新水沙形勢下長江口懸沙濃度的時空分布研究

(1.長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局,上海 200136； 2.上海市海洋環(huán)境監(jiān)測預報中心,上海 200062)

長江口是我國最大的河流入?？冢L江每年輸海泥沙約4.35億t(大通站，1951～2000年)，其中約99%均為細顆粒懸浮泥沙[1-2]。細顆粒的懸浮泥沙在河口地區(qū)極易再懸浮、搬運和重新沉降，給河口地區(qū)的港口和航道工程帶來很大困擾[3-4]。此外，上游輸送的細顆粒泥沙表面還易粘附污染物和營養(yǎng)鹽，富集于河口，對長江口水環(huán)境造成很大影響[5]。幾十年來因防洪、發(fā)電和航運等需求，長江流域建成超過50 000座水庫，其中影響最大、最受關注的就是2003年建成蓄水的三峽水庫。相比于建壩前(1986～2002年：3.40億t)，長江的入海輸沙量在建壩后(2003～2016年：1.40億t)減少約60%[6]。

在此新水沙形勢下，長江河口三角洲的響應研究成為當下地學的研究熱點，而長江口懸沙濃度的研究無疑是其中尤為重要的一環(huán)。在河口地區(qū)，懸沙濃度是水動力作用驅使下，泥沙再懸浮能力的直接體現(xiàn)。懸沙濃度的大小決定了淤積量的大小，而淤積量與侵蝕量的競爭則決定了底床是凈淤積還是侵蝕[7]。部分學者通過局地取樣、遙感影像反演和現(xiàn)場儀器觀測等手段，在長江口區(qū)域開展了懸沙濃度的時空變化和再懸浮研究[8-10]。基于表層懸沙濃度數據，陳沈良等(2004)發(fā)現(xiàn)杭州灣水域懸沙濃度要明顯高于長江口區(qū)域，灘滸測站表層懸沙濃度約為1.6 kg/m3，約為同期徐六涇水文站的12倍[8]。楊忠勇等(2017)對長江口南港某橫斷面進行5個定點水沙觀測，得出南港南側主槽的懸沙濃度要低于北側副槽，且懸沙濃度的波動頻率為半日分潮波動頻率的2倍[9]。基于長江口南槽懸沙濃度和流速、地貌的耦合分析，研究發(fā)現(xiàn)懸沙濃度的變化與水流速度和河床剪切應力顯著相關[10]。

然而，受限于長江口范圍寬廣、觀測難度較高，以往對懸沙濃度變化的研究主要根據不同季節(jié)、不同潮型或少量測點的實測資料來分析，對于泥沙長時間尺度和大范圍的空間分布狀況，還缺乏全面深入的認識。為此，本論文收集了長江口水域多個測站多年的垂線懸沙資料，用以分析和探討懸沙濃度的時空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

長江河口在徐六涇節(jié)點以下開始分汊，河勢呈“三級分汊、四口入?！钡母窬?見圖1)。長江口區(qū)域范圍寬廣、地形復雜，口門外側最大寬度可達90 km，水下沙脊林立。目前，長江超過95%的徑流和泥沙均從南支系統(tǒng)入海。因長江口徑流與潮流動力均十分強勁，泥沙在咸淡水混合作用下于口門區(qū)域形成最大渾濁帶[11-12]。長江口門附近多年平均潮差和波高分別為2.7 m和1.0 m，最大潮差和最大波高則分別可達4.6 m和6.2 m。長江口區(qū)域多年平均風速在4～5 m/s之間，最大風速為36 m/s[7,13]。

圖1 長江口取樣點位置分布Fig.1 Sampling locations in the Yangtze Estuary

2 樣品采集與分析方法

本此研究的采樣點分布如圖1所示，共51個測點。這些測點在空間上具有一定的代表性，在時間上雖然不完全同步，但每次取樣均會持續(xù)至少一個完整的潮周期，可以基本過濾個別樣品的偶然性對數據規(guī)律的影響，所以時間上的不完全同步并不會影響大尺度的時空對比?？紤]到不是每個測點每年均測有完整的洪、枯季或大、小潮數據，本文在進行時空變化分析時，盡量以樣品數據量豐富的年份或季節(jié)為例，以減小數據源不足而產生的誤差。

野外觀測期間，在每個整點時刻利用橫式采樣器采集水樣，采樣器容積為1 000 mL。水樣采集方法為六點法，采樣深度分別為表層、0.2h(h為水深)、0.4h，0.6h，0.8h和底層。水樣經過充分沉淀后，作洗鹽處理；以焙干稱重法進行分析，烘干溫度為110℃，干燒杯按規(guī)范烘烤2 h，干燥冷卻至室溫后稱重。垂線平均含沙量的計算通常采用垂線上各測點的流速加權平均法計算，對于憩流時段附近，因流速較小，按分層測點含沙量算術加權平均計算。文中所涉及的風速數據來源于歐洲中長期氣象預報中心，網址為 http://www.ecmwf.int/。

3 結果與討論

3.1 平面空間分布

長江口懸沙濃度的平面空間分布數據主要是基于2002～2004年和2011年枯季實測的大潮數據。該時段長江流域來沙較少，測驗時長江口風浪能量強度基本處于同一水平，對長江口懸沙濃度平面分布的影響較小。數據統(tǒng)計如表1，平面分布見圖2。

表1 長江口懸沙濃度數據統(tǒng)計Tab.1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC) in the Yangtze Estuary

注：Xuliujing(徐六涇)測站數據為2003年2月平均值。

從徐六涇-口門-口外，懸沙濃度在北支與南支(含南、北港和南、北槽)均呈先增大再減小的分布規(guī)律，北支的懸沙濃度整體上大于南支。據分區(qū)統(tǒng)計計算，懸沙濃度在南支平均約為0.64 kg/m3，在北支平均為1.45 kg/m3，北支約為南支系統(tǒng)的2.3倍。長江口懸沙濃度的最大值(2.15 kg/m3)出現(xiàn)在北支中段，懸沙濃度最小值(0.10 kg/m3)出現(xiàn)在長江口外側最遠測點。杭州灣北側5個測點懸沙濃度平均為2.15 kg/m3，明顯大于長江口區(qū)域(見圖2)。

懸沙濃度的空間分布在南支內也存在明顯的差異。南支上段平均懸沙濃度最小(僅約0.15 kg/m3)，南槽區(qū)域的懸沙濃度則整體最大(平均為0.93 kg/m3)，約為南支上段的6倍。而南支系統(tǒng)其余區(qū)域，懸沙濃度一般均在0.6～0.7 kg/m3之間。

3.2 年際變化

自2002年以來，長江8月徑流量(大通站數據)呈周期性波動，但總體無明顯升高或降低趨勢，平均流量約為42 100 m3/s(見圖3)。長江8月輸沙量在各年份之間的波動趨勢與徑流量基本一致，但輸沙量總體呈下降趨勢。相對于2002年8月的約0.70億t輸沙，2003年8月暴跌至0.18億t，主要歸因于三峽大壩建成蓄水，大量泥沙被攔截在水庫之中。此后數年，因長江中下游河床沖刷補給，長江入海輸沙量迅速回升，但補給量不足以抵消三峽大壩的攔沙量，長江輸沙量總體仍呈波動下降趨勢[6]。大通站懸沙濃度與輸沙量變化規(guī)律基本一致，大壩建成之后呈波動下降趨勢，近5 a來則處于相對穩(wěn)定的低水平。

圖2 長江口懸沙濃度平面分布Fig.2 The distribution of SSC in the Yangtze Estuary

長江口懸沙濃度的年際變化是基于2001年至2018年實測洪、枯季的大潮垂線平均數據。分析基于6個采樣點(Xuliujing、bzk、NGN4、BG3、NC2和CB2)數據，分別位于徐六涇、北支口、南北港和南北槽(見圖1)。考慮到近十幾年來，長江口洪季的輸沙量基本占全年輸沙量的50%以上[14]，同時洪季觀測數據較多，本部分內容將主要以洪季為例展開分析。

基于已有數據，徐六涇測點懸沙濃度總體呈下降趨勢。相比于2003年前的8月懸沙濃度(0.22 kg/m3),2017年懸沙濃度下降幅度達64%,僅為0.08 kg/m3。其中2006年因流域來水來沙量銳減(見圖4)，徐六涇站懸沙濃度處于極低水平(0.07 kg/m3)，隨后年份因輸沙量增加，懸沙濃度有所回升。北支口(bzk)測點洪季懸沙濃度亦呈明顯降低趨勢。2003年前約為1.42 kg/m3，后逐漸降為2008年的0.79 kg/m3和2010年的0.35 kg/m3。南港(NGN4)、北港(BG3)、南槽(NC2)、北槽(CB2)和北港中下段(bgx2和BG2)測點懸沙濃度在2016年之前整體呈減小趨勢，個別年份存在一定波動。2016年之后，懸沙濃度又均呈逐年回升趨勢。

徐六涇測點受上游來水來沙減少影響顯著，2006～2009年期間懸沙濃度出現(xiàn)明顯降低。低懸沙濃度出現(xiàn)的時間段與三峽大壩的建成蓄水時間相比滯后約3 a，原因可能是河道侵蝕對長江入海輸沙的補充，使得徐六涇測站懸沙濃度沒有迅速響應三峽水庫的蓄水[6]。

注：數據點位位于南槽，經緯度為： 122°E， 30.875°N。圖3 8月大通站徑流量、輸沙量和懸沙濃度及長江口風速的年際變化Fig.3 Variations of annual runoff, sediment flux and SSC at Datong Station, and wind speed in the Yangtze Estuary during August

而口門攔門沙區(qū)2016年以來各測站懸沙濃度的增大，則可能歸因于近幾年8月風速和波浪強度的增大。如前所述，口內測站表現(xiàn)為河流性，其懸沙濃度的年際變化主要取決于流域來水來沙的變化；而口門攔門沙區(qū)域懸沙濃度的變化除了受流域來水來沙影響，還受局地風浪影響。

以南槽測點(NC2)為例，懸沙濃度與風速密切相關。在風速較大的2006，2011，2013年和2018年，懸沙濃度均有很好的響應(見圖5)。風浪的再懸浮作用對水體懸沙濃度有很大程度的補充，懸沙濃度年際變化的不確定性增強。雖然風浪作用導致了某些特定年份懸沙濃度的波動，但不會改變流域來沙減少引起懸沙濃度總體下降的大趨勢。

3.3 討 論

洪季，長江口內徐六涇測站的懸沙濃度演變趨勢與長江入海水體懸沙濃度(大通站)的下降趨勢基本一致。而長江口門攔門沙區(qū)域由于受局部地形、外海風浪等其他因素的影響，懸沙濃度變化趨勢的不確定性較強，但仍呈總體減小的趨勢。

注：(1)Xuliujing(徐六涇)站2008年之前數據為8月期間水文測驗漲落潮平均值，數據引自《長江口河道演變規(guī)律與治理研究》[15]，2008年之后數據為8月的平均值，每天一個數據；其余測點2003年前為2001～2003年6～9月期間的觀測數據；某些測點因地形變化，位置有所變動，同時為盡量整合利用數據，部分鄰近點數據進行合并。圖4 長江口典型測點8月懸沙濃度的年際變化Fig.4 Annual variations of SSC at some typical stations during August in the Yangtze Estuary

圖5 南槽測點懸沙濃度與風速變化序列Fig.5 Annual variations of SSC and wind speed during August in South Passage

枯季，長江輸沙量基本僅占據全年輸沙量的5%～10%之間，而枯季長江口風浪作用的影響卻較洪季增強，所以枯季長江輸沙對長江口懸沙濃度的影響減小，而風浪對懸沙濃度的影響作用卻增大，導致長江口枯季懸沙濃度的年際變化趨勢的不確定性更強。

考慮到長江流域內大壩、水庫的修建以及水土保持工作仍在繼續(xù)，長江口徑流水體的懸沙濃度將會繼續(xù)降低[6]，推測長江口洪季懸沙濃度的年際變化將會繼續(xù)呈波動下降趨勢，并在流域輸沙量穩(wěn)定后趨于穩(wěn)定；而枯季懸沙濃度的年際變化不確定性較強，主要取決于當年風浪強度。

4 結 論

(1) 新水沙形勢下，長江口懸沙濃度存在明顯的空間分布差異?？v向上，自徐六涇至口門再至口外，懸沙濃度呈先增大后減小趨勢；橫向上，懸沙濃度差異巨大，南支的懸沙濃度平均約為0.64 kg/m3，北支平均為1.45 kg/m3，杭州灣北側則平均高達2.15 kg/m3。

(2) 長江口洪季懸沙濃度的年際變化基本呈下降趨勢?？趦刃炝鶝軠y點下降趨勢尤為明顯，相較于建壩前(0.22 kg/m3)，2017年(0.08 kg/m3)降幅高達64%。2016年之前，北支口、南港、北港和南港、北槽測點懸沙濃度亦基本呈下降態(tài)勢，但2016年之后有所回升。口門受風浪因素影響較大，泥沙再懸浮作用較強，懸沙濃度的年際變化因各年份風浪的強度變化存在一定的波動，不確定性較強。