基于GIS的長(zhǎng)江口南支下段河勢(shì)演變及穩(wěn)定性分析＊

劉杜娟,葉銀燦,李 冬,陳小玲

(國(guó)家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012)

長(zhǎng)江口在徑流和潮流的雙重作用下,自徐六涇以下形成三級(jí)分汊、四口入海的格局[1-3]。長(zhǎng)江口是有規(guī)律的分汊河口,在徐六涇以下由崇明島分隔成南支和北支,南支在吳淞口以下被長(zhǎng)興島分隔為南港和北港,南港在九段以下又被九段沙分隔成南槽和北槽[1,4]。目前,對(duì)曾經(jīng)作為上海港通海主航道的北港,學(xué)者們關(guān)注最多的是其泥沙特征及河勢(shì)演變分析[3,5-7]。隨著南港成為上海港通海主航道以及長(zhǎng)江口深水航道治理工程的實(shí)施,對(duì)南港泥沙特征、河道沖淤變化及河勢(shì)演變分析的研究成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)[3,4,8-10]。但是,長(zhǎng)江口河勢(shì)變化最復(fù)雜、對(duì)航道治理和船舶通航影響最大的河段則是南支下段(即南北港分流口所在河段)[1,11-16]。

南支下段是長(zhǎng)江口河勢(shì)變化最不穩(wěn)定的區(qū)段,具體表現(xiàn)為洲灘游移不定(俗稱扁擔(dān)沙、中央沙、瀏河沙三沙游蕩),動(dòng)力條件復(fù)雜,灘槽易位,沖淤多變,尤其南北港分流口位于此河段,而南支河勢(shì)控制的關(guān)鍵則是南北港分流口的整治。北港口門(mén)的扁擔(dān)沙受橫向水流切灘產(chǎn)生了3個(gè)通道,南港口門(mén)則有新瀏河沙包和新瀏河沙,也有3個(gè)通道,中央沙作為南北港分汊口的分流沙洲,在長(zhǎng)期水動(dòng)力作用下呈現(xiàn)“下移-上提-再下移”的周期性演變規(guī)律。

本研究擬利用長(zhǎng)江口南支下段1980年—2005年間的地形資料,借助GIS技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能,建立各個(gè)時(shí)期研究區(qū)水下數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),在此基礎(chǔ)上,對(duì)這20多a來(lái)長(zhǎng)江口南支下段的河勢(shì)演變進(jìn)行分析,并對(duì)該河段的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。所得結(jié)論可為長(zhǎng)江口南、北港分流口治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文泥沙特征

長(zhǎng)江河口徑流量以大通水文站統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù),多年平均(1950年—2000年)徑流量為28 700×108m3[5]。受潮型、徑流、分流口位置的變遷、南港與北港各自河床總?cè)莘e和總阻力等因素的影響,1958年以來(lái),南、北港實(shí)測(cè)落潮流量分配比基本上穩(wěn)定在1∶1[4]。

長(zhǎng)江口南支河段潮汐中等強(qiáng)度,吳淞、石洞口平均潮差分別為2.31和2.15 m,平均漲落潮流歷時(shí),吳淞為4.6和7.9 h,石洞口為4.4和8.1 h[15]。

據(jù)統(tǒng)計(jì),大通站多年平均(1950年—2000年)含沙量為0.486 kg/m3,多年平均輸沙量達(dá)4.33×108t[5]。三峽工程于2003年6月蓄水運(yùn)用以來(lái),對(duì)上游泥沙的攔截作用十分顯著。2003年—2005年大通站各年輸沙量比多年平均分別減小52%,66%和50%。2006和2007年長(zhǎng)江上游枯水少沙,2006大通站徑流量比多年平均減少24%,輸沙量?jī)H為0.85×108t,比多年平均減少了80%[14]。2007年大通站徑流量比多年平均減少15%,輸沙量為1.38×108t,比多年平均減少了67%[17],進(jìn)入長(zhǎng)江口河段的輸沙量顯著減少。

1.2 南支下段歷史演變

南支河段從徐六涇開(kāi)始到吳淞口為止,全長(zhǎng)70 km左右,中間以七丫口為界,分為上段和下段。上段為江心洲河型,下段進(jìn)入南北港分流口河段(圖1)[1]。

圖1 長(zhǎng)江口分汊形勢(shì)圖Fig.1 M ap o f waterway bifurcation situation in the Yangtze Estuary

南支下段汊道眾多,暗灘羅列,有扁擔(dān)沙、新瀏河沙和中央沙等。通往南港的主要水道有：新寶山水道、寶山北水道及南沙頭通道下段,通往北港的主要水道有：新橋通道、新新橋通道。

1860年長(zhǎng)江洪水對(duì)南北港分流口的形成起到了關(guān)鍵作用。1861年,南北港分流汊道-10 m等深線貫通,分別稱為老寶山水道和老崇明水道。隨著徑流作用,分流口沙洲沖刷下移,1861年—1921年-5m等深線下移了12.2 km,老崇明水道迅速淤?gòu)U。1931年,長(zhǎng)江洪水在扁擔(dān)沙切灘形成中央沙北水道,逐漸成為南北港新一代分流通道。1941年,在瀏河口外形成由心灘分隔的兩股水流,分別進(jìn)入南港和北港。1954年,長(zhǎng)江特大洪水影響下,老瀏河沙與中央1沙、中央2沙連為一體,堵塞了通南港的寶山水道。1963年,老瀏河沙與中央1沙間沖出新寶山水道,并迅速成為分流南港的通道,中央1沙成為新的分流沙洲(中央沙),中央沙北水道則為北港分流通道,但該通道不久即隨著新橋通道的形成發(fā)展而消亡。同時(shí),由南門(mén)通道下切的南沙頭下移成為新瀏河沙,它與新寶山水道、南沙頭通道并存。

1980年,中央沙北水道逐漸衰亡,1981年新瀏河沙與新橋通道形成,新瀏河沙成為新的分流沙洲,新橋通道僅替代了中央沙北水道,成為分流北港的主要水道。通道切割下來(lái)的下扁擔(dān)沙沙尾歸并中央沙,分流口上提了10 km左右。此后,中央沙沙頭逐年沖刷下移,1991年新瀏河沙沙體上的-5 m串溝貫通,沙體被分割為新瀏河沙包和新瀏河沙。1998年和1999年洪水作用使該串溝迅速發(fā)展成為進(jìn)入南港的主通道——寶山北水道,分流口再次上提。2001年,下扁擔(dān)沙尾上的新新橋通道已具雛形[18]。

2 研究資料與研究方法

以 1980年、1990年、1995年、1998年、2002年、2005年 6個(gè)年份的海圖為基礎(chǔ) ,運(yùn)用GIS技術(shù),對(duì)海圖進(jìn)行掃描、配準(zhǔn)和數(shù)字化,用Map In fo軟件采集各時(shí)段的河道水深數(shù)據(jù),生成水深數(shù)據(jù)庫(kù),將水深基面進(jìn)行統(tǒng)一。在Surfer軟件中用內(nèi)插法將水深值進(jìn)行內(nèi)插,生成DEM,進(jìn)而生成水下地形圖(0,-2,-5,-10 m等深線),并進(jìn)行疊加分析。在南支下段自上而下選取 4個(gè)典型橫斷面(AA′、BB′、CC′、DD′)(圖 2),生成各個(gè)斷面的變化。

3 結(jié)果分析

將6個(gè)年份的海圖數(shù)字化并疊加,以0,-2,-5,-10 m等深線為基礎(chǔ),分析南支下段河道演變過(guò)程(圖3)。

圖2 典型斷面位置圖Fig.2 Locations o f the typical cross sections

圖3 等深線變化圖Fig.3 Isobath variation

3.1 平面變化

1980年—2005年,三沙(下扁擔(dān)沙、新瀏河沙、中央沙)共存局面一直存在。

1980年,南門(mén)通道和中央沙北水道-5 m等深線仍舊貫通,南門(mén)通道-10 m槽淤斷,中央沙北水道河勢(shì)不順,-10 m等深線中斷。兩者之間的新橋通道-5 m串溝已具雛形,新橋水道-10m槽與北港主槽順直相通。1990年新瀏河沙沙頭上伸至瀏河口外側(cè),1995年—1998年間沙頭位置不變,1998年—2002年間沖刷下移2 300 m,平均每年下移575m之多(表1);2002年—2005年間沙頭下移1 400 m,平均每年下移近500 m。沙頭沙尾的沖刷下移使得新瀏河沙總體形態(tài)表現(xiàn)出束狹變窄特征。由于新瀏河沙的沖刷下移,新寶山水道-5 m槽整體以淤積為主,尤其是北側(cè)邊坡。

表1 沙頭和沙尾(-5m等深線)移動(dòng)距離(m)Table 1 Displacement of heads and tails o f three sandbanks(the-5m isobath)(m)

1980年—1993年,南港水道(新寶山水道、南沙頭水道)萎縮,主槽南移,1993年寶山北水道形成。1990年,中央沙北水道淤?gòu)U,新寶山水道瀏河口外-10 m槽貫通,槽寬縮窄至700～1 500m。1995年,南港主槽-寶山北水道相對(duì)1990年沖刷切深,南側(cè)邊坡沖淤交替,北側(cè)邊坡以淤積為主。新橋通道-10 m槽貫通,槽寬1 000～1 700m。

新橋通道受南支主槽強(qiáng)勢(shì)落潮流頂沖,-5 m槽貫通且逐漸逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。新橋通道切割下扁擔(dān)沙尾歸并中央沙,中央沙沙頭(-5 m等深線)上提至石洞口,新橋通道完全代替中央沙北水道成為通北港的主汊道。1995年,新瀏河沙中部-5m串溝貫通,新寶山水道上段進(jìn)一步縮窄,南沙頭通道走向南偏,新橋通道北偏,下扁擔(dān)沙尾受新橋通道水流切割,沙尾(-5m等深線)后退約4 000m。中央沙沙頭繼續(xù)沖刷下移約2 700m。新瀏河沙和下扁擔(dān)沙之間新橋通道的-5m槽寬由1990年的3 900m縮至1995年的2 900 m。1998年南支下段-5m等深線與1995年基本一致。

2002年,下扁擔(dān)沙沙尾-5m串溝形成,新橋通道-5m槽和-10m槽變化不大,新寶山水道-5 m槽寬有所增加,寶山北水道進(jìn)一步受沖刷,-10m深槽進(jìn)一步加寬,中央沙沙頭和新瀏河沙沙體繼續(xù)沖刷下移。2005年,下扁擔(dān)沙沙尾-5 m槽貫通,是為新新橋通道,-10m深槽長(zhǎng)度4 700m,最大寬度達(dá)500m。而新橋通道-10 m深槽則淤積縮窄,上段槽寬約1 500 m,下段寬600 m左右。

從整體看,南支下段河道局部區(qū)域的沖淤變化很劇烈,主要的沖刷區(qū)位于南岸主槽(如新寶山水道)和北岸的新橋水道,前者為落潮槽,后者為漲潮槽。主要的淤積區(qū)位于河道中心的沙體上,即下扁擔(dān)沙、新瀏河沙和中央沙。南支下段河勢(shì)多年的演變,總是和扁擔(dān)沙、新瀏河沙和中央沙的互動(dòng)分合聯(lián)系在一起的,顯示出周期性的沖淤進(jìn)退和上下擺動(dòng)規(guī)律性。

3.2 典型斷面變化

在南支下段自上而下選取4個(gè)斷面(圖2),各斷面的變化如圖4所示。

圖4典型斷面變化圖Fig.4 Variations of the typical cross sections

3.2.1 AA′斷面

AA′斷面位于瀏河口西北側(cè)至施翹河一線。1980年,南支主槽位于河槽南側(cè),新橋水道-5m等深線近岸。1995年,河槽整體處于淤積狀態(tài),最大淤積厚度12.3m,僅在南側(cè)邊坡沖刷,最大沖刷深度10.5m。主槽中部出現(xiàn)隆起沙包,剖面由“V”型變?yōu)椤癢”型。主槽北側(cè)淤高,坡度變陡。此間,下扁擔(dān)沙沙體南移擴(kuò)展。2002年,主槽南側(cè)邊坡穩(wěn)定,北側(cè)遭受沖刷,中部沙包向北遷移1 000m左右,槽體沖刷下切,水深加大,最深點(diǎn)接近1980年水平。下扁擔(dān)沙體中部發(fā)育5m串溝,為新新橋通道雛形。此間,新橋水道沖刷加深。由此可見(jiàn),1980年—2002年間,AA′斷面位置南支下段主槽南側(cè)邊坡除局部強(qiáng)烈沖淤變化,其他沖淤穩(wěn)定,北側(cè)邊坡、下扁擔(dān)沙、新橋水道則沖淤變化復(fù)雜、幅度大。

3.2.2 BB′斷面

BB′斷面位于石洞口至新橋港一線,呈脊槽相間格局,自北向南穿越南港主槽、新瀏河沙(后分化為新瀏河沙包及新瀏河沙)、新橋通道、下扁擔(dān)沙、新橋水道等地貌單元。

1980年,斷面自南向北依次分布有新寶山水道、新瀏河沙(尚未分化)、南沙頭通道、下扁擔(dān)沙、新橋水道。斷面上新瀏河沙灘頂未出露水面。南沙頭通道為當(dāng)時(shí)南支進(jìn)入北港的通道。

1980年—1995年,新寶山水道北側(cè)淤積,深泓線南移。新瀏河沙南移,沙體中部-5m串溝溝通,分化為新瀏河沙包和新瀏河沙,串溝于1993年發(fā)育成寶山北水道。在此期間,新橋通道代替南沙頭通道成為南支進(jìn)入北港通道,河槽沖深加寬。

1998年新寶山水道南側(cè)邊坡沖刷,北側(cè)邊坡淤積,但河槽整體寬度不變。寶山北水道繼續(xù)沖刷,刷深約5 m。新橋通道北側(cè)淤積,深泓線南移1 km左右。新橋水道沖刷加深。2002年新寶山水道淤淺變寬,新瀏河沙沖刷下移,移過(guò)BB′斷面,寶山北水道深泓線北移,水深加大。新橋通道淤淺,新橋水道變淺。

2002年—2005年,新瀏河沙持續(xù)下移,2005年南北分流口移出BB′斷面。

總的來(lái)看,南港主槽基本穩(wěn)定,以沖刷為主;新瀏河沙和下扁擔(dān)沙變動(dòng)頻繁;導(dǎo)致南沙頭通道深泓線來(lái)回?cái)[動(dòng),沖淤交替;新橋水道基本穩(wěn)定,主槽以淤積為主,只是1998年洪水過(guò)程引起大幅度沖刷。

3.2.3 CC′斷面

CC′斷面位于中央沙沙頭,由圖4可見(jiàn),1980年—2005年,斷面沖淤變化較大,主要由三沙沖刷下移引起。

老瀏河沙逐年下移,至1995年已移出CC′斷面。1990年以后,南港主槽南沖北淤,深泓線南移。中央沙沙頭沖刷下移,斷面寬度逐漸減小。受下扁擔(dān)沙尾影響,1990年—2005年新橋通道深泓線南北略有擺動(dòng),水深逐年增加。2002年下扁擔(dān)沙尾延伸到斷面位置,隨后切灘形成新新橋通道。新橋水道一直穩(wěn)定。

南港主槽1980年—1993年萎縮南移,1995年深切形成的寶山北水道成為新一代南港主槽。中央沙1998年以前淤積,1998年沖刷,以后又轉(zhuǎn)為淤積。新橋通道、新新橋通道南側(cè)一直沖刷下切南移。新橋水道相對(duì)穩(wěn)定。

3.2.4 DD′斷面

DD′斷面位于長(zhǎng)興島西北。1980年—2005年斷面形態(tài)變化不大。南港主槽表現(xiàn)為淤積,逐年縮窄。受南沙頭通道水流沖刷,瑞豐沙嘴頂部與中央沙沙體分離,切割下來(lái)的沙體下移,導(dǎo)致長(zhǎng)興島漲潮槽南移淤淺。中央沙沙尾一直受沖下移。

新橋水道1980年—1995年南淤北沖,幅度大,深泓線北移;1995年—1998年水道兩側(cè)邊坡有沖有淤,但幅度不大,深泓線位置穩(wěn)定。

總的來(lái)看,南港主槽以淤積為主,新橋水道基本穩(wěn)定,兩者稍有沖刷。中央沙沖刷下移。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)南支下段為南北港分流口河段,是長(zhǎng)江口河勢(shì)變化最復(fù)雜、最不穩(wěn)定的區(qū)段,以扁擔(dān)沙、中央沙和新老瀏河沙三大活動(dòng)沙體的遷移不定以及分流汊道的沖淤演變?yōu)樘卣?。影響長(zhǎng)江口南支下段河勢(shì)變化的因素十分復(fù)雜,主要有：南支上段河勢(shì)變化的影響;長(zhǎng)江特大洪水的造床作用;南支河槽走勢(shì)及徑流輸沙、海域來(lái)沙變化的影響。

2)無(wú)論是從平面上還是從斷面上看,現(xiàn)階段南支下段仍處于劇烈變動(dòng)時(shí)期。目前,新寶山水道作為南港主槽河勢(shì)穩(wěn)定,新橋通道仍具有很強(qiáng)生命力。

3)從斷面上看,較大幅度的沖刷和淤積大都發(fā)生在灘槽交替變化且河床坡度較陡區(qū)段。如河床正處于河槽容積增大和縮窄沖深階段或河槽容積縮小與淤淺階段,沖淤變幅相對(duì)較小。

4)在徑流、潮流和科氏力共同作用下,各沙體的變動(dòng)是導(dǎo)致南支下段河勢(shì)變化的主要原因。

5)三峽水庫(kù)蓄水?dāng)r沙后將會(huì)影響長(zhǎng)江口眾多洲灘的發(fā)育,僅考慮上游輸沙減少這一單一因子對(duì)南支下段河勢(shì)演變影響的問(wèn)題值得關(guān)注和研究。

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