流域水沙變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江口河槽演變的影響

劉 杰，程海峰，韓 露，葉婷婷，王珍珍

(上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201)

因流域閘壩工程、水土保持和氣候環(huán)境變化等因素的影響，世界著名河口大都出現(xiàn)因流域來(lái)沙減少引起的水下三角洲侵蝕、岸線后退和濕地?fù)p失等問(wèn)題，如埃及的尼羅河口[1]、美國(guó)的密西西比河口[2]和我國(guó)的黃河河口[3]和長(zhǎng)江口[4-7]等。而河口區(qū)域的人類(lèi)活動(dòng)如筑堤圍墾、航道整治等對(duì)河口沖淤演變的影響亦較明顯，使得河口的人工控制作用得以增強(qiáng)[8-9]。因此，河口沖淤演變的趨勢(shì)特征能夠反映特定時(shí)段自然條件和人類(lèi)活動(dòng)的影響，對(duì)掌握河口未來(lái)中長(zhǎng)期演變趨勢(shì)有重要參考意義。

因豐富的流域來(lái)沙堆積，2 000 年來(lái)長(zhǎng)江口遵循南岸邊灘推展、北岸沙島并岸、河口整體向東南延伸的演變模式[10]。最近20 年來(lái)，流域水沙條件發(fā)生了明顯變化，三峽工程建設(shè)和長(zhǎng)江輸沙量變化及其對(duì)長(zhǎng)江口河床演變的影響引起國(guó)內(nèi)外不少專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，如Yang 等[4]分析認(rèn)為長(zhǎng)江口水下三角洲沖淤平衡時(shí)河口大通站臨界輸沙量年均2.60 億t，如低于該臨界值，口門(mén)外水下三角洲將出現(xiàn)大范圍侵蝕。李從先等[5]基于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)鉆孔資料計(jì)算得到長(zhǎng)江三角洲形成和發(fā)育期間的長(zhǎng)江年均輸沙量為1.84～2.28 億t。黎兵等[6]對(duì)三峽工程建設(shè)前后的水下地形資料進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為三峽水庫(kù)蓄水初期（2007 年前）對(duì)長(zhǎng)江口沖淤變化的影響并不顯著，但2007 年后長(zhǎng)江口的沖淤變化與三峽水庫(kù)蓄水相關(guān)性明顯；劉杰等[7]認(rèn)為受流域減沙的影響，2008 年之后長(zhǎng)江口口內(nèi)的南支、南港和北港上段的含沙量明顯下降，河槽沖刷、容積擴(kuò)大，長(zhǎng)江口水下三角洲前沿有兩個(gè)沖刷區(qū)，年平均沖刷深度0.1 m 左右。上述研究結(jié)果對(duì)流域水沙變化及其對(duì)長(zhǎng)江口水下三角洲沖淤演變影響進(jìn)行了初步研究，但對(duì)長(zhǎng)江口河槽演變趨勢(shì)、沖淤轉(zhuǎn)變時(shí)點(diǎn)和臨界輸沙量等方面認(rèn)識(shí)還存在分歧。同時(shí)，1998 年之后，隨著航道治理和岸灘整治圈圍等重大涉水工程的實(shí)施，長(zhǎng)江口區(qū)域的人類(lèi)活動(dòng)增強(qiáng)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江口河槽演變的影響漸趨明顯。目前，對(duì)流域水沙變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江口河槽演變過(guò)程影響還缺少系統(tǒng)的分析研究。為此，本文采用1998 年以來(lái)長(zhǎng)江口水下地形數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)江口近期河槽演變特征進(jìn)行分析，探討河口沖淤轉(zhuǎn)變的時(shí)點(diǎn)和臨界輸沙量，進(jìn)一步明晰河口未來(lái)的演變趨勢(shì)。

1 區(qū)域概況

長(zhǎng)江口為豐水、多沙、中等潮汐強(qiáng)度的河口，平面呈三級(jí)分汊、四口入海的河勢(shì)格局，共有北支、北港、北槽、南槽4 個(gè)入海通道。長(zhǎng)江流域來(lái)水量多年來(lái)變化不大，但來(lái)沙量受流域水土保持和閘壩工程建設(shè)的影響，20 世紀(jì)80 年代中期以來(lái)出現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖1），長(zhǎng)江大通站年輸沙量下降約四分之三。1998 年以來(lái)，長(zhǎng)江口航道整治和水土資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大，如對(duì)河口主要灘涂南匯東灘、橫沙東灘、中央沙、青草沙和北支新村沙等范圍進(jìn)行了整治、促淤和圈圍（圖2），固定了岸灘，縮窄了局部河槽寬度。

圖 1 大通站年輸沙量、年平均含沙量變化過(guò)程（1955—2016）Fig. 1 Changes of the annual sediment load and average suspended sediment concentration at Datong hydrological station from 1955 to 2016

圖 2 長(zhǎng)江口主要涉水工程位置和河槽容積計(jì)算區(qū)域Fig. 2 Location of main water-related projects and calculation area of channel volume in the Yangtze River estuary

長(zhǎng)江口4 條入海汊道中，北支多年來(lái)已成為受漲潮控制的河道，流域水沙條件變化對(duì)其影響不明顯。為此，本文重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)江口南支以下河槽的沖淤變化，收集整理了1998—2016 年5 幅長(zhǎng)江口徐六涇到口外大范圍全測(cè)水下地形數(shù)據(jù)（測(cè)量時(shí)段為每年的7—12 月），重點(diǎn)對(duì)比分析流域減沙和河口涉水工程影響下的河槽沖淤過(guò)程。水下地形數(shù)據(jù)基準(zhǔn)面為理論最低潮面，比尺1∶50 000，數(shù)據(jù)來(lái)自長(zhǎng)江口航道管理局和上海河口海岸科學(xué)研究中心。利用Surfer 軟件，對(duì)各測(cè)次相同范圍內(nèi)的水下地形進(jìn)行沖淤分析，分區(qū)段計(jì)算了河槽容積和沖淤量等（圖2）。

2 河槽演變的趨勢(shì)特征

2.1 河口灘槽格局總體穩(wěn)定

歷史上長(zhǎng)江口河床沖淤變幅較大，灘槽格局易變動(dòng)。而1998 年以來(lái)的近20 年，長(zhǎng)江口“三級(jí)分汊、四口入?！钡暮觿?shì)格局和各汊道的灘槽格局保持穩(wěn)定，沒(méi)有大的汊道和沙體產(chǎn)生（圖3）。其中，南支上段維持以白茆沙為江心洲的分汊河型，南支下段維持以新瀏河沙為主要分流口的南北港分汊河型，5 m 河槽走向和平面位置相對(duì)穩(wěn)定；扁擔(dān)沙維持東南西北長(zhǎng)條形、穩(wěn)定于南支主槽北側(cè)。北支下段及口外維持漲潮槽形態(tài)，5 m 河槽偏靠北岸。南港保持南側(cè)主槽、瑞豐沙和北側(cè)長(zhǎng)興水道相鄰的W 型復(fù)式河槽。長(zhǎng)江口下段及口外呈“南匯東灘-南槽-九段沙-北槽-橫沙淺灘-北港-崇明東灘-北支”攔門(mén)沙灘槽相間的格局。

圖 3 長(zhǎng)江口5 m 等深線對(duì)比變化Fig. 3 Variation of 5 m isobath in the Yangtze River estuary

2.2 南支以下河槽由凈淤積向凈沖刷轉(zhuǎn)變

1998 年以來(lái)，長(zhǎng)江口南支以下河床沖淤變化見(jiàn)圖4，沖淤面積和沖淤方量比值見(jiàn)表1。

圖 4 長(zhǎng)江口1998—2016 年沖淤分布Fig. 4 Scouring-silting distribution below the South Branch of the Yangtze River estuary from 1998 to 2016

表 1 長(zhǎng)江口南支以下河槽沖淤對(duì)比變化Tab. 1 Comparison of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary

由圖4 和表1 可知，1998—2002 年長(zhǎng)江口處于凈淤積態(tài)勢(shì)，該時(shí)段河口沖刷方量小于淤積方量，沖刷面積小于淤積面積；而2002—2010 年，則基本呈沖淤平衡、略有沖刷的態(tài)勢(shì)，期間河口沖刷量已大于淤積量，但沖刷面積仍小于淤積面積。而2010—2016 年，河口則已呈現(xiàn)明顯的凈沖刷態(tài)勢(shì)，期間河口沖淤量之比為62∶38，沖淤面積之比為61∶39。由此表明，近20 年長(zhǎng)江口發(fā)生了由凈淤積向凈沖刷的轉(zhuǎn)變，即河口河槽演變由總體淤積轉(zhuǎn)向了總體沖刷。

2.3 口內(nèi)河槽沖刷、容積擴(kuò)大

圖4 顯示近20 年河口沖刷主要集中在深槽區(qū)域，淤積則主要發(fā)生在淺灘區(qū)域。圖2 所示區(qū)域的南支、南港和北港0 m 以下河槽容積均呈明顯擴(kuò)大態(tài)勢(shì)（圖5）。為進(jìn)一步了解各河段的河槽形態(tài)變化，統(tǒng)計(jì)了0～20 m 深度范圍內(nèi)的水面面積變化（圖6）。圖6 顯示，各河段因自然條件和工程影響不同，河槽沖淤態(tài)勢(shì)存在一定的差異。南港受自然變化和瑞豐沙人工采沙的影響[11]，0 m 以下河槽整體沖刷，即灘、槽普遍刷深（圖6(b)）。南支、北港（上段）灘淤、槽沖，基本以2 m 水深為分界，2 m 以淺的沙體區(qū)域略有淤積，2 m 以深的河槽普遍沖刷，其中水下10～15 m 深度范圍內(nèi)河槽沖刷最為明顯。

圖 5 南支、南北港0 m 以下河槽容積變化Fig. 5 Variation of channel capacity below 0 m isobaths in the South Branch, South Channel and North Channel

圖 6 南支、南北港0～20 m 深度范圍內(nèi)的水深面積變化Fig. 6 Variation of water depth and area in the depth range of 0～20 m in the South Branch, South Channel and North Channel

2.4 口外航道攔門(mén)沙淺灘長(zhǎng)度縮短

長(zhǎng)江口南、北槽和北港入海水道均存在明顯的航道攔門(mén)沙。1998—2010 年，北槽航道攔門(mén)沙受航道整治工程的影響，攔門(mén)沙河槽大幅沖深，在此基礎(chǔ)上疏浚開(kāi)通12.5 m 深水航道。而南槽和北港近年來(lái)因進(jìn)口側(cè)沖刷和口外水下三角洲前沿侵蝕[7]，航道攔門(mén)沙淺灘長(zhǎng)度明顯縮短（圖7）。但攔門(mén)沙灘頂水深仍維持在5.5～6.0 m，多年來(lái)變化不大。

圖 7 南槽、北港航道攔門(mén)沙縱剖面變化Fig. 7 Variation of longitudinal section of channel bar along South Passage and North Channel

3 討 論

3.1 河口灘槽穩(wěn)定的原因

20 世紀(jì)中葉前，長(zhǎng)江口處于自然演變狀態(tài)，河口河槽演變主要受自然驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的水沙變化作用，河床沖淤劇烈，岸、灘、槽的變化均較明顯。20 世紀(jì)中葉至1998 年，隨著江堤海塘等護(hù)岸工程的實(shí)施，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河口的干預(yù)逐漸增強(qiáng)，期間河槽演變受自然水沙變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重作用[8-11]，表現(xiàn)為岸線受到人工控制得以穩(wěn)定，但河道內(nèi)的灘槽變化依然明顯。如20 世紀(jì)50 年代北槽入海水道的形成，60 年代到90 年代南北港分汊口的多次“上提下挫”及其與此相關(guān)的南港瑞豐沙的產(chǎn)生，70 年代到90 年代江亞邊灘的發(fā)育、切割形成江亞南沙等。

1998 年以來(lái)的近20 年，隨著三峽工程的運(yùn)行和河口邊灘的圈圍、江中心灘的守護(hù)，人類(lèi)活動(dòng)在河口河槽演變的作用得以增強(qiáng)，灘槽地貌形態(tài)趨于穩(wěn)定。具體而言，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河槽演變的影響體現(xiàn)在3 個(gè)方面。一是徐六涇河段“節(jié)點(diǎn)”作用進(jìn)一步增強(qiáng)[12]。徐六涇河段是長(zhǎng)江口“三級(jí)分汊、四口入海”河勢(shì)格局的上邊界。近20 年來(lái)，新通海沙圈圍、常熟邊灘圍墾等工程相繼實(shí)施（圖2），蘇通大橋以下河段的河寬進(jìn)一步束窄至4.6 km，進(jìn)一步增強(qiáng)了徐六涇節(jié)點(diǎn)作用，穩(wěn)定了主槽深泓線。該河段上游的河勢(shì)變化對(duì)徐六涇以下河段的河床演變影響大幅減弱。徐六涇以下的河口段已形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的河口地貌系統(tǒng)。二是長(zhǎng)江口3 個(gè)主要分汊河段相繼被“人工固定”，控制了河床演變的關(guān)鍵部位。分汊口變化是導(dǎo)致河口劇烈變化的重要因素[13-14]。1998 年以來(lái)的近20 年間，在長(zhǎng)江口的3 個(gè)主要分汊口，即南北槽分汊口（第三級(jí)分汊）、南北港分汊口（第二級(jí)分汊）、南北支分汊口（第一級(jí)分汊）等關(guān)鍵部位分別實(shí)施了深水航道治理工程（分流魚(yú)嘴工程）、新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道限流潛堤工程和中央沙圈圍及青草沙水庫(kù)，以及長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道治理一期工程（白茆沙整治工程），使得長(zhǎng)江口主要汊道分流口位置得到控制（圖2）。河床沖淤變化主要限制在兩側(cè)固定岸線和分流魚(yú)嘴工程控制的范圍內(nèi)，長(zhǎng)江口“三級(jí)分汊、四口入海”總體河勢(shì)格局的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。三是長(zhǎng)江大洪水的等級(jí)有所降低。歷史上長(zhǎng)江洪水，尤其是特大洪水往往是造成長(zhǎng)江口河勢(shì)劇烈變化的最主要因素[15]。近期，在三峽等水利工程的“攔洪削峰”調(diào)節(jié)作用下[16]，長(zhǎng)江洪峰流量下降，洪水等級(jí)降低，從而有利于維持河口灘槽格局的穩(wěn)定。

3.2 河槽沖淤轉(zhuǎn)變臨界輸沙量及未來(lái)演變趨勢(shì)

長(zhǎng)江口歷史上因豐富的流域來(lái)沙供應(yīng)，南支以下河槽總體呈現(xiàn)束狹、向海淤漲延伸的趨勢(shì)。流域來(lái)沙減少促使河口淤積減緩或向沖刷趨勢(shì)轉(zhuǎn)變。河口沖淤轉(zhuǎn)變臨界輸沙量是判斷河口演變趨勢(shì)的重要指標(biāo)。劉曙光等[17-18]根據(jù)海圖等資料分析認(rèn)為，黃河三角洲發(fā)生由凈淤積轉(zhuǎn)為凈沖刷時(shí)入海沙量的臨界值為（2.45～2.78）億t。Yang 等[4]由入海泥沙溢出長(zhǎng)江口水下三角洲進(jìn)入其他海域的年平均值所確定的三角洲沖淤平衡臨界輸沙量為年均2.60 億t。李從先等[5]基于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)鉆孔資料計(jì)算得到長(zhǎng)江三角洲形成和發(fā)育期間的長(zhǎng)江年均輸沙量為（1.84～2.28）億t。

圖 8 不同階段河口沖淤量與大通站輸沙量變化Fig. 8 Variation of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary and the sediment load at Datong hydrological station

根據(jù)圖4 統(tǒng)計(jì)，1998—2002 年長(zhǎng)江口南支以下河槽淤積量年均0.17 億m3；2002—2010 年沖刷量年均0.27 億m3；2010—2016 年沖刷量明顯加大，年均達(dá)2.40 億m3。由此可見(jiàn)，在1998—2010 年間，河口發(fā)生了由凈淤積向凈沖刷的轉(zhuǎn)變。根據(jù)1998—2002 年和2002—2010 年長(zhǎng)江大通站對(duì)應(yīng)的年均輸沙量的線性差值（圖8），估算得到河口沖淤轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)處的大通年輸沙量約2.54 億t。由大通站年輸沙量變化過(guò)程（圖1）可知，2002 年以前大通站年輸沙量大于2.75 億t，2003 年之后小于2.17 億t，低于2.54 億t 的臨界值，2003—2016 年大通站年均輸沙量?jī)H1.39 億t。由此判斷，流域來(lái)沙減少應(yīng)是長(zhǎng)江河口發(fā)生沖淤轉(zhuǎn)變的主要原因，2002—2003 年可以作為長(zhǎng)江口沖淤轉(zhuǎn)變的分界時(shí)點(diǎn)。本文計(jì)算得出河口沖淤轉(zhuǎn)變臨界輸沙量2.54 億t，與Yang 等[4]入海泥沙溢出法確定的臨界輸沙量2.60 億t 接近。

歷史上長(zhǎng)江口總體向海淤漲主要緣于流域豐富的泥沙供給，隨著流域水庫(kù)大壩建設(shè)和植被覆蓋度增大等[19-20]人類(lèi)活動(dòng)影響，長(zhǎng)江流域輸沙量將可能進(jìn)一步減少，并長(zhǎng)期維持在河口沖淤轉(zhuǎn)變臨界輸沙量（2.5～2.6）億t 以下的較低水平。與此同時(shí)，未來(lái)長(zhǎng)江口綜合整治開(kāi)發(fā)和保護(hù)有關(guān)涉水工程的實(shí)施，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)河口岸灘邊界條件的穩(wěn)定。因此，在流域減沙和河口涉水工程實(shí)施條件下，長(zhǎng)江口將改變過(guò)去總體向海淤漲的演變趨勢(shì)，維持岸灘槽地貌格局穩(wěn)定條件下的緩慢沖刷趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

近20 年來(lái)長(zhǎng)江口灘槽格局總體穩(wěn)定，但南支以下河槽呈現(xiàn)由凈淤積向凈沖刷轉(zhuǎn)變。長(zhǎng)江口內(nèi)河槽沖刷、容積擴(kuò)大，10～15 m 深度范圍內(nèi)河槽沖刷最為明顯；口外航道攔門(mén)沙淺灘長(zhǎng)度縮短。河口邊灘圈圍、江中沙洲人工守護(hù)及三峽工程對(duì)長(zhǎng)江洪峰的消減促使了長(zhǎng)江口灘槽格局的穩(wěn)定，而流域來(lái)沙減少是南支以下河槽由凈淤積向凈沖刷轉(zhuǎn)變的主要原因。

基于河口沖淤量與大通站輸沙量的變化關(guān)系，可以得出2002—2003 年基本為長(zhǎng)江口南支以下河槽沖淤轉(zhuǎn)變的分界時(shí)點(diǎn)，河口沖淤轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的流域年輸沙量（大通站）臨界值約2.54 億t。長(zhǎng)江流域未來(lái)的來(lái)沙量可能長(zhǎng)期維持在臨界值以下的較低水平，長(zhǎng)江口將改變過(guò)去總體向海淤漲的演變過(guò)程，維持岸灘槽地貌格局穩(wěn)定條件下的緩慢沖刷趨勢(shì)。