工程影響下長江口漲潮槽演變特征研究
——以北港六滧漲潮槽為例

石天，程和琴，2，華凱，滕立志，唐明，姜澤宇，顏閣，姜月華，周權(quán)平

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200241；2.崇明生態(tài)研究院，上海 202150；3.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016）

漲潮槽是河口地區(qū)重要的地貌單元（王永紅等，2003；賀松林等，2000），其演變與港口碼頭、航行安全和岸灘穩(wěn)定密切相關(guān)。長江口是典型的中等潮汐河口，發(fā)育有新橋水道、南小泓等典型漲潮槽，可通過河槽類型系數(shù)λ 來判別，λ 大于1時為漲潮槽（劉高峰等，2005）。其有三種成因類型，即漲潮流為主塑造而成、落潮槽被沙嘴分割而成以及落潮槽退化而成（沈煥庭等，1995）。其主要水沙特征為漲潮時的流速和含沙量大于落潮、優(yōu)勢流和優(yōu)勢沙均小于50%以及凈水流和凈輸沙均向槽頂方向等（李九發(fā)等，2004）。雖然長江口漲、落潮槽中均有沙波發(fā)育，但是漲潮槽中沙波的波長和波高均小于落潮槽，波型指數(shù)大于落潮槽（王永紅等，2011）。然而，近期流域三峽大壩和河口北港青草沙水庫及上海長江大橋等大型工程的建設(shè)（Yang et al，2014；Wang et al，2015；Zheng et al，2018；陸雪駿等，2016；石盛玉等，2017）對長江口漲潮槽的演變特征和趨勢產(chǎn)生的影響是迄今尚未關(guān)注的問題。

六滧漲潮槽是長江口典型的外沙內(nèi)泓地形（季永興等，2001），位于北港中上段六滧沙脊和崇明南岸之間（圖1）。其形成于20 世紀(jì)80 年代初期，成因是扁擔(dān)沙尾部遭橫向水流切割而產(chǎn)生新橋通道，被沖刷的部分泥沙進(jìn)入北港，并不斷淤積于中上段，形成六滧沙脊（郭興杰等，2016），阻隔了北港主槽和崇明南岸。其在1986—2000 年間較為穩(wěn)定，漲潮流占優(yōu)勢（郭建強，2008）。本文以北港六滧漲潮槽為例，基于歷史海圖水深數(shù)據(jù)，結(jié)合多波束測深系統(tǒng)獲取的水下地形和ADCP 采集的流速數(shù)據(jù)，分析了近期工程影響下其演變特征，以期為崇明這一世界級生態(tài)島的岸線資源合理開發(fā)利用和護岸工程維護提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集與研究方法

本文收集了長江口北港中段堡鎮(zhèn)至奚家港2000、2004、2008、2012、2018 共5 年 的 海 圖（比例尺均為1:25000，基準(zhǔn)面為理論最低潮面），利用ArcGIS 10.3 對該河段進(jìn)行數(shù)值化，即對水深點賦值，并采用Kriging 插值法建立數(shù)字高程模型（DFM），自西向東選取AA＇、BB＇、CC＇、DD＇、FF＇、FF＇六個典型剖面（圖1b），用于分析河槽沖淤及典型斷面變化特征，剖面走向均為由北至南。

2018 年7 月15 日利用SeaBat 7125 多波束測深系統(tǒng)對崇明南岸堡鎮(zhèn)港—奚家港岸段近岸水下地貌進(jìn)行走航掃測，作業(yè)頻率為200 kHz。2019 年7月22 日利用珠海云洲M80 無人艇搭載的SeaBat T50-P 多波束測深系統(tǒng)對崇明南岸六滧港河口進(jìn)行掃測，采用自主航行模式（圖1）。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，船速控制在7 節(jié)左右，作業(yè)頻率為400 kHz。兩個多波束測深系統(tǒng)的中央波束角均為0.5°，共512 個波束，理論測深分辨率為6 mm，頻率為50±1 Hz。采集時選用等距模式，并利用Trimble 差分系統(tǒng)進(jìn)行定位，定位精度為dm 級。后期對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行橫搖、縱搖、艏搖校正及異常波束剔除處理，利用PDS 將數(shù)據(jù)可視化，生成0.5 m×0.5 m 分辨率的三維格網(wǎng)模型，用于分析研究區(qū)域的微地貌特征。

同時，利用Rowe Technologies Inc（RTI）公司生產(chǎn)的雙頻ADCP 采集奚家港東側(cè)局部岸段近岸流速數(shù)據(jù)。換能器入水深度約為0.8 m，工作頻率為300 和600 kHz，理論流速量程為±5 m/s，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 s。在Ocean Post-Processing 軟件中采用六點法提取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后利用MATLAB生成近岸三維流場圖，用于分析岸灘水域水動力特征。

2 結(jié)果

2.1 六滧漲潮槽外側(cè)沙脊沖刷束窄

六滧沙脊是六滧漲潮槽外側(cè)一條狹長的沙脊。2002-2008 年間0 m 線有擴張趨勢；2008—2012年上段沙體0 m 線迅速收縮束窄，至2018 年完全消亡，包絡(luò)面積年均減少速率為0.11 km2/a。-2 m等深線同樣由擴張轉(zhuǎn)為收縮，2008 年后不斷束窄，向崇明島南岸逼近，包絡(luò)面積呈減小趨勢，年均減少速率為0.20 km2/a。-5 m 等深線上端自1998 年長江流域大洪水后與崇明南岸相連（郭建強，2008），2000—2008 年間尾部仍有向南移動的趨勢，2008—2012 年頭部斷開，向下游收縮束窄，最大寬度由2000 年的3.03 km 減少至2018 年的1.82 km，包絡(luò)面積明顯減小，年均減少速率為0.50 km2/a。0 m、-2 m 和-5 m 等深線的演變表明，自2008 年六滧沙脊尾部南移停止，其近期演變總體趨勢為沖刷束窄（圖2）。

圖2 六滧沙脊及六滧漲潮槽0 m、-2 m 及-5 m 等深線變化圖

堡鎮(zhèn)至奚家港河段六個橫斷面水深變化（圖3）亦顯示：2000—2018 年間六滧沙脊沖刷束窄變陡，位于六滧港附近BB＇和CC＇斷面上的沙脊沖刷最為劇烈，沖深至-17 m 左右，北港主槽向岸偏移。

2.2 六滧漲潮槽淤淺

2000—2008 年間，六滧漲潮槽為一條狹長水道，總體上窄下寬，-5 m 等深線上、下端點之間的距離變化不大，維持在16.50 km 左右。2008 年后，隨著六滧沙脊劇烈沖刷（圖2 和圖3），-5 m槽頭部向下游移至六滧港附近，至2018 年長度縮減9.38 km，減幅約為43%（圖2）。

2000—2018 年間六滧漲潮槽平均水深減少1 m，BB＇、CC＇及DD＇斷面上均顯示明顯淤淺，淤積厚度為2～3 m，槽寬束窄（圖3）。但值得注意的是，位于上海長江大橋東、西兩側(cè)的FF＇和FF＇斷面在2000—2008 年間漲潮槽均淤淺，淤積厚度約2 m，而在2008—2018 年間持續(xù)沖刷，分別刷深約5 m 和3 m（圖3）。尤其是FF＇斷面，漲潮槽深泓逼岸，岸灘出現(xiàn)一定程度蝕退。

2.3 北港中上段河槽沖淤變化特征

圖3 堡鎮(zhèn)至奚家港河段典型斷面形態(tài)變化圖

圖4 北港中上段河槽沖淤變化圖

2000—2018 年北港中上段河槽的沖淤變化有三個階段（圖4）。第一階段（2000—2008 年）河槽整體淤積，淤積量為4.36×106m3，平均淤積厚度為0.03 m，六滧漲潮槽弱淤積。第二階段（2008—2012 年）河槽轉(zhuǎn)為整體沖刷，年均沖刷量為23.24×106m3/a，年均沖刷深度為0.17 m/a，六滧沙脊沖刷嚴(yán)重，六滧漲潮槽也出現(xiàn)一定程度的沖刷。第三階段（2012—2018 年）河槽整體仍為沖刷，但速率明顯降低，年均沖刷量僅為6.26×106m3/a，年均沖刷深度為0.04 m/a，青草沙水庫北側(cè)出現(xiàn)大面積淤積，同時六滧漲潮槽及六滧沙脊下段也有不同程度的淤積。

2.4 六滧漲潮槽微地貌特征

2019 年7 月六滧漲潮槽局部區(qū)域的多波束測深系統(tǒng)掃測結(jié)果（圖1 和圖5a）顯示，六滧港附近床面發(fā)育有一系列不對稱沙波，最大波長和最小波長分別為17 m 和10 m，最大波高和最小波高分別為0.8 m 和0.4 m，波陡傾向下游。同時，近岸區(qū)域發(fā)育有沖刷痕（圖5a）。

2018 年7 月多波束測深系統(tǒng)掃測結(jié)果（圖1和圖5）顯示，六滧漲潮槽沿崇明南岸有三處丁壩壩頭沖刷顯著。堡鎮(zhèn)港下游彎曲岸段丁壩壩頭（圖5b，31°31＇05＂ N，121°36＇56＂ F） 床面水深9 m，沖刷坑深達(dá)14.70 m。六滧港上游岸段丁壩壩頭（圖5c，31°30＇15＂ N，121°41＇09＂ F）床面水深8 m，沖刷坑深達(dá)9.86 m，沖刷坑形似紡錘，長約290 m。位于八滧港附近的丁壩壩頭（圖5d，31°28＇47＂N，121°44＇30＂F）床面水深7 m，沖刷坑深達(dá)8.83 m。

圖5 六滧漲潮槽河床微地貌特征

3 六滧漲潮槽演變影響因素探討

以上結(jié)果表明：近期六滧沙脊劇烈沖刷，六滧漲潮槽淤淺，北港中上段河槽經(jīng)歷了淤積—沖刷—沖刷放緩三個階段。其主要受以下工程因素影響。

3.1 三峽大壩的修建

圖6 2001-2018 年大通站年徑流量與輸沙量（長江泥沙公報2001-2018）

2003 年三峽大壩建成蓄水至今，雖然大通站年徑流量未發(fā)生大幅變化，但年輸沙量明顯下降，從2001 年的2.76 億噸減少至2018 年的0.831 億噸（圖6），年均輸沙量僅為1.50 億噸，比該站歷史多年平均輸沙量（1950—2000 年） 下降約65.4 %。流域來沙減少導(dǎo)致水流挾沙力增強（張曉鶴等，2015），已經(jīng)對河口區(qū)產(chǎn)生了顯著影響，即深槽沖刷、容積擴大，河槽形態(tài)向相對窄深方向演化（劉杰等，2017）。2000—2008 年間北港中上段雖然整體淤積，但是深槽受到一定程度沖刷（圖4a），三峽大壩蓄水對河口的影響初步可見；近20 年來，六滧漲潮槽所在的北港中上段河槽整體沖刷，凈沖刷量達(dá)1.2613 × 108m3，平均沖刷深度為0.89 m，深槽沖刷顯著（圖4d）。然而，對于六滧沙脊由2008 年前的淤積轉(zhuǎn)為沖刷以及近期青草沙水庫北側(cè)水域淤積等局部地貌的演變，河口大型工程的修建起到了關(guān)鍵的作用。

3.2 南北港分流口整治及上海長江大橋建設(shè)

近期長江口南北港分流口控制工程主要包括青草沙水源地工程、新瀏河沙護灘工程及南沙頭通道限流潛堤工程，建設(shè)時間為2007—2009 年（孫弋等，2018）。上海長江大橋建設(shè)時間為2005—2008年。這些河口大型工程的修建對北港中上段河勢產(chǎn)生了深刻影響。

3.2.1 主流明顯北移

2007 年開工、2009 年初全線合龍截流的青草沙水庫使得北港上段河道束窄約1/3（莫若瑜等，2015），其前沿的挑流作用使得水流流向沿著圍堤向北偏轉(zhuǎn)，河槽深泓較截流前發(fā)生明顯北移，曲率不斷增大（圖7a），加劇了彎道環(huán)流效應(yīng)（方春明，2003），導(dǎo)致凹岸的六滧沙脊劇烈沖刷，從而致使近期北港中上段河槽-10 m 等深線也隨之明顯北移，深槽逼岸（圖7b）。另外，上海長江大橋位于奚家港西側(cè)，其也束窄了北港中上段河道和六滧漲潮槽，加劇主流北移，抑制了六滧沙脊向南移動的趨勢，導(dǎo)致六滧漲潮槽下段刷深（圖3）。

圖7 （a）北港中上段河槽深泓線變化（b）-10 m 等深線變化

3.2.2 北港中上段水動力場變化

圖8 北港中上段河槽特征

青草沙水庫截流之前（2000—2008 年），上游沙體切割下移和彎道環(huán)流的共同作用，使得泥沙在北港中上段大量落淤，形成以青草沙為主體的凸岸；由于漲落潮流路分歧，六滧沙脊也呈淤漲態(tài)勢。青草沙水庫的建設(shè)縮小了過水?dāng)嗝?，使得水流歸槽，北港上段主槽流速增加。漲潮表層平均流速最大可增加0.2 m/s，底層平均流速也有所增大，最大增幅約為5 cm/s（郭超碩 等，2015），并且2010—2015 年落潮平均流速增大近0.1 m/s（盛皓，2017）。流速增加導(dǎo)致床沙更易起動懸浮。因此，青草沙水庫截流幾年后（2008—2012 年）北港中上段河槽轉(zhuǎn)為沖刷（圖4b）。此后的2012—2018年間沖刷態(tài)勢持續(xù)，但是青草沙水庫北側(cè)出現(xiàn)大面積淤積（圖4c），沖刷速率明顯放緩（圖8）。這是由于南北港分流口控制工程穩(wěn)定了分流口位置，固化了新橋通道南邊界（阮偉等，2011），加之近期上游扁擔(dān)沙演變活躍，尾部不斷淤高南壓，使得水流歸槽，增強了分流進(jìn)入北港的水動力條件，并且青草沙水庫前沿的挑流作用改變了水流方向，從而其上沿附近河床發(fā)生沖刷，泥沙在下游動力減弱水域落淤。同時，主流大幅北移和彎道環(huán)流效應(yīng)也促進(jìn)了水庫北側(cè)的淤積。六滧沙脊沖刷下來的部分泥沙被帶向下游及六滧漲潮槽，使得沙脊尾部和槽內(nèi)出現(xiàn)淤積（圖4c）。

優(yōu)勢流是判斷漲、落潮槽性質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于科氏力作用導(dǎo)致漲落潮流路分歧，六滧漲潮槽自形成以來長期以漲潮流占優(yōu)勢（郭建強，2008）。青草沙水庫和上海長江大橋等大型工程的束水作用，致使北港中上段河道納潮量減小，落潮優(yōu)勢顯著增強（Liu et al，2015）。2011 年枯季和2012 年洪季六滧漲潮槽的優(yōu)勢流分別達(dá)到60 %和83 %（郭興杰等，2016），表明系列大型工程建設(shè)后，漲潮槽內(nèi)的落潮優(yōu)勢增強。并且，近期在漲潮槽內(nèi)六滧港附近床面發(fā)現(xiàn)的沙波（圖5a）和落潮槽中沙波的形態(tài)類似，波長較長，波陡指向下游，伴隨著近岸沖刷痕發(fā)育。其揭示了沙波向下游運移的趨勢，印證了隨著主流北移和北港落潮優(yōu)勢的增強，六滧沙脊受落潮水流強烈沖刷，六滧漲潮槽內(nèi)落潮優(yōu)勢已十分明顯。同時，近岸沖刷痕的發(fā)育也表明漲潮槽局部水動力較為強勁。

3.2.3 六滧漲潮槽局部水動力增強

六滧沙脊下段淤高和漲潮槽束窄（圖3 和圖4）導(dǎo)致水流歸槽，進(jìn)入槽內(nèi)的漲潮流的作用也會加強。2018 年7 月大潮漲潮期間在六滧漲潮槽下段奚家港東側(cè)岸灘水域的ADCP 走航觀測（圖1）結(jié)果顯示，近岸流速較大，各層水流方向均朝向岸灘（圖9），表、中、底層向岸的平均流速分別達(dá)到0.84 m/s、0.77 m/s 和0.68 m/s，水流沖擊岸灘的趨勢較為明顯。加之漲潮槽落潮優(yōu)勢加強以及六滧沙脊對落潮流的挑流，槽內(nèi)奚家港東側(cè)岸灘的侵蝕（圖2 和圖3）是漲、落潮流共同作用的結(jié)果。

圖9 奚家港東側(cè)岸灘水域漲潮三維流場分布圖

六滧漲潮槽的內(nèi)邊界崇明南岸岸灘陡峭，深泓逼岸，是長江口丁壩壩頭破壞較為嚴(yán)重的地區(qū)之一（季永興等，2000） （圖5）。河口大型工程加劇了北港中上段主流北偏逼岸，導(dǎo)致丁壩壩頭水動力增強，局部沖刷加劇。堡鎮(zhèn)港東2 壩壩頭局部沖刷（圖5b）增強的幅度既可通過2018 年SeaBat 7125多波束實測該壩頭最大水深值27.70 m（經(jīng)過潮位校正）與2012 年的單波束實測最大水深值20.40 m（歷史海圖水深數(shù)據(jù)）的比較獲得（2002 年實測值為19 m（林發(fā)永，2003）），也可采用適用于長江口較細(xì)沉積物（吳帥虎等，2014）的丁壩壩頭最大局部沖刷深度計算的阿爾圖寧修正公式（1）（勾兆莉等，2009）估算：

式中，hs為河床底面起算的沖刷深度；V 為丁壩上游流速，選取南北港分流口控制工程建設(shè)完成后（2012）洪季大潮落潮期間三個丁壩上游落急流速數(shù)值模擬值2.15 m/s、2.05 m/s 和1.88 m/s（蘇俐珊，2017）；m 為丁壩邊坡系數(shù)，根據(jù)崇明南岸丁壩實際尺寸取為2；g 為重力加速度；α 為水流軸線和丁壩軸線的交角，取為90°。

計算結(jié)果顯示，堡鎮(zhèn)港東2 壩壩頭局部沖刷最大深度計算值為6.63 m （表2），其遠(yuǎn)小于近期實測的14.70 m （圖5b），證明了南北港分流口控制工程修建后崇明南岸丁壩壩頭沖刷加劇。另外，該丁壩壩頭局部沖刷最大深度增大幅度8.07 m 也可為其所在床面2018 年與2012 年水深實測值之差7.30 m 所佐證。以此類推，六滧港上游岸段丁壩壩頭（圖5c）和八滧港附近的丁壩壩頭（圖5d）沖刷最大深度2012 年以來計算值分別為5.75 m 和4.84 m，2018 年實測值分別為9.86 m 和8.83 m（表2），刷深幅度分別為4.11 m 和3.99 m。

表1 堡鎮(zhèn)至奚家港丁壩壩頭局部沖刷坑深度計算值與實測值

綜上所述，近期長江流域及河口一系列大型工程的修建，對北港中上段河勢產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，使得北港中上段主流不斷北移，北港主槽將呈現(xiàn)愈加明顯的“S”形微彎形態(tài)。六滧沙脊將持續(xù)沖刷，六滧漲潮槽長度進(jìn)一步縮減，槽內(nèi)水動力條件會繼續(xù)增強，從而可能導(dǎo)致崇明南岸丁壩壩頭局部沖刷以及奚家港東側(cè)岸灘侵蝕進(jìn)一步加劇，需加強監(jiān)測，避免成為沿岸堤防安全隱患。

4 結(jié)論

本文利用歷史海圖資料，結(jié)合水下地貌和流速數(shù)據(jù)，分析了工程影響下長江口六滧漲潮槽的演變特征，主要有以下認(rèn)識：

（1）近期三峽大壩的修建導(dǎo)致流域來沙銳減，同時，在長江口以青草沙為主的南北港分流口控制工程以及上海長江大橋的共同影響下，北港中上段河道束窄，主流北移逼岸，六滧漲潮槽外側(cè)沙脊束窄，槽內(nèi)淤淺。

（2）隨著北港主流變動及其落潮優(yōu)勢整體增強，六滧漲潮槽落潮優(yōu)勢已十分明顯，局部水動力增強，進(jìn)而導(dǎo)致崇明南岸奚家港東側(cè)岸灘出現(xiàn)侵蝕，并且推斷漲潮槽所在岸段丁壩壩頭局部沖刷可能進(jìn)一步加劇，需引起重視。

致謝：在野外數(shù)據(jù)采集和論文撰寫過程中得到了徐韋博士和袁小婷碩士的支持和幫助，在此致以衷心的感謝！