九段沙上沙南沿坍塌與外沙內(nèi)泓效應

茅志昌，郭建強

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062;2.上海市九段沙濕地自然保護區(qū)管理署，上海 200135)

九段沙濕地地處長江與東海的交匯處，位于長江河口的南北槽之間。九段沙濕地由九段沙(上沙、中沙、下沙)、江亞南沙及其周邊淺水區(qū)域組成(圖1)。為河流生態(tài)、海洋生態(tài)的交集帶，具有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢，是國內(nèi)唯一基本保持原始河口沙洲及其發(fā)育過程的國家級自然保護區(qū)。

具有典型河口潮灘濕地特性的九段沙引起研究人員的廣泛興趣，在九段沙的形成發(fā)育過程、植被群落演替、底棲動物分布、生態(tài)功能評價等方面取得了豐碩成果［1-5］。但對九段沙上沙南沿沖刷原因研究較少。

近年來，隨著江亞南沙沙尾的持續(xù)下移，外沙內(nèi)泓效應日益凸現(xiàn)，造成九段沙上沙南沿日益嚴重的沖刷內(nèi)蝕現(xiàn)象。早在2003年，為保護濕地免受沖蝕，在上沙碼頭東西兩側建造(經(jīng)2005年修護延長)約800 m 長的護灘拋石堤。石堤結構簡單，2006年受“碧利斯”臺風的影響，石堤全線損壞，石塊坍塌下沉，石堤東側約3 km 長的自然潮灘沖刷后退更為明顯。保護九段沙濕地首先要保護沙體免受水流沖刷蝕退，本研究成果可為九段沙上沙護灘工程的設計提供科學依據(jù)。

圖1 九段沙濕地保護區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote sensing satellite photograph of the Jiuduansha shoal wetland

1 資料與方法

文中所用海圖系交通部上海海上安全監(jiān)督局、中華人民共和國海事局測繪，水深基準面為理論最低潮面;2011年6月水文泥沙觀測資料;2013年1月、4月、7月、9月潮灘的蝕退觀測數(shù)據(jù)。采用地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)字高程模型(DEM)技術，建立數(shù)字高程模型，從動力地貌的角度分析外沙內(nèi)泓地形的形成機理及凸顯效應。

2 水文泥沙

九段沙濕地位于長江河口攔門沙河段，是河流與海洋兩大水體的交匯帶，同時受風浪影響也十分明顯，水文泥沙條件非常復雜。

據(jù)九段沙上沙碼頭潮位站2010 ～2012年實測潮位資料統(tǒng)計，最高潮位5.01 m，最高潮位平均值4.42 m，其中夏半年4.61 m，冬半年4.24 m，平均高、低潮位分別為3.48 m、0.64 m，平均潮差2.85 m，平均漲、落潮歷時分別為5.0 h、7.4 h。

江亞北槽位于江亞南沙與九段沙之間，其漲潮流速大于落潮流速，據(jù)2006年在江亞北槽的定點觀測資料，洪季漲、落潮垂線平均流速分別為1.00 m/s、0.73 m/s，枯季為0.82 m/s、0.70 m/s［6］。表明江亞北槽與南北槽不同，具有漲潮槽的性質。

圖2 剖面位置Fig.2 Location of profiles (1# ～5#)

據(jù)上沙碼頭測點表層水樣資料統(tǒng)計(2006年6月～ 2007年 5月)，江 亞 北 槽 含 沙 量，冬 季(0.622 7 kg/m3)高于夏季(0.452 kg/m3)。

3 上沙南沿受沖后退

3.1 潮下灘沖淤變化

為了解上沙南沿潮灘的沖淤變化過程，在上沙南沿石堤東西二側，選取了5 個剖面，相鄰剖面的間距為759 ～1 200 m(圖2)。圖3 繪制了1996 ～2011年期間，上沙南沿5 個剖面的0 m、2 m、5 m 等深線的遷移變化過程。

圖3 1# ～5#剖面沖淤曲線Fig.3 Profile of the erosion -accretion at 1# ～5#

1#剖面位于上沙碼頭以西1 200 m。1996年0 m、2 m、5 m 等深線距起點分別為250 m、350 m、1 250 m，到了2000年分別外推了75 m、725 m、450 m;2004年與2000年相比，0 m 線后退了100 m，2 m、5 m 內(nèi)蝕了700 m、1 025 m。2007年，0 m 線相對穩(wěn)定，2 m、5 m 線內(nèi)侵了150 m、300 m 。2011年，0 m、2 m 線相對穩(wěn)定略有后退，后退25 ～50 m，5 m 線外漲725 m。

2#剖面位于上沙碼頭。除2000年5 m 線向外淤漲350 m 外，自1996 至2011年，總體上，水下潮灘處于不斷沖刷北移之中，0 m、2 m、5 m 線分別內(nèi)蝕了670 m、770 m、1 270 m，年均后退分別為44.7 m、51.3 m、84.7 m。

3#、4#剖面的潮下灘地形變化趨勢與2#剖面相似，但沖刷強度要大于2#剖面。自1996 至2011年，3#剖面0 m、2 m、5 m 線分別蝕退了930 m、1 425 m、1 625 m，年均后退分別為62 m、95 m、108 m。4#剖面0 m、2 m、5 m 線分別后退了900 m、1 900 m、1 950 m，年均后退分別為60 m、126.7 m、130 m。

5#剖面靠近上沙東南角的沙尾，沖刷強度隨江亞南沙沙尾下延而增加。1996 至2011年，0 m、2 m、5 m線后退了750 m、1 700 m、1 725 m，年均后退分別為50m、113m、115m。在5 個剖面中，5#剖面距陡坎距離最遠，潮間帶寬度最大。

綜上所述，在1996 ～2011年期間，上沙南沿潮下灘地形有兩個變化特點。

1#剖面在1996 ～2000年間淤漲明顯，2000年后，總體上處于侵蝕狀態(tài)，這與長江口北槽深水航道工程有關。北槽一期工程自1998年1月啟動，2000年3月完工。完成了分流口工程和南北導堤的上段工程，封堵了江亞北槽，大幅減少了進入江亞北槽的徑流量，凸顯了漲潮槽效應，導致了江亞北槽上段的快速淤積。2000年后，江亞南沙出現(xiàn)了2 m 槽串溝，增加了進入江亞北槽的落潮量，上段形成5 m 槽，減緩了江亞北槽上段的淤漲速率。

在此期間，2004年對潮下灘的沖刷最為劇烈，與2000年相比，5 m 線普遍內(nèi)蝕1 000 m 以上，這與江亞南沙沙尾下延速度加快有關。1997 ～2000年間，江亞南沙沙尾下延速度最快，但對江亞北槽地形的影響并不十分明顯，尚有一個時間滯后過程。到了2004年，雖然沙尾下伸速度已減緩，但外沙內(nèi)泓的效應突顯出來，江亞北槽大幅北移，5 m 等深線距陡坎多在1 000 m 以內(nèi)，引起上沙潮下灘的強烈沖刷。

3.2 潮下灘坡度

坡度的大小表示潮灘地形的陡緩程度，也反映了潮灘受淤漲或沖刷強度的大小。表1 統(tǒng)計了上沙5 個剖面0 ～5 m 水深線之間的坡度。

表1 上沙南沿潮下灘(水深0 ～5 m)坡度Tab.1 Slope of underwater tidal flat (0 ～5 m)in the south part of upper Jiuduansha shoal

由表1 可見，2#與3#剖面0 ～5 m 水深間的地形坡度最大，潮下帶寬度僅為100 ～155 m;4#剖面次之，為200 m;1#與5#剖面坡度相對較緩，潮下帶寬度為675 ～975 m。

3.3 蘆葦高灘坍塌嚴重

為掌握上沙南沿蘆葦高灘坍塌現(xiàn)況，實施了埋樁觀測計劃。2013年1月1日在石堤以東的自然潮灘設置觀測樁4 根，在4月26日查勘時，1#～3#樁隨潮灘坍塌已無蹤影，只剩4#樁。根據(jù)當時觀測樁的坐標及樁離陡坎距離的記錄，1#～4#斷面陡坎內(nèi)侵4 ～14.4 m。

在2013年4月26日現(xiàn)場查勘時，自石堤東側至九段沙串溝之間，在蘆葦高灘埋設了8 個樁，縱長1 200 m，樁距相鄰為130 ～350 m，樁離陡坎4 ～13 m。根據(jù)2013年4月26日、7月10日、9月9日的測量結果，高灘坍塌極為嚴重(表2)。

表2 上沙南沿蘆葦高灘坍塌距離Tab.2 Distances of recession in the south part of upper Jiuduansha shoal

表2 的實測數(shù)據(jù)表示，在1#～5#樁之間(121°53'59''～121°54'23'')，陡坎后退月均值在6 m 以下，6#～8#樁，月平均后退距離在10 m 以上，反映了上沙南沿石堤以東高灘坍塌強度存在區(qū)段差異;同時，2013年4 ～7月的月均內(nèi)退距離在1.4 ～8.3 m 之間，而7 ～9月月均侵蝕距離在3.1 ～14.1 m 之間，顯然，7 ～9月的侵蝕強度大于4 ～7月。

4 討 論

4.1 長江口深水航道治理工程

長江口深水航道治理工程的實施，改變了江亞南沙沙頭、九段沙沙頭以及九段沙北側的邊界條件，影響了九段沙濕地局部水域動力場、泥沙場的運動特性，凸顯了大型航道治理工程對江亞南沙及其附近區(qū)域沖淤效應。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)南北槽分流比變化。南槽分流比由工程前的40%左右增加至目前的60%左右。隨著分流比增加，南槽上段出現(xiàn)明顯沖刷，10 m 槽自1998 ～2009年初，下移近13 km，年均下延1.2 km。

2)江亞南沙淤漲淤高。0 m 以上面積由1989年的2.9 km2增至2012年的21.4 km2，2 m 以淺水深面積由1986年的19.3 km2增至2012年的37.5 km2。江亞南沙在淤漲的同時，高程也在抬升，灘頂高程由1997年的1.4 m 增加至2009年的3.3 m。

3)江亞南沙沙尾下延。南槽上段南北兩側的沖刷泥沙隨落潮流下移，部分泥沙堆積在江亞南沙沙尾，造成江亞南沙沙尾向東南向延伸(表3)。

表3 江亞南沙沙尾(5 m 等深線)下延距離Tab.3 Distances of moving downstream for the Jiangyanansha tail (5 m isobaths)

圖4 江亞南沙沙尾延伸(1997 ～2013年)Fig.4 Extension of Jiangyanansha tail (from 1997 to 2013)

由表3 和圖4 可知，自1997年至2013年，江亞南沙沙尾下延了20 km，年均下延1 250 m。并且，江亞南沙沙尾下延有兩個時段較快，一個是1997年至2000年，沙尾(5 m 水深線)下伸6 500 m，年均下伸2 167 m，第二個時段為2007年至2013年，沙尾下延7 800 m，年均下延1 300 m。北槽深水航道治理工程自1998年初開始，至2000年初完成一期工程，一期工程對江亞北槽和江亞南沙影響特別大，隨著南槽進潮量增加，南槽上段沖刷加劇，加快了江亞南沙沙尾的下延速度。2004年二期治理工程完工，沙尾下伸速度逐漸減緩。2007 ～2013年，江亞南沙沙尾朝東南向的下移速度又加快，可能與九段沙上沙南沿大量沙土塌坍有關，原因尚需進一步研究。

在江亞南沙沙尾下延的同時，沙尾高程也在不斷淤高，反映在2013年的測圖上，江亞南沙沙尾0 m 線已下延至121°55'18''，與1997年相比，0 m 線下延了12 000 m。大潮汛落至最低潮位時，九段沙串溝南沿以西，部分沙脊露灘，部分沙脊的水深只有10 ～30 cm。

4)江亞北槽北移下伸。隨著江亞南沙向東偏北淤漲和沙尾下延，江亞北槽朝西北－東南向延伸。1997～2013年，江亞北槽長度由5.5 km 延伸至20 km，16年間增加長度14.5 km，年均增加906 m。

在江亞北槽下伸過程中，出現(xiàn)兩個非常明顯的變化:一是北槽端部5 m 水深線后退了3 000 m;二是江亞北槽整體北移，北移幅度達1 000 ～2 000 m，最寬處由2 000 m 縮窄至500 m，2#、3#、4#三個剖面的5 m 等深線距陡坎僅有130 ～450 m，潮下灘(0 ～5 m 水深)坡度高達25‰～50‰。

5)由于北槽南導堤的擋流作用，位于九段沙上沙與中下沙之間的串溝，作為水流進出南、北槽之間的通道作用，已明顯減弱，該串溝水深也日益變淺，逼使進入串溝的潮流被折回涌入江亞北槽，造成江亞北槽下段水位抬升，漲潮流增強。

由此可見，江亞南沙沙尾的不斷下延和淤高，凸顯了“外沙內(nèi)泓”效應，加上南導堤的擋流作用，使江亞北槽下段水位抬高，漲潮流增強，漲潮槽特征更為明顯，增加了對上沙南沿的侵蝕強度。

4.2 外沙內(nèi)泓效應

外沙內(nèi)泓地貌單元是長江河口在其特定的河勢格局、水沙條件下的演化結果，有相似的過程和規(guī)律可循。

長江口外沙內(nèi)泓地形的形成過程主要以三種方式完成。一種是直接由漲落潮流流路分歧而產(chǎn)生的沙脊，如南支的扁擔沙;另一種是由水流切割邊灘成為心灘后形成的，如南槽的江亞南沙和北港的六滧沙脊;第三種是在落潮水流匯流點下方的緩流區(qū)形成新的堆積沙體并逐步淤漲下延形成的，如南港的瑞豐沙嘴。長江口外沙內(nèi)泓地形形成的方式雖有差異，但由科氏力引起的漲落潮流路分歧和豐富的泥沙來源是其形成發(fā)育演變的基本條件［7］。

外沙內(nèi)泓地形形成后，所在河段由單一河槽變?yōu)閺褪胶硬?，由此引起河槽性質和水流泥沙運移特性發(fā)生改變。沙脊北側為漲潮槽，深泓逼岸，往往成為險工岸段，須采取丁壩或丁、順壩組合等保灘護岸建筑物，阻止灘涂坍塌［8］。例如崇明島南岸自崇頭往東直至團結沙水閘近80 km 的大堤前沿，因受扁擔沙、六滧沙脊的外沙內(nèi)泓效應，沖刷嚴重。自修筑加密了幾十條丁壩后，基本上阻止了岸灘的沖刷后退，部分岸灘還有所淤漲。例在崇明東南沿的瀛東養(yǎng)殖場圍堤外側自興建了丁、順壩護岸工程后，潮灘向外淤漲了300 多米。

4.3 沖刷趨勢

上沙南沿潮灘的沖刷強度及蝕退趨勢主要取決于江亞南沙沙尾的延伸淤漲速度。

據(jù)2011年6月在江亞南沙沙尾的定點水文泥沙測驗結果，表明在單位寬度內(nèi)，落潮流輸出的沙量僅占漲潮流輸入沙量的21%，這就是說，在一個潮周期內(nèi)，將有79%的泥沙滯留在沙尾淺灘上。由此可知，江亞南沙沙尾近期仍將快速向下游延伸。這一判斷得到證實，2012年與2011年比較，江亞南沙沙尾又下延了2 000 m，年均下延1 000 m。這將導致江亞北槽同步向下游延伸，外沙內(nèi)泓效應更加凸顯，必將加劇對上沙南沿蘆葦灘的沖刷。

隨著江亞南沙沙尾的下延，沖刷段將向東延伸。自2007年以來，中沙及下沙上段的5 m 水深線后退了200 ～400 m。

5 結 語

1)九段沙南沿拋石堤嚴重受損，石堤以東的自然蘆葦灘侵蝕后退十分嚴重。

2)長江口深水航道工程導致九段沙濕地局部區(qū)域邊界條件改變和水流泥沙運移環(huán)境變化，引起江亞南沙沙尾快速下延，江亞北槽在北移的同時向下游延伸。

3)江亞南沙沙尾的淤高、延伸，進一步凸顯了外沙內(nèi)泓效應，加上南導堤的擋流作用，使江亞北槽下段水位抬升，漲潮流加強，漲潮槽特征更為明顯，沖刷強度增加，沖刷范圍向東延伸。

［1］楊世倫，賀松林，謝文輝.長江口九段沙的形成演變及其與南北槽發(fā)育的關系［J］.海洋工程，1998，16(4):55-65.(YANG Shilun，HE Songlin，XIE Wenhui.The formation and evolution of the Jiuduansha tidal islang as well as their relation to the development of the north and south passage in the Yangtze river estuary［J］.The Ocean Engineering，1998，16(4):55-65.(in Chinese))

［2］謝小平，王兆印，沈煥庭.長江口九段沙現(xiàn)代潮灘沉積特征［J］.沉積學報，2005，23(4):566-573.(XIE Xiaoping，WANG Zhaoyin，SHEN Huanting.Sedimentary characteristics of the modern tidal flat of Jiuduansha shoal in Changjiang estuary［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2005，23(4):566-573.(in Chinese))

［3］張玉平，由文輝，焦俊鵬.長江口九段沙濕地地棲動物群落研究［J］.上海水產(chǎn)大學學報，2006，15(2):169-172.(ZHANG Yuping，YOU Wenhui，JIAO Junpeng.Studies on macrozoo benthic community of Jiuduansha wetland in the Yangtze river estuary［J］.Journal of Shanghai Fisheries University，2006，15(2):169-172.(in Chinese))

［4］施文彧，葛振鳴，王天厚，等.九段沙濕地植被群落演替與格局變化趨勢［J］.生態(tài)學雜志，2007，26(2):165-170.(SHI Wenyu，GE Zhenming，WANG Tianhou et al.Succession and distribution pattern of vegetation communities on Jiuduansha wetlang［J］.Chinese Journal of Ecology，2007，26(2):165-170.(in Chinese))

［5］茅志昌，虞志英，徐海根.上海潮灘研究［M］.上海:華東師范大學出版社，2014.(MAO Zhichang，YU Zhiying，XU Haigen.Muddy tidal flats Shanghai［M］.Shanghai:East China Normal University Press，2014.(in Chinese))

［6］李平，陳沈良，谷國傳.等.長江口九段沙岸灘的短周期地貌動力過程［J］.海洋學研究，2009，27(1):57-63.(LI Ping，CHEN Shenliang，GU Guochuan，et al.Morphological dynamic processes of the Jiuduansha tidal flat at the Changjiang river estuary［J］.Journal of Marine Sciences，2009，27(1):57-63.(in Chinese))

［7］郭建強.長江河口外沙內(nèi)泓地形的形成演變及其在河口整治開發(fā)中的作用［D］.上海:華東師范大學，2008.(GUO Jianqiang.The formative processes and application in estuarine regulation and exploiture of out-bar and inner-stream topographty in Changjiang estuary［D］.Shanghai:East China Normal University，2008.(in Chinese))

［8］季永興，盧永金，莫敖全.長江口外沙內(nèi)泓河段保灘護岸對策研究［J］.水土保持通報，2001，21(1):15-18.(JI Yongxing，LU Yongjin，MO Aoquan.Beach and bank protection works at outer-bar and inner-stream reach in the Yangtze river estuary［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2001，21(1):15-18.(in Chinese))