三角洲廢棄河道演化過程及受控機(jī)制
——以黃河刁口廢棄河道為例

吳曉，范勇勇，王厚杰，畢乃雙，徐叢亮，張勇，劉京鵬，盧泰安

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室， 青島 266100

2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，自然資源部第二海洋研究所， 杭州 310012

3.黃河河口海岸科學(xué)研究所， 東營 257000

4.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所， 青島 266071

河流是自然界最廣泛、最活躍的地形塑造因子之一，在河道演變過程中，整條河道或某一河道喪失了作為地表水通行路徑的功能時，逐漸轉(zhuǎn)為廢棄[1]。作為曲流河沉積體系的重要組成端元之一，廢棄河道是河流在流域內(nèi)遷徙演化的地貌證據(jù)，其與主河道一起構(gòu)成了河流沉積體系的沉積骨架[2]。廢棄河道沉積序列是古地理環(huán)境記錄的良好載體，可以用來反演古河流流量波動與動力變化[3]、古洪水強(qiáng)度與頻率[4]以及氣候變化和人類活動影響下的河流體系變遷[5]。同時，作為油氣藏和地下水的良好儲層[6]，廢棄河道演化過程及其受控機(jī)制的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，也具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。

黃河以其“多淤善徙”著稱世界，在世界大河中特色顯著，為研究廢棄河道演化提供了理想靶區(qū)。自1855年在銅瓦廂（河南蘭陽）決口奪大清河入渤海以來，大量泥沙堆積在陸上三角洲地區(qū)，抬高河床，河道泄洪排沙能力降低，自然堤壩和人工堤壩無法制約河流蔓延，尾閭河道變遷頻繁。據(jù)史料記載和調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計，1855年以來黃河決口改道50余次，其中較大規(guī)模改道10次[7]，每條流路的行水時間平均只有十余年。最近一次的大規(guī)模尾閭河道變遷發(fā)生在1976年，刁口流路廢棄，河水東流經(jīng)清水溝流路入海。改道事件切斷了刁口流路河流水沙的直接供給，波浪和潮汐作用成為該區(qū)地貌演化的主要動力機(jī)制[8]。刁口三角洲葉瓣由原來的快速向海淤進(jìn)轉(zhuǎn)為向岸侵蝕，水下三角洲遭受強(qiáng)烈沖刷[9]。前人雖然對刁口流路廢棄后陸上三角洲和水下三角洲沖淤演化開展了大量工作，但缺乏對刁口流路廢棄河道演化過程及其受控機(jī)制的研究。本文以改道年代確定、自然保存完好的刁口流路廢棄河道作為研究對象，圍繞廢棄河道演化過程和控制機(jī)制開展研究，對于深入理解平原三角洲“改道型”廢棄河道的演化和機(jī)制、豐富廢棄河道發(fā)育演化的沉積學(xué)理論具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1964年1 月，在羅家屋子（漁洼東北）人工破堤分流，黃河經(jīng)刁口流路注入渤海灣。改道后黃河漫流向北，形成寬淺的游蕩型河道和兩條不穩(wěn)定的分流，至1967年支汊歸并，形成單一穩(wěn)定的河道，向海突出。1976年黃河在西河口（漁洼東北）人工截流，經(jīng)清水溝流路入海（圖1）。從1964年1月黃河改道北上，到1976年5月廢棄，刁口流路共行水12年5個月，平均每年入海泥沙11億t，其中超過71億t泥沙在河口處快速堆積，塑造了刁口三角洲葉瓣[10]。由于水沙供應(yīng)斷絕，廢棄后刁口三角洲葉瓣及其水下岸坡在海洋動力的作用下發(fā)生快速調(diào)整[9]。

圖1 研究區(qū)域位置圖白色實線（L7——L11）為河道測量斷面，黑色虛線為水下三角洲測深斷面，黑色實線為等深線。Fig.1 Map of study area with survey sections The white lines indicate the cross-sections of the Diaokou river channel, and the black dash lines indicate bathymetric sections.The black lines indicate the water depth.

研究區(qū)位于渤海灣南岸，氣候條件主要受東亞季風(fēng)的影響，具有典型的季節(jié)性特征：夏季盛行東南風(fēng)，冬季多為西北風(fēng)。研究區(qū)的波浪主要為風(fēng)浪，在季風(fēng)的影響下，季節(jié)變化顯著：夏半年以東向、東南向浪為主，波高較小；冬半年以北向浪為主，其中東北向浪頻率最高，波高顯著高于夏半年[11]。刁口河口為弱潮河口，潮汐由河口東側(cè)無潮點(diǎn)的全日潮向不規(guī)則半日潮過渡，潮汐振幅由無潮點(diǎn)向兩側(cè)逐漸增大。研究區(qū)余流以風(fēng)生流為主，夏半年東南風(fēng)驅(qū)動表層余流向北流動，冬半年西北風(fēng)驅(qū)動表層余流向南流動，底層余流為補(bǔ)償流[12]。

2 資料與方法

本文選取1976——2016年每五年合計9景陸地衛(wèi)星 Multi-Spectral Scanner（MSS） 影 像 和 Thematic Mapper（TM）影像（http://glovis.usgs.gov/）（表1），用以分析探討1976年黃河末次尾閭改道以來岸線及刁口流路河道長度變化特征。利用Landsat影像提取的岸線誤差僅為一個象元左右[13]，岸線提取方法采用的是Alesheikh等2007年[14]提出的基于直方圖閾值和波段比的海岸線提取方法，將遙感影像的不同波段經(jīng)過直方圖閾值化和波段比處理后，將分別取得的二元圖像疊附后獲得的海陸界線能夠較為準(zhǔn)確地反映海岸線特征。

表1 使用衛(wèi)星影像的時序特征Table 1 Information of satellite images

此外，本文系統(tǒng)收集了黃河河口海岸科學(xué)研究所1976年和2016年刁口流路的河道地形測量數(shù)據(jù)（圖1），河道斷面長度為 10.5～11.8 km，測點(diǎn)間距為1～100 m，高程測量精度為厘米級，兩次地形測量數(shù)據(jù)均已按照1985國家高程基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換作為對比研究。本文同時收集了1976年和2016年刁口流路水下三角洲的測深資料，用以探討刁口流路廢棄后水下三角洲沖淤格局轉(zhuǎn)換及其對河道充填的影響。測深斷面從近岸延伸至20 m等深線位置，基本覆蓋整個刁口流路水下三角洲區(qū)域（圖1），所有水深數(shù)據(jù)均進(jìn)行了聲速校正和潮汐改正，并以黃海平均海平面為基準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢棄河口岸線及廢棄河道長度變化

1976年黃河人工改道清水溝流路，切斷了刁口流路黃河入海水沙的直接供給，在海洋動力作用下，刁口三角洲葉瓣結(jié)束了向海快速淤進(jìn)的時期，開始進(jìn)入全面蝕退階段。1976——2016年刁口河口附近岸線變化如圖2所示，改道初期，1976年至1986年間，海岸線大范圍向岸蝕退，蝕退幅度較大，刁口三角洲葉瓣陸地面積蝕退速率達(dá)到25.5 km2/a[15]；同時，該階段河道由廢棄前快速向海延伸轉(zhuǎn)為快速萎縮，1976——1981年、1981——1986年刁口廢棄河道向岸蝕退速率分別高達(dá)764.6 m/a和 402.0 m/a（圖2）；此后，刁口流路岸線和廢棄河道向陸蝕退規(guī)模和速率開始減緩，1986——1991年、1991——1996年刁口廢棄河道向岸蝕退速率由前一階段的402.0 m/a降至 188.8～209.8 m/a；1996——2006 年岸線蝕退幅度繼續(xù)降低，廢棄河道向岸蝕退速率降至63.0～71.2 m/a；近十年來（2006——2016 年），刁口河口附近岸線有進(jìn)有退，但是總體上仍表現(xiàn)為緩慢蝕退的特征，廢棄河道向岸蝕退速率進(jìn)一步降低，僅為13.7～17.7 m/a。

3.2 廢棄河口水下三角洲沖淤變化

刁口流路廢棄后，河流水沙供應(yīng)中斷，海洋動力引起了水下三角洲的大規(guī)模重塑。刁口河口水下三角洲由上一階段的強(qiáng)烈淤積中心[9]轉(zhuǎn)為沖刷區(qū)（圖3）。廢棄40年后，刁口流路水下三角洲刷深強(qiáng)烈，沖刷中心基本與行河時期的水下淤積中心相對應(yīng)，最大侵蝕區(qū)域發(fā)生在原刁口河口外，侵蝕厚度達(dá)到15 m以上，沖刷速率高達(dá)0.4 m/a。隨著水下三角洲不斷重塑，刁口流路外海水下岸坡形態(tài)也發(fā)生顯著調(diào)整（圖4）。刁口流路廢棄前，三角洲前緣和前三角洲之間的地貌界線清晰，水下岸坡坡度在水深 8 m（CS3 斷面）和水深 12 m（CS5 和 CS7 斷面）處存在明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上，岸坡坡度較大，約為1.6‰～3.1‰，向海坡度明顯減緩至0.4‰左右。廢棄后，水下岸坡經(jīng)海洋動力的改造作用，水下地貌特征發(fā)生顯著變化，三角洲前緣不斷刷深，部分區(qū)域刷深幅度高達(dá)8 m左右；深水區(qū)域沖刷幅度不大，由于近岸沖刷的泥沙向深水區(qū)運(yùn)移[11]，在部分位置甚至出現(xiàn)少量淤積，但總體上仍表現(xiàn)為緩慢沖刷的特征，沖刷深度不足1 m。經(jīng)過海洋動力40年的重塑，三角洲前緣和前三角洲之間的坡度轉(zhuǎn)折已幾乎不見，水下岸坡整體變化平緩，坡度降為0.6‰左右。

圖2 1976——2016年刁口葉瓣岸線變化圖（a）及刁口河口向岸蝕退速率（b）Fig.2 （a） Shorelines extracted from the remote sensing images in different years（1976, 1986, 1996, 2006 and 2016）; （b） erosion rates of abandoned Diaokou river mouth.

3.3 刁口廢棄河道沖淤演化

與刁口三角洲葉瓣整體轉(zhuǎn)為蝕退不同，雖然1976年刁口流路廢棄后切斷了黃河水沙的直接供給，但刁口廢棄河道的沉積過程并未完全中斷。1976年與2016年河道測量斷面 L7、L10、L11（圖5）的對比顯示，過去的40年刁口廢棄河道仍在不斷接受沉積。L7斷面河流主槽平均高程由1976年的0.5 m左右抬升至2.5 m左右，淤積面積約為172 m2。L10斷面主槽最低高程由1976年的接近0 m 抬升至 2016 年的 0.7 m，主槽平均高程由 0.3 m抬升至 1.3 m，斷面淤積面積約為 245 m2。L11 斷面主槽最低高程由1976年的接近1.6 m抬升至2016 年的 1.9 m，斷面總淤積面積約為 314 m2。結(jié)合斷面間距，1976年至2016年刁口流路廢棄以來，僅 L7——L11 斷面淤積 2.9×106m3的泥沙，且由岸向海淤積面積逐漸增加，按刁口流路泥沙平均干容重1360 kg/m3計算[10]，刁口河道廢棄 40 年來，L7——L11河道斷面11.9 km長的廢棄河段淤積泥沙390×104t，平均每年淤積泥沙量 10×104t左右。刁口流路廢棄河道總長度約為57.1 km，若以L7——L11斷面淤積速率作為廢棄河道平均充填速率進(jìn)行換算，廢棄河道每年接受泥沙量約為46.8×104t。需要指出，由于廢棄河道充填量由海向陸逐漸降低，在現(xiàn)有斷面數(shù)量下該估算值可能相比實際淤積量較高，需要更多的斷面或鉆孔資料進(jìn)一步厘定。近年來流域內(nèi)人類活動和氣候變化影響下黃河入海泥沙量急劇降低，2017年全年黃河入海泥沙僅為770×104t，僅刁口流路一條廢棄河道充填量約為黃河入海沙量的0.6%，考慮到現(xiàn)代黃河三角洲廢棄河道眾多，廢棄河道充填在黃河入海沉積物“源-匯”過程中扮演的角色應(yīng)當(dāng)引起進(jìn)一步的重視。

圖3 1976——2016 年刁口水下三角洲沖淤變化Fig.3 Spatial variation of accumulation-erosion pattern of the Diaokou subaqueous delta from 1976 to 2016

3.4 海洋動力及其對廢棄河道演化的控制作用

刁口流路廢棄后失去了黃河泥沙的直接補(bǔ)給，汛期大量黃河入海泥沙出清8汊后主要以羽狀流的形式擴(kuò)散，由于黃河口切變峰的阻隔以及河口垂向環(huán)流的捕獲作用，入海泥沙在現(xiàn)行河口口門附近快速沉降[16]，難以運(yùn)移至刁口流路外海。海洋動力成為該區(qū)地貌演化的主控因素。

波浪在淺水區(qū)域的作用及其導(dǎo)致的底剪切力是廢棄刁口葉瓣岸線演化和水下岸坡再造的主要驅(qū)動力[11]。波浪的擾動、破碎和發(fā)生頻率是影響波浪掀沙的主要因素，通常來說，波高越大、破碎深度越深、破碎頻率越高的地方，波浪掀沙的范圍和幅度越顯著[17]。同時，岸線走向與波向之間的相對關(guān)系也顯著影響著波浪的掀沙過程。刁口廢棄河口外波浪以風(fēng)浪為主，夏半年主要受東南風(fēng)控制，常浪向為NE和SE向，頻率分別為16.6%和15.6%，波高相對較小；冬半年主要受西北風(fēng)控制，常浪向為NE向和NW向，出現(xiàn)頻率分別為33.1%和13.0%，浪高較高[11]。刁口三角洲葉瓣海岸線總體呈現(xiàn)EW走向，118.5°E 以東呈WNW-ESE 走向，118.5°E以西呈WSW-ENE走向，其岸線走向均面對常浪和強(qiáng)浪向，從而加大了海岸受波浪侵蝕的頻率和強(qiáng)度[17]。因此，刁口流路廢棄后，岸線向岸蝕退明顯，廢棄河道長度不斷縮短（圖2）。此外，NE向強(qiáng)浪向淺水區(qū)域傳輸過程中發(fā)生破碎，大部分能量耗散在淺水區(qū)域。前人的研究表明，刁口廢棄河口外0～2 m水深地帶為波浪的高頻破碎帶，破碎頻率高達(dá)87.2%；2～6.5 m 為低頻破碎帶，破碎頻率 12.3%；6.6 m 以深區(qū)域，破碎頻率降至0.5%以下[17]。波致底剪切力由深水區(qū)域的0.03 N/m2急劇增加至三角洲前緣處的0.25 N/m2，在淺水區(qū)域形成高剪切應(yīng)力區(qū)[11]。同時，河口區(qū)域人類工程活動的修建，也進(jìn)一步改變了廢棄河口區(qū)域的動力環(huán)境。比如，1995年在刁口流路廢棄河口為采油活動修建的公路路堤，導(dǎo)致廢棄河口水動力條件發(fā)生變化，加劇了該區(qū)的岸灘侵蝕[18]。強(qiáng)烈的波浪掀沙過程不斷刷深和重塑水下三角洲岸坡，導(dǎo)致原來較陡的三角洲前緣逐漸趨于平緩（圖4）。

圖4 1976——2016 年刁口水下三角洲 CS3、CS5 和 CS7 斷面深度變化斷面位置見圖1。Fig.4 Bathymetric changes of subaqueous slope from 1976 to 2016 at three cross-shore transects along the Diaokou delta lobe （a） CS3, （b） CS5 and （c） CS7.See Fig.1 for locations of cross-shore transects.

刁口河口外海為往復(fù)性半日潮流，潮周期內(nèi)漲落潮流速與歷時很不對稱，漲潮流流速為55～70 cm/s，落潮流流速50～70 cm/s，漲落潮歷時相差20分鐘左右[17]。刁口河口口門向北，流路廢棄后，漲潮過程中失去了徑流的頂托作用，潮流攜帶懸浮泥沙更容易回溯河道，上涌過程中由于底摩擦，流速降低，挾沙能力下降，懸浮泥沙逐漸落淤[18]。波浪掀沙造成刁口三角洲的顯著蝕退為刁口流路廢棄河道充填提供了重要的泥沙來源，漲落潮流速、歷時和懸沙濃度的不對稱性成為懸浮泥沙向岸輸運(yùn)并充填廢棄河道的關(guān)鍵動力機(jī)制。因此，盡管1976年黃河改道清水溝流路后，切斷了刁口流路黃河泥沙的直接供給，但廢棄河道的沉積過程并未完全停止，仍以0.8～2.0 cm/a的平均沉積速率繼續(xù)接受沉積。對清水溝流路1996年的研究顯示，相比行水階段，河道廢棄后充填泥沙粒徑相對更細(xì)，有機(jī)碳含量更高，且海洋植物貢獻(xiàn)增加明顯[19-20]。

圖5 1976——2016 年刁口廢棄河道 L7（a）、L10（b）和 L11（c）斷面高程變化斷面位置見圖1。Fig.5 Elevation changes of abandoned Diaokou River channel from 1976 to 2016 at three cross-sections: （a） L7, （b） L10 and （c） L11 See Fig.1 for locations of cross-sections.

4 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)收集的多年Landsat衛(wèi)星遙感影像、黃河水下三角洲測深斷面和刁口流路河道測量斷面，研究了黃河刁口流路1976年廢棄以來河道演化過程，探討了刁口廢棄河道演化的受控機(jī)制。結(jié)果表明，刁口流路廢棄后，黃河入海水沙的直接供應(yīng)被切斷，在海洋動力的作用下，刁口流路岸線不斷向岸蝕退，廢棄河道長度逐漸萎縮，到2016年廢棄河口向岸蝕退8.7 km，隨時間推進(jìn)蝕退速率逐漸減緩，由 1976——1981年的 764.6 m/a降低至2011——2016年的13.7 m/a。但改道后廢棄河道的沉積過程并未完全中斷，1976年和2016年的河道測量斷面對比顯示L7——L11斷面河流主槽平均高程抬升0.3～2.0 m，斷面淤積面積 245～314 m2。刁口流路廢棄 40 年來，僅 L7——L11 河段淤積泥沙 390×104t，平均每年淤積泥沙量10×104t左右。海洋動力是控制刁口流路廢棄河道演化的關(guān)鍵因素，波浪掀沙造成底床泥沙的再懸浮為刁口流路廢棄河道充填提供了物源，潮流攜帶懸浮泥沙回溯廢棄河道，為其提供了泥沙供給，廢棄河道逐漸被充填。考慮到黃河改道頻繁，現(xiàn)代黃河三角洲存在眾多廢棄河道，廢棄河道在河流入海沉積物“源-匯”過程及收支估算中所扮演的角色不可忽視，需要進(jìn)一步的研究和估算。