近期長江河口沖淤演變過程研究

張曉鶴，李九發(fā)*，朱文武，程和琴

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

近期長江河口沖淤演變過程研究

張曉鶴1，李九發(fā)1*，朱文武1，程和琴1

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

基于長江河口1997年以來數(shù)字地形圖和近期水文泥沙實測資料，分析研究了近期長江河口大量人工整治工程和流域水庫工程建造影響下的河口河道自動調(diào)整過程。結(jié)果表明：1997－2013年河口段中上游河道微沖刷、攔門沙灘頂仍保持淤積外移、口門外側(cè)近海域沖刷的態(tài)勢略有增強(qiáng)，而其影響原因與歷史時期的自然因素影響為主略有差異，近期人類高強(qiáng)度活動的影響貢獻(xiàn)率增大。首先，南支至南港和北港中上游河段河床普遍發(fā)生沖刷，河床沙活動較活躍，床面微地貌沙波發(fā)育更明顯，而口門外側(cè)海域地形略有沖刷蝕退，這些變化與流域來沙銳減有直接關(guān)系；北支、北港口門、南槽和北槽河道攔門沙河段呈淤積，尤其北槽主航道的攔門沙河段6 m水深浚深為12.5 m后回淤量很大，這些與攔門沙河道動力結(jié)構(gòu)環(huán)境、河口和海域再懸浮泥沙補(bǔ)給有關(guān)；局部河段出現(xiàn)強(qiáng)沖和強(qiáng)淤現(xiàn)象，與近期河口工程建造有關(guān)。所以，長江河口近期正處在對自然因素變化和人類活動增強(qiáng)的自我緩慢地自動調(diào)整和適應(yīng)過程之中。

長江河口；河床演變；人類活動；潮流；泥沙運動

1 引言

長江為我國第一大河流，世界第三長河，全長6 300余千米，水量豐富并攜帶大量的泥沙匯入河口沉積或者向海擴(kuò)散，逐步形成河口三角洲及其沙島與河槽相間的分汊型河口，以及巨型水下三角洲。長江河口自徐六涇以下被崇明島分隔成南、北兩支，即南支河道和北支河道，南支河道被長興島、橫沙島分隔成南、北港，即南港河道和北港河道，南港河道由江亞南沙和九段沙聯(lián)合沙體分隔為南槽和北槽。經(jīng)歷2 000余年來河口發(fā)育而形成了三級分汊、四口入海的基本地形格局［1］。徐六涇至河口口門附近，全長約182 km，徐六涇斷面河寬約5.7 km，攔門沙區(qū)域?qū)挾燃s90 km［2］，河口展寬率較大。

對于長江河口的水沙運動和河口演變過程的研究成果頗豐［1—15］。但是，從1997年以來先后有北槽深水航道整治工程開工建設(shè)，由水深6.0 m左右攔門沙航槽浚深到12.5 m；白茆沙和新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道潛堤工程，以及中央沙圈圍和青草沙水庫工程；橫沙東灘、南匯邊灘和祟明島北灘等一系列促淤圈圍工程。與此同時，長江干流的三峽、向家壩、溪洛渡等蓄水?dāng)r沙水電工程建設(shè)等。1997－2013年長江流域和河口區(qū)前后眾多大型涉水工程的興建，改變了來水來沙條件和河口水沙環(huán)境［13—19］，由此河口沖淤過程必將對其作出適應(yīng)性響應(yīng)，并通過河口沖淤自動調(diào)整以達(dá)到新的平衡［20］。因此，研究1997－2013年的長江河口河道沖淤演變過程，對認(rèn)識新水沙環(huán)境下河口過程對其人類高強(qiáng)度活動的響應(yīng)，以及河口沖淤自動調(diào)整機(jī)理具有重要的現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)主要來源于1997－2013年大量的大比例尺海圖水深資料，統(tǒng)一采用ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，鑒于1998年為長江河口北槽深水航道整治工程開始施工年，而2003年為三峽工程開始蓄水?dāng)r沙年，就1997－2002年和2002－2013年地形數(shù)據(jù)及沖淤量分別進(jìn)行計算和統(tǒng)計，而且重點計算0 m水深以下河道的沖淤量；同時，2013年7月和2014年1月洪枯季針對于整個長江口河道水沙現(xiàn)狀，進(jìn)行了北支、南支、北港、南港、北槽、南槽和口門外鄰近海域總共12個定點水文觀測（圖1），使用ADCP和OBS等儀器和采取水樣獲得第一手現(xiàn)場水沙數(shù)據(jù)資料，并采用《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》進(jìn)行流速和含沙量均值計算和統(tǒng)計［21］。同時，將S1站采取含沙水樣中的泥沙顆粒噴散在玻璃片上，再鍍金。利用日本產(chǎn)JSM－5610型電鏡（放大倍數(shù)5～300 000倍）進(jìn)行泥沙顆粒粒度測量，選取不同泥沙顆粒圖片信息；2013年6月利用雙頻測深儀和淺地層剖面儀，在南港河道進(jìn)行河床微地貌觀測，獲得了該河床沙波分布及形態(tài)特征數(shù)據(jù)。

圖1 長江河口形勢和水文測站圖Fig.1 The Yangtze River Estuary with observational stations

3 長江流域來水來沙和河口含沙量分布及變化

長江為豐水豐沙性河流，根據(jù)大通水文站多年統(tǒng)計資料，長江進(jìn)入河口區(qū)多年平均年徑流總量為8.94 ×1011m3，多年平均徑流量為2.83×104m3／s［19］；由長江徑流攜帶進(jìn)入河口區(qū)的懸移質(zhì)泥沙多年平均年輸沙總量為3.80×108t，多年平均輸沙率為12.05 t／s［19］。但是近十幾年來由于長江流域水利工程、水土保持等工程的實施，致使徑流攜帶入河口的泥沙遞減60%左右（見圖2），同時河口局部區(qū)域也受到長江口航槽整治、灘涂圈圍和護(hù)灘工程等因素的影響。2003年以后在河口區(qū)域主要受控流域來沙影響較大的南支、南港、北港中上河段河道和口門外鄰近海域的多年多測點平均含沙量相應(yīng)地減少了50%左右，而2013－2014年洪枯季大潮實測單點平均含沙量僅為1997年以前多年平均含沙量的40%左右。在河口發(fā)育攔門沙地形的北支、南槽和北槽河道含沙量變化較小，而且含沙量仍較高（見表1）。這些特征與河口區(qū)域陸海兩股動力相互作用過程的差異，以及河口不同河道泥沙再懸浮和近海來沙增加量有關(guān)，致使河口泥沙出現(xiàn)新的分布格局（表1）。而泥沙作為河口水動力與河床演變的紐帶物體，已成為目前長江河口河床沖淤演變的平面分布格局發(fā)生變化的誘導(dǎo)因素。

圖2 1953－2010年大通站徑流量、輸沙量過程線Fig.2 Yearly river discharge（red-dot line）and sediment discharge（blue-box line）at the Datong Hydrological Station from 1953 to 2010

表1 河口區(qū)域平均含沙量統(tǒng)計表（單位：kg／m3）Tab.1 Statistics of average suspended sediment concentration in the estuary（unit：kg／m3）

4 近期河口河床沖淤變化平面分布格局

1997年以來隨著長江流域和河口眾多工程建設(shè)，河口泥沙分布發(fā)生變化［16］，河口河槽和淺灘相應(yīng)地出現(xiàn)微沖微淤的平面分布格局，并在對河口新水沙環(huán)境下緩慢地適應(yīng)性自動調(diào)整。主要表現(xiàn)在0 m水深以下以沖刷為主的河道有南支、南港、北港中上游河段和河口口門外鄰近海域；以淤積為主的河道有北支、北港口門河段、南槽和北槽攔門沙主體河段（見圖3和表2）。其中，南支主河道普遍持續(xù)沖刷，1997－2013年共計沖刷量達(dá)5.37×108m3，年均沖刷量為0.34×108m3。2002－2013年年均沖刷量有所增大，是1997－2002年年均沖刷量的3倍之多。其次是南港主河道和北港的中上河段，1997－2013年分別共計沖刷量達(dá)1.9×108m3和0.17×108m3，年均沖刷量分別為0.12×108m3和0.01×108m3，年均沖刷量均小于南支河道。

表2 1997-2013年長江口0 m以下河道沖淤量計算統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of amounts of channel erosion and deposition below 0 m isobaths in the Yangtze River Estuary from 1997 to 2013

續(xù)表2

近年長江河口淤積區(qū)淤積量仍較大，其中北支河道仍處在不斷地淤積中，1997－2013年累積淤積量為9.11×108m3，年均淤積量為0.57×108m3。其次是南槽和北槽河道，1997－2013年共計淤積量分別達(dá)3.17×108m3和1.41×108m3，年均淤積量分別為0.20×108m3和0.09×108m3。北港口門區(qū)域仍為淤積區(qū)（圖3）。

圖3 1997－2013年長江口沖淤變化圖Fig.3 Erosional and depositional variations of the channels in the Yangtze River Estuary from 1997 to 2013

從圖3和表2看，在河口口門外側(cè)的近海5～15 m水深區(qū)域，已成為目前長江河口及鄰近海域沖刷最明顯的水域，研究區(qū)域的5～10 m水深線所包絡(luò)的1.18×103km2面積內(nèi)，1997－2013年累積沖刷量為4.73×108m3，年均沖刷量為0.30×108m3。10～15 m水深線所包絡(luò)的1.03×103km2面積內(nèi)，1997－2013年累積沖刷量為2.55×108m3，年均沖刷量為0.16×108m3。再從圖3和圖4看，沖刷區(qū)一般都出現(xiàn)在攔門沙前坡區(qū)域，而河道攔門沙體頂端為淤積區(qū)，15～20 m左右水深區(qū)域為沖淤過渡緩沖帶。

從河口整體上看，目前，長江河口自徐六涇至攔門沙前坡的鄰近海區(qū)其地形沖淤呈現(xiàn)兩頭沖刷而攔門沙地帶為淤積的極有規(guī)律地平面分布格局。

圖4 Ⅰ－Ⅰ′、Ⅱ－Ⅱ′、Ⅲ－Ⅲ′、Ⅳ－Ⅳ′斷面地形剖面圖Fig.4 Variations of typical cross sections（Ⅰ－Ⅰ′、Ⅱ－Ⅱ′、Ⅲ－Ⅲ′、Ⅳ－Ⅳ′）

此外，由河口涉水工程引起局部區(qū)域沖淤最為明顯的有：新瀏河沙護(hù)灘工程前沿沖刷至32 m水深，青草沙水源地圍堤鄰近河道水域普遍出現(xiàn)沖刷，尤其南北槽分流口潛堤的挑流作用，導(dǎo)致南槽口1997年8 m左右水深，至2012年沖刷并增深到16 m多。而北槽丁壩田內(nèi)全面出現(xiàn)強(qiáng)淤積，累積淤積量達(dá)3.00×108m3左右（見圖3）。

5 討論

近期長江河口地形出現(xiàn)有沖有淤呈極有規(guī)律的分布形勢，與近16年來在流域和河口區(qū)域人類高強(qiáng)度干擾，致使河口區(qū)不同河道來沙量出現(xiàn)不均等現(xiàn)象，由此帶來水流輸沙能力的變化，以及在不同河道受控于陸海兩股水流互相作用和水流結(jié)構(gòu)差異的影響有關(guān)，而且整個河口已進(jìn)入了對新水沙環(huán)境適應(yīng)性地不斷沖淤自動調(diào)整過程。

南支主河道普遍持續(xù)沖刷，而且沖刷區(qū)域以主河槽為主體，其沖刷量位于6條汊道之首。眾所周知，南支河道位于河口段中上游，其水沙特性基本上受控于流域來水來沙的影響［22］，致使該河道含沙量減小速度增加（見表1），尤其2003年以來，由于三峽水庫攔沙而導(dǎo)致來沙大幅度銳減，河道水體含沙量未達(dá)飽和，水流挾沙能力逐漸增強(qiáng)，2013年6月（S1站）實測近底層懸沙中出現(xiàn)0.388 mm細(xì)砂類泥沙顆粒（圖5），表明河床沙已被再懸浮而進(jìn)入水體中，此時段河床沖刷強(qiáng)度增加3倍之多（見表2）?？梢?，近期南支主河道出現(xiàn)普遍持續(xù)沖刷，與流域來沙銳減具有直接關(guān)系。當(dāng)然南支河道的下游河段，即南北港分流口河段局部地帶出現(xiàn)強(qiáng)沖刷點和帶（見圖3），新瀏河沙護(hù)灘工程前沿水深達(dá)到32 m，與新瀏河沙護(hù)灘和青草沙圈水工程有關(guān)，屬于堤壩工程前沿沖刷性質(zhì)。

南港屬于上連南支河道，下通南北槽的中間過渡性河道，受控于流域和海域來水來沙的影響，河道持續(xù)緩慢沖刷，含沙量出現(xiàn)減小，其年均沖刷量少于南支河道，含沙量大于南支河道，表明南港河道沖刷也與近期流域來沙銳減有關(guān)，同時與河口和近海再懸浮泥沙略有補(bǔ)給也有關(guān)聯(lián)。2003年以來的沖刷強(qiáng)度比1997－2013年略?。ū?），其原因與引起南港河道的沖刷除與近期來沙減少導(dǎo)致河床挾沙力增強(qiáng)有關(guān)外，還與2003年以前南港人工大量挖沙有關(guān)［23］，致使此期間該河道計算沖刷量反而大。近期河道仍呈微沖狀態(tài)，實測近底層懸沙中出現(xiàn)0.344 mm細(xì)砂類泥沙顆粒，而且底沙推移運動極為活躍，床面普遍發(fā)育微地貌沙波（圖6、圖7）?？芍罅康咨尺\動對其12.5 m水深的深航槽維護(hù)具有較大的影響。

圖5 S1測站懸沙顆粒電鏡掃描圖Fig.5 Scanning electron micrograph（SEM）of suspended particles at S1 station

圖6 南港河道沙波觀測航跡線圖（2013年6月）Fig.6 Observation track of sand waves in the South Channel（June，2013）

北港主河道1997－2002年間以沖刷為主，年均沖刷量在各河道之首，而2002年以來該河道由沖刷轉(zhuǎn)為淤積，2002－2013年中累積淤積量達(dá)1.37×108m3，年均淤積量為0.12×108m3，研究時段其年沖刷量略大于淤積量（見表2）。從圖3看，北港沖刷區(qū)域主要位于河道中上游河段，而攔門沙始終處于淤積外移狀態(tài)（見圖8）?？梢?，北港河道表現(xiàn)為中上游河段沖刷而口門攔沙淤積的分布格局，其原因更為復(fù)雜，影響因素更多，除與近期來沙減少導(dǎo)致河床挾沙力增強(qiáng)有關(guān)外，近期北港分流口的新瀏河沙護(hù)灘和青草沙圈水，以及橫沙東灘大量圈圍土地和過江橋墩等工程實施，中上游河段河道出現(xiàn)縮窄和S型河道形態(tài)等，均為主槽和工程圍周局部區(qū)域產(chǎn)生沖刷的主要影響因素，而被沖刷泥沙主要在攔門沙水域淤積，形成河道中上游河段沖而下游河段淤的勢態(tài)（見圖3、圖8）。目前，該河道涉水工程基本完成，工程導(dǎo)致局部河段沖刷趨于緩慢，而攔門沙河段淤積區(qū)域較寬廣，淤積量顯示較大，是2002年前后河道由沖轉(zhuǎn)淤的基本原因。北港河道的平面沖淤分布格局，代表了直接通海河道的沖淤分布特性。

圖7 南港實測沙波形態(tài)剖面（2013年6月）Fig.7 Measured sand waves profile in the South Channel（June，2013）

圖8 北港攔門沙灘項水深變化圖Fig.8 Water depth variations at the mouth bar crest of the North Channel

北支屬于漲潮河道，河道一直處在淤積之中，1997－2013年河道總淤積量為各河道之首，年均淤積量達(dá)0.57×108m3。其主要原因與分流北支水量比值不斷減小，漲潮水流順河道向中上游河段源源不斷輸送泥沙有關(guān)［24］，水體含沙量很高，導(dǎo)致河道中上游持續(xù)淤淺，而強(qiáng)勁的漲潮流在北支下游北側(cè)區(qū)域產(chǎn)生了局部沖刷（見圖3）。同時，與近期北支河道局部邊灘大量圈圍有一定關(guān)聯(lián)［25］。

北槽是近年來人類干擾最嚴(yán)重的河道，1998年開始實施深水航道整治工程，建有分流口潛壩，河道南、北側(cè)導(dǎo)堤和19條丁壩，以及維持航槽12.5 m水深的疏浚工程等（見圖9），基本改變了河道自然形態(tài)格局，減緩了相鄰河道的水沙交換過程。1998－2002年部分工程實施期間，河道略有沖刷，爾后河道快速淤積，由沖刷轉(zhuǎn)為嚴(yán)重淤積，由1997－2002年累積沖刷量為0.23×108m3到2002－2013年累積淤積量為3.40×108m3，水體含沙量較高，而且近期直接受涉水工程影響，含沙量變幅也較大［14，18，26］。從圖3和圖9看，主要淤積區(qū)域為丁壩壩田內(nèi)，累積淤積量達(dá)3.00×108m3左右［26—27］，壩田內(nèi)已經(jīng)基本達(dá)到淤積平衡。同時，航槽中段處在陸海兩股動力平衡帶的攔門沙淺灘頂部區(qū)域，泥沙回淤量較大，年疏浚量在數(shù)千萬立方米［14，17，26—27］。當(dāng)然，北槽航道水深得到明顯改善，航槽依靠疏浚維持水深達(dá)到12.5 m，其中人工疏浚起到較大效果。而值得一提的是北槽河道沖淤變化受其流域來沙銳減的直接影響不明顯，表明與河口區(qū)和海域再浮懸泥沙補(bǔ)給和攔門沙特有的動力環(huán)境及整治工程關(guān)系密切。

圖9 北槽深水航道河勢圖（2013.08）Fig.9 Bathymetric map of the deep waterway project in the North Passage（August，2013）

南槽屬于河口攔門沙河道之一，長期以來處于淤積狀態(tài)，近百年來攔門沙淺灘頂部持續(xù)外移［28］。研究時段河道出現(xiàn)有沖有淤，但淤積量大于沖刷量。從圖3看，河道的上游河段呈強(qiáng)沖刷，主要與1998－2002年南北槽分口潛壩工程實施而導(dǎo)致南槽分流比變化，南槽由1998年分流為46.3%增至目前的57%左右，致使南槽上游河床出現(xiàn)強(qiáng)沖刷，大量泥沙向下游河段輸送并淤積河床，故然致使1997－2002年總淤積量強(qiáng)度大于2002－2013年。同時，在流域來沙銳減的條件下，與北槽、北港口門和北支河道同類，目前該河道水體含沙量仍較高，與河道存在最大渾濁帶有關(guān)，是導(dǎo)致攔門沙淺灘頂端河床持續(xù)淤積的基本原因。

對于河口口門外側(cè)鄰近海域，在受外海潮流進(jìn)入河口前沿的加速作用下，而由于近期流域供沙量大幅度減少，致使潮流挾沙能力增強(qiáng)，海床必然發(fā)現(xiàn)沖刷，并將再懸浮泥沙進(jìn)入河口河道，成為河道攔門沙河床淤積泥沙來源之一?？梢姡饔騺砩充J減，是該水域海床出現(xiàn)沖刷的主要原因。

6 結(jié)語

1998年以來，河口和流域相繼實施了大量的人造工程，致使流域來沙量銳減60%之多，不同河道在陸海兩股動力相互作用的差異影響下，河口含沙量出現(xiàn)極不平衡的分布，在河道縱向上兩頭含沙量明顯減小，而攔門沙河道尤其灘頂端含沙量仍較高的新的懸沙分布格局，由此帶來與此相適應(yīng)的挾沙能力和輸沙過程的變化，含沙量出現(xiàn)減小的南支、南港和北港中上游河道，以及口門外側(cè)的鄰近海域出現(xiàn)持續(xù)緩慢沖刷。而含沙量仍較高的攔門沙灘頂水域河床仍以淤積為主。同時，河口大型涉水工程對某一河道或局部河段沖淤產(chǎn)生較大影響。總之，目前整個河口沖淤演變?nèi)蕴幵趯π滤抄h(huán)境作適應(yīng)性的自我調(diào)整過程之中，以至河口逐步達(dá)到新的平衡。

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Study on recent bed changes of erosion and siltation in Yangtze River Estuary

Zhang Xiaohe1，Li Jiufa1，Zhu Wenwu1，Cheng Heqin1

（1.State Key Laboratory of Estuarine and Costal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Based on the digital nautical charts since 1997 and recent hydrologic field observations，the variations of erosion and siltation in Yangtze River Estuary under theinfluence of artificial regulation engineerings and basin reservoirs are analyzed.The results indicate that since 1997，（1）the morphological features have been undergone by slightly erosion in upper estuary，（2）the mouth bar crest still received deposition and moved seaward，and（3）the nearshore seabed have been increasingly eroded.And the dominant cause on those phenomena has been changed from the original nature factors to recent intensive human activities.Firstly，the riverbed in South Branch（SB），South Channel（SC）and the upper and middle reaches of North Channel（NC）has been eroded overall.The sediment above bed was very active and surface sediment was coarsened.Bed surface sand wave was becoming more distinct，and the nearshore seabed outside river mouth is being eroded slightly.These variations mentioned above are attributed to river runoff and sediment load.Secondly，there was a sediment deposition in the reaches of North Brach（NB），the mouth of NC and the mouth bars of North Passage（NP）and South Passage（SP），especially for the main channel of NP，which matches a big quantity of back silting after the Deep Waterway Project.The reasons why caused these variations are not only changes in the dynamic structure in estuarine mouth bars，but also variations for thesupply of sediment resuspension in local area and offshore area.In addition，the severe erosion and siltation in some reaches is closely related to those estuarine engineering constructions.In a word，the Yangtze River Estuary is in slow adjustment and adaptation under changing natural factors and intensive human activities recently.

Yangtze River Estuary；geomorphic changes；human activities；tidal current；sediment transport

TV882.2

A

0253-4193（2015）03-0134-10

張曉鶴，李九發(fā)，朱文武，等.近期長江河口沖淤演變過程研究［J］.海洋學(xué)報，2015，37（3）：134—143，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.014

Zhang Xiaohe，Li Jiufa，Zhu Wenwu，et al.Study on recent bed changes of erosion and siltation in Yangtze River Estuary［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：134—143，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.014

2014-04-02；

2014-05-19。

國家自然科學(xué)基金（41340044，51479074）；科技部基礎(chǔ)專項重點項目（2013FY112000）。

張曉鶴（1991—），男，陜西省渭南市人，從事河口海岸泥沙運動和河床演變研究。E-mail：XHZ_Zhang＠163.com

*通信作者：李九發(fā)（1949—），男，江西省南豐縣人，教授，從事河口海岸泥沙運動和河床演變及海岸工程研究。E-mail：jfli＠re.ecnu.edu.cn