现行黄河口滨海区冲淤演变及其动力机制

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河口海岸地区是陆地和海洋相互作用的敏感地带,也是地球上最具经济和生态价值的环境之一。近几十年来在全球气候变化和人类活动日益加剧的背景下,流域来水来沙量锐减,河口海岸地区冲淤演变格局逐渐发生显著改变,面临着由淤积向侵蚀转变的挑战。加深对河口海岸区域冲淤演变过程的认识以及探讨其冲淤演变的动力机制,保护河口海岸区域可持续发展已经成为众多学者、管理部门和社会共同关注的焦点。近年来由于人类活动干预和气候变化的影响,黄河口滨海区同样面临着海岸侵蚀的威胁。因此迫切需要了解黄河口滨海区水下地形冲淤演变过程,探究其冲淤演变的动力机制。本文以现行黄河口滨海区为研究区,结合入海水沙、遥感影像、实测水文泥沙和水深断面等数据,系统性、定量化地研究了清8汊行河以来黄河口滨海区冲淤时空演变过程及河流影响因素;通过Delft 3D模型建立了黄河口滨海区水动力模型,系统探讨潮汐动力和不同风况条件对潮流切变锋发育过程的影响;并结合遥感影像反演的悬浮泥沙浓度分布,揭示了引起黄河口滨海区冲淤时空差异的海洋动力机制。得到的主要结论如下:(1)建立水下地形数字高程模型(DEM),综合研究现行黄河口滨海区冲淤时空演变过程基于1997-2018年黄河口滨海区实测水深断面数据,利用Arc GIS建立水下地形数字高程模型(DEM)。结果显示1997-2018年现行黄河口滨海区水下三角洲整体呈淤积状态,累积淤积量达5.36×108 m3。从时间变化上看,水下地形冲淤演变经历3个阶段:缓慢冲刷(1997-2002年)、快速淤积(2002-2007年)、缓慢淤积(2007-2018年)。从空间变化上看,现行河口区整体呈淤积状态,而孤东近岸和老河口区呈冲刷状态。淤积中心随口门位置变化而变化,淤积/冲刷中心均位于10 m等深线以内,主要呈椭圆形,长轴大致平行于10 m等深线。(2)量化黄河口滨海区水下地形年际冲淤动态与入海泥沙量的关系,探讨驱动黄河口滨海区冲淤演变的河流动力因素根据1950-2018年利津站水沙资料分析发现,黄河入海水沙量整体呈阶梯式减少的趋势。2002年起黄河实施调水调沙,径流量和输沙量均有所增加,但目前年均输沙量仅有1.35×108t/yr,约为之前(1950-1986年)水平的13.1%,河口滨海区呈淤积状态。2016-2017年由于黄河水量极枯调水调沙中断,导致水下地形大面积冲刷;2018年实施防洪调度,水下地形迅速淤积。现行黄河口滨海区水下地形年际冲淤变化与入海泥沙量存在密切的正相关性,而且在不同阶段,维持冲淤平衡的临界输沙量也有所不同,1997-2002年输沙量临界阈值为1.65×108 t,2002-2018年输沙量临界阈值为1.09×108 t。黄河口滨海区冲淤演变除了受来水来沙的直接影响,还受入海泥沙粒径和河口口门出汊的影响。(3)基于Delft 3D模型建立黄河口滨海区水动力模型,探讨潮流切变锋发育及其剪切强度分布对不同风况条件的响应构建黄河口滨海区三维水动力数值模型,系统分析了潮流切变锋的发育过程、平面形态和垂向结构特征。平面上,黄河口滨海区的切变锋发育自现行河口处形成,并逐渐向老河口方向移动,且在由北向南的传播过程中,切变锋带离岸距离越来越大。垂向上,切变锋带呈“月”字状,切变锋带带宽自表层至底层略微增加,切变锋剪切强度自表层至底层整体呈减小趋势,切变锋带带宽在发育初期较窄,后随时间变化逐渐变宽,最后随着切变锋的消失而消失,切变锋剪切强度在整个发育过程呈递减的趋势。当风向与切变锋内侧潮流流向相同时,切变锋剪切强度加强,历时增加;当风向与切变锋内侧潮流流向相反时,切变锋剪切强度减弱,历时减小;而在极端大风条件下,风向与切变锋内侧流向相同时切变锋历时显著增加,垂向结构被破坏,切变锋剪切强度减弱,而风向与切变锋内侧流向相反时能够阻碍切变锋的发育,使其难以形成。(4)从海洋动力角度揭示潮流切变锋的发育对黄河口滨海区“夏储冬输”演变格局的控制作用夏季,黄河入海泥沙量大,且现行河口处东侧余流的逆时针环流系统对泥沙具有较强的限制作用,使其很难输运至孤东近岸处,加之夏季偏南风风况下较强的内落外涨(IEOF)型切变锋,泥沙更容易沉积在现行河口处。由北至南沿岸输运的泥沙于老河口处一部分被输运至外海,另一部分泥沙被输运至老河口西南侧,这与利用遥感影像反演的悬沙分布范围是十分一致的,河口滨海区因此在夏季以淤积为主。冬季,黄河入海泥沙量减少,余流总体由北向南且流速较大,加之冬季偏北风风况下较强的内涨外落(IFOE)型切变锋的影响,泥沙更容易被输运到老河口处,随后在东北向余流的作用下输送至外海。此外,冬季老河口处较强的潮流动力使河口沙嘴不断侵蚀,侵蚀后的泥沙又被不断地输移至外海。因此,黄河口滨海区时间上形成了“夏储冬输”的冲淤演变格局,空间上形成了“现行河口淤积,孤东近岸和老河口侵蚀”的蚀积差异。综上所述,基于多源数据,本文系统研究了现行黄河口滨海区冲淤时空演变及其动力机制,探究了不同风况下潮流切变锋的发育过程和特征,揭示了河流动力与海洋动力因素对黄河口滨海区冲淤时空演变的作用。本研究可为黄河口滨海区的可持续发展以及三角洲的侵蚀防护提供科学指导,并有助于加深对全球河口海岸地区动力地貌过程的理解。
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