近百余年來長江口南支水下地形演變特征分析

梁 鑫 鑫，王 磊3，王 軍

(1.華東師范大學 地理科學學院，上海 200241； 2.華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241； 3.路易斯安那州立大學 地理與人類學系，美國 70803)

長江口是我國最大的河口，它瀕江臨海，集“黃金海岸”與“黃金水道”的區(qū)位優(yōu)勢于一體，具有優(yōu)越的環(huán)境和地理條件。在徑流和潮流的雙重作用下，長江口自徐六涇以下形成三級分汊、四口入海的格局。在徐六涇以下由崇明島分隔成南支和北支，南支在吳淞口以下被中央沙、長興島、橫沙島等淺灘和島嶼分隔為南港和北港，南港在九段以下又被九段沙分隔成南槽和北槽[1-3]，其中南支河段是長江口變化最不穩(wěn)定的區(qū)段。南支河段整體較為寬闊，沙嘴、沙洲和陰沙的發(fā)育把整個南支河段塑造成一個復式河槽，但這些沙體穩(wěn)定性差，當主流擺動、沙洲受沖時，大量底沙的沖刷推移，常常造成分流通道淤積[4-5]。近百年來，南支河段在自然和人類活動的共同塑造與控制下處于劇烈變化的過程，沙洲遍布，而作為長江口的主要航道，沖淤變化和變動特征及沙洲的發(fā)育與變遷對南、北港及南、北槽的發(fā)展變化有決定性影響[6-7]，嚴重制約著港口建設和航運等工程。因此，開展人類活動和自然條件變化影響下的長江口南支河段水下地形演化過程研究，不僅是上海國際航運的迫切要求，更是當今學術界關于河口海岸學科研究的前沿和熱點。

隨著南北岸的開發(fā)利用、長江口深水航道向上延伸和青草沙水庫等一系列涉水工程的建設實施，作為長江主航道的南支的沖淤演變成為國內外專家學者非常關心的問題，相關研究成果較多，自然過程和人為活動對河流入海泥沙變化及區(qū)域沖淤演變的影響始終是研究的焦點。例如，L.S.Yang等基于歷史海圖數據重點分析了九段沙長時間序列演化過程[8]。樓飛等以歷年地形和水沙資料為基礎，分析了水沙變化及周邊工程對南支河勢演變進程的影響[9]。Z.Dai等基于水動力資料和13 a實測地形數據，采用EOF分析方法，分析得到北槽的兩種主要動力地貌演變模式及其主控因素[6]。S.Wu等通過長江口南、北港2002～2013年的DEM和大通站水文實測資料，探究了長江口的地形演變、人類活動的影響機制以及潛在的海水入侵問題[10]。W.Wei等基于1998～2013年實測地形數據和遙感影像資料，探討了河口沙洲在攔河筑壩、河口水利工程和圍墾工程等多種人工干預共同影響下的演變機制[11]。這些研究對認識長江口各分區(qū)的演變規(guī)律、演化趨勢及受控因素具有重要意義，但由于長江口尺度巨大、監(jiān)測數據有限以及水沙變化與水下地形演變復雜，已有關于南支的研究多局限在部分沙洲、南槽、北槽等局部區(qū)域和短時間尺度內的地形演變與受控因素分析，或較為宏觀的河勢變化分析方面，缺少較長時間尺度(百余年時間尺度)的對整個南支河道總體演變過程的全面認識。

本文在已有研究基礎上，以長江口南支為研究區(qū)，利用1861，1915，1936，1958，1976年的歷史海圖數據及1997，2013年的高精度實測地形數據，分析1861～2013近百余年來南支河段的沖淤演變過程，并從自然演變和人為活動干預的角度探討研究區(qū)水下地形的發(fā)育演變與各影響要素間的關系。

1 研究區(qū)概況

長江口徑流量大、潮流強，在這兩股強勁動力的相互作用下，河道呈有規(guī)律的多級分汊。南支河段位于長江口南岸與崇明島之間，上起徐六涇，下至出海口，是長江口第一級分汊河段的主干道，承接著長江98%以上的下泄流量[12]。根據大通站1950～2016年的水文統計資料，大通站年輸沙量呈現波動下降的趨勢，1980年以來下降趨勢尤為明顯，三峽工程建成后，長江來沙進一步大幅減少，目前基本維持在1.3億t左右，其中2011年的年輸沙量僅為0.72億t，為1953年以來的最小值(見圖1)。相對而言，大通站年徑流量雖年際間波動較大，但沒有明顯變化趨勢，1950～2016年平均年徑流量約8 938億m3，上游徑流量較為穩(wěn)定，1954年和1998年因為長江特大洪水而處于高值。

本文的研究范圍上起南支上段七丫口附近，經南北港分流口河段、南北槽，下至出海口。為研究水下地形沖淤演變的空間差異特征，根據長江口三級分汊特征將研究區(qū)分為7個子研究區(qū)(見圖2)，分別為南支上段、長江北港、長江南港、崇明淺灘、橫沙東灘、九段沙、浦東東灘。

2 數據與方法

文中1861，1915，1936，1958，1976年的水下地形數據由配準并數字化歷史海圖得到，1997，2013年的高精度實測地形數據來自長江口水文水資源勘測局，長江口大通站1950～2016年泥沙、徑流數據從水利部長江水利委員會發(fā)布的《長江泥沙公報》中獲得。數據統一采用墨卡托投影和1954年北京坐標系，統一基準面為理論最低潮面。以ArcGIS軟件為支撐，對比后采用插值效果最好的經驗貝葉斯克里金插值方法，利用3D Analyst Tools和Spatial Analyst Tools等模塊對地形數據等進行處理分析?？紤]長江口南岸和崇明南岸岸線1861～2013年整體呈現外推的變化特征，為方便對比研究，研究中統一采用2013年的岸線為邊界。

圖1 大通站年徑流量與年輸沙量變化Fig.1 Annual runoff and sediment load of Datong Station

圖2 研究區(qū)示意Fig.2 Sketch of study area

3 研究結果

3.1 整體沖淤變化分析

通過GIS構建長江口南支水下地形數字高程模型，對1861～1915，1915～1936，1936～1958，1958～1976，1976～1997，1997～2013年和1861～2013年7個時段的沖淤特征數據進行統計(見表1)，并繪制相應時段的沖淤變化分布圖(見圖3)，以分析其沖淤變化特征。

表1 長江口南支沖淤特征統計Tab.1 Statistics of erosion-deposition characteristics of the South Branch

注：負值表示沖刷，正值表示淤積。

圖3 南支不同時段沖淤變化分布(單位：m)Fig.3 Erosion-deposition patterns of the South Branch from 1861 to 2013

1861～2013年長江口南支整體略以沖刷為主，年均凈沖刷速率為0.22 cm/a。沖刷區(qū)主要位于南支主河道南、北港和南、北槽，淤積區(qū)主要位于崇明東灘、橫沙淺灘、九段沙、浦東東灘和青草沙水庫周圍。雖然1861～2013年南支整體表現為略微沖刷，但其間各階段呈現不同的沖淤變化特征。

(1) 1861～1915年，長江口南支淤積面積略大于沖刷面積。在河道中漲落潮流路之間的緩流區(qū)，中央沙、石頭沙、鴨窩沙、園園沙等沙體成片發(fā)展，其中扁擔沙、中央沙、銅沙淺灘等沙體周圍淤積比較明顯，沖刷區(qū)主要位于南岸主槽、北岸下段。1915～1936年，長江口由1861～1915年的淤積狀態(tài)轉為沖刷狀態(tài)。南支上段近南岸一側及北港一側水道淤積明顯，南港沖刷較為明顯。期間，1931,1935年的2次洪水過程影響較大，洪水沖刷白茆沙并從白茆沙南水道直泄南港[13-14]，使南港水道增深，長江口通海航道由北港改走南港，石頭沙沙頭受沖而下移。

(2) 1936～1958年，長江口南支基本處于沖淤穩(wěn)定的狀態(tài)，沖刷量與淤積量相當。沖刷區(qū)與淤積區(qū)呈條狀分布，吳淞口呈現嚴重淤積態(tài)勢，主要是因為期間長江多次發(fā)生大洪水(1949年和1954年)，沖刷白茆沙而下的泥沙沿南支下泄，在南北港分流口處堆積。同時，1954年長江特大洪水使區(qū)域水動力增強，銅沙淺灘被沖開[15]，九段沙與之分離而初露分流沙洲的形態(tài)，北槽形成，南、北槽分汊格局正式形成。

(3) 1958～1976年，長江口南支淤積強度增大，淤積區(qū)主要位于南支河道中心扁擔沙、九段沙等成形沙體周圍、石頭沙沙頭、浦東東灘以及南港河槽；寶山水道及北港呈現沖刷態(tài)勢。扁擔沙已經不再與崇明島相連，南、北港之間的沙島連圍形成長興島，現代南、北港的分汊格局正式形成。1976～1997年，南支繼續(xù)淤積，但淤積速率減緩，其中崇明東灘、橫沙淺灘、九段沙淤積明顯，長興島前緣附近的淤積也較為顯著。

(4) 1997～2013年，南支由1936～1997年的淤積為主轉為沖刷。沖刷區(qū)主要位于河道主槽；淤積區(qū)主要位于河道中心沙體周圍、北港口門處以及北槽深水航道導堤兩側，其中北側壩田淤積量大于南側。這段時間內，長江流域建壩和水土保持工程及長江口深水航道和促淤圍墾等一系列工程建設對南支演變影響巨大。上游來沙大幅減少及水流的攜沙能力下降使南支由原來的淤積狀態(tài)轉變?yōu)闆_刷過程；四大灘地的淤積主要是受相應促淤工程的影響；北槽的沖淤變化主要是由于雙導堤和丁壩群的建設改變了其流場形態(tài)，導堤丁壩的屏蔽使壩田水動力減弱，有利于泥沙落淤[16]，故丁壩壩田區(qū)淤積。

3.2 沖淤變化的時空差異性分析

分別對7個子研究區(qū)7個時段內的沖淤演變情況進行統計分析，結果顯示南支水下地形的沖淤演變存在明顯的時空分異特征。

從表2和圖4中各子研究區(qū)的沖淤變化特征統計數據可看出，1861～2013年間，長江口南支7個分區(qū)中只有第4，6分區(qū)處于淤積狀態(tài)，其他5個分區(qū)均處于沖刷狀態(tài)，年均沖刷速率依次為第2分區(qū)>第3分區(qū)>第1分區(qū)，第5，7分區(qū)基本處于沖淤穩(wěn)定狀態(tài)。

(1) 1861～1915年間，第1，3分區(qū)處于沖刷狀態(tài)，南港沖刷明顯；其他5個分區(qū)中，第6分區(qū)的淤積狀態(tài)相對明顯。

(2) 1915～1936年間，除第2，4分區(qū)外，其余5個分區(qū)均處于沖刷狀態(tài)。第3分區(qū)的年均沖刷速率最大，第2分區(qū)的年均淤積速率最大，表明這一時段內北港開始淤淺，南港河道和南支上段不斷沖蝕加深，通海航道因此改走南港。

(3) 1936～1958年間，第1，3分區(qū)轉為淤積狀態(tài)，第4分區(qū)繼續(xù)保持淤積狀態(tài)。這表明崇明東灘在1862～1958年處于不斷淤積的過程，主要得益于北岸沙體的不斷并岸；其他分區(qū)均發(fā)生沖刷，第2分區(qū)由1915～1936年的淤積轉為沖刷。

(4) 1958～1976年間，第1，2，6，7分區(qū)處于淤積狀態(tài)，其中第6，7分區(qū)的年均淤積速率較大，說明九段沙自1954年沙洲成形后淤漲明顯，浦東東灘也處于淤漲態(tài)勢；其他3個分區(qū)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沖淤變化量不大。

(5) 1976～1997年間，第1，2，7分區(qū)呈現沖刷態(tài)勢，第2分區(qū)的年均沖刷速率最大，南支上段由1936～1976年的淤積狀態(tài)又轉為沖刷狀態(tài)；其他分區(qū)均呈現不同程度的淤積狀態(tài)，其中第6分區(qū)的淤積最為明顯，年均淤積深度是上一時段的1.37倍。

(6) 1997～2013年間，第1，2分區(qū)仍處于沖刷狀態(tài)，第2，3分區(qū)的沖刷態(tài)勢較強，第4，6分區(qū)仍保持淤積狀態(tài)，但第6分區(qū)的淤積速率減慢，僅為1976～1997時段的4.08%，主要是因為這一時段內長江流域建壩和“長治工程”使長江來沙大幅減少，同時深水航道等工程建設加大了北港和南港的沖刷強度。

總體而言，南支河道的演變受到以徑流和潮流為主的水動力因素及人類活動的影響，主槽擺動頻繁，各個分區(qū)沖淤變化的時空差異性顯著，除第4分區(qū)淤漲不斷外，其他分區(qū)均發(fā)生了一系列動態(tài)變化。第1，2，3分區(qū)雖沖淤變化不定，但整體表現為沖刷狀態(tài)。第6，7分區(qū)均在1915～1958時段呈沖刷態(tài)勢，其余時段保持持續(xù)淤積或穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 長江口南支各子研究區(qū)沖淤特征統計Tab.2 Districts statistics of erosion-deposition characteristics in the South Branch cm/a

注：負值表示沖刷，正值表示淤積

圖4 長江口南支各子研究區(qū)不同時段沖淤變化量Fig.4 Districts erosion-deposition variation in different periods in the South Branch

3.3 南支典型斷面沖淤變化分析

為了深入分析長江口南支的沖淤演變過程，在七丫口(A1)、瀏河口(A2)、吳淞口(B1)、東旺角(B2)由南向北設置4個平行斷面，在橫沙東灘(C1、C2)和九段沙(D1、D2)分別由西向東設置2個平行斷面。

(1) 南支上段。從斷面處地形的沿程變化看，南支上段的沖淤演化較為復雜多變。斷面A1在1861～2013年間形態(tài)變化劇烈，最終趨于平穩(wěn)成W型斷面(見圖5)，與1861年相比，2013年斷面A1的整體變化為：深槽向南岸蝕低，主槽寬度增加，-5 m水下沙洲淤高且面積擴大。期間，近岸深槽和水下沙洲處在左右偏移、淤高-蝕低的往復動態(tài)變化過程中。南岸深槽在距起點2 km范圍內擺動，最大水深(33.84 m)出現在1997年。斷面A2為W型斷面，整體形態(tài)變化不大(見圖5)，在南岸和北岸附近分別有深度在13.76～19.45 m、7.61～13.31 m范圍內波動的溝槽，南為南支主槽，北為新橋水道。近南岸主槽在1958年被沖刷至-17.5 m，1976年出現較大幅度回淤，之后繼續(xù)下切，2013年底部稍有回淤，總體上呈現沖刷且展寬加深的變化狀態(tài)。距起點10 km左右沙洲(扁擔沙)的沖淤變化較大，受南支主流北偏影響[17]，1915年沙體受沖被切，扁擔沙南沿變化劇烈，左右擺動，最終于1997年與北岸扁擔沙主體合二為一。

(2) 南北港。從2個斷面的沿程變化來看，1861～2013年，南北港經歷了一系列主次更替過程(見圖5)。2個斷面處南港的變化趨勢較為一致，1861～1936年整體以沖刷為主，展寬加深并略向南岸擺動，1936～2013年，南港經歷了回淤-沖刷-回淤的動態(tài)變化過程。北港2個斷面處的變化存在一定差異，在斷面B1處的變化過程為：1861～1936年回淤且向北岸偏移，1936～2013年轉為沖刷狀態(tài)，整體向離岸方向偏移。北港在斷面B2處的變化情況較為復雜，擺動頻繁：1861～1936年處于沖刷狀態(tài)，深槽加深，逐步轉為V型，1936～1976年轉為淤積狀態(tài)，1976～2013年又回到沖刷狀態(tài)，向離岸方向偏移，2013年北港水下沙洲在靠近北岸側發(fā)生明顯淤高。

(3) 橫沙東灘。從2個斷面處地形的沿程變化來看，斷面C1總體主要以淤積為主，-2 m等深線以淺區(qū)域的面積不斷增大，局部受到沖刷(2013年由于導堤建成，斷面前段無測量數據)。1861～1915年，在離岸20 km處出現近-8 m的溝槽(見圖5)，隨后逐漸回淤變淺。1997年，距起點20 km范圍內的地形呈鋸齒狀變化，主要與橫沙島周圍導堤及深水航道的建設有關[18]。斷面C2沖淤變化劇烈，但在距起點5～25 km范圍內呈現明顯淤積，尤其以2013年最為明顯，是因為這部分主要集中在深水航道的丁壩兩側，淤積明顯。

(4) 九段沙。從斷面處地形的沿程變化可以看出1861～2013年九段沙處于不斷淤高擴寬、總體淤漲下延的過程。斷面D1首尾穿過北槽上端和下端，1861～1936年，斷面D1前段即九段沙前緣與橫沙相連，受1954年長江特大洪水的沖刷作用，沙體與橫沙之間形成串溝[19]；1958～2013年，在南北槽水流相互作用下，大量泥沙在九段沙緩流區(qū)淤積，使九段沙持續(xù)淤漲擴大。斷面D2貫穿了江亞南沙、九段沙的上沙、中沙、下沙和北槽下端，1861～1976年，九段沙不斷淤漲，-5 m等深線所包圍沙體面積不斷擴大且東西偏移；1976年以后，九段沙的位置基本固定，距起點10 km和15 km左右的槽溝，分別是江亞南沙和九段沙之間的水道及九段沙上沙與中沙之間的潮汐通道；1976～2013年，九段沙保持位置基本不變并持續(xù)淤漲，江亞南沙淤漲明顯，九段沙上沙和中沙間的潮汐通道也處于淤淺態(tài)勢，主要是北槽深水航道南導堤工程改變了九段沙自然沖淤模式[20-21]，加快淤積。

圖5 長江口南支典型斷面沖淤特征Fig.5 Erosion-deposition characteristics of cross sections in South Branch

4 討 論

4.1 洪水過程的影響

在長江口南支的發(fā)育演變過程中，徑流(特別是洪水)和潮流為主的動力因素對南支河道河槽和沙體的發(fā)育演變起著重要作用。1861～2013年，長江流域主要在1931，1954，1998年發(fā)生了3次典型的流域型特大洪水過程。洪水期，長江口來水量巨大，水動力增強，常引起河床強烈的沖淤變化。例如，1931年洪水過程改變了南、北港的沖淤狀態(tài)，南港水道增深而發(fā)展為南支主泓；1954年的特大洪水沖開銅沙淺灘，北槽形成，九段沙正式成為獨立的分流沙洲。

4.2 沖淤演變對長江來沙減少的響應

1950～2013年大通站年徑流量雖年際間波動較大，但沒有明顯變化趨勢，年平均徑流量約8 910億m3，上游徑流量較為穩(wěn)定，說明總體上徑流的攜沙能力保持不變。但1980年以后，大通站年輸沙量卻呈明顯的下降趨勢(見圖1)，說明大通站輸沙量減少主要受長江來沙減少的影響。

1960年開始，受長江中上游地區(qū)砍伐森林、開荒種地的影響，長江輸沙量顯著增加，相應時段內長江口南支淤積程度加大；1958～1976年大通站年均輸沙量為4.75億t，南支年均凈淤積速率為1.72 cm/a，1976～1997年研究區(qū)的淤積速率(1.67 cm/a)隨著長江大通站輸沙量(3.95億t)的減少而減少；1997～2013年，隨著大通站輸沙量的大幅減少(2.03億t)，研究區(qū)整體表現為沖刷狀態(tài)，年均凈沖刷速率為0.76 cm/a。由此可見，長江口南支年均凈沖淤速率與大通站輸沙量之間存在正相關關系，長江流域來沙制約著南支河段的沖淤變化。

長江口來沙量減少反映出流域來沙量的減少，與上游修壩建庫、水土保持工程、人工采砂等因素有關。在長江來沙減少的大背景下，受金沙江溪洛渡水電站工程、向家壩水電站工程、南水北調工程和水土保持重點防治工程等的進一步影響，長江入海泥沙將進一步減少，很可能加速南支的沖刷態(tài)勢，值得持續(xù)關注。

4.3 人類活動的影響

人類活動的干預嚴重影響了河口地區(qū)的自然演化過程，對南支河道的發(fā)展演變起到了重要作用。除影響上游來沙外，人類活動的影響還體現在河口區(qū)的一系列工程建設，例如深水航道工程、四大灘地促淤圍墾工程等，主要集中在1997～2013年這一時段。期間，南支口內河槽、沙體的沖淤演變均受這些大型工程建設實施的影響。例如，四大灘地的淤積主要是受相應促淤工程的影響；北槽的沖淤變化主要是由于雙導堤和丁壩群的建設改變了其流場形態(tài)，引起丁壩壩田區(qū)淤積；江亞南沙淤漲明顯，九段沙上沙和中沙間的潮汐通道也處于淤淺態(tài)勢，主要是深水航道南導堤工程改變了九段沙自然沖淤模式，加快淤積。人類活動的影響具有高度的不確定性，未來，長江口南支的局部形態(tài)演變很可能會變得越來越復雜。

綜上，1861～2013年，在自然演變和人為活動共同作用下，南支河段經歷了一系列復雜的演變過程。1861～1958年，南支的沖淤變化主要以自然演變過程為主，受地質構造運動、地貌形態(tài)、河口動力條件等多種因素的綜合影響[22-24]；1958～2013年，南支河段在自然演化的基礎上受到人類活動的嚴重干擾，包括上游流域人類活動、河口工程等，大大削弱了自然驅動力對河道塑造的主導作用。

需要說明的是，長江河口演變主要由流域來水來沙變化和潮汐作用共同影響，本文重點探討了特大洪水、徑流輸沙、人類活動等因素對研究區(qū)水下地形演變的影響，未從潮汐理論的角度深入考慮潮汐作用的影響并進行各影響要素的定量分析，這是未來研究的重要方向。

5 結 論

(1) 長江口南支在1861～2013年間整體沖刷大于淤積，年均凈沖刷速率為0.22 cm/a。期間，可分為淤積-沖刷-淤積-沖刷4個變化階段。7個子研究區(qū)沖淤變化的時空差異性顯著，只有崇明淺灘淤漲不斷；南支上段、長江北港和南港雖沖淤變化不定，但整體表現為沖刷狀態(tài)；九段沙和浦東東灘均在1915～1958年時段出現沖刷態(tài)勢，其余時段保持持續(xù)淤積或穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 8個典型斷面的沖淤特征更為深入地體現出南支在1861～2013年的發(fā)育演變過程：南支上段的沖淤變化較為復雜多變，河段內沙洲、溝槽擺動頻繁；南北港經歷了一系列主次更替的變化過程；橫沙東灘的發(fā)展演變較為復雜，呈現上段沖淤變化不定、中段先沖后淤、下段相對穩(wěn)定的特點；九段沙自成為獨立分流沙洲后，不斷淤高擴寬，總體呈淤漲下延的趨勢。

(3) 長江口南支的演變是自然演變和人類活動共同作用的結果，1861～1958年，南支河段的發(fā)展變化主要以自然演變過程為主，洪水過程對河槽和沙體的改造作用顯著；1958～2013年，流域人類活動引起的長江來沙減少及口內工程建設對南支沖淤演變的影響顯著。在長江來沙減少的大背景下，流域及口內工程建設將導致南支河段的演變更加復雜。