近50年長江口南、北港及附近分汊型河槽的演變

施野，張國安

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

河口區(qū)河槽分汊是水流、泥沙時空變化的產(chǎn)物。長江口自徐六涇分為南、北兩支，南支自長興島分為南、北港，南港經(jīng)九段沙形成南、北槽。長江口分汊型河槽地貌形態(tài)多變，水沙條件多樣，動力機制復(fù)雜，探討分汊型河槽的穩(wěn)定性和演變趨勢，不僅益于豐富河口河槽演變內(nèi)容，也將為航道建設(shè)、港口維護(hù)、河口治理等提供理論依據(jù)。對長江口分汊型河槽的認(rèn)識與研究是循序漸進(jìn)的。早期，陳吉余等（1979；1988；1988） 采用海圖對比法系統(tǒng)描述了長江口分汊型河槽演變過程，揭示了百年尺度內(nèi)南支主泓不斷游擺于南、北港間的變化特征。隨后，金元歡等（1990，1991） 運用拓?fù)鋵W(xué)原理定義了天然河道汊道體系中的組成單元，總結(jié)河口分汊四種基本模式，提出定量描述河口分汊的基本思想和具體方法，將研究角度轉(zhuǎn)向河口分汊問題上。同時，探討節(jié)點與巖島在河口分汊過程中發(fā)揮的作用（金元歡，1992），以科氏力為出發(fā)點，系統(tǒng)分析河口分汊的動力條件（金元歡等，1993）。孫志林等（1996） 從輸沙的力學(xué)角度探討分汊河口的形成機理，認(rèn)為推移質(zhì)的造床作用是在河口特定的邊界、水流及泥沙輸移恰當(dāng)配合下形成河口沙洲，是導(dǎo)致河口分漢的主導(dǎo)因子。近年來，技術(shù)手段的提高使定量化研究更加精確易行。吳華林等（2002） 利用GIS 手段定量描述南、北港沖淤變化與河勢演變。劉杜娟等（2010） 鞏彩蘭等（2003） 利用海圖資料，對比河槽容積、斷面形態(tài)等指標(biāo)，分析南支下段河槽時空變化和南港底沙輸移變化。國內(nèi)學(xué)者對河口區(qū)河槽演變研究經(jīng)歷了定性描述、河口分汊描述和研究定量化指標(biāo)的有序過程；國外學(xué)者同樣關(guān)注河口區(qū)分汊型河槽的演變，探討多要素作用背景下河口河槽的演變，如對密西西比河河口分流工程的研究，研究重點在于解決三角洲濕地恢復(fù)的問題（Anindita Das et al，2012；Alexander et al，2012）。長江口是著名的多級分汊河口，是多環(huán)境要素集成的復(fù)雜系統(tǒng)。前人已系統(tǒng)研究了長江口分汊型河槽演變過程。本文探討在流域來水來沙減少背景下（圖1） 各環(huán)境要素與分汊型河槽演變關(guān)系，利用GIS 技術(shù)定量計算河槽容積、典型斷面等量化指標(biāo)，反映河口區(qū)河槽分汊與環(huán)境要素間的響應(yīng)機制，了解近50年來南、北港及其附近分汊型河槽演變過程。

1 區(qū)域概況與研究方法

長江口是世界著名的多級分汊河口，自徐六涇向下形成三級分汊、四口入海的平面格局，年徑流量9 420 億m3，年平均輸沙量4.86 億t，水沙資源豐富。河槽處于縱向輸沙平衡狀態(tài)，流量變幅較小，不存在強烈淤積和沖刷，是分汊型河槽形成和穩(wěn)定的條件。年平均潮差2.66 m，是中等強度的潮汐河口，為長江口分汊水道的形成和維持提供了適宜的動力條件。

圖1 大通站年徑流量、輸沙量變化曲線（許全喜等，2012）

收集1958-2006 近50年海圖資料，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcMap 對海圖資料進(jìn)行數(shù)字化處理，在理論深度基面上通過克里金插值建立不同時期南、北港及附近的水深數(shù)據(jù)庫。河槽容積是既定的區(qū)域面積和水深的函數(shù)，是反映地貌形態(tài)變化的量化指標(biāo)。南北港、南北槽以分流點為節(jié)點、以垂直過水?dāng)嗝鏋檫吔?，提取不同時期的橫斷面ABC、PQ 探討河槽分流節(jié)點處的地貌演變過程。其中橫斷面ABC 中B 點為中央沙10 m 沙頭頂點位置，根據(jù)水下沙體分布情況和海圖實際范圍提取斷面ABC。河槽容積的計算范圍以斷面ABC 為始，向下游延伸至攔門沙外圍5 m 等深線為界的ABCDEFGHI 區(qū)域。在攔門沙區(qū)域，通過水深數(shù)據(jù)庫繪制等深線，將等深線上最大曲率點連接繪制成分水脊線，從而對不同研究區(qū)段進(jìn)行河槽容積的計算。

圖2 研究區(qū)示意圖

2 南、北港及附近河槽演變特性

2.1 南、北港河槽容積變化

近50年南、北港河槽沖淤變化趨勢一致，總體上略有淤積，局部性波動明顯。北港上段0 m 河槽容積1958年達(dá)到12.82 億m3，70年代后期減小至10.59 億m3，此后河槽容積有所上升，1994年后小幅度下降。2 m、5 m 河槽容積60年代開始上升，1994年后開始下降，總體呈淤積趨勢。北港下段河槽平均水深5～7 m，淺于北港上段，0 m、2 m河槽容積先升后降，89年達(dá)最大值28.94 億m3，5 m 河槽容積波動明顯，總體呈下降趨勢。南港0m 河槽容積1958年達(dá)21.97 億m3，60年代迅速減小至17.09 億m3，70年代后期至94年不斷上升，94年后小幅度下降。顯然，南港與北港上段河槽容積展現(xiàn)先降后升再降的過程，且變化幅度按0 m、2 m、5 m 順序減??；北港下段0 m、2 m 河槽容積變化過程呈先升后降趨勢，與北港上段相反，5 m 河槽容積變化與北港上段整體趨勢相似。自1994年三峽工程啟動后，以此為代表的人工水利設(shè)施對長江口水沙條件變化影響顯著，河槽容積自94年后逐漸減少，反映了河槽地貌形態(tài)變化與水沙條件變化間的關(guān)系。

表1 不同時期南、北港河槽容積

圖3 南、北港河槽容積變化

圖4 北港下段河槽容積變化

河槽縱斷面變化如圖5 所示北港上段最大水深14～19 m，10 m 深槽最遠(yuǎn)可延伸至121.959 °E，至攔門沙處水深開始淤淺，與1958年相比，60年代河槽淤積，1994年以前河槽緩慢浚深，2004年前后再次淤積。南支水流進(jìn)入北港時，無論是中央沙北水道還是新橋通道都與北港主槽形成角度，呈東北—西南向，水流直沖崇明南岸，在橫向環(huán)流作用下崇明南岸一側(cè)河床不斷沖蝕，長興島北側(cè)淺灘淤積，北港主泓緊靠崇明南岸。南港最大水深16～22 m，10 m 深槽變化幅度較大，最遠(yuǎn)可延伸至121.876°E。自1958年以來，南港出現(xiàn)不同程度的淤積，70年代后期出現(xiàn)過-20 m 狹長深槽，然而范圍極小，持續(xù)時間不長。1958年圖件上，南港主槽深浚，河道順直，60年代南港10 m 深槽發(fā)生形變，上半段深槽向南，下半段深槽北擺，整體呈反向“z”型，70年代后期10 m 深槽分成南、北兩部分，北側(cè)深槽由東向西逐漸變淺，等深線閉合，呈漲潮槽性質(zhì)，稱為南小泓。南港主槽與南小泓間有水下沙體沉積，水下沙體不斷發(fā)展，一度與江亞南沙10 m 等深線相接。

北港下段北側(cè)存在一條與北港下段主槽相異的分支。此分支經(jīng)歷形成—消亡—再形成的復(fù)雜過程。1958年該分支發(fā)展較好，5 m 槽伸向北港上段，0 m 河槽容積12.08 億m3，可以清晰辨別0 m、2 m 分水沙體存在。60年代5 m 槽萎縮嚴(yán)重，分水沙體的2 m 等深線與北港上段相接，70年代后期分水沙體0 m 等深線亦與北港上段相接，無法辨別分水節(jié)點，1989年該分支已經(jīng)消失。1994年該分支重新出現(xiàn)，5 m 槽形成但范圍極小，至2006年該分支發(fā)展，可明顯辨別分水沙體。

圖5 南、北港縱斷面變化圖

2.2 南、北槽河槽容積變化

北槽最大水深9～13 m，多出現(xiàn)在122.05°E 附近。南槽最大水深介于7～11 m，多出現(xiàn)在南槽入口處附近。1958年圖件上南港主泓指向南槽，北槽入口陰沙分布不利于水流進(jìn)入北槽，此時南槽5 m 河槽容積1.88 億m3，較北槽0.998 億m3稍大。隨著南岸邊灘淤積，南槽入口與南港主槽形成角度，加之南港下半段10 m 深槽北擺，北槽入口陰沙消失，南港主泓逐漸指向北槽。60年代后，南港深槽逐漸伸向北槽，北槽0 m 河槽容積至1994年達(dá)到25.97 億m3，2 m、5 m 河槽容積于1989年達(dá)到14.31 億m3與4.06 億m3，94年后北槽容積有大幅度下降過程。從北槽縱斷面可知，自1958年起北槽水深發(fā)展，有沖刷之勢，在122.05°E 附近有小范圍10 m 深槽形成，此處乃北槽轉(zhuǎn)彎點。此點向東，北槽呈西北—東南向，與漲潮流方向相近，同時與向西一段的北槽具有一定角度。漲潮流行經(jīng)此處在橫向環(huán)流作用下沖刷河床，形成范圍較小的深槽。九十年代末啟動長江口深水航道治理工程對南北槽水沙條件產(chǎn)生較大影響，河槽容積隨之減小。

圖6 南、北槽河槽容積變化

表2 不同時期南、北槽河槽容積

南槽0 m、2 m 河槽容積波動顯著，5 m 河槽容積呈明顯下降趨勢。由于南岸邊灘淤積，使其在水下部分不斷擴大，0 m、2 m 河槽容積的增加實際上是0～5 m 河槽邊灘范圍擴大所致，5 m 河槽容積的變化才是真正反映南槽主槽沖淤的直接指標(biāo)。從南槽斷面可知，自1958年后，南槽主泓水深不斷減小，深槽呈淤積態(tài)勢。

圖7 南、北槽縱斷面變化圖

3 南、北港及附近橫斷面分析

3.1 單一U 型河槽向W 復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變

南、北港河槽在演變過程中，均出現(xiàn)單一U型槽向W 型復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。1958年圖件上南港河槽順直開闊，60年代南港10 m 深槽成反向“z”型，70年代后期南港主槽北側(cè)新10 m 深槽形成，西至121.636°E，東達(dá)121.809°E，稱為南小泓。1989年后南小泓10 m 槽有萎縮趨勢，然而其5 m 等深線不斷向西蔓延，2004年已達(dá)到121.567°E深入中央沙內(nèi)。南港主槽與南小泓之間有沙體沉積，沙體范圍擴大直至與江亞南沙10 m 等深線相接。同樣的情況也出現(xiàn)于北港上段。1958年至80年代期間，北港上段主槽始終緊靠崇明南岸。80年代中期，北港上段10 m 深槽退縮至121.737°E，堡鎮(zhèn)以下北港主槽北側(cè)出現(xiàn)10 m 深槽，延伸至121.935°E，兩深槽間有5 m 等深線閉合的沉積沙體。此后，沙體進(jìn)一步沉積出現(xiàn)了0 m、2 m 等深線閉合的沉積沙體，沙體北側(cè)10 m 深槽在演變中逐漸萎縮，5 m 等深線卻向西蔓延，2004年已至121.649°E。

復(fù)式河槽形成的原因可歸結(jié)為由漲落潮流路分異而引起緩流區(qū)泥沙沉積，從而導(dǎo)致W 型復(fù)式河槽的出現(xiàn)。58年南支主泓走北港，南港入口陰沙遍布，在徑流與潮流相互博弈中，南港河槽內(nèi)漲潮流優(yōu)勢明顯。在科氏力作用下，漲潮流偏向北岸，落潮流偏向南岸，出現(xiàn)漲落潮流路分異，漲潮流與落潮流之間形成緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)水流流速降低，攜沙能力減弱，泥沙淤積形成水下沙體，潮汐的周期特性使部分沙體獲得出露水面的機會，使松散沉積物固結(jié)，鞏固沙體成形。而北港上段復(fù)式河槽出現(xiàn)與南港顯然有時間差，這與主泓不斷擺動有關(guān)，主泓擺動直接影響徑流作用的強弱。北港上段在1989年才出現(xiàn)復(fù)式河槽雛形，并不斷發(fā)展。

3.2 科氏力在河槽演變中的作用

江亞南沙形成經(jīng)歷四個過程：南岸邊灘淤積，南槽主泓偏移，水流深切邊灘，漲落潮流路分異鞏固沙體。從圖件及橫斷面（圖8） 可知，來自南港的泥沙進(jìn)入南槽后，邊界條件進(jìn)一步開闊，為泥沙沉積提供必要條件，南岸邊灘淤積上溯且越靠近口外水下邊灘面積越大，南槽主泓也隨之向正東方向擺動，與南港主槽角度增大。當(dāng)兩者達(dá)到一定限度后，水流對水下地貌的改造運動開啟，水下邊灘嚴(yán)重阻擋落潮流行進(jìn)，長此以往水下邊灘被切出一道深槽，深槽不斷發(fā)展最終與南槽貫通。漲落潮流路分異形成的緩流區(qū)泥沙開始沉積，為新興沙體發(fā)展提供優(yōu)良環(huán)境。

北港河槽上段與南支接口處演變過程復(fù)雜，南支陰沙下移，沙體合并，水道消亡。南港與南支接口處大部分時期深槽暢通，時而被沙體遮擋。1958年南支主泓走北港，南港入口陰沙遍布，嚴(yán)重影響南支水流進(jìn)入南港，南支水流從新橋水道和中央沙北水道進(jìn)入北港，經(jīng)中央沙北水道的水流向南橫切出一條水道，10 m 深槽直逼南港，稱之新崇明水道。中央沙、石頭沙等相互靠近合并，崇明水道逐漸萎縮，至20 世紀(jì)70年代便已消亡。同時，由于沙體合并使南港入口深槽貫通，80年代寶山水道已形成。南支水流從新橋水道和新橋通道進(jìn)入北港，至90年代中期10 m 深槽與南支貫通，水深優(yōu)良。2004-2006年間新瀏河沙靠近長興島，新橋通道淤淺，10 m 深槽被阻斷。

圖8 三級分汊節(jié)點橫斷面PQ

圖9 復(fù)式河槽橫斷面MN

圖10 二級分汊節(jié)點橫斷面ABC

4 結(jié)論

（1） 河口河槽演變是由于水沙變化而引起的地形地貌變化，是河口河槽開發(fā)和治理的核心問題。陳吉余等通過分析海圖對19 世紀(jì)中期至20 世紀(jì)中期百年尺度的長江河口河槽演變過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。從20 世紀(jì)中期至今，長江口水沙條件變化顯著，人類活動影響逐步增強，本文通過近50年海圖分析探討人類活動對河口河槽演變的影響，認(rèn)為長江口南、北港河槽容積變化特征相同，整體上略有下降趨勢，局部性波動明顯。在流域來水來沙逐漸減少的背景下，分汊型河槽內(nèi)呈現(xiàn)出較為完整的復(fù)式河槽形成過程。徑流與潮流的相互博弈是復(fù)式河槽出現(xiàn)的內(nèi)因，而影響徑流作用與潮流作用的主要因素是南支主泓擺動和漲落潮流路分異。南、北港復(fù)式河槽的出現(xiàn)與科氏力關(guān)系密切，是長江口多級分汊格局形成的縮影。

（2） 南、北槽河槽容積在20 世紀(jì)80-90年代期間呈現(xiàn)出此消彼長的特征。隨著南港主泓北擺，在相當(dāng)長的時間里北槽不斷沖刷，而南槽主槽處于緩慢淤積的過程，流域來沙在南岸邊灘堆積促使南岸邊灘不斷淤長，致使南槽主槽與南港主槽之間角度增加，水流條件與地貌條件不甚協(xié)調(diào)并逐步改造地貌條件，深切南岸邊灘加之漲落潮流路分異從而形成江亞南沙，鞏固了分汊型河槽的分流節(jié)點。長江口二級分流節(jié)點處地貌演變復(fù)雜，總體可歸納為上游沙體下移，沙體合并，水道消亡。

（3） 近期河口河槽演變受人工設(shè)施影響顯著。三峽工程自94年開工以來，以此為代表的人工設(shè)施創(chuàng)造了來水來沙不斷減少的大環(huán)境。河口河槽向外海延伸發(fā)展受到水沙條件的制約。以北槽為主的深水航道工程束狹河槽，有助于維護(hù)航道深浚，然而丁壩產(chǎn)生的膚面阻力與形體阻力改變了分水分沙條件，北槽河槽容積在工程進(jìn)行后明顯下降與南槽逼近，南槽河槽容積則穩(wěn)定發(fā)展。

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