杭州灣北岸金山咀—龍泉港岸段近岸灘槽沖淤演變分析

馮凌旋，季永興，章馨謠，戴志軍*

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061；2.華東師范大學(xué) 河口海岸科學(xué)研究院，上海 200062)

0 引言

海平面上升和風(fēng)暴潮頻發(fā)的雙重影響造成海岸帶區(qū)域，特別是三角洲潮灘區(qū)，發(fā)生侵蝕[1-2]，沿海城市的洪澇災(zāi)害風(fēng)險增加，城市安全受到威脅。在世界各大流域與河口地區(qū)，因建壩等人類活動導(dǎo)致入海泥沙量急劇減少，如歐洲多瑙河，其入海泥沙減少了約35%；美國科羅拉多河，減少約100%[3]；而我國長江減少了約75%[4],入海泥沙的減少使得相當一部分三角洲海岸呈現(xiàn)快速侵蝕狀態(tài)。

杭州灣位于長江口南側(cè)，強勁潮流作用、長江入海泥沙減少和岸灘的高強度開發(fā)利用等因素影響著岸灘的長期演變[5-8],臺風(fēng)等短時天氣的影響使得北岸邊灘沖刷或淤積呈現(xiàn)出復(fù)雜性與多樣性的特點[9-10]。

杭州灣北岸(上海段)從灣口向內(nèi)可分為南匯岸段、奉賢岸段和金山岸段，其中南匯岸段灘地總體穩(wěn)定，奉賢岸段灘地呈持續(xù)沖刷，金山岸段總體呈微沖態(tài)勢[11-12]。金山咀—龍泉港段位于金山岸段，是化工產(chǎn)業(yè)和休閑娛樂等的重要空間，開展該岸段邊灘沖淤變化過程及特征分析，有利于及早發(fā)現(xiàn)海堤安全隱患，為該段岸線保護與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

杭州灣北岸金山岸段位于杭州灣灣內(nèi)，全長約24.9 km，沿岸布局了重大裝備、新材料、新能源、化工等產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)狀岸線均為人工岸線。金山咀至龍泉港岸段位于金山岸段最西側(cè)，岸線呈NE—SW走向(圖1)，長約18 km。該岸段沿岸潮流強勁，在大、小金山至海鹽一線，受大、小金山峽道影響，發(fā)育了一系列深槽地形。2011年以來岸段邊灘整體微沖，局部岸段沖淤表現(xiàn)存在差異。該段海堤防潮設(shè)計標準為200年一遇高潮位+同頻率風(fēng)，海堤外側(cè)修建有丁壩和順壩，以防止岸灘沖刷威脅海堤安全。

杭州灣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季以E和SE向風(fēng)為主，冬季以NW向風(fēng)為主，7—8月臺風(fēng)較多。研究區(qū)為淺海半日潮，平均潮差約為4.1 m，以漲潮優(yōu)勢流為主；漲潮平均流速為1～1.5 m/s，落潮平均流速小于0.5 m/s；波浪以風(fēng)浪為主，年均波高0.47 m，波向SE—SSE。研究區(qū)近岸低潮帶及以深海域的沉積物類型以粉砂和黏土為主[13]。

圖1 研究區(qū)域與斷面設(shè)置Fig.1 Study area and profile settings

2 資料收集與研究方法

2005—2014年的水下地形資料，在每年洪季，沿海堤自陸向海，由單波束測深儀實測獲得；1989年和1997年的水深資料為歷史海圖。以上述25 a間的地形資料為基礎(chǔ)，研究金山咀—龍泉港岸段灘槽沖淤演變。

將1989—2014年，共計12 a的地形資料統(tǒng)一到1954北京坐標系下，建立數(shù)字化高程數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)一到上海吳淞基準面，采用克里金(Kriging)插值方法進行等間距插值，形成各年份DEM高程模型。

計算分析間隔3～4 a的地形沖淤變化，繪制海床沖淤圖；利用各年份DEM高程模型，提取等深線并繪制不同等深線的變遷圖；沿金山咀到龍泉港岸段垂直于岸線布設(shè)3個地形橫斷面(圖1)，長度約6～7 km，用于研究岸段邊灘及深槽在垂向上的演變特征。

數(shù)字高程模型建立、海圖資料和實測數(shù)據(jù)的處理和分析均通過ArcGIS 10.1軟件進行，斷面歷年沖淤變化圖采用Matlab繪制。

3 結(jié)果

3.1 等深線遷移特征

等深線變遷可反映邊灘和海床在垂直于岸線方向上的變化。由圖2可知，1989—1997年，0 m等深線在金山咀岸段較為穩(wěn)定，在城市沙灘岸段平均向海推進約15 m，在龍泉港岸段平均向海推進約20 m；2 m 等深線整體較為穩(wěn)定，僅在龍泉港岸段局部淤進約20 m，金山咀岸段局部蝕退約30 m；5 m等深線則基本維持不變；10 m等深線在金山咀—城市沙灘附近岸段前沿基本穩(wěn)定，但在城市沙灘—龍泉港岸段，呈明顯的淤進。

1997—2005年，0 m等深線整體向海平均淤進約40 m，在龍泉港岸段淤進較多，平均淤進約60 m，在金山咀岸段平均淤進約20 m；2 m等深線平均向海淤進約20 m；5 m等深線在金山咀—城市沙灘岸段基本維持穩(wěn)定，在城市沙灘—龍泉港段平均淤進約30 m；10 m等深線在城市沙灘—龍泉港岸段由不規(guī)則的波動基本轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏诎毒€，向岸侵蝕幅度平均超過100 m，城市沙灘—金沙咀岸段則基本保持穩(wěn)定。

2005—2014年，研究區(qū)等深線較為穩(wěn)定，0 m、2 m、5 m和10 m等深線的位置和形態(tài)沒有顯著變化。

1989—2014年，金山咀—龍泉港岸段0 m、2 m和5 m等深線總體向海淤進，等深線淤進過程中基本保持與岸線平行，形態(tài)平順；而10 m等深線在金山咀—城市沙灘岸段位置和形態(tài)基本保持穩(wěn)定，在城市沙灘—龍泉港岸段則總體侵蝕后退，等深線形態(tài)由波動狀演化為與岸線基本平行的平順形態(tài)。

3.2 海床沖淤過程

1989—2014年研究區(qū)海床的沖淤變化如圖3所示。1989—1997年，研究岸段的邊灘及海床有沖有淤，其中5 m等深線(以2014年等深線為基準，下同)以淺區(qū)域呈現(xiàn)總體淤積的狀態(tài)；在2 m等深線以淺區(qū)域，淤積厚度平均約為1.5 m，年均淤積達0.19 m/a；5～10 m等深線之間，出現(xiàn)局部1 m以上的沖刷，位于金山咀岸段西側(cè)(圖3a)。

1997—2005年，5 m等深線以淺區(qū)域，仍以淤積為主，城市沙灘—龍泉港岸段淤積幅度平均在1 m以上，金山咀—城市沙灘岸段淤積幅度平均在0.5 m左右，但局部存在沖刷侵蝕的現(xiàn)象；5 m等深線以深區(qū)域以侵蝕為主，大部分區(qū)域侵蝕幅度超過2 m(圖3b)。

圖2 研究區(qū)等深線變化圖Fig.2 Changes in isobaths of the study area

圖3 研究區(qū)邊灘及海床沖淤圖Fig.3 Erosion and deposition map of beach and seabed in the study area

2005—2008年，研究區(qū)5 m等深線以淺區(qū)域總體呈現(xiàn)沖淤平衡態(tài)勢，大部分區(qū)域沖淤幅度在-0.5～0.5 m之間，城市沙灘前沿局部區(qū)域淤積幅度超過1.5 m。5 m等深線外側(cè)海床沖刷強度較前一階段明顯減弱，大部分區(qū)域侵蝕幅度在1 m以內(nèi)，局部侵蝕幅度達1～2 m(圖3c)。

2008—2011年，研究區(qū)整體轉(zhuǎn)為淤積態(tài)勢，0 m等深線以淺區(qū)域平均淤積幅度在0.5 m左右；0～10 m等深線之間區(qū)域平均淤積幅度超過1 m；10 m等深線外側(cè)海床也呈總體淤積狀態(tài)，淤積幅度約為0.5～2 m(圖3d)。

2011—2014年，研究區(qū)整體轉(zhuǎn)為弱侵蝕態(tài)勢，0 m 等深線以淺區(qū)域有沖有淤，金山咀和龍泉港岸段存在淤積幅度約為0.5 m的淤積帶，其余岸段邊灘發(fā)生沖刷幅度約為0.5 m的弱侵蝕。5 m等深線外側(cè)海床沖淤表現(xiàn)出差異性，金山咀岸段外側(cè)海床呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，淤積幅度約為0.5～1.5 m；城市沙灘和龍泉港岸段外側(cè)海床以沖刷為主，沖刷幅度為0.5～1.5 m (圖3e)。

1989—2014年，研究區(qū)域5 m等深線以淺邊灘整體發(fā)生淤積，淤積幅度普遍在2 m以上，10 m等深線外側(cè)海床以沖刷為主，大部分區(qū)域沖刷幅度超過2 m，但存在一條從金山咀到龍泉港的NW—SE走向的淤積帶，淤積幅度平均達2 m以上(圖3f)。研究區(qū)范圍內(nèi)沖刷和淤積區(qū)域的分布隨時間的變化而表現(xiàn)出一定“波動性”。以龍泉港岸段5 m等深線以淺區(qū)域為例：1989—2005年，表現(xiàn)為總體淤積；2005—2008年，表現(xiàn)為總體沖刷；2008—2011年，表現(xiàn)為總體淤積；2011—2014年，表現(xiàn)為總體沖刷。即1989—2014年，該區(qū)域表現(xiàn)出淤積-沖刷-淤積-沖刷的規(guī)律。

3.3 深槽變化狀態(tài)

3個斷面的地形變化在一定程度上反映了研究區(qū)岸段邊灘及深槽在垂向上的演變特征(圖4)。1989—2014年，研究區(qū)內(nèi)一直存在沖刷槽，沖刷槽的位置基本穩(wěn)定,槽最深處在斷面1(金山咀附近)，距離海堤堤腳不到2 km，槽深40 m左右(圖4a)；斷面2(城市沙灘附近)沖刷槽最深點距離海堤約4.3 km，最大槽深約為35 m(圖4b)；斷面3(龍泉港附近)沖刷槽最深點距離海堤約3.1 km，最大槽深約為15 m(圖4c)。1989—1997年，在城市沙灘附近(圖4b1)深槽中曾出現(xiàn)超過5 m的淤積；1997—2005年，深槽整體侵蝕，平均侵蝕幅度超過3 m；2005—2011年，沖刷槽總體保持穩(wěn)定；2011—2014年，沖刷槽位置及形態(tài)基本保持穩(wěn)定，在金山咀附近，深槽深泓附近出現(xiàn)了先沖后淤的過程，2014年深槽形態(tài)基本恢復(fù)到和2011年相同的狀態(tài)(圖4a3)?？傮w而言，1989—2014年金山咀—龍泉港沿岸深槽在不同年份沖刷或淤積的表現(xiàn)不同，但深槽深泓位置以及形態(tài)基本維持不變。

4 討論

4.1 長江入海泥沙的影響

長江入海泥沙是杭州灣岸灘發(fā)育的重要物質(zhì)來源[14]，泥沙量的增減以及河口分流分沙條件對杭州灣北岸的灘槽沖淤變化有明顯的影響[[14-16]。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)杭州灣不同年代的凈沖淤量與同期長江入海泥沙總量相關(guān)[17]，如1959—1979年長江水量豐沛，入海泥沙約為4.6億t/a，同期杭州灣年均淤積厚度約為0.04 m；1990—1997年因葛洲壩水庫建設(shè)，長江入海年均輸沙量降為3.4億t/a，同期杭州灣海床年均沖刷厚度約為0.07 m；2003—2011年受三峽大壩蓄水影響，長江大通站年均輸沙量降至1.43億t/a，與1959—1979年相比減少了約70%，同期杭州灣北岸整體沖刷加劇[18-19]。

將1989—1997年、1997—2005年、2005—2014年長江大通站輸沙量與研究區(qū)域沖淤量變化過程進行對比(圖5)可見，自1989年以來長江入海泥沙總量呈下降趨勢，研究區(qū)域也總體呈現(xiàn)沖刷的態(tài)勢。

長江入海泥沙的減少不可避免地形成了杭州灣北岸整體沖刷的水文泥沙環(huán)境，從而對本研究區(qū)域沖淤態(tài)勢產(chǎn)生影響。同時，研究區(qū)域邊灘及海床沖淤變化還受局地水沙條件變化的影響，例如南匯邊灘系列促淤工程對長江口入海泥沙有明顯的截沙作用，岸線整治及圈圍工程改變沿岸水動力條件[20-22]。因此，長江入海泥沙的減少對杭州灣北岸局部岸段邊灘和海床沖淤變化的影響是綜合而復(fù)雜的。

圖5 長江入海泥沙通量與研究區(qū)沖淤變化關(guān)系Fig.5 Relationship between sediment flux into the sea from Yangtze River and erosion-deposition variation in the study area

4.2 侵蝕/淤積波的影響

杭州灣北岸整個區(qū)域沖淤過程既受長江入海泥沙減少的影響，又受局部地貌的影響。長江口南匯咀搖頭沙的作用導(dǎo)致杭州灣北岸形成大規(guī)模的侵蝕/淤積波，并且自東向西移動，在一定程度上干擾長江入海泥沙對北岸邊灘及海床的影響[14-15]。當侵蝕體移動到研究區(qū)，將導(dǎo)致該區(qū)域侵蝕加劇；反之，當淤積體移動到該區(qū)，則加速岸灘的淤積。

4.3 臺風(fēng)浪的影響

杭州灣位于我國東海沿海，是受臺風(fēng)影響比較頻繁的地區(qū)，年均受影響臺風(fēng)1.7個[23]。許靈靜 等[23]研究表明，臺風(fēng)常導(dǎo)致水體交換量增加，增幅最大可達7倍，水體交換速度可提高1.7倍。同時，臺風(fēng)浪波能巨大，在向岸傳播過程中，因水深變淺、底摩擦增大而發(fā)生變形，在臨界水深處發(fā)生破碎，波勢能轉(zhuǎn)化為動能。能量巨大的紊流沖刷灘面，掀起大量表層泥沙，導(dǎo)致水體含沙量明顯增加，泥沙隨著潮流被輸送至別處，從而加劇灘面沖淤變化[24]。如1997年8月的“9711”臺風(fēng)造成漕涇化工區(qū)大堤前沿200 m范圍內(nèi)的灘面普遍沖刷，深度達30 cm；2005年麥莎臺風(fēng)導(dǎo)致杭州灣水體交換量增加了2.9倍，北岸海堤前沿灘地普遍發(fā)生沖刷[10,24]。

5 結(jié)論

基于實測和海圖資料分析了在長江入海泥沙大幅減少的背景下，杭州灣北岸金山咀—龍泉港岸段灘槽沖淤動態(tài)變化特征，得到以下結(jié)論：

(1) 1989—2014年間，研究區(qū)0 m、2 m和5 m等深線總體向海淤漲，淤漲過程中等深線基本保持與岸線平行，形態(tài)也較為平順。而10 m等深線在城市沙灘—龍泉港岸段則經(jīng)歷了侵蝕后退過程，等深線形態(tài)也由波動狀演化為與岸線基本平行的平順形態(tài)。

(2) 1989—2014年，研究區(qū)域范圍內(nèi)5 m等深線以淺邊灘整體發(fā)生淤積，5 m等深線外側(cè)海床以沖刷為主，但存在一條從金山咀到龍泉港的NW—SE走向的淤積帶。研究區(qū)范圍內(nèi)沖刷和淤積區(qū)域的分布隨時間的變化而表現(xiàn)出一定“波動性”。

(3) 研究區(qū)內(nèi)長期存在沖刷槽，1989—2014年期間，沖刷槽位置和形態(tài)基本穩(wěn)定，不同時期沖刷槽內(nèi)表現(xiàn)出一定的沖淤變化。

(4) 研究區(qū)岸段出現(xiàn)的侵蝕與長江河口入海泥沙量減少有關(guān)聯(lián)，但影響是錯綜復(fù)雜的，臺風(fēng)浪過程加劇了研究區(qū)侵蝕作用，侵蝕/淤積波的遷移對研究區(qū)岸灘侵蝕也有影響。