（环境工程专业论文）黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟.pdf

a b s t r a c t b yu s i n g t h ef r a c t a l g e o m e t r ym e t h o da n dn u m e r i c a lm o d e l i n g ，t h e m o d a l i t i e so fu n d e r w a t e r t o p o g r a p h y a n dt h es e d i m e n t t r a n s p o r t a n d d e p o s i t i o n o ft h ey e l l o wr i v e rd e l t aa r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e c a l c u l a t i o n a lm e t h o do ff r a c t a ld i m e n s i o ni sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ef r a c t a l d i m e n s i o no ft h eu n d e r w a t e rt o p o g r a p h ya c c o r d i n gt ot h er e a li n v e s t i g a t e d d a t aa n df r o mt h r e e p o i n t s o fv i e w ：t i m e ，s p a c ea n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nf l o w s a n dc o n d i t i o na n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o n t h e f r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dt h e s p a t i o t e m p o r a l l a wo f g r o w t ha n de v o l v e m e n to f t h ey e l l o wr i v e rd e l t ai sd i s c u s s e d t h e n ，o i lt h e b a s i so ft h ea b o v es t u d i e s ，2 - dm o d e l so fs e d i m e n t t r a n s p o r tb yt i d a lc u r r e n t ， s e a - b e d t r a n s m o g r i f i c a t i o na n d s e a - - b e d c o u p l i n gw i t h s e d i m e n ta n dt i d a l c u r r e n ta r ef o u n d e da n da p p l i e di nt h ew h o l es e aa r e ao ft h ey e l l o wr i v e r d e l t a t h el a wo fe r o s i o na n d d e p o s i t i o n o fs e d i m e n ti ss i m u l a t e di n l a r g e s c a l ea n d i nl o n g f u n ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e d a tf i r s t ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o nr e f l e c t st h e c o m p l e x i t yo ft o p o g r a p h y w e l l ，w h o s ea m o u n ta n d s p a t i o t e m p o r a lv a r i a t i o ni n d i c a t et h el a wo f e r o s i o n a n d d e p o s i t i o n t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e2 。dm o d e l sa r e n tf o rt h ey e l l o wr i v e rd e l t a a n dt h e r ea r es o m ec r e d i b l ec o n c l u s i o n sg a i n e d i nl o n g f u nm o d e l i n g ，t h ev a r i a b l eo fw a t e r d e p t hc a r l tb eo v e r l o o k e d ；i nt h e y e l l o wr i v e rd e l t a ，t h et i d a lc u r r e n ta n df l o wa r et h e p r i m a r yd y n a m i c f a c t o r s ；a n dt h ee r o s i o na n dd e p o s i t i o na r ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yt h eg r a d eo f s e d i m e n t ，s a n dc o n t e n ta n dd i r e c t i o no f e s t u a r y k e y w o r d s ：t h ey e l l o wr i v e rd e l t a s e d i m e n t t r a n s p o r ta n d s e a b e de r o s i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 倾1 - 论文：黄河二角洲的泥沙冲淤删律咛数值模拟 第一章引言 黄河以其水少沙多、尾闽善徙著称于世。巨量的泥沙入海为黄河三 角洲的形成和发育提供了丰富的物质基础。自1 8 5 5 年黄河改由渤海入 海以来，尾阊河道频繁摆动，由各个时期的三角洲沉积相互叠置形成现 代黄河三角洲体系。该三角洲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。近年来，由于人类活动的影响，入海水沙量 巨量减少，并导致黄河三角洲的全面蚀退，这己严重影响和制约着黄河 三角洲的油气开发与生态环境的可持续发展【引、m 2 、1 2 0 1 1 4 1o 所以更加深入 地认识和把握黄河三角洲的泥沙冲淤规律及其稳定性就显得尤为迫切 和必要。 一、现代黄河三角洲的研究现状 黄河三角洲动力因素复杂，风、波浪、潮汐、海流、径流等因素， 直接或间接地作用于悬沙、底床泥沙，不断地改造岸线和水下地形，从 而影响着三角洲的发育和演变。国内外诸多学者曾对黄河三角洲做了大 量的实际调查与理论研究。 八十年代前后，在现代黄河三角洲的地貌卧4 2 1 形态结构【4 0 、4 ”、发育 模式o 9 、1 9 。、水文动力特征2 5 “8 1 、泥沙输运沉积特征1 0 、1 6 2 4 “5 4 7 1 和冲淤 扩散规律及机制【4 9 1 等方面做了大量的调查和研究工作。进入九十年代， 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，各种非线性方法m 1 33 1 ，数值模拟方法广泛的应用于三角洲地貌 发育以及泥沙冲淤的研究。孙文心等【他6 、1 3 3 、1 2 7 1 建立了渤海海域以及黄河 三角洲海域内悬浮颗粒或悬沙在潮流等水动力作用下的二维、三维输送 模型；杨作升【加3 、1 1 7 1 、l d w r i g h t 他0 1 等对泥沙异重流5 l i8 1 、黄河口海 底不稳定性m9 9 1 2 5 l 引】、工程性质【8 2 5 引、黄河三角洲的环境演变特点f 1 0 2 1 及其水动力机制f 6 1 、沉积物分布【3 0 j 规律等都做过较为深入的研究。孙效 功利用现行黄河口海域多年的水深资料，分析了黄河三角洲多年的冲淤 变化规律6 5 6 6 7 0 1 和潮沟潮滩地貌体系的分维特征【1 3 引，探讨了水下滑坡 体系1 以及滑坡沉积动力过程在黄河三角洲发育演化中的作用。张世奇 等i e 。、8 9 1 研究了黄河口及三角洲的冲淤【5 4 1 演变规律，以及各种海洋动力在 黄河三角洲形成中的作用8 7 】。蔡明理、王颖1 2 9 1 系统地研究和探讨了黄 河三角洲的发育演变规律及对渤、黄海的影响。 上述定量研究或模式研究多是选取黄河三角洲体系中的一小部分 作为研究区域，以此引申讨论整个三角洲的冲淤演变情况。涉及整个区 域的研究较少，而且一般是地质地貌方面的定性描述。实际上，现代黄 河三角洲是一个由不同时期的亚三角洲相互叠置而成的庞大体系，其发 育演变是一个长期的动力沉积过程。为了从宏观上了解和掌握黄河三角 洲发育演变情况，在对其地形形态变化定量研究的基础上，又从动力学 的角度，利用泥沙数值模拟深入探讨其发育演变规律和动力机制。在现 有研究中，关于整个三角洲海域的定量研究以及数值模拟较少，所以有 必要对此进行进一步的研究。 二、分维分形几何学和数值模拟方法的研究现状 1 分形分维学的应用 分形分维学这朵数学奇葩为自然形态的定量描述提供了一种极其 简洁的方法【7 7 】。分维学所应用角度的不同，所采用的维的定义也不同， 如，h a u s d o r f f 维、自相似维、k o l m o g r o v 容量维、信息维、关联维、l y a p u n o v 维数等。在化学、生物学、材料科学、地质学、天气以及人文现象、经 济学等方面都有应用。在地质地貌问题中，分维分形几何学在诸如悬浮 微粒0 1 、断层泥【8 3 】、断层构造与岩体结构面【8 2 1 、三维地质模型的纹 理【8 5j 、水系河道【8 6 1 等形态特征的描述方面得到了很好的应用。特别地， b e n t l a n d 认为，应用分数维对纹理图象进行分割也有很好的效果。而利 用分形分维方法来研究地形形态的变化则至今未见有公开报道。 2 数值模拟方法的研究现状 2 1 海洋动力模型的发展现状 河口海岸地区动力条件极为复杂，包括风、波浪、潮汐、海流、余 硕j j 论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 流、径流等因素。自七十年代以来，就建立有关于这些动力因素的数学 模型2 、”。进入八十年代后，关于波浪旧2 8 3 6 5 9 1 、潮汐潮流6 3 4 5 0 1 、 余流等动力因素的数值模型研究以及它们之间相互作用机制的研究p 。 3 2 , 3 5 书1 迅速发展【1 24 1 ，并为海洋动力和沉积动力的进一步发展奠定了基 础。进入九十年代，在单一动力因素模型的基础上，建立了各种二维p h 1 0 7 、1 2 8 、准三维1 9 29 5 、啪j 、三维模型队、1 0 6 、1 0 9 1 ，以及多动力因素的耦 合模型5 2 9 7 、9 8 1 1 1 3 1 ，且非线性模型【5 l6 0 + 9 6 l 也有所发展。为解决近岸泥 沙等物质输运问题奠定了基础。 2 2 泥沙输运模型的发展 最初的对悬沙输运的研究是依据“波浪掀沙，流输沙1 6 4 j ，的观点， 以泥沙运动力学为基础，研究与讨论泥沙纵向、横向输运问题，并在工 程实践中建立各种经验半经验公式l 、5 7 5 、2 2 】；从海岸动力地貌的角度 对泥沙动态4 、8 2 训、输运机制以及与水动力的关系t l l _ 1 4 3 “9 6 2 7 6 j 等问题 进行了探讨，还建立了各种统计模型研究泥沙宏观或微观的输运沉降规 律f 2 0 1 2 7 1 。八十年代中后期开始，数学模型逐步应用于泥沙研究，悬浮物 输运模型与底床冲淤模型迅速发展起来1 3 2 6 、5 7 “0 1 。二维潮流输沙模型 应用广泛”“4 “3 。2 2 、他6 1 。对于水动力条件或泥沙浓度垂向差异大的地区， 也有三维或准三维模型应用他3 1 34 1 ，而且在动力因素复杂时，应用多动 力因素联合作用下的输沙模型是必要的0 78 、9 3 1 2 7 、”引，不过各类模型中， 基本上都把水深作为一常量对待，对于一般的物质输运模型这是可以 的，但是对于黄河口这样的强淤积的地区，就有必要引入水深变量。 2 3 初边值问题以及模型求解方法 在河口海岸研究领域，初始条件与边界条件对模型求解是很重要 的。其中初始条件的给出比较简单。边界条件则根据具体问题确定。一 般地有动力学边界条件与运动学边界条件之分。对于研究区域，又可按 位置分为开边界、闭边界、自由表面以及底边界。在数值求解中，对闭 边界的处理有动、定之分。对于岸滩平缓，潮差较大，漫滩显著的地区 就必须采用动边界m 、7 引，以便更好地模拟整个漫滩过程。目前解决动边 界问题的方法很多，常见的有干湿网格法、水位判别法、按权判别法、 窄缝法1 1 8 1 0 5 、5 】等。 在模型求解中，由于获得解析解比较困难，一般都采用数值解法。 常见的是有限差分方法【58 、9 1 1 以及有限元法8 8 】。差分格式也多种多样，例 如显式、隐式、半隐半显( a d l 法【46 。、m a d i 法、u a d i 法、a d e 法等) 、 破裂算子法等。并有各种不同的网格式样【】，如矩形网格、多边形网格、 自适应网格【9 0 1 2 1 1 等。各种方法中，a d i 差分方法比较常见。本文就是 采用窄缝法与移步a d i 法求解。 本文将利用分形分维几何学和二维数值模型，从黄河三角洲的地形 形态与动力两个角度出发，对现代黄河三角洲的冲淤演变进行大范围长 周期的研究，宏观地把握黄河三角洲的发育和演变规律。 硕， 。论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 第二章研究区域概况 广义的黄河三角洲以郑州为顶点，北至海河，南抵淮河，包括渤、 黄海沿岸分布的众多冲积扇和大大小小的三角洲，总面积约 2 5 1 0 4 k m 2 f 7 9 1 ，是一个庞大的三角洲体系。本文的研究区域为以宁海为 顶点的现代黄河三角洲及其临近海域，它西起套尔河，东至1 1 9 。4 87 ， 北起3 8 。3 07 ，南至支脉沟( 见图1 ) 。 图l 研究区域图 该区域是1 8 5 5 年8 月黄河自河南铜瓦厢决口夺大清河入渤海以来 所形成的现代黄河三角洲体系。百余年来，尾闾河道历经1 0 次大规模 的改道，其扇形摆动先以宁海为顶点，1 9 3 4 年后下移至渔洼。黄河三角 洲的总体冲淤特点是行水河道口门外淤积，而废弃河道口门外冲刷。 第二章研究区域概况 1 9 7 6 年5 月黄河改道清水沟入海，由于巨量入海泥沙在口门外淤积，至 今清水沟流路已形成了一凸向东南的鸟嘴状黄河亚三角洲。1 9 7 6 年以 来，黄河口门外年均淤积厚度达1 m 以上【6 6 ，而在洪季其1 5 1 门外淤积厚 度可高达数米，相应的岸线可向海推进数公里。例如，1 9 7 6 年黄河取道 清水沟至1 9 8 0 年汛期后，泥沙填满了改道前水深1 0 m 的海域，至1 9 8 4 年河口沙嘴前伸2 8 k m 7 9 1 ，建造了以清水沟为中轴的新亚三角洲。造陆 率约为3 3 5 0 k m 2 a f 79 1 。而原钓口河流路所形成的亚三角洲则由于黄河 来沙的终止而不断遭受海洋动力的侵蚀，其岸线大幅度蚀退。1 9 9 6 年由 于油田建设的需要，黄河人工改走清水沟北汊入海。 第一节研究区域的地质地貌特征 一、地质地貌概况 黄河三角洲在地质构造上处于郯城庐江大断裂的西侧，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1 7 9 j 。 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 以河道为轴，河口沉积呈扇形向海伸展，发育了宽广的岸滩，坡度在 1 x 1 0 e 4 1 5 x 1 0 e 4 之间，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。例如，在黄河三角洲西北部和南部地区，由于三角洲废弃时间较 长，其湖滩发育充分，潮沟发育广泛。其平坦的潮滩与大小不等的潮沟 相间，共同构成了黄河近代三角洲地貌体系1 3 。、4 ”。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) 1 4 0 。 此外，黄河三角洲的主要地貌类型还有故河道高地、河间洼地、泛 滥平原、决口扇等等。其中，故河道高地是河床堆积河道游荡所形成的 地貌单元，均呈由三角洲顶部向下游放射形；河间洼地分布在故道高地 之间，比周围地面低0 5 1 0 m ，由漫流或静水沉积而成；泛滥平原在黄 硕f 。论文：黄洲三角洲的泥沙冲淤j = 9 j 律。j 数值模拟 河三角洲上广泛分布，总面积可占黄河三角洲的5 0 【7 9 1 ，沉积物是黄河 洪水漫流淤积而成，地势极为平缓；另外，洪水进入三角洲地区，高含 沙量水流流动不畅，河水破堤而出，在决口处形成了决口扇忡。 二、沉积物类型及其分布 沉积物是构成三角洲体系的物质基础。黄河三角洲物源单一，基本 上都是来源于黄河输送的细粒泥沙。底质沉积物类型随沉积环境、动力 条件不同而有所区别，但总体上其沉积物以细颗粒粉砂粘土为主( 如图 2 ) 。 图2 沉积物类型分布图 1 ) 粉砂质砂和砂质粉砂( t s & s t ) 研究区域内最粗的沉积类型是粉砂质砂和砂质粉砂，两者“共生”， 主要分布在0 m 等深线附近以及清水沟河口大嘴处；另外在五号桩附近 也有零星分布。这类砂在动水中极为活跃，而在静水中又很坚实，形成 第一章 l | _ 究区域概况 了所谓的“铁板砂”。 2 ) 粉砂( t ) 粉砂是黄河三角洲潮间浅滩最主要的沉积类型，在0 m 等深线附近 广泛分布，其问有零星的粉砂质砂和砂质粉砂分布区。此外，在莱州湾 中部也有大片的粉砂分布区。粉砂的粒度组成以粗粉砂占绝对优势，粗 粉砂占全部粉砂的9 6 以上。粗粉砂的颗粒大小与砂质粉砂相近，所以 它们的物理性质也十分相似。粗粉砂也属于“铁板砂”，脱水后比较坚 硬，动水中启动悬浮，沉降又快，相当活跃。 3 ) 粘土质粉砂( y t ) 粘土质粉砂是黄河三角洲近岸海域分布最广的一种沉积类型。粉砂 区向海一侧的广大水域多为粘土质粉砂，一般处在1 0 m 等深线附近，在 清水沟两侧以及套尔河口附近，粘土质粉砂区向岸逼近到5 m 等深线附 近。粘土质粉砂以粉砂粒组为主，同时含有一定量的粘土成分，具有一 图3 沉积物中值粒径分布图7 9 硕士论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 定的粘性。 4 ) 粉砂质粘土( t y ) 粉砂质粘土是黄河三角洲近岸海域最细的- - j f o e 沉积物。粘土含量 高，滑腻而粘，含水量高，等于或接近“浮泥”。分布在清水沟入海口 门两侧的烂泥区以及三角洲以北1 5 m 等深线以外的海域。河口附近的粉 砂质粘土中含有微量砂，外海的则没有。 黄河三角洲海域的沉积物中值粒径分布图( 图3 ) 也清楚地反映了 沉积物的这一分布状况。从沉积物的类型分布与中值粒径分布图上可以 看出，在径流、潮流以及波浪等因素的作用下，黄河三角洲泥沙分选良 好，沉积物的分布能比较好地反映水动力的作用情况。 第二节气象与水文 一、气象概况1 7 “珂1 现行黄河三角洲邻近半封闭的渤海海域，属于大陆性气候。年均气 温1 1 5 1 2 4 。c 。累年各月平均气温：7 月最高，为2 6 6 。c ；1 月最低， 为4 1 。c 。历年的年最高气温均在3 6 2 0 c 以上，历年的年最低气温均在 一】0 3 。c 以下。 黄河三角洲处于半干旱地带，累年年平均降水量5 9 0 9 m m 。累年各 月平均降水量以7 月份最大，为2 2 7 m m ；1 月份最小，为1 7 m m 。雨季 一般在6 月底至7 月开始，结束期在9 月上旬，雨季的持续时间为6 5 天，大都集中在7 8 月份。年蒸发量在1 5 0 0 m m 以上，大于降水量， 故天气干旱。 黄河三角洲季风盛行，三角洲北部埕岛海域，年平均以南风为主， 其次是东北偏东向风，最少的风向是正北风【7 。从全区来看，冬半年盛 行偏北风，夏半年盛行偏南风。据累年各月各向平均风速的统计结果表 明，春季为季风交替的季节，风向紊乱，但风速最大，夏季风速最小， 全年平均风速以n e 、e n e 向最大，大于6 6 r n s 挖9 7 9 1 。秋季风向从夏季 的偏南风逐渐转为偏西风，进而转为冬季风，年内风向呈顺时针旋转。 第二章研究区域概况 本区平均每年受台风影响一次，台风影响的时间较集中，发生在7 8 月份。 二、水文概况 l 、海浪 黄河三角洲盛行季风，在季风控制下，波向变化基本上与风向一致。 春季季风交替，浪向比较紊乱，东北和东南向浪交替出现，使本区盛行 偏东浪。夏季东南风盛行，相应的东南东向浪占优势，频率为1 3 1 ； 其次是东南向浪，频率为1 0 6 。秋季偏北风逐渐增多，所以本区以偏 北向浪为主。在该季偏北诸向总频率为5 1 9 ，其中东北东向频率最高， 1 0 1 ；东北向次之，频率为7 8 【7 9 】。冬季偏北向浪占优势【1 2 9 1 。 全年本区以东北向浪出现频率最高，为1 0 3 ，常浪向为东北向， 强浪向也是东北向。波高小于0 3 m 的浪为常见浪，出现频率5 0 1 ；波 高大于等于0 5 m 、小于1 5 m 的出现频率为3 6 3 ；波高大于等于1 5 m 、 小于3 0 m 的出现频率为l1 8 ；波高界于3 o 5 0 m 之间的出现频率为 0 5 。以十分之一波高( h l ，l o ) 大于等于1 5 m 的浪为本区大浪的话，实 测资料表明，该区大浪来自北至东北东方向，其中，东北方向出现的频 率最高，为3 6 f 7 9 1 。 2 、径流 黄河是世界上含沙量最高的一条河流。有资料表明，黄河经利津站 输入渤海的泥沙占汇入渤海的入海泥沙总量的9 0 以上【_ 7 9 】，对渤海海岸 的塑造起到重要的作用m 9 1 。黄河径流量输沙量受到多种因素的影响，年 际变化大，如：降雨强度、径流组成、洪水过程以及人类活动等因素。 近年来受人类活动的影响，黄河水沙特征大大改变，断流天数明显多于 往年。图4 表明( 实线为趋势线) ，1 9 5 0 年至今输沙量大量减少。五、 六十年代，入海泥沙量年平均约1 2 亿吨，1 9 6 8 年1 0 月刘家峡水库建成 后，黄河经利津站入海泥沙量减少一半之多，平均约8 亿吨；1 9 8 5 年 1 0 月龙羊峡水库的建成，使输沙量再度减少，大约4 亿吨，下跌至五、 六十年代的3 2 左右。黄河来水来沙量的减少，甚至经常性断流对尾闾 段河床的淤积，生态环境等将产生不利的影响。 颂l 论文：黄河三角洲的泥沙冲淤枷律与数值模拟 2 5 ，、2 0 辽1 5 一 型1 0 簿5 0 一 八爪 、，弋、j f _ y 矿y k l a 一久 。jjv 1 9 4 51 9 5 31 9 6 11 9 6 91 9 7 71 9 8 5 1 9 9 32 0 0 1 年份 图41 9 5 0 年至1 9 9 9 年黄河经利津站入海泥沙量 黄河尾闾流路频繁变迁是黄河的另一大特点。这是在一定水沙条件 下，河1 5 1 淤积延伸演变的必然结果。自1 8 5 5 年以来，黄河改道汇入渤 海，尾闾决口改道5 0 多次，其中较大的改道1 0 次【1 2 9 1 。 3 、潮汐、潮流和潮余流 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。 在神仙沟口外，全日分潮( k 1 、0 1 ) 和主要的太阴半日潮( m 2 ) 的 调和常数的比值： 。( + w o , ) 、，。 一v ， 基本为全日潮；而在黄河三角洲北部和东部附近大部分海区的a 值界于 o 5 2 0 ，基本上是不规则半日潮。特别的是，诸多科学工作人员在对这 一海区进行研究中，发现在三角洲近岸海区存在m 2 “无潮点”。关于无 潮点的位置国内外学者都有过计算，位置基本处于3 8 。1 0 7 n 、11 9 。1 0 7 e 附近。后来青岛海洋大学侍茂崇等在1 9 8 3 年秋和1 9 8 4 年1 0 月进行 的潮流及潮位观测( 1 9 8 4 年1 0 月多船同步观测) 中，对此进行了进一 步调查，结果表明：东北沿岸滨外有一无潮“带”1 2 5 】；另据国家海洋局 的调查研究，m 2 分潮无潮点的位置是3 8 。0 9 7 n 、1 1 9 。0 4 e 1 7 9 1 。在 这一无潮点的控制下，黄河口为弱潮型河口。 第二章研究区域概况 黄河三角洲近岸海区的潮流性质，均属于正规半日潮流。m ：分潮的 椭圆长轴方向基本上与岸线平行，为典型的往复流。在无潮区l o m - 1 5 m 等深线之问的海区，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 。【7 l7 9 1 ，流速可达9 0 1 2 0 m s ；一般地， 涨潮历时多小于落潮历时【7 ，但由于地形等因素的影响，涨落潮历时变 化比较复杂。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，该海区北部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、偏东向为主，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。 4 、风暴潮 历史上在黄河三角洲沿岸发生过多次风暴潮灾。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。1 9 8 6 年 1 2 月1 9 8 7 年9 月黄河海港的水位统计资料表明，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问均有差异，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。当大的增减水叠加到当地天文高潮或者低潮上时，将容易形成异常 水位，产生灾害。 5 、海冰 黄河以及三角洲近岸海域受到季节气温的影响经常在1 2 月至2 月 间出现冰冻。冰期一般在6 0 天左右【 1 。 坝j j 论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 第三节悬沙输运及三角洲冲淤特征 自1 9 5 3 年黄河改道神仙沟入海以来，又相继改走钓口河、清水沟 及清水沟北汊入海。在新河口区黄河入海泥沙大量淤积，而在废弃老河 口区则由于黄河来沙的终止而遭受侵蚀。在浪、潮流和径流的作用下， 黄河入海泥沙顺流输运、沉积、再悬浮、再沉积。 一、悬沙输运及分布 1 、泥沙运移基本格局 洪水期黄河挟带大量泥沙入海，在径流作用下泥沙初步沉积分异， 粗粒( = 0 0 6 3 m m ) 泥沙绝大部分堆积在口门附近。1 9 7 6 1 9 9 6 年，黄 河由老清水沟流路入海，除了沉积在河口的泥沙以外，少部分向南扩散 堆积；更少的部分向北淤进，仅达北大堤端外。细粒泥沙在往复流的作 用下向南北两侧扩散，向南4 0 k m 达小清河口附近，向北仅2 0 k m 左右， 约达3 8 。n 附近；然后沉积形成典型的河口侧湾沉积南北“烂泥湾”。 1 9 9 6 年河口迁徙，改走清水沟北汊，入海泥沙的扩散范围略有北移，但 变化不大。 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。 在黄河三角洲北部岸段，因黄河改道河口他徙，该海域黄河入海泥 沙来源基本断绝，其悬浮泥沙主要是海岸侵蚀造成的再悬浮泥沙。由于 海洋动力的侵蚀作用，岸线后退，岸坡变缓，岸边表层沉积物被筛选粗 化，沉积类型趋近于带状，平行岸线分布。蚀余物质的细粒部分以悬移 质的形式，少量被推向高潮线附近，多数被扩散到外海；粗粒部分在波 浪作用下呈现底移形式沿岸运移。沿岸漂沙主要向西运动。 2 、悬沙分布 黄河三角洲泥沙以细粒为主，以悬移质为主要输送形式。 黄河口遥感图象及实测资料表明黄河近岸海域水中悬沙浓度较高， 高浓度区呈带状集中分布在水深1 0 m 以浅水域，等值线与岸线基本平行 7 9 1 ，与水深有良好的一致性，距河口及海岸越远浓度越低。从1 9 9 6 年 以前的研究【1 2 9 】以及1 9 9 6 年以来的遥感图片看来，近岸大致可以分为个 以下这三个高浓度区段，例如图5 ： 图5l a n d s a t 卫星遥感图 该图是利用1 9 9 8 年1 2 月1 5 日l a n d s a t 卫星遥感资料合成4 、3 、 2 三个通道，再经过拉伸处理后得到的。高亮度区为高浓度的悬浮体。 由此可辨认，现行清水沟流路附近( i ) 为本区悬沙浓度最高水域，1 9 9 6 年改道北汉入海，受新河口泥沙入海的影响高浓度带较以前向北扩大， 高浓度中心向北迁移；神仙沟附近浓度中等，仅在岸边出现较高浓度的 浑水( i i ) ；黄河故道钓口流路附近海域悬沙仅次于黄河口段( i i i ) 。 由于黄河输沙量与季节有关，所以口门段( i ) 的浑水浓度季节性差 异大，洪季与枯季河口段泥沙浓度相差几乎一个数量级【7 9 1 。而三角洲北 硕上论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 部( 1 l i ) 及神仙沟附近( f f ) ，悬沙来源主要是再悬浮泥沙，所以即使在 冬、春季节，该段的泥沙浓度仍然很高，甚至可以超过河口段。此外其 它地区，如挑河口至套尔河口段，悬沙浓度有所降低。 由此看来，悬沙水平分布与当地动力因素有密切关系。入海泥沙中 有相当一部分在潮流作用下向南北两侧扩散，使高浓度区以河口为中心 环行带状展布，但径流影响下的高浓度带分布范围并不广，水深1 5 m 以 深，浓度很快降低。悬沙浓度较低的区域分布范围较广，逐渐与外海融 和。黄河海港附近海域的南北两侧分别受到河口区潮流和无潮区往复流 的控制，两侧的悬沙沿岸运移至此后，便不再继续沿岸运动，而是转向 东离岸运移。黄河海港附近海域低浓度带成为南北两个浓度高值区的分 界。 悬沙浓度的垂向分布，随其所处海域部位的不同而有所差异。此外 不同季节黄河口口段悬沙浓度分布趋势基本不变，只是浓度值有所差 别，而其它海域由于受河流影响弱，季节性变化不明显。 二、泥沙冲淤以及新三角洲的发育 据研究，黄河通过利津站的泥沙有2 1 6 淤积在陆地河道，4 4 1 淤积在滨海区，3 4 3 扩散到外海【7 9 】。而且淤积在滨海区的泥沙有一半 以上淤积在河口附近。现分以下几个不同时段来分析一下黄河三角洲海 域的总体冲淤特征。 1 、1 9 7 6 1 9 8 5 年( 图6 ) 黄河取道清水沟以来，河口附近的粗粒 级泥沙的沉积范围较小，其外围逐渐变为粘土质粉砂，河口两侧形成了 河口侧湾沉积，以粉砂质粘土为主，南部海域封闭，大部分细粒泥沙淤 积下来形成较大的烂泥湾，而北部海域开阔，泥沙淤积少，所以北烂泥 湾较小。部分泥沙向北偏东扩散到外海。以五号桩( 3 8 。n ) 附近为界， 向北西到挑河、湾湾沟一带，1 0 m 以浅，海洋动力较强，冲蚀作用占主 导地位，岸线蚀退，海底刷深，沉积物粗化，较粗的泥沙搬运距离短， 基本上还留在原地，较细的泥沙被再悬浮，扩散，运移n # i - 海。这个过 程逐渐使得泥沙分布趋于平行于岸线。图6 为该时段的冲淤分布图。由 该图可见，强冲蚀区主要发生在近岸6 0 多公里长、1 0 多公里宽的范围 第二章 研究区域概况 1 1 8 5 01 1 8 7 5”9 0 0”9 2 5 图61 9 7 6 1 9 8 5 时段泥沙冲淤厚度图 内，呈与海岸平行的弧形展布，这一海域正是1 9 7 6 年以前钓口流路的 河口淤积地带。这一带有明显的三个冲蚀中心，分别为黄河钓口流路不 同时期形成的三个河嘴，即1 9 7 4 1 9 7 6 年河嘴( 钓西大嘴) ，1 9 6 7 1 9 7 2 年河嘴( 钓口大嘴) ，1 9 7 2 1 9 7 4 年河嘴( 钓东大嘴) 。冲蚀中心不是落 于河嘴之上，而是落于河嘴外侧。无论从时间和冲淤厚度对比看，还是 从位置上看，钓口大嘴都应该是冲刷最强的地带。五号桩以南，至永丰 河沿岸是清水沟流路入海口外黄河泥沙主要淤积场所。其形态呈南大北 硕士论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 小的腰子形，而淤积面积仅有2 7 4 k m 2 ，这说明黄河入海泥沙的主要淤积 范围十分有限。1 9 8 5 年与1 9 7 6 年相比，河嘴向s e 延伸1 5 k i n 。五号桩 以北为弱淤积区，主要是黄河港区海底侵蚀出来的泥沙向东再搬运、沉 积的结果。 2 、1 9 8 5 1 9 8 8 年( 图7 ) 全区以五号桩为界北蚀、南淤的特点基 本保持不变。五号桩以北冲刷区范围较前拓宽，主要分布在孤东油田到 湾湾沟一带近岸海域。刷深值大部分介于0 1 m 之间，五号桩附近还包 容了一些淤积小区块，近岸就出现了一小块轻微淤积区。最大的冲刷区 1 1 85 01 1 8 7 51 1 9 0 01 1 9 2 5 图71 9 8 5 1 9 8 8 时段泥沙冲淤厚度图 第二章研究区域概况 分布在钓口大嘴和钓西大嘴两处，但在1 9 8 5 年以后冲蚀中心南移。黄 河港区海域刷深值虽然在0 1 m 之间，但刷深范围较前有所扩展。零米 等淤线向东扩展越过了无潮点，向南则移至孤东油田东北角岸边。现河 口的沙嘴更加偏向南，南烂泥湾也进一步增大。这说明，入海泥沙在河 口波流动力作用下，向南扩散，充填湾顶然后进一步偏向北、东扩散到 外海。 3 、1 9 8 8 1 9 9 2 年( 图8 ) 包括钓西及钓口大嘴在内，出现了轻微 的淤积， 1 1 85 01 1 87 51 1 9 0 01 1 92 5 图81 9 8 8 1 9 9 2 时段泥沙冲淤厚度图 e 以 烦，i 论文：黄河二，0 洲的泥沙冲淤j ；! i ! 律1 j 数值模拟 东) ，包括黄河海港与孤东油田至河口北侧一带，冲淤相间，有舌状伸 向近岸的弱淤积区。现黄河口外的淤积区范围较小，淤积中心位于清水 沟口的南侧。淤积等厚线呈南疏北密，说明黄河泥沙在南侧淤积，向北 落淤的泥沙容易被携走。全区冲淤围绕新老黄河入海口进行，沿岸冲淤 变化明显分区，远近岸的冲淤变化存在一定的差异，冲蚀范围有所扩大， 随着岸线被蚀退的平滑，冲蚀作用也变得相对均匀。与前期相比，可以 看出，在时间上，黄河三角洲水下岸坡的冲淤是交错进行的。 4 、1 9 9 61 9 9 8 年( 图9 ) 自1 9 9 6 年黄河取道清水沟北汉入海以 来，黄河三角洲的冲淤也发生变化。黄河大量泥沙仍主要淤积在口门外。 1 9 9 6 年洪季，北汉口门外最大淤积厚度达9 6 m ；1 9 9 6 年1 0 月至1 9 9 7 年，口门外淤积区减小，最大淤积厚度仅为2 5 m ，这与当年黄河断流时 间太长有关。黄河复流后的1 9 9 8 年以来，北汉口门外产生大量淤积， 图91 9 9 6 1 9 9 8 时段泥沙冲淤厚度图 第二章研究区域概况 但由于黄河来沙量的减少，在河口口门淤积区以外，出现了较强的冲刷 区，刷深0 5 m 以上。1 9 9 6 6 1 9 9 8 年，北汊新河口口门外形成了一个 椭圆型的强烈淤积区，累计淤积厚度达1 1 6 m ( 见图9 ) 。 黄河三角洲泥沙的冲淤和三角洲的发育主要与黄河入海口门的位 置、黄河的来水来沙量、水深地形、波流作用等因素有关。总体上看， 黄河三角洲的冲淤主要围绕着新老河口进行。在清水沟现行流路河口区 泥沙大量淤积，该处成为整个黄河三角洲地区的淤积中心；而原钓口流 路口门外则遭受强烈侵蚀，成为该海域的冲刷改造中心。 硕士论文：黄河三角洲的泥沙冲淤圭兕律与数值罐型 第三章黄河三角洲水下地形的分维特征与冲淤规律性研究 对于黄河三角洲海域的冲淤特征，前面已有了总体的认识。这一章 将进一步利用多期水深数据，采用新兴非线性数学方法分形分维几 何学，通过计算不同年份水下地形的分维值对黄河三角洲水下地形的形 态进行定量分析和研究，以便进一步探讨黄河三角洲冲淤演变的规律及 其与黄河来水来沙量的关系。 第一节研究区域和方法 一、研究区域 研究区域为西起湾湾沟、南至淄脉沟的现代黄河三角洲水下区域， 具体如图1 0 所示。研究所依据的资料为1 9 7 6 1 9 9 3 年的实测水深数据 和黄河利津站的年来水来沙量资料。其中，缺少1 9 8 4 年的水深数据。 图l o 研究区域图 第三章黄河三角洲水下地形的分维特征与冲淤规堡壁堕窒 二、研究方法 1 、盒子维的定义及其计算方法 迄今各个科学领域中应用最为广泛的一种分数维是盒子维，它是从 容量的角度出发而定义的。下面就对盒子维的定义及其计算方法予以介 绍。 设在n 维实数空间中有一个不规则图形所构成的集合a ，即a c r n ， 在欧氏距离下，用边长为r 的小盒子紧邻地去包含a ，设n ( r ) 表示包 含a 所需要的最少盒子数，则有7 7 1 ： ( r ) ，。= c ( 1 ) 其中c 为常数，d 就是集合a 的盒子维。当度量的尺度r 减小时， 集合的不规则性就迅速地表现出来。不同的r 值对应不同的n ( r ) ，对式 子( 1 ) 两边取对数后，用最小二乘法即可求出l o g ( n ( r ) ) 相对于l o g ( r ) l 拘斜 率，该斜率即为集合a 的盒子维的值。其中： ( ，) ：e ( n ( r ) ) x a ，xr ( 2 ) n ( r ) 是包含该单位面积( r x r ) 上的灰度所要的边长为r 的立方体个 数，即： n ：i n t l 竺坠型l + 1( 3 ) l r j i ，( i = l ，2 ，3 ，4 ) 表示相应的灰值大小，i n t 表示取整。联合( 1 ) 、 ( 2 ) 、( 3 ) 式便可求出研究区域的分维值。 2 、黄河三角洲水下地形分维值的计算 研究区域的水深数据是无序的，要想从由水深反映的起伏面中提取 能真实体现黄河三角洲水下地形分形特征的分数维，首先对原始数据进 行网格化及标准化处理，获得可以包含该信息的灰度面以及各网格节点 上的灰度值( i ；) 。经过调试，选取0 2 k m 大小的网格，分别对1 9 7 6 1 9 8 3 年、1 9 8 5 1 9 9 3 年共1 7 年的水深数据进行了处理。其中，1 9 7 9 年 的测深点资料相对稀疏，所以其分维值可靠性较低，分析中仅供参考。 另外，对于1 9 8 l 1 9 8 3 、1 9 8 6 、1 9 8 7 、1 9 9 l 、1 9 9 3 年也仅有现行清水 沟流路河口区( 如图1 0 中的i 、i i 区) 的水深数据。 硕士论文：黄河三角洲的泥沙冲淤规律与数值模拟 在以上网格化水深数据资料的基础上，分别选取边长为0 2 、0 4 、 0 6 、0 8 、1 0 和1 2 k m 的六个小盒子，将其边长无量纲化后用于度量水 下地形的灰度曲面，进而提取不同年份所对应的水下地形的分数维。由 于各年份的实测区域不一致，为充分利用现有的水深资料，分两步进行 计算与讨论。首先对如图1 0 所示的整个研究海域( 简称全区) 、五号桩 以南淤积区( 简称南区) 和五号桩以北冲刷改造区( 简称北区) 以及以 上三个区域内0 - 1 6 0 m 水深的岸坡区分别进行分维值的计算。然后，根 据现有水深资料所覆盖区域的大小，在全区内划出两个小一些的区域： i 、i i ，并计算其水下地形的分维值。i 区( 如图1 0 ) 面积最小，所有年 份水深资料的实测范围均能覆盖该区，其分维值的时间变化能反应口门 附近狭小区域的分维特征；i i 区是在i 区的基础上，向西、南方向各自 扩大2 0 k m 和2 8 k m ，北边界临近神仙沟，基本上是淤积为主的区域，所 用资料是1 9 7 6 1 9 8 0 年、1 9 8 5 、1 9 8 6 年、1 9 8 8 1 9 9 2 年的实测水深。 第二节结果分析与讨论 按照上述算法，对各年份的黄河三角洲海域水下地形分维值分别进 行了计算，其计算结果分别列于表1 和表2 。表1 是以整个研究区域为 本的分维值结果，仅有1 0 个年份的计算值；表2 是i 、i i 两个小区域的 表1 整个研究区域分维值计算结果 年份全区北区南区岸坡区北区岸坡 南区岸坡 1 9 7 62 0 5 42 0