長江口典型灘槽系統(tǒng)近期演變及河勢控制對策探討

欒華龍 渠庚 柴朝暉 雷文韜 林木松 姚仕明

摘要：近20 a來受長江入海泥沙銳減的影響，長江口灘槽系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)沖淤調(diào)整，河勢穩(wěn)定面臨新的挑戰(zhàn)。選取長江口南支河段白茆沙和扁擔(dān)沙灘槽系統(tǒng)為研究對象，分析了1997～2015年沖淤演變過程和主要特征。結(jié)果表明：白茆沙總體上沖刷萎縮，沙尾沖蝕消失，固沙潛堤工程的實(shí)施使得沖刷態(tài)勢得到控制，但南北水道分流格局呈單向發(fā)展，南水道沖刷南靠，威脅太倉港岸線穩(wěn)定;扁擔(dān)沙處于自然演變狀態(tài)，沙體局部出現(xiàn)切灘，沙尾不斷下移并擠壓新橋通道，影響南支總體河勢穩(wěn)定?；诖?，提出了穩(wěn)定白茆沙汊道分流格局，遏制扁擔(dān)沙切灘和穩(wěn)定新橋通道的河勢控制對策。

關(guān) 鍵 詞：灘槽格局; 河槽沖刷; 切灘; 河勢控制; 長江口

中圖法分類號： TV148 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

長江口在行政區(qū)劃上跨越上海市和江蘇省，是中國工業(yè)化程度和城市化水平最高的地區(qū)之一，同時(shí)也是長江經(jīng)濟(jì)帶和長三角一體化國家戰(zhàn)略的“龍頭”，在長江流域及中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。長江口河道是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，其河勢及灘槽穩(wěn)定關(guān)乎沿江城市防洪安全、供水安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航運(yùn)安全等諸多方面。自然演變過程中長江口灘槽系統(tǒng)復(fù)雜多變，認(rèn)識其演變特征和規(guī)律并提出河勢控制的治理對策，一直以來是河口保護(hù)與治理及其可持續(xù)開發(fā)利用的重要內(nèi)容。近30 a來，國內(nèi)多家科研院所和高校對長江口河道多時(shí)空尺度演變規(guī)律和機(jī)理開展了大量研究[1-4]，相關(guān)成果為長江口保灘護(hù)岸、灘涂圍墾、航道整治、水源地建設(shè)等工程的實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)。

受水文氣象條件變化、上游水利工程調(diào)度運(yùn)用及河口人類活動的綜合影響，近十幾年來長江口來水來沙過程發(fā)生顯著變化，尤其河流輸沙量銳減，局部河勢發(fā)生相應(yīng)調(diào)整。已有研究針對長江口各分汊河道及口門水下三角洲近期演變特性進(jìn)行了分析。李伯昌[5]、陳正兵[6]和楊程生[7]等均分析了北支河床演變，結(jié)果表明河槽呈現(xiàn)累積性淤積，河槽容積減小，河寬大幅縮窄;張曉鶴等[8]分析發(fā)現(xiàn)南支在2003年以來整體呈現(xiàn)持續(xù)不均衡沖刷，河床受輸水輸沙環(huán)境變化正發(fā)生適應(yīng)性調(diào)整;郭興杰等[9]分析北港演變認(rèn)為南北港分流口河道更迭演變對北港河勢影響較大，近期已趨于穩(wěn)定;朱強(qiáng)等[10]分析南港近期沉積地貌變異，發(fā)現(xiàn)南港復(fù)式河槽間的沙脊因刷深而趨于消亡;潘靈芝等[11]定量分析了深水航道工程對北槽河床沖淤的影響;謝華亮等[12]分析認(rèn)為南槽在1989年江亞南沙并沙前后由普遍淤積轉(zhuǎn)向沖刷;Yang等[13]和Luo等[14]分析發(fā)現(xiàn)隨著上游來沙減少，口門水下三角洲局部區(qū)域已出現(xiàn)沖刷。受徑潮流動力、泥沙特性的空間差異及局部整治工程的影響，長江口不同區(qū)域演變特征具有顯著的空間差異[15]。

20世紀(jì)50年代起，中國就開始了對長江口綜合整治的規(guī)劃和研究工作，以穩(wěn)定河勢為主要目標(biāo)，提出了“圍墾明沙，固定陰沙，減少活動沙”的治理思路[1]。2008年國務(wù)院批復(fù)《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》以來，長江口已實(shí)施的河勢控制工程效果明顯，總體河勢已得到基本控制，航道條件及淡水資源開發(fā)利用條件得到改善，促進(jìn)了長江口地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，在新的水沙情勢下，尤其是“清水下泄”引起的長江中下游長時(shí)段、長距離沖刷，其影響已逐步傳遞到長江口，威脅河口灘槽系統(tǒng)穩(wěn)定，局部段仍存在向不利方向演變的風(fēng)險(xiǎn)，尤其南支主槽沖刷下切、扁擔(dān)沙體沖蝕下移、切灘竄溝發(fā)展等[16]。因此，本文選取南支河段白茆沙和扁擔(dān)沙灘槽系統(tǒng)為研究對象，開展長江口灘槽系統(tǒng)近期演變特征及原因分析，并提出河勢控制治理對策，為長江口綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

長江口在歷史上經(jīng)歷了多次并洲、并岸過程，1954年大洪水后形成“三級分汊、四口入海”的基本格局[1]。長江口河道寬闊、洲灘眾多，徑潮流動力條件復(fù)雜，河槽沖淤多變。各分汊河道內(nèi)發(fā)育有不同地貌形態(tài)和大小的灘槽系統(tǒng)，包括白茆沙、扁擔(dān)沙、新瀏河沙、瑞豐沙、顧圓沙、北港北沙等沙體以及崇明東灘、橫沙淺灘、九段沙、南匯邊灘等前緣潮灘（見圖1）。在巨大的河流徑流量與中等強(qiáng)度潮汐的相互作用下，長江口各分汊河道（除北支外）均以落潮流占主導(dǎo)。北支水道因進(jìn)流不暢其落潮分流比通常低于5%，汊道內(nèi)漲潮流作用占主導(dǎo)，且存在水沙鹽倒灌南支現(xiàn)象。受氣候變化和流域人類活動的共同影響，三峽水庫蓄水后長江入海徑流量和輸沙量相對1950～1968年分別減少約7%和71%[17]。本文選取長江口南支灘槽系統(tǒng)為重點(diǎn)研究對象，包括白茆沙和扁擔(dān)沙及其相鄰漲落潮槽。白茆沙為南支上段的江心沙，將進(jìn)入南支的主流分為南北水道;扁擔(dān)沙與南支主槽、新橋水道組成典型的河口復(fù)式河槽。

2 資料及方法

本文收集了長江口實(shí)測水下地形資料，測量年份包括1997，2002，2007，2011年和2015年，均于當(dāng)年汛末或枯水期施測。水深數(shù)據(jù)通過單波束測深儀測量，測點(diǎn)位置由GPS測定，測量誤差分別為±0.1 m和±1 m。水深參考面均為理論最低潮面，測圖比例尺為1∶50 000～1∶10 000，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度為4.3～20.4個(gè)點(diǎn)/km2，散點(diǎn)密度足以用于灘槽系統(tǒng)演變定量分析[18]。將各年份水下地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)，使用Surfer11軟件中的Kriging方法將水深散點(diǎn)插值到100 m×100 m的網(wǎng)格上，從而得到長江口數(shù)字高程模型（DEM），插值產(chǎn)生誤差小于1%[19]。基于各年份DEM提取典型斷面及沙體特征等值線以上面積和體積，相鄰年份DEM差值可得到該時(shí)段的床面沖淤的空間分布和泥沙沖淤量。

3 典型灘槽系統(tǒng)近期演變特征

3.1 灘槽格局

長江主流經(jīng)徐六涇進(jìn)入南支后水面突然展寬，流速減小，泥沙在此處落淤發(fā)育形成白茆沙，20世紀(jì)50年代白茆沙從一個(gè)規(guī)模較小的江心暗沙逐漸淤積長高和擴(kuò)大，最終形成由江心沙體及其南北兩側(cè)水道組成的白茆沙灘槽系統(tǒng)（見圖1）[2]。1997年以來，白茆沙總體灘槽格局未發(fā)生明顯改變，但局部變化仍較為顯著。受徐六涇節(jié)點(diǎn)段主流右偏和北支泥沙倒灌的影響[20]，白茆沙汊道分流格局發(fā)生單向調(diào)整，北水道淤積萎縮，南水道落潮分流比由2002年的57.2%增大到2012年的72.7%[3]，累計(jì)增加了15.5%，分流格局調(diào)整引起沙體形態(tài)、灘槽沖淤等一系列變化。D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁擔(dān)沙已形成百年有余，位于長江口南支主槽與新橋水道之間，沙體自上而下綿延超過30 km，分為上扁擔(dān)和下扁擔(dān)沙，與南支主槽、新橋水道組成典型的河口復(fù)式河槽（見圖1）。扁擔(dān)沙是泥沙在南支主槽落潮流和新橋水道漲潮流之間的緩流區(qū)落淤堆積形成，扁擔(dān)沙的存在大大減小了南支河槽寬度，為總體河勢穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。目前，扁擔(dān)沙灘槽系統(tǒng)尚未得到有效控制，是長江口河勢穩(wěn)定的隱患之一。

3.2 沙體形態(tài)變化

白茆沙平面形態(tài)近期變化較為顯著，主要表現(xiàn)為由1997年的細(xì)長形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的橢圓形，沙體沿水流方向的長度（-5 m等高線）由20.2 km縮短為11.7 km，沙尾沖蝕消失，沙頭南側(cè)分布的獨(dú)立沙體經(jīng)沖蝕、合并后也全部消失（見圖2）。2014年白茆沙整治工程實(shí)施后沙頭局部淤漲上延，沙體南北緣及沙尾被人為固定，在一定程度上抑制了白茆沙的進(jìn)一步?jīng)_刷。白茆沙-5 m等高線面積在1997年為35.83 km2，2011年減小為27.76 km2，減幅22.5%，到2015年則增大為29.11 km2（見表1），這主要與白茆沙整治工程實(shí)施后沙頭淤漲有關(guān)。白茆沙-5 m等高線以上體積1997～2002年先增大，2002～2011年逐漸減小，2011～2015年又增大，2011年以后體積增大同樣與整治工程有關(guān)?？傮w來看，1997～2015年白茆沙-5 m等高線面積累計(jì)萎縮18.8%，體積則累計(jì)增加5.8%，說明在上游來沙減少及整治工程共同影響下，沙體平面形態(tài)萎縮和垂向泥沙淤積并存。

扁擔(dān)沙上沙體依附于崇明島，位置相對固定，沙體右緣與白茆沙北水道沖淤變化密切相關(guān)，1997～2015年來總體上變化不大;下沙體為活動沙體，沙尾不斷淤漲下移并擠壓新橋水道，沙體右緣中下段沖刷后退，平面形態(tài)上與水流方向更平順。值得注意的是，扁擔(dān)沙局部切灘，竄溝發(fā)育（見圖2（b））。扁擔(dān)沙-5 m等高線面積在1997～2007年持續(xù)增大，累計(jì)增加14.9 km2（見表1），2007～2015年先減小后增大，但變幅不大，沙體面積變化主要與右緣沖刷、沙體下移和沙尾沖蝕有關(guān)。扁擔(dān)沙-5 m等高線以上泥沙體積總體上持續(xù)增大，僅2007～2011年略有減小，1997～2015年體積累計(jì)增大0.61億m3，增幅為14.7%?？傮w上，扁擔(dān)沙體在1997年以后仍維持緩慢淤漲趨勢。

3.3 河床沖淤變化

南支各時(shí)段河床沖淤分布如圖3所示，1997～2002年河床沖淤最劇烈，之后則逐漸減弱，尤其淤積范圍明顯減小，沖刷范圍增大，2007年以后基本以沖刷為主。白茆沙頭部先沖后淤，受整治潛堤影響，2011～2015年頭部南側(cè)有所淤積，白茆沙尾則持續(xù)沖刷。同時(shí)，白茆沙北水道淤積，南水道沖刷，與分流比變化特征一致。扁擔(dān)沙右緣沖刷，沙尾下移后發(fā)生沖蝕，形成分散的沙包，部分年份扁擔(dān)沙體發(fā)生局部切灘，竄溝發(fā)育并增強(qiáng)新橋水道沖刷。南支主槽中下段淤積，主要與過流斷面形態(tài)調(diào)整有關(guān)，新瀏河沙包沖蝕消失，形成單一的南港分流通道。新橋通道作為北港分流通道，上游側(cè)受扁擔(dān)沙下移和沙尾沖蝕的影響，河床穩(wěn)定性較差，青草沙水庫建成后新橋通道下游邊界位置相對穩(wěn)定。

3.4 典型斷面變化

根據(jù)白茆沙斷面S1歷年變化（見圖4（a）），1997～2002年白茆沙淤積長高，之后沙體高程基本不變，沙體北緣先淤后沖，南緣在1997～2002年顯著沖刷，2002～2011年沖刷減緩，2011～2015年略有淤積。受分流格局調(diào)整的影響，白茆沙北水道右側(cè)淤淺，最大淤積厚度達(dá)到13.0 m，汊道最深點(diǎn)變化不大，但-10 m槽寬度顯著縮窄。白茆沙南水道在1997年后沖刷下切，最深點(diǎn)由1997年的-20.8 m降至2011～2015年的平均-48.2 m（斷面附近實(shí)測最深點(diǎn)高程-52.2 m），河槽最大下切深度超過25.0 m。南水道河槽下切的同時(shí)深泓線有所南偏，南側(cè)太倉邊灘岸坡變陡，威脅太倉港岸線穩(wěn)定[21]。

選取斷面S2和S3表示扁擔(dān)沙與主槽的變化特征（見圖4（b）（c）），結(jié)果表明扁擔(dān)沙右緣在1997～2007年淤積擴(kuò)大，2007～2015年則沖刷萎縮，總體上有所淤積長高并伴隨下移。南支主槽下段在1997年存在高程約-4 m的新瀏河沙包，到2011年基本上沖蝕消失，河床高程刷深至-18 m左右。扁擔(dān)沙北側(cè)新橋水道為漲潮槽，在斷面S2位置1997～2002年有所淤積，之后則持續(xù)沖刷，2015年河床最深點(diǎn)與1997年相當(dāng)。在落潮流作用下，尤其大洪水年時(shí)河道水面橫比降增大，扁擔(dān)沙過灘水流增強(qiáng)，引起沙體切灘和竄溝發(fā)育（見圖4（c））。在新瀏河沙護(hù)灘工程和青草沙水庫工程實(shí)施后，新橋通道下邊界位置固定，扁擔(dān)沙下移擠壓新橋通道，使其發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)并縮窄。

4 典型灘槽系統(tǒng)河勢控制對策探討

4.1 穩(wěn)定白茆沙汊道分流格局

白茆沙灘槽系統(tǒng)演變主要受水沙條件變化、上游河勢變化及整治工程的綜合影響。白茆沙固沙潛堤實(shí)施后將增大沙體自身的穩(wěn)定性，可在一定程度上抑制低含沙水流條件下的沙體沖刷，其中沙頭將維持小幅淤漲直至平衡，沙尾沖淤態(tài)勢趨于穩(wěn)定。如果北支泥沙倒灌南支現(xiàn)象得不到根本改善[20]，北水道還將維持萎縮態(tài)勢，河床沖淤幅度由倒灌泥沙量和河槽水流沖刷量共同決定;南水道在持續(xù)低來沙量條件下，河槽將繼續(xù)沖刷下切直至平衡，導(dǎo)致南側(cè)岸坡變陡，威脅太倉港岸線穩(wěn)定和碼頭正常運(yùn)行[21]。總體上，白茆沙南北水道分流格局仍將維持單一發(fā)展的態(tài)勢。因此，白茆沙灘槽系統(tǒng)河勢控制的重點(diǎn)是改善南北水道分流格局，通過抑制南水道主槽沖刷南靠趨勢，增大北水道分流比，使倒灌后淤積在北水道進(jìn)口的泥沙被沖刷帶走，從而一定程度上緩解北支泥沙倒灌對白茆沙汊道河勢的不利影響。同時(shí)，還應(yīng)密切關(guān)注太倉港近岸河床沖刷情況，加強(qiáng)碼頭平臺設(shè)施的安全監(jiān)測，局部險(xiǎn)工段應(yīng)及時(shí)實(shí)施岸線加固工程。

4.2 遏制扁擔(dān)沙切灘和穩(wěn)定新橋通道D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁擔(dān)沙目前仍處于自然演變狀態(tài)，在徑潮流動力作用下，其演變特征主要表現(xiàn)在2個(gè)方面。① 扁擔(dān)沙下移并不斷擠壓新橋通道，由于其下游邊界受青草沙水庫和新瀏河沙護(hù)灘工程限制，新橋通道將繼續(xù)變窄且主流下移，沖刷青草沙水庫前沿河床進(jìn)而可能威脅水庫圍堤安全[22]。② 由于南支主槽與新橋水道漲落潮流路分歧和潮汐相位差異，使扁擔(dān)沙南北兩側(cè)存在橫向水位比降，落潮時(shí)過灘水流沖刷和切割沙體，對扁擔(dān)沙灘槽系統(tǒng)格局穩(wěn)定不利。新橋通道過流能力減弱，將間接增強(qiáng)扁擔(dān)沙落潮過灘水流。在上游來沙量持續(xù)減小的條件下，如遇大洪水年，過灘水流沖刷能力增強(qiáng)，切灘竄溝可能進(jìn)一步?jīng)_刷發(fā)展。扁擔(dān)沙切灘不僅會引起新橋水道乃至北港上段河床沖淤調(diào)整，威脅南支總體河勢穩(wěn)定，還影響崇明島沿江附近城鎮(zhèn)和青草沙水庫的取水安全，值得密切關(guān)注。

因此，首先應(yīng)加強(qiáng)扁擔(dān)沙附近水文和地形觀測，跟蹤分析切灘竄溝沖刷發(fā)展情況;其次應(yīng)密切關(guān)注新橋通道主流線位置變化，分析青草沙水庫前沿河床變化及圍堤的穩(wěn)定性;研究提出兼顧河口水生態(tài)環(huán)境的扁擔(dān)沙右緣及沙尾潛堤工程方案，通過工程措施穩(wěn)定新橋通道上游邊界，抑制新橋通道下移的態(tài)勢，從而降低青草沙水庫圍堤失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，維持扁擔(dān)沙灘槽格局穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文分析了長江口南支白茆沙和扁擔(dān)沙灘槽系統(tǒng)近期（1997～2015年）演變過程和主要特征，并重點(diǎn)探討了南支河勢控制對策，主要結(jié)論如下。

（1） 白茆沙整治工程實(shí)施以前，沙體處于沖刷萎縮狀態(tài)，尤其沙尾沖蝕消失，固沙潛堤的實(shí)施提高了沙體穩(wěn)定性。白茆沙北水道持續(xù)淤積萎縮，南水道主槽沖刷南靠，威脅太倉港岸線穩(wěn)定和碼頭安全運(yùn)行。建議加強(qiáng)太倉港近岸河床地形觀測、分析，密切關(guān)注局部險(xiǎn)工段近岸河床沖刷情況和岸坡穩(wěn)定，及時(shí)實(shí)施岸線加固工程。

（2） 扁擔(dān)沙是長江口目前最大的自然演變下的活動沙體，其演變特征主要體現(xiàn)在沙體持續(xù)下移和局部切灘，前者擠壓新橋通道進(jìn)而威脅青草沙水庫前沿圍堤穩(wěn)定，后者則影響總體河槽格局穩(wěn)定。建議及時(shí)實(shí)施兼顧生態(tài)環(huán)境的扁擔(dān)沙固灘整治工程，遏制扁擔(dān)沙切灘，穩(wěn)定新橋通道，維持南支總體河勢穩(wěn)定。

隨著長江入海泥沙量的持續(xù)減小，長江口灘槽系統(tǒng)響應(yīng)將呈現(xiàn)新的格局，下階段需開展長江口優(yōu)良河勢格局評價(jià)和構(gòu)建的系統(tǒng)研究，為新格局環(huán)境下長江口綜合治理提供技術(shù)支撐。

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（編輯：謝玲嫻）D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A