張 杰，楊春松

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.國家發(fā)展與改革委員會國家投資項(xiàng)目評審中心，北京 100037 )

濰坊港位于渤海南部的萊州灣(圖1)，距離濰坊市區(qū)60 km，西距東營港廣利港區(qū)約18 km，東距龍口港約120 km，為國家一類對外開放口岸、山東省區(qū)域性重要港口。濰坊港劃分為東、中、西三個港區(qū)。中港區(qū)是濰坊港的主體港區(qū)，位于濰坊濱海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)海岸，白浪河入海口西側(cè)，現(xiàn)有碼頭與黃河入海口直線距離約45 km，從宏觀背景來看，濰坊港海域處于黃河口入海泥沙擴(kuò)散范圍之內(nèi)，受到黃河口入海泥沙或三角洲淺灘泥沙在風(fēng)、浪以及潮流作用向外擴(kuò)散的影響。為此需要研究黃河口輸水輸沙對濰坊港海區(qū)地形和外航道淤積的影響，為后續(xù)濰坊港的工程建設(shè)服務(wù)。

圖1 濰坊港地理位置及形勢示意圖Fig.1 General situation of Weifang Port

工程區(qū)位于萊州灣西部沿岸，為黃河近代沖積、海積平原，東部為廣闊的泥質(zhì)粉砂及粉砂組成的平緩岸灘，其坡度在0.5‰～1.0‰[1-2]。濰坊港海域潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差1.6 m左右，最大潮差3.0 m左右。該海域潮流為規(guī)則的半日潮流，呈明顯往復(fù)流性質(zhì)，漲潮流向?yàn)镾W向，落潮流向?yàn)镹E向；漲、落潮平均流速在0.12～0.35 m/s，實(shí)測最大流速不超過0.8 m/s。本區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾E—SSE，風(fēng)速較小且為離岸風(fēng)，對本區(qū)影響較??；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E向，且為向岸風(fēng)，對本區(qū)影響較大。常浪向和強(qiáng)浪向均在N—NE向范圍，濰河口最大波高2.0 m；該海域?yàn)轱L(fēng)暴潮常發(fā)區(qū)，溫帶風(fēng)暴潮出現(xiàn)頻率較大，多發(fā)生在春季4月、5月或秋季，風(fēng)暴最大增水達(dá)3.55 m[1-2]。該海域?qū)崪y漲落潮平均含沙量在0.2～0.5 kg/m3；本區(qū)海床底質(zhì)沉積物平均中值粒徑介于0.035 5～0.080 2 mm，以砂質(zhì)粉砂、粘土質(zhì)粉砂分布最廣，總體呈自西向東由細(xì)轉(zhuǎn)粗，從岸到海由粗轉(zhuǎn)細(xì)的趨勢[3]。

濰坊港現(xiàn)有港區(qū)與黃河入海口直線距離約45 km，處于黃河口入海泥沙擴(kuò)散范圍之內(nèi)。黃河口入海泥沙對濰坊港及其周邊沉積物和地形等均產(chǎn)生了不同程度的影響[3-8]。在歷史時期，黃河三角洲岸線及沙嘴的演變從大格局上可分為兩個時間段，一是淤進(jìn)期，另一個是蝕退期。淤進(jìn)期：自黃河三角洲演變有較詳記載的1954年以來，盡管其間各年的來沙狀況有所差別，三角洲向外延伸速度各不相同，但總體上表現(xiàn)為淤進(jìn)的規(guī)律不變。蝕退期：當(dāng)黃河改道后，由于泥沙來源斷絕或者大幅度減少，此時影響三角洲發(fā)育的水動力及沙量兩大因素中，從改道前的來沙量占主導(dǎo)轉(zhuǎn)化為改道后的水動力占優(yōu)，此時岸線則無例外的表現(xiàn)為蝕退。自1976年黃河從清水溝入海以來，河道基本固定，本研究以此為起點(diǎn)時間分析黃河口沙嘴演變，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析黃河口入海泥沙擴(kuò)散對濰坊港水域影響。

1 黃河口清水溝流路沙嘴的演變

1.1 沙嘴發(fā)育的三個階段

沙嘴的演變與黃河三角洲的發(fā)育在性質(zhì)上存在共性。即來沙量大，三角洲向外擴(kuò)展的速度則快，反之則慢；當(dāng)來沙量減少到一定程度時，還將出現(xiàn)沖蝕后退現(xiàn)象。例如清水溝流路：1987年—1996年，來沙量介于4.2～4.9億t/a[9]，屬中等來沙狀況，沙嘴相應(yīng)的延伸速度為1.35～1.97 km/a；在1985年—1987年及1996年—2000年，年來沙量低于3億t[9]，沙嘴則表現(xiàn)為蝕退。按照黃河泥沙入海淤積區(qū)域、沙嘴延伸的穩(wěn)定性，以及人為控制與否的不同，可將清水溝流路沙嘴的發(fā)育大體分為三個階段[10-12]。

(1)沙嘴發(fā)育的初期階段(1976年—1981年)。

該時期河口水流散亂，無穩(wěn)定流路，入海泥沙以造陸(岸線向外推移)為主，沙嘴向外延伸速度相對較慢，泥沙向外海的輸送量較小。

(2)沙嘴發(fā)育的中期階段(1981年—1996年)。

自1855年以來，黃河在其三角洲區(qū)曾發(fā)生大、小改道數(shù)十次。改道的原因在于泥沙堆積、岸線延伸，從而導(dǎo)致坡降減緩，當(dāng)阻力增加到一定程度后，將出現(xiàn)不能滿足泄洪能力的情況，此時洪水在三角洲原河道區(qū)泛流，最終尋其相對較短的新流路入海。因沙嘴的延伸而造成河床比降的減緩，尚未達(dá)到影響泄洪的極限值，此時沙嘴的延伸速度相對較快，即黃河所攜帶的入海泥沙，從“初期階段”以造陸為主，轉(zhuǎn)化為以沙嘴延伸為主。此后，由于沙嘴明顯突出于岸線以外的波、流動力相對較強(qiáng)的深水區(qū)，致使泥沙出沙嘴后的流失量增大。

(3)沙嘴發(fā)育的近期階段(1996年—2000年)。

1976年黃河從清水溝入海至1996年6月以前，一直保持著單一而穩(wěn)定的入海通道，沙嘴平均延伸速度達(dá)1.5 km/a，凈延伸總距離達(dá)29.2 km。沙嘴的快速延伸導(dǎo)致近河口區(qū)比降減小，為有利于行洪，于1996年6月在原流路的北側(cè)沙嘴人工開口引黃入海。迄止2000年，從已有的衛(wèi)片圖像看黃河從原來的單一入海通道(下簡稱老通道)變?yōu)殡p通道，即老通道和開北側(cè)沙嘴形成的新通道(下簡稱北新通道)入海。

1.2 沙嘴演變趨勢

由于沙嘴的延伸長度與黃河入海泥沙擴(kuò)散范圍(或泥沙流失量)有關(guān)，而泥沙擴(kuò)散范圍又與濰坊港區(qū)水域的泥沙來源存在一定的關(guān)系，所以對沙嘴演變趨勢的分析顯得十分重要。

(1)沙嘴的“極限”延伸長度。

隨著沙嘴的延伸，河床比降將降低，當(dāng)泄洪能力不能滿足汛期流量下泄時將出現(xiàn)溢流，并最終形成入海距離較短的新流路，沙嘴不會無限度的延伸。在新流路形成至消亡(改道)之間，存在一個沙嘴的極限長度。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，黃河自釣口河入海(1964年)至改道前(1973年)，沙嘴累計(jì)延伸的最大長度為47.3 km[10-12]；黃河自清水溝流路入海(1976年)至人工在北側(cè)沙嘴開口泄洪前(1996年)，沙嘴累計(jì)延伸距離為29.2 km[13]。上述兩條沙嘴的長度相差約18 km，除了可能與兩個時期的水沙比及兩個區(qū)域的海洋動力等因素的不同有關(guān)外，還與人為因素有關(guān)。釣口河流路的出現(xiàn)與消亡基本反映其自然演變過程，而清水溝流路、老通道沙嘴則明顯受人為控制的影響，即1996年開北口(形成北新通道)是為提高排洪能力而為之。因此可近似認(rèn)為清水溝流路沙嘴的極限長度應(yīng)在30 km左右。

(2)新老沙嘴的興衰與轉(zhuǎn)換。

清水溝流路老通道沙嘴的規(guī)模與黃河來沙狀況及人為控制有關(guān)。自1976年后的成長發(fā)育至1996年后的蝕退，大致經(jīng)歷19 a，此期的累計(jì)延伸長度約29 km。

北汊開口(1996年)形成新的入海通道后，與老通道的沙嘴發(fā)育相比較，一方面在總體上應(yīng)存在相似性，即亦存在自興至亡的發(fā)育過程。另一方面亦存在差異性：(1)沙嘴發(fā)育的起始點(diǎn)不同。老通道沙嘴延伸的起點(diǎn)靠內(nèi)側(cè)，而北新通道沙嘴則大約在老沙嘴的中后區(qū)域向外延伸，從這一點(diǎn)看北新通道沙嘴(含開口以里的沙嘴長和開口以外沙嘴長)欲達(dá)到老沙嘴的相同規(guī)模，所需的時間應(yīng)遠(yuǎn)短于19 a；(2)有關(guān)資料表明，由于受黃河中上游水土保持能力提高、小浪底水庫攔沙以及人們用水量增加等綜合因素的影響，黃河的入海水量將呈減少趨勢，泥沙的下泄量亦隨之減少，從這一點(diǎn)看，與老通道沙嘴的延伸相比較，北新通道沙嘴的延伸速度又相對較慢。由此判斷，清水溝流路枝狀沙嘴綜合體的平均延伸速度不會快，其平均長度將很難突破長29 km的老沙嘴范圍。

2 黃河口外泥沙擴(kuò)散范圍

2.1 從遙感影像看渾水?dāng)U散范圍

所謂“渾水?dāng)U散范圍”系指1976年—2007年期間，各遙感影像上濃度相對較高水體分布的臨界線，或者說受黃河細(xì)顆粒泥沙影響較大與影響較小區(qū)域的分界線?！皽喫?dāng)U散距離”，系指渾水?dāng)U散最遠(yuǎn)的邊界(即主體外邊界)與某一區(qū)域的距離。

渾水?dāng)U散范圍雖然與黃河的時段來沙量以及沙嘴長度等因素有關(guān)，但統(tǒng)計(jì)表明，在這些因素中以沙嘴延伸長度的影響最大。黃河來沙量從總體看呈減小趨勢，特別是20世紀(jì)80年代中葉以來，其來沙量減小更加明顯。1976年黃河自清水溝入海至1996年期間，渾水主體方向的外邊界與1976年河口的距離，卻并未因入海沙量的減少而穩(wěn)定在1976年的河口近側(cè)；相反，渾水主體外邊界與1976年河口的距離呈現(xiàn)與日俱增的趨勢。例如1976年12月渾水主體外邊界與1976年河口的距離僅9.3 km(相應(yīng)沙嘴長≈0)，而1984年10月卻增至33.4 km(沙嘴長18.1 km)；1991年1月又增至46.2 km(沙嘴長21.8 km)；此后，大致維護(hù)在50 km(沙嘴長約28 km)左右。從而不難看出，渾水的擴(kuò)散范圍(自1976年河口起算)與沙嘴延伸長度直接有關(guān)。不過1996年6月黃河口人工改道清水溝清8段面向北入海，自此南側(cè)沙嘴逐漸呈萎縮狀態(tài)，而北側(cè)沙嘴逐漸發(fā)育(圖2)。

2-a 1976-12-012-b 1984-10-052-c 1991-01-262-d 1998-05-052-e 2000-03-072-f 2007-07-17圖2 不同時期黃河口渾水線范圍Fig.2 Muddy waterline range of the Yellow River estuary in different periods

2.2 入海河口變遷與渾水?dāng)U散的關(guān)系

1996年清水溝流路的沙嘴演變表明，當(dāng)沙嘴達(dá)到一定規(guī)模后，將人為開口或自動出汊，沙嘴發(fā)育將再次出現(xiàn)類似老通道沙嘴的發(fā)育模式。這種變化對濰坊港泥沙淤積的影響顯然是一個值得探討的問題。以1996年人工開北口后的沙嘴發(fā)育為例：1996年開北口后，沙嘴將呈緩慢延伸趨勢，其最大長度不會超過30 km。盡管自老通道沙嘴的北側(cè)開口，但入海泥沙的流向并未直指N向，而是指向NE。其原因在于NE方向遠(yuǎn)離岸線，自然水深和納泥量相對較大，有利于泥沙的沉積與宣泄。從老通道沙嘴的走向看，在本海區(qū)水流及偏N強(qiáng)浪向的綜合作用下，總體上沙嘴將向SE方向延伸。從而推測，盡管1996年—1999年北新通道沙嘴在發(fā)育的初期仍呈NE走向，但當(dāng)發(fā)育到一定規(guī)模后，很有可能亦向SE方向偏轉(zhuǎn)。也就是說，盡管在北汊出口，導(dǎo)致入海泥沙與濰坊港的距離增大，但這種優(yōu)勢只體現(xiàn)在沙嘴發(fā)育的初期階段，從整體看入海泥沙的擴(kuò)散范圍不會因出汊口門方向的不同而改變。因此在考慮黃河入海泥沙對濰坊港的影響時，可近似忽略口門變遷這一因素，其影響程度可參照老通道沙嘴的泥沙擴(kuò)散范圍。

3 濰坊港兩側(cè)的灘面淤積

3.1 統(tǒng)計(jì)區(qū)域的劃分

黃河口(0 m線河口)至濰坊港以東水域，按等深線走向的明顯變化及淤積強(qiáng)度區(qū)域分布的差異性，可將該水域分為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)三個區(qū)域。即1984年及2002年各等深線走向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的各拐點(diǎn)(圖3中“△ ”及“O”)連接線以西水域(即圖3中AB直線與CD折線所挾范圍)，稱為“西區(qū)”；上述連接折線至濰坊港航道軸線走向(217.5°～37.5°)以東6.5 km范圍，各等深線走向差別不大，淤強(qiáng)亦顯著下降，故將該水域稱為“中區(qū)”( 圖3中CD和EF所挾范圍)；EF線以東至測圖所能提供的圖幅范圍稱“東區(qū)”。從圖3可以看出，1984年和2002年，東、中區(qū)各等深線基本遵循NW走向，而西區(qū)1984年和2002年卻分別自NW轉(zhuǎn)為偏N(1984年)和NE(2002年)走向，加之等深線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)向后的水域，淤強(qiáng)較大。

3.2 等深線的進(jìn)退

與1984年比較，2002年等深線的變化在西區(qū)、中區(qū)及東區(qū)中表現(xiàn)為不同特點(diǎn)。

西區(qū)：1984年拐點(diǎn)(圖3中“△”)以北的4～8 m各等深線呈偏N走向，而時至2002年，拐點(diǎn)(圖3中“O”)以北4～8 m各等深線卻明顯轉(zhuǎn)為NE走向。即8 m以里，各等深線以大轉(zhuǎn)向角(59°～32°)扇形偏轉(zhuǎn)及等深線的快速推進(jìn)(18 a累計(jì)推進(jìn)12.7～11.4 km；平均推進(jìn)速度706～633 m/a)。

中區(qū)：2002年與1984年比較，除個別等深線仍存在30°左右的偏轉(zhuǎn)角外，其他各等深線，其偏轉(zhuǎn)角或者在10°以內(nèi)，或者表現(xiàn)為平行推進(jìn)和蝕退。其中在4～10 m范圍內(nèi)，等深線的累計(jì)推進(jìn)距離為0.2～3.2 km，平均推進(jìn)速度為12～179 m/a。10 m線以外，等深線出現(xiàn)了蝕退現(xiàn)象。

東區(qū)：2002年與1984年對比，各等深線中累計(jì)最大推進(jìn)距離為876 m(10 m線)，累計(jì)最大蝕退距離為-240 m(7 m線)。雖然等深線的淤進(jìn)與蝕退呈相間分布，似無一定的規(guī)律可尋，但從統(tǒng)計(jì)區(qū)域的總體看，推進(jìn)仍略大于蝕退。

3.3 灘面沖淤

西區(qū)：由淺至深各等深線所挾范圍的累計(jì)淤積強(qiáng)度，自5.8 m(2～4 m線)漸減到0.9 m(10～12 m線)；全區(qū)平均累計(jì)淤強(qiáng)達(dá)2.7 m。

中區(qū)：由淺至深累計(jì)淤強(qiáng)的變化，介于0～0.6 m；全區(qū)平均累計(jì)淤強(qiáng)為0.3 m。

東區(qū)：由淺至深，各等深線所挾范圍的累計(jì)淤強(qiáng)變化在0.3～-0.1 m；全區(qū)平均累計(jì)淤強(qiáng)為0.1 m。

圖4為黃河入海泥沙宏觀沖淤圖。從淤強(qiáng)分布的總體看，西區(qū)明顯大于中區(qū)，中區(qū)略大于東區(qū)。最大淤強(qiáng)出現(xiàn)在黃河口的東南近側(cè)。

圖3 1984年—2002年等深線比較圖Fig. 3 Comparison of isobath lines from 1984 to 2002圖4 1984年—2002年海域沖淤變化圖Fig.4 Erosion and silting change of sea area from 1984 to 2002

4 黃河口入海泥沙擴(kuò)散對濰坊港影響分析

黃河入海泥沙中的細(xì)顆粒通過深水區(qū)的擴(kuò)散及粗顆粒的沿岸運(yùn)動兩種途徑，在一定程度上影響著濰坊港海區(qū)的地形演變。主要體現(xiàn)在以下幾個方面[14]。

4.1 黃河口外渾水主體外邊界抵達(dá)航道

衛(wèi)片判讀表明，黃河自清水溝入海以來，渾水主體外邊界與濰坊港航道軸線的垂向距離，由初期(1976年)的約35 km，減至1999年的8 km，與濰坊港現(xiàn)防波堤頭連線距離由48 km減至30 km。

4.2 “中區(qū)”等深線明顯外移

濰坊港所處水域(即“中區(qū)”)，在水深4～10 m范圍內(nèi)，2002年與1984年比較，等深線向海推進(jìn)的累計(jì)距離為0.2～3.2 km，推進(jìn)速度為12～179 m/a；2～12 m范圍的最大淤強(qiáng)為0.6 m，平均淤強(qiáng)為0.3 m，中區(qū)平均淤量為740萬m3。濰坊港兩側(cè)除黃河外，其他諸河來沙量甚微，岸線無侵蝕跡象，4 m線以內(nèi)的灘面亦基本穩(wěn)定，即使處于微沖，因4 m線以內(nèi)所覆蓋的面積有限，所以沖刷量亦將遠(yuǎn)小于其外堆積量(740萬m3/a)，因此濰坊港外航道會受黃河泥沙擴(kuò)散影響是顯然的。

4.3 “西區(qū)”強(qiáng)淤積線逼近航道軸線

西區(qū)處于強(qiáng)淤積狀態(tài)。其中，淤強(qiáng)為1 m的等值線(自然水深7.5～10 m區(qū)域)與航道軸線的垂向最小距離已不足2 km，平均距離亦僅5.7 km；在自然水深10～12 m區(qū)域內(nèi)，二者的最小距離為4.8 km ，平均距離為7.7 km。即使淤強(qiáng)為2 m的等值線，與航道軸線的最小垂向距離亦僅7.7～9.1 km。

4.4 存在向?yàn)H坊港海區(qū)的沿岸輸沙

研究沿岸輸沙的方法有多種：如波能法，即認(rèn)為沿岸輸沙率與波能沿岸分量成正比，通常采用一些半經(jīng)驗(yàn)公式(如我國《港口與航道水文規(guī)范》中的推薦公式[15])計(jì)算、重礦物分析、地貌形態(tài)(如沿岸沙壩延伸方向)等分析方法。除此外，河口水道軸線的位移也常被利用于對沿岸輸沙方向的判斷。一般認(rèn)為，河口水道自一個方向規(guī)律地向另一個方向發(fā)生位置上的移動，則其位移方向常被視為沿岸輸沙的去向。

圖5清楚地展現(xiàn)了1969年—1980年期間河口2 m槽的擺動狀況：在11 a的時間內(nèi)，河口通道的內(nèi)端平面位置變化不大，但其外卻呈扇形不斷向東偏轉(zhuǎn)。其中，1969年—1976年的擺動總距離為700 m(100 m/a)；1976年—1978年、1978年—1979年和1979年—1980年，均分別累計(jì)向東擺動150 m。從小清河口2 m槽的擺動可以認(rèn)為濰坊港海區(qū)存在一定的沿岸泥沙輸送。

圖5 小清河口2 m等深線擺動情況Fig.5 The 2 m isobath swing in Xiaoqing Estuary

從動力條件上來看，小清河口以北的岸線大致成S—N走向，黃河口附近的強(qiáng)浪向?yàn)镹E，濰坊港海區(qū)的強(qiáng)浪向?yàn)镹NE，次強(qiáng)浪向?yàn)镹，顯然上述二種岸線走向與強(qiáng)浪向和次強(qiáng)浪向均存在一定的有利于泥沙自N向S或自W向E運(yùn)移的交角，加之黃河入海泥沙雖然較細(xì)，但由于入?？偵沉枯^大，所以其間也不乏粗顆粒成份。充足的沙源、必要的波浪動力及有利于向?yàn)H坊海區(qū)輸送的浪岸夾角，滿足了實(shí)現(xiàn)泥沙沿岸運(yùn)動的所有必要條件。

但是，從濰坊港區(qū)及其附近4 m線以里灘面基本平衡，甚至略有沖刷，以及濰坊港以東約50 km處突出于岸線的人工堤壩的迎沙面淤積甚微看，沿岸輸沙量不大，不會成為有雙堤掩護(hù)條件下港口淤積主要的直接沙源。

5 結(jié)語

(1)1976年黃河從清水溝入海至1996年，沙嘴累計(jì)延長29.2 km，平均速度為1.5 km/a。盡管沙嘴演變與來沙量直接相關(guān)，來沙豐則進(jìn)，來沙少則退。但綜合分析表明，今后沙嘴仍將呈緩慢延長趨勢，其極限長度在30 km左右。

(2)黃河口外渾水的擴(kuò)散范圍與沙嘴延伸長度成正相關(guān)。渾水?dāng)U散對濰坊港的影響隨沙嘴長度增加而增加：1976年—1981年，沙嘴長近于0～9.4 km，渾水主體外邊界與濰坊港航道軸線的垂向距離為33～35 km；而1991年—1999年，沙嘴增至22～28 km，渾水主體外邊界與航道軸線的距離則減至5～8 km。渾水?dāng)U散已鄰近航道(特別是自然水深7.5～10 m段)，并且隨著時間的延續(xù)而靠近，甚至超越。

(3)黃河口至濰坊港區(qū)附近，鄰近黃河口的“西區(qū)”淤積強(qiáng)度大、等深線向外推進(jìn)速度快。從渾水主體外邊界及西區(qū)強(qiáng)淤積等值線目前已逼近航道軸線，并呈發(fā)展趨勢判斷，黃河細(xì)顆粒泥沙來源充沛，對濰坊港外航道淤積將產(chǎn)生較明顯的影響。黃河口至濰坊港區(qū)，雖然沿岸粗顆粒泥沙的輸送量不大，但對港區(qū)水深4 m以內(nèi)灘面粗物質(zhì)向深水區(qū)輸送流失卻是一種補(bǔ)充，并將成為開敞航道粗顆粒淤積的沙源之一，從而增加了開敞航道水深維護(hù)的難度。