近期長江河口南匯南灘水域水沙變化特征

劉高偉 , 程和琴 李九發(fā) 計 娜 胡 浩 喬遠英

(1. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200062； 2. 上海河口海岸科學研究中心, 上海 201201)

南匯邊灘位于長江口和杭州灣交匯處, 東臨東海, 南靠杭州灣, 北與南槽毗鄰。以石皮勒斷面為界,靠近長江口一側稱為南匯東灘, 靠近杭州灣一側稱為南匯南灘[1]。南匯南灘水域流場以潮流為主, 基本呈東西方向的往復流動, 主流向與沿岸等深線大致平行。潮流性質屬非正規(guī)半日潮型, 順時針向旋轉[2]。

長江大通站 1950至 2010年平均年徑流量為8964×108m3, 1951至 2010年平均年輸沙量為3.90×108t[3], 為南灘的形成提供了豐富的泥沙來源。南匯咀附近水域是長江口泥沙向杭州灣輸移的泥沙通道。受南匯咀兩側的水面比降、潮流差異及鋒面等的作用, 長江口水沙以多種方式直接或間接地通過泥沙通道進入杭州灣[4]。近年來隨著流域筑壩建庫、“南水北調”、水土保持工程的實施, 使得長江流域來沙量急劇減少, 再加上東灘促淤圍墾、臨港新城、東海大橋等工程的建設, 從而加速了南匯近岸海床的沖刷[5]。至 2003年南匯邊灘已先后被圈圍了1.5×104hm2(約合150 km2), 其中包括浦東國際機場,南匯東灘一、二期工程, 人工半島一、二期工程以及蘆潮港兩側的臨港工程, 如此大范圍 0 m以上淺灘被圈圍后, 必將對南匯嘴沿岸水域的水流、泥沙和地形沖淤帶來嚴重的影響[6]。同時, 受潮灘海洋動力作用、長江入海泥沙變化及近岸工程建設的影響, 使得南匯南灘水域原有水沙狀況已發(fā)生了顯著的變化。目前該水域水沙現(xiàn)狀如何, 亟待開展研究。

本文擬根據(jù)最新長江口南匯南灘水域洪、枯季大潮水沙實測數(shù)據(jù)及歷史水沙資料, 利用潮汐-潮流比較法進行同化處理, 分析該水域水沙現(xiàn)狀及其變化特征, 并探討近年來水沙變化的影響因素, 為今后河口河槽治理和工程建設提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 現(xiàn)場測量及歷史數(shù)據(jù)收集

2011年12月11～12日枯季大潮和2012年6月8～9日洪季大潮兩條船分別同時利用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)對東海大橋以東(N1測點)、東海大橋以西(N2測點)作水流連續(xù)定點26 h同步測量。其中, ADCP測量的聲學頻率為600 kHz, 流速和流向采用六點法測量, 垂線平均流速和流向根據(jù)六點法加權計算得到。為了分析南匯南灘水域水沙變化特征, 本文收集了2003年2月(K0315測點)枯季大潮、2004年9月(H0415測點)洪季大潮南匯南灘水域大潮實測資料。其中流速觀測使用SLC9-2型直讀式電磁海流計同步觀測 26 h, 并采用六點法測量流速和流向, 測點位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及測點位置圖Fig.1 Sketch map of the study area and observation sites

工程前后測點位置雖有所差異, 但其潮流性質、地形條件、氣象條件等要素相近。洪季時兩次測量的鹽度均約為 10, 水體平均溫度約為 20℃； 枯季時兩次測量的鹽度約為16, 水體平均溫度為15℃。并且洪、枯季觀測時段分別對應的月平均流量差異不大, 上游來水條件相似, 并且同時為大潮期間的實測數(shù)據(jù), 故認為具有一定的可比性。

1.2 水樣采集及含沙量分析

水樣分層采集時采用“六點”法： 表層(水面下0.5 m)、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層(離床面 0.5 m),當水深H＜3 m時, 采用“三點”法, 即表層、中層和底層。逐時于整點時刻分層采集水樣, 按照各層水樣600 mL, 送實驗室經(jīng)45 μm濾紙過濾、105 ℃恒溫箱內(nèi)烘干, 再放入干燥缸里冷卻6～8 min后稱質量并計算單位水體的含沙量, 各時刻的垂線平均含沙量采用六點法加權平均計算。其中, 2003、2004、2011和 2012年含沙量測量方法均相同。由于ADCP底表層存在盲區(qū), 6點取水樣時分別與ADCP所測的流速相對應。

1.3 數(shù)據(jù)同化處理

在杭州灣北部灣口處(包括南匯南灘), 主要日分潮和半日分潮波都是前進波[7], 無論漲潮或落潮過程, 潮流流速與潮差的相關系數(shù)約為 0.95, 均屬高相關[8]。故本文可以采用潮汐—潮流比較法將相同潮型不同潮差下的流速歸算到相同潮差下的流速進行分析。以工程前測點附近潮位站潮差為標準, 將工程后實測流速(此時段對應測點附近潮位站的潮差)按潮差正比關系換算出相對流速[9-10]。

1.4 優(yōu)勢流計算

優(yōu)勢流最早見于 Simmons[11]的研究, 即在感潮河口將各測點的全潮流速過程線中落潮單寬流量過程線包絡面積除以漲潮和落潮單寬流量絕對值之和,若商大于 50%, 代表落潮優(yōu)勢流為主, 商小于 50%,代表漲潮優(yōu)勢流為主, 其商為 50%時, 表明漲落潮流量相等, 這個位置為滯流點位置[12-13]。

優(yōu)勢流計算公式：

優(yōu)勢流＝平均落潮流歷時×平均落潮流速/(平均落潮流歷時×平均落潮流速+平均漲潮流歷時×平均漲潮流速)

2 南匯南灘水域水沙現(xiàn)狀特征

2.1 洪、枯季大潮潮流特征

2.1.1 漲、落潮平均歷時

南匯南灘水域(N1、N2測點)洪季漲潮平均歷時為6 h, 落潮平均歷時為6.7 h； 枯季漲潮平均歷時為6.7 h, 落潮平均歷時為5.8 h(表1)。

2.1.2 垂線平均流速

南匯南灘水域洪季漲潮垂線平均流速為0.85 m/s,落潮垂線平均流速為0.86 m/s； 枯季漲潮垂線平均流速為1.01 m/s, 落潮垂線平均流速為0.68 m/s。東海大橋以東(N1測點)洪季垂線平均流速大于枯季, 東海大橋以西(N2測點)則相反(表1)。

表1 2012年6月洪季、2011年12月枯季大潮南匯南灘水域潮流特性Tab.1 The characteristics of tidal current in the Nanhui south shoal during the flood season in June 2012 and dry season in December 2011

2.1.3 優(yōu)勢流

南匯南灘水域優(yōu)勢流洪季約為 0.53, 枯季為0.37, 說明該水域洪季落潮流占主導優(yōu)勢, 枯季漲潮流占主導優(yōu)勢(表1)。

2.1.4 流速垂向分布

南匯南灘水域潮平均流速從表層至底層基本呈逐漸減小的變化趨勢, 表面兩層流速大小相近, 底部兩層流速大小基本相等, 垂線分布結構大致呈倒“S”型分布(圖2)。洪季東海大橋以東(N1)從表層至底層流速相差較大為0.25 m/s, 東海大橋以西(N2測點)相差較小為 0.12 m/s?？菁緩谋韺又恋讓恿魉僦顤|海大橋以東(N1測點)為0.24 m/s, 東海大橋以西(N2 測點)為 0.34 m/s(圖 2)。

圖2 2012年6月洪季、2011年12月枯季大潮南匯南灘水域流速、含沙量垂向分布圖Fig.2 The vertical profiles of tide current velocity and suspended sediment concentration in the Nanhui south Shoal during the flood season in June 2012 and dry season in December 2011

2.2 洪、枯季大潮含沙量特征

2.2.1 垂線平均含沙量

潮周期內(nèi)南匯南灘水域垂線平均含沙量洪季大于枯季。東海大橋以東(N1測點)洪季垂線平均含沙量漲潮為 1.231 kg/m3, 落潮為 2.839 kg/m3；枯季垂線平均含沙量漲潮為 1.669 kg/m3, 落潮為1.308 kg/m3。東海大橋以西(N2測點)洪季垂線平均含沙量漲潮為 1.316 kg/m3, 落潮為 2.705 kg/m3；枯季垂線平均含沙量漲潮為 1.490 kg/m3, 落潮為1.290 kg/m3(表 1)。

2.2.2 含沙量垂向分布

一般而言長江口平均含沙量由表層至底層逐漸增大, 由于復雜水動力條件作用使得平均含沙量的垂線結構很少符合 Rouse公式的指數(shù)分布形式, 可大致歸納為準直線型、斜線型、拋物線型和混合型[14]。洪季含沙量從表層至底層變化范圍較大, 東海大橋以東(N1測點)呈拋物線型分布, 東海大橋以西(N2測點)基本呈斜線型分布； 枯季含沙量垂向分布變化范圍與洪季相比較小, 東海大橋以東(N1測點)呈斜線型分布, 東海大橋以西(N2測點)基本呈拋物線型(圖2)。

2.3 流速、含沙量之間相關關系

南匯南灘附近水域處于最大渾濁帶上, 絮凝作用、河口環(huán)流、泥沙再懸浮表現(xiàn)較為活躍, 尤其是泥沙再懸浮[12,15]。一般潮汐河道中一個潮周期內(nèi)在漲、落急附近懸沙出現(xiàn)兩次沙峰, 泥沙發(fā)生兩次再懸浮[16](圖3)。在2011年12月和2012年6月的兩次實測數(shù)據(jù)中, 南匯南灘水域泥沙顆粒極細, 大潮時懸沙 D50粒徑范圍為 4～8 μm, 屬粉砂類, 受潮徑流影響比較大[17]。東海大橋以東(N1測點)垂線平均含沙量變化特征表現(xiàn)為洪季落潮大于漲潮、枯季落潮小于漲潮,含沙量的峰值滯后于流速落急、漲急1～2 h, 含沙量的最小值也出現(xiàn)在落憩、漲憩后的 1～2 h(圖 3)。整體而言, 洪季泥沙運動更為劇烈, 但泥沙含量變化率小于流速變化率, 泥沙依附于水流運動。

3 近期南匯南灘水域水沙變化特征

3.1 大潮落潮優(yōu)勢洪季增強、枯季減弱

洪季大潮 2004至 2012年南匯南灘水域落潮優(yōu)勢增強, 漲、落潮垂線平均流速均增大, 且落潮流速增加更為明顯。2004年漲潮垂線平均流速為0.77 m/s,2012年增至0.91 m/s； 2004年落潮垂線平均流速為0.67 m/s, 2012年增至1.01 m/s； 垂線平均流速落/漲由2004年的0.87增至2012年的1.11(表2)。

枯季大潮 2003至2011年南匯南灘水域落潮優(yōu)勢減弱, 漲潮優(yōu)勢增強, 且由原來的落潮流占主導優(yōu)勢轉變?yōu)槟壳暗臐q潮流占主導優(yōu)勢； 漲、落潮流速均減小, 且落潮流速減少較多。2003年漲潮垂線平均流速為1.13 m/s, 2011年減至0.93 m/s, 2003年落潮垂線平均流速為 1.00 m/s, 2011年減至 0.61 m/s；垂線平均流速落/漲由2003年的0.88減為2011年的0.66(表 2)。

圖3 東海大橋以東N1測點洪季、枯季大潮水位、垂線平均含沙量及流速過程線Fig.3 The graphs of water stage, velocity and sediment concentration at N1 observation site in the east of East China Sea Bridge during flood and dry seasons

表2 2003～2012年南匯南灘水域垂線平均流速及垂線平均含沙量Tab.2 The depth averaged velocity and SSC in the Nanhui south shoal during 2003～2012

3.2 潮周期內(nèi)含沙量減少

洪季大潮 2004至 2012年南匯南灘水域漲潮垂線平均含沙量明顯減少, 落潮含沙量增多, 且潮周期內(nèi)含沙量呈減少趨勢。2004年漲潮垂線平均含沙量為2.433 kg/m3, 2012年減至1.231 kg/m3； 2004年落潮垂線平均含沙量為2.183 kg/m3, 2012年增至2.839 kg/m3, 垂線平均含沙量落/漲由2004年的0.90增至2012年的2.31(表2)。

枯季大潮 2003至2011年南匯南灘水域漲、落潮平均含沙量均減少, 且落潮含沙量減幅較大, 潮周期內(nèi)含沙量同樣減少。2003年漲潮垂線平均含沙量為 2.712 kg/m3, 2011年減至 1.669 kg/m3； 2003年落潮垂線平均含沙量為 2.579 kg/m3, 2011年減至1.308 kg/m3； 垂線平均流速落/漲由 2003年的 0.95減少至2011年0.78(表 2)。

4 水沙變化影響因素分析

南匯邊灘近岸水域水動力特征, 一方面受東海潮波傳播的影響, 另一方面受長江下泄巨大徑流影響。來自東海潮波中的北支同時傳播入長江口和杭州灣北岸的過程中, 在南匯嘴岸外海域潮流即發(fā)生分流(漲)和匯流(落)現(xiàn)象[18]。南灘附近水域流場基本表現(xiàn)為東西向的往復流, 由于錢塘江來水來沙對杭州灣的影響甚小, 則南灘附近水域的主要動力為強勁的潮流； 又由于南匯南灘鄰近長江口, 直接受長江徑流的影響, 在潮徑流的作用下, 含沙量變化較為活躍。近10年來, 南匯南灘水域水沙變化明顯, 是對近年來流域來沙量減少、周邊促淤圍墾工程及東海大橋建設、近岸沙體變遷的直接響應。

4.1 近岸工程建設的影響

東海大橋及其周邊促淤圍墾工程后, 洪季大潮落潮優(yōu)勢增強, 枯季大潮落潮優(yōu)勢減弱。南匯南灘附近的圍墾工程及東海大橋建設將使得通過口門沿河道上溯的納潮量相對減少, 同時洪季較強的徑流作用也進一步減少了潮流的影響范圍, 徑潮比有所提高； 但與此同時, 南匯南灘附近的圍墾工程也在一定程度上使得徑流下泄受阻, 進而流速將會增大。枯季上游來水量較小, 南匯南灘將以潮汐作用為主,圍墾工程和大橋建設后口門總的納潮量減少, 進而導致潮汐動能減弱, 流速將減小[19-20]。

2003、2004年東海大橋處于建設期, 南匯邊灘東灘二期圍墾、蘆潮港臨港圍墾剛剛完工, 此時南匯南灘水域垂線平均流速表現(xiàn)為“枯高洪低”, 垂線平均含沙量較高。2011、2012年東海大橋及其周邊圍墾工程已完工多年, 與2003、2004年相比, 洪季大潮漲、落潮垂線平均流速變大, 潮周期內(nèi)含沙量減少,并且漲潮垂線平均含沙量減少, 落潮含沙量增多；枯季大潮漲、落潮垂線平均流速變小, 漲、落潮垂線平均含沙量減少(表2)。2004年9月和2012年6月、2003年2月和2011年12月大通站來水量基本相當(表3), 且錢塘江來水來沙對杭州灣影響甚小, 2003至2012年南匯南灘水域除東海大橋及周邊促淤圍墾工程外,其他條件變化并不大, 可以初步判斷近年來南灘水域流速變化與東海大橋及周邊促淤圍墾工程的建設有關。

1994年至今南匯邊灘進行了大規(guī)模的圍墾, 其中南灘部分包括人工半島一期、人工半島二期以及臨港新城(表 4), 促淤圍墾工程在施工上一般采取先促淤后圍堤, 即在圍堤工程前先建堤頂較低的促淤半潛堤, 以引長江泥沙隨漲潮水越堤進入堤內(nèi)自然落淤以加快灘面高程, 當?shù)虄?nèi)灘面淤高 1～2 m后再行圈圍構筑大堤, 由于促淤工程截留了大量長江下泄過境入海的泥沙, 使本來已趨降低的長江入海輸沙量又進一步造成減少[5]。由于促淤工程攔截泥沙的作用, 使得進入杭州灣的泥沙量再次減少, 進而南匯南灘水域含沙量也有所減少。

表3 大通站月徑流量和月輸沙量Tab.3 Monthly runoff and sediment load of the Changjiang Estuary as measured at Datong

表4 南匯邊灘主要促淤圍墾工程情況[21]Tab.4 The land reclamation projections in the Nanhui foreland [21]

4.2 近岸沙體變遷的影響

近十幾年來, 在流域工程及近岸工程和促淤圍墾工程等人類驅動力的作用下, 南匯邊灘近岸的沙體發(fā)生了顯著的變化。2001～2013年南匯東灘0、-2、-5 m等深線整體呈向外海推移的趨勢, 沙體逐漸與陸地相連。以0 m等深線中沒冒沙的變化為例, 與2001年相比2006年沙體下移1～3 km, 2009年沙體與陸地相連, 與2009年相比2013年沙體下移10 km左右(圖4), 其面積不斷逐年淤大。從0、-2 m、-5 m等深線(圖4)的變化都可以看出南匯東灘近年來不斷呈淤漲之勢。盡管南匯南灘0、-2、-5 m等深線之間的距離并不大, 但仍可以看出0、-2、-5 m等深線整體呈向內(nèi)陸退縮之勢(圖4)。由此可以判斷, 近年來南匯東灘呈現(xiàn)淤漲的趨勢, 而南匯南灘卻呈現(xiàn)出沖刷的趨勢。近岸沙體向陸內(nèi)移, 使得南匯南灘水域岸坡沖刷、坡度增大[22], 表明南灘附近水域漲潮流作用增強, 并且水體含沙量有減少的趨勢, 這與上述南匯南灘枯季大潮漲潮優(yōu)勢增加, 潮周期內(nèi)洪、枯季大潮含沙量減少的趨勢是相一致的。另外,南匯東灘0、-2、-5 m等深線逐年向外擴展將使大量泥沙在此落淤, 進而隨徑流作用進入南匯南灘附近水域的泥沙有所減少, 從而使南匯南灘水域水體含沙量減少。

4.3 流域來沙量減少作用

圖4 2001年至2013年長江口南匯邊灘0, -2, -5 m等深線變化圖Fig.4 The changes of 0, -2 and -5 m depth contours in the Nanhui foreland during 2001～2013

長江來水量豐富, 輸沙量較大, 大量徑流和泥沙在河口擴散入海后, 部分泥沙堆積在長江口門附近, 其中一部分泥沙經(jīng)反復搬運繼續(xù)向外擴散, 另一部分則在水流作用下向南運移進入杭州灣[23]。據(jù)大通站輸沙觀測資料統(tǒng)計, 近年來長江來沙量逐漸呈減少趨勢, 尤其是 2003年三峽大壩蓄水以來, 輸沙量減少嚴重, 2003、2004年年輸沙量分別為2.06×108t、1.17×108t, 2011 年年輸沙量僅為 0.718×108t, 不足1億t(圖5)。長江口輸沙量減少, 進入南匯南灘的泥沙量也勢必減少, 泥沙量的減少將使該水域含沙量發(fā)生變化。

圖5 歷年長江口大通站徑流量及輸沙量Fig.5 Annual runoff and sediment load of the Changjiang Estuary as measured at Datong during 1954～2011

2004年9月洪季大通站來沙量約是2012年6月的2倍, 徑流量二者相近(表3), 2004年9月潮周期內(nèi)含沙量約比2012年6月高0.500 kg/m3； 2003年2月枯季大通站來沙量比 2011年 12月多近 1倍為2.1×106t(表3), 而2011年12月漲、落潮垂線平均含沙量均比2003年2月減少近50%(表2), 說明近年來長江口來沙量減少對南匯南灘水域含沙量的減少有一定影響。

5 結語

1) 目前, 南匯南灘水域洪季大潮優(yōu)勢流約為0.53, 說明落潮流占主導優(yōu)勢； 枯季大潮優(yōu)勢流為0.37, 說明漲潮流占主導優(yōu)勢。

2) 長江河口及杭州灣水沙分布特征具有明顯的季節(jié)性變化, 南匯南灘水域垂線平均含沙量洪季大于枯季。在一個潮周期內(nèi), 含沙量大小與流速大小呈現(xiàn)一定的相關關系, 并且含沙量與流速存在一定的滯后性, 滯后時間為1～2 h。

3) 東海大橋及其周邊促淤圍墾工程建設后, 南匯南灘水域洪季大潮漲、落潮流速增大, 落潮優(yōu)勢增強, 漲潮垂線平均含沙量減少, 落潮垂線平均含沙量增多； 枯季大潮漲、落潮流速減小, 落潮優(yōu)勢減弱,漲、落潮垂線平均含沙量減少。

4) 近岸工程建設是南匯南灘水域洪季落潮優(yōu)勢增強, 枯季落潮優(yōu)勢減弱的主要原因； 近年來南匯南灘水域含沙量減少, 主要受近岸工程建設、近岸沙體變遷、長江流域來沙量減少等因素的影響。

致謝：本文在前期資料收集過程中得到了張二鳳老師、袁慶老師、王冬梅博士、楊忠勇博士、宋澤坤碩士、周瑩碩士及郭興杰碩士的大力幫助, 謹致謝忱！

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