杜廷芹,黃海軍,別 君

(1.中國科學院 海洋研究所 海洋地質與環(huán)境重點實驗室,山東 青島 266071; 2.山東省環(huán)境保護科學研究設計院 重點實驗室,山東 濟南 250013; 3.中國海監(jiān)北海航空支隊,山東 青島 266033)

近、現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)是黃河自1855年北歸后,隨河口流路的不斷改道發(fā)育而成的以寧海為頂點,北起套爾河口,南至淄脈溝口,面積約 6 000 km2的扇形淤積區(qū)。該區(qū)在來自河流、海洋、陸地及人類多重耦合因素的共同作用下,以獨特的延伸速度和發(fā)育方式,形成多種海岸演變狀態(tài)類型,成為全世界海岸帶淤進蝕退最為活躍的地區(qū)之一[1-2]?，F(xiàn)代黃河三角洲地勢低平,高程資源極其有限,大部分地面高程都處于 6 m以下(圖 1),且平均坡降平緩,僅有萬分之一左右,易遭受海平面上升及風暴潮等災害的影響[3]。由于黃河三角洲特殊的發(fā)育背景(構造沉降、松散沉積物)和日益頻繁的人類經濟活動影響,三角洲絕大部分區(qū)域范圍內都發(fā)生了不同程度的地面沉降災害。地面沉降的發(fā)展演變過程基本上是不可逆的,一旦形成便很難恢復,不僅給沉降區(qū)帶來眾多直接性的危害,還會誘發(fā)一系列其他環(huán)境地質災害,包括風暴潮災、濕地淹沒、海岸侵蝕、海水入侵、洪澇與污染加劇等。黃河三角洲普遍發(fā)生的地面沉降災害,迫使地面標高損失,在全球海平面上升的基礎上,產生了相對上升分量,增加了該區(qū)的相對海平面上升速度,使多種海岸帶災害的破壞和影響加劇,不僅直接關系到油田、海堤和海港工程建設,危及濕地資源和生態(tài)環(huán)境,還會成為影響和制約三角洲發(fā)育演變的重要因素之一。

1 黃河三角洲地面沉降的現(xiàn)狀特點

1.1 地面沉降現(xiàn)狀

現(xiàn)有的地面沉降調查資料顯示,自20世紀 50年代以來,三角洲絕大部分地區(qū)已相繼發(fā)生了不同程度的地面沉降,年平均沉降速率范圍在幾毫米到幾十厘米之間不等,在某些城鎮(zhèn)居民區(qū)或石油開采區(qū),還出現(xiàn)了沉降漏斗,最大沉降速率可高達200 mm/a[4-9]。特別是在 1976年黃河尾閭變遷后的幾年里,由于沉積物的固結壓實作用和油田大規(guī)模開發(fā)建設的影響,導致廢棄的刁口河河道流域發(fā)生了相對急劇快速的地面下降,平均沉降速率達53 mm/a。此外,根據(jù)東營市及其周邊地區(qū)的歷次垂直形變監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn),東營市已普遍發(fā)生了差異性地面沉降,沉降速率一般為10～100 mm/a,個別地區(qū)累計沉降量可達數(shù)米[7-8,10-11]。據(jù)有關學者預測,未來的幾十年內,三角洲部分地區(qū)仍會以持續(xù)下沉為主,對該區(qū)自然環(huán)境和社會經濟發(fā)展的威脅勢必會更加嚴重[6,9]。

圖1 現(xiàn)代黃河三角洲2000年數(shù)字高程模型(SRTM-3)與河道變遷Fig.1 The DEM of modern Yellow River Delta in 2000 (SRTM-3)and distributary changes

1.2 地面沉降特點

綜觀整個黃河三角洲地面沉降的發(fā)生、發(fā)展過程和歷史現(xiàn)狀,除具有明顯的緩慢、累進和過程不可逆等特點外,還具有以下兩個特征。

1.2.1 多因素性

可以導致地面沉降的因素有很多,主要可分為自然因素和人為因素,對于現(xiàn)代黃河三角洲發(fā)生的大規(guī)模地面沉降,幾乎所有能夠引起緩慢沉降災害的影響要素,全都在該區(qū)有所體現(xiàn),包括構造運動、地質體荷載引起的均衡下沉、地震活動影響、沉積物的固結壓實作用、海平面上升、油氣開采、過度抽取地下水和各類工程建設等[4,6,12]。

1.2.2 時空非連續(xù)性

雖然現(xiàn)代黃河三角洲絕大部分地區(qū)已相繼發(fā)生了不同程度的地面沉降,但表現(xiàn)為持續(xù)沉降狀態(tài)的區(qū)域不多,絕大多數(shù)地區(qū)都表現(xiàn)為地面沉降與地表抬升交替出現(xiàn)。在1956～1980年間,刁口河流路和徒駭河北部區(qū)域地表垂直變化是先抬升后下沉,而清水溝流路、草橋溝兩側和羅家屋子南部區(qū)域則都表現(xiàn)為先下沉后抬升,這主要是因為黃河尾閭的改道、沉積物的固結壓實和人類活動的影響所致[4]。由于該區(qū)地面沉降范圍廣、歷時長,各影響要素在不同時間、空間域內的影響力相差甚遠,致使各區(qū)段地面沉降的速度和累計量都存在有較大的時空差異性。

2 地面沉降對洲體發(fā)育的影響

2.1 改變地面標高,影響縱向發(fā)育過程

由于黃河下游河段流經地區(qū)海拔低,坡降小,河口水深淺,使進入河口地區(qū)的大量泥沙淤積,造成河口不斷向海淤積延伸和河床的不斷抬升,垂向發(fā)育劇烈。黃河在寧海以下決口改道共計 50余次,如此頻繁的尾閭擺動,使每次新堆積成的亞三角洲葉瓣相互疊置,不斷淤積抬升。理論上,隨河口流路的不斷擺動,會使整個三角洲呈現(xiàn)出具有多個軸線,類似葉脈格架的扇面形態(tài); 然而實際上,整個三角洲大致呈現(xiàn)出以東北方向為軸線,中間高、兩側低,以寧海為高程中心,西南高、東北低,緩慢向海傾斜,凸出于渤海的扇面形態(tài)(圖1)[13-14]。 這其中,地表的不均衡沉降,尤其是沉積物的固結壓實作用產生的下沉,起到了關鍵性的作用。地面沉降導致原本有限的高程資源損失,破壞了三角洲的縱向發(fā)育過程,具有地表抬升與地面下沉交替進行的現(xiàn)象,形成特殊的垂向發(fā)育演變過程。

2.2 改變地面坡降,影響下游河道的演變

2.2.1 改變地面坡降,影響地貌形態(tài)

地面的不均衡下沉使黃河三角洲地面比降發(fā)生了局部性的改變,在寬廣平坦的地面上形成了高低起伏的地貌形態(tài),甚至出現(xiàn)了為數(shù)不多的小型盆斗區(qū),如仙河鎮(zhèn)和徒駭河農場附近區(qū)域(圖 1)?，F(xiàn)代黃河三角洲地勢低平,利用該區(qū)DEM計算得到的坡度結果顯示,坡度多集中在 0.01%～0.04 %(圖 2),而在小型盆斗區(qū)邊緣地面坡降則明顯增大,多大于0.04 %。此外,在濱海沿岸區(qū),由于新近沉積物的固結壓實作用導致的地面不均衡下沉,導致現(xiàn)代黃河三角洲邊緣坡降差異明顯。

圖2 現(xiàn)代黃河三角洲地面坡度分布Fig.2 Slope of the modern Yellow River Delta

2.2.2 修改河道縱剖面,影響下游河道淤積

地形變率可以影響河床的比降和縱剖面的形狀,公式(1)是用綜合分析各種因素的方法,確定的華北平原諸河流的比降與河床質粒徑、來沙系數(shù)和地殼垂直形變等因素的函數(shù)關系[15]。

其中,J為河床比降(‰),D50為中值粒徑(mm),T為地形變率(mm/a),ρ為含沙量(kg/m3),Q為流量(m3/s)。根據(jù)上式可以看出,黃河三角洲的不均衡下沉可以改變黃河下游河道的比降,在來水來沙條件和河床形態(tài)及粗糙率等都保持不變的情況下,重新調整河道的縱剖面形態(tài),改變河流輸沙能力。就黃河而言,由于其特殊的來水來沙過程、泥沙組成和邊界條件,河流為達到輸沙平衡而自動調整河床斷面及粗糙率的余地不大,主要借助于調整比降以期達到輸沙平衡,維持河道穩(wěn)定,所以河道比降成為了影響下游河道淤積抬升與加長的主要影響因素。從長時間尺度來看,現(xiàn)在黃河下游能在高出地面數(shù)米的情況下依然持續(xù)淤積主要是由于地質歷史時期華北平原不斷的地殼下沉和河口流路的延伸,而河道比降不能適應現(xiàn)在惡化的來水來沙條件而產生的[16]。此外,從河道縱剖面的流水地貌過程來看,河流泥沙的輸運會產生“移平作用”,致使河道縱剖面的比降不斷減小,逐漸趨于平緩[17]。差異性地面沉降的產生會使黃河下游河道的比降發(fā)生改變,阻滯河道向輸沙平衡縱剖面轉化,從而延長流水地貌的塑造過程。

2.2.3 改變侵蝕基準面,造成河道的溯源沖淤

由河流侵蝕基準面的升降引起的沖刷或淤積稱為河道的溯源沖淤[18]。河流受水盆地區(qū)域的地面沉降造成河流侵蝕基準面的相對抬升,產生溯源淤積,進而影響下游部分河段的沖淤演化,這與河口延伸在下游河道的沖淤演變過程中起到了相近的作用。在黃河三角洲地面均衡下沉發(fā)生的同時,河口基準面會相對抬升,這時河道需要重新調整比降來維持輸沙平衡,必然會使沉降區(qū)的河道發(fā)生淤積和水位抬升,以降低該處河道的比降; 同樣為達到輸沙平衡,需要臨近河道繼續(xù)發(fā)生遞歸淤積,不斷向前發(fā)展造成溯源堆積,從而加重黃河下游河道的淤積。因受人為因素嚴格控制,黃河下游河道側向發(fā)育范圍很小或根本不可能,因此,通過其側向運動來適應基準面變化的可能性不大,而往往只能借助于溯源沖淤來完成,所以在黃河下游,侵蝕基準面相對抬升引起溯源堆積作用的影響范圍較大[15,19]。此外,盡管海平面為最基本的侵蝕基準面,但在很多情況下,局地及暫時性的基準面仍然起一定作用。三角洲上河道流經區(qū)域的局部沉降可以造成與河流改道而使水流落差加大的相同作用,導致局地基準面的暫時下降,而產生暫時性的溯源沖刷,河口溯源沖刷的距離可用下式求得[15]。

式中,L為溯源沖刷距離,Δh為下端的沖刷深度,λJ為計算沖刷后的比降J與初始比降J0的比值。在溯源沖刷完成后,下端河床發(fā)生溯源淤積,其距離應約等于溯源沖刷距離。另外,由地面沉降引起的侵蝕基準面升降,除可以使河道發(fā)生溯源沖淤之外,還會造成河流橫斷面特征、河床糙度、河流彎曲系數(shù)等要素的調整。

2.3 改變河道比降,影響黃河尾閭的擺動

黃河三角洲的演化表明,河流改道是三角洲生長發(fā)展的過程和途徑[14]。黃河尾閭之所以頻繁擺動,主要是因為在舊河道發(fā)育的后期階段,由于河道的持續(xù)淤積抬升和流路的逐漸延伸加長,致使河道比降減小,輸沙能力減弱,當河流比降減小到流路改道的臨界值時,河口及分流河道因淤積嚴重,在汛期不能適應泄洪排沙的要求,水流便沖破自然堤或人工堤的約束,在沿河岸的低洼地尋找新的路徑入海[20-21]。河道兩側因差異性地面下沉而產生的低洼地可以為河流的決口改道創(chuàng)造適宜條件。另外,在整個近代黃河三角洲的發(fā)育過程中,雖然是由自上而下逐漸向海推移的,但是在每一個具體流路的演變階段上,三角洲擺動頂點又是從下而上的演進[21]。這種雙向共生的三角洲發(fā)育總過程,勢必會使原廢棄的亞三角洲重新被黃河選擇為入海路徑成為可能。黃河三角洲錯綜復雜的分流河道變遷和葉瓣相互疊置的格局,顯示了河流改道后,先前被廢棄的亞三角洲,經地表松散沉積物固結壓實等沉降作用之后,其地表高程降低,比降加大,當現(xiàn)行流路充分發(fā)育成熟以致衰亡,向下一次改道演進時,由于新形成的亞三角洲比降小,入海路徑長,廢棄三角洲葉瓣會被黃河重新啟用,形成新的入海流路。

2.4 引起局地海平面上升,加劇沿岸侵蝕

潮流、波浪和風暴潮作用對黃河三角洲沉積物的再懸浮、再搬運起重要作用,是三角洲蝕退的主要動力。相對海平面上升,將引起潮流和波浪等水動力條件的變化,加劇海岸侵蝕,使多種海岸帶災害的破壞和影響加劇,形成錯綜復雜的災害網(圖 3)。根據(jù)已有研究資料表明,現(xiàn)代黃河三角洲沿岸的相對海平面上升主要是自然因素產生的地面沉降所致[7,9]。1965～1988年間,自然地面沉降在相對海平面上升速率中約占70 %,預計1996～2050年間,因全球海平面上升速率的增大,自然地面沉降所占份額將會減小到50 %左右,但隨著人為地面沉降因素的加大,地面沉降在相對海平面上升速率中仍占主導地位[3,7]。黃河三角洲地面沉降使局地海平面相對上升,在淹沒沿岸低地的同時,可以使沿岸潮流、波浪和風暴潮作用增強,加速海岸蝕退。

2.4.1 潮差加大,使潮流沖刷作用增強

潮流作用強度是由漲落潮流速度和潮差大小決定的。三角洲濱海區(qū)高潮發(fā)生的時間順序是自西向東隨時向先后依次出現(xiàn); M2(38o08′41″N,119o03′57″E)分潮無潮點及其周圍不大的范圍內為正規(guī)日潮區(qū),由此向南、向西逐漸向半日潮過渡; 神仙溝以北潮波節(jié)點附近潮差最小,僅有0.4 m,由此沿三角洲岸線向西、向南潮差均逐漸增大; 在M2分潮無潮區(qū)和現(xiàn)行黃河口外附近各有一個強流區(qū),且漲落潮流速不等,在近岸形成了伴隨有獨特潮流場的復雜潮汐現(xiàn)象[13,22-23]。三角洲地面的均衡沉降會使周圍海區(qū)海平面相對上升,使潮位進一步提高,造成潮波變形,潮位、潮流的相位差將會增大,加大潮差。這種由地面沉降引起的相對海平面上升還會因潮位增高以及潮流速度由于底摩擦減小而加大的原因,使潮流作用增強,潮灘侵蝕、堆積過程旺盛,從而導致現(xiàn)代侵蝕岸段的沖刷作用進一步加強。

圖3 地面沉降加劇海岸帶災害鏈網Fig.3 Hazard interlink of land subsidence in the coastal area

2.4.2 波浪作用增強,破壞海岸的穩(wěn)定性

地面沉降引起相對海平面上升,使灘面水深加大,波浪的破碎和擾動作用增強,導致沿岸侵蝕加劇。據(jù)波浪動力學理論,波能與波高的平方成正比,潮灘上的最大波高約為水深的0.5到1倍,而波能在近岸淺水區(qū)中的傳輸速度則與水深的平方根成正比,所以,當岸外水深增加1倍時,波浪作用的強度可以增加5.6倍。波浪的破碎和擾動作用可以掀動灘面泥沙,破壞海岸的穩(wěn)定性,是三角洲海岸侵蝕的重要因素。

有關學者在飛雁灘海岸侵蝕機理的研究中發(fā)現(xiàn),該區(qū)全年有51.1 %的波浪在0～0.64 m的淺水帶破碎,-2 m水深以淺處為波浪的高頻率破碎帶和擾動帶,導致0 m水深附近成為蝕退速率最高的部位[22]。黃河三角洲沿岸相對海平面上升,造成 0 m水深線后退,波浪的高頻率破碎帶和擾動帶順潮灘逐漸上移。現(xiàn)代黃河三角洲地勢低平,利用該區(qū)DEM計算得到的坡度結果顯示,坡度多集中在 0.01%～0.04%(圖2),即使是微弱的地面沉降,0 m水深線也會大規(guī)模地后退,潮流輸沙和波浪掀沙作用將會重新塑造海灘剖面,加劇海岸侵蝕。

圖4 黃河三角洲沿岸地面垂直形變速率和潮灘變化Fig.4 Distribution of vertical surface displacement rate and change of the coastline in the Yellow River Delta

2.4.3 風暴潮災害加劇,改造海岸形態(tài)

黃河三角洲地處渤海南岸,受地形和風浪的影響,該區(qū)風暴潮災害尤為強烈。黃河三角洲的侵蝕作用模式表明,已廢棄三角洲岸段在蝕退后期,風暴潮作用可以對其進行改造,在高潮線附近堆積起貝殼砂堤。地面沉降致使局地海平面上升,使各種特征潮位相應增高,水深增大,波浪作用增強,增加了大于某一值的風暴增水出現(xiàn)頻次,增加風暴潮成災幾率; 此外,若風暴潮增水和高潮位疊加,將出現(xiàn)更高的風暴高潮位,增大風暴潮強度,加劇風暴潮災,改造海岸形態(tài),對海岸造成強烈侵蝕。

現(xiàn)代黃河三角洲的海岸侵蝕主要表現(xiàn)為岸線后退和灘面沖刷兩種形式。前者主要發(fā)生在廢棄黃河三角洲兩側,或目前尚無堅固防護工程的岸段; 后者在多數(shù)岸段均有發(fā)生,目前三角洲沿岸多數(shù)地段因為修筑了人工防潮堤,岸線能保持穩(wěn)定或向海延伸,但是潮灘和淺海海底卻會處于強烈的沖刷狀態(tài),直至水深十幾米處,海底淺灘基本處于沖淤動態(tài)平衡狀態(tài)[24],侵蝕結果是潮灘的寬度變窄,高程降低,坡度加大。如圖1所示,宋春榮溝以南主要是1897～1904年和1929～1934年宋春榮溝和永豐河流路行河期間形成的亞三角洲。該區(qū)沿岸自20世紀中期開始相繼修筑了人工堤壩,高潮線基本趨于穩(wěn)定或向海推進,但是從圖4(a),(b)可以明顯地看出,原潮灘在1956～1980年間受到不同程度的侵蝕,低潮線急劇后退,灘面寬度逐漸變窄。將沿高潮線提取的地面垂直形變和灘面寬度變化信息相疊加,可以看出,除高潮線發(fā)生后撤的岸段之外,二者之間存在著明顯的相關性,地面沉降速率高的岸段,灘面寬度變化量也大(圖4(c),(d))。特別是1967～1980年間,雖然大多數(shù)岸段地表表現(xiàn)為抬升區(qū),但從圖 4中不難看出,在高潮線向海推進的同時,低潮線在沉降區(qū)后撤,抬升區(qū)則基本保持不變,如宋春榮溝以北和滋脈溝以北部分岸段,這都體現(xiàn)了局部地表形變對海岸侵蝕的影響。

3 結語

現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)特殊的自然地理條件,使該區(qū)地面沉降除具有緩慢、累進和過程不可逆的特點之外,同時具有多因素性和時空差異性的特點,不僅加大了對三角洲生態(tài)環(huán)境的危害,同時也給該區(qū)地面沉降的監(jiān)測、管理和綜合防止都帶來了一定的困難。三角洲地面沉降對洲體演變的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面：(1)通過改變地面標高和坡降,影響下游河道的沖淤演變; (2)差異性的地面標高損失,影響河流的尾閭擺動及廢棄三角洲葉瓣被重新啟用的可能性; (3)通過增加相對海平面上升的份額,在淹沒沿岸低地的同時,促使沿岸潮流、波浪和風暴潮作用增強,加速海岸蝕退和潮灘沖刷。

黃河三角洲地面沉降引發(fā)的一系列環(huán)境地質效應,嚴重影響了三角洲地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會經濟的高速發(fā)展。因此,正確認識三角洲地面沉降對自然環(huán)境要素的影響機理,做好科學防范措施,將是緊迫而長期的任務。

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