黄河口沙嘴演变及泥沙扩散对潍坊港海区的影响分析

张 杰，杨春松

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程研究中心 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.国家发展与改革委员会国家投资项目评审中心，北京 100037 )

潍坊港位于渤海南部的莱州湾(图1)，距离潍坊市区60 km，西距东营港广利港区约18 km，东距龙口港约120 km，为国家一类对外开放口岸、山东省区域性重要港口。潍坊港划分为东、中、西三个港区。中港区是潍坊港的主体港区，位于潍坊滨海经济开发区海岸，白浪河入海口西侧，现有码头与黄河入海口直线距离约45 km，从宏观背景来看，潍坊港海域处于黄河口入海泥沙扩散范围之内，受到黄河口入海泥沙或三角洲浅滩泥沙在风、浪以及潮流作用向外扩散的影响。为此需要研究黄河口输水输沙对潍坊港海区地形和外航道淤积的影响，为后续潍坊港的工程建设服务。

图1 潍坊港地理位置及形势示意图Fig.1 General situation of Weifang Port

工程区位于莱州湾西部沿岸，为黄河近代冲积、海积平原，东部为广阔的泥质粉砂及粉砂组成的平缓岸滩，其坡度在0.5‰～1.0‰[1-2]。潍坊港海域潮汐属于不规则半日潮，平均潮差1.6 m左右，最大潮差3.0 m左右。该海域潮流为规则的半日潮流，呈明显往复流性质，涨潮流向为SW向，落潮流向为NE向；涨、落潮平均流速在0.12～0.35 m/s，实测最大流速不超过0.8 m/s。本区常风向为SE—SSE，风速较小且为离岸风，对本区影响较小；强风向为NE向，且为向岸风，对本区影响较大。常浪向和强浪向均在N—NE向范围，潍河口最大波高2.0 m；该海域为风暴潮常发区，温带风暴潮出现频率较大，多发生在春季4月、5月或秋季，风暴最大增水达3.55 m[1-2]。该海域实测涨落潮平均含沙量在0.2～0.5 kg/m3；本区海床底质沉积物平均中值粒径介于0.035 5～0.080 2 mm，以砂质粉砂、粘土质粉砂分布最广，总体呈自西向东由细转粗，从岸到海由粗转细的趋势[3]。

潍坊港现有港区与黄河入海口直线距离约45 km，处于黄河口入海泥沙扩散范围之内。黄河口入海泥沙对潍坊港及其周边沉积物和地形等均产生了不同程度的影响[3-8]。在历史时期，黄河三角洲岸线及沙嘴的演变从大格局上可分为两个时间段，一是淤进期，另一个是蚀退期。淤进期：自黄河三角洲演变有较详记载的1954年以来，尽管其间各年的来沙状况有所差别，三角洲向外延伸速度各不相同，但总体上表现为淤进的规律不变。蚀退期：当黄河改道后，由于泥沙来源断绝或者大幅度减少，此时影响三角洲发育的水动力及沙量两大因素中，从改道前的来沙量占主导转化为改道后的水动力占优，此时岸线则无例外的表现为蚀退。自1976年黄河从清水沟入海以来，河道基本固定，本研究以此为起点时间分析黄河口沙嘴演变，在此基础上进一步分析黄河口入海泥沙扩散对潍坊港水域影响。

1 黄河口清水沟流路沙嘴的演变

1.1 沙嘴发育的三个阶段

沙嘴的演变与黄河三角洲的发育在性质上存在共性。即来沙量大，三角洲向外扩展的速度则快，反之则慢；当来沙量减少到一定程度时，还将出现冲蚀后退现象。例如清水沟流路：1987年—1996年，来沙量介于4.2～4.9亿t/a[9]，属中等来沙状况，沙嘴相应的延伸速度为1.35～1.97 km/a；在1985年—1987年及1996年—2000年，年来沙量低于3亿t[9]，沙嘴则表现为蚀退。按照黄河泥沙入海淤积区域、沙嘴延伸的稳定性，以及人为控制与否的不同，可将清水沟流路沙嘴的发育大体分为三个阶段[10-12]。

(1)沙嘴发育的初期阶段(1976年—1981年)。

该时期河口水流散乱，无稳定流路，入海泥沙以造陆(岸线向外推移)为主，沙嘴向外延伸速度相对较慢，泥沙向外海的输送量较小。

(2)沙嘴发育的中期阶段(1981年—1996年)。

自1855年以来，黄河在其三角洲区曾发生大、小改道数十次。改道的原因在于泥沙堆积、岸线延伸，从而导致坡降减缓，当阻力增加到一定程度后，将出现不能满足泄洪能力的情况，此时洪水在三角洲原河道区泛流，最终寻其相对较短的新流路入海。因沙嘴的延伸而造成河床比降的减缓，尚未达到影响泄洪的极限值，此时沙嘴的延伸速度相对较快，即黄河所携带的入海泥沙，从“初期阶段”以造陆为主，转化为以沙嘴延伸为主。此后，由于沙嘴明显突出于岸线以外的波、流动力相对较强的深水区，致使泥沙出沙嘴后的流失量增大。

(3)沙嘴发育的近期阶段(1996年—2000年)。

1976年黄河从清水沟入海至1996年6月以前，一直保持着单一而稳定的入海通道，沙嘴平均延伸速度达1.5 km/a，净延伸总距离达29.2 km。沙嘴的快速延伸导致近河口区比降减小，为有利于行洪，于1996年6月在原流路的北侧沙嘴人工开口引黄入海。迄止2000年，从已有的卫片图像看黄河从原来的单一入海通道(下简称老通道)变为双通道，即老通道和开北侧沙嘴形成的新通道(下简称北新通道)入海。

1.2 沙嘴演变趋势

由于沙嘴的延伸长度与黄河入海泥沙扩散范围(或泥沙流失量)有关，而泥沙扩散范围又与潍坊港区水域的泥沙来源存在一定的关系，所以对沙嘴演变趋势的分析显得十分重要。

(1)沙嘴的“极限”延伸长度。

随着沙嘴的延伸，河床比降将降低，当泄洪能力不能满足汛期流量下泄时将出现溢流，并最终形成入海距离较短的新流路，沙嘴不会无限度的延伸。在新流路形成至消亡(改道)之间，存在一个沙嘴的极限长度。据统计分析，黄河自钓口河入海(1964年)至改道前(1973年)，沙嘴累计延伸的最大长度为47.3 km[10-12]；黄河自清水沟流路入海(1976年)至人工在北侧沙嘴开口泄洪前(1996年)，沙嘴累计延伸距离为29.2 km[13]。上述两条沙嘴的长度相差约18 km，除了可能与两个时期的水沙比及两个区域的海洋动力等因素的不同有关外，还与人为因素有关。钓口河流路的出现与消亡基本反映其自然演变过程，而清水沟流路、老通道沙嘴则明显受人为控制的影响，即1996年开北口(形成北新通道)是为提高排洪能力而为之。因此可近似认为清水沟流路沙嘴的极限长度应在30 km左右。

(2)新老沙嘴的兴衰与转换。

清水沟流路老通道沙嘴的规模与黄河来沙状况及人为控制有关。自1976年后的成长发育至1996年后的蚀退，大致经历19 a，此期的累计延伸长度约29 km。

北汊开口(1996年)形成新的入海通道后，与老通道的沙嘴发育相比较，一方面在总体上应存在相似性，即亦存在自兴至亡的发育过程。另一方面亦存在差异性：(1)沙嘴发育的起始点不同。老通道沙嘴延伸的起点靠内侧，而北新通道沙嘴则大约在老沙嘴的中后区域向外延伸，从这一点看北新通道沙嘴(含开口以里的沙嘴长和开口以外沙嘴长)欲达到老沙嘴的相同规模，所需的时间应远短于19 a；(2)有关资料表明，由于受黄河中上游水土保持能力提高、小浪底水库拦沙以及人们用水量增加等综合因素的影响，黄河的入海水量将呈减少趋势，泥沙的下泄量亦随之减少，从这一点看，与老通道沙嘴的延伸相比较，北新通道沙嘴的延伸速度又相对较慢。由此判断，清水沟流路枝状沙嘴综合体的平均延伸速度不会快，其平均长度将很难突破长29 km的老沙嘴范围。

2 黄河口外泥沙扩散范围

2.1 从遥感影像看浑水扩散范围

所谓“浑水扩散范围”系指1976年—2007年期间，各遥感影像上浓度相对较高水体分布的临界线，或者说受黄河细颗粒泥沙影响较大与影响较小区域的分界线。“浑水扩散距离”，系指浑水扩散最远的边界(即主体外边界)与某一区域的距离。

浑水扩散范围虽然与黄河的时段来沙量以及沙嘴长度等因素有关，但统计表明，在这些因素中以沙嘴延伸长度的影响最大。黄河来沙量从总体看呈减小趋势，特别是20世纪80年代中叶以来，其来沙量减小更加明显。1976年黄河自清水沟入海至1996年期间，浑水主体方向的外边界与1976年河口的距离，却并未因入海沙量的减少而稳定在1976年的河口近侧；相反，浑水主体外边界与1976年河口的距离呈现与日俱增的趋势。例如1976年12月浑水主体外边界与1976年河口的距离仅9.3 km(相应沙嘴长≈0)，而1984年10月却增至33.4 km(沙嘴长18.1 km)；1991年1月又增至46.2 km(沙嘴长21.8 km)；此后，大致维护在50 km(沙嘴长约28 km)左右。从而不难看出，浑水的扩散范围(自1976年河口起算)与沙嘴延伸长度直接有关。不过1996年6月黄河口人工改道清水沟清8段面向北入海，自此南侧沙嘴逐渐呈萎缩状态，而北侧沙嘴逐渐发育(图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图2 不同时期黄河口浑水线范围Fig.2 Muddy waterline range of the Yellow River estuary in different periods

2.2 入海河口变迁与浑水扩散的关系

1996年清水沟流路的沙嘴演变表明，当沙嘴达到一定规模后，将人为开口或自动出汊，沙嘴发育将再次出现类似老通道沙嘴的发育模式。这种变化对潍坊港泥沙淤积的影响显然是一个值得探讨的问题。以1996年人工开北口后的沙嘴发育为例：1996年开北口后，沙嘴将呈缓慢延伸趋势，其最大长度不会超过30 km。尽管自老通道沙嘴的北侧开口，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方向远离岸线，自然水深和纳泥量相对较大，有利于泥沙的沉积与宣泄。从老通道沙嘴的走向看，在本海区水流及偏N强浪向的综合作用下，总体上沙嘴将向SE方向延伸。从而推测，尽管1996年—1999年北新通道沙嘴在发育的初期仍呈NE走向，但当发育到一定规模后，很有可能亦向SE方向偏转。也就是说，尽管在北汊出口，导致入海泥沙与潍坊港的距离增大，但这种优势只体现在沙嘴发育的初期阶段，从整体看入海泥沙的扩散范围不会因出汊口门方向的不同而改变。因此在考虑黄河入海泥沙对潍坊港的影响时，可近似忽略口门变迁这一因素，其影响程度可参照老通道沙嘴的泥沙扩散范围。

3 潍坊港两侧的滩面淤积

3.1 统计区域的划分

黄河口(0 m线河口)至潍坊港以东水域，按等深线走向的明显变化及淤积强度区域分布的差异性，可将该水域分为西区、中区和东区三个区域。即1984年及2002年各等深线走向发生明显偏转的各拐点(图3中“△ ”及“O”)连接线以西水域(即图3中AB直线与CD折线所挟范围)，称为“西区”；上述连接折线至潍坊港航道轴线走向(217.5°～37.5°)以东6.5 km范围，各等深线走向差别不大，淤强亦显著下降，故将该水域称为“中区”( 图3中CD和EF所挟范围)；EF线以东至测图所能提供的图幅范围称“东区”。从图3可以看出，1984年和2002年，东、中区各等深线基本遵循NW走向，而西区1984年和2002年却分别自NW转为偏N(1984年)和NE(2002年)走向，加之等深线发生明显转向后的水域，淤强较大。

3.2 等深线的进退

与1984年比较，2002年等深线的变化在西区、中区及东区中表现为不同特点。

西区：1984年拐点(图3中“△”)以北的4～8 m各等深线呈偏N走向，而时至2002年，拐点(图3中“O”)以北4～8 m各等深线却明显转为NE走向。即8 m以里，各等深线以大转向角(59°～32°)扇形偏转及等深线的快速推进(18 a累计推进12.7～11.4 km；平均推进速度706～633 m/a)。

中区：2002年与1984年比较，除个别等深线仍存在30°左右的偏转角外，其他各等深线，其偏转角或者在10°以内，或者表现为平行推进和蚀退。其中在4～10 m范围内，等深线的累计推进距离为0.2～3.2 km，平均推进速度为12～179 m/a。10 m线以外，等深线出现了蚀退现象。

东区：2002年与1984年对比，各等深线中累计最大推进距离为876 m(10 m线)，累计最大蚀退距离为-240 m(7 m线)。虽然等深线的淤进与蚀退呈相间分布，似无一定的规律可寻，但从统计区域的总体看，推进仍略大于蚀退。

3.3 滩面冲淤

西区：由浅至深各等深线所挟范围的累计淤积强度，自5.8 m(2～4 m线)渐减到0.9 m(10～12 m线)；全区平均累计淤强达2.7 m。

中区：由浅至深累计淤强的变化，介于0～0.6 m；全区平均累计淤强为0.3 m。

东区：由浅至深，各等深线所挟范围的累计淤强变化在0.3～-0.1 m；全区平均累计淤强为0.1 m。

图4为黄河入海泥沙宏观冲淤图。从淤强分布的总体看，西区明显大于中区，中区略大于东区。最大淤强出现在黄河口的东南近侧。

图3 1984年—2002年等深线比较图Fig. 3 Comparison of isobath lines from 1984 to 2002图4 1984年—2002年海域冲淤变化图Fig.4 Erosion and silting change of sea area from 1984 to 2002

4 黄河口入海泥沙扩散对潍坊港影响分析

黄河入海泥沙中的细颗粒通过深水区的扩散及粗颗粒的沿岸运动两种途径，在一定程度上影响着潍坊港海区的地形演变。主要体现在以下几个方面[14]。

4.1 黄河口外浑水主体外边界抵达航道

卫片判读表明，黄河自清水沟入海以来，浑水主体外边界与潍坊港航道轴线的垂向距离，由初期(1976年)的约35 km，减至1999年的8 km，与潍坊港现防波堤头连线距离由48 km减至30 km。

4.2 “中区”等深线明显外移

潍坊港所处水域(即“中区”)，在水深4～10 m范围内，2002年与1984年比较，等深线向海推进的累计距离为0.2～3.2 km，推进速度为12～179 m/a；2～12 m范围的最大淤强为0.6 m，平均淤强为0.3 m，中区平均淤量为740万m3。潍坊港两侧除黄河外，其他诸河来沙量甚微，岸线无侵蚀迹象，4 m线以内的滩面亦基本稳定，即使处于微冲，因4 m线以内所覆盖的面积有限，所以冲刷量亦将远小于其外堆积量(740万m3/a)，因此潍坊港外航道会受黄河泥沙扩散影响是显然的。

4.3 “西区”强淤积线逼近航道轴线

西区处于强淤积状态。其中，淤强为1 m的等值线(自然水深7.5～10 m区域)与航道轴线的垂向最小距离已不足2 km，平均距离亦仅5.7 km；在自然水深10～12 m区域内，二者的最小距离为4.8 km ，平均距离为7.7 km。即使淤强为2 m的等值线，与航道轴线的最小垂向距离亦仅7.7～9.1 km。

4.4 存在向潍坊港海区的沿岸输沙

研究沿岸输沙的方法有多种：如波能法，即认为沿岸输沙率与波能沿岸分量成正比，通常采用一些半经验公式(如我国《港口与航道水文规范》中的推荐公式[15])计算、重矿物分析、地貌形态(如沿岸沙坝延伸方向)等分析方法。除此外，河口水道轴线的位移也常被利用于对沿岸输沙方向的判断。一般认为，河口水道自一个方向规律地向另一个方向发生位置上的移动，则其位移方向常被视为沿岸输沙的去向。

图5清楚地展现了1969年—1980年期间河口2 m槽的摆动状况：在11 a的时间内，河口通道的内端平面位置变化不大，但其外却呈扇形不断向东偏转。其中，1969年—1976年的摆动总距离为700 m(100 m/a)；1976年—1978年、1978年—1979年和1979年—1980年，均分别累计向东摆动150 m。从小清河口2 m槽的摆动可以认为潍坊港海区存在一定的沿岸泥沙输送。

图5 小清河口2 m等深线摆动情况Fig.5 The 2 m isobath swing in Xiaoqing Estuary

从动力条件上来看，小清河口以北的岸线大致成S—N走向，黄河口附近的强浪向为NE，潍坊港海区的强浪向为NNE，次强浪向为N，显然上述二种岸线走向与强浪向和次强浪向均存在一定的有利于泥沙自N向S或自W向E运移的交角，加之黄河入海泥沙虽然较细，但由于入海总沙量较大，所以其间也不乏粗颗粒成份。充足的沙源、必要的波浪动力及有利于向潍坊海区输送的浪岸夹角，满足了实现泥沙沿岸运动的所有必要条件。

但是，从潍坊港区及其附近4 m线以里滩面基本平衡，甚至略有冲刷，以及潍坊港以东约50 km处突出于岸线的人工堤坝的迎沙面淤积甚微看，沿岸输沙量不大，不会成为有双堤掩护条件下港口淤积主要的直接沙源。

5 结语

(1)1976年黄河从清水沟入海至1996年，沙嘴累计延长29.2 km，平均速度为1.5 km/a。尽管沙嘴演变与来沙量直接相关，来沙丰则进，来沙少则退。但综合分析表明，今后沙嘴仍将呈缓慢延长趋势，其极限长度在30 km左右。

(2)黄河口外浑水的扩散范围与沙嘴延伸长度成正相关。浑水扩散对潍坊港的影响随沙嘴长度增加而增加：1976年—1981年，沙嘴长近于0～9.4 km，浑水主体外边界与潍坊港航道轴线的垂向距离为33～35 km；而1991年—1999年，沙嘴增至22～28 km，浑水主体外边界与航道轴线的距离则减至5～8 km。浑水扩散已邻近航道(特别是自然水深7.5～10 m段)，并且随着时间的延续而靠近，甚至超越。

(3)黄河口至潍坊港区附近，邻近黄河口的“西区”淤积强度大、等深线向外推进速度快。从浑水主体外边界及西区强淤积等值线目前已逼近航道轴线，并呈发展趋势判断，黄河细颗粒泥沙来源充沛，对潍坊港外航道淤积将产生较明显的影响。黄河口至潍坊港区，虽然沿岸粗颗粒泥沙的输送量不大，但对港区水深4 m以内滩面粗物质向深水区输送流失却是一种补充，并将成为开敞航道粗颗粒淤积的沙源之一，从而增加了开敞航道水深维护的难度。