黄河三角洲刁口叶瓣堆积过程

邢吕阳，李广雪,2，刘思雨,2，李浩楠，潘煜峰

1. 中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

2. 中国海洋大学未来海洋学院，青岛 266100

黄河三角洲曾是世界上堆积速度最快、演变最剧烈的大河三角洲，埕岛油田位于现代黄河三角洲北部海域，主体工程区坐落于废弃的刁口水下三角洲叶瓣上，共建有在役各类平台107 座、海底管道162 条、海底电缆123 条，依附于刁口叶瓣堆积体，因此，研究刁口叶瓣堆积体形成过程有利于查明工程设施所处的地层组合状态，有利于埕岛油田工程设施的安全监测和维护。

1980 年以来，随着国际对高含沙河口沉积作用的逐渐关注，以及黄河三角洲经济发展的需要，众多学者研究了黄河三角洲堆积体的发育演变过程。根据前人研究，黄河三角洲由10 个大型三角洲叶瓣组成，流路行水期，在异重流[1-2]和切变锋[3-4]作用下，河口快速堆积形成三角洲叶瓣[5]。刁口流路三角洲叶瓣是1964—1976 年间形成，前人围绕黄河来水来沙[6-7]、岸线变化[8-11]、河道演化[10-13]和形成过程[14-18]对刁口叶瓣水下三角洲做了一些研究，论证了刁口流路行水期整体演化过程。

由于历史测量资料收集难，学者们对刁口叶瓣形成期的研究往往局限于总体描述，缺少堆积体阶段性发育过程分析，本文收集了刁口叶瓣形成期多次岸线航测和水深实测数据，重建了刁口流路三角洲叶瓣形成期岸线演变和堆积中心阶段性形成过程。

1 资料与方法

1.1 选区

1964 年1 月黄河改道刁口流路行河， 到1976 年5 月人工改道清水沟流路，在此期间形成的三角洲称为刁口流路三角洲叶瓣，本文简称刁口叶瓣。本文研究区范围是38°05′36′′～38°18′35′′N、118°38′19′′～118°57′27′′E 之间的区域，覆盖了刁口叶瓣的主体区域（图1）。水深数据坐标采用1954 年北京坐标系，投影格式为高斯-克吕格投影，6 度带，中央经线117 度，1985 国家高程基准，高斯坐标系的研究范围为20644000～20671000、4220000～4243000。

图1 黄河三角洲研究选区2021 年刁口叶瓣遥感图像。Fig.1 The study area of the modern Yellow River deltaRemote sensing images of the Diaokou Lobe in 2021.

1.2 资料来源

黄河来水来沙数据来自黄河水利委员会利津水文站1950—2000 年实测数据，黄河年平均输沙量为8.54×108t/a，年平均径流量为335×108m3，水沙年际变化大，年内分配不均，来水来沙主要集中在夏季汛期（每年7—10 月）。

本文岸线数据基于航测资料（1963、1964 年）、水深插值0 m 岸线（1964、1968 和1972 年）和1976年Landsat2MSS 遥感数据。高潮线和低潮线均常作为遥感图像提取的海岸线基线[9,19]，但高潮线已经处于低动能海洋环境，不足以反映水下三角洲堆积体的冲淤变化，因此本文选用低潮线用于刁口流路三角洲叶瓣岸线变化研究。低潮线是平缓潮间带与坡度较大的三角洲前缘斜坡的地形转换界线，在遥感图像上界线明显，容易识别。

本文收集到刁口流路行河期间1959、1966、1968、1972、1975 和1976 年的水深测量数据，这些数据主要来自黄河水利委员会、胜利油田和国家基础调查项目的测量数据，形成了一套比较全面的历史数据集。水深测量采用SDH-13A 型测深仪，测量范围0.5～200 m，测深误差小于5 cm。水深测量时间基本集中于每年9—10 月，黄河三角洲海床年际地形冲淤幅度较大，所用测深仪器测量误差在允许范围以内。其中，1964 年缺乏水深测量数据，用1959 年作为刁口叶瓣发育的初始水深，由于该海域大部分区域属于早期废弃的三角洲叶瓣，经过长时间海床调整，1959—1964 年之间海床变化强度相对偏弱，所以可以近似用1959 年水深代替1964 年。

为了研究刁口叶瓣水下三角洲堆积体演变的阶段性规律，采用堆积体厚度平面分布和特征剖面的时间序列变化分析相结合的方法。堆积中心是整个叶瓣形成期海床变化最敏感的代表性区域，特征剖面选取都穿过了这些堆积中心，因此提取垂直岸线的3 条特征剖面的水深数据，对于多条剖面不同水深采集固定点水深数据和不同水深界面，分析海床冲淤和堆积体的阶段性变化特征。

1.3 堆积效率计算方法

本文引入造陆效率、堆积效率和最大堆积比例3 个参数，用于研究黄河来水来沙在三角洲叶瓣的堆积效果：

造陆效率计算公式为

λ为造陆效率，表达黄河入海泥沙形成陆地的能力，单位km2/108t；A为造陆面积，单位km2；Q为黄河入海泥沙量，单位108t。

堆积效率计算公式为

γ为堆积效率，表达的是水下三角洲捕获入海泥沙的能力，堆积效率值是无量纲百分比；σ为海底沉积物密度，本文选为1.1 t/m3[20]；V为堆积体体积，单位m3。

最大堆积比例计算公式为：

Δmax为最大堆积比例，单位t/(m3·a)（每年堆积中心每堆积1 m 沉积物所需的黄河来沙量）；Hmax堆积中心厚度，单位m；T是堆积时间，单位a。最大堆积比例Δmax表达的是入海泥沙在水下三角洲形成最大堆积厚度的能力，堆积比例越高，入海泥沙向外扩散的能力越弱。

2 海岸线变化

2.1 黄河水沙特征

1950—2000 年间，黄河在汛期入海的径流量占年径流量的61.32%，入海泥沙量占全年的85.20%。刁口叶瓣形成期水沙充足，来水来沙同样集中在汛期，汛期径流量占全年的59.09%，泥沙量占全年的82.07%（图2），整个形成期入海总沙量为140.48×108t，黄河水沙供应峰值同期，平均含沙量为25.44 kg/m3。如此高的河流含沙量，使得刁口叶瓣堆积较快。

图2 黄河利津水文站逐月平均水沙量占全年的百分比Fig.2 Monthly annual percentage of water and sediment in the Yellow River at Lijin gauge station

2.2 岸线与陆地面积变化

刁口叶瓣形成期岸线变化资料显示（图3）。1963 年底，近岸存在一个小型古海湾，自1964 年1 月1 日黄河改道刁口流路后的第一个汛期，黄河上游三门峡大坝改建后，排水排沙能力加大，入海泥沙量达到了19×108t，为整个行水期间输沙平均值的两倍。三门峡大坝大规模的排沙将原始内凹的小海湾迅速填平，到1964 年9 月，叶瓣东西两侧岸线基本平行。1964 年汛期之后开始形成水下三角洲，岸线向外海快速逐步推移（图3），1964 年汛后到1976 年之间，岸线整体向外海推移，1964—1968 年岸线平均推移速度为2 073 m/a，1968—1972 年岸线平均推移速度为902 m/a。1972—1976年，堆积体主要在叶瓣西侧发育，岸线向海推移速度为1 019 m/a。

图3 刁口叶瓣岸线与河道演化A1：1964—1966 年堆积中心，A2：1966—1968 年堆积中心，A3：1968—1972 年堆积中心，A4：1972—1975 年堆积中心，A5：1975—1976 年堆积中心。Fig.3 Shoreline and channel evolution of Diaokou LobeA1: Accumulation center (1964—1966), A2: accumulation center(1966—1968), A3: accumulation center (1968—1972), A4: accumulation center (1972—1975), A5: accumulation center (1975—1976).

1964—1976 年黄河入海泥沙总量高达140.48×108t，刘家峡大坝复工使得1968 年后整体来水来沙量有所降低，年平均输沙量仅为1964 年的一半，整个行水期岸线随着河道尾闾摆动仍不断向海推进，新堆积的陆地总面积为599.26 km2，每年平均造陆面积为49.94 km2，每年岸线平均向海推进1692.56 m。表1 是刁口叶瓣形成期造陆情况汇总，泥沙供应量和造陆速度呈明显正相关关系。1964 汛期到1966年岸线向海推进，造陆面积316.58 km2，造陆效率达到每亿吨泥沙造陆8.27 km2，其中，1964 年汛期将古海湾填满，造陆速度高达157.20 km2/a。1964 年汛期后，造陆速度和效率逐步下降（表1），造陆效率下降一半以上，主要原因是河口向海凸出后，入海泥沙向外海扩散的作用加强。

表1 刁口叶瓣形成期造陆统计Table 1 Statistics of epeirogeny during the formation of the Diaokou Lobe

3 堆积特征

3.1 水深演变特征

为了研究不同时间段的堆积过程，选取三条剖面（图4a 中剖面47、54 和62），以刁口叶瓣1976 年1～15 m 间隔1 m 的水深点作为固定点，研究整个建设期内不同年份固定点水深随着河口堆积发生的变化。根据3 个剖面水深演变可看出，整个形成期堆积体的分区特征和阶段性演变明显（图4）。分区特征表现为以1976 年10 m 水深为界分为浅水区和深水区，浅水区快速堆积，深水区堆积缓慢，12 m以深海域堆积更为缓慢。

图4 固定点水深变化a：剖面布设位置，b：#47 剖面固定点水深，c：#54 剖面固定点水深，d：#62 剖面固定点水深。Fig.4 Evolution of water depth at fixed pointsa: location of survey lines; b-d: profiles of water depth at fixed points of #47 (b), #54 (c), and #62 (d).

3.2 水下堆积体变化特征

刁口叶瓣形成期总堆积体厚度见图5a，堆积体体积为450.96×108m3，两个大于13 m 厚的堆积中心位于7～10 m 水深范围，以中间线为界，分别计算研究区东西两侧堆积量：西侧水下堆积体体积为276.60×108m3，占整个堆积体体积的61.34%，三角洲造陆面积占总造陆面积的58.71%，说明在东西两个堆积中心厚度接近的情况下，受到刁口水下三角洲叶瓣东部近岸无潮点强潮流区影响，联合东北向大浪的作用，造成研究区西侧堆积体体积大于东侧。

图5 刁口叶瓣堆积体厚度变化A1：1964—1966 年堆积中心，A2：1966—1968 年堆积中心，A3：1968—1972 年堆积中心，A4：1972—1975 年堆积中心，A5：1975—1976 年堆积中心，A6：1964—1966 年冲刷中心，A7：1966—1975 年堆积中心。Fig.5 Sedimentary thickness of the Diaokou LobeAccumulation centers during 1964—1966 (A1), 1966—1968 (A2), 1968—1972 (A3), 1972—1975 (A4), 1975—1976 (A5), and 1966—1975 (A7), and erosion center during 1964—1966 (A6).

由图5 不同时期堆积中心A1-A5变化过程可以看出，刁口叶瓣形成初期，河口位于西侧，随着行河时间推移，在北半球柯氏力作用下河道持续向东摆动，古河道口位置不断东移，到1976 年刁口流路废弃时，河道又调整回到西侧。基于各时间段堆积中心位置和堆积体等厚度分布综合分析，将形成期水下三角洲演变划分为3 个阶段（图5）：近岸堆积阶段（1964—1966 年）、整体堆积阶段（1966—1975 年）、调整堆积阶段（1975—1976 年）。

（1）近岸堆积阶段（1964—1966 年）：黄河入海水沙量充足，泥沙总量达40.13×108t，黄河径流总量为1 692.50×108m3，堆积中心位于研究区西侧，靠近1964 年汛期后水下三角洲0 m 水深线，堆积中心位于A1，远离1966 年10 m 水深线，堆积厚度超过8 m，堆积总体积为12.33×108m3，堆积中心的堆积速度为4 m/a；近岸堆积阶段刁口叶瓣海床并非都处于堆积状态，东侧的神仙沟流路在其行水期1953—1964年后被废弃，此时仍处于快速冲刷阶段，使得研究区东部出现一个4 m 左右的冲刷中心A6，黄河口在附近供应入海泥沙，仍然抵挡不住神仙沟流路废弃后的侵蚀调整作用，冲刷总量为1.33×108m3，最大冲刷厚度为4 m（图5b）。

（2）整体堆积阶段（1966—1975 年）：1968 年之后黄河口来水来沙量有所下降，该阶段黄河入海泥沙总量为91.73×108t，径流总量为3 334.60×108m3，研究区整体堆积（图5c），在柯氏力作用下黄河河口向东侧偏移，岸线向海推进，两种作用结合下整体堆积阶段的堆积中心由A1向东北转移到A7。堆积中心最大堆积厚度超过12 m，堆积体呈椭圆形分布，堆积体中心轴线与岸线平行，表明入海泥沙受到往复性潮流场携带扩散控制，沿等深线堆积。淤积总体积为30.65×108m3，平均堆积速度为0.51 m/a，堆积中心的堆积速度为1.33 m/a，堆积速度慢于近岸堆积阶段。

（3）调整堆积阶段（1975—1976 年）：1975 年黄河汛期入海水沙充足，入海泥沙总量为8.62×108t，径流总量为425.90×108m3，最大堆积厚度超过5 m。前期柯氏力使得古河口持续向东向北偏移，引起河道曲率过大，河道开始失稳，1976 年河口回到叶瓣发育初期的西侧位置，堆积中心由A7转移至A5，1975 年研究区东部海床缺少河口泥沙直接供应，堆积缓慢（图5d）。这一阶段淤积总量为4.20×108m3，中部地区出现微弱冲刷，冲刷总量仅为0.75×108m3（图5d），堆积中心的堆积速度为4 m/s。

3.3 三角洲堆积效率

表2 是针对上述3 个堆积阶段计算的水下三角洲叶瓣堆积效率。

表2 刁口叶瓣形成期堆积统计Table 2 Statistics of accumulation in the Diaokou Lobe formatin

（1）近岸堆积阶段（1964—1966 年）：黄河入海输沙量为13.38×108t/a。整个研究区经历了1964 年汛期充足的水沙供给、上游水利工程改建的泄洪泄沙和研究区东部神仙沟叶瓣废弃初期快速的冲刷，近岸堆积阶段堆积体积为11.00×108m3，早期黄河潮流动力强，近岸堆积阶段堆积体的堆积效率最低，为30.14%，堆积比例最高，为2.51×108t·m-1·a-1，入海泥沙向外扩散能力最弱，依靠充足的泥沙供应，刁口叶瓣水下三角洲近岸堆积阶段堆积速度为5.50×108m3/a（表2）。近岸堆积阶段研究区西部水下三角洲堆积体体积为9.81×108m3，占近岸堆积阶段堆积体体积的89.18%，该时期古河口位于西侧，研究区西侧是主要堆积区域。

（2）整体堆积阶段（1966—1975 年）：研究区枯水少沙，含沙量最高达到27.50 kg/m3，整体堆积阶段的堆积效率有所上升，为36.70%。研究区整体堆积，堆积中心狭长，堆积比例最低，为0.85×108t·m-1·a-1，整体堆积阶段堆积速度最慢，仅为3.40×108m3/a（表2）。整体堆积阶段研究区西部堆积体体积为15.03×108m3，占整体堆积阶段堆积体体积的49.05%，由于持续柯氏力作用，堆积中心已经偏移至研究区东侧，该阶段研究区西侧堆积体体积仍接近整个研究区的一半，无潮点区域强的潮流场作用下使得大量泥沙入海后仍以向西扩散为主。

（3）调整堆积阶段（1975—1976 年）：堆积中心位置调整回到西侧，研究区东部水下三角洲海床稳定。调整堆积阶段堆积体体积为3.45×108m3，由于堆积集中在西北新形成的水下三角洲，调整堆积阶段的堆积效率最高，为44.03%，研究区堆积体集中在堆积中心（表2）。调整堆积阶段研究区西部水下三角洲堆积体体积为2.82×108m3，占整个堆积体体积的81.79%。

4 古河道变化

成国栋等[15]认为黄河三角洲形成过程中古河道演化可以总结为漫流、归股顺直和出汊摆动3 个阶段。黄河三角洲为河控型三角洲，地表径流直接控制来水来沙，黄河尾闾摆动控制堆积区域，是刁口叶瓣形成期三角洲不同演化阶段的主要控制因素。本文基于不同阶段堆积中心位置和1976、1977年遥感图像中陆地遗存古河道痕迹，重现了1964—1976 年刁口流路行水期河口位置和河道摆动过程（图3）。

（1）1964—1966 年，刁口流路改道初期，河口处于神仙沟与挑河间的狭窄海湾上，海底平坦，水深在5 m 左右，河水漫流入湾，泥沙大量淤积在滨海地区，1964 年汛期后将海湾填平（图3），1965 年之后，河口向外海推移。

（2）1966—1968 年，刁口流路河道在新的河滩分汊入海，呈现一条主流、一条小汊河的入海情景，两股水流输水输沙能力极不平衡，在经历1967 年旱情后，刁口流路逐渐形成单一的分流河道行水，汇流顺直单一入海（图3）。河道逐渐向NNE 向偏移，河口快速向海推进。

（3）1968—1972 年，河道持续沿NNE 增长，河口迅速向海推进，呈鸟嘴状插入海中，河口水下三角洲前缘迅速堆积，水下三角洲轮廓呈现平行于海岸线的椭圆形（图3）。

（4）1972—1975 年，刁口古河道曲直向海，1974 年时河道曲率过大平行于岸线，河口逐渐失稳开始向西侧回摆（图3）。三角洲叶瓣整体向海推进，河口外海扩散范围大，堆积厚度变薄，堆积中心厚度最大可达到5 m，1975 年河口向西偏移明显。

（5）1975—1976 年，东南侧水下三角洲缺少泥沙供应，不再堆积，研究区东侧出现断流，刁口分流河道在西岸决口，河口调整回到西侧（图3）。河道演变过程与堆积中心迁移过程基本一致：1964—1966年漫流入海，1968—1972 年归股顺直，1972—1976年出汊摆动。

5 结论

（1）1964 年汛期将古海湾填平，之后岸线快速向海淤进。1964—1976 年黄河入海输沙总量140.48×108t，造陆面积为599.26 km2，每亿吨泥沙造陆4.3 km2；岸线向外海最大延伸距离27.1 km，平均每年向海推移1.7 km。

（2）刁口叶瓣形成期堆积总体积为450.96×108m3，堆积中心位于7～10 m 水深范围，随着岸线向海推进，浅水区快速堆积，深水区缓慢堆积，13 m水深外海基本维持冲淤平衡。堆积过程分为近岸堆积（1964—1966 年）、整体堆积（1966—1975 年）和调整堆积（1975—1976 年）3 个阶段。1964—1966年堆积厚度8 m，河口在叶瓣西侧；1966—1975 年间，由于岸线向海推进和柯氏力持续作用，水下三角洲堆积中心不断向东北移动，其中1968—1972年是叶瓣东部最主要的堆积阶段，堆积中心厚度高达12 m；1975—1976 年河道调整回到西侧，堆积中心厚度5 m。

（3）刁口叶瓣形成期海床并非都处于堆积状态，1953—1964 年黄河走神仙沟流路，靠近研究区东侧，1964 年神仙沟流路被废弃后该区处于快速冲刷阶段，冲刷速度高于同一时期刁口供沙，东侧局部形成一个小型冲刷中心。

（4）整个形成期，计算得到西侧水上三角洲造陆面积和水下三角洲堆积体积占比均超过58%，堆积中心位于西侧时，西侧水下三角洲面积占比超过80%，堆积中心位于研究区东侧时，研究区西侧水下三角洲堆积体占比仍达到49%，总结来看在无潮点强潮流场的影响下，刁口叶瓣形成期西侧水下三角洲是泥沙堆积最活跃区域。

（5）刁口流路河口和河道演变分3 个阶段：1964—1966 年，河口漫流入海，将老海湾填平；1966—1972 年，河道分汊入海，逐渐形成NNE 向单一分流河道，河口三角洲前缘迅速堆积；1972—1976 年，随着岸线推进，刁口河道不断摆动调整，河道曲率过大失稳，1976 年河道调整回到西侧。