黄河口动力地貌过程及其对河流输入变化的响应

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kuaijizhidu2009
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河口处于河流与海洋交汇地带,在全球大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的物质循环和能量流动中扮演着重要角色,其动态演变也直接反映了河海动力的此消彼长。河口拥有重要的航运价值、适宜的气候环境及平缓的地形特征,是世界范围内能源集聚、经济发达及人口密集的区域之一。基于河口重要的环境指示意义和社会经济价值,其已成为国内外学者共同关注的焦点区域。然而,近几十年来,在流域自然和人为过程的共同干预下,河流入海水沙过程已发生了显著变异,进而深刻影响着河口动力地貌过程。探讨新水沙情势下河口动力地貌过程及其对流域来水来沙量变化的响应特征显得极为迫切且尤为重要。黄河素以高含沙量闻名于世,其径流携带将大量泥沙源源不断地注入海洋动力环境较弱的河口滨海区,泥沙在河海动力相互作用下进行输运、扩散、沉降和再悬浮等过程。因此,黄河口不仅是入海泥沙沉积的绝佳场所,也为研究河口动力地貌过程及其对河流输入变化的响应提供了一个理想对象。基于1976-2018年长时间序列黄河入海水沙通量数据和多期黄河口表层沉积物采样、水文泥沙调查、卫星遥感影像及地形实测等资料,通过经验统计分析,本文重点开展了以下几方面工作:1)阐述了月际和年际尺度上黄河入海水沙过程,以及年输沙对径流年内分布的跨时间尺度响应;2)厘清了黄河口沉积物粒度特征、沉积动力环境及沉积物输移趋势的时空差异,以及研究区和子区域(现行、老河口)沉积动力特征对入海径流变化的响应;3)揭示了入海径流强度不同情势下黄河出汊河口水沙输运过程空间分布特征,及其对径流动力变化的响应;4)探讨了黄河口年际和年代际地貌冲淤时空演变规律,以及在不同时间和跨时间尺度上河口冲淤体积与入海水沙通量的定量关系。主要研究结果如下:(1)入海水沙年内分布差异明显,年际波动和长期减少趋势显著,跨时间尺度响应突出黄河入海水沙过程呈现明显的年内分配差异,7-10月份为汛期,其他月份为非汛期,且汛期月输沙量较高于非汛期。径流量和输沙量月际变化强度均随时间呈同步减弱趋势,且输沙量年内分配不均匀性较径流量更强。月输沙量与径流量关系密切,随径流量呈幂函数增长,其中汛期月输沙量随径流量的增长率较高于非汛期。年径流量和输沙量均随时间呈显著的减小趋势,并伴有同步的年际波动,且输沙量在研究时期年际波动和减小趋势均较强于径流量。年径流量与输沙量周期性振荡较为相似,且振荡强度随时间逐渐减弱。年输沙量很大程度取决于径流量,随径流量呈幂函数增长。当年径流量增大时,输沙量随径流量的增长率将增大。年输沙量不仅与年径流量密切相关,亦与径流在年内分配存在跨时间尺度联系。在年径流量较平稳时期,汛期径流量占全年比重越大,年输沙量将越大,且年输沙量随径流量的增长率亦越大。年输沙量不仅受汛期径流强烈影响,也与非汛期有所关联,但汛期径流量单位体积增长所引起年输沙量增长量要显著高于非汛期。在研究时期,流域来沙量年际波动主要受控于汛期径流量年际差异,而受非汛期影响较弱。(2)现行河口和老河口沉积动力特征差异显著,且现行河口对径流变化响应明显,而老河口较差。从黄河口表层沉积物粒度特征、沉积动力环境及沉积物输移趋势时空变化规律来看,区域沉积动力特征空间分布差异显著,时间变化特征明显。空间分布差异大体表现为:现行河口和老河口沉积物组分含量、类型及粒度参数由岸向海的变化趋势均有所不同;现行河口和老河口沉积动力环境均较强,但现行河口相对较弱于老河口;现行河口和老河口沉积物分别呈东南向和东北向输运格局,输移汇聚中心位于现行河口与老河口交界处。时间变化特征大体表现为:现行河口和老河口沉积物组分含量、粒度参数、沉积动力环境及沉积物输移趋势等均随时间发生变化。总体上,现行河口沉积动力特征对入海径流变化响应明显,而老河口较差。研究区沉积动力特征对径流变化的整体响应很大程度取决于现行河口,表现为:当径流增强时,沉积物砂、粉砂含量及平均粒径有所增大,粘土含量、分选、偏态及峰态系数有所减小;沉积所处水动力环境有所增强;沉积物输移方向呈顺时针旋转,汇聚中心有所南移。(3)出汊河口水文动力和悬沙输运特征空间变化趋势明显,且部分特征受径流动力影响显著在入海径流较弱和较强情势下,出汊河口潮流均呈现往复流和不规则半日潮特征;涨、落潮时刻及潮周期平均流速和潮周期余流流速均随水深衰减;涨、落潮时刻及潮周期平均含沙量和单宽输沙率均随水深增大;近岸表、中及底层涨、落潮时刻及潮周期平均流速、含沙量和单宽输沙率及余流流速均较大于离岸。但随入海径流增强,出汊河口涨、落潮流和余流流向均呈逆时针方向旋转;垂向各层涨、落潮时刻及潮周期平均流速和余流流速均有所增大,且涨潮时刻平均流速增长率低于落潮时刻;表层水体含沙量相对于中层和底层随时间波动有所增强;各层涨、落潮时刻及潮周期平均含沙量均有所增大,且离岸各层落潮时刻增长率均高于涨潮时刻;离岸水体含沙量受流速影响相对减弱;各层涨、落潮时刻及潮周期净输沙方向均呈逆时针方向旋转,且平均单宽输沙率均有所增大,但潮周期增长率高于涨、落潮时刻。(4)年际和年代际地貌演变动态性强,空间分布规律明显,与流域水沙供应在不同时间和跨时间尺度上均密切相关黄河口年际和年代际地貌演变在长期过程中动态性较强,地形淤积/侵蚀区和陆地增长/蚀退区空间分布不断转变,净冲淤体积和造陆面积不断变化。年代际地貌演变淤积区主要出现在入海口附近,并随入海口位移呈现先东南向后西北向移动,其中强淤积区主要呈椭圆形分布在10 m等深线附近,椭圆长轴平行于等深线,短轴垂直于等深线。在年际和年代际尺度上,河口岸线进退与地形冲淤均存在显著的正线性相关,指明年际和年代际尺度年均冲淤体积每增长1亿m3/yr将分别引起年均造陆面积增长5.87和7.69km2/yr。在年际尺度上,河口地貌冲淤演变与入海水沙通量关系密切,年径流量每增长1亿m3将引起年冲淤体积增长1.79×10-2亿m3;年输沙量每增长1亿kg将引起年冲淤体积增长6.12×10-4亿m3;维持河口侵蚀/淤积动态平衡的年径流量和输沙量临界值分别为102.79亿m3和1.98×103亿kg;清水沟较清8时期,年径流量单位体积增长所引起的年冲淤体积增长值更高,维持河口冲淤动态平衡的年径流量临界值更低。在年代际尺度上,河口动力地貌演变亦与流域来水来沙量显著相关,年均径流量每增长1亿m3/yr将引起年均冲淤体积增长1.69×10-2亿m3/yr;年均输沙量每增长1亿kg/yr将引起年均冲淤体积增长5.53×10-4亿m3/yr;维持河口冲淤动态平衡的年均径流量和输沙量临界值分别为89.35亿m3/yr和1.10×103亿kg/yr。河口年际冲淤过程不仅与年径流量有关,也与径流在年内分布存在跨时间尺度联系,其表现为:在年径流量较平稳时期,汛期径流量占全年比重越高,年冲淤体积将越大;汛期径流量单位体积增长所引起年冲淤体积增长量要明显高于非汛期;年际动力地貌演变长期变化过程主要受控于汛期径流量年际波动,而受非汛期影响较弱。综上,基于多源数据,本文系统阐述了黄河口动力地貌过程及其对河流输入变化的响应,从而加深了对黄河口沉积动力、水沙输运及地貌演变特征变化规律和驱动机制的认识,结果不仅有助于为黄河口地区海岸防灾减灾以及可持续发展的管理决策提供科学依据,而且对河口海岸学科的完善与发展具有理论意义。
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