凡姚申,陳沈良,竇身堂,于守兵,杜小康

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院,河南 鄭州450003；2.水利部 黃河泥沙重點實驗室,河南 鄭州450003；3.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海200241)

受氣候變化和人類活動的影響,海岸侵蝕已是一個世界性的問題,特別是大河三角洲的海岸侵蝕尤為引人關注,如埃及的尼羅河三角洲[1-3]、越南的湄公河三角洲[4-5]、中國的黃河三角洲[6-7]。中國河口三角洲地區(qū)的海岸侵蝕在不斷加劇[8],如灤河三角洲、黃河三角洲、廢黃河三角洲、長江口南岸都表現(xiàn)較高的侵蝕速率。近年來,大規(guī)模海岸圍墾建堤,致使人工岸線不斷增加[9],岸線被固定,堤前海床下蝕成為主要的海岸侵蝕形式。

黃河三角洲屬于弱潮河控型三角洲,其由高輸沙能力的河流注入弱潮動力環(huán)境海域所形成,曾是世界上堆積速率最快、演變最劇烈的大河三角洲。近年來,受流域氣候變化和人類活動的影響,黃河入海水沙持續(xù)減少,呈現(xiàn)枯水少沙情勢,三角洲呈整體蝕退態(tài)勢。東營港—孤東海岸是黃河三角洲沿岸的工程防護區(qū),受孤東大堤和東營港海堤的防護,該區(qū)域的海岸線處于固定狀態(tài),但堤外海床侵蝕強烈,大量海堤、護岸、灘海路堤等海岸工程建筑物基礎受到沖刷毀壞,嚴重威脅到油田和海港安全。

目前黃河三角洲海岸侵蝕防護問題已成為諸多學者關注的熱點之一。以往對于黃河口區(qū)沖淤演變研究較多,但對于工程防護區(qū)海床長時間尺度侵蝕過程研究較少,從而對堤前海床穩(wěn)定性狀況缺乏整體認識。鑒此,本文基于多次實測的地形數(shù)據和波浪資料,評估黃河三角洲工程防護區(qū)海床侵蝕不穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢,為新情勢下黃河三角洲綜合治理提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲是1855年黃河在河南蘭考銅瓦廂決口,奪魯北大清河回歸渤海以來,發(fā)育形成的以山東墾利寧海為頂點,西起套爾河口南至支脈溝口,向海延伸至15～20 m等深線的扇形堆積體(圖1)。黃河來沙量大,入海流路長期處于淤積、延伸、出汊、擺動、改道的頻繁變化過程。1855年以來,黃河入海流路經歷了11次大的流路改道與50余次出汊過程,并受海洋動力的改造和人為工程的影響,形成了目前的三角洲形態(tài)。

黃河口清水溝流路自1976年在西河口附近經人工改道后開始行河,改道初期(1976-06—1979-09)河道處于游蕩散亂多股狀,入?？谠诂F(xiàn)在的孤東油田陸上核心區(qū),孤東“錘形”沙嘴也主要在這個階段淤積造陸形成(圖2)。1980年后入海流路南遷,并逐漸自上而下歸股穩(wěn)定,尤其是1992年后,擺動幅度更趨微弱,孤東海域南部的清水溝三角洲葉瓣逐漸形成發(fā)育(圖2)。隨著黃河入?？谥饾u南偏,入海泥沙輸運擴散至孤東海域的量急劇減少,致使孤東海域成為嚴重的侵蝕區(qū)。為了保證孤東油田的安全生產,1985年開始修建孤東大堤,1987年全面竣工,大堤全長17.2 k m,呈西北—東南走向。20世紀90年代,隨著東營港的投入使用,海港及其附近海岸修筑了北起樁106(Z106,位置見圖1)南至神仙溝口的人工海堤,與孤東大堤共同構成了約50 k m的黃河三角洲工程防護區(qū)海岸(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

圖2 1976—1996年入海流路擺動過程Fig.2 Swing process of t he part h flowing into the sea fro m 1976 to 1996

2 數(shù)據處理

為定量分析海床侵蝕過程,收集了1992年、2000年、2007年和2015年的黃河三角洲近岸海域水下地形測量數(shù)據,水深數(shù)據統(tǒng)一為黃?；鶞拭?。使用Matlab中的IDW(Inverse Distance Weighted)插值程序將水深散點插值到分辨率為30 m×30 m的網格上生成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)?；诟髂攴莸腄EM,建立水下地形地貌空間數(shù)據庫,不同年份的DEM相減即可計算沖淤量。由于這些優(yōu)點,世界上其他河口三角洲地區(qū)的沖淤演變研究也廣泛采用此種空間地貌處理方法[11-13]。

3 工程防護區(qū)海床侵蝕特征

3.1 海床侵蝕時空格局

工程防護區(qū)海岸形態(tài)受控于大堤,基本呈東南—西北走向,岸線較平直,Z106到北汊溝口的連線也呈東南—西北走向,大致與實際海岸平行,可作為等效岸線來分析等深線距岸的距離。為分析海床侵蝕時空格局,分別建立距等效岸線5,8,10,15和20 k m的緩沖區(qū)(圖3),計算不同緩沖區(qū)內1992—2000年,2000—2007年和2007—2015年三個時段海床的沖淤變化(表1),進而定量分析侵蝕過程。

圖3 1992—2015年東營港—孤東海岸近岸海床沖淤分布Fig.3 Distribution of er osion and accretion of t he nearshore seabed along t he Dongying Port-Gudong Coast fro m 1992 to 2015

在3個時段中,1992—2000年距岸20 k m區(qū)域內海床侵蝕量略大于2007—2015年,其他區(qū)域侵蝕量和侵蝕速率都明顯小于其他2個時段；2000—2007年侵蝕最劇烈,該時段距岸5 k m區(qū)域內侵蝕量小于2007—2015年,其他區(qū)域侵蝕量和侵蝕速率都大于其他2個時段。

同一時段不同區(qū)域沖淤差異明顯。1)1992—2000年距岸5 k m區(qū)域內凈淤積,平均淤積速率6.75 c m/a,而距岸8 k m區(qū)域內(包括5 k m以內,下同)凈侵蝕,且侵蝕量明顯大于其他區(qū)域,達52.74 k m3,侵蝕速率達33.6 k m/a,可見該時段的侵蝕主體位于距岸5～8 k m的區(qū)域內。2)2000—2007年距岸5,8和10 k m區(qū)域內侵蝕速率逐次增加,最大達20.90 c m/a,這說明在距岸10 k m區(qū)域內,越遠離岸泥沙侵蝕量越多。而距岸15 k m區(qū)域內雖然也表現(xiàn)為凈侵蝕,但侵蝕速率小于距岸10 k m區(qū)域內,減小的侵蝕速率說明距岸10 k m區(qū)域外海床雖以侵蝕為主,但也有泥沙沉積,只是泥沙沉積量小于侵蝕量。同樣,距岸20 k m區(qū)域內侵蝕速率小于距岸15 k m區(qū)域內的侵蝕速率,這也說明該15 k m區(qū)域外的海床有泥沙沉積。由此可知,該時段距岸10 k m以內是侵蝕主體區(qū)域,而10 k m以外有泥沙沉積。3)2007—2015年距岸5和8 k m區(qū)域內侵蝕速率逐次增加,最大達15.54 c m/a,而距岸10 k m區(qū)域內雖然也表現(xiàn)為凈侵蝕,但侵蝕速率小于距岸8 k m區(qū)域內,同樣,距岸15和20 k m區(qū)域內侵蝕速率也依次減小,由此可知,該時段距岸8 k m以內是侵蝕主體區(qū)域,而8 k m以外出現(xiàn)泥沙沉積。

表1 東營港—孤東海床沖淤計算Table 1 Calculations of erosion and accretion of the seabed along the Dongying Port-Gudong coast

同一區(qū)域不同時段沖淤差異明顯。1)距岸5 k m區(qū)域內,1992—2000年表現(xiàn)為凈淤積,年淤積速率為6.75 c m/a,而2000年后的2個時段,該區(qū)域海床侵蝕明顯,且侵蝕速率從2000—2007年的5.37 c m/a,增加到2007—2015年的8.82 c m/a,這說明大堤堤前侵蝕越來越嚴重。2)距岸10 k m區(qū)域內,2000—2007年和2007—2015年兩個時段的侵蝕速率相差不大,分別為16.03和15.54 c m/a,在2000—2007年該區(qū)域海床侵蝕主要出現(xiàn)在孤東南大堤外,而在2007—2015年該區(qū)域海床侵蝕主要出現(xiàn)在海港大堤外。

3.2 孤東南大堤海床形態(tài)

1992—2000 年內侵蝕主體在距岸5～8 k m區(qū)域內,堤前(距岸5 k m區(qū)域內)以淤積為主；2000—2007年海床侵蝕明顯,距岸10 k m區(qū)域內都表現(xiàn)強烈的侵蝕；2007—2015年距岸8 k m區(qū)域內表現(xiàn)強烈侵蝕,且堤前較上一時段侵蝕量增大,海床侵蝕向岸加劇。這種侵蝕發(fā)展過程也影響著黃河水下三角洲的地貌格局。2007年黃河入海流路向北分汊后,隨著現(xiàn)行河口沙嘴的向北淤積延伸,逐漸延伸到孤東南大堤外的深水區(qū),而孤東南大堤堤前淺水區(qū)不斷侵蝕,逐漸形成了南大堤外“近岸區(qū)深,遠岸區(qū)淺”的反剖面形態(tài)。選擇南大堤外一條垂直于大堤走向的21號水深斷面,可以清晰地看出反剖面形態(tài)的演變過程。由圖4可知,2007年該斷面水深隨離岸距離增大而增大的正常形態(tài)；隨著河口沙嘴和攔門沙向北延伸,距起點25～30 k m處海床不斷淤積,而近岸堤前不斷侵蝕,2014年已經出現(xiàn)反剖面形態(tài),即遠岸區(qū)水深反而小于堤前近岸區(qū)水深,至2016年這種形態(tài)還在持續(xù)發(fā)展。

圖4 孤東南大堤外的反剖面形態(tài)及其發(fā)展過程Fig.4 The for m of the reverse profile and its developing process in the offshore area of the southern Gudong dike

4 堤前海床不穩(wěn)定性評估

4.1 評估方法

海堤對其內側陸域起到防護作用,而堤前的海床往往處于侵蝕不穩(wěn)定狀態(tài)。在各種不確定性因素下,近岸海床等深線變化可反映海堤及堤前海床的穩(wěn)定性[14],可基于海床等深線對其進行不穩(wěn)定性評估?？紤]到研究區(qū)近岸海床侵蝕主要發(fā)生在距岸10 k m區(qū)域內,選取歷年2,5,和10 m等深線,對2000—2015年近岸海床不穩(wěn)定性指數(shù)進行計算。首先計算“點”層面的不穩(wěn)定性指數(shù):基于Arc GIS-DSAS技術,建立垂直于等效岸線(參考線)的斷面；計算每條等深線與參考線間斷面長度,作為等深線距岸的距離(L)；再根據波浪作用床面的臨界水深對2,5和10 m等深線賦權重值(Q),3條等深線L與Q乘積的加和即為“點”層面的不穩(wěn)定指數(shù)(Isi)。最后將各交點不穩(wěn)定指數(shù)分級,相同級別的交點連線,得到近岸“線”層面的不穩(wěn)定級別。不穩(wěn)定指數(shù)的計算公式:

式中:Q為各等深線權重值,下標表示相應的等深線。

等深線離岸越近對海堤穩(wěn)定性的指示意義越大,距岸距離的系數(shù)Q可依據波浪在不同水深范圍內的破碎、擾動頻率來確定。波浪的破碎深度可以波高的1.28倍計算。波浪的擾動深度可視作波浪作用下的海床泥沙全面移動的臨界水深,可根據佐藤公式計算[15-16]:

式中:Ho和Lo分別為深水波高和波長；Hc和Lc為當?shù)氐牟ǜ吆筒ㄩL；hc為臨界水深；D50為泥沙中值粒徑。計算時,Ho可消去,Lo和Lc可根據Airy線性波理論分別表示[17]:

式中:To和Tc分別為深水波周期和hc當?shù)氐牟ㄖ芷冢籫為重力加速度。研究區(qū)海域開闊,近岸風場受深水區(qū)風區(qū)控制,風速可視作基本相同,即Tc≈To,代入式(4)后,再與式(3)一起代入式(1),經整理后可得臨界水深hc的計算公式:

根據觀測波浪資料,可知工防護區(qū)近岸海域各級波浪的破碎深度、擾動深度；各級波浪出現(xiàn)的頻率計算得破碎頻率和擾動頻率(表2)。由此可知,波浪破碎和擾動頻率隨水深增大而減少,波高為0.6 m的波浪能移動1.38 m以淺的海床泥沙全面移動,2.05 m以淺的近岸海床泥沙全部擾動需要波高為0.8 m的波浪。根據擾動頻率的平均值,可求得0～2.05 m范圍內的海床擾動頻率為64.18%,相應地可求得2.05～5.86 m范圍內的海床擾動頻率為29.04%,5.86～9.51 m內的海床擾動頻率為9.08%。這3個水深范圍,十分接近2,5,和10 m等深線劃分的海床區(qū)域。因此,歸一化3個水深范圍內的擾動頻率得到2,5和10 m等深線權重系數(shù)分別為63%,28%和9%。

表2 工程防護區(qū)近岸海域各級波浪的破碎深度、擾動深度及其相應的頻率Table 2 Wave breaking depth,disturbing depth and their corresponding frequency in t he nearshore area of the engineering protection zone

4.2 評估結果

根據上述方法,計算得到“點”層面的Isi集中分布在1.01～1.76范圍內。按四分位分級原則,將Isi≤1.2的點連線,得到“線”層面的不穩(wěn)定結果,并將其分級為弱不穩(wěn)定型堤前海床；相應地,將1.2＜Isi≤1.4的點連線,劃分為一般不穩(wěn)定型堤前海床；將1.4＜Isi≤1.6的點連線,組成強不穩(wěn)定型堤前海床；將1.6＜Isi的點連線,歸為極強不穩(wěn)定型堤前海床,評估結果如圖5所示。

圖5 1992—2015年堤前海床不穩(wěn)定性評估結果Fig.5 Instability assess ment of the seabed in front of the dike during 1992-2015

1992—2015 年隨著近岸海床的持續(xù)侵蝕,等深線不斷向岸移動,堤前海床不穩(wěn)定性逐漸加劇(圖5)。1992年堤前海床主要為弱穩(wěn)定性和一般不穩(wěn)定型,分別長29.63和16.25 k m,共占整個工程防護海岸的91.05%(圖6),強不穩(wěn)定型堤前海床只出現(xiàn)在孤東南大堤中部向海凸出處,長4.51 k m,占比8.95%。2000年弱不穩(wěn)定型堤前海床區(qū)域減少,而一般不穩(wěn)定型和強不穩(wěn)定型相應增加,分別增加到20.38和15.69 k m,后者占比也從1992年的不足10%增加到31.14%。2007年海床不穩(wěn)定性繼續(xù)加強,孤東南大堤和東營港中部向海突出處2 m等深線侵蝕消失,堤前海床分別發(fā)展為極強不穩(wěn)定型和強不穩(wěn)定型；整個防護區(qū)強不穩(wěn)定型和極強不穩(wěn)定型堤前海床已經增加到23.57 k m,占比46.78%,而弱不穩(wěn)定型海床減少到7.24 k m,僅占14.37%。2015年已不存在弱不穩(wěn)定型海床,整個防護區(qū)堤前海床以強不穩(wěn)定型和極強不穩(wěn)定型為主,分別長17.59和24.84 k m,共占比84.20%,幾乎整個南大堤堤前都發(fā)展成極強不穩(wěn)定型海床；5 m等深線已經接近東營港海岸,其堤前海床也發(fā)展成強不穩(wěn)型和極強不穩(wěn)定型。由此可見,受持續(xù)侵蝕的影響,工程防護區(qū)堤前海床的不穩(wěn)定性逐漸加劇,海堤和堤前海床迫切需要加強防護。

圖6 1992—2015年堤前海床不穩(wěn)定性各級所占比例Fig.6 Instability grade proportion of the seabed in front of the dike during 1992-2015

5 結 語

東營港—孤東工程防護區(qū)近岸海床是黃河三角洲海岸侵蝕最強烈的區(qū)域,為更好地評估該區(qū)域的海床侵蝕不穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢,本文基于多次實測地形數(shù)據和波浪資料,研究了黃河三角洲工程防護區(qū)海床侵蝕過程及穩(wěn)定性變化。得到主要結論如下:

1992—2000 年海床侵蝕主體在距岸5～8 k m區(qū)域內,堤前(距岸5 k m區(qū)域內)以淤積為主；2000—2007年海床侵蝕明顯,距岸10 k m區(qū)域內都表現(xiàn)強烈的侵蝕；2007—2015年距岸8 k m區(qū)域內表現(xiàn)強烈侵蝕,且堤前海床較2000—2007年時段侵蝕量增大,海床侵蝕向岸加劇。工程防護區(qū)海床侵蝕發(fā)展過程也影響著黃河水下三角洲整體的地貌格局,孤東南大堤外海出現(xiàn)了“近岸區(qū)深,遠岸區(qū)淺”的反剖面形態(tài)。隨著工程防護區(qū)近岸持續(xù)侵蝕,等深線不斷向岸移動,堤前海床不穩(wěn)定性逐漸加劇,2015年84.20%的堤前海床處于強或極強不穩(wěn)定狀態(tài)。

海堤和堤前海床迫切需要加強防護,建議對已破壞的海堤要及時進行維護,并定期進行海堤狀況及海床地形監(jiān)測,開展海堤破壞與海床侵蝕的機理研究,提出科學治理海岸侵蝕的應對策略。