長江口南北槽分流口洪季水沙變化過程研究

林益帆，戴志軍*，李為華，謝華亮，李九發(fā)

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201）

長江口南北槽分流口洪季水沙變化過程研究

林益帆1，戴志軍1*，李為華2，謝華亮1，李九發(fā)1

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201）

河口分流口的水沙變化過程是影響河口三角洲發(fā)育的核心環(huán)節(jié)，對下游河勢的穩(wěn)定起著關(guān)鍵性的作用。本文通過對北槽二、三期工程前后的南北槽分流口河段洪季大潮期間的同步水沙觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探討長江口深水航道工程整治對分流口水沙過程的影響。結(jié)果表明：（1）北槽二期工程到三期工程后，分流口洪季以落潮優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙為主的格局基本沒有發(fā)生改變，但南槽優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙出現(xiàn)略有變大，而北槽略有變小現(xiàn)象；（2）分流口洪季的水體輸移主要受控于歐拉余流的變化，除北槽入口段水體凈輸移量一直較小外，其他河段在二、三期工程實(shí)施期間均有大幅提升，其中斯托克斯余流變化不大，拉格朗日余流與歐拉余流變化相一致，南槽呈波動狀上升，北槽先增后減；（3）在二期到三期工程期間，北槽分流比明顯減小，入口段落潮流速減小，含沙量較高，水體輸移量降低，輸沙強(qiáng)度減弱，由此導(dǎo)致二期工程以來北槽入口河段淤積強(qiáng)度加重。

水動力；懸沙；機(jī)制分解；南北槽分流口；長江口

1 引言

河口三角洲的形成和沖淤演變是一個極其復(fù)雜的體系，不僅受控于上游流域的來水來沙條件，同時(shí)三角洲自身分汊河口體系的水沙變化過程亦是判定三角洲淤積前展的基本因素［1］。三角洲分汊河口的水沙變化過程將引起分流口地貌形態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而控制進(jìn)入下游分汊河道的能量分配和泥沙的輸移量，由此成為控制三角洲地形最為重要的因素之一［2］。作為鏈接上游來水來沙和下游河口受水受沙的中間環(huán)節(jié)，分汊口的水沙變化自然成為河口或三角洲研究的核心內(nèi)容。不少研究指出分汊河口的水沙變化可能引起河口下游水道的分汊［3］、分汊口的淤積或侵蝕［4］以及新的亞三角洲的形成［5］。既然分汊口的水沙變化直接和下游入海水道的變遷相關(guān)，加之日益加強(qiáng)的河口水運(yùn)工程的現(xiàn)實(shí)需要，分汊口的整治及引發(fā)的水沙改變是當(dāng)前人類活動和自然因素（如潮流、徑流）耦合作用下河口研究的重點(diǎn)［1］。

長江河口南北槽分流口是長江口的第三級分汊口，該分流口、南北港分流口以及南北支分流口共同構(gòu)成長江河口的“三個牛鼻子”［6］。其中南、北槽分流口的基本格局形成于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)歷1949年和1954年的兩次特大洪水作用，在銅沙淺灘扇面沖切出一條－5 m貫通的入海通道（即北槽），從而形成了以九段沙為砥柱，南、北槽分流入海的分流口格局。然而，由于長江河口攔門沙的存在嚴(yán)重限制了長江水道的航運(yùn)能力，制約了長三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，于1998年1月啟動長江口深水航道整治工程，工程主要包括分流口工程、南、北導(dǎo)堤工程、丁壩工程和疏浚工程。一期工程始于1998年，至2001年6月完工；二期工程于2002年5月動工，于2005年3月完全竣工；三期工程于2006年9月開工建設(shè)，于2010年3月14日通過交工驗(yàn)收。經(jīng)過三期工程建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)全長92.2 km，底寬350～400 m，水深12.5 m的深水航道全面貫通。

隨著工程的進(jìn)行，北槽深水航道泥沙回淤量由2002年的2.097×107m3增至2005年的3.555×107m3，至2008年回淤量已超過5×107m3，2010年更是高達(dá)8.015×107m3，遠(yuǎn)高于10.0 m航道年維護(hù)量2 ×107m3的預(yù)測［7］，回淤問題也逐漸引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，諸多學(xué)者也就北槽航道一、二期工程后回淤增大的原因進(jìn)行了探討［8—11］，近期研究表明除航道中段存在比較嚴(yán)重的回淤外，在南北槽分流口的北槽進(jìn)口處同樣存在顯著的泥沙落淤區(qū)域［12—14］。目前在分流口區(qū)域的研究工作仍較為有限，對該部分河段泥沙落淤的原因及水沙變化過程理解甚少。同時(shí)，考慮到長江入海流量在洪季（5－10月）約占全年的71.7%，洪季輸沙量約占全年的87%［15］，在北槽航道，洪季淤積量占全年的比重也高達(dá)80%左右［10］。基于此，本文通過對比北槽深水航道工程前后南北槽分流口的洪季水文泥沙變化情況，分析深水航道工程建設(shè)對分流口水沙變化的可能影響，由此探討分流口河槽的沖淤機(jī)制，這對深入探討分流口河床的穩(wěn)定亦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文收集了2002年、2005年、2007年和2010年共四年分別在洪季NC1，NC2，CB1，CB2四個站點(diǎn)大潮汛期的同步水沙觀測數(shù)據(jù)（資料來源于長江口航道管理局）。其中NC1和CB2位于潛堤南、北兩側(cè)，NC2和CB2分別位于南北槽的中上段，地處分流口區(qū)域動力發(fā)生變化的控制節(jié)點(diǎn)，可較好的反映出該區(qū)域的水文泥沙變化過程。觀測數(shù)據(jù)包括流速、流向及含沙量，觀測站點(diǎn)見圖1。固定垂線流速流向采用ZSX系列旋漿式流速流向儀施測，定位和導(dǎo)航采用Astech GPS信標(biāo)機(jī)，懸移質(zhì)取樣采用1 000 m L橫式采樣器。流速、流向施測測次除整點(diǎn)外在漲急、落急時(shí)段半點(diǎn)各加測一次，采用六點(diǎn)法往返施測，測驗(yàn)時(shí)使測至水底時(shí)間為整點(diǎn)，當(dāng)流速小于0.20m／s時(shí)采用計(jì)數(shù)法測驗(yàn)。各固定垂線每小時(shí)同步采取6層懸沙水樣，然后將水樣過濾、焙干、稱重，經(jīng)計(jì)算得到含沙量。其中，2002年、2005年、2007年、2010年分別可代表一期工程后，二期工程后，三期工程中以及三期工程后分汊口的水沙變化特征。觀測均在洪季大潮期間，大通來水條件相似，因此具備可比性。此外，本文還收集了南北槽分流口區(qū)域2002年以來利用雙頻測深儀和GPS設(shè)備采集的實(shí)測水深資料，用ArcGIS軟件通過Kriging插值方法生成規(guī)則矩形網(wǎng)格數(shù)字高程模型（DEM），用于對比的不同年份數(shù)據(jù)網(wǎng)格位置保持一致，在此基礎(chǔ)上做出該區(qū)域不同年份的沖淤圖（見圖3），用于分析分流口河床的沖淤機(jī)制。

圖1 長江河口位置及區(qū)域站點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of Changjiang Estuary and hydrological gauging stations

2.2 研究方法

2.2.1 優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙計(jì)算

本文基于以上水文泥沙數(shù)據(jù)，分別對漲、落潮潮量、沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用以下公式對優(yōu)勢潮量RQ和優(yōu)勢沙量RG進(jìn)行計(jì)算：

式（1）、（2）中，Qe，Qf分別為落潮潮量和漲潮潮量；Ge，Gf分別為落潮沙量和漲潮沙量。若RQ計(jì)算值大于50%，則表示落潮優(yōu)勢流；小于50%，則表示漲潮優(yōu)勢流。同樣，若RG計(jì)算值大于50%，則表示落潮優(yōu)勢沙；小于50%，則表示漲潮優(yōu)勢沙［16］。

2.2.2 水沙輸移機(jī)制分解

物質(zhì)的輸移及其機(jī)制一直是國內(nèi)外河口學(xué)家所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。Bowden［17］、Hansen［18］、Fischer［19］、Dyer［20—21］、Uncle等［22］學(xué)者先后發(fā)展了物質(zhì)輸運(yùn)的計(jì)算公式，對物質(zhì)輸移機(jī)制進(jìn)行了探討。計(jì)算物質(zhì)輸移的機(jī)制分解方法目前相對較為成熟，計(jì)算方法不僅在國外，而且在國內(nèi)被很多學(xué)者用來研究河口的物質(zhì)輸移［23—31］?；诖耍疚膶δ媳辈鄯至骺趨^(qū)域CB1、CB2、NC1、NC2四個單點(diǎn)分別進(jìn)行單寬水沙輸移機(jī)制分解。

瞬時(shí)物質(zhì)輸移量分解過程采用相對水深進(jìn)行計(jì)算。設(shè)x為沿河槽方向的縱向坐標(biāo)，t為時(shí)間，z為相對水深（0≤z≤1）。則水深h（x，t）可分解為潮平均項(xiàng)和潮脈動項(xiàng)之和，即：

瞬時(shí)流速u（x，z，t）可分解成垂向平均項(xiàng)和垂向偏差項(xiàng)之和，即：u和u′又可分解成潮平均項(xiàng)和潮脈動項(xiàng)，即：

所以，瞬時(shí)流速可分解為：

同理，瞬時(shí)含沙量也可分解為：

式（3）～（8）中，上劃線“－”表示垂向平均，上標(biāo)“′”表示垂向偏差，下標(biāo)“0”表示潮平均，下標(biāo)“t”表示潮脈動。

沿河槽方向單寬潮周期平均水體輸移量為：

則拉格朗日余流UL，歐拉余流UE，斯托克斯余流US分別為：

式（9）～（12）中，＜*＞表示潮平均。單寬瞬時(shí)懸沙輸移量為：

沿河槽方向單寬潮平均懸沙輸移量為：

式中，T1表示平均流引起的懸沙輸移，即歐拉余流輸沙項(xiàng)；T2表示潮汐與潮流相關(guān)項(xiàng)，即斯托克斯漂移輸沙項(xiàng)；T3為潮汐與含沙量的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4為潮流與含沙量的潮變化相關(guān)項(xiàng)，通常稱之為潮泵效應(yīng)；T5為潮汐、潮流與含沙量的潮變化相關(guān)項(xiàng)，ht、ˉut、ˉct分別為水深、垂向平均流速、垂向平均含沙量的潮變化量，它們各自的潮平均值均為0，但是三者的相關(guān)產(chǎn)生泥沙輸移，通常稱為潮汐捕集作用（tidal trapping）；T6表示垂向流速變化和含沙量變化的相關(guān)，即垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)；T7為潮流的時(shí)間變化和潮平均含沙量兩者的垂向切變與潮汐相關(guān)項(xiàng)；T8為垂向流速變化和潮變化含沙量兩者的垂向切變與潮汐相關(guān)項(xiàng)；T9為潮流的時(shí)間變化和潮變化含沙量的垂向切變相關(guān)項(xiàng)；T10為潮流的時(shí)間變化和潮變化含沙量兩者的垂向切變與潮汐相關(guān)項(xiàng)。

3 結(jié)果分析

3.1 潮流變化特征

分流口各站點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明（見表1），該河段洪季落潮歷時(shí)較長，一般在7～8.5 h，漲潮歷時(shí)一般在4～5.5 h。落潮水流動力強(qiáng)于漲潮，漲潮平均流速基本介于0.6～1.1 m／s之間，落潮平均流速基本介于1～1.7 m／s之間，落潮平均流速大于漲潮。洪季大潮優(yōu)勢流計(jì)算值都超過60%，最大可達(dá)79%，優(yōu)勢流以下泄流為主。

潛堤南側(cè)NC1站點(diǎn)洪季漲落潮平均流速隨工程進(jìn)展，呈逐漸上升趨勢。漲潮平均流向在330°左右，落潮流向維持在140°左右。此外，優(yōu)勢流系數(shù)經(jīng)歷了一個先減小再增大的過程，從一期工程后的66%減小到二期工程后的62%，而后又隨著三期工程的開展穩(wěn)步上升。相應(yīng)的洪季流速玫瑰圖（圖2）表明，2002年和2005年8月的漲潮平均流速較為集中，而2007年和2010年漲潮平均流向相對發(fā)散。落潮平均流速亦出現(xiàn)和漲潮平均流速相應(yīng)的特征。

圖2 南北槽分流口平均流速潮流玫瑰圖（洪季）Fig.2 Rose diagrams of the mean current velocity at the bifurcation mouth between the South and North Passage

南槽中上段的NC2站點(diǎn)洪季漲潮平均流速在二期工程后達(dá)最大值1.26 m／s，之后逐漸減小，落潮平均流速則介于1.29～1.57 m／s。漲潮流向則基本維持在310°左右，落潮流向除二期工程后為140°，其余均在125°左右。優(yōu)勢流系數(shù)與NC1站點(diǎn)一樣，呈現(xiàn)出先減后增的趨勢。此外，流速玫瑰圖（圖2）表明，大潮期間除2002年8月出現(xiàn)異常外，不同時(shí)刻的流向都相對集中。

潛堤北側(cè)CB1站點(diǎn)洪季漲潮平均流速為0.75～0.89 m／s，落潮平均流速為0.93～1.14 m／s，漲落潮平均流速軸向方位基本沒有明顯變化。優(yōu)勢流系數(shù)則在2002年、2005年、2007年、2010年8月分別為66%、71%、68%和65%，呈現(xiàn)以二期工程后為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的先增后減變化過程。進(jìn)一步由漲落潮流速玫瑰圖（見圖2）表明，除2002年8月外，其他時(shí)刻的潮流流向玫瑰圖都處于相對發(fā)散狀態(tài)。

北槽中上段的CB2站點(diǎn)漲潮平均流速在0.56～0.83 m／s之間，落潮平均流速在1.19～1.34 m／s間變化。漲潮流向?yàn)?90°左右，落潮流向在110°附近變化，軸向方位無明顯變化。優(yōu)勢流系數(shù)與CB1站點(diǎn)相似，呈先增大后減小的趨勢。

總體而言，就2002至2010年間洪季大潮上看，南槽漲落潮流速大于北槽，而在北槽，航道中（CB2）的落潮流速也始終大于入口處（CB1）。在優(yōu)勢流系數(shù)上，南槽經(jīng)歷了一個先減小再增大的過程，而北槽呈先增大后減小的趨勢。

表1 各站點(diǎn)（大潮）實(shí)測水沙特征值統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Water and sediment statistics of the four hydrological gauging stations during the spring tide

3.2 泥沙變化特征

實(shí)測含沙量特性值（表1）表明該河段在洪季大潮期間，落潮平均含沙量一般大于漲潮含沙量，懸沙基本上向河口下游輸運(yùn)，呈落潮流優(yōu)勢沙。其中，潛堤南側(cè)NC1站點(diǎn)實(shí)測洪季大潮漲落潮平均含沙量略小于CB1，漲潮平均含沙量為0.33～0.60 kg／m3，落潮平均含沙量為0.31～0.50 kg／m3。優(yōu)勢沙系數(shù)均大于60%，表現(xiàn)為先減小再增大的變化過程，從一期工程后的61%微弱減少至二期工程后的60%，而后又隨著三期工程的開展穩(wěn)步上升，在2007年和2010年分別達(dá)到65%和69%。

南槽中上段NC2站點(diǎn)實(shí)測大潮漲潮平均含沙量為0.82～1.05 kg／m3，落潮平均含沙量0.73～1.4 kg／m3。優(yōu)勢沙系數(shù)為59%～79%，變幅較大，與NC1站點(diǎn)一樣，呈現(xiàn)出先減后增的變化過程。

潛堤北側(cè)CB1站點(diǎn)大潮漲潮平均含沙量為0.36～0.66 kg／m3，落潮平均含沙量為0.35～0.59 kg／m3，漲潮平均含沙量明顯大于相應(yīng)監(jiān)測年份的落潮平均含沙量。優(yōu)勢沙系數(shù)介于60%～67%，在2002年、2005年、2007年、2010年分別為64%、67%、64%和60%，以二期工程后為轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)先增后減的變化過程。

北槽中上段CB2站點(diǎn)漲落潮含沙量在2002年8月均超過1.2 kg／m3，其余年份洪季大潮漲潮平均含沙量為0.39～0.55 kg／m3，落潮平均含沙量介于0.40～0.46 kg／m3，優(yōu)勢輸沙系數(shù)為52%～77%，除2002年外，其他年份均大于相應(yīng)的CB1測點(diǎn)優(yōu)勢沙系數(shù)，反映了CB1為分流口緩流區(qū)，而CB2則是落潮水流歸槽，導(dǎo)致優(yōu)勢沙系數(shù)增大。

整體上，洪季南槽漲落潮含沙量呈逐漸降低趨勢，北槽上口河道漲落潮含沙量則除了2002年異常偏高外，自二期工程后逐步上升。在三期工程后，北槽入口段含沙量已然超過南槽入口段，懸沙成為北槽入口段落淤提供了部分來沙條件。

3.3 水體輸移機(jī)制

利用四個測站多年的觀測資料，根據(jù)水體輸移的計(jì)算公式，計(jì)算余流和單寬平均水體輸移量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

在潮汐河口，潮周期內(nèi)的水體輸移包括非潮汐運(yùn)動引起的歐拉余流（UE）輸水和由潮汐和潮流相互作用引起的斯托克斯余流（US）輸水，拉格朗日余流（UL）輸水為歐拉余流輸水和斯托克斯余流輸水之和。由表2可知，洪季大潮期間各站點(diǎn)的UE均指向海，US均指向陸。UE總大于US，因而UL均指向海。隨工程開展，各站點(diǎn)US的變化均不大，即工程主要是通過影響UE進(jìn)而導(dǎo)致UL發(fā)生變化。從2002年到2010年，南槽UL經(jīng)歷了一個增減增的過程，其中2010年UL大幅增加，說明三期工程對南槽拉格朗日的余流影響較大；在北槽UL則是先增后減，其中入口處CB1站點(diǎn)變化幅度不大，中上段CB2站點(diǎn)則在二期工程后大幅度提高，而后緩慢降低。

單寬平均水體凈輸移量（ULh0）是由非潮汐運(yùn)動的平均流和斯托克斯漂流效應(yīng)共同作用的結(jié)果［25］。從表2可看出各站點(diǎn)洪季單寬水體凈輸移量變化趨勢和拉格朗日余流相對應(yīng)。南槽呈現(xiàn)增減增趨勢，北槽先增大后減小。二期工程使南北槽的水體凈輸移量整體提高，三期工程則大幅度提升了南槽水體凈輸移量，小幅度降低了北槽水體輸移量與工程后的南槽分流比增大，而北槽分流比減小有關(guān)［32］。但是，北槽入口段的水體凈輸移量一直較小，且沒有發(fā)生明顯變化，這也很可能是引起北槽入口段部分懸沙落淤的動力因素之一。

3.4 懸沙輸移機(jī)制

根據(jù)輸沙驅(qū)動力可將輸沙項(xiàng)分為平流輸沙項(xiàng)（T1、T2、T6和T7）和潮流輸沙項(xiàng)（T3、T4、T5、T8、T9和T10），在平流輸沙項(xiàng)中，歐拉余流輸沙（T1）、斯托克斯余流輸沙（T2）和垂向環(huán)流輸沙（T6）占較大的比重，其中，歐拉余流向海輸沙，斯托克斯余流與垂向環(huán)流向陸輸沙。2002年至2010年間，斯托克斯余流輸沙率和垂向環(huán)流輸沙率大體呈降低趨勢（見表3），表明隨著工程進(jìn)展，斯托克斯余流及垂向環(huán)流對懸沙向海輸移的抑制作用逐漸削弱。

由表3可看出，南槽入口段NC1站點(diǎn)，平流輸沙率在二期工程后由2.09 kg／（m·s）增至2.71 kg／（m·s），之后緩慢降低。南槽中上段NC2站點(diǎn)，平流輸沙率經(jīng)歷了一個增減增的波動過程，在二期工程后達(dá)到最大，之后隨著三期工程的開展而降低，在三期工程完工后又有所恢復(fù)。北槽平流輸沙率則在2005年二期工程后有所下降，之后基本保持穩(wěn)定。從空間上看，南北槽入口段平流輸沙率比中上段小，其中南槽入口段平流輸沙率大于中上段的格局在2005年二期工程后在發(fā)生改變。相比之下，北槽入口段CB1站點(diǎn)的平流輸沙率為四個站點(diǎn)中最低，一直維持在1 kg／（m·s）左右。

在潮流輸沙中，懸沙與潮流場變化相關(guān)項(xiàng)（T4＋T5）占主導(dǎo)地位，其次為垂向潮振蕩切變作用（T9），剩余輸沙項(xiàng)（T3、T8和T10）對潮流輸沙貢獻(xiàn)率較小。由表3可知，在南槽入口段NC1站點(diǎn)，潮流對懸沙的輸移由向陸轉(zhuǎn)為向海，而后又轉(zhuǎn)為向陸，輸移強(qiáng)度總體減弱。而南槽中上段的NC2站點(diǎn)，潮流對懸沙的向海輸移作用減弱，使懸沙向陸輸移增強(qiáng)。在北槽入口段的CB1站點(diǎn)，潮流對懸沙的向陸輸移作用逐漸增強(qiáng)。北槽中上段的CB2站點(diǎn)，潮流輸沙方向變化與NC1站點(diǎn)相一致。整體上看，相對于平流輸沙，潮流輸沙作用較弱，除2002年外，各站點(diǎn)潮流輸沙率均不超過0.5 kg／（m·s）。

總體而言，區(qū)域洪季大潮輸沙以平流輸沙為主，總輸沙方向與平流輸沙方向相一致，均指向向海一側(cè)。南槽入口段NC1站點(diǎn)，總輸沙率大體呈上升趨勢，在2007年三期工程期間達(dá)到最大，之后其總輸沙率隨著三期工程的完工略有降低，但比二期工程后還是有所增加。南槽中上段NC2站點(diǎn)總輸沙率呈波動降低趨勢，其中在2007年降低最為顯著。北槽入口段CB1站點(diǎn)，總輸沙率隨工程進(jìn)展穩(wěn)步減小。北槽中上段CB2站點(diǎn)總輸沙率以2007年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先增加后減少（表3）。

2002年，南槽中上段總輸沙率為入口段的近乎兩倍，隨工程進(jìn)行，至2010年南槽入口段和中上段總輸沙率大體相當(dāng)。而北槽中上段的總輸沙率，則由2002年與入口段幾乎相當(dāng)?shù)妮斏硰?qiáng)度，隨工程最終增加至同時(shí)期入口段輸沙率的3倍之多。在三期工程后，南槽入口段、中上段及北槽中上段洪季的總輸沙強(qiáng)度幾乎為同一水準(zhǔn)，均為2.5 kg／（m·s）左右，而北槽入口段的輸沙強(qiáng)度僅為0.78 kg／（m·s）（表3）。

表3 單寬懸沙分解輸移項(xiàng)［單位：kg／（m·s1）］Tab.3 Analysis of the suspended sediment transport［unit∶kg／（m·s1）］

4 討論

局部區(qū)域的地形沖淤變化是水沙綜合作用的結(jié)果，優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙系數(shù)增大，有利于排水排沙，同樣，輸水量、輸沙率增大也有利于水沙輸運(yùn)。實(shí)際上，2002－2010年的整體沖淤變化情況與優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙、輸水量、輸沙率變化有良好的相關(guān)性（見圖3，表4）。由表4可看出，在2010年三期工程后各項(xiàng)水沙參數(shù)較2002年均發(fā)生了變化。就NC1站點(diǎn)而言，表4中2002－2010年各項(xiàng)參數(shù)有所上升，從而該處也呈現(xiàn)較為強(qiáng)烈的沖刷，沖刷程度在3 m左右。而對于NC2站點(diǎn)，其優(yōu)勢流系數(shù)與2002年持平，輸水量增加，優(yōu)勢沙系數(shù)和輸沙率降低，因此該區(qū)域淤積深度不足1 m，呈輕微淤積態(tài)勢（圖3）。CB1站點(diǎn)處，除輸水量少量增加外，其余參數(shù)均有不同程度的下降，理論上來說，該區(qū)域應(yīng)該處于淤積較為強(qiáng)烈的狀態(tài)，但從沖淤圖來看，此處不淤反沖。這實(shí)際上是在二期工程后，該處淤積更為嚴(yán)重，有關(guān)部門從而加強(qiáng)航道疏浚，因此該處的沖刷主要是受到人類活動疏浚的影響。在CB2站點(diǎn)處，各項(xiàng)參數(shù)均有所增加，輸水輸沙能力也有所提高，所以該處也一直處于沖刷狀態(tài)。由于CB2站點(diǎn)處于北槽航道內(nèi)，雖然也受挖沙的影響，但該處并沒有發(fā)生嚴(yán)重淤積現(xiàn)象，因而可認(rèn)為航道整治工程在該段具有較好的整治效果。

圖3 南北槽分流口沖淤變化特征Fig.3 Erosion and deposition in the bifurcation area of the North and South Passage

從優(yōu)勢流，優(yōu)勢沙系數(shù)上看，各個站點(diǎn)優(yōu)勢流，優(yōu)勢沙系數(shù)隨工程的增減過程完全一致，呈南槽先減后增，北槽先增后減的趨勢。在北槽，一期工程后到二期工程，優(yōu)勢流，優(yōu)勢沙系數(shù)增大，有利于排水排沙，整治效果較為理想，而二期工程后優(yōu)勢流，優(yōu)勢沙系數(shù)開始減小，因此，二期工程后北槽入口段的淤積態(tài)勢加重也很可能與此有關(guān)。值得提及的是，長江口深水航道回淤呈明顯的季節(jié)性變化特征，年內(nèi)回淤分布向洪季集中。7—9月通常為一年中航道回淤量最大的月份。一、二期工程洪季北槽航道回淤量占全年回淤量的比重在72.16%～95.18%之間，平均值達(dá)82.15%，枯季回淤量很小，部分年份在2月份航道還表現(xiàn)為沖刷［8—9］。盡管北槽洪、枯季淤積量之比約為8∶2，洪季無論是在動力強(qiáng)度還是在淤積程度都對南北槽分流口產(chǎn)生更為重大影響，但枯季所占20%左右的淤積量也隨工程有不同程度變化，其淤積機(jī)制有待于結(jié)合水沙動力變化做更深入的研究。

結(jié)合表2、表3、表4可以看出，2002－2010年間，雖然凈輸水量在南北槽均有不同程度的提高，但是在其量值上，NC1和CB2明顯大于NC2和CB1，其中CB1站點(diǎn)單寬水體凈輸移量一直小于3 m3／s。在總輸沙率上，NC1和CB2隨工程整體上升，NC2波動下降，這3個站點(diǎn)的總輸沙率最終穩(wěn)定在2.5 kg／（m· s）左右，而CB1的單寬總輸沙率則在2002－2010年間，由1.34 kg／（m·s）持續(xù)下降到0.78 kg／（m·s）。因而，NC1和CB2單寬凈輸水量處于較高水平，總輸沙率隨工程整體上升，呈沖刷態(tài)勢；NC2單寬凈輸水量不高，單寬總輸沙率較大，且隨工程波動下降，呈弱淤態(tài)勢；CB1單寬凈輸水量和總輸沙率一直處于較低水平，且單寬總輸沙率持續(xù)下降，呈強(qiáng)淤態(tài)勢。從而在輸水量和輸沙率上也很好的反映了NC1，CB2位置沖刷，NC2位置弱淤，CB1位置呈現(xiàn)強(qiáng)淤的變化態(tài)勢。

表4 各站點(diǎn)水沙參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Variation tendency of hydrology and sediment parameter of the four hydrological gauging stations

5 結(jié)語

1998年長江口深水航道治理工程實(shí)施后，南導(dǎo)堤封堵了江亞北槽和九段沙竄溝，分流口潛壩工程穩(wěn)定了江亞南沙沙頭和南北槽分汊口河勢，使南北槽分流口的水沙動力過程也隨工程不斷發(fā)生變化。本文通過對南北槽分流口河段不同工程階段的同步水沙觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合區(qū)域沖淤變化進(jìn)行分析，主要結(jié)論包括：

（1）分流口以落潮優(yōu)勢流，落潮優(yōu)勢沙為主。各站點(diǎn)洪季優(yōu)勢流和優(yōu)勢沙系數(shù)隨工程的增減過程完全一致，呈南槽先減后增，北槽先增后減。在含沙量上，南槽漲落潮含沙量呈逐漸降低趨勢，北槽漲落潮含沙量自二期工程后逐步上升，三期工程后，北槽入口段含沙量超過南槽入口段。

（2）在洪季水體輸移方面，各站點(diǎn)US的變化均不大，即工程主要是通過影響UE進(jìn)而導(dǎo)致UL發(fā)生變化。南槽UL經(jīng)歷了一個增減增的過程，其中2010年UL大幅增加，北槽UL先增后減。單寬平均水體凈輸移量與UL相對應(yīng)，二期工程使南北槽的水體凈輸移量整體提高，三期工程則大幅度提升了南槽水體凈輸移量，而北槽入口段卻一直較小。在懸沙輸移方面，區(qū)域洪季大潮輸沙以平流輸沙為主，總輸沙方向與平流輸沙方向相一致，均指向向海一側(cè)。盡管在洪季總輸沙強(qiáng)度上，南槽入口段及北槽中上段隨二、三期工程有所增加，南槽中上段輸則在二期工程開始減小，但它們在三期工程后單寬總輸沙率均穩(wěn)定在2.5 kg／（m·s）左右，北槽入口段的單寬總輸沙強(qiáng)度隨工程不斷降低，三期工程后僅為0.78 kg／（m·s）。

（3）優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙、凈輸水量、總輸沙率的變化狀況，在很大程度反映了區(qū)域的沖淤變化機(jī)制。在2002－2010年洪季期間，NC1和CB2站點(diǎn)處單寬凈輸水量處于較高水平，單寬總輸沙率隨工程整體上升，呈沖刷態(tài)勢；NC2站點(diǎn)處單寬凈輸水量不高，單寬總輸沙率較大，且隨工程波動下降，呈弱淤積態(tài)勢；CB1站點(diǎn)處單寬凈輸水量和單寬總輸沙率一直處于較低水平，且單寬總輸沙率持續(xù)下降，呈強(qiáng)淤態(tài)勢。此外，CB1站點(diǎn)處漲落潮含沙量在二期工程后逐步上升，優(yōu)勢流和優(yōu)勢沙系數(shù)逐漸減小，均向有利于懸沙落淤的方向發(fā)展，因而導(dǎo)致二期工程以來潛堤北側(cè)北槽入口段淤積程度加重。

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Changes in water and sediment of the bifurcation mouth between the North and South Passage during the flood season，Yangtze Estuary

Lin Yifan1，Dai Zhijun1，Li Weihua2，Xie Hualiang1，Li Jiufa1

（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center，Shanghai 201201，China）

The water and sediment change of the bifurcation mouth is one of the key parts to influence the estuarine delta formation，which is a determinative controlled factor on the stability of the downstream river situations.Here，based on the flood season water and sediment data observed synchronously in the bifurcation mouth between North and South Passage（BMNSP）during the operations of the second and third phases of the Deep Water Channel Project（DWCP）in the Yangtze Estuary，impacts of DWCP on hydrodynamics and sediment dynamics of the BMNSP were discussed.The results can be summarized as follows：（1）There had been almost no changes for the situation of both the ebb flow and ebb sediment dominance located at the BMNSP，even though the operations of DWCP had experienced time span from the second to the post-third phase.However，the coefficients of both the ebb flow and ebb sediment dominance of the upstream mouth in the South Passage showed an obvious change from low values in the second DWCP to high values in the third DWCP during the flood season.The corresponding coefficients of both the ebb flow and ebb sediment dominancein the North Passage showed inverse changes comparing with those in the South Passage.（2）The Euler residual flow in the flood season could directly determine the flow transport of the BMNSP.During the second and third phase of the DWCP，average transport discharge of the BMNSP was enhanced except the upstream of the North Passage where the average transport discharge still remained low.The change of the Lagrange residual flow of the BMNSP was similar to that of the Euler residual flow.However，the Stokes residual flow of the BMNSP has remained minor changes.（3）Due to the decreased ebb current velocities，increased suspended sediment concentrations，decreased flow transportation and weaken sediment transport rate of the upstream mouth of the North Passage from the second to the post-third DWCP，it could be the main reasons to induce the aggravation of accretions in the upstream mouth of the North Passage.

hydrodynamics；suspended sediment；mechanism decomposed analysis；bifurcation of North and South Passage；Changjiang（Yangtze）Estuary

TV148

A

0253-4193（2015）03-0114-12

林益帆，戴志軍，李為華，等.長江口南北槽分流口洪季水沙變化過程研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（3）：114—125，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.012

Lin Yifan，Dai Zhijun，Li Weihua，et al.Changes in water and sediment of the bifurcation mouth between the North and South Passage during the flood season，Yangtze Estuary［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：114—125，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.012

2014-01-07；

2014-03-09。

國家自然科學(xué)基金（41306085，48505350）；國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（50939003）；新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助（NCET－12－0182）。

林益帆（1990—），男，福建省松溪縣人，主要從事河口海岸水沙輸運(yùn)等方面的研究工作。E-mail：lyfstar＠126.com

*通信作者：戴志軍，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事河口海岸泥沙運(yùn)動和動力沉積地貌等方面的研究。E-mail：zjdai＠sklec.ecnu.edu.cn