新入海水沙情势下黄河三角洲地貌动态变化与演变机制

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河口三角洲是陆海相互作用的关键地带,人口分布稠密,物种多样性丰富,具有重要的社会经济价值和生态价值。同时河口三角洲也是极其敏感的动态地貌单元,其动力地貌格局在外部环境变化下易发生显著转换。尤其在近年来人类活动的高度干预下,入海泥沙通量锐减,河口水沙输运和泥沙源汇过程受到强烈影响,三角洲普遍面临蚀退危机。以高淤积速率闻名的黄河三角洲,在近年来由于入海水沙情势的改变已成为侵蚀速率最快的三角洲之一。黄河三角洲的蚀退直接关系到区域土地资源的利用,海岸工程防护的稳定和湿地生态环境的变化。为维持黄河三角洲地貌和生态可持续,迫切需要揭示新入海水沙情势下黄河三角洲地貌格局的调整规律。并在此基础上,探讨典型地貌单元在河流水沙和海洋动力耦合作用下的演化机理。本文以黄河三角洲行河流路、现行河口及其邻近海域为研究对象,在分析三角洲地貌演变过程对入海水沙情势变化响应的基础上,建立一套黄河三角洲“河流—河口”水沙输运耦合模型,探究黄河口近岸水流和细颗粒泥沙输运扩散过程,量化新入海水沙情势下泥沙在尾闾河道、现行河口和外海的源汇通量,分析黄河口潮汐动力和泥沙沉积行为对来流量变化的敏感响应。主要研究内容和结论如下:(1)黄河入海水沙的多尺度特征和新入海水沙情势黄河入海水沙通量具有显著的周期性变化特征,且年代际尺度的周期性变化强于年际尺度变化。入海径流量具有10yr,16yr和21yr的年代际振荡特点,泥沙通量具有4yr,6yr和20yr的周期性变化。受强烈的人类活动干预,河流入海水沙通量锐减,在1975年后入海水沙通量的周期性振荡减弱。根据黄河入海水沙通量的突变特征和流域内调水调沙开始实施的时间,将黄河从清水沟流路入海以来的水沙年代际尺度变化分为三个阶段:人类活动干预早期(1976-1985年),人类活动高度干预期(1986-2001年)和新入海水沙情势期(2002-2016年)。黄河新入海水沙情势以2002年起调水调沙的实施为主要特点,入海水沙通量由“水少沙多”向“枯水少沙”转变,伴随水沙关系趋于协调,入海泥沙颗粒粗化,悬沙浓度显著降低。黄河7-10月的自然汛期被调水调沙20天左右的“人造洪峰”取代,洪峰和沙峰较自然流态下均明显减小,且入海泥沙通量较径流量季节性差异更显著。(2)新入海水沙情势下黄河三角洲尾闾河道和现行河口的地貌演变规律黄河调水调沙实施前,在季节尺度上三角洲尾闾河道主要表现为洪季淤积,枯季冲刷;调水调沙实施以来,蚀积状态发生转换,河床表现为枯季淤积,洪季冲刷。流域尺度的水沙调控措施使来水来沙关系得到改善,尾闾河段平滩面积和过水能力增大,河道萎缩态势得到缓解,发生由泥沙“汇”到“源”的转型。同时,在清8出汊后由于上游来沙量的减小,尾闾向海延伸速率减缓。清8出汊后现行河口及其邻近海域的地貌演化过程受新入海水沙情势的直接影响,并呈现显著的空间差异性。现行河口近年来总体呈淤积态势,平均淤积速率达0.15 m/yr。根据现行河口水下地貌冲淤演变特征可划分为中速淤积(1996-2002年),快速淤积(2002-2007年),缓速淤积(2007-2015年)和快速侵蚀(2015-2016年)。现行河口的冲淤演变过程与年际尺度的入海水沙量变化、黄河调水调沙的实施和口门出汊过程密切相关,41.42 Mt/yr-62.26 Mt/yr的上游来沙可维持现行河口的冲淤平衡。反观孤东海域由于缺乏泥沙补给而面临持续侵蚀,近岸海床以平均0.1 m/yr的速率持续侵蚀。(3)黄河三角洲近岸水沙输运特征与利津以下泥沙源汇过程的量化建立基于TELEMAC的黄河三角洲“河流—河口”水沙输运耦合模型,模型网格覆盖黄河三角洲尾闾河道、河口、整个渤海和部分黄海海域。经模型率定和验证,水动力和悬沙浓度的计算值与实际观测值吻合较好,悬沙浓度的空间分布与遥感影像反演结果基本一致。模型结果显示,渤海和黄河口近岸潮汐属于弱潮和混合潮类型,且潮流表现为与岸线平行的往复流特征。余流和泥沙余通量分布显示,黄河入海水沙离开口门后迅速转为东南向输运,至清水沟老河口和莱州湾北部海域后转为离岸输运至渤海中部。黄河口发育反向潮流切变锋,由三角洲北部向南部、由近岸向远岸传播。由北向南发育传播的整个历时约为3-4 h,且在现行河口外切变锋的发育历时内落外涨型(IEOF)长于内涨外落型(IFOE)。自黄河调水调沙实施以来,尾闾河床沉积物总侵蚀量约为利津站泥沙通量的8.6%,成为黄河入海泥沙的重要组成。通过地形资料计算,约60.5%的入海泥沙直接参与现行河口三角洲的塑造;通过模型计算常态下各典型断面泥沙余通量比例,占入海泥沙总通量28.40%的泥沙向莱州湾方向输运,5.88%和5.22%的泥沙分别向东和向北输运至外海。(4)径流量变化对河口近岸潮汐动力和沉积中心影响基于流域水沙调控措施下黄河入海流量在年际间显著波动的特点,探究径流量变化对黄河口近岸潮汐动力和细颗粒泥沙沉积行为的影响。随着径流量的增大,各分潮振幅在河道和潮间带减小明显,在外海分潮振幅变化较小。O1、K1和M2是黄河口近岸分潮振幅随径流量变化最大的分潮。此外,随着入海流量的增大,潮流切变锋内外侧水流流速差增大,锋面宽度减小,迫使切变锋位置向海延伸,切变锋剪切强度辐聚。切变锋在近岸的发育对泥沙捕获效应明显,使河流来沙不易直接扩散至外海;同时强劲的沿岸潮流也限制了细颗粒泥沙向外海的直接输运,而使大部分悬沙有沿岸净向南输运的趋势。潮流切变锋的发育亦对泥沙输运和沉积中心动态具有显著影响。当入海流量增大时,河口高含沙羽状流扩散范围和输沙率增大。小流量时泥沙易在现行河口东汊口门落淤,大流量时泥沙落淤范围扩大至从北汊口门到东汊口门以南,且沉积中心向海移动。
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