凡姚申,陈沈良,窦身堂,于守兵,杜小康

(1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院,河南 郑州450003；2.水利部 黄河泥沙重点实验室,河南 郑州450003；3.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海200241)

受气候变化和人类活动的影响,海岸侵蚀已是一个世界性的问题,特别是大河三角洲的海岸侵蚀尤为引人关注,如埃及的尼罗河三角洲[1-3]、越南的湄公河三角洲[4-5]、中国的黄河三角洲[6-7]。中国河口三角洲地区的海岸侵蚀在不断加剧[8],如滦河三角洲、黄河三角洲、废黄河三角洲、长江口南岸都表现较高的侵蚀速率。近年来,大规模海岸围垦建堤,致使人工岸线不断增加[9],岸线被固定,堤前海床下蚀成为主要的海岸侵蚀形式。

黄河三角洲属于弱潮河控型三角洲,其由高输沙能力的河流注入弱潮动力环境海域所形成,曾是世界上堆积速率最快、演变最剧烈的大河三角洲。近年来,受流域气候变化和人类活动的影响,黄河入海水沙持续减少,呈现枯水少沙情势,三角洲呈整体蚀退态势。东营港—孤东海岸是黄河三角洲沿岸的工程防护区,受孤东大堤和东营港海堤的防护,该区域的海岸线处于固定状态,但堤外海床侵蚀强烈,大量海堤、护岸、滩海路堤等海岸工程建筑物基础受到冲刷毁坏,严重威胁到油田和海港安全。

目前黄河三角洲海岸侵蚀防护问题已成为诸多学者关注的热点之一。以往对于黄河口区冲淤演变研究较多,但对于工程防护区海床长时间尺度侵蚀过程研究较少,从而对堤前海床稳定性状况缺乏整体认识。鉴此,本文基于多次实测的地形数据和波浪资料,评估黄河三角洲工程防护区海床侵蚀不稳定性及其发展趋势,为新情势下黄河三角洲综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

现代黄河三角洲是1855年黄河在河南兰考铜瓦厢决口,夺鲁北大清河回归渤海以来,发育形成的以山东垦利宁海为顶点,西起套尔河口南至支脉沟口,向海延伸至15～20 m等深线的扇形堆积体(图1)。黄河来沙量大,入海流路长期处于淤积、延伸、出汊、摆动、改道的频繁变化过程。1855年以来,黄河入海流路经历了11次大的流路改道与50余次出汊过程,并受海洋动力的改造和人为工程的影响,形成了目前的三角洲形态。

黄河口清水沟流路自1976年在西河口附近经人工改道后开始行河,改道初期(1976-06—1979-09)河道处于游荡散乱多股状,入海口在现在的孤东油田陆上核心区,孤东“锤形”沙嘴也主要在这个阶段淤积造陆形成(图2)。1980年后入海流路南迁,并逐渐自上而下归股稳定,尤其是1992年后,摆动幅度更趋微弱,孤东海域南部的清水沟三角洲叶瓣逐渐形成发育(图2)。随着黄河入海口逐渐南偏,入海泥沙输运扩散至孤东海域的量急剧减少,致使孤东海域成为严重的侵蚀区。为了保证孤东油田的安全生产,1985年开始修建孤东大堤,1987年全面竣工,大堤全长17.2 k m,呈西北—东南走向。20世纪90年代,随着东营港的投入使用,海港及其附近海岸修筑了北起桩106(Z106,位置见图1)南至神仙沟口的人工海堤,与孤东大堤共同构成了约50 k m的黄河三角洲工程防护区海岸(图1)。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

图2 1976—1996年入海流路摆动过程Fig.2 Swing process of t he part h flowing into the sea fro m 1976 to 1996

2 数据处理

为定量分析海床侵蚀过程,收集了1992年、2000年、2007年和2015年的黄河三角洲近岸海域水下地形测量数据,水深数据统一为黄海基准面。使用Matlab中的IDW(Inverse Distance Weighted)插值程序将水深散点插值到分辨率为30 m×30 m的网格上生成数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)。基于各年份的DEM,建立水下地形地貌空间数据库,不同年份的DEM相减即可计算冲淤量。由于这些优点,世界上其他河口三角洲地区的冲淤演变研究也广泛采用此种空间地貌处理方法[11-13]。

3 工程防护区海床侵蚀特征

3.1 海床侵蚀时空格局

工程防护区海岸形态受控于大堤,基本呈东南—西北走向,岸线较平直,Z106到北汊沟口的连线也呈东南—西北走向,大致与实际海岸平行,可作为等效岸线来分析等深线距岸的距离。为分析海床侵蚀时空格局,分别建立距等效岸线5,8,10,15和20 k m的缓冲区(图3),计算不同缓冲区内1992—2000年,2000—2007年和2007—2015年三个时段海床的冲淤变化(表1),进而定量分析侵蚀过程。

图3 1992—2015年东营港—孤东海岸近岸海床冲淤分布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个时段中,1992—2000年距岸20 k m区域内海床侵蚀量略大于2007—2015年,其他区域侵蚀量和侵蚀速率都明显小于其他2个时段；2000—2007年侵蚀最剧烈,该时段距岸5 k m区域内侵蚀量小于2007—2015年,其他区域侵蚀量和侵蚀速率都大于其他2个时段。

同一时段不同区域冲淤差异明显。1)1992—2000年距岸5 k m区域内净淤积,平均淤积速率6.75 c m/a,而距岸8 k m区域内(包括5 k m以内,下同)净侵蚀,且侵蚀量明显大于其他区域,达52.74 k m3,侵蚀速率达33.6 k m/a,可见该时段的侵蚀主体位于距岸5～8 k m的区域内。2)2000—2007年距岸5,8和10 k m区域内侵蚀速率逐次增加,最大达20.90 c m/a,这说明在距岸10 k m区域内,越远离岸泥沙侵蚀量越多。而距岸15 k m区域内虽然也表现为净侵蚀,但侵蚀速率小于距岸10 k m区域内,减小的侵蚀速率说明距岸10 k m区域外海床虽以侵蚀为主,但也有泥沙沉积,只是泥沙沉积量小于侵蚀量。同样,距岸20 k m区域内侵蚀速率小于距岸15 k m区域内的侵蚀速率,这也说明该15 k m区域外的海床有泥沙沉积。由此可知,该时段距岸10 k m以内是侵蚀主体区域,而10 k m以外有泥沙沉积。3)2007—2015年距岸5和8 k m区域内侵蚀速率逐次增加,最大达15.54 c m/a,而距岸10 k m区域内虽然也表现为净侵蚀,但侵蚀速率小于距岸8 k m区域内,同样,距岸15和20 k m区域内侵蚀速率也依次减小,由此可知,该时段距岸8 k m以内是侵蚀主体区域,而8 k m以外出现泥沙沉积。

表1 东营港—孤东海床冲淤计算Table 1 Calculations of erosion and accretion of the seabed along the Dongying Port-Gudong coast

同一区域不同时段冲淤差异明显。1)距岸5 k m区域内,1992—2000年表现为净淤积,年淤积速率为6.75 c m/a,而2000年后的2个时段,该区域海床侵蚀明显,且侵蚀速率从2000—2007年的5.37 c m/a,增加到2007—2015年的8.82 c m/a,这说明大堤堤前侵蚀越来越严重。2)距岸10 k m区域内,2000—2007年和2007—2015年两个时段的侵蚀速率相差不大,分别为16.03和15.54 c m/a,在2000—2007年该区域海床侵蚀主要出现在孤东南大堤外,而在2007—2015年该区域海床侵蚀主要出现在海港大堤外。

3.2 孤东南大堤海床形态

1992—2000 年内侵蚀主体在距岸5～8 k m区域内,堤前(距岸5 k m区域内)以淤积为主；2000—2007年海床侵蚀明显,距岸10 k m区域内都表现强烈的侵蚀；2007—2015年距岸8 k m区域内表现强烈侵蚀,且堤前较上一时段侵蚀量增大,海床侵蚀向岸加剧。这种侵蚀发展过程也影响着黄河水下三角洲的地貌格局。2007年黄河入海流路向北分汊后,随着现行河口沙嘴的向北淤积延伸,逐渐延伸到孤东南大堤外的深水区,而孤东南大堤堤前浅水区不断侵蚀,逐渐形成了南大堤外“近岸区深,远岸区浅”的反剖面形态。选择南大堤外一条垂直于大堤走向的21号水深断面,可以清晰地看出反剖面形态的演变过程。由图4可知,2007年该断面水深随离岸距离增大而增大的正常形态；随着河口沙嘴和拦门沙向北延伸,距起点25～30 k m处海床不断淤积,而近岸堤前不断侵蚀,2014年已经出现反剖面形态,即远岸区水深反而小于堤前近岸区水深,至2016年这种形态还在持续发展。

图4 孤东南大堤外的反剖面形态及其发展过程Fig.4 The for m of the reverse profile and its developing process in the offshore area of the southern Gudong dike

4 堤前海床不稳定性评估

4.1 评估方法

海堤对其内侧陆域起到防护作用,而堤前的海床往往处于侵蚀不稳定状态。在各种不确定性因素下,近岸海床等深线变化可反映海堤及堤前海床的稳定性[14],可基于海床等深线对其进行不稳定性评估。考虑到研究区近岸海床侵蚀主要发生在距岸10 k m区域内,选取历年2,5,和10 m等深线,对2000—2015年近岸海床不稳定性指数进行计算。首先计算“点”层面的不稳定性指数:基于Arc GIS-DSAS技术,建立垂直于等效岸线(参考线)的断面；计算每条等深线与参考线间断面长度,作为等深线距岸的距离(L)；再根据波浪作用床面的临界水深对2,5和10 m等深线赋权重值(Q),3条等深线L与Q乘积的加和即为“点”层面的不稳定指数(Isi)。最后将各交点不稳定指数分级,相同级别的交点连线,得到近岸“线”层面的不稳定级别。不稳定指数的计算公式:

式中:Q为各等深线权重值,下标表示相应的等深线。

等深线离岸越近对海堤稳定性的指示意义越大,距岸距离的系数Q可依据波浪在不同水深范围内的破碎、扰动频率来确定。波浪的破碎深度可以波高的1.28倍计算。波浪的扰动深度可视作波浪作用下的海床泥沙全面移动的临界水深,可根据佐藤公式计算[15-16]:

式中:Ho和Lo分别为深水波高和波长；Hc和Lc为当地的波高和波长；hc为临界水深；D50为泥沙中值粒径。计算时,Ho可消去,Lo和Lc可根据Airy线性波理论分别表示[17]:

式中:To和Tc分别为深水波周期和hc当地的波周期；g为重力加速度。研究区海域开阔,近岸风场受深水区风区控制,风速可视作基本相同,即Tc≈To,代入式(4)后,再与式(3)一起代入式(1),经整理后可得临界水深hc的计算公式:

根据观测波浪资料,可知工防护区近岸海域各级波浪的破碎深度、扰动深度；各级波浪出现的频率计算得破碎频率和扰动频率(表2)。由此可知,波浪破碎和扰动频率随水深增大而减少,波高为0.6 m的波浪能移动1.38 m以浅的海床泥沙全面移动,2.05 m以浅的近岸海床泥沙全部扰动需要波高为0.8 m的波浪。根据扰动频率的平均值,可求得0～2.05 m范围内的海床扰动频率为64.18%,相应地可求得2.05～5.86 m范围内的海床扰动频率为29.04%,5.86～9.51 m内的海床扰动频率为9.08%。这3个水深范围,十分接近2,5,和10 m等深线划分的海床区域。因此,归一化3个水深范围内的扰动频率得到2,5和10 m等深线权重系数分别为63%,28%和9%。

表2 工程防护区近岸海域各级波浪的破碎深度、扰动深度及其相应的频率Table 2 Wave breaking depth,disturbing depth and their corresponding frequency in t he nearshore area of the engineering protection zone

4.2 评估结果

根据上述方法,计算得到“点”层面的Isi集中分布在1.01～1.76范围内。按四分位分级原则,将Isi≤1.2的点连线,得到“线”层面的不稳定结果,并将其分级为弱不稳定型堤前海床；相应地,将1.2＜Isi≤1.4的点连线,划分为一般不稳定型堤前海床；将1.4＜Isi≤1.6的点连线,组成强不稳定型堤前海床；将1.6＜Isi的点连线,归为极强不稳定型堤前海床,评估结果如图5所示。

图5 1992—2015年堤前海床不稳定性评估结果Fig.5 Instability assess ment of the seabed in front of the dike during 1992-2015

1992—2015 年随着近岸海床的持续侵蚀,等深线不断向岸移动,堤前海床不稳定性逐渐加剧(图5)。1992年堤前海床主要为弱稳定性和一般不稳定型,分别长29.63和16.25 k m,共占整个工程防护海岸的91.05%(图6),强不稳定型堤前海床只出现在孤东南大堤中部向海凸出处,长4.51 k m,占比8.95%。2000年弱不稳定型堤前海床区域减少,而一般不稳定型和强不稳定型相应增加,分别增加到20.38和15.69 k m,后者占比也从1992年的不足10%增加到31.14%。2007年海床不稳定性继续加强,孤东南大堤和东营港中部向海突出处2 m等深线侵蚀消失,堤前海床分别发展为极强不稳定型和强不稳定型；整个防护区强不稳定型和极强不稳定型堤前海床已经增加到23.57 k m,占比46.78%,而弱不稳定型海床减少到7.24 k m,仅占14.37%。2015年已不存在弱不稳定型海床,整个防护区堤前海床以强不稳定型和极强不稳定型为主,分别长17.59和24.84 k m,共占比84.20%,几乎整个南大堤堤前都发展成极强不稳定型海床；5 m等深线已经接近东营港海岸,其堤前海床也发展成强不稳型和极强不稳定型。由此可见,受持续侵蚀的影响,工程防护区堤前海床的不稳定性逐渐加剧,海堤和堤前海床迫切需要加强防护。

图6 1992—2015年堤前海床不稳定性各级所占比例Fig.6 Instability grade proportion of the seabed in front of the dike during 1992-2015

5 结 语

东营港—孤东工程防护区近岸海床是黄河三角洲海岸侵蚀最强烈的区域,为更好地评估该区域的海床侵蚀不稳定性及其发展趋势,本文基于多次实测地形数据和波浪资料,研究了黄河三角洲工程防护区海床侵蚀过程及稳定性变化。得到主要结论如下:

1992—2000 年海床侵蚀主体在距岸5～8 k m区域内,堤前(距岸5 k m区域内)以淤积为主；2000—2007年海床侵蚀明显,距岸10 k m区域内都表现强烈的侵蚀；2007—2015年距岸8 k m区域内表现强烈侵蚀,且堤前海床较2000—2007年时段侵蚀量增大,海床侵蚀向岸加剧。工程防护区海床侵蚀发展过程也影响着黄河水下三角洲整体的地貌格局,孤东南大堤外海出现了“近岸区深,远岸区浅”的反剖面形态。随着工程防护区近岸持续侵蚀,等深线不断向岸移动,堤前海床不稳定性逐渐加剧,2015年84.20%的堤前海床处于强或极强不稳定状态。

海堤和堤前海床迫切需要加强防护,建议对已破坏的海堤要及时进行维护,并定期进行海堤状况及海床地形监测,开展海堤破坏与海床侵蚀的机理研究,提出科学治理海岸侵蚀的应对策略。