長江口—杭州灣懸沙濃度的空間分布特征研究

楊海飛，張志林，李伯昌

（長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局，上海 200136）

流域來沙是河口地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，地貌形態(tài)的變化主要依靠水動力作用。懸沙濃度是泥沙和水動力耦合作用的直接體現(xiàn)，其分布特征反映了泥沙在水動力作用下的搬運、沉積和再懸浮過程，是河口地貌演變的重要影響因子[1-2]。在長江口地區(qū)，泥沙的回淤問題一直困擾著航道和港口工程。細顆粒的泥沙還易吸附營養(yǎng)鹽、污染物等，在河口區(qū)匯集，對河口水域環(huán)境產(chǎn)生很大影響[3-5]。

作為中國最大的河流入?？?，長江口的河流和海洋動力的相互作用十分強烈[6]。據(jù)大通站（長江入海前最后一個控制性水文站）多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上世紀七十年代（流域來沙大幅降低前）長江年均入海徑流量和輸沙量分別約為9×1011m3和5×108t，分別位列同期世界河流的第五和第四位[7]?？陂T地區(qū)多年平均潮差約2.7m, 多年平均風速約6m/s，引水船測站多年平均波高約1.0m，波高自內(nèi)向外逐漸增大。長江口波浪類型主要包括風成浪和涌浪兩種，其受季風變化影響顯著。長江徑流、潮流和波浪是長江口地區(qū)泥沙運動的主要動力因素[8-9]。

1 研究區(qū)域與樣品采集概況

長江口的懸沙濃度研究一直是學者們的研究熱點，尤其是自三峽水庫等大型水庫建成蓄水以來，流域來沙銳減，長江口門地區(qū)的懸沙濃度響應(yīng)研究顯得尤為重要。不少學者通過實地水樣采集、儀器觀測或遙感影像反演等手段，已經(jīng)對長江口的懸沙濃度展開了相關(guān)研究工作[2,6,10-14]?；诒韺討疑硵?shù)據(jù)，學者研究發(fā)現(xiàn)長江口的懸沙濃度自徐六涇向外呈先增大后減小的空間分布特征，在攔門沙最大渾濁帶區(qū)域達到最大，最大可達2 g/L[13-14]。相比于徐六涇以上河段，懸沙濃度在徐六涇以下河段存在量級上的飛躍，由小于0.1 g/L迅速增大至大于1 g/L[6]。在北槽渾濁帶區(qū)域，垂向平均含沙量自上而下，由0.23 g/L逐漸增大至0.72 g/L[15]。雖然已有不少研究表明杭州灣的泥沙來自長江口，但相比于長江口水域，杭州灣的懸沙濃度又要明顯更高[16]。

因長江河口在徐六沿節(jié)點以下開始分漢，河勢呈“三級分汊、四口入海”的格局，口門區(qū)域凈寬可達90 km。因長江口區(qū)域范圍寬廣，多點同步取樣或觀測困難，且人力和物資消耗巨大，所以以往的研究往往是依靠少數(shù)典型代表測點數(shù)據(jù)、或僅僅針對長江口某一局部區(qū)域展開分析，研究成果可能存在一定的不完整性和片面性[6,11,14-15]。本次研究主要是基于長江口區(qū)域2011年洪、枯季實測的大潮懸沙濃度數(shù)據(jù)，并結(jié)合杭州灣水域部分測站的懸沙濃度數(shù)據(jù)[17]，來分析長江口—杭州灣懸沙的空間分布特征。本次研究共涉及23個數(shù)據(jù)點，采樣點分布如圖1。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本此研究中所用數(shù)據(jù)來源主要有：長江口深水航道治理分流分沙比水文測驗，上游來沙量變化對長江口航道的影響研究水文測驗，枯季長江河口水文綜合調(diào)查水文測驗，長江口深水航道養(yǎng)護工程長江口北槽水域水文測驗，長江口北支水域水、沙、鹽、水質(zhì)監(jiān)測水文測驗等。

2.2 研究方法

（1）懸沙水樣采集

圖1 長江口—杭州灣取樣點布置示意圖Fig.1 The sampling locations in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

為減小長江流域來沙以及長江口風浪能量強度的季節(jié)性變化對長江口懸沙濃度平面分布的影響，本文中長江口懸沙濃度的平面分布數(shù)據(jù)是基于2011年洪、枯季實測的大潮垂線平均值。具體采樣流程如下：各固定測驗垂線在測流期每小時采用橫式采樣器采取懸移質(zhì)含沙量水樣，采樣點位及層次與測流相同；采樣器采用容積為1000 ml的橫式采樣器；取水樣后，立即裝入預先清潔干凈的容器內(nèi)并蓋緊。

其中杭州灣部分的灘滸、小洋山、蘆潮港、大戢山和綠化山站點的數(shù)據(jù)根據(jù)李鵬等的文獻補充[17]，這5個站點的樣品采于2008-2009年，每天兩次采集表層懸沙樣。

（2）懸沙水樣處理及計算

水樣經(jīng)過充分沉淀后，作洗鹽處理；以焙干稱重法進行分析，烘干溫度控制110℃，干燒杯按規(guī)范烘烤2小時，干燥冷卻至室溫后用1/10000電子天平稱重。

懸沙濃度計算：Cs=(Wbsj-Wb)/V。其中：Cs，懸沙濃度；Wbsj，烘杯、泥沙重量（g）；Wb，烘杯、重量（g）；V，水樣體積（L）。

3 結(jié)果與討論

3.1 懸沙濃度分區(qū)對比分析

本部分內(nèi)容共涉及23個站點數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的懸沙濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1；同時基于懸沙濃度數(shù)據(jù)，繪制了長江口—杭州灣懸沙濃度的平面分布柱狀圖（圖2）。

從圖2可以看出，長江口—杭州灣懸沙濃度分布存在明顯的空間差異。懸沙濃度在北支的崇明中段達到最大，為2.07 g/L；在長江口外側(cè)最小，最遠測點的懸沙濃度僅約0.06 g/L。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，南支系統(tǒng)的懸沙濃度平均值為0.47 g/L，而北支懸沙濃度則達1.32 g/L，約為南支系統(tǒng)的2.8倍。杭州灣表層懸沙濃度平均值為0.82 g/L，實際垂線平均值則更大，從內(nèi)側(cè)（1.3g/L）向外（0.70g/L）懸沙濃度呈逐漸降低趨勢（圖2）。就南支系統(tǒng)而言，懸沙濃度的分布也存在空間差異性。南槽懸沙濃度最大，約為1.08 kg/m3，南支上段最小約為0.21 kg/m3，僅為南槽的1/5。而南支系統(tǒng)其余區(qū)域，懸沙濃度一般均在0.5 kg/m3以上。南支系統(tǒng)內(nèi)，攔門沙區(qū)域懸沙濃度平均值為0.62 g/L，約為南支上段（0.21 g/L）的3倍；在南支上段，北岸懸沙濃度平均約為0.26 g/L，南岸平均約為0.12 g/L，北岸為南岸2倍多。

表1 長江口-杭州灣各測點懸沙濃度統(tǒng)計Table 1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC)in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

圖2 長江口—杭州灣懸沙濃度平面分布柱狀圖Fig.2 The histograms of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

3.2 懸沙濃度沿程變化規(guī)律

在北支系統(tǒng)，北支口測點懸沙濃度最小，為0.49 g/L；沿程向外逐漸增大，至北支中段達到最大為2.07 g/L；繼續(xù)向外，則迅速降至0.89 g/L。在南支—北港系統(tǒng)，懸沙濃度也總體呈先增大后減小趨勢。南支口測點最小僅為0.25 g/L，在北港下段達到最大約為1.20 g/L，至北港外圍測點懸沙濃度降至0.29 g/L，略高于南支口測點（圖3）。

圖3 長江口懸沙濃度沿程變化圖Fig.3 The longitudinal variations of SSC in the Yangtze Estuary

據(jù)已有數(shù)據(jù)，在南支—南港—北槽和南支—南港—南槽系統(tǒng)，懸沙濃度的沿程呈逐漸增大趨勢，這一規(guī)律與上述先增大后減小變化規(guī)律并不矛盾。該現(xiàn)象主要是因為缺失南、北槽外圍測點數(shù)據(jù)，懸沙濃度沿程變化規(guī)律的后半段未能完整展示。

長江口懸沙濃度向外側(cè)先增大后減小的空間分布規(guī)律主要是由于口門區(qū)域最大渾濁帶的存在，最大渾濁帶是在河口口門區(qū)域特殊條件（包括地形、水動力、鹽淡水混合等）下形成的[1,9]。

3.3 懸沙濃度分布場及相應(yīng)機理

據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，繪制了長江口懸沙濃度分布場圖（圖4），以揭示長江口懸沙濃度分布的一般規(guī)律。不難發(fā)現(xiàn)，長江口—杭州灣的懸沙濃度存在明顯的空間分布差異，其中各分區(qū)（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州灣）的差異尤為明顯。北支的懸沙濃度整體上要大于南支系統(tǒng)，南支系統(tǒng)內(nèi)攔門沙區(qū)域要明顯大于南支上段，南支上段還存在南、北兩岸梯度差異，杭州灣內(nèi)懸沙濃度則整體要大于長江口區(qū)域?？傮w而言，各分支系統(tǒng)自口內(nèi)向口外基本呈先增大后減小趨勢，該趨勢總體與以往研究成果基本一致[6,9,16]，但本次研究布點更為密集、同步性更好，且在細節(jié)上更進一步。

圖4 長江口—杭州灣懸沙濃度平面分布場圖Fig.4 The spatial distribution of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

一般情形下，河流水體的懸沙濃度隨著河道展寬、泥沙落淤，水體含沙量會隨之下降。圖3中南支—北港系統(tǒng)第2至第4測點，懸沙濃度存在一定下降趨勢，正是反映上述機理。但就長江口—杭州灣整體而言，該區(qū)域的懸沙濃度更多地反映的是海洋性，即海洋動力導致的泥沙再懸浮作用主導了該區(qū)域的懸沙濃度空間分布。以北支為例，長江每年經(jīng)北支入海的徑流量小于5%，泥沙來源本十分有限。但北支潮汐作用十分強勁，北支現(xiàn)已基本演變成潮汐控制的潮流通道。長江口南支向外海擴散的泥沙及蘇北向南沿岸流攜帶的泥沙隨漲潮流進入北支，此外強潮作用下潮流動力對底層泥沙的剪切作用，導致北支泥沙大量再懸浮，以上綜合作用是北支懸沙濃度遠大于其余分區(qū)的主要原因[18-19]。杭州灣的潮汐作用強勁，高懸沙濃度現(xiàn)象的形成機理與北支相似。在南支系統(tǒng)，攔門沙水域水深較淺、潮汐和風浪作用較強，局地泥沙的再懸浮是該區(qū)域形成最大渾濁帶的重要原因[16]。

綜上，長江口—杭州灣水域，懸沙濃度更多地表現(xiàn)為海洋性，受海洋動力主導，即便在現(xiàn)如今流域來沙大量減少的背景下，長江口水域懸沙濃度依然保持在較高的水平。

4 總結(jié)

（1）長江口—杭州灣的泥沙基本均來自長江入海泥沙。在長江口自徐六涇以下至口門，雖然河道繼續(xù)展寬但懸沙濃度沒有因為落淤而繼續(xù)降低；相反，懸沙濃度在口門區(qū)域呈不斷增高的現(xiàn)象，繼續(xù)向口外則明顯減小。這主要是由于口門區(qū)域最大渾濁帶的存在，最大渾濁帶是在河口口門區(qū)域特殊條件（包括地形、水動力、鹽淡水混合等）下形成的。

與此同時，長江口—杭州灣水域的懸沙濃度還存在明顯的分區(qū)差異（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州灣等）。北支明顯大于南支系統(tǒng)，南支系統(tǒng)內(nèi)攔門沙區(qū)域明顯大于南支上段，杭州灣水域則整體大于長江口區(qū)域。

（2）長江的輸水輸沙量一直位列世界大型河流前列，但在長江口—杭州灣區(qū)域，水體的懸沙濃度要明顯大于長江徑流，該區(qū)域的懸沙濃度由海洋動力主導。局地的泥沙再懸浮和遷移對水體含沙量進行了大量補充，使得長江口—杭州灣水域的懸沙濃度在流域來沙銳減的背景下依然居高不下。因此，長江口—杭州灣的懸沙濃度，最主要的是表現(xiàn)為海洋性，其空間分布特征受海洋動力作用控制。