不同流路时期黄河三角洲沿岸余流场的数值对比研究

黄河入海流路改道变迁频繁,有关不同流路时期沿岸余流场变化的认识将为理解入海泥沙输送特征的变动和沿岸泥沙动态提供重要的水动力基础,通过数值对比实验,以分处黄河三角洲北、东两岸的钓口和清水沟流路为例,对比研究了两个流路基本稳定后的初期黄河三角洲沿岸余流场结构及其流速的变化.结果表明,虽然两个不同流路时期沿岸流系的总体趋势存在一致性,但不同岸段的局部余流场结构、流速及其分布在不同季节都发生了程度不一的变化.在流场结构上,夏、冬季的差异很小,而春、秋季的差异相对较大,特别是在10m以浅的近岸海域的变化明显.高流速区分布,在钓口流路时期具有随各突出沙嘴而生的特点,清水沟流路时则是沿岸线走向、呈条带状延伸,且其分布范围更大、中心流速更高.沿岸余流流速在清水沟流路时期比钓口流路时期大很多,以清水沟口以南海域的流速增加最显著,北岸海域其次,清水沟口以北、神仙沟以南岸段的变化最小,在季节上以冬季增幅最明显.两个不同流路时期沿岸潮致余流场的总体特征也是基本一致的,分布于甜水沟沙嘴(清水沟口)南、北部的涡环结构在清水沟流路时期明显向东北方向移动,清水沟流路时期神仙沟和甜水沟等原沙嘴附近的潮致余流流速存在明显的减小.     

黄河调水调沙期间黄河入海水沙的扩散与通量

以2007年夏季黄河调水调沙期间黄河三角洲海域3断面连续站及渤海南部24个大面站观测的流场、温度、盐度及含沙量资料为依据,分析了调查区水沙扩散特征,计算了各连续站的拉格朗日余流及泥沙输送单宽通量。结果表明,黄河入海泥沙扩散范围非常有限,主要分布在南至莱州湾西南部、北至北纬38°附近离岸约20km以内的带状沿岸区域;但黄河冲淡水出现大面积扩散,覆盖了整个莱州湾的北部和中部,最远可至龙口附近,黄河入海水沙扩散不同步。在现行河口和钓口流路废弃河口存在两个高浓度泥沙中心,分别对应于黄河入海泥沙和废弃钓口流路海域底质再悬浮产生的两个泥沙来源。河口及三角洲近岸切变锋的阻隔及辐聚作用,是大部分黄河入海泥沙沉积在河口及沿岸13m水深以内的主要动力因素。受余流方向及水体垂向湍动较弱的影响,两个高浓度泥沙中心很少有泥沙交换。冲淡水的大面积扩散主要受表层余环流的影响。余流及悬浮泥沙通量计算显示,夏季黄河入海水沙在近岸主要向东北方向扩散。     

黄河口的变迁对黄河冲淡水分布的影响

利津站的水文资料显示,黄河流入渤海的平均年径流量为4.93×1010m3,输人海中的平均年输沙量为1.34×1012kg(钱意颖等,1993)。黄河的年径流量仅为长江的二十分之一，但其年输沙量却为长江的2.26倍,如此大量的泥沙流入海中,不仅造成了河口区的严重淤积,而且也对口门外滨海大陆架区的海洋生态环境造成了很大的影响。因此研究黄河尾闾不同流路时期黄河冲淡水的分布与变化将有助于了解河口外余流场的分布变化及泥沙运行机制。研究表明,黄河冲淡水的分布变化除了取决于其径流量的变化外,还受到黄河口门变迁的影响。要了解黄河冲淡水分布的变化规律,需要对1855年以来不同流路多年逐月的滨海大陆架区的水文资料进行系统分析,由于资料的限制,本文仅分析钓口河流路和清水沟流路时期黄河冲淡水的季节变化特征。     

黄河三角洲海岸线标准对陆地面积的影响

黄河三角洲陆地面积变化关系到河口综合治理、国土规划、自然保护区发展以及油气资源的勘探开发等战略布局。已有研究采用的海岸线标准主要有:根据实测资料确定的高潮线、低潮线、黄海0 m线和黄海-2 m线以及从卫星遥感影像提取的高潮线、低潮线和瞬时水边线。近代黄河三角洲、现代黄河三角洲、清水沟流路范围、清8汊河范围内采用不同的海岸线标准得到的亿吨来沙造陆面积(造陆效率)成果存在较大差别。采用影像特征海岸线得到的部分时段造陆效率偏差较大,其原因主要与黄河三角洲沿岸发育的坡度平缓的广阔潮滩有关。从黄河三角洲海岸演变特征出发,采用黄海-2 m线作为海岸线基本上包含了径流与海洋动力作用最强烈区域,适宜于研究海岸淤进和蚀退,以及由此产生的对流路出汊、摆动和黄河下游的反馈影响。已有动态平衡沙量研究因采用海岸线标准不一致存在较大差别,而且三角洲长时期以淤进为主,蚀退时段的样本较少。在目前行河流路处于长期相对稳定的局面下,研究清水沟流路范围内海岸动态稳定的沙量更有实践意义。     

黄河口的变迁对滨海大陆架区流场变化的影响

黄河口附近滨海大陆架区流场的分布特征与黄河口的变迁有十分密切的关系。近百年来,黄河尾闾大的改道有10次。50年代以来,黄河口的流路又经过了三次大的改道，即1954年1月-1963年的神仙沟流路,1964年1月-1975年的钓口河流路和1976年以来的清水沟流路。每次黄河口的大改道,都对其周围滨海大陆架区的流场(包括潮流和余流)的分布和性质带来巨大的影响。对于黄河口滨海大陆架区流场的分布变化,尽管以往已有了不少研究1)，2),但迄今尚未有人把黄河口附近流场分布变化特征与黄河口的变迁联系起来进行研究。 为了研究黄河口的变迁对其滨海大陆架区流场变化的影响,作者以1976年黄河最近次大改道为例,把现有的50年代末以来本研究区各个时期的实测资料分为两个历史阶段,即改道前的黄河口区阶段和改道后的黄河口区阶段。本文将分别分析这两个阶段的潮流和余流分布变化等基本特征,以及探讨黄河口的变迁对于其周围流场影响的基本特征。     

黄河三角洲滨海区流场分布及泥沙运动

本文通过多年的海流及地形观测资料,分析研究了黄河三角洲滨海区的流场分布及泥沙运动规律,认为现行黄河口区是泥沙直接沉积区,而在海洋动力要素作用下,泥沙沉积再搬运后沿岸作长距离的输移运动,使泥沙重新分布,也是海岸带开发利用、水工建筑等不可忽视的研究课题。     

1979—2013年黄河三角洲岸线变迁的时空异质性研究

基于RS和GIS,通过分区分析了1979—2013年黄河三角洲不同流路岸线变迁及冲淤变化的时空异质性及其驱动因素。发现1979—1986年间,由于黄河入海泥沙量高且处于改道清水沟初期,清水沟(Ⅵ区)和清8汊流路(Ⅴ区)向海延伸显著,此后入海泥沙量减少其变化明显减缓;1995年以后,黄河改道清8汊且2002年以来调水调沙增加了黄河的输沙能力,三角洲岸线变迁的幅度较2000年前增强;刁口河附近区域(Ⅰ、Ⅱ区),因黄河改道清水沟和清8汊流路,入海水沙补给显著减少,总体上处于蚀退状态;神仙沟流路区域(Ⅲ区),1986年以后除入海口处有变化外,其它区域因修建堤坝成为人工岸线而少有变化;莱州湾西侧区域(Ⅵ区),淤进和蚀退量很小,总体向海推进。可见,岸线变迁主要受入海泥沙量的影响,改道致使不同时期三角洲岸线变迁出现空间异质性。     

黄河三角洲的变迁与黄河口油港港址的选择

根据黄河三角洲历年实测的深度,归化至同一的投影,比例和深度基准面,计算深度变化,看到:黄河三角洲有冲有淤,黄河行水河口淤,停水故道冲,以淤为主;一般淤进0.2公里/年.黄河河口流路是决定油港港址的关键,尽管有河口流路安排这个不定因素.根据无潮点流速大,有利于泥沙输送;近代黄河泥沙已把五号桩凸出于渤海;五号桩外水深,且处油田高产区,油港以五号桩为理想位置。在黄河水土保持和下游泥沙输往陆地还未收到显著效果的情况下,油港需予留适量的距离作为备淤区。若挖泥维持航道的经济效果可行,也可缩短港区与海岸的距离.     

黄河三角洲多年海岸线动态变迁特征及演化规律

以黄河三角洲1976—2014年的MSS、TM、ETM+影像为数据源,采用一般高潮线法提取不同时期的海岸线,结合RS遥感与GIS技术,对黄河三角洲的岸线变化进行监测.结果表明,1976年以来黄河三角洲的岸线形态及长度均发生了较大变化,其中北部的刁口河流路区岸线向内陆蚀退明显,以海洋侵蚀作用为主,属于蚀退型海岸;清水沟流路区的岸线整体向海域推进,海岸处于进淤状态,属于强淤进型海岸.黄河三角洲岸线变化频繁而快速,黄河的入海流路、水沙量、降水量等是影响黄河三角洲岸线变化的重要因素;行水期黄河三角洲岸线一般以淤进造陆为主,停止行河岸段,海岸侵蚀后退速率趋于缓慢,逐渐地变得相对稳定,在长时间不行水的海岸段,岸线基本保持稳定,随着黄河三角洲海岸带人类工程经济活动的加剧,该区域的海岸线演变受人类的影响越来越大.     

现代黄河三角洲的结构、发育过程和形成模式

对现代黄河三角洲典型河道——钓口流路的不同钻孔剖面分析,阐明现代黄河三角洲单个流路所形成的三角洲叶片体的沉积物与沉积相的空间分布特征.结合单流路河道的小循环演化规律,划分现代黄河三角洲的发育过程为四个阶段,提出了三角洲的河口坝沉积相间分布的横向沉积序列、主河道型与出汊河道型两个不同的纵向沉积序列及河口坝型与口坝侧湾型两个不同的垂向沉积序列.在此基础上,提出了现代黄河三角洲的形成模式.     

基于遥感的黄河三角洲海岸线变化研究

以黄河三角洲的Landsat TM/ETM+影像(1989~2009年)为数据源,采用遥感与地理信息系统技术,对黄河三角洲的岸线与面积变化进行监测。结果表明:1989年以来,黄河三角洲的岸线形状及长度均发生了较大变化,其中北部的刁口河流路区岸线向内陆蚀退明显;清水沟流路区的岸线整体向海域推进,部分区域有蚀退现象;神仙沟流路区主要为人工海堤,岸线变化不大。黄河三角洲的整体面积在1989~2009年处于增加中,但2006~2009年,面积变化为负值。从淤蚀情况来看,1989~2009年,黄河三角洲的淤蚀强度经历了"和缓-剧烈"的过程。这说明20年来黄河三角洲整体上处于增长发育中,但2006年后三角洲整体上呈现蚀退现象,同时黄河三角洲的淤蚀情况变得比以往更剧烈,意味着更强的海陆交汇作用和岸线变化。黄河的入海流路、水沙量、降水量等是影响三角洲岸线变化的重要因素,而人工堤坝能够在一定程度上维持海岸线的稳定。对黄河三角洲海岸线变化的研究有助于有效地管理和保护区域的社会和生态环境。     

现代黄河三角洲的结构、发展过程和形成模式

对现代黄河三角洲典型河道－钓口流路的不同钻孔剖面分析，阐明现代黄河三角洲单个流路所形成的三角洲叶片体的沉积物与沉积相的空间分布特征。结合单流路河道的小循环演化规律，划分现代黄河三角洲的发育过程为四个阶段，提出了三角洲的河口坝沉积相间分布的横向沉积序列、主河道型与同汊口河道型两个不同的纵向沉积序列及河口坝型与口坝侧湾型两个不同的垂向沉积序列。在此基础上，提出了现代黄河三角洲的形成模式。     

黄河入海流路发展趋势初步研究

通过对清水沟流路现状的分析,经过水动力学泥沙数学模型计算和与以往研究成果的综合对比,初步提出黄河近期及远期入海流路的发展趋势。     

黄河口清水沟流路泥沙淤积分布及扩散

本文通过实例资料，分析了黄河清水沟流路入海泥沙淤积在三角洲陆上和滨海以及漂向外海的泥沙分配，统计了三角洲淤积沿岸线的淤积延伸宽度以及泥沙在滨海水下的淤积范围，并对潮流和余流引起的泥沙扩散进行了分析。     

1976年黄河改道以来三角洲近岸区变化遥感监测

通过对黄河三角洲沿岸10个河口、潮汐汉道的23景陆地卫星影像高潮线的解译与对比,探讨自1976年黄河改道以来,三角洲岸线的变化特征;同时,利用GIS软件处理1976年和1992年滨海区水深测量数据,并与黄河利津站同期入海沙量进行对照分析。结果表明：1)目前黄河三角洲总体处于侵蚀破坏阶段,侵蚀岸线长相当于淤积岸线的2倍;2)人类活动对三角洲岸线变化的影响不断增强,人工海岸长度大幅度增加,总岸线长度缩短,岸线趋于平直;3)52．6％的黄河入海泥沙堆积于入海口附近,其中92％的泥沙堆积在15m水深线以内,向外迅速减少,20m水深线以外出现侵蚀;4)87％黄河入海泥沙往东、东南方向扩散与沉积,往南、东北方向扩散与沉积的泥沙很少,河口的北、西北方向整体上处于侵蚀状态。海岸侵蚀与河口泥沙的输移密切相关。     

黄河入海水、沙通量变化对黄河口及邻近海域环境资源可持续利用的影响 Ⅲ. 黄河入海口的长期稳定对港口建设的影响

随着我国经济的快速发展，黄河三角洲已经成为重要的石油工业基地和重要的农业开发区，兴建了许多港口和养殖基地。历史证明，由人工控制的黄河尾闾段河道已处于相对稳定状态，在三角洲区的经济发展过程中起了重要的作用。1976年黄河改道由清水沟流路入海以来，该流路已行水20多年，为了保障该区的发展，有关部门提出了稳定流路多年不变的方针，并经专家论证，可以继续使用50-70年。黄河是一条多沙性河流，30多年平均输沙量10.1×108t(1959-1992年)。菜州湾是一个极浅的小海湾，水域面积仅6000km2，平均水深8.6m，水深小于10m的极浅水域约占其总面积的60%。巨量泥沙入海导致河口及其近海区海岸地貌发生重大变化。1977-1992年清水沟流路河口沙嘴向海延伸了约35km，年均延伸速率为2.3km，使原河口区海岸线呈鸟嘴状向海突出，沙嘴南岸形成了一个凹入陆地的次级海湾(图1)。至1990年底，0m线以上造陆面积为453km2(郭永盛等，1992)，沙嘴向海延伸不但改变了该区海岸的走向轮廓，而且引起了沿岸泥沙运动的变化，影响了邻近港口的建设和发展。     

海南新村港潮汐汊道波流联合作用下的动力特征及其沉积动力学意义

基于ADCIRC与STWAVE模型,对海南新村港潮汐汊道的波浪-潮流联合作用进行了数值模拟,结果表明,S、SE向的平均浪与风暴浪在汊道近岸以产生西向沿岸流为主,SSW向平均浪与风暴浪作用时,在落潮主水道西侧形成东向沿岸流与西向沿岸流的交汇带。风暴浪作用下波生流与潮流的相互作用使瞬时流场与余流场均发生相应的变化。在平均浪作用时,汊道附近流速变化很小,而在风暴浪作用时流速增大,汊道内的涨、落潮流速不对称更为显著。在落潮主水道两侧由于波流联合作用产生涡漩,使动力减弱,从而造成泥沙落淤,而西向沿岸流的存在,使落潮主水道南侧边缘沙坝持续西移,泥沙沿落潮三角洲末端与冲流坝转运,导致新村港汊道口门西侧发育了规模较大的堆积地貌。     

清水沟流路期间黄河三角洲区潮波运动的模拟和预测

为了探讨黄河三角洲附近潮波运动的变化特征，乐肯堂等(1995)用二维数值模式模拟了1855-1984年该海区的潮汐和潮流的分布变化，并着重考察了M2和S2分潮的无潮点，以及规则全日潮区的位置变化。乐肯堂等(1995)的研究表明，黄河尾闾的摆动以及由此而造成的黄河三角洲之进退，是该海区潮波特征发生变化的主要外因。自从1976年黄河尾闾改道清水沟以来，该流路已稳定运行了20多年，由此造成了河口附近沙嘴不断向莱州湾内延伸，因而对该区的潮波分布特征产生了显著影响。从黄河三角洲区的经济可持续发展和海洋生态环境的可持续发展的目的出发来规划今后黄河尾闾的走向，就必须对以下两个问题进行深入研究：(1)清水沟流路是否还能长期稳定下去；(2)如果清水沟流路长期稳定不变，并且按照清水沟流路期间黄河三角洲向莱州湾推进的方式来推演10a后黄河三角洲的形势，那么到2010年该区的潮波运动将会发生什么变化。为此，在本文中我们仍然采用乐肯堂等(1995)已经过验证的数值模式和数值预的方法对上述问题作初步探讨。     

黄河现行与废弃河口海岸地貌动力作用差异的数值研究

波浪是塑造黄河三角洲河口与海岸地貌的重要动力因素之一。基于Delft3D模型耦合水动力与泥沙输运模块,模拟了黄河不同入海水沙条件下的表层悬沙浓度的分布变化,通过悬沙浓度差异值(Di值)定量研究了黄河清水沟流路现行河口与废弃河口之间的海洋动力差异,进而揭示了潮流与波浪在不同时期黄河三角洲地貌演变中的塑造作用。研究结果表明,在不同时期不同入海泥沙条件下,废弃河口及其近岸区域Di值普遍较高且为正值;但现行河口近岸的Di值分布普遍为负值。在废弃河口波浪使已沉积的粉砂、黏土起动、再悬浮,由潮流将其搬离海岸,从而使海岸发生蚀退;但现行河口由于大量黄河粉砂、黏土快速输入,潮流无法在短时间内将其全部搬离河口,进而使河口及两侧海岸向海淤进。比较而言,波浪在废弃河口及海岸的地貌作用较强,在现行河口相对较弱。这些研究结果对了解黄河三角洲动力地貌演变机理有重要的理论价值。     

基于卫星高度计和漂流浮标数据间数学校验关系的黑潮流轴和流路主成分估计

由于卫星高度计数据分辨率高、观测范围广的特点,我们使用该数据开展了黑潮流的研究。在之前的研究中,卫星绝对地转流都被用于对黑潮流域的表层流场的时空变化特征进行研究,并采用了一些探测方法提取了黑潮流轴和流路。然而,海面绝对地转流是由绝对动力地形估计得到,应该被当做实际流场的地转分量,在实际应用中并不能代表真实流场。在本研究中,建立了气候态绝对地转流与网格平均的漂流浮标流场间的数学校验关系,以此对卫星绝对地转流场进行修正,即便这两种数据的性质存在些许偏差。因此,基于主成分探测法,修正后的卫星绝对地转流被用于探测黑潮流轴和流路。对比结果表明,由修正后的卫星地转流场探测得到的黑潮流轴和流路均要好于地转流和表层流估计结果。修正后的地转流有助于开展更加准确的黑潮流轴和流路的逐日探测。