（环境工程专业论文）黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟.pdf

黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 t e m p o r a la n ds p a t i a le r o s i o n a n dd e p o s i t i o ne v o l u t i o n o ft h eh u a n g h ed e l t aa n di t sn u m e r i c a lm o d e l i n g a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，w i t hy e a r s o fm e a s u r e dw a t e rd e p t hd a t a ，t h e e m p i r i c a l o r t h o g o n a lf u n c t i o n ( e o f ) m e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a l e v o l u t i o no ft h e h u a n g h ed e l t a t h e n an u m e r i c a lm o d e li s d e v e l o p e dt o s i m u l a t et h es e d i m e n t t r a n s p o r ta n de r o s i o n ，d e d o s i “o n p a t t e r n a r o u n dt h e m o d e r nh u a n g h ed e l t ai nt h en u m e r i c a lm o d e l i n g f i r s t l y ，t h es w a nm o d e li s a d o p t e dt od e v e l o pah y d r o - - d y n a m i c a l m o d e lc o n s i d e r i n gt h ew a v e - c u r r e n t i n t e r a c t i o n t h e nc o m b i n e dw i t had y n a m i c a ls e a b e dm o d e l ，a2 - dm o d e lo f s e d i m e n tt r a n s p o r tw i t h “m o v i n gb o u n d a r i e s ”i sf o u n d e d i ti s a p p l i e dt o t h e c o a s t a la r e aa r o u n dt h eh u a n g h ed e l t ai nl a r g es c a l e w i t ht h en u m e r i c a l m o d e l i n gs t u d yo ft h el a wo fe r o s i o n ，d e d o s i t l o na n d e v o l u t i o no ft h eh u a n g h ed e l t a ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na sf o l l o w ： 1t h ee r o s i o n d e p o s i t i o ne v o l u t i o np a t t e r no ft h eh u a n g h ed e l t ac a nb ew e l l r e v e a l e dw i t ht h ee o f a n a l y s i sm e t h o d i nt h et e r mo fs p a c e ，t h ee s t u a r i n e a r e ai st h ed e p o s i t i o np a r tw h i l ei t s m a i n l yi n e r o s i o na r o u n dt h en o r t h e r n d e l t as h o r e l i n ea tt h ee n do fd i a o k o ui n f l o wo t h e r w i s e f r o mt h et e m p e r a i p o i n to fv i e w 。b o t hd e p o s i t i o na n d e r o s i o na r ei na w e a k e n i n g t r e n d 2t h e c o m p l e xh y d r o s e dm o d e ld e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a sp r o v e de f f e c t i v e t h er e s u l t sc a nc l e a r l yr e v e a lt h er e s p o n s et ot h ew a t e r - s a n dd i s c h a r g ea n d o c e a nd y n a m i c so ft h ee r o s i o n d e p o s i t i o np a t t e r ni nt h es t u d ya r e a ，e s p o f t h ed e p o s i t i o no u t s i d et h er i v e rm o u t h i nt e r mo fs p a c e ，t h ee v o l u t i o no ft h e h u a n g h e d e l t ah a sb e e nc e n t e r e do nt h eo l da n dc u r r e n te s t u a r i e s n e a rt h e d i s c a r d e dr i v e rm o u t h ，t h ee r o s i v ea n dm o d i f y i n ge f f e c to fw a v ei sq u i t e i m p o r t a n tt h u s ，t h eu n d e r w a t e r s h o r es l o p ei si nc o n s t a n tm o d u l a t i o ni nt h i s a r e a c o n t r a r i l y , i nt h ec u r r e n fe s t u a r i n ea r e a ，t h ew a t e rb a n d s e d i m e n d i s c h a r g ef r o mh u a n g h es e a s o n a l l y h a sm a d et h es h o r e l i n ee x t e n s i o n o u t w a r dt h er e s u l tm e n t i o n e da b o v ec o m p l i e sw i t ht h ey e a r so fm e a s u r e d d a t a k e yw o r d s ：h u a n g h e d e l t as e d i m e n te r o s i o na n dd e p o s i t i o ne o f n u m e r i c a im o d e l i n g 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 l 引言 近代黄河三角洲是1 8 5 5 年黄河改道山东以后在套尔河与支脉沟之问形成的相 互叠置的复杂的三角洲沉积体系，面积约为5 4 0 0 k m 2 ，其独有的区位优势与资源优 势使其在国民经济中占有相当重要的地位。黄河三角洲动力因素复杂，浪、潮、 流等因素直接或间接地作用于悬沙及底床泥沙，不断地改造岸线和水下地形影 响着三角洲的发育和演变。近年来，受全球变化及人类活动等影响，黄河入海水 沙巨量减少，导致了黄河三角洲的全面蚀退，从而严重影响和制约着黄河三角洲 的油气开发和生态环境的可持续发展，并已引起国内外的高度关注。因而，深入 研究黄河三角洲泥沙冲淤规律及其岸滩稳定性，及时采取适当的岸滩侵蚀防护措 施就显得尤为迫切与必要。 1 1 黄河三角洲泥沙研究的现状 现代黄河三角洲的研究历史可以追溯到1 8 6 8 年r p u m p e l l y 对黄河三角洲平原 和古河道的论述，但在1 9 3 4 年以前，基本上无观测资料。从进入8 0 年代，由于 黄河三角洲油气资源的开发及三角洲总体发展的需要，黄河三角洲的研究取得了 蓬勃的发展，国内外诸多学者对黄河三角洲的发育模式、三角洲及其附近海域的 地形地貌、水文水动力以及河口沉积特征等多个方面做了大量的实际调查与理论 研究工作。如1 9 8 5 1 9 8 7 年青岛海洋大学分别同美国、法国合作进行的黄河口沉 积动力学调查；1 9 8 5 1 9 8 8 年中国科学院海洋研究所利用遥感资料对黄河三角洲 沉积物扩散、岸滩演变进行的研究；1 9 8 6 1 9 8 9 年原地矿部青岛海洋地质研究所 与荷兰合作进行的比较沉积学的研究，重点是探讨黄河三角洲现代沉积作用和沉 积模式；叶青超、刘风岳、任于灿、李广雪等做的现代黄河三角洲结构及地貌特 征的研究等”“”“1 ；侍茂崇、赵进平对黄河三角洲半同潮无潮区位置及水文 特征的分析研究”1 ；叶和松等对黄河海港海域潮流、余流分析”1 等。 进入九十年代以后，更多的研究进一步开展：杨作升等关于埕岛油田勘探开发 海洋环境的调查”；林振宏、杨作升关于现代黄河三角洲底坡不稳定性的研究”“” 等。并且，随着河口海岸沉积动力学、现代数学以及计算机功能的迅速发展，对 黄河三角洲的研究不再局限于定性描述和基于传统地质、经典数学的定量研究， 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 数值模拟方法得到了广泛地应用。如杨作升、孙效功、魏守林等关于现代黄河三 角洲的面积增长的研究“”“：张世奇等关于黄河1 3 及三角洲冲淤演变定量计算的 研究“”“；董年虎对于黄河入海泥沙淤积与扩散的研究“：杨作升等对黄河口 的异重流的研究“：蔡明理、王颖采用系统论、控制论的观点研究和探讨了黄河 三角洲的发育演变规律及对渤、黄海的影响”，等等。另外，相当多的诸如分维 分形、混沌等非线性方法也被用于黄河三角洲的泥沙研究，如孙效功等关于黄河 三角洲潮沟潮滩体系的分维特征的研究”。 受全球变化及人类活动影响，进入上世纪7 0 年代，黄河断流日趋严重。近年 来，由于人工干预，黄河虽然不断流，但黄河入海水沙剧减这一大趋势却没有从 根本上得以遏止。黄河入海水沙剧减引起的下游地区生态环境问题已成为2 l 世纪 中国重大河口海岸带生态环境问题之一。黄河入海水沙剧减很难在短期内改变， 这必将对未来黄河三角洲生态环境的演化进一步产生不利的影响。由此，一些学 者关于黄河断流。”“”。”及黄河水沙来量剧减导致的海岸蚀退及其防护。”。”进 行了研究和积极的探讨。 这些研究取得了丰硕的成果，但大都基于实际调查资料的统计分析，数值模拟 研究相对较弱。而开展像黄河三角洲海域这一高浑浊度水域泥沙冲淤的数值模拟 研究对把握黄河三角洲的冲淤演化规律具有重要的理论意义和实用价值，这也是 黄河三角洲泥沙冲淤问题研究的方向与重要手段。黄河三角洲海域地形冲淤变化 剧烈，考虑地形反馈、波流耦合作用下大范围的黄河三角洲冲淤数值模拟至今未 见公开报道。因而，发展黄河三角洲考虑地形反馈的波流共同作用下泥沙冲淤的 数值模型并开展大范围的泥沙冲淤数值模拟就显得尤为迫切与必要。 1 2 统计模型的研究现状 所谓统计模型的方法实际上就通过对野外调查数据进行统计处理进而得到所 研究的物理现象基本规律的方法。目前常用的方法有回归分析、趋势面分析、判 别分析、聚类分析、典型相关分析和主成分分析。 回归分析( r e g r e s s i o n ) 一词最早来源于生物统计学，现已成为气象统计分析 i 最常见用的- - q , 方法。它采用量化分析的方法研究和明确自变量和因变量的统 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 计关系及其数学形式，然后，利用所找到的统计关系对某一变量作出未来时刻的 估计。趋势面分析是地学研究中应用很广泛的一种方法，这种方法实质上是回归 分析的直接推广。当用直线或曲线对平面或空问( 或n 维空间) 观测点的值进行 拟合时，通常称为回归分析，而当用平面或曲面( 包括n 维空间的超曲面) 对空 间观测点的值进行拟合时，通常称为趋势面分析。判别分析是地学研究中作用最 火的多变量统计方法之一，这种方法兼有单变量和多变量方法的特点( 通过判别 分析将多变量经过线性组合而成为一个新的变量判别函数) ，其作用一般可分 为三种：a ) 通过判别分析对已经存在的分组的合理性进行检验：b ) 通过判别分析 将未知标本归组：c ) 评价各变量在判别分析中的作用的大小。聚类分析是研究多要 素( 或多个变量) 的可观分类方法，它的聚类原则是根据某些相似性的指标进行 聚类，把对象的个体( 或样品) 进行联合、分裂和添加的方法进行或重组，故也 称串组分析。根据其性质可分为q 型和r 型两种。q 型是研究标本之间的关系， r 型是研究变量之间的关系。聚类分析的每一阶段都和原始变量发生联系，而不是 和变量的某种线性组合发生联系，因而便于直观地研究原始变量的作用。主成分 分析的工作对象是一张( 样本点x 定量变量) 类型数据表，其工作目标就是要对这 种多变量数据表进行最佳综合简化，等价地说，主成分分析可以在力保数据信息 损失最小的原则下，对高维变量空间进行降维处理，从而减小了系统分析的难度。 典型相关分析的工作对象是两张数据表中的两组不同的变量。通过分别在两组变 量中提取相关性最大的两个成分，通过测定这两个成分之间的相关关系，来推测 两个数据表之间的相关关系。这样，典型相关分析把在数据表中进行成分提取的 思路引申到相关分析的领域中，研究两组变量之间的相关关系。 经验正交函数分析( e o f ) ，也称主分量分析，特征向量分析等。它与回归分 析、差别分析不同，它是一种分析方法而不是一种预报方法，它能够把随时间变 化的要素场分解为空间函数部分和时间函数和时间函数部分。空间函数部分概括 场的地域分布特点，这部分是不随时间变化的；而时问函数部分则由空间点( 变 量) 的线性组合构成，称为主分量，这些主分量的头几个占有原空间点( 变量) 的总方差的很大部分，从而，研究主分量随时间变化的规律就可以代替对场的随 h , j - f 日j 变化的研究。由于它在提取物理量场时空变化的信息特征方面具有极其明显 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 的优点，e o f 作为资料分析的重要手段，在气象、水文、地球物理科学，声学 甚至遥感等都有着广泛地应用“”7 “。 1 3 泥沙数值模拟的研究现状 作为海岸工程、水运工程和环境工程等重要的研究方法，河口海岸泥沙数值 模拟伴随着电子计算机和各种数值计算方法的发展而取得了长足的进步。在河口 区，水动力状况异常复杂，它既包括浅海潮波、余流、波浪等的作用，还有径流、 风、地形甚至泥沙本身的影响，而水流是塑造河床、海岸以及泥沙输运、污染物 扩散的根本动力，所以水动力模型就构成了泥沙模拟的基础，而泥沙与水相互作 用的机制研究成为水沙模型研究的重要环节。 1 2 1 潮流模型 潮流数值模拟始于6 0 年代( 国内始于7 0 年代) ，该方法通过数值离散，求解 描述潮流运动的控制方程组在研究区域内各个离散节点上的潮流流速、水位、盐 度、温度等量，进而得到整个研究区域的潮流情况。在7 0 年代主要是以河流和潮 汐河口的狭窄河段等一维潮流计算为主，随着高速度的大型计算工具的发展以及 河口动力理论的不断完善，一维模型已经逐渐为二维和三维模型所取代。二维数值 模型是目前应用比较广泛的模型，包括垂向二维模型和水平二维模型。一般应用的 是不考虑物理量垂向变化的水平二维模型，它是通过三维模型进行垂向平均而得 到的。此类二维水动力方程的求解方法很多，如有限差分法，有限元法，单元体积 法，控制体积法，特征线法，分步法，能谱法等等。一般来讲，有限差分法应用较广 泛。而在有限差分法中，计算量小，稳定性较好的半隐半显格式为广大学者所采用， 如a d i 法、移步a d i 法等。二维模型在某些领域内得到了广泛的应用，并取得 了很大的成功，但是二维模型存在着其自身不可避免的缺陷”“，如它不能反映水 平流速沿深度的变化、不能模拟垂向流动、由流速的垂向平均造成的底摩擦的非 确定性、不能模拟湍耗散等。除此之外，二维模型最大的局限性就是不能模拟斜 压问题，因而也就不能模拟内波、异重流等海洋现象。而三维模型“”能够很好 的克服上述不足。 塑+ 生+ 丝：0 反加昆 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 言塞十v 詈：+ w 考= 声一去塞+ 杀( 以罢) + 言( 詈) + 象( 4 詈) + 王4 三 0 l0 x 卿 0 z om 。x。x 钟。巩 貔。2 o n 富+ “+ v + w 塞一 一去富+ 未c 以萎，+ 刍c 舅，+ 耋c 4 耋，+ 毡二。a + “巩+ 咖+ ”如2 一扣一；荔+ 荔( 4 ，夏) + 荀【爿，丽+ 夏爿：茁+ 荔。 票一罢+ v 豢+ w 害：一g + 晏( 以譬) + 吴( “，豢) + 兰( 以譬) h( 就 讲 a z出出 鲫却出 。2 p = t 2 。踺屿一幻 通过三维水动力模型的控制方程组可以解得计算区域的水动力的三维情况， 进而通过泥沙输运模型得到悬沙的扩散分布情况、泥沙的输运方向、底质的分布 情况等等。此方程组的解法有很多，如分层二维法、有限差分与有限元结合法、 流速分解法、谱方法等。其中，分层二维法是目前应用和研究比较多的一种方法， 理论也比较成熟。其基本思路：自海面至海底分m 层，在各层内垂向平均三维水 动力控制方程组得水平二维的平均流模型，通过衔接条件在各层分别求解得到备 层的垂向平均流速。这种方法实际上应称为“二维半”、“准三维”模型。o “3 “”。 在此模型分层过程中，由于各处水深不同，分层数也不同，这样，海底就近似为 阶梯状，这会给编程计算带来不便，而且会产生锯齿效应。因此在实际应用中， 多采用盯坐标变换，这样就将海域深度变为无因次单位厚度，从而克服了垂向分 层层数不一致所导致的缺陷。 】2 2 波浪模型 波浪对河流泥沙的下泄、泥沙入海后的搬运和海底泥沙再悬浮以及三角洲海岸 的地貌形态的塑造甚至流路演化都起着重要的作用。波浪的数值模拟最早是基于 射线理论。射线理论的方法是大面积进行波浪场特征模拟的简便方法”3 ，它主要 用于计算波浪由于海底地形变化引起的折射，但忽略了波浪传播过程中的其它效 应( 诸如水深变化和结构物引起的折射、绕射作用) ，这已被证明存在较大误差， 而且其数值计算受地形等因素的影响很大，所以适用范围有限。其它的波浪数值 模拟的方法主要还有b o u s s i n e s q 方程和缓坡方程，二者均是用于研究缓变地形条 件下的波浪折一绕射问题。b o u s s i n e s q 方程是一个包含弱非线形项和弱频散项的 二。维积深波动方程，它考虑了波浪非线性问题，一般只适用于相对较浅的区域， 它列水深以及海底坡度的要求比缓坡方程更为苛刻，而且由于其复杂性，在实际 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 应用中受到了很大的限制。缓坡方程是b e r k h o f f 在1 9 7 2 年首先用小参数展开法 推导得出的。它是解决波浪折一绕射及浅水变形等问题的有效方法。其基本形式： v ( c c 奢v ) + k2 c c g = 0 其中c 1 为波浪相速，c 奢为波浪群速，为波浪的速度势函数，k 为波数。缓坡方 程同时考虑了波浪前进过程中的折射和绕射效应，所以又称作折一绕射联合模型。 b e r k h o f f 给出的实际上是单频线性波的方程，以后的学者对缓坡方程又进行了不 同方而不同程度的改进”“：如考虑底摩擦的b o o i j 形式、考虑波浪破碎作用的李 孟幽等的形式、考虑波流相互作用的波流相互作用的k i r b y 形式、考虑非线性作 用的i s o b e 形式、考虑随机波的丁平兴等提出的模型等等。 1 2 3 泥沙模型 床面上的泥沙颗粒在垂直方向上受到大于沙粒水下重力、粒问粘结力和薄膜水 附加压力等的上扬动力后，沙粒就会扬起，然后或悬浮或滚动、跳跃。根据泥沙 颗粒运动的不同形式，泥沙输运模型又包括悬沙质和推移质输沙两个模块。 依据“波浪掀沙，潮流输沙”的观点，以泥沙运动动力学为基础，悬沙输运模 型从上世纪7 0 年代至今取得了很大的发展，并得到了广泛的应用。由悬沙扩散方 程的一般形式： 箸+掣+地盟+丛生旦幽=旦(。，筹+参(。，蒡)+旦(。：asay o zo xo zo z ) a ，出 l1 融却l 却jl 2 积分可以得到悬沙输运方程： 掣+ 。掣+ 。掣：昙h 伽，i a s ) + d f d jd vo x ld x l 孙吲。，a 砂s ) 卜 其中d 。、d 。、d ：分别为x 、y 、z 方向的泥沙扩散系数，s 为悬沙浓度，为泥 沙颗粒沉速，f 为冲淤函数。结合水动力模型和研究区域相应的初边值条件，即 可解出流场和悬沙场。一般地，对于悬沙输运占主导地位的大型平原河口海岸， 利用悬沙输运模型就能比较好地模拟实际情况。 然而在一些潮滩滩面上的泥沙就是以推移质输沙为主。推移质运动过程较悬移 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 质要复杂得多，其理论远不及后者成熟。自法国的d ub o y s 在1 8 7 9 年提出第一个 推移质输沙率公式以来，各种经验半经验公式已超过5 0 个，分别以流速、功率及 切应力三类水流强度指标作为建立推移质输沙率公式的基础。在我国，李芳君。 等( 1 9 9 0 ) 曾建立了适用于泥沙以推移质运动为主、河床形态主要由推移质塑造、 床沙没有明显颗粒分选现象的潮汐河口近口段和河口段的河口推移质模型。王协 康1 。“”等在分析推移质输沙率演变过程及其影响因素的基础上，概化为一种非线性 输入输出泛函关系，而后以人工网络作用原理建立了推移质输沙率的反馈网络模 型。孙志林。根据时间连续，状态离散的m a r k o v 过程建立分均匀沙交换模雪9 ，将 推移质级配与输沙率计算有机结合起来。 如自u 所述，虽然河口海岸泥沙数值模拟取得了很大的发展，但还存在这样那样 的问题： l 、波浪、潮流、泥沙相互作用及影响的现象在河口海岸地区非常普遍，因而 探讨在波流共同作用下的泥沙输运越来越引起国内外学者的重视。然而，现有的 研究一般只考虑波浪影响下的流场或流影响下的波浪场，真正意义上的波流耦合 模型远没有成熟，沉积物对水动力场的研究就更少见了。 2 、黄河口海域岸线曲折，地形复杂，现有的波浪模型不论是射线法、缓坡方 程还是b o u s s i n e s q 方程，在此区域的应用中均遇到这样那样的问题。而全面考虑 浅水效应、底摩擦、折、绕射等综合作用的模型在此区域内比较成熟的应用还比 较少见。再则，虽然波浪谱的引入为随机波的模拟提供了有益的尝试。”。”1 ，但距 入射角度变化的瞬时波浪场的动态模拟还有一定的距离。 3 、洪季过后黄河河口附近海域的岸线可以向海推进几千米，使水深发生显著 的变化。因而对于长周期的水动力场或泥沙输运模型就必须采用“动床模型”。然 而实际计算过程中，底床变形与水动力变化的时间尺度的差异，很容易导致计算 的溢出。另外，对于潮滩广阔的黄河三角洲，动边界模型“也有待进一步完善。 4 、水沙作用机制及其相关问题：黄河口的泥沙虽然粒径分布相对比较均匀， 但仍是非均匀沙，所以建立非均匀沙模型才能更好的模拟黄河入海泥沙的扩散、 输运、底床的冲淤及岸滩的演变。而“推悬比”的确定就要求对底层泥沙的运动 状态及其转换条件有更深入的了解；黄河口的入海泥沙以细颗粒泥沙为主，其中 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 极细砂含量约占1 0 ，粉砂含量约占5 0 ，粘土含量约为3 0 - - 4 0 。粒径小于0 0 2 m m 的泥沙会产生絮凝现象，絮凝现象受海水盐度、泥沙粒径、水体的紊动、海水温 度、含沙量等因素的影响。黄河口及其附近海域由于径流的作用，当地海水的捕 度、悬沙浓度、水体紊动状况、温度等均有很大的变化，这导致泥沙絮凝形成的 絮团的动水沉速的变化，而该沉速的选择会直接影响泥沙数学模型的计算效果。 水流挟沙力是泥沙数值模拟中又一个非常关键而敏感的参量。目前在海洋泥沙数 值模拟中所应用的挟沙力公式一般来自水力学，然而海洋中的水流为往复流或旋 转流，与一般水力学或河流动力学中的情况有着很大的区别。黄河口海域水流状 7 兄极为复杂，所以，黄河河口区泥沙的数值模拟中，挟沙力的确定就显得更为重 要了。 5 、对于海岸工程或建筑物对水动力场及泥沙输运模式的影响预测研究还不 够，为了提高预测模型的可靠性和可移植性，需要将物理模型与数学模型相结合。 前者着重于建筑物与水流相互作用的动力及环境机制，后者则在此前提上，尽可 能详实地模拟各种工程方案所产生的长期综合效果，为设计单位优选方案，节约 成本提供理性的参考。此外，海港工程往往对附近海域的营养盐输运也产生一定 影响，因而水质模型的研究也势在必行。 本文拟依据多年实测水深数据，利用经验正交函数分析方法进一步探讨和分 析黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律；在此基础上，进而将建立结合波流耦合 模型和动床模型的泥沙输运模型，对现代黄河黄河三角洲附近海域泥沙的输运、 海底冲淤规律等进行大范围的数值模拟研究，宏观地把握黄河三角洲的发育和演 变规律，以期对黄河三角洲的治理和防护提供有益的参考。 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 2 研究区域概况 本文的研究区域为现代黄河三角洲及其毗邻海域，具体如图2 。1 所示。现代黄 河三角洲是指1 8 5 5 年黄河自河南铜瓦厢决口夺大清河入渤海以来所行成的巨大扇 形堆积体，地处1 l 叭1 e 一1 1 9 。1 2 e 、3 7 。1 1 n 一3 8 。1 3 n ，南北分别与渤 海湾、莱州湾相邻。地势平坦，由西南向东北倾斜，坡度一般小于0 2 ，海拔 高程】7 眦此区域以及其相邻附近海域动力因素复杂，海岸变化剧烈。 幽2l黄州三角洲的托匝l 及地形 2 1 研究区域的地质地貌及沉积物特征 2 1 1 地质地貌特征 黄河三角洲在地质构造上处于郯城一庐江大断裂的西侧，主要受新华夏构造体 系和北西向构造的控制，地层主要属于华北地层区，下第三系发育，富产石油， 第四系沉积厚约4 0 0 6 0 0 m ，为海陆交互相沉积。 黄河三角洲发育有多种不同的地貌类型。现行清水沟流路亚三角洲发育了宽 广的岸滩，其潮沟发育不充分。而黄河废弃亚三角洲由于长期遭受波浪、潮流等 海洋动力的侵蚀作用，其潮滩和潮沟得以充分发育。平坦的潮滩与大小不等的潮 沟桐问，共同构成了黄河近代三角洲地貌体系“。另外，在黄河废弃三角洲地区， 被称为“冲积岛”的侵蚀残留体在波浪与潮流的共同作用下不断地向岸逼近，最 终发育成贝壳堤( 滩) ”“。此外，黄河三角洲的主要地貌类型还有故河道高地、 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 河间洼地、泛滥平原、决口扇等等。 2 1 2 沉积物类型及其分布 黄河入海泥沙是黄河三角洲沉积物的最主要物质来源，所以总体上黄河水下 三角洲的表层沉积物基本上以细颗粒粉沙质粘土为主，但同时底质沉积物类型随 沉积动力环境等不同而有所差异，如图2 2 所示： 图22 黄河三角洲附近海域的沉积物类型分布圈 1 、粉砂质砂和砂质粉砂( t s & s t ) 黄河三角洲沉积物中最粗的类型是粉砂质砂和砂质粉砂，二者伴生小范围地 分布于粉砂沉积的范围中，其中以北部套儿河口以及清水沟流路口门处范围为最 大。这类砂动水中极为活跃，易悬易沉，然而脱水后比较坚实，常形成“铁板砂”。 2 、粉砂( t ) 粉砂是黄河三角洲潮问带的最主要沉积物类型，呈带状分布在o m - - l o m 等深 线附近。而粉砂的粒度组成多为粗粉砂，据统计，黄河三角洲近岸粉砂分布区， 粉砂含量介于6 5 8 、9 8 3 之间，其中耜粉砂含量占全部粉砂的9 6 以上。糊 粉砂的物理性质与砂质粉砂非常相似。 r j 、粘土质粉砂( y t ) 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 粘土质粉砂是黄河三角洲近岸海域分布最广的一种沉积物类型。粉砂区外向 海的广大海域多为粘土质粉砂区，在清水沟流路口门两侧以及套儿河口附近，粘 土质粉砂区向岸可达5 m 水深处。粘土质粉砂的组成以粉砂粒组为主，粉砂含量介 于4 8 4 、7 6 3 之间，有一定粘性。 4 、粉砂质粘土 粉砂质粘土是研究区最细的一种沉积物，据其性质和分布又可以分为两部分： 一部分为黄河口两侧的烂泥区，其粘土含量约为4 9 o - - 6 0 9 ，平均为5 4 1 ； 粉砂占3 9 0 - - 5 1 0 ，平均为4 5 6 ，另外还含有微量砂。另一部分分布在三 角洲北部的海域，大部分处在1 5 m 等深线以外，其中，粘土含量5 0 2 - - 7 0 9 。o o ， 平均为5 6 7 ，粉砂为2 j 4 - - 4 8 ，平均为4 2 3 。 此外，由图2 3 可见：黄河三角洲近岸海域的沉积物的中值粒径介于3 6 4 中、 9 3 3 中之间，其中大于7 0 中沉积物的分布最广，其次为大于5 0 中；考察5 中、6 巾、7 中、8 巾的等值线发现，在三角洲北部海域它们与岸线基本平行，由近岸向 外海中值逐渐增大，而在清水沟两侧的烂泥区等值线封闭。这也清楚地反映了该 区域的沉积物分布情况。 阁23 黄河三角洲附近海域的沉积物中值粒径等值线幽 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 2 2 气象与水文 2 2 1 气象概况 现代黄河三角洲属于温带季风区，四季差异明显：年均气温1 1 5 1 12 4 。c ，累 年各月平均气温7 月最高，为2 6 6 。c ，1 月最低，为一4 1 。c ：累年年平均降水量 5 9 0 9 m m ，降雨季节一般集中为7 9 月，约占全年总降雨量的5 0 一7 0 。 黄河三角洲季风盛行，全年风向变化明显，总的来讲，冬半年盛行偏北风， 夏半年盛行偏南风。据黄河海港区域的风向统计资料可知：3 8 月份均以南风为 主，而且均为各月的最大风向频率。从9 月份丌始受北方冷空气的影响，风向转向 偏北，9 一1 0 月份为东北风为主，1 1 月份为西北风为主，而在1 2 月份，风向以 东北风为主。据埕岛海域资料，1 1 月份大风f i 最多( 为1 4 5 天) 、平均风速最大 ( 为6 6 m s ) ，4 月份次之( 为1 4 2 天，6 1 m s ) ，7 月份平均风速最小( 为4 4 m s ) ， 大风日也较少( 8 天) 。另外，据1 9 6 1 1 9 8 0 年黄河口气象资料，共出现大风过程 5 4 4 次。其中，5 6 为区域性大风，年平均大风过程持续1 2 天。 2 2 2 水文概况 1 、径流 根据利津站的水文资料统计( 1 9 4 9 1 9 7 7 ) ，此河段平均年径流量为4 4 8 1o m 。，年平均输沙量为9 9 7 i 0 8 t ，输入渤海的泥沙占汇入渤海的入海泥沙总量 的9 0 以上“3 1 ，对渤海海岸的塑造起到重要的作用。黄河径流量、输沙量受降雨强 度、径流组成、洪水过程以及人类活动等多种因素的影响，年际变化大。研究表 明，自然因素和人类活动这两大主要因素造成了黄河水沙来量的显著变化，如图 2 4 所示。其4 - - 6 年的周期性振荡反映了黄河上游的自然变化，因为“地上悬河” 阻碍了河水进入下游。沿河用水量剧增使得7 0 年代以来，经流量与含沙量急剧减 少”“。 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 e ” s 一 伯5 2l f l 攫i1 9 劬1 粥41 9 1 赞11 钟2 1 9 穗1 9 1 窜朗1 髑81 9 啦 ! 9 5 21 9 1 9 6 01 9 斛1 9 6 b1 9 7 21 啪伯8 0 硼朗1 裔髓 图2 4 利津水文站，1 9 5 0 1 9 9 3 ，实测黄河来水( a ：1 0 8 m 3 ) ；来沙量( b 2 、潮波和余流 渤海是一半封闭海区，固有振动很小，潮汐主要是大洋潮汐胁迫振动，研究 区域受到渤海半日潮波旋转系统以及日潮波的影响，而且由于水浅、坡缓、岸线 曲折，潮汐和潮流特性非常复杂。黄河三角洲近岸潮汐受m 。分潮驻波的控制，除 了神仙沟局部地区为不正规日潮外，其他大部分地区均为不正规半日潮性质。潮 汐同不等现象明显，涨潮历时短，落潮历时长。平均潮位每年1 1 月份至第二年2 月份最低，8 1 0 月份明显偏高( 表2 1 ) 。分潮的椭圆长轴方向基本上与岸线平 行，为典型的往复流，转流时间先由北部开始，然后向南逐渐推迟，同时近岸区 的转流时间也比1 0 m 等深线以外的区域来得早。在无潮区1 0 m 1 5 m 等深线之间的 海区，流速较大，是黄河三角洲海区的强流带之一，涨潮流指向1 5 0 。，落潮流指 向3 3 0 。，流速可达9 0 1 2 0 m s ；。5 m 等深线以浅的近岸区和1 5 2 0 m 等深线以深 的海区流速则相对较小。另一个强流带在现行河口附近，此处受地形及径流的影 响，流速较大，实测流速可达1 8 7 m s ；其涨潮方向偏向南，落潮方向偏向北，潮 流方向与径流方向基本垂直，这是黄河口门区潮流的突出特点。在季风的影响下， 咳海区表层余流季节性变化较大。春季表层余流流向多为东北向，即离岸方向； 夏季流速增大，流向多为西北或东北( 但底层余流有向岸的迹象) 。秋季余流流速 最大，且表层余流离岸运动( 底层余流亦偏北向，但流速不大) ：较强的秋季表层 s 馓 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 余流，对该海域泥沙向海运移起着重要作用。河口地区余流以径流性余流为主。 河口以及河口南侧，余流流向以偏南、偏东【柚为主，河口北侧则以偏北向为主。 l o m 、1 5 m 等深线以深海域，余流偏向东北，即离岸运动。 表21黄河三角洲沿岸潮汐特征表”1 潮位( c i n )潮差( c n l )历时( h ：r a i n ) 高潮 【站名 站位 位置 高高低低平均高平均低涨落间隙 涨潮落潮 潮位潮位潮位潮位潮潮( f 1 ：n l i n ) e 1 1 8 5 2 羊角沟3 5 682 3 21 0 51 2 71 2 75 ：0 97 1 61 0 ：6 2 n 3 7 。6 e 儿9 。5 6 甜水沟 2 9 64 42 1 51 2 41 0 21 0 24 ：5 4 7 ：2 51 0 ：6 5 n 3 8 。6 e 1 1 8 0 5 6 神仙沟2 3 47 81 9 51 1 18 28 28 ：3 l1 2 ：0 l6 ：0 3 n 3 8 。6 黄河口e 1 1 8 。5 6 2 4 67 52 0 51 2 38 98 98 ：1 1l l ：1 65 ：1 9 东n 3 8 ”9 e l l 8 ”5 l 嘴西计2 8 96 42 3 01 5 37 57 58 ：1 l6 ：1 44 ：5 l n 3 8 。7 e 1 1 7 “3 0 乍沟北3 0 32 42 4 91 2 21 2 81 2 77 ：0 75 ：1 84 ：2 7 n 3 8 “1 0 海湾沟e l l 8 。2 4 3 7 84 72 6 51 1 41 5 l1 5 26 ：1 26 ：1 95 ：0 0 堡n 3 8 “4 e l l 8 。1 东风港3 3 24 32 4 67 21 7 71 7 75 ：2 96 ：5 65 ：1 4 n 3 8 。l e l l 7 9 4 4 埕口 3 9 04 42 7 65 42 2 22 2 25 ：1 07 ：1 55 ：2 2 n 3 8 “6 3 、波浪 黄河三角洲位于渤海的西南部，波浪对本区的作用受渤海环境制约“。渤海 是一个半封闭的内陆海，仅以渤海海峡与外海相通，三角洲n n e 向上的对岸距离 为4 3 6 k m ，s e 方向上对岸距离为9 8 k i n ，渤海西岸经海峡至北黄海东岸的最大距离 也只有6 1 0 k m ；渤海大部分水域水深小于3 9 m 。风区短，水深浅，波浪成长快，衰 减距离短，波高和周期不大。受渤海封闭性影响，波浪基本为风浪，波高与j x l 速 相关性好，浪向与风向基本一致。本区地理位置较北，夏季台风北上影响几率不 大，主要大浪为秋季开始寒潮南侵造成的偏北向大浪。受季风影响，波浪呈明显 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 的季节性，夏季盛行偏南风，冬季偏北风浪占绝对优势。测量表明，本区常浪向 n e ，强浪向为n e n n e ，次强浪向为n - n n w 。观测期间出现最大波高为5 3 m ，对应 周期为8o s ，波向为n e 。波高小于0 5 m 的浪为常见浪，出现频率为5 11 ：波 高大于3 o m 者出现的频率仅为0 5 。常出现的波周期为3 6 s ，占4 4 5 ；大于 6 s 的波约占1 4 8 。各向波能分布如见表2 2 。 表22 各向波能分布 w p 波向h ( m )t ( s )p ( )d b ( m )w ( 1 0 2 w )w w ( )p w ( ) n07 84 0 12 7 81 0 22 48 745 3 n n e12 34 673 6l5 469 82 5 32 9 5 5 n e1 2 64 4 847 314 359 32 1 51 62 2 e n e09 14 0 490 211 332 91 l9 217 3 8 e n e0 5 63 55 7 50 7 51 1 l40 23 7 1 e s e04 73 37606 307 226 l3 1 9 s e04 43 250 205 806 l22 ll8 s s eo53 4 81 3 2 60 6 80 8 53 1 256 s0 43 1 l1 46 20 5 404 91 7 84 1 7 s s w03 22 85 90 4 30 2 91 0 5o9 8 s w0 2 92 8 54 9 20 4 102 4o5 70 7 w s wo3 330 740 404 603 31 207 5 w s w0 3 73 13 3 l04 60 4 21 5 208 1 n w w04 834 230 70 5 507 52 5 71 3 9 n w w0 5 63 7 93 70 7 91 1 742 42 4 9 n n wo 7 23 94 9 20 9 41 9 972 l5 6 8 平均o 5 93 5 4 07 8 1 0 0 2 7 5 91 0 01 0 0 4 、水位、风暴潮、海冰 该区的增减水现象存在明显的季节性变化，一年四季均有增减水发生。就多 年情况而言，增减水的出现次数、极值的大小及出现的时间均有差异，与每年大 风天气过程的出现次数和强弱有关。而实际水位的变化主要是潮汐和增减水共同 作用的结果。尤其在异常高、低水位的形成中增减水起了决定性作用。历史上在 黄河三角洲沿岸发生过多次风暴潮，近5 0 年来，现代河口三角洲沿岸出现3 次， 分别发生在1 9 6 4 、1 9 6 9 和1 9 8 0 年，造成了巨大危害。该区域潮问带宽广，底平 坡小，水深较浅在冬季受气象条件和大陆的影响极为明显，因而每年的冬季皆有 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 不同程度的结冰现象。般在1 2 月到第二年2 、3 月份出现结冰现象，冰期为6 0 l o o 天左右。 另外，黄河三角洲毗邻海域水文要素，受海区地理纬度、海岸形状、海底地 形、气象、气候及径流等影响很大，它们综合作用的结果，塑造了该海区不同时 期的海洋水文要素结构状况。黄河三角洲附近海域，温盐变化具有季节性、经流 性和年变幅大3 个基本特征“。尤其在夏季，温盐密垂向分层现象明显，强大的 跃层犹如坚实的“底”面，黄河径流淡水很难向下混合，于是延水平方向扩散到 大底范围。 2 3 泥沙运动特征及冲淤格局 2 3 1 泥沙扩散及悬沙分布特征 黄河入海泥沙的扩散方式以及悬沙分布都与黄河来水来沙情况及河口附近的 海洋动力条件息息相关，因而都表现出一定的时空规律性。 洪季，黄河径流对泥沙进行了初步沉积分异后挟沙入海，在口门外受到海水 顶托，流速的减弱使得粗颗粒的泥沙首先在此区域落淤，形成拦门沙或水下河口 沙嘴。冲出口门的泥沙遇到与径流方向垂直的往复流的阻挡，较粗的部分泥沙在 往复流作用f 沿岸以推移质的形式输运；而被往复流挟带的细颗粒泥沙被带到河 口侧湾，在两侧环流的作用下形成南、北两块烂泥区。其余的粒径很细的泥沙继 续悬浮，在余流的作用下向外海输运。由此，行水河口段是悬沙浓度最高的区域， 且高浓等值线明显向外凸出。泥沙沿岸输运，形成了沿岸高浓度区，且由口门向 南北两个方向递减。与水动力条件相对应，高浓悬沙分布范围有限，而相对浓度 较低的悬沙则向外延伸很远。 枯水期黄河入海水沙骤减，河流作用减弱，海洋动力相对加强。河口口门外 已沉积下来的泥沙进一步受到分选，表层泥沙粗化：细粒泥沙则在波、流作用下 被侵蚀而再悬浮，并离岸运移或继续向河口南北两侧扩散：较粗的泥沙( 粉砂、 砂) 则在波浪、沿岸流的作用下沿岸向两侧输送漂移，极少量离岸运动。此时， 河口区的悬沙浓度极值较洪季大减，但由于垂向和水平梯度也减小，高浓悬沙扩 散范围反而更广了。 黄河三角洲泥沙冲淤的时空变化规律与数值模拟 在黄河三角洲北部岸段，因黄河改道，该海域黄河入海泥沙来源基本断绝， 由于海洋动力的侵蚀作用，