废弃亚三角洲岸滩泥沙运动和剖面塑造过程——以黄河三角洲北部为例

摘要

自1976年黄河入海尾闾由刁口河改道清水沟流路后，因泥沙供给严重匮乏致使黄河三角洲北部岸滩进入快速的侵蚀与后退状态。该区域分布的大量油田亦为此而造成重大的经济损失，海岸防护工程受到破坏，相应的土地盐碱化等问题也日趋严峻。本文以多年重复测量的海岸剖面、2004年4月研究区大潮期间实测水文、悬沙和表层沉积物以及30m深柱状样资料为基础，利用机制分解法、EOF以及BP神经网络等技术手段，分别从动力作用、沉积物抗冲性以及剖面形态方面探讨黄河三角洲北部岸滩的强烈侵蚀和剖面塑造机理，同时针对不同冲淤状态的剖面变化趋势进行预测。主要结论包括： (1)黄河三角洲北部海域的波、流动力特征为：(a)由海向陆摩阻流速逐渐减小，在横向上呈线性分布，其中在研究水深范围内最大潮流摩阻流速为1.3～2.7cm/s，潮平均摩阻流速仅在0.8～1.8 cm/s，潮流的分布与摩阻流速相似；(b)波浪摩阻流速横向分布从深水向浅水逐渐增大，进入波浪破波带摩阻流速陡增：当波高小于0.5m摩阻流速不超过2.5cm/s，而波高大于4m的来波可导致摩阻流速峰值超过20cm/s；(c)地形因素对波浪传播衰减过程作用明显，坡度越缓，消耗波浪能量愈多。因此，相同来波条件下波浪摩阻流速研究区东侧大西侧小；相同剖面1976年后波浪摩阻流速逐渐变小。 (2)含沙量变化与流速相关，高含沙量出现时刻滞后于高流速出现时刻约1小时。研究区水域高含沙量特征主要来源于本地局部泥沙再悬浮，悬沙以高含沙量水团形式从床底向上扩散，5m水深左右出现高能再悬浮环境。海区沉积物的分布特征主要是：实测表层沉积物以粉砂为主，整体上从岸向海，粒径逐渐变小，分选性变差直至10m水深转为变好趋势。海床表层沉积物可以分为3个区，近岸无潮沟岸段沉积物颗粒组成较粗，目前具有一定的抗冲能力；有潮沟岸段，沉积物组成粗细混合，以粉砂质粘土为主，分选较差，目前抗冲能力较弱；大于10m水深的深水区，沉积物组成相对较细。 (3)海岸剖面变化特征：行水期淤积中心分布在入海尾闾外，致使1976年后近岸强侵蚀区与淤积区对应，侵蚀强度东强西弱，剖面经历了快速侵蚀、波动调整和二次侵蚀期3个阶段。据此提出可反映剖面淤蚀和形态变化特征的形态参数A和F。当剖面变化越剧烈，形态参数变化越明显。依据参数A和F变化和剖面塑造等特征，可将研究区剖面分为三类，一是动态平衡型：建设期参数A变化率为1.20～1.26，参数F为1.19～1.38，剖面整体淤涨，形态上经三角洲浅水缓坡后呈上凹形直接向平坦海床过渡，缺少前缘斜坡段：1976年后主要是浅水区蚀退，整体变化微小；二是强淤弱蚀型：剖面由浅水缓坡、前缘斜坡和平坦海床构成，建设期参数A和F变化率分别为1.39～1.46和1.59～1.80；1976年黄河改道后，该剖面参数A和F变化率分别为0.84～0.87和0.66～0.71，剖面形态由“S”型向直线型转变，剖面在浅水区表现为侵蚀状态；三是弱淤强蚀型：以1976年为节点，在1976年前剖面形态参数A和F的变化率分别介于1.07～1.29和1.16～1.46范围，剖面亦由浅水缓坡、前缘斜坡和平坦海床构成，但三角洲前缘段分布较广；1976年后，参数A和F的变化率分别为0.56～0.67和0.45～0.67，剖面除在三角洲前缘斜坡与平坦海床过渡段略有淤积外，剖面蚀退集中在三角洲前缘斜坡段。 (4)强侵蚀型剖面蚀退塑造机理：海区沉积物和动力因素的变化对剖面蚀退起决定作用。首先，三角洲废弃初期的高含水率、结构松散的沉积物抗冲性极差，加上波状地形易被夷平，废弃初期仅在潮流作用下岸滩就能发生快速蚀退；其次，松散沉积物消耗殆尽后，波流共同作用成为岸滩演变的动力，波浪主要起掀沙作用，潮流主要输运扩散泥沙作用。这主要体现在沉积物因筛选、以及埋深沉积物受到压实作用而抗冲性增强，波流共同作用的底部摩阻流速从废弃伊始逐渐减小，故剖面蚀退速度发生下降。最后，黄河入海尾间的频繁摆动，导致河口坝和河口坝侧海湾出现不同沉积环境下的沉积体，其抗冲性不同，造成蚀退期间不同时期内(1985～1989年)蚀退速度迥异。 (5)剖面变化的短期预测：EOF时空分解前2个特征函数可以较好的概括剖面变化特征，其中两个特征函数分别表征浅水区和深水区的变化。CS1～CS5剖面的第一特征函数主要表征深水区变化，第二特征函数主要表征浅水区变化；CS6～CS8剖面则相反。表征深水区变化的特征函数表征潮流作用，而表征浅水区变化的特征函数表征波浪作用。从研究区西侧到东侧，潮流作用占优势逐渐转变为波浪作用为主导。利用对EOF时空分解的时间函数的预测，可达到剖面的短期预测。此外，利用BP神经网络对剖面空间相和时间相分别进行预测，其中对于逐年变化存在趋势变化的剖面预测有较好的效果。 (6)不同水文学方法技术的利用：传统水文学方法和国家规范方法在分析近海潮流数据时，垂线平均特征值误差在8％以下，计算潮周期单宽通量时，误差可忽略不计：究其物理意义，传统水文学方法处理数据结果适用讨论水动力和沉积物相互作用，国家规范方法在分析潮流、悬沙净通量时，其数值和角度更加可信。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究意义

1.2海岸演变及其剖面研究现状

1.2.1淤涨型海岸剖面特征

1.2.2稳定型海岸及其剖面特征

1.2.3侵蚀型海岸及其地形剖面特征

1.3黄河三角洲海岸侵蚀研究现状

1.4地形剖面研究方法

1.4.1动力学角度研究

1.4.2数学统计分析

1.4.3岸滩剖面模式研究

1.5主要研究技术路线

第二章黄河三角洲北部岸滩形成的背景与条件

2.1黄河三角洲自然条件概况

2.2黄河三角洲北部岸滩形成、废弃过程

2.3波浪条件

2.4潮汐、潮流

2.5风暴潮

2.6余流

2.7沉积特征

第三章黄河三角洲北部水域动力条件及泥沙运动

3.1数据资料及处理方法

3.1.1数据资料

3.1.2潮流基本特性计算方法

3.1.3实例比较

3.1.4波浪向岸衰减过程

3.1.5泥沙起动摩阻流速及波流共存时的摩阻流速

3.1.6悬沙机制分解法

3.2研究区域的潮流特征

3.2.1平面特征

3.2.2垂向特征

3.2.3潮周期净潮流通量

3.2.4潮流横向特征

3.2.5潮流摩阻流速横向分布

3.3悬沙特征

3.3.1含沙量垂向分布特征

3.3.2悬沙输移机制分析

3.3.3潮周期净输沙通量

3.4波浪横向衰减过程

3.5波流共同作用

3.6沉积物特征

3.6.1现代表层沉积物特征及其起动

3.6.2废弃前新淤沉积物及其起动

3.6.3柱状样沉积物起动特征

3.7本章小结

第四章海岸剖面塑造过程

4.1资料与分析方法

4.1.1基础资料

4.1.2剖面形态参数

4.1.3 EOF正交经验函数

4.2剖面变化特征

4.2.1 CS1剖面特征

4.2.2 CS2剖面特征

4.2.3 CS3剖面特征

4.2.4 CS4剖面特征

4.2.5 CS5剖面特征

4.2.6 CS6剖面特征

4.2.7 CS7剖面特征

4.2.8 CS8剖面特征

4.3黄河三角洲北部岸滩整体变化特征及其分类

4.3.1 1971年至1976年改道前变化特征

4.3.2 1976年亚三角洲废弃后变化特征

4.4剖面分类及各类型变化特征

4.4.1动态平衡型剖面特征

4.4.2强淤弱蚀型剖面特征

4.4.3弱淤强蚀型剖面特征

4.5本章小结

第五章岸滩侵蚀机理分析

5.1河流来沙缺失

5.2地形因素

5.3动力因素变化

5.4沉积物因素

5.4.1废弃初期弱抗冲性

5.4.2沉积物抗冲性增强

5.4.3沉积物垂向差异与剖面塑造

5.5剖面形态塑造特征及动力沉积过程解释

5.6闭合深度与动力强度关系

5.7本章小结

第六章剖面变化预测

6.1 EOF预测

6.1.1方法简介

6.1.2预测结果

6.2BP人工神经网络预测

6.2.1方法简介

6.2.2海岸剖面BP神经网络模型的建立

6.2.3学习结果与预测

6.3本章小结

第七章结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢