長江口北支河段整治工程實施后沉積物特征分析

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

1 研究背景

長江口河段上起徐六涇，下迄口外50號燈標，全長約181.8 km。河段平面呈扇形，為三級分汊、四口入海的河勢格局。北支河段是長江口出海的一級汊道，水流結構復雜，口外海域泥沙來源豐富。長期以來，北支河段漲落潮流路分離，洲灘發(fā)育；受兩岸北塌南漲自然演變和人類活動的影響，北支已演變?yōu)闈q潮流占優(yōu)勢的河道[1-2]。近年來，為了減輕北支的淤積和鹽水入侵，1991～2010年間對北支河段進行了諸多護岸和圈圍等河道整治工程(見圖1)，初步調整了北支中上段漲落潮流路，以便將漲潮流挾帶上來的泥沙盡可能多地通過落潮流挾帶出海，從而減輕北支的淤積程度。隨著北支河段整治工程的實施，北支河段水沙條件發(fā)生了新的變化，而沉積物粒度特征是一定動力和地貌條件下的產物，也是河口泥沙運動的具體反映[3]。因此，研究沉積物的粒度特征，可為長江口北支河段的保護與治理提供科學依據。

自20世紀80年代開展海岸帶調查以來，有關長江口北支河段沉積物的研究已取得了諸多成果，在沉積物中值粒徑的時空分布[4-5]、沉積動力環(huán)境[6-8]、泥沙來源[9-10]及輸移趨勢[11-13]等方面取得了一系列進展。對北支河道整治工程的已有研究主要集中在采用數(shù)值模型方法研究北支中束窄工程實施后，對咸潮倒灌、涌潮改善以及潮位流速等水動力環(huán)境和泥沙濃度分布的影響[14-16]。如宋澤坤[15]等研究了長江口北支縮窄工程對潮位和流速的影響；程力壯等[16]采用數(shù)值方法研究了長江口北支中束窄對其泥沙濃度的影響。在以上研究的基礎上，本文以諸多整治工程實施后的2012年豐水年和2013年枯水年兩個典型年的大范圍沉積物取樣樣品資料為基礎，探討在新的水沙條件下，北支河段沉積物在上述兩個典型年的粒度分布特征和物質組成，并對沉積物特征進行對比分析。

2 研究區(qū)域概況

長江口北支河段位于崇明島以北，西起崇明島頭，東至連興港，全長約83 km，流經上海市崇明縣、江蘇省海門市、啟東市。歷史上北支曾經是長江徑流入海的主通道。18世紀以后，由于主流逐漸南移，長江主流改道南支，進入北支的徑流逐漸減少，導致北支河道中沙洲大面積淤漲，河寬逐漸縮窄，北支逐漸演變?yōu)橹с狻?/p>

圖1 長江口北支河段1991～2010年主要整治工程及沉積物取樣位置分布Fig.1 Distribution map of major regulation projects and sediment sampling locations in the North Branch of the Yangtze river estuary from 1991 to 2010

20世紀50年代始，北支上口分流比逐漸減小，近年來，北支洪季漲潮分流比在10%左右、落潮分流比在4%左右；枯季漲潮分流比在7%左右、落潮分流比在2%左右[3]。上游徑流進入北支的比例減小，外海潮流作用增強，潮流倒灌南支明顯。受潮汐強度和徑流量大小的影響，北支含沙量呈現(xiàn)空間變化，同時也存在大小潮、洪枯季的變化，總體表現(xiàn)為中段靈甸港至三和港區(qū)段含沙量高于兩頭的含沙量，大潮含沙量高于小潮，枯季含沙量高于洪季的特點[17-18]。

3 資料來源與方法

3.1 采樣位置及方法

在北支河段從北支進口至連興港布置了14條斷面，沉積物取樣位置采取灘、槽結合，斷面上的采樣點個數(shù)根據斷面寬度決定，即當斷面水面寬小于3 km時布設3～5個測點；3～6 km時布設5～7個測點；大于6 km時布設7～10個測點?，F(xiàn)場采用DGPS導航對取樣點進行定位，用抓斗式采樣器取樣，采樣厚度在10～30 cm之間，采樣重量大于1 kg。

3.2 采樣時間及顆粒分析方法

分別在2012年豐水年和2013年枯水年的枯季11～12月進行了兩次大面積沉積物取樣，兩次取樣點位位置基本一致，2012年在該河段共獲取了80個沉積物樣品，2013年共獲取了83個沉積物樣品。

采用英國Malvern公司的MasterSizer2000激光粒度分析儀進行顆粒分析，該儀器粒徑測量范圍為0.01～2 000 μm，泥沙顆粒分析粒徑級采用Φ分級法。按照SL42-2010《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》中的規(guī)定進行了泥沙分類[19]，見表1。沉積物類型按粒組含量占總質量的20%以上(含20%)實際粒組名稱命名，命名方法按實際含量由少到多，自左向右的規(guī)則順序排列。以下分析時主要以中值粒徑d50為參數(shù)進行分析，d50與在粒度分布曲線上截取頻率50%時的Φ值相當[20]。

表1 河流泥沙分類[1]Tab.1 River sediment classification

4 北支河段沉積物特征分析

4.1 采樣期間上游干流來水來沙情況

上游干流大通站2012年年徑流量為10 020億 m3，比多年平均值偏多12%，為豐水年；沉積物取樣期間的2012年11月和12月平均流量為20 500 m3/s，較多年11月和12月兩月平均流量偏大11%；年平均輸沙量為1.61億t。2013年大通站徑流量為7 878億m3，比多年平均值偏少12%，為枯水年；沉積物取樣期間的2013年11月和12月平均流量為12 600 m3/s，較多年11月和12月兩月平均流量偏小32%；年平均輸沙量為1.17億t。由此可見，兩次取樣時期為兩個不同水文情勢的特征年。

4.2 北支河段沉積物特征

北支河段水動力條件比較復雜，雖然徑流和潮流是北支河段兩個主要的動力因素，但潮流動力比較強。而且，北支河槽淺，上段河道窄而彎曲，河道阻力大于南支，南支漲潮流與北支落潮流在北支上段交匯，因此北支上段的崇頭至青龍港河段成為弱流區(qū)，泥沙極易落淤。沉積物粒度特征是衡量沉積環(huán)境的尺度之一。通過對北支河段沉積物的分析，可反映其縱向和橫向分布規(guī)律，水動力條件制約[3]，見圖2～3。

2012年和2013年共163個樣品分析表明：北支河段沉積物中值粒徑在0.007～0.216 mm之間，中值粒徑平均為0.055 mm，顆粒較粗。北支河段沉積物分3組，砂、粉砂、黏土的比例依次為44.1%，42.3%，13.6%。沉積物類型以黏土質粉砂、砂、砂質粉砂為主，分別占33.1%，24.5%，19%，此外還少量分布有粉砂質砂、粉砂、砂-粉砂、砂-黏土質砂等。砂集中分布在靈甸港以上河段，黏土質粉砂主要分布在新村沙至連興港河段。

圖2 豐水年2012年枯季沉積物中值粒徑平面分布Fig.2 Distribution map of median diameter of sediments in dry season of wet year 2012

圖3 枯水年2013年枯季沉積物中值粒徑平面分布Fig.3 Distribution map of median diameter of sediments in dry season of dry year 2013

4.2.1沉積物縱向分布特征

在縱向分布上，由于重力分異，平均粒徑向下游方向減小。北支河段沉積物中值粒徑從崇頭至連興港總體呈減小趨勢，且沉積物沿程特征差異顯著(見表2和圖4)。

根據北支沉積物沿程粒度參數(shù)的分布特點，以靈甸港為界，將北支河段大致分為兩段。靈甸港以上河段：沉積物較粗，以砂為主，豐水年2012年平均中值粒徑為0.101 mm、砂的平均含量為72.7%；枯水年2013年中值粒徑平均為0.080 mm、砂的平均含量為58.0%，豐水年流域來水量比較大，砂的含量明顯高于枯季，沉積物粒徑明顯粗于枯季，進一步反映了此段沉積物以流域粗顆粒來沙為主，為河控制型河段。新村沙至連興港段：沉積物較細，以黏土質粉砂為主，豐水年2012年中值粒徑平均為0.039 mm、細顆粒(粉砂+黏土)平均含量為70.3%；枯水年2013年平均中值粒徑為0.036 mm、細顆粒(粉砂+黏土)平均含量為73.5%，豐水年與枯水年粒徑相差比較小，反映出該段沉積物由流域來沙和海域來沙混合組成。由此可見，北支河段沉積物類型沿程分布特征是由沿程泥沙來源

表2 北支河段沉積物縱向變化對照Tab.2 Comparison of the longitudinal changes of sediments in the North Branch

決定的：靈甸港以上河段以流域粗顆粒來沙為主，為河控制河段，粒徑比較粗；新村沙至連興港段由流域來沙和海域來沙混合組成，粒徑比較細，兩段沉積物中值粒徑相差約2.5倍。

4.2.2沉積物橫向分布特征

沉積物顆粒大小與一定的水動力條件相適應。一般在河道的主槽中，水深流急，沉積物顆粒較粗。而兩側淺灘及河口邊灘，由于受到河口幾何形態(tài)的影響，水淺流緩，沉積物顆粒偏細(見表3和圖5)。

(1) 北支主槽沉積物特征。北支主槽形態(tài)呈“倒L”型，整體靠近河道北岸。豐水年2012年枯季主槽中值粒徑平均為0.067 mm，砂、粉砂和黏土等3組分含量分別為46.0%，40.2%，13.8%；枯水年2013年枯季主槽中值粒徑平均為0.055 mm，砂、粉砂和黏土等3組分含量分別為40.0%，42.3%，17.7%。

表3 北支河段沉積物橫向變化對照Tab.3 Comparison of lateral changes of sediments in the North Branch

圖4 北支河段沉積物中值粒徑沿程分布Fig.4 Longitudinal distribution of median diameter in the North Branch

圖5 北支河段主槽和淺灘沉積物中值粒徑平面分布Fig.5 Plane distribution of median diameter in the main channel and shoal of the North Branch

(2) 北支淺灘沉積物特征。豐水年2012年枯季淺灘中值粒徑平均為0.055 mm，砂、粉砂和黏土等3組分含量分別為42.7%，45.4%，11.9%；枯水年2013年枯季淺灘中值粒徑平均為0.049 mm，砂、粉砂和黏土等3組分含量分別為35.9%，48.0%，16.1%。橫向上，總體表現(xiàn)為主槽粒徑粗、邊灘細。

5 結 論

北支河段整治工程實施后，根據豐水年2012年和枯水年2013年兩個典型年枯季大范圍沉積物取樣樣品資料，通過沉積物的粒度、級配等分析北支河段沉積物的分布特征，得到如下結論。

(1) 北支河段沉積物中值粒徑在0.007～0.216 mm之間，平均中值粒徑0.055 mm，顆粒較粗。沉積物類型以黏土質粉砂、砂、砂質粉砂為主，分別占33.1%，24.5%，19%。砂集中分布在靈甸港以上河段，黏土質粉砂主要分布在新村沙至連興港河段。

(2) 從縱向上看，從崇頭至連興港沉積物中值粒徑總體呈減小趨勢，且沉積物沿程特征差異顯著。以靈甸港為界，上段粒徑較粗；下段粒徑較細，上段沉積物中值粒徑約是下段的2.5倍。

(3) 從橫向上看，總體表現(xiàn)為主槽沉積物顆粒粒徑粗、邊灘細。

(4) 沉積物豐水年平均中值粒徑為0.059 mm、枯水年平均為0.051 mm，豐水年粒徑粗于枯水年，差異主要表現(xiàn)在粒徑級配砂的含量上，尤其在以流域來沙為主的靈甸港以上河段，砂的平均含量由豐水年的73%下降至枯水年的59%，下降了14%；新村沙至連興港河段變化比較小。