蔣偉達(dá)孫永福劉紹文董立峰宋玉鵬

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京210023;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;3.海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210023;4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061)

黃河水下三角洲埕島海域是我國重要的灘淺海海洋資源開發(fā)區(qū)[1],自1988年在該海域發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量豐富的油氣資源以來,大量海上工程設(shè)施如油氣勘探生產(chǎn)平臺(tái)、海底油氣管道等人工構(gòu)筑物不斷建成[2]。為了順應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略,滿足市場(chǎng)日益增長的油氣需求,海域油氣資源的開發(fā)逐步向高速高效模式轉(zhuǎn)變,而海上工程設(shè)施的選址設(shè)計(jì)除了要考慮油氣資源的儲(chǔ)藏量之外,海域水深地形、海底地貌、底質(zhì)類型等也是重要的影響因素。

研究區(qū)域主要在1964年以前神仙溝流路走河期間和1964—1976年刁口流路走河期間形成的兩個(gè)亞三角洲沉積體[3]。每個(gè)黃河亞三角洲沉積體,即三角洲葉瓣的演化都遵循“葉瓣開始生長-向海中伸展-橫行擴(kuò)展-廢棄蝕退成堤”的規(guī)律[4],尾閭河道行水初期,河口區(qū)域在黃河入海泥沙和海洋動(dòng)力條件的影響下迅速淤積延伸,不斷演化;而當(dāng)尾閭改道后,泥沙來量驟減,在海洋動(dòng)力的強(qiáng)作用下,海岸受到侵蝕不斷后退,水下岸坡也受到強(qiáng)烈沖刷,海底地形短期內(nèi)發(fā)生巨大改變,對(duì)海域內(nèi)油藏的開發(fā)利用造成極大影響[5]。大量學(xué)者使用黃河水利委員會(huì)提供的測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)刁口葉瓣廢棄后水下三角洲的沖淤變化進(jìn)行了深入研究[6-9],但大多只注重討論了階段性的沖淤規(guī)律,普遍認(rèn)為水下三角洲主體部分以侵蝕為主要趨勢(shì),并且侵蝕強(qiáng)度隨時(shí)間逐步減弱,最終趨于沖淤平衡狀態(tài)。Zhang等[10]在探討水下三角洲整體沖淤規(guī)律的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步探究了其地質(zhì)意義。

而經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的廢棄改造,埕島海域水下三角洲當(dāng)前的真實(shí)地形如何,是否發(fā)生了新的變化,仍然值得深入研究。本文主要根據(jù)1958—2014年間各期水深插值結(jié)果,分析討論了在葉瓣發(fā)育到廢棄整個(gè)過程中,各個(gè)時(shí)期水下三角洲的地形特征及其演變狀態(tài)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在水下測(cè)量中,通常使用單波束或多波束測(cè)深儀獲取水深數(shù)據(jù),通過GPS獲取平面坐標(biāo),結(jié)合潮位數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)處理軟件解算得到測(cè)點(diǎn)校準(zhǔn)后的平面坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)[11-12]。將水深測(cè)量數(shù)據(jù)通過表格軟件編輯,將測(cè)點(diǎn)的X,Y,Z值按點(diǎn)文件的格式保存為excel表格或逗號(hào)分隔符文件(.csv格式),使用Arcgis軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù),選擇適當(dāng)?shù)耐队白鴺?biāo)系統(tǒng),即可將表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成便于插值的矢量點(diǎn)文件。

我們利用研究區(qū)域的歷年海圖采集到1959,1966,1968,1976,1985和1999年海域內(nèi)部分水深數(shù)據(jù),以及2014年實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)共7期數(shù)據(jù)。在獲得矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)后,一般會(huì)先進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來了解區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和分布特征,統(tǒng)計(jì)直方圖及QQplot圖是最常使用的統(tǒng)計(jì)工具。以2014年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,該區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)最大水深20.7 m,最小水深0.9 m,平均水深約12.4 m,且樣本差異性較大;數(shù)據(jù)分布近似正態(tài),偏度0.39,主要影響數(shù)據(jù)點(diǎn)位置分布的因素是在實(shí)際測(cè)量過程中,航線設(shè)計(jì)要求便于船舶行駛同時(shí)需避讓人工構(gòu)筑物及危險(xiǎn)區(qū)域。借助趨勢(shì)分析可提前了解區(qū)域內(nèi)地形的整體態(tài)勢(shì)(圖1c),該區(qū)域內(nèi)水深明顯在經(jīng)線(Y軸)方向上近似線性加深,而在緯線(X軸)方向上則是西高東低的特征。

圖1 2014年實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistics of measured data in 2014

在進(jìn)行插值前,一般需要剔除明顯錯(cuò)誤的水深點(diǎn)以減少插值誤差,傳統(tǒng)方法是在直方圖或QQplot圖中直接選取首尾兩端的數(shù)據(jù),將偏大和偏小的數(shù)據(jù)全部剔除,收束數(shù)據(jù)值的范圍,但這樣處理的缺點(diǎn)也十分明顯,刪除的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多,插值結(jié)果的準(zhǔn)確性也越低。本文采用的處理方法是將點(diǎn)數(shù)據(jù)三維化后進(jìn)行人工挑選。根據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果,該海域水深值在經(jīng)線(Y軸)方向上呈現(xiàn)較好的線性趨勢(shì),因此將點(diǎn)數(shù)據(jù)投影至XZ面上,將明顯偏離的數(shù)據(jù)手動(dòng)剔除。

1.2 插值方法選擇

目前較為常見的空間插值方法按插值函數(shù)的范圍可分為整體插值法和局部插值法兩種。前者因計(jì)算量大、難以表達(dá)區(qū)域內(nèi)局部特征等缺點(diǎn),并不常用;而后者則是將插值區(qū)域按地形曲面特征先進(jìn)行分塊,再在獨(dú)立塊體內(nèi)進(jìn)行曲面擬合和插值,因此適用性較好。常用的局部插值法有4種:

1)反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted,IDW)插值法[13]是通過插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均,與插值點(diǎn)越靠近的樣本點(diǎn)計(jì)算時(shí)所被賦予的權(quán)重值越大,權(quán)重值一般與距離成反比關(guān)系[14],故而稱之為“反距離”加權(quán)。2)克里金(Kriging)插值法[15]與反距離加權(quán)插值法形式類似,僅在權(quán)重的選擇上有區(qū)別,一般用半變異函數(shù)γ(d)或者協(xié)方差函數(shù)Cov(d)作為權(quán)重參與計(jì)算。3)樣條函數(shù)(Spline)插值法則是使用一個(gè)最小化表面總曲率的數(shù)學(xué)函數(shù)來計(jì)算,生成恰好通過輸入點(diǎn)的光滑表面,適用于生成較平緩的表面,可分成規(guī)則樣條和張力樣條兩種,區(qū)別主要在生成曲面的范圍和光滑程度,規(guī)則樣條更能顧及到輸入點(diǎn)范圍外的數(shù)據(jù)進(jìn)而生成漸變的光滑曲面[16]。4)自然鄰點(diǎn)(Natural Neighbour,NN)插值法則是通過不斷修改構(gòu)建的泰森多邊形[17]來進(jìn)行插值。

本文先選用局部插值方法進(jìn)行計(jì)算,再分別與反距離加權(quán)插值法、克里金插值法、樣條函數(shù)插值法、自然鄰點(diǎn)插值法四種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,最終確定最適合本研究區(qū)的插值方法。

1.3 插值結(jié)果比較

以2014年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,經(jīng)過預(yù)處理后,研究海域內(nèi)共計(jì)有3296個(gè)水深點(diǎn),基本均勻覆蓋整個(gè)研究區(qū)域(圖2),隨機(jī)挑選330個(gè)(約占原始數(shù)據(jù)10%)作為插值檢驗(yàn)點(diǎn),剩余2966個(gè)水深數(shù)據(jù)作為插值樣本點(diǎn)參與計(jì)算。通過插值結(jié)果與檢驗(yàn)點(diǎn)之間的誤差分析可知插值方法研究區(qū)的適用性,詳細(xì)誤差對(duì)比分析結(jié)果見表1及表2。

圖2 研究區(qū)位置Fig.2 Location of study area

從插值結(jié)果可知,本區(qū)域內(nèi)使用反距離加權(quán)法和克里金法插值法效果相對(duì)較好,平均誤差在0.01 m 左右,且插值曲面較為光滑;樣條曲線法效果最差,插值面在數(shù)據(jù)較稀疏處存在明顯凸起或凹陷;而自然鄰近法主要在邊緣區(qū)域誤差較大,且在4 種插值方法中平均誤差最大?？紤]到計(jì)算速度,本文確定選取反距離加權(quán)法進(jìn)行插值,并根據(jù)胡麗川[18]推薦的“最優(yōu)”參數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算:搜索方向設(shè)定為四方向,搜索點(diǎn)數(shù)設(shè)定為12,權(quán)指數(shù)設(shè)定為2。最終各期水深圖的插值結(jié)果誤差基本控制在0.1 m 以內(nèi)。

表1 四種插值方法誤差對(duì)比分析Table 1 Error comparative analysis of four interpolation methods

表2 部分點(diǎn)數(shù)據(jù)插值結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of interpolating results for partial points

2 結(jié)果與分析

2.1 水深變化

如上所述,選用反距離加權(quán)法并設(shè)置“最優(yōu)”參數(shù),利用已有水深點(diǎn)數(shù)據(jù)插值生成了7幅水深圖,其中6幅見圖3。1964年前,該區(qū)域附近河道長期廢棄,海底地形經(jīng)過多年調(diào)整已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因此1959年海底地形可同等視作1964年初始地形[19]。如圖3所示,本區(qū)域內(nèi)整體呈西南高東北低趨勢(shì),除1976年黃河流路擺動(dòng)時(shí)期處于調(diào)整階段外,等深線一般平行于NW—SE 方向,與區(qū)域內(nèi)波浪常浪向NE 方向[20]相垂直,等深線越往深處越稀疏,即坡度隨深度增加逐漸變緩。1959年,本區(qū)域東南角是一片凸出陸地,西南角有一海灣,而1964年人工破堤后,經(jīng)過幾個(gè)汛期至1966年淺水灣已經(jīng)被完全填平并繼續(xù)向海淤進(jìn),在此期間最大淤積厚度超過9 m。

圖3 研究區(qū)不同時(shí)期水深(m)Fig.3 Variations of water depths for study area in various periods(m)

通過歷年12 m 等深線的對(duì)比(圖4)可更清晰地重現(xiàn)研究海域內(nèi)水深變化過程,12 m 等深線在1964—1976年間略微調(diào)整方向后迅速向海推進(jìn),1976 后又逐漸向岸蝕退。據(jù)統(tǒng)計(jì)[21],在刁口流路12 a行水期間,黃河攜帶了140 多億t泥沙快速堆積在河口地區(qū),海岸線向海推移了近15 km。1964年刁口流路開始行水,帶來大量泥沙,在河口迅速堆積,至1976年12 m 等深線已經(jīng)向海移動(dòng)8～9 km,平均淤進(jìn)速度可達(dá)0.7 km/a。1976年人工截流以后,黃河尾閭改道清水溝流路,本海域外部泥沙來源斷絕,在風(fēng)浪和海流的強(qiáng)力作用下,原三角洲體系受到強(qiáng)烈侵蝕,近岸水深加大,等深線向岸后退,但后退速度逐年減慢。從12 m 等深線來看,侵蝕初期1976—1985年后退3 km,蝕退速度約0.33 km/a,但1999—2014 年移動(dòng)了約0.6 km,蝕退速度約0.04 km/a,相比初期已經(jīng)下降了整整一個(gè)數(shù)量級(jí),海底地形進(jìn)入緩慢調(diào)整時(shí)期。

圖4 研究區(qū)不同時(shí)期水深12 m 等深線位置Fig.4 Locations of 12 m isobaths in various periods

2.2 坡比變化

從地貌學(xué)角度分析,本研究區(qū)海域內(nèi)海底地貌以12 m 等深線為界,12 m 以淺為水下岸坡地貌,12 m 以深為海底平原地貌[22-23]。其中水下岸坡又以5 m 等深線為界,5 m 以淺為近岸淺水區(qū),地勢(shì)相對(duì)平坦;5～12 m 為復(fù)雜地貌區(qū),地勢(shì)起伏最大,在海洋動(dòng)力條件下被改造成多種復(fù)雜微地貌,溝谷縱橫,丘臺(tái)疊嶂;而海底平原區(qū)則是坡度平緩的寬廣海床。該海域內(nèi)坡度較陡區(qū)主要集中在3～12 m 等深線之間,并且連結(jié)形成條帶狀,剖面坡度可達(dá)2‰(圖5)。這主要是由于海浪在攀爬岸坡時(shí)與海底摩擦破碎,向海底輸送巨大能量,為水下地形的重塑改造提供了動(dòng)力,形成復(fù)雜的微地貌。而與往期不同的是,2014年該研究海域內(nèi)已經(jīng)分異出兩個(gè)明顯的坡降陡坎,分別位于6和12 m 水深附近,最陡處坡比甚至達(dá)到6‰以上,8～10 m 等深線之間反而存在一片異常緩坡平臺(tái),平均坡比小于0.5‰(圖6),形成了“陡-緩-陡”的特殊地貌單元。

圖5 研究區(qū)不同時(shí)期地形坡度Fig.5 Slope maps forf various periods since 1959

圖6 2014年斷面a水深、坡度關(guān)系Fig.6 Relationship between depth and slope of the section-a in 2014

2.3 沖淤情況

圖7 研究區(qū)不同時(shí)期沖淤變化(m)Fig.7 Erosion and deposition maps for various periods since 1959(m)

使用柵格計(jì)算功能,可以獲取區(qū)域內(nèi)年代際沖淤程度(圖7)。以1976年斷流為狀態(tài)區(qū)分界,1964年(1959年)至1976年處于快速淤積(紅色)階段,且淤積中心明顯向東北方向推進(jìn),1966年前主要在古海灣處淤積,中期迅速開始向海淤進(jìn),后期分化出兩個(gè)沉積中心,平均沉積厚度超過6 m。1976年以來,由于沉積物來源斷絕而海洋動(dòng)力較強(qiáng),整體區(qū)域內(nèi)主要以沖刷(藍(lán)色)重塑為主,沖刷中心主要集中在近岸區(qū)域9 m等深線以內(nèi),并逐年向岸加大侵蝕。1999年后,大部分區(qū)域已逐漸達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài),只在近岸處有一顯著沖刷坑,至2014年(15 a)最大侵蝕深度約有6 m;相對(duì)的,海域內(nèi)僅有部分小斑塊狀淤積,通過位置對(duì)比發(fā)現(xiàn)該淤積區(qū)位于幾個(gè)開發(fā)平臺(tái)附近,推測(cè)可能是受人工構(gòu)筑物影響造成的局部淤積。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),1959—1976年研究海域內(nèi)海底面平均升高4.8 m,最大淤積厚度超過12 m。根據(jù)研究海域內(nèi)實(shí)地采樣土工試驗(yàn)結(jié)果,海底10 m 以淺表層土濕密度為1.67～2.04 g/cm3,含水率為22.8%～58.5%,變化較大,若按泥沙容重取1.1 t/m3[24]計(jì)算,本區(qū)域430 km2范圍內(nèi)共計(jì)淤積泥沙約22.7億t,占140多億t泥沙來量的16%;1976—2014年海域內(nèi)水深平均加大2.1 m,最大沖刷厚度超過6 m,凈輸出泥沙約10億t。

3 討 論

刁口流路葉瓣作為現(xiàn)代黃河三角洲最后一個(gè)廢棄葉瓣,發(fā)育年代距今不過半個(gè)世紀(jì),整個(gè)過程記錄也相對(duì)完整,為研究三角洲葉瓣演變規(guī)律提供了很好的研究素材,具有極高的研究價(jià)值[19]。本區(qū)域內(nèi)海底地形演變主要可以分成3個(gè)階段:1964年以前的相對(duì)穩(wěn)定期、1964—1976年間行水淤積期和1976年至今的侵蝕調(diào)整期。1964年之前,黃河長期行水神仙溝流路在本區(qū)域東南側(cè)入海,期間區(qū)域內(nèi)未發(fā)生氣象大事件,海底地形處于較為穩(wěn)定的狀態(tài),屬于典型的水下三角洲側(cè)緣地貌。從1964年為應(yīng)對(duì)凌汛人工決堤開始,到1976年人工改道清水溝流路,刁口河流路實(shí)際行水雖僅12 a,但期間經(jīng)歷了一次完整的河口水下三角洲發(fā)育過程。1976年后黃河尾閭改道清水溝流路,本研究區(qū)重新廢棄,水下三角洲進(jìn)入廢棄侵蝕階段。

圖7展示的是斷面a在不同時(shí)期的水深剖面,在刁口河流路行水初期(1968年前),泥沙主要在近岸段淤積,形成了“緩-陡-緩”的基本海底地形特征;行水中后期(1976年前)發(fā)生全域性淤積,海底面整體升高4～6 m,保持整體地形特征不變。刁口河斷流后,水下三角洲被快速侵蝕,至1999年整體被侵蝕約2 m,但在8～10 m 水深間存在蝕余凸起;1999年后,12 m 水深以下海底平原區(qū)已經(jīng)基本達(dá)到平衡狀態(tài),僅在近岸4～8 m 水深間仍然存在侵蝕現(xiàn)象;至2014年,凸起也被侵蝕形成緩坡平臺(tái),整體海底地形特征轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸?緩-陡”格局。

圖8 斷面a不同時(shí)期水深分布Fig.8 Variations for depth of section-a in various periods

大量學(xué)者[6-9,25-26]研究了埕島地區(qū)近年的海底侵蝕規(guī)律,一般根據(jù)沖刷速率、剖面坡度等條件將侵蝕變化分為3個(gè)階段:1976—1980年是廢棄初期快速?zèng)_刷階段、1980—1989年是緩慢沖刷階段、1989年以來是以沖刷為主的沖淤調(diào)整階段。而根據(jù)本文研究可知,1999年以后,雖然大部分區(qū)域已經(jīng)到達(dá)沖淤平衡狀態(tài),但是在靠近堤岸處仍然存在顯著沖刷侵蝕跡象,且在此狀態(tài)下,海洋動(dòng)力對(duì)水下岸坡段的地形改造依舊強(qiáng)烈,在8～10 m 等深線之間形成一片異常緩坡地帶,坡度遠(yuǎn)小于兩側(cè)。王厚杰等[27]認(rèn)為,刁口流路斷流后,尤其是20世紀(jì)90年代來,淺水區(qū)域(＜10 m)由波浪過程導(dǎo)致的粉砂通過再懸浮進(jìn)入浮泥層,在重力控制下沿水下岸坡向深水輸送并在深水區(qū)(＞10 m)沉積。但結(jié)合圖7f與圖8分析,在深水區(qū)未見明顯堆積區(qū)域,反而在同水深的其他位置存在泥沙淤積,由此推測(cè),近岸海底沉積物受波浪作用再懸浮后隨海流輸運(yùn)至其他區(qū)域的可能性更大。

4 結(jié)論與展望

通過分析研究區(qū)7期水深數(shù)據(jù),對(duì)比不同插值方法生成水深圖的結(jié)果誤差,最終確定選擇使用反距離加權(quán)法插值生成研究海域不同時(shí)期的水深圖、坡比圖,并且通過柵格計(jì)算生成各個(gè)年代間的相對(duì)沖淤情況圖。研究討論了不同時(shí)期的海底地形特征,尤其是刁口流路斷流前后的坡度變化、沖淤情況,主要得到以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論:

1)研究海域內(nèi)反距離加權(quán)插值法適用性最好,整體地形除了開始行河及斷流當(dāng)年由于外部環(huán)境突變致使不穩(wěn)定,其余各年份整體呈西南高東北低態(tài)勢(shì),等深線平行于海岸、垂直于常浪向,越往深處越稀疏。

2)該海域在3～12 m 等深線之間屬于水下岸坡段,坡度較陡且連結(jié)成帶。岸坡段地形各個(gè)時(shí)期都較為復(fù)雜,在行水期間岸坡段坡度主要表現(xiàn)為“緩-陡-緩”特征,斷流侵蝕后則表現(xiàn)為“陡-緩-陡”。

3)在行水期(1964—1976年),刁口流路葉瓣快速生長淤積,填平淺水灣后繼續(xù)向海淤進(jìn),12 m 等深線向海推進(jìn)約9 km,海底面平均升高4.8 m,最大淤積厚度超過12 m,形成西南高東北低的整體地形趨勢(shì);1976年后黃河改道尾閭,三角洲葉瓣進(jìn)入被沖刷侵蝕階段,侵蝕速率逐漸減緩,中心不斷向岸移動(dòng),水深平均加大2.1 m,最大沖刷厚度超過6 m。

我們未考慮構(gòu)造和沉積物的固結(jié)下沉導(dǎo)致的地形變化,而是直接將各期水深之間的差值視為年代之間的地形變化,李廣雪等[28]計(jì)算得出本區(qū)域內(nèi)固結(jié)壓實(shí)速率約為5 cm/a,但由于本海域海底底質(zhì)復(fù)雜,故未計(jì)算該部分變化。由于海底面水深數(shù)據(jù)獲取難度較大,因此數(shù)據(jù)年代間隔較大且不均勻,希望日后能夠獲取更多更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù),在后續(xù)研究中挖掘出更多規(guī)律。

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