黄河口海岸线动态演变规律及其对黄河输沙量变化的响应关系。研究发现：现行河口地区海岸线平均向海淤进260 m/a,老河口岸线平均变化-167 m/a。调水调沙前,河口岸线整体处于蚀退阶段;调水调沙后,现行河口岸线初期快速淤进,后速率逐渐减缓,老河口始终处于蚀退状态。年内尺度上,现行河口岸线在调水调沙年份汛期前后淤进明显,非调水调沙年份汛期前后淤进缓慢,老河口岸线变化基本与年际变化一致。调水调沙前后,黄河入海沙量对岸线演变的影响程度提升,在年内尺度上对汛期前后现行河口岸线变化作用显著（R2=0.93）     

2016-2020年黄河三角洲尾闾河道悬浮泥沙时空分布

三角洲河道悬浮泥沙的时空分布与河口流路稳定性及水下三角洲发育密切相关。基于Sentinel-2高分辨率卫星影像反演悬沙浓度,结合河道形态和水动力数值模拟,分析了近年来黄河尾闾河道悬沙的时空分布特征和影响因素。结果表明：2016-2020年,黄河尾闾河道平均悬沙浓度具有显著的洪枯季差异和不同的沿程分布;洪季悬沙浓度受上游来沙和底沙起动共同控制,王家庄和清加2断面是底沙起动再悬浮的主要断面;径流流速的增大对不同河段悬沙浓度的影响不尽相同,河口段悬沙浓度更易受径流流速的影响;以王家庄断面为界,上下游悬沙浓度分别呈现“深泓低两岸高”和“深泓高两岸低”两种截然不同的分布模式;尾闾河道悬沙浓度对调水调沙响应敏感,2018年调水调沙期间悬沙浓度达到10.75 g/L,但随着河床底沙粗化,尾闾河道悬沙浓度对调水调沙的响应敏感性下降。     

2020年黄河水量调度对河口水文特征的影响及沉积效应

由于水利工程的影响，黄河的调水调沙通常都集中在较短的时间内进行，大量的泥沙与淡水输入到黄河口海域，使得该区域成为水文要素特征和地貌变化最为剧烈的区域之一。根据2020年大量的水文实测和地形资料，分析了黄河口海域温度、盐度时空分布变化规律和水下地形冲淤演变特征，探讨了黄河入海水沙对黄河口海域盐度分布和水下地形的影响。研究发现，2020年黄河水量调度极大改变了河口盐度及其分布，低流量时期盐度整体较高，低盐区分布范围有限；高流量时期盐度显著降低，低盐区水体范围明显扩大，满足了河口环境水流需求。黄河口海域2019-2021年整体呈淤积状态，现行河口区出现淤积，而孤东近岸、老河口区及离岸较深的海域呈冲刷状态，入海泥沙情势的变化对河口及毗邻海域的冲淤特征起着主导作用。     

黄河干流有机碳的时空分布特征

通过2003-2009年多个航次对黄河干流DOC(溶解有机碳)和POC(颗粒有机碳))及相关参数的调查研究,结果表明:TSS(颗粒悬浮物)为91.42～8188 mg/L,POC为0.65～24.20 mg/L,POC%(POC/TSS×100%)为0.44%～2.21%,DOC为1.57～4.77 mg/L,有机碳沿程分布具有明显的空间特征.花园口水文年调查中有机碳含量与流量的季节变化密切相关.POC主要受冲刷影响,而DOC在不同季节分别体现出冲刷、稀释或浓缩效应.修建水库和调水调沙这2个显著的人为干扰活动对黄河有机碳的性质及输运产生了截然不同的影响:库区自生源对有机碳的贡献明显大于干流,DOC/POC为6.64～12.00,DOC是有机碳的主要形式,同时水库截流,颗粒物沉降降低了颗粒有机碳的输运量,而调水调沙却加强了有机碳的输运,该时期DOC/POC为0.01～0.47,POC是有机碳输运的主导形态.