黄河三角洲造陆过程中的陆域水沙临界条件研究.pdf

文章编号 100020585 2002 0220163208 收稿日期 2001208208 修订日期 2002201212 基金项目 中国科学院知识创新工程重要方向项目 KZCX2220705 国家重点基础研究规划项目 G199942604 作者简介 许炯心 19482 男 四川绵阳人 研究员 博士生导师 从事河流地貌研究工作 共发表论文120 余篇 出版专著4部 含合著 E2mail xujx igsnrr1ac1cn 黄河三角洲造陆过程中的陆域水沙 临界条件研究 许炯心 中国科学院地理科学与资源研究所 北京100101 摘要 黄河三角洲发育是河口区河流动力及陆域物质通量与海洋动力及海域物质通量相互作 用的产物 三角洲造陆速率取决于上述两方面的对比关系 当上述两方面处于平衡时 三角 洲造陆处于临界状态 即净造陆速率为零 与之相联系的入海泥沙量和径流量可视为黄河三 角洲造陆过程的临界水沙条件 运用经验统计方法估算出 当入海年沙量Qs为2178亿t a 入海年水量Qw为7617亿m3时 或者当关系式311934Qs 010856Qw 17194得到满足时 黄 河三角洲造陆过程处于临界平衡状态 在黄河流域的环境管理中 应将上述两项临界值作为 约束条件 黄河流域生态用水量的内涵应予以扩展 维持三角洲造陆平衡所必须的入海径流 量 应作为黄河流域的生态用水量 关 键 词 三角洲 造陆过程 临界条件 黄河 中图分类号 P93111 文献标识码 A 1 问题的提出 黄河是世界上最著名的多泥沙河流 在大规模的水土保持工作开展以前 按1950 1960年平均 每年进入下游河道的泥沙量为17195亿t 其中有13122亿t输送入海 1 巨量的入海泥沙用于三角洲造陆 加之现代黄河河口属于弱潮径流型河口 口外海滨水深 较浅 故三角洲造陆速率之大 居世界之首 黄河三角洲的造陆过程对于影响因子的响应 十分灵敏 为我们研究在河流动力和海洋动力相互作用之下的三角洲发育演变过程 提供 了十分理想的场所 黄河三角洲的研究历来受到人们的重视 2 4 进入河口地区的径流与泥沙通量 既取决于黄河流域的自然地理条件 又与人类活动 密切相关 由于黄河流域的主体位于半干旱向半湿润气候的过渡带 故降水量的年际变率 较大 表现为不同重现期的丰水 中水和枯水的交替 同时 黄河流域又是世界上受人类 活动的影响最为剧烈的大河流域之一 入海径流 泥沙通量及其过程在人类活动影响下已 发生了重大的变化 由于流域中大规模水土保持工作的开展和气候的变化 自20世纪70 年代以来黄河的入海水沙通量呈明显的减少趋势 3 20世纪80年代以来 人类用水量激 第21卷 第2期 2002年3月 地 理 研 究 GEOGRAPHICAL RESEARCH Vol 21 No 2 Mar 2002 增 全流域的引水量已达到径流量的50 60 3 导致黄河下游频繁的断流 使下游河 道进入了以低流量运行并伴随季节性断流的新阶段 6 7 在这种新的水沙条件下 黄河三 角洲的造陆过程将发生什么样的变化 成为各方关注的重大问题 黄河三角洲是我国惟一的每年产生大面积后备土地资源的地区 黄河三角洲又是我国 第二大油田胜利油田的所在地 三角洲造陆使胜利油田的海上采油变为陆上采油 可以生 产巨大的经济效益 因此 三角洲造陆过程动态变化 在这一地区的生产建设中有十分重 要的意义 黄河三角洲的造陆过程 取决于河口与口外海滨泥沙的堆积过程与海洋动力如潮流和 波浪作用下泥沙的侵蚀过程之间的对比关系 前者可称为建设性作用 后者则为破坏性作 用 显然 在某一时段中 当前者超过后者 则造陆面积将有净增长 当后者超过前者 造陆面积将发生净减少 如果前述堆积作用和侵蚀作用处于平衡 则可视为三角洲造陆过 程中的一种临界状态 与这种临界状态相联系的径流 泥沙条件 即决定三角洲造陆过程 的水沙临界条件 由于观测条件的限制 要定量表达海洋动力的破坏作用尚有一定的困 难 故我们用某一时段中三角洲造陆面积的净增长为零来表达临界状态 与之相联系的陆 域来沙 来水条件 便可视为三角洲造陆的临界水沙条件 这就是本研究的基本思路 2 资料与方法 211 资料 本研究中所依据的三角洲造陆面积 是以年为单位来统计的 从黄河口及其邻近海域 的海图上查取大沽基准面零m等深线 此即为三角洲的外边界 从图上量算相邻两期海 图上零m等深线之间的面积 可以求出淤进面积与蚀退面积 其代数和即为相应时期中 的三角洲净造陆面积 如果两期海图之间的时间间隔并不是恰好1年 则按1年中各月入 海泥沙量的比例对造陆面积进行分配 使得每一时段正好为1年 王恺忱曾对以上述方法 对1955 1980年间黄河三角洲造陆面积进行过量计 得到历年的净造陆面积数据 本 文中利用了这一数据 1981 1989年三角洲造陆面积的资料则是从卫星影像图上估算出 来的 相邻两期黄河三角洲地区卫星影像图经纠正以后互相叠置 即可根据三角洲滨线位 置量算出相应时段中所增加的面积 同样地 当相邻两期影像的时间间隔长于1年时 则 按各月入海泥沙量的比例对造陆面积进行分配 使每一时段的间隔恰好为1年 所依据的 卫星影像取自参考文献 8 很显然 按上述方法得到的三角洲造陆面积为净造陆面积 即沉积面积与侵蚀面积之差值 此值为负时 表示净侵蚀 应该指出 受测图时间的影响 处于不同潮位时淹没的面积不同 和测量精度的影响 以及海图与卫星影像的比例尺不 同 上述资料的精度是有限的 本文所用的泥沙与径流资料来自利津水文站 该站为黄河流域的入海控制站 我们以 该站观测到的悬移质泥沙量和径流量来代表参与三角洲造陆过程的陆域来沙量和来水量 212 方法 目前国内外对河口地貌过程的研究已取得了大量成果 9 11 在研究方法上形成了两 个方向 即有物理基础的数学模型方法和基于野外观测资料的经验统计方法 前一种方法 王恺忱 黄河河口发展趋势及影响预估计算方法 黄河水利科学研究所研究报告 科技字8529号 1985年 164 地 理 研 究21卷 是从分析基本物理过程入手 建立表达各个物理过程的偏微分方程组 然后确定定解条 件 并用一定的差分方法进行离散化处理 最后进行数值计算 经验统计方法则是以实测 资料为基础 通过回归分析 建立形态变量与各项影响因子之间的定量关系 前一种方法 物理概念明确 有助于阐明过程的内在机理 但由于河口造陆过程十分复杂 在具体处理 时不得不对实际过程进行大量的简化 模型中涉及的大量参数 因缺乏实测数据 取值时 往往有较大的主观任意性 因而大多数有物理基础的模型尚未达到实用化的程度 后一种 方法虽然只是一种将输出变量与输入变量联系起来的黑箱方法 不能阐明过程的物理机 制 但由于是以实测资料为基础的 故在资料涉及的范围内 常常能给出更为可靠的结 果 因此 本文采用经验统计方法来表达水沙条件与黄河三角洲造陆速率的关系 统计模型建立在年系列资料的基础上 因变量为三角洲的造陆速率Rd 以km2 a为 单位 自变量为年来沙量和年来水量 单位分别为亿t a和亿m3 a 数据来源前文中已述 及 3 三角洲造陆速率与陆域来沙量 来水量的关系及临界条件 311三角洲造陆速率与陆域来沙量的关系及临界条件 图1中点绘了1955 1989年间历年黄河三角洲的造陆速率Rd与入海沙量Qs的关系 二者之间呈显著的正相关 相关系数为r 01784 数据组数为n 34 运用回归分析的方 法可得到如下方程 Rd 431839 421384lnQs 1 前已指出 当三角洲造陆处于临界平衡状态即沉积作用与侵蚀作用相平衡时 净造陆面积 为零 令Rd 0 得 431839 421384ln Qs 0 解之可得Qs 2178 此即为黄河三角洲造陆为零时的临界来沙条件 图1 1955 1989年间历年黄河三角洲的造陆速率Rd与来沙量Qs的关系 Fig11 Relationship between the annual land accretion rate of the Yellow River Delta and the sediment into the sea based on the data in the period of 1955 1989 2期许炯心 黄河三角洲造陆过程中的陆域水沙临界条件研究165 312 三角洲造陆速率与陆域来水量的关系及其临界条件 图2中点绘了1955 1989年间历年黄河三角洲的造陆速率Rd与入海径流量Qw之间 的关系 尽管点子有一定程度的离散 但正相关关系是清楚的 运用回归分析的方法可以 得到如下方程 Rd 11155 011505Qw 2 相关系数r 017848 数据组数n 34 令Rd 0 则有 11158 01151Qw 0 解之得Qw 7617 此即为黄河三角洲造陆速率为零时的临界来水条件 图21955 1989年间黄河三角洲的造陆速率Rd与入海径流量Qw之间的关系 Fig12Relationship between the annual land accretion rate of the Yellow River Delta and the runoff into the sea based on the data in the period of 1955 1989 应该指出 三角洲的造陆速率与陆域来水条件的关系 并不是简单的线性关系 而是 一种非线性的复杂关系 这种关系不仅取决于来水量 而且取决于来水的过程及来水量与 来沙量的搭配关系 当来水较少时 径流挟带到河口的泥沙也少 故造陆速率较小 当年 来水量和洪水流量都很大时 径流动力超过海洋动力 可以将大量泥沙输往外海 沉积在 三角洲区域的泥沙可能会减少 故造陆速率也不会很大 这表明 可能存在着处于上述情 形之间的某种临界流量 使得三角洲造陆速率为最大 然而 由于陆域来水量与陆域来沙 量之间有很强的正相关 故在大流量发生时 其挟带入海的泥沙量也急剧增多 即使输往 外海泥沙的比例增大 沉积在河口三角洲区域的泥沙的绝对量也可能增大 使三角洲的造 陆速率仍有可能增大 为了验证上述推理 我们在图3中点绘了黄河三角洲历年的造陆速 率与利津站历年最大洪水流量的关系 可以看到 在年最大洪水流量小于5300m3 s的范 围内 的确存在着一个三角洲造陆速率的峰值 与之相应的流量为4300m3 s 然而 当 流量超过5300m3 s后 随着流量的增大 三角洲造陆速率又呈增大趋势 说明在这样的 条件下 虽然输往外海泥沙的比例增大 但沉积在河口三角洲区域泥沙的绝对量也增大 故三角洲造陆速率增大 值得注意的是 与总体上三角洲造陆速率随洪水流量增大的趋势 相比 出现于流量为4300m3 s时的峰值只是次一级的 这意味着 大洪水使泥沙在河口 三角洲淤积增多的效应超过了三角洲造陆速率随流量变化的临界效应 从这一点上来说 166 地 理 研 究21卷 图3 1961 1989年间黄河三角洲历年的造陆速率与利津站年洪水流量的关系 Fig13 Relationship between the annual land accretion rate of the Yellow River Delta and the yearly maximum daily discharge at Lijin station based on the data in the period of 1961 1989 图2中的关系仍然是有意义的 313 形成机理 式 1 和 2 表明 造陆速率与入海泥沙量和径流量之间都存在着较强的正相关 黄河是陆相弱潮河口 用于建造三角洲的泥沙绝大部分都来自陆域 故陆域来沙越多 则 三角洲建造速率越快 一方面 河口泥沙在河口区的堆积使三角洲面积扩大 另一方面 海浪和潮流的作用又使三角洲受到侵蚀 使其面积缩小 显然 存在着一个最小的三角洲 造陆速率 它适足以抵销海洋动力对三角洲海岸的侵蚀速率 与之相对应的入海泥沙量 即为临界来沙量 入海径流量是河流动力作用的体现 它一方面输沙入海 另一方面则可 在动力上抵销海洋动力的影响 钱宁等曾提出以径流量与潮流量之比来表征河流动力与海 洋动力的对比关系 发现这一指标与河口平面外形之间有明显的关系 当径流潮流比小于 一定数值时 径流作用不足以输沙入海形成拦门沙 10 在黄河这样的弱潮河口 潮流量 较小 径流量便成为决定河口地貌塑造及其动态变化的主要因素 径流挟带泥沙入海扩散 并发生沉积 可以抵消或部分抵消海浪 潮流的侵蚀作用 当径流量减小到某一临界值以 下时 则上述沉积难以抵消海洋动力的侵蚀 便会使三角洲造陆处于负平衡即净侵蚀状 态 上述临界值就是本文所得到的年径流临界条件 当然 考虑到上文中所讨论过的径流 与造陆速率之间的复杂关系 见图3 实际上的变化图形要复杂得多 但作为第一级近 似 由图2中得出的上述径流临界值对于环境管理而言还是有参考价值的 4 综合临界关系 为了表示陆域来水来沙条件与黄河三角洲造陆速率之间的综合关系 我们以1955 1989年间的年系列资料为基础 建立了黄河三角洲造陆速率与入海沙量与入海水量之间 的二元回归方程 2期许炯心 黄河三角洲造陆过程中的陆域水沙临界条件研究167 Rd 17194 311934Qs 010856Qw 3 上式的复相关系数为R 0184 F值为37145 在0101 的水平上是显著的 上式的相关 系数显著高于单一因素如沙量和水量与造陆速率之间的相关系数 令上式左端为零 可 得 311934Qs 010856Qw 17194 4 此式表达了陆域来水来沙条件与黄河三角洲造陆速率之间的综合临界关系 即当上式满足 时 黄河三角洲造陆处于临界平衡状态 以 4 式为基础 可以讨论水沙变化对黄河三角洲造陆速率的影响 令右端中Qw为 常数 即假设来水不变 将Rd对于Qs取偏导数可得 Rd Qs 3119 令右端中Qs为常数 即假设来沙不变 将Rd对于Qw取偏导数可得 Rd Qw 010856 上列二式的含义是 在多年平均的意义上 入海沙量每减少 或增加 1 亿t 则三 角洲造陆速率减少 或增加 3 114km2 a 入海水量每减少 或增加 100亿m3 则三角 洲造陆速率减少 或增加 8 156km2 a 这些数值可供有关部门进行黄河三角洲环境管理 时参考 5 应用意义 本文中所得到的黄河三角洲造陆过程中的临界来沙 来水条件 对于黄河流域和黄河 三角洲的环境管理有一定的应用意义 可以为流域泥沙与径流的管理提供依据 前已指 出 胜利油田在黄河三角洲的开发中有重要地位 本文的结果表明 当入海沙量小于每年 2178亿t 黄河三角洲将不再淤积扩大 海洋动力作用将超过河流动力作用 因而会发生 净侵蚀 使三角洲面积缩小 这样 将使油田某些地区由陆上采油变为海上采油 已有的 采油设施也会受到海洋侵蚀动力的威胁 因此 从三角洲造陆的意义上说 入海沙量不低 于每年3亿t 应作为实现黄河流域管理的一个约束条件 应该指出 以三角洲不受净侵 蚀为黄河三角洲环境管理的指标 只是一个最低的要求 是一个必须保证的下限值 如果 着眼于实现更高的环境质量 则对于这一指标尚需要进行调整 本文的研究还表明 当入海径流量小于每年7617亿m3时 三角洲将发生净侵蚀 这 也应成为黄河流域环境管理中应满足的一项约束条件 近年来 随着黄河水资源供需关系 的日益紧张和环境生态的日益恶化 生态用水量的研究成为一个新热点 目前人们比较重 视黄河上 中游恢复植被所需要的生态用水量和维持下游河道输沙能力的用水量 基于本 文的成果 我们认为 除此之外 还应加上维持三角洲造陆所需的入海水量以及维持下游 河道和河口正常的水生生态系统所需要的水量 一些学者对黄河下游必要的输沙水量进行过研究 他们的计算表明 用于黄河下游输 沙入海的水量不应少于每年200亿m3 这一数值大大高于本文中所得出的维持黄河三角 洲临界平衡的入海水量7617亿m3 换言之 只要黄河下游每年200亿m3的输沙水量能 够得到保证 维持三角洲造陆平衡的陆域径流条件也能够同时满足 168 地 理 研 究21卷 6 结论与讨论 1 黄河三角洲发育是河口区陆海相互作用即河流动力及陆域物质通量与海洋动力及 海域物质通量相互作用的产物 三角洲造陆速率取决于上述两方面的对比关系 当上述两 方面处于平衡时 三角洲造陆处于临界状态 即净造陆速率为零 与之相联系的入海泥沙 量和径流量可视为黄河三角洲造陆过程的临界水沙条件 运用经验统计方法 以1955 1989年间的实测资料为基础 分别建立了黄河三角洲造陆速率与入海悬移质泥沙量和径 流量的回归方程 进而估算出 当入海沙量为2178亿t a 入海水量为亿7617 m3时 黄 河三角洲造陆过程处于临界平衡状态 同时还建立了表达了陆域来水 来沙条件与黄河三 角洲造陆速率之间的综合临界关系 Rd 17194 311934Qs 010856Qw 当此式得到满 足时 黄河三角洲造陆处于临界平衡状态 2 在多年平均的意义上 入海沙量每减少1亿t a 则三角洲造陆速率减少 3114km2 a 入海水量每减少100亿m3 a 则三角洲造陆速率减少8156km2 a 这些数值 可供有关部门进行黄河三角洲环境管理时参考 3 在黄河流域的环境管理中 应将本文所得到的临界值作为最低限度的约束条件 当入海泥沙少于2178亿t a 入海水量少于7617亿m3 a时 黄河三角洲的环境安全将受 到影响 三角洲的净侵蚀将会危及油田的安全和三角洲的环境 4 黄河口延伸速率的观测资料精度有限 且三角洲造陆除受水沙条件影响之外 还 受海滨地形条件和其他条件的影响 这些条件并未包含在本文所建立的临界条件关系式 中 因此 本文成果具有研究方法上的意义 而具体的临界值只具有参考意义 参考文献 1 钱宁 王可钦 阎林德 府仁寿 黄河中游粗泥沙来源区对黄河下游泥沙冲淤的影响 第一次河流泥沙国际学术讨 论会论文集 北京 光华出版社 1980 53 62 2 李拴科 近代黄河三角洲的沉积特征 地理研究 1989 8 4 45 55 3 叶青超主编 黄河流域环境演变与水沙运行规律研究 济南 山东科技出版社 1994 108 115 4 尹国康 冲积扇 三角洲系统自组织行为与治理对策 地理研究 2000 19 1 45 52 5 王玲 林银平 王建中 姚建闯 黄河下游断流成因分析 人民黄河 1997 10 13 17 6 许炯心 人为季节性河流的初步研究 地理研究 2001 20 3 257 265 7 刘苏峡 张士锋 刘昌明 黄河流域水循环研究的进展和展望 地理研究 2000 19 3 234 242 8 范兆木 郭永盛主编 黄河三角洲沿岸遥感动态分析图集 北京 海洋出版社 1992 9 曾庆华 胡春宏 等 黄河口演变规律及整治 郑州 黄河水利出版社 1998 10 钱意颖 叶青超 周文浩 黄河干流水沙变化与河床演变 北京 中国建材工业出版社 1993 160 200 11 钱宁 李光炳 谢汉祥 周志德 钱塘江河口沙坎的近代过程 地理学报 1964 30 2 124 142 2期许炯心 黄河三角洲造陆过程中的陆域水沙临界条件研究169 A study of thresholds of runoff and sediment for the land accretion of the Yellow River Delta XU Jiong2xin Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research CAS Beijing 100101 China Abstract The Yellow River is the most famous heavily sediment2laden river of the world its land accretion process is sensitive to influencing factors such as the changing precipitation and human activities Thus the Yellow River Delta provides an ideal site to study the delta devel2 opment under the land2ocean interactions The development of Yellow River Delta can be regarded as the outcome of interactions be2 tween the river and marine dynamics and of interactions between the river2and tide2transported material fluxes The rate of land accretion is controlled by these interactions When the above two aspects are in equilibrium the land accretion process of delta may be thought under the critical conditions and the river2supplied water and sediment quantities may be considered as thresholds of runoff and sediment for land accretion By comparison between the sea charts and remotely sensed images made in different peri2 ods the annual area of land accretion has been obtained To identify the water and sediment thresholds for delta development two regression equations have been established between land accretion rate and water and