黃河口挑河河口懸沙分布與輸移特征研究

權永崢, 邊淑華, 劉建強, 馮秀麗, 王景川

(1. 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

黃河口挑河河口懸沙分布與輸移特征研究

權永崢1, 邊淑華2, 劉建強2, 馮秀麗1, 王景川2

(1. 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

基于實測資料對黃河廢棄河道挑河河口段的懸沙分布及輸移特點進行了研究。結果表明: 挑河河口段懸沙濃度與潮流流速正相關, 風浪作用則導致懸沙質量濃度大大提高; 在空間尺度上懸沙濃度呈河口高、河道上游低的特點;挑河河口附近, 漲潮流輸沙明顯占優勢, 向河道內側, 懸沙輸移率有所降低, 且逐漸轉變為落潮輸沙占優勢。結合河口外側海域沖淤演變趨勢以及懸沙輸運動力機制, 認為河口段河道總體處于弱淤積狀態, 而風浪作用可以加速河道淤積。本研究可為挑河的河口演變和航道整治等提供參考。

挑河; 懸沙分布特征; 單寬輸沙率; 風浪作用

作為人類生產生活的重要場所, 河口海岸區域是陸海相互作用最為敏感、最為活躍的地帶。河口段懸沙的分布和輸移規律一直是河口演變、航道整治、海岸環境工程等研究中令人關注的問題。掌握河口段懸沙濃度的分布和輸移特征, 不僅有助于提高對河口懸沙運動規律的認識, 而且可為河口治理、規劃提供技術支持[1]。許多學者對長江[2]、黃河[3]、珠江[4]、閩江[5]、椒江[6]等河口的水沙特征進行了研究,并對其輸移規律和動力機制進行了探討。挑河為在廢棄的黃河三角洲岸段入海的一條小型河流, 處于黃河故道神仙溝、刁口河以西。黃河東遷后, 該河河道徑流量大大減少, 河口外岸段遭受了侵蝕。黃河改道清水溝流路后, 神仙溝、刁口河以及西側的廢黃河三角洲岸段調查資料較少, 對在該岸段入海河流的河口演化趨勢、水文泥沙特征及水動力機制等認識較為缺乏。本文依據挑河東支2012年海流、懸沙以及水深等實測資料, 對該河河口海流、懸沙特征進行了分析, 對懸沙輸移進行了分析計算, 并結合河口外區域侵蝕背景, 對挑河的演化趨勢進行了探討。

1 區域概況

挑河位于山東省利津縣境內, 目前為一條季節性排水河道。1917年黃河的一股支流在該河道入海,行水9 a后黃河改道刁口河入海, 該河道廢棄。1973年利津縣政府為治理內澇大興水利, 疏浚了挑河河道, 故挑河又稱新挑河, 東側的支流則稱作挑河東支流。

黃河改道后挑河河口因得不到泥沙供應, 停止向前淤進, 且在波浪水流作用下, 潮灘和岸線向后蝕退, 在落潮灘面歸槽水的沖刷下, 潮灘上形成了縱橫的潮水溝體系[7-8]。漲潮時潮水溝進水, 落潮時水流匯集到本河道流向外海。

挑河總流域面積504 km2, 全長32.6 km[9], 水深1～3 m, 口外有攔門沙發育(圖1根據2012年實測水深數據繪制)。挑河河口外側海域為不正規半日潮,年平均潮差0.89 m。波浪以風浪為主, 涌浪較少, 最大月平均波高 1.18 m, 出現在冬季, 月平均最小值為0.46 m, 出現在夏季。NE向平均風速最大, 為8.4 m/s;其次為NNW向, 平均風速為8.1 m/s[10]。

2 資料與方法

本文收集了2012年10月大潮期間挑河河口段海流、懸沙周日定點觀測資料以及懸沙大面巡測資料, 對懸沙分布及運移特征進行了分析研究(表 1,圖2)。定點觀測設置2站, 于2012年10月29日10時大潮期開始進行1個潮周期的觀測。其中L1站于河道內, 距離河口0 m等深線9.03 km, L2站也位于河道內且更靠近河口, 距離0 m線6.11 km。懸沙大面巡測設置 19個站位, 由河道向河口方向分別為S01～S19, 在漲落急時進行取樣。觀測開始后13 h漲潮時刻, 現場出現6～7級偏北風, 持續時間10 h左右。

圖1 研究區域位置、地形圖Fig.1 The location and topography of the study area

在實驗室采用抽濾法測定懸沙量, 濾膜孔徑0.45 μm, 1/10 000 g電子天平稱質量, 根據抽濾前后濾膜質量的變化及水量得出懸沙質量濃度(mg/L)。

采用《水文測驗手冊》推薦公式計算懸沙日單寬輸移率[11]。

3 結果

3.1 潮流特征

挑河河道水流呈現不正規半日潮流性質, 潮流流向與河道走向基本一致, 為較強的往復流(圖 3),且整體上以漲潮流占優勢。觀測期間, L1測站漲潮流最大流速為75 cm/s, 方向為145°; 落潮流最大流速同樣為75 cm/s, 方向為327°。L2測站漲潮流最大流速為 93 cm/s, 方向為 157°; 落潮流最大流速為64 cm/s, 方向為339°。由此可知挑河河口段總體漲潮流稍占優勢, 而靠近河口處漲潮流優勢明顯, 且流速較大。

3.2 懸沙特征

3.2.1 懸沙質量濃度周日變化

L1, L2兩測站定點觀測表明, 挑河河道內, 一個潮周期內的懸沙質量濃度變化范圍為14.0～142.7 mg/L,懸沙濃度與潮流流速以及風浪作用正相關。由潮流流速以及懸沙質量濃度過程線可知(圖4), L1, L2兩測站懸沙濃度基本隨潮流速度的變化而變化, 極值都出現在漲急、落急時刻附近, 且多滯后漲落急時刻1～2 h。其中L1懸沙質量濃度最高值為27.4 mg/L, 出現在落急時刻, L2測站懸沙質量濃度最高值為142.7 mg/L,出現在漲急時刻; 從不同潮段來看, 10月30日0: 00以后的漲落潮段較之前的漲落潮段相比, L1, L2兩測站的流速和懸沙質量濃度顯著增大, 結合現場觀測情況可知, 該時段研究海域出現了6～7級偏北風, 且持續時間達10 h左右。觀測期間, L1, L2測站懸沙濃度最高值均出現在偏北風時段, 懸沙質量濃度的增大顯然與偏北向風浪作用密切相關。

表1 觀測資料統計表Tab. 1 The details of the measured data

由表2可以看出L2站相關系數大于L1站, 這是由于河道上游容易受到來自河口高懸沙量漲潮水的影響, 并且流速降低時部分懸沙未及時沉降。風浪作用整體提高了懸沙量導致L1, L2兩個測站相關系數都不高。流速滯后1～2 h后與濃度的相關系數明顯降低, 說明即使部分懸沙極值滯后于流速1～2 h, 但是時間對應的流速濃度相關性最強。

圖2 站位分布圖Fig. 2 The position of the measurement stations

圖3 L1, L2測站潮流矢量圖Fig. 3 The tidal current vector at L1 and L2 stations

表2 L1, L2測站流速-懸沙質量濃度相關系數表Tab. 2 The correlation coefficient of current velocity-suspended sediment concentration in L1 and L2 stations

3.2.2 大面懸沙質量濃度巡測觀測結果

挑河河道內懸沙質量濃度沿程變化明顯, 水體含沙量由河口向河道內逐漸減少, 但局部出現渾水區, 而河道上游的凹入水域懸沙質量最低(圖 5), 表現為渾水由河口向河道上游輸移的態勢。

圖4 2012-10-29～2012-10-30 L1、L2站大潮期懸沙質量濃度與流速過程線Fig. 4 Time-series of current speeds and suspended sediment concentration at L1 and L2 stations at 2012-10-29～2012-10-30

圖5 懸沙質量濃度分布圖Fig. 5 The distribution map of suspended sediment concentration

漲急時刻, 懸沙量最大值為 57.2 mg/L, 出現在河口附近的S18站; 最小值為7.5 mg/L, 出現在河道內凹入水域的S02站; S18站的懸沙質量濃度為S02的7.6倍。懸沙質量濃度基本呈由河口向河道遞減的趨勢, 河口處懸沙質量濃度大于50 mg/L, 而河道內懸沙質量濃度在15～30 mg/L(圖5)。

落急時刻, 河口處S19站出現懸沙質量濃度最大值為878.3 mg/L, 河道內凹入水域的S02站懸沙質量濃度最低為 6.5 mg/L, S19站懸沙濃度為 S02站的135.1倍。根據懸沙質量濃度分布圖(圖5)可知, 河口處懸沙濃度大于800 mg/L, 而河道內懸沙質量濃度在200～600 mg/L之間。落急時刻現場偏北風6～7級, 河道內流入高含沙量灘面歸槽水并且存在漁船作業, 因此河道內含沙量較漲急時刻明顯增大, 且河道中央較河道兩側渾濁, 大面巡測于河道中央取樣, 而定點觀測站設于河道一側, 導致定點觀測懸沙質量較巡測小。

由漲、落急大面巡測結果可知, 越靠近河口, 落急懸沙質量濃度與漲急懸沙質量濃度的差別越大:靠近河口處的 S16站落急懸沙質量濃度變為原來的80.3倍, 而河道內的S07測站僅為漲急的5.7倍。位于凹入水域的S1、S2兩個測站, 落急含沙量較漲急含沙量略有減少。

從懸沙質量濃度分布圖(圖 5)可以看出, 河道內盡管懸沙濃度較小, 但是存在局部渾水區域。漲急時刻渾水區域出現在挑河東支流, 是由河道突然變窄流速增大造成的。落急時刻存在兩個渾水區, 分別位于挑河東支流、挑河主流交匯處和河口以南的河道中。其中第一個渾水區是兩股落潮水流相互作用帶動河床泥沙造成的, 第二個是潮灘上的渾水回流導致的。

3.3 單寬輸沙率的計算

挑河河道內懸沙單寬輸沙率為113.9～1 015.6 kg/(m·d),凈輸沙率由河口向河道內有所降低。位于挑河口門附近L2站單寬輸沙率為1 015.6 kg/(m·d), 方向為漲潮方向, 而河道內的L1測點單寬輸沙率為113.9 kg/(m·d),方向為落潮方向(表 3)。上述結果表明, 挑河口門附近, 漲潮流輸沙明顯占優勢, 向河道內側, 懸沙輸沙率有所降低, 且逐漸轉變為落潮輸沙占優勢。

表3 大潮期各站單寬輸沙率統計Tab.3 The suspension transported rate of each stations

4 討論

4.1 挑河河口段懸沙運動的動力機制

挑河為季節性排水河道, 河道多硬化, 并且徑流遠遠小于河道的納潮量, 徑流的作用可以考慮不計, 根據分析和計算結果, 挑河河道內的懸沙輸移主要受潮流和波浪的影響, 懸沙運動與潮流、波浪作用均呈正相關關系。

4.1.1 潮流作用

懸沙運動與潮流作用的相關性主要體現在如下方面: (1)懸沙濃度及輸沙率空間分布上呈河口高,河道上游低的特點, 這與潮流流速的分布特征是一致的, 位于河口的L2站流速明顯高于河道內的L1站,如L2站最大流速為93 cm/s, L1站最大流速為75 cm/s; (2)懸沙質量濃度時間變化與流速有較強的正相關關系, 懸沙極大值都出現在最大速度附近; (3)懸沙輸移趨勢受漲落潮優勢流控制, 在河口海域漲潮流優勢明顯, 懸沙凈輸移方向指向漲潮流向, 在河道內,落潮流較大, 懸沙凈輸移方向也轉為落潮流向。所以正常天氣情況下, 潮流是該海域的主要水動力因子,潮流速度決定了懸沙質量濃度。當潮流流速增大時,水體與河底的剪切力及攜帶泥沙的能力增加, 帶動泥沙運動; 流速降低時, 水體載荷能力降低, 泥沙部分沉降, 懸沙質量濃度降低[12]。

4.1.2 波浪作用

風浪是挑河河口處懸沙質量濃度高、懸沙輸移率驟然增大的主要原因。在粉砂淤泥質海岸, 波浪是掀沙的主要動力。研究區北向風區較長, 產生了較強的風浪, 風浪傳播到水深較淺的河口時發生破碎, 能量在海底迅速釋放, 造成河口處懸沙濃度大幅度提高。本次觀測結果中有風天位于河口的S16的懸沙量高達正常天氣情況的80.3倍。邊淑華[13]、趙群[14]等在粉砂淤泥質海岸的現場觀測, 也證明大風會顯著增加懸沙質量濃度。波浪在河口破碎后能量變小, 在河道內傳播時逐漸減弱, 挾沙能力降低, 懸沙逐漸沉降, 因而濃度減小。研究區觀測期間, 河道沿程漲、落急大面測站懸沙濃度空間分布存在著明顯的河口高、河道上游低的特點, 大潮周日定點觀測結果也呈現河口的L2站較河道內的L1站懸沙濃度高的特點。上述規律, 在風浪天氣情況下最為明顯, 落急取樣時, 因現場出現6～7級偏北風, 河口處懸沙濃度急劇升高, 并向河道上游方向逐漸降低, 導致河口處的 S19站懸沙濃度為河道內S02站的135.1倍。

此外, 在研究海域還存在著北向風作用下的增水現象, 并且在波浪作用下潮流流速也有所增加,上述現象在L1, L2站的觀測結果中均有所體現, 具體表現為北向風出現后水位及潮流流速較之前時段均有明顯增高(圖 4)。無疑, 河道增水、流速加大也是除掀沙效應外波浪作用導致懸沙質量濃度增高,進而懸沙輸移率增大的另一個因素。

4.2 懸沙運動及河道沖淤演變趨勢分析

結合挑河河口外側海域沖淤演變趨勢以及挑河河口段懸沙質量濃度及運動特征綜合分析, 認為挑河河口段的河道目前處于弱淤積態勢。

挑河的發育與黃河的遷徙息息相關。1917年黃河經挑河入海, 造成河口向海方向延伸, 1926年黃河改道刁口河入海[9], 至 1976年以前黃河主要在神仙溝以西岸段入海, 黃河走刁口和神仙溝流路, 受黃河入海泥沙西向擴散的影響, 挑河河口岸外也有所淤積, 該海域出現了寬廣的潮坪(圖6, 根據文獻[18-20]中1968年海圖)。隨著潮灘加寬, 原有潮溝系統便難以完成疏干潮灘滯留水的功能要求, 潮水溝體系進一步發育, 廢棄的挑河河道逐漸發育為潮水溝體系主干(圖6中1984年海圖)。1976年以后, 黃河改走清水溝流路, 挑河河口外側處于強烈侵蝕狀態(圖 6中 2000年實測), 但隨著時間的推移侵蝕強度減小,并逐漸趨于穩定[15-17]。

圖6 岸線水深(m)變化圖Fig. 6 the changes of coastline and bathymetric (m)

在挑河河口段, 特別是靠近口門部分, 漲潮流輸沙優勢明顯, 且懸沙質量濃度呈現由河口向河道內逐漸減小的趨勢, 該趨勢表明, 從河口至河道內懸沙逐漸落淤, 占優勢的漲潮流將河口外的懸浮泥沙凈向河道內搬運, 因此造成挑河河道內淤積。挑河河口外側NW向風區較長, 在大風作用下, 風浪作用明顯。風浪會引起懸沙量的急劇增加, 因此大風天氣時河口附近和外側河道河底的粉砂都會大量起動, 在優勢漲潮流的作用下造成河道內靠近河口部分河段的淤積。而在內側河道, 漲潮流態勢減弱, 潮水溝內歸槽水流的優勢體現出來, 河道內落潮流占優勢, 又會將河道內的泥沙向外搬運。總體而言, 在風浪、漲潮流以及歸槽的落潮水流等的綜合作用下, 挑河河道目前處于弱淤積狀態, 其淤積的泥沙來源于挑河口外的岸灘侵蝕泥沙,但從現狀來看, 無論是挑河口外岸灘的侵蝕還是挑河河道的淤積, 其侵淤變化幅度都比較小。

5 結論

1) 挑河河口段在空間尺度上懸沙濃度呈河口高,河道上游低的特點; 懸沙分布與潮流流速有較強的正相關關系, 風浪作用則導致懸沙質量濃度大大提高。

2) 挑河河道內的懸沙輸移主要受潮流和波浪的影響。挑河河口附近, 漲潮流輸沙明顯占優勢, 向河道內側, 懸沙輸移率有所降低, 且逐漸轉變為落潮輸沙占優勢。

3) 挑河河道目前處于弱淤積狀態, 其淤積的泥沙來源于挑河口外的岸灘侵蝕泥沙。

致謝: 本文實測數據來自利津縣刁口一級漁港工程水文氣象及泥沙沖淤調查研究課題組, 謹致謝忱。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Distribution and transport characteristics of suspended sediment in the estuary of the Tiaohe River in the Yellow River Estuary

QUAN Yong-zheng1, BIAN Shu-hua2, LIU Jian-qiang2, FENG Xiu-li1,
WANG Jing-chuan2
(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China )

Oct., 24, 2013

the Tiaohe River; suspended sediment distribution; sediment transport rate; wind wave

The distribution and transport characteristics of suspended sediment in the abandoned Tiaohe River Estuary of the Yellow River were analyzed. The results show that the suspended sediment concentration (SSC) in estuary is higher than that in river upstream on the spatial scale, and there is a strong positive correlation between the SSC and tidal current velocity, and wind wave can greatly improve SSC; flood current transport sediment dominates near the mouth of the Tiaohe River, ; the suspended sediment transport rate becomes smaller inside, and the ebb tide transport sediment dominates gradually. Combined with the silting evolvement trend and suspended sediment transport mechanism, we can conclude that the Tiaohe River is weak deposited and wind wave can accelerate the deposit.

P736.21

A

1000-3096(2015)12-0143-07

10.11759/hykx20131024002

2013-10-24;

2013-11-25

國家自然科學基金資助項目(41276084)

權永崢(1990-), 男, 山東濱州人, 碩士研究生, 主要從事海洋沉積與工程環境方面研究, 電話: 15165247560, E-mail: quanyzh8@163.com; 邊淑華, 通信作者, 女, 河北唐山人, 研究員,博士, 主要從事海洋工程環境及海岸動力地貌方向的研究及工程應用工作, 電話: 0532-88965357, E-mail: bianshuhua@fio.org.cn