海岸带湿地作为全球湿地的重要组成部分，发育了独特的生态系统，是动植物重要栖息场所，具有极高的生态价值^[1]。在海平面上升和河流入海水沙减少的形势下，海岸的侵蚀后退造成滨海环境水深增大、底质流失、潮水作用增强，使原有生物的生境受到破坏^[2]，对海岸带湿地生态系统的维持构成威胁。

作为海岸带湿地的保护区域，位于黄河三角洲北岸刁口河入海口的黄河三角洲北部自然保护区在1976年黄河入海流路由刁口河改至清水沟后，失去径流和泥沙供给达30多年，新流路泥沙扩散无法到达黄河三角洲北岸^[3]，因此，保护区在面临缺水引起的生态退化的同时，侵蚀也在所难免。刁口河作为《黄河河口综合治理规划》指定的备用流路，是该区域的直接径流和泥沙来源，其重新启用方式已有众多研究^[4]。2009年以来，有关部门对刁口河流路实施数次生态调水，刁口河流路断流数十年来重新过流，北部自然保护区缺水现象得到缓解^[5]。有学者对生态调水所带来的效应进行研究，认为生态调水给湿地生态环境的修复带来一定积极作用^[5-6]。然而，目前生态调水的目的仅局限于补充湿地所需淡水，且补充水量较少；对刁口河调水的研究主要集中在自然保护区的生态修复方面，对通过引沙缓解北岸自然保护区侵蚀现象的关注较少^[7]，有待进一步研究。

本项研究尝试利用水下地形资料，对黄河三角洲北部自然保护区的侵蚀进行时空定量分析，结合黄河干流利津站来水来沙情势，提出启用刁口河流路向北部自然保护区输沙以缓解保护区的海滩侵蚀的初步方案。

黄河三角洲北部自然保护区位于黄河故道刁口河入海口两侧原新淤地带，占地面积 484.8 km²，和位于现行河口的南部自然保护区统称为黄河三角洲自然保护区，是中国第2大的海岸带湿地^[8]。保护区从里到外分为核心区、缓冲区和试验区。1990年，东营市政府批准该保护区为当地自然保护区；1992年10月，为保护新生的湿地生态系统，经国务院批准升级为国家级自然保护区，并禁止在核心区开展人类活动^[9]。保护区内有飞雁滩油田，属胜利油田滩海油区。东侧岸段为桩106堤，建于20世纪80年代末^[10]，为防护岸段，岸线平直。西侧岸段大部分为自然岸段，岸线弯曲（图1）。

图  1  研究区域和资料

Figure 1.  Sketch map of the study area

该区地势平缓，地面顺原河道行水方向呈约0.1‰的比降^[7]。潮汐类型为不正规半日潮，潮差约为1～2 m^[10]，潮间带宽度约为12 km。研究区强浪为NE向，波浪频率为10.3%，最大波高约为5 m^[9]，H_1/10波高3.1 m^[10]。

实测水深数据为1992、2000、2007、2015年黄河三角洲滨海区加密测深断面，平面定位精度< 3 m，水深精度为0.4%±5 cm。取覆盖黄河三角洲北部自然保护区的部分，相邻断面距离约为 2 km，同一断面相邻点距离约为300 m。投影坐标采用基于北京54地理坐标系的3°分带法高斯—克吕格投影坐标系，中央经线位于117°E，水深起算面为黄海基面。采用ANUDEM插值方法对测深断面进行插值，设定结果像元大小为30 m×30 m，得到各期研究区水下地形栅格，其投影坐标系与原数据保持一致。测深断面为加密测量的断面，保证了插值后水下地形的可靠性。对各期水下地形栅格进行空间叠加和代数计算，绘制水下地形图、等深线图和冲淤变化图。

由于每次测量时瞬时潮位和地形不同，起测点位置并不一致，导致得到的研究区内各期水下地形面积不同。为计算垂直方向年侵蚀厚度，借助ArcGIS的交集运算，获得水下地形的重合区域，利用填挖方工具，计算各期水下地形重合区域在0 m水深以下的容积，在时间上进行趋势分析。以同样的方法，计算水下地形非重合区域的冲淤变化，综合二者得到研究区的年侵蚀土方量。

水沙数据采用黄河利津站2002—2014年日来水来沙数据，对年内流量分配和流速变化进行统计，以确定生态补沙的最佳时段。

对测深断面水深点插值后得到的各期水下地形（图2），参照2017年海岸线位置，岸坡受侵蚀逐渐后退，1992年以来0 m以上自然保护区面积持续缩小，各年测深断面起测点向海延伸，水下地形面积从1992年至2015年逐渐增大，断面末端水深也不断增加。

图  2  黄河北部自然保护区内水下地形图

Figure 2.  Underwater topography of YRDNNR

进一步比较（表1）可知，1992—2015年研究区平均水深连续增大且增大速率为7 cm/a；最大水深连续增大，增大速率为20 cm/a。自然保护区内桩106海堤堤前水深在2007—2015年间>4 m水深的区域在不断扩大。

对不同年份间地形的冲淤变化进行分析（图3）。从较长年代尺度来看，1992—2015年黄河三角洲自然保护区近岸冲刷较为强烈，平均冲刷深度为2.4 m，最大冲刷厚度可达7.0 m，冲刷最强烈区域位于桩106堤前海域。从较短时间尺度来看，1992—2000年最大冲刷厚度为2.5 m，平均冲刷厚度0.7 m，冲刷最强烈区域分布在保护区边缘。2000—2007年最大冲刷厚度为4.3 m，冲刷强烈区域集中在桩106堤外，达2～4 m，其它区域冲刷厚度不超过2 m。2007—2015年平均冲刷深度0.5 m，最大冲刷厚度4.5 m。总体而言，冲刷主要集中在桩106堤前海域，随着近堤脚不断刷深，海堤面临被侵蚀破坏的危险情势。

图  3  黄河北部自然保护区冲淤变化图

Figure 3.  Erosion and deposition distribution of YRDNNR

1992—2015年，研究区1～4 m的等深线呈现不断蚀退的趋势，但不同深度不同位置等深线蚀退的速率不一致（图4）。由于−4 m以下的等深线只出现于2007和2015年，故不作分析。利用DSAS软件分析得到各等深线蚀退速率（表2）。

图  4  黄河北部自然保护区不同年份等深线变化图

Figure 4.  The contours of YRDNNR in different years

除1 m等深线外，其余等深线走向较为混乱，这可能是插值方法所致。尽管在局部等深线发生前进，但是总体是后退的。由表2可知，1992—2015年黄河三角洲北部自然保护区1 ～4 m等深线均发生后退，总后退距离为3～4 km，年平均后退速率为0.13～0.16 m。水深较浅处后退速率比较大，这可能是0 m附近受风浪作用更强所致。计算得到1992—2015年研究区2 m等深线平均后退速率为0.14 m·a⁻¹，对比前人计算所得的1976—1999年飞雁滩2 m等深线平均后退速率0.34 m·a⁻¹，说明侵蚀存在一定程度的减缓。

从0 m水平面到海底的容积的变化可以表征侵蚀量。容积增大，则海岸侵蚀，反之亦然。以0 m水深为起算水深，统计该深度以下容积的变化（表3）。

以年份为自变量，重合、非重合区域和总区域0 m水深以下容积为因变量进行趋势分析（图5），相关系数R²均>0.99。这说明该区域在过去约30年来，在缺少泥沙供给的单一海洋动力作用下，持续侵蚀。计算得重合区域年侵蚀土方量为0.17×10⁸ m³，得平均年侵蚀厚度为0.14 m。结合非重合区域侵蚀量，黄河三角洲北部自然保护区年总侵蚀土方量为0.22×10⁸ m³，又根据师长兴研究所得黄河三角洲海岸表层沉积物干容重 1.36 g/cm^3[11]，则自然保护区年侵蚀量为0.29×10⁸ t（表4），该计算结果能够预估未来黄河三角洲北部自然保护区的侵蚀速率。

图  5  黄河三角洲北部自然保护区0 m水深以下容积变化

Figure 5.  The trend of volumes below 0 m in YRDNNR

气候变化和人类变化造成过去几十年来黄河入海水沙量阶梯式减少^[12-13]。利津站的来水来沙通常可以代表黄河入海水沙量^[14]，按1997—2017年利津站日水沙量计算，这期间利津站多年平均年输沙量为1.24×10⁸ t，若未来利津站年输沙量能维持在这个水平，理论上能够满足黄河三角洲北岸的泥沙需求。

利津站一年当中的来水来沙分配是自然降水和人为调控的共同结果。由于黄河水少沙多，下游河床不断淤积堆高，为使黄河水沙平衡，实现下游持续冲刷，管理部门实行“调水调沙”，即利用水库的调节库容，适时蓄存和泄放，对天然水沙过程进行调整^[15]。调水调沙期间，小浪底水库开启，形成人造洪峰，对黄河下游河道冲刷，并排泄水库内的泥沙。因此，调水调沙期间径流量、输沙量占了全年重要的比例。黄河调水调沙在短时间内将大量水沙输送入海，截至 2013 年，调水调沙期间入海水沙通量分别占全年的 27.6%和 48.9%。黄河悬浮泥沙浓度在调水调沙期间为17.3 kg·m⁻³，平时则为6.9 kg·m⁻³。^[16]

根据利津站日水沙量，计算调水调沙以来年内入海水沙分配情况。分析统计得出2002—2014年期间，调水调沙总天数达250 d，平均每年19 d（表5）。利津站平均每年输沙量为1.5×10⁸ t，其中调水调沙期间输沙量为0.54×10⁸ t，占全年输沙量的35.9%。调水调沙期间多年平均流量为2002—2014年各年调水调沙期间悬沙浓度平均值为 14.7 kg·m⁻³，而平时悬沙浓度平均值为6.75 kg·m⁻³，前者是后者的2倍多。由此可知，调水调沙使30%以上的黄河泥沙集中在20 d左右排向下游，是生态补沙的绝佳时机。

研究区位于黄河三角洲强侵蚀岸段，有学者曾提出治理该岸段应从“治沙”入手，考虑“保沙”和“调沙”2个方面^[17]。本文仅从“调沙”角度设计调水方案，考虑当前利津站的年内水沙分配、刁口河河道的淤积流量等因素，选取一年当中合适的时段，采取水闸扬水，河道疏浚等措施，对北岸自然保护区进行调水，以达到缓解自然保护区侵蚀的目的。

根据前文分析，黄河入海水沙集中在调水调沙期间。该时段与自然保护区淡水湿地关键需水期基本吻合 ^[18]，也是历年生态调水的最佳时期。因此，选择调水调沙期间在生态调水的基础上进行北岸调水分沙补偿，能以最小的成本输运尽可能多的泥沙，并同时达到较好的生态效益。据统计，2010、2011、2012年3次利用小浪底水库的调水调沙对黄河三角洲北岸进行了生态调水尝试，期间引沙量分别为20.81×10⁴ 、21.17×10⁴ 、24.40×10⁴ t^[19]，与计算所得北部自然保护区年侵蚀量相比，差距较大，因此，从引沙减缓侵蚀的角度来看，有必要在目前生态调水的基础上加大引水量。

根据调水调沙期间和平时利津站来水的含沙量计算所需水量。估算公式如下：

式中：M为年总引沙量，取值为0.29×10⁸ t。$ Q $为引流流量；S为含沙量，取2012—2014多年平均值，其中$ {S}_{{\text{平}}} $取6.75 kg·m⁻³，$ {S}_{{\text{调}}} $取14.7 kg·m⁻³；T为调水时间。

可分为以下情况：①只于调水调沙期间引水补沙；②只于平时引水补沙；③调水调沙期间和非调水调沙期间综合引水补沙。

若只于调水调沙期间引水补沙，根据多年调水调沙的平均天数19 d，向北岸输沙流量应为1 200 m³·s⁻¹。该值小于刁口河流路主槽的最大泄洪能力1 300 m³·s^−1[4]，可保证泥沙的有效运输。同时该流量小于多年调水调沙期间平均流量2 198 m³·s⁻¹，能确保分沙期间现行流路的流量达到该流路河口地区6、7月调水调沙期间的生态保障流量（6月份为200 m³·s⁻¹，7月份为430 m³·s^−1[20]），从而不影响现行流路的社会功能和自然生态功能。该方案分沙流量约为20亿m³，远大于2010年4月该自然生态保护区生态调水量3 500万 m³，若付诸实施需要投入更多扬水船等引水设施或工程的建设；另外，该方案在调水调沙期间刁口河对利津站流量的分流比例达到50%以上，有学者指出分流量太大时有可能影响现行清水沟分流口以下的取水^[21]），并提出6—10月刁口河分流40%的方案，因此方案实施后需要对现行流路大量分流后所受影响进行评估。

考虑到某些年份调水调沙天数较少，仅为10 d左右，可以采取调水调沙和平时综合引沙的方案，在平时以一定流量向北岸补沙（表6）。近年来，由于一些原因，调水调沙并没有进行，可在汛期进行适当的引沙，或在平时以300 m³·s⁻¹ 向北岸持续引沙。表中数值均基于长期统计的参数，在应用中应根据实际流量、含沙量进行调整。

黄河三角洲北部自然保护区在黄河改走现行河道后，缺少水沙补给，在海洋潮流和波浪持续作用下严重侵蚀，最大水深持续增大，增大速率为20 cm·a⁻¹；1～4 m等深线持续后退，后退速率为0.13～0.16 km·a⁻¹；年均侵蚀土方量为0.29×10⁸ t，年均侵蚀厚度为0.14 m。目前实施的生态调水的输沙量仍远小于北部自然保护区的侵蚀量。

按照目前黄河干流自然入海水沙通量，提出在调水调沙期进行补沙，通过刁口河故道，以约1 200 m³·s⁻¹的流速向刁口河输水19 d，则可基本平衡北部自然保护区的侵蚀。在调水调沙天数较少的年份，可以在平时或者汛期进行适当补沙，以补偿该地区海岸侵蚀，维持自然保护生态。