黄河三角洲海岸线的演变特征及淤进和蚀退临界水沙值研究

唐国中， 封德宏， 王富强,3， 侯新丽

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.河南省燕山水库管理局，河南 叶县 467224；3.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，河南 郑州 450046)

黄河以泥沙含量高而闻名于世，其含沙量居世界各大河之冠[1]。由于持续的水沙供给和海洋动力的轻微影响，加上水浅坡缓，使大量泥沙在黄河河口区域沉积，导致黄河三角洲的面积不断增大[2]。20世纪70年代以来，人类活动的不断影响和水利工程的逐步建设，使黄河河道缺乏足够的水沙供给，黄河海岸带出现严重的蚀退现象，导致胜利油田许多盛产期的油田机井被海水倒灌破坏，造成巨大的国土资源流失和严重的经济损失。黄河改道清水沟流路后，1976—2015年间，黄河河口区人类活动频繁，黄河三角洲沙嘴形态不断变化。为保障胜利油田的石油机井顺利工作，在黄河河口清8断面附近进行了人工改汊，改道后黄河流经清水沟北汊入海，淤积形成北边的新沙嘴，而南边的老沙嘴不断蚀退[3-4]。

黄河三角洲湿地是我国暖温带保存最完整、最广阔、最年轻的滨海湿地，也是东南亚(东北亚内陆和环西太平洋)鸟类迁徙中转站和越冬栖息地的重要区域，不仅具有海陆过渡性、原生性和脆弱性的特点，还具有快速演化和高速沉积的独特性，是科学研究的天然实验室，是近年来国内外生态水文学家高度关注的研究区域。自19世纪以来，国内学者对黄河三角洲的水沙特征、河道演变、三角洲和海岸线淤进、蚀退变化展开了大量的研究，为黄河三角洲的合理开发利用提供了许多建设性成果。其中，牛明香等运用Landsat卫星影像数据，利用平均高潮线法进行海岸线信息的提取，求得黄河三角洲东营段1986—2015年的面积变化，并对黄河三角洲海岸线变迁的时空变化规律进行了分析[5]。李贺等通过长时间序列卫星遥感图像，在确定黄河三角洲面积的基础上，对黄河三角洲岸线进行了冲淤演变研究[6]。本文在分析了自黄河改道清水沟后黄河三角洲冲淤变化过程的基础上，通过对黄河三角洲1976—2015年的遥感影像的解译，分析黄河三角洲海岸线的动态变化特征，结合王恺忱和许炯心的1955—1989年黄河三角洲冲淤造陆数据[7-8]，并综合以往的造岸水沙临界综合关系式，提出黄河三角洲海岸线淤进和蚀退的演变与黄河入海水量和沙量的关系，确定维持黄河三角洲海岸线淤进和蚀退平衡的水沙临界值，并提供相应的维持其平衡的应对措施，这些可为研究黄河三角洲海岸线的动态变化及综合管理提供一定的理论依据。

1 数据及方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲是中国的大型河口三角洲之一，其发育演变速度极快。黄河三角洲是由黄河填海造陆形成的，由于黄河泥沙含量高，年输沙量大，黄河河口按照“淤积—延伸—摆动—改道”的规律不断演变，河口三角洲面积不断扩大，海岸线不断向海淤进，随着时间的推移形成黄河三角洲。黄河三角洲位于山东省北部，总面积5 450 km2，其中，有5 200 km2面积在山东省东营市境内。

黄河三角洲地处中纬度地区，多年平均气温11.7 ℃，属暖温带季风大陆性气候，多年平均降水量为555.9 mm，降水量年内变化大[9-10]。黄河三角洲太阳能资源丰富，日照时间长，全年日照时数可达2 700 h，属我国太阳能资源分布三类地区。1992年，国家在黄河三角洲建立了自然保护区，同时，黄河三角洲有代表性的暖温带湿地生态系统[11]。黄河三角洲内的鸟类十分丰富，区域内共有鸟类283种，其中珍稀鸟类31种[12-13]。

黄河三角洲内植物资源更加丰富，共有植物685种。盐地碱蓬、柽柳和罗布麻在区内广泛分布，国家二级重点保护植物野大豆集中分布面积达6.5万亩。区内自然植被覆盖率达55.1%，是中国沿海最大的新生湿地自然植被区。

由于有大量的泥沙在黄河三角洲河口区域不断沉积，导致该区域呈现出总体西高东低的地形特征[14-15]。文中的研究区为现代黄河三角洲区。现代黄河三角洲区以渔洼为顶点，北起挑河湾南至宋春荣沟。黄河口岸线指5号桩到宋春荣沟段的岸线[16]，主要研究区为黄河三角洲区域内清水沟河口区，如图1所示。

图1 黄河三角洲地理位置

1.2 分析方法

文中1955—2015年的黄河入海径流量和入海输沙量资料来自黄河利津水文站的实测数据和相关文献。选用美国Landast TM和Landast OLI多时相系列遥感影像数据来分析，选取黄河三角洲1976—2015年共40 a的遥感影像进行分析计算，利用ENVI 5.3软件对遥感影像进行波段组合、辐射定标和大气校正等预处理操作，裁剪后得到研究区影像[17-19]。

当水陆边界线受海洋潮汐和地形地貌的影响较小时，提取海岸线可使用阈值法。但黄河三角洲的水沙情况年际变化较大，且极易受海洋动力的影响，黄河三角洲海岸线不稳定，又缺少潮位和地形资料。因此，为得到海岸线的真实变化情况[20]，选择平均潮位线法来确定黄河三角洲海岸线的动态演变。

平均潮位线是指海洋中发生一般高潮时所淹没的平均界线。文中通过ArcGIS软件来确定海陆分界线即瞬时水位线，参考樊彦国等对黄河三角洲海岸线提取的方法[21]，利用ENVI 5.3软件对预处理后的遥感影像进行监督分类等处理，结合计算机解译和目视解译2种方法，最终确定出黄河三角洲在研究区段内的平均潮位线，即黄河三角洲的海岸线。

利用相关线性回归分析软件，对1955—2015年间黄河入海径流量和入海输沙量间的变化规律以及两者之间的关系进行分析，并运用一元线性回归的方法，对入海径流量与造陆速率、入海输沙量与造陆速率间的关系求解，列出入海径流量和造陆速率、入海输沙量和造陆速率的关系式，确定黄河三角洲海岸线淤进和蚀退平衡的临界条件。

2 分析与讨论

2.1 黄河三角洲来水和来沙特征分析

根据利津水文站1955—2015年的实测数据，黄河历年的径流量和输沙量总体呈现减小趋势，年际间呈现丰枯交替的变化规律。1955—2015年间，黄河利津水文站的平均年径流量为283亿m3，年径流量最大值973亿m3出现在1964年，最小值19亿m3出现在1997年，极值比为51.2，年径流量的变异系数为64.6%；平均年输沙量为6.425亿m3，年输沙量最大值20.9亿m3出现在1967年，最小值0.16亿m3出现在1997年，极值比为130.6，年输沙量的变异系数为84.3%。黄河入海口的年入海径流量与年入海输沙量之间呈显著的正相关关系，相关系数为0.7，如图2所示。

黄河入海年径流量和输沙量的历年变化如图3所示。由图3可以看出，黄河入海年径流量和年输沙量呈总体减小趋势，在2002年出现转折，此后连续几年黄河入海年径流量小幅增加，黄河入海年径流量均大于190亿m3，年输沙量也在2003年显著增加，达到了3.7亿m3，此后又呈减小趋势。说明2002年的黄河调水调沙等人工干预改善了黄河入海口的水沙关系[22-24]。

图2 黄河利津水文站测得的年径流量和年输沙量的关系

图3 1955—2015年黄河利津水文站历年径流量和输沙量

2.2 黄河三角洲海岸线动态变化特征分析

根据黄河利津水文站的径流和输沙资料、河道的摆动情况、卫星遥感影像，绘制出1955—2015年黄河三角洲面积的变化趋势，如图4所示。1955—2015年黄河三角洲各时段的演变情况见表1。

图4 1955—2015年黄河三角洲面积的变化趋势

表1 1955—2015年黄河三角洲各时段的演变

由表1和图4可知，黄河三角洲的生长发育可以分为4个阶段：①缓慢淤进阶段，1955—1975年，黄河三角洲的面积缓慢增加，且年淤进面积逐渐增加，共净淤进239.2 km2，年均净淤进11.4 km2；②快速淤进阶段，1976—1985年，黄河三角洲区发生强烈的淤积作用，三角洲面积迅速增加，且年淤进面积逐渐增加，共净淤进162.6 km2，年均净淤进16.3 km2；③淤进和蚀退的相互作用阶段，1986—1995年，黄河三角洲出现快速的淤进和强烈的蚀退作用，且蚀退的面积与淤进的面积之间的差值越来越小，共净淤进97.8 km2，年均净淤进9.8 km2；④稳定海岸线阶段，1996—2015年，黄河三角洲的海岸线较为稳定，经过水资源综合配置和调水调沙后，黄河三角洲造陆过程的淤进作用和蚀退作用达到稳定状态，共净淤进17.98 km2，年均净淤进6.9 km2。

2.3 黄河三角洲海岸线淤进和蚀退临界值的研究

2.3.1 造陆速率与黄河入海径流量的关系

图5点绘了黄河三角洲冲淤造陆速率A与入海径流量Q之间的关系，其中王恺忱和许炯心计算得到的1955—1989年间的数据与文中1976—2015年间的数据拟合程度较高。通过数据分析发现，黄河入海年径流量和年输沙量之间呈显著的正相关，入海径流量增大，入海泥沙被输送距离更远，冲淤造陆面积也随之增大。A和Q的关系式为：

一是“政府工程模式”。贫困地区政府依托“阳光工程”“送教下乡”工程，将新型职业农民培育纳入其自我管理体系中，紧密结合当地农业生产特点和农民实际需求，通过派遣农业专家深入基层授课、推广远程培训、实施“田间课堂”等形式，形成政府主导的新型职业农民培育模式。

A=0.162Q-17.033，R2=0.819。

(1)

当黄河三角洲造陆过程处于淤进和蚀退相互作用的平衡状态时，A=0，则式(1)转化为：

0.162Q=17.033。

(2)

解得Q=105.14亿m3/a。该值即为维持研究区内冲淤造陆动态平衡的临界年入海径流量。

图5 黄河三角洲造陆面积与入海径流量关系图

2.3.2 冲淤造陆速率与入海输沙量的关系

黄河三角洲冲淤造陆速率A与入海输沙量Qs间的关系如图6所示。

通过分析图6中的数据发现，A和Qs之间呈显著的正相关，入海输沙量增大，冲淤造陆面积随之增大。A和Qs的关系式为：

A=5.68Qs-9.976，R2=0.823。

(3)

当黄河三角洲造陆过程处于淤进和蚀退相互作用的平衡状态时，A=0，式(3)转化为：

5.68Qs=9.976，

(4)

解得Qs=1.76亿t/a。该值即为维持研究区内冲淤造陆动态平衡的临界年入海输沙量。

从上述分析可以看出，黄河三角洲造陆面积与黄河入海径流量和输沙量之间存在着正相关关系。当黄河上游来水和来沙量大时，黄河三角洲海岸线向水域推进，黄河三角洲冲淤造陆面积增大；当黄河上游来水和来沙量小时，黄河三角洲海岸线向后蚀退，造成湿地生态系统退化，三角洲面积缩小，严重影响该区经济的发展。

图6 黄河三角洲造陆面积与入海输沙量关系图

为了研究黄河三角洲冲淤造陆速率与入海水、沙量之间的综合关系，探讨维持黄河三角洲海岸线淤进和蚀退整体平衡的综合临界水沙条件，确定维持黄河三角洲规划治理、开发利用的合理范围。文中利用黄河清水沟河口1955—2015年的水沙造陆年系列资料，研究黄河三角洲河口造陆速率与来水量和来沙量的综合关系，运用多元线性回归法建立二者之间关系的方程，推导维持黄河三角洲海岸线动态平衡的综合水沙调控关系式。

选择长系列各时段的入海径流量Q和入海输沙量Qs为自变量，各时段对应的造陆速率A为因变量，建立黄河三角洲冲淤造陆速率与来水量和来沙量间的二元回归方程：

A=0.027Q+4.699Qs-8.261。

(5)

由式(5)回归分析可得，复相关系数R=0.85，方差检验量F值为48.63，显著性水平α=0.01。由此可知，来水量和来沙量的综合相关系数大于单一径流量或输沙量与黄河三角洲冲淤造陆速率间的相关系数。当河口泥沙淤积作用和受海洋动力作用蚀退对于黄河三角洲冲淤造陆的影响相当时，黄河三角洲冲淤造陆过程处于临界平衡状态。令式(5)左端为零得：

0.027Q+4.699Qs=8.261。

(6)

由式(6)可知，当某一时段黄河入海径流量和入海输沙量同时满足式(6)时，该时段造陆速率为零，黄河三角洲冲淤造陆过程处于临界平衡状态，故式(6)可以称作黄河三角洲冲淤造陆综合临界水沙条件关系式。

通过分析黄河入海径流量、入海输沙量与黄河三角洲冲淤造陆速率间的关系，求解出维持黄河三角洲海岸线动态平衡的临界条件。维持研究区内冲淤造陆动态平衡的临界年径流量为105.14亿m3/a、年输沙量为1.76亿t/a，水沙条件关系式为0.027Q+4.699Qs=8.261。当年径流量和年输沙量中有一个大于其临界值时，黄河三角洲海岸线将持续向水域推进。但是，如果来水量和来沙量中有一个小于其临界值时，黄河三角洲海岸线的淤进和蚀退状态无法确定，其具体确定取决于另一个量的大小。

3 结论

1)黄河入海水、沙量总体呈现减小趋势，黄河三角洲海岸线的淤进和蚀退保持基本稳定，黄河三角洲造陆面积与入海径流量、入海输沙量之间存在着较强的正相关关系。黄河上游来水和来沙量是影响黄河河口海岸线演变的主要因素。当黄河上游来水和来沙量大时，海岸线向水域推进，黄河三角洲冲淤造陆面积增大；当黄河上游来水和来沙量小时，海岸线受海洋动力影响向后蚀退。

2)通过研究黄河三角洲入海径流量、入海输沙量与冲淤造陆速率的关系，得出临界水沙条件：临界年径流量为105.14亿m3/a、临界年输沙量为1.76亿t/a，临界水沙条件关系式为0.027Q+4.699Qs=8.261。当入海径流量和入海输沙量满足该式时，黄河三角洲区冲淤造陆处于临界平衡状态。

3)本文仅对黄河三角洲海岸线演变过程进行研究，未对该海岸线未来的演变趋势进行预测，在以后的研究中可利用BP神经网络等预测模型预测黄河三角洲海岸线的演变。此外，本文的研究局限于平面空间，不能很好地反映黄河三角洲海岸线淤进和蚀退的空间特性。