長江口橫沙淺灘演變及水沙變化特征研究

孫 鵬，白 一 冰，劉 星 璐，丁 佩

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120； 2.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210029； 3.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

0 引 言

長江口三級分汊四口入海，灘涂與汊道交錯共容。目前長江口入海處主要灘涂有啟東邊灘、崇明淺灘、橫沙淺灘、九段沙和南匯邊灘共五大淺灘，其中崇明淺灘、橫沙淺灘和九段沙為汊道間心灘，對河勢格局具有控制作用；崇明淺灘和九段沙為國家級濕地保護區(qū)。但橫沙淺灘功能定位目前留白，具有一定的建設發(fā)展空間。

已有學者研究表明，近60多年來長江口灘地區(qū)域呈顯著增長態(tài)勢[1]。2000年之后，在上游流域來沙減少的大背景下，長江口懸浮泥沙含沙量也相應減小[2]，三角洲前緣區(qū)域由淤積逐漸轉化為侵蝕狀態(tài)[3]。但近年來建設的眾多河口工程增加了局部區(qū)域動力學模式的復雜性[4]，部分灘地演變趨勢受到人類工程的影響較大[5]。Luan[6]和Jiang等[7]探討了北槽深水航道治理工程的實施對長江口水域的影響，認為工程的實施有利于橫沙淺灘淤積環(huán)境的形成。Zhu等[8]通過不同時期的歷史影像研究，認為在2010年橫沙淺灘面積達到最大，其演變受人類活動影響較大。關于橫沙淺灘未來的開發(fā)利用方面，劉杰等[9]基于前人對長江口北槽橫沙淺灘灘槽及河勢演變分析，探究了長江口深水航道治理工程的開發(fā)進度以及其對周邊環(huán)境河勢的影響，提出并討論了橫沙淺灘中長期開發(fā)利用的可行性。陳吉余等[10]認為橫沙區(qū)域的自然條件經過人工改造具有開發(fā)基礎，利用橫沙淺灘促淤成陸，建設河口深水大港和新的城區(qū)，可以解決上海土地和港航資源開發(fā)不足的瓶頸。與此同時，包起帆等[11]探討了上海港未來的發(fā)展之路，以橫沙淺灘為依托，提出了建設深水新港的構想，之后曹慧江[12]、路川藤[13]、羅小峰等[14]分別探討了橫沙淺灘建港的不同方案，探討了建港之后對周邊水動力、泥沙輸移的影響。

可以看出，目前針對橫沙淺灘的歷史演變及未來開發(fā)利用已有了較多研究，但由演變引起的淺灘及周邊水域的水沙變化特征研究較少，而自然演變與水沙變化均是灘槽互饋機理研究的基礎，具有重要的研究意義與價值。本文以橫沙淺灘為研究對象，采用實測數據與數學模型相結合的方法，研究不同歷史時期橫沙淺灘及周邊水域的水沙變化特征，以期為橫沙淺灘的保護、開發(fā)和利用提供理論依據和技術支撐。

1 研究區(qū)域

橫沙東灘(含橫沙淺灘)位于長江口橫沙島東緣(見圖1)，屬于長江口五大淺灘之一，橫沙島與灘體由西向東舌形分布(見圖2)。20世紀50～70年代，長興島和橫沙島形成，下游淺灘被沖開，形成北槽，北槽南側灘地發(fā)展為九段沙，北側灘地統(tǒng)稱為銅沙淺灘，經20世紀80年代海島調查后又分為橫沙東灘和橫沙淺灘。隨著橫沙東灘灘涂整治工程的實施，通常情況稱N23潛壩西側為橫沙東灘，東側稱為橫沙淺灘，本文研究的主要區(qū)域為橫沙淺灘。

圖1 長江口灘槽位置示意Fig.1 Schematic diagram of the tidal flat location at Changjiang River Estuary

圖2 橫沙淺灘位置示意Fig.2 Location of Hengsha tidal flat

2 橫沙淺灘演變特征

2.1 等深線變化

由于橫沙淺灘南側為北槽北導堤，西側為N23潛壩，這兩個工程均在1998年之后才實施，故橫沙淺灘近期的演變與此兩個工程息息相關。橫沙淺灘-2 m等深線變化見圖3。1998～2003年間，淺灘-2 m等深線整體向北縮窄，向東擴展。N23護灘潛壩于2003年實施完成，一定程度上增加了潮波傳播阻力，使得橫沙淺灘區(qū)域水流減弱，利于泥沙淤積。2003～2007年，橫沙淺灘-2 m等深線向東偏移了約5 km。自2007年之后，橫沙淺灘-2 m等深線南北向維持穩(wěn)定，東側緩慢淤漲。

圖3 橫沙淺灘-2 m等深線近期變化Fig.3 Isobath (-2 m) changes of Hengsha tidal flat

1998～2019年橫沙淺灘-5 m等深線變化見圖4。受北槽南北導堤與N23潛堤等建設的影響，1998～2007年間，-5 m等深線表現(xiàn)為北側維持穩(wěn)定，東南側持續(xù)淤漲，橫沙東灘呈淤積趨勢，其中東南角最大外移距離約4 km。自2007年后，-5 m等深線的東側和北側形態(tài)基本穩(wěn)定，隨著北槽深水航道治理工程的實施，受北導堤沿堤流的影響，-5 m等深線南側持續(xù)蝕退，灘體與北槽北導堤間形成明顯的沖刷帶，且形成逐漸向上游發(fā)展態(tài)勢。

圖4 橫沙淺灘-5 m等深線近期變化Fig.4 Isobath (-5 m) changes of Hengsha tidal flat

2.2 斷面形態(tài)變化

橫沙淺灘斷面水深分布見圖5(斷面位置見圖2)，其中DM1斷面在1998～2003年整體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，沖刷幅度呈中間向南北兩側衰減分布，最大沖刷約為1.5 m。2003～2010年間靠近北港側淤漲，水深恢復至1998年水平，中間局部地區(qū)呈沖刷狀態(tài)，最大沖刷深度約1.6 m；2010～2016年除中間3 km段沙體淤漲(淤積程度最大為1.8 m)，兩側基本處于沖刷狀態(tài)，局部沖刷幅度最大為3 m左右；2016年后基本處于沖淤平衡狀態(tài)。1998～2019年斷面平均沖刷厚度為0.51 m，沖淤形態(tài)表現(xiàn)為中部約3 km淤積，兩側沖刷。DM2斷面在1998～2003年間兩側沙體沖刷，最大沖刷深度為0.83 m，中間4 km段沙體淤漲，最大淤積1.35 m；2003～2010年，兩側沙體微淤，幅度均小于0.5 m，中段9 km沙體大幅淤漲，最大淤積幅度達2.14 m；2010年之后沖淤在局部稍有不同，總體變化較小，斷面平均沖淤幅度小于0.2 m。1998～2019年斷面平均淤積厚度為0.32 m，沖淤形態(tài)表現(xiàn)為中部約6 km淤積，兩側沖刷。DM3與DM2斷面變化較為類似，表現(xiàn)為中間沙體淤積、兩側沖刷，隨著時間的推移，中段沙體淤積程度逐漸增加，最大淤積幅度達3.1 m；在靠近北槽一側，受沿堤流的影響，在2003年之后形成明顯的沖刷槽，最大沖刷深度約1.9 m。1998～2019年斷面平均淤積幅度為0.66 m，沖淤形態(tài)表現(xiàn)為中部9 km淤積，兩側沖刷。DM4斷面近北槽側受沿堤流影響，最大沖刷深度達2 m，其他區(qū)域均為淤積狀態(tài)，斷面中部淤積幅度最大達1.9 m，其中1998～2010年淤積幅度較大，斷面平均淤積達0.93 m，之后隨著時間的推移，持續(xù)淤積，增幅減緩。1998～2019年斷面平均淤積厚度為1.01 m，除近北槽側的沖刷帶，其他區(qū)域均為淤積狀態(tài)。

圖5 橫沙淺灘不同年份斷面水深分布Fig.5 Water depth distribution of Hengsha tidal flat in different years

總體來看，橫沙淺灘沙體1998～2010年整體呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，中心沙體區(qū)域淤積程度較大，2010年后靠近北港側的沙體上游侵蝕，下游微淤，靠近北槽側沙體下游區(qū)域由于受到北導堤沿堤流的影響形成了一定寬度的沖刷帶，2016～2019年沙體斷面形態(tài)總體變化程度較小。

2.3 沙體體積變化

統(tǒng)計多年橫沙淺灘沙體體積的變化如圖6所示，統(tǒng)計范圍為N23護灘堤以東部分的-2 m、-5 m等深線以上沙體。從圖中可以看出，1998～2019年，橫沙淺灘沙體體積有所增大，-5 m以淺沙體體積共增加0.88億m3，-2 m以淺沙體體積增加0.52億m3。從全過程來看，1998～2019年，沙體體積變化過程呈先增大后減小的趨勢，-5 m以淺沙體體積在2010年達到最大，2010年后呈沖淤交替的狀態(tài)，整體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)；-2 m以淺沙體體積變化過程與-5 m有所差別，-2 m以淺沙體體積在2015年左右達到最大，之后有沖有淤，總體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)。

圖6 橫沙淺灘不同年份沙體體積統(tǒng)計Fig.6 Sand volume of Hengsha tidal flat in different years

3 橫沙淺灘水沙變化特征

3.1 數學模型的構建

由于橫沙淺灘水域歷年來水文測驗資料較少，難以直接采用實測水文資料分析該水域的水沙環(huán)境，因此采用數學模型進行研究。

本次數學模型選用CJK3D軟件構建。該軟件適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動力、泥沙、水質、溫排、溢油模擬預測研究，其二維水動力泥沙方程可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：t為時間，s；x，y為笛卡爾坐標系空間坐標，z為水面高程，m；H為總水深，m；h為水深，m；u，v為流速在x，y方向上的分量，m/s；f為科氏系數，s-1；g為重力加速度，m/s2；ρ為水體密度，kg/m3；C為謝才系數，m1/2/s；Nx，Ny為x、y向水流紊動黏性系數，m2/s；S為懸浮泥沙濃度，kg/m3；Kx，Ky為水平紊流擴散系數，m2/s；ωs為泥沙平均沉降速度，m/s；α為泥沙沉降幾率，%；Q為泥沙源強度，kg/(m2·s)。采用非結構網格有限體積法對方程(1)～(4)進行離散求解，具體數值求解方法參見文獻[15]。

模型研究范圍見圖7。為更好地模擬橫沙東灘及其周鄰水域，本次模型包括整個長江口和杭州灣在內，上游邊界至安徽大通，南側邊界至浙江臺州，北側邊界至江蘇鹽城，東側至橫沙島外約240 km，模型總長超過700 km，寬約630 km。模型采用三角形網格作為控制單元，共78 146個網格，最大網格邊長約為18 800 m，橫沙淺灘水域網格加密，最小網格邊長約為100 m。

圖7 模型范圍示意Fig.7 Schematic diagram of model scope

選用長江口多年典型固定測站點數據作為驗證資料，站點數據穩(wěn)定，應用廣泛，可很好地反映長江口區(qū)域的水流運動。采用2017年7月10～19日實測同步水文資料對模型進行驗證，潮位站點及水文測驗垂線位置參見圖8，潮位、潮流及含沙量驗證見圖9～11。為直觀分析評價數值模型的精度，采用均方根誤差RMSE對模型計算結果和實測資料進行統(tǒng)計分析，誤差統(tǒng)計結果見表1，計算公式如下。

表1 模型驗證誤差統(tǒng)計結果Tab.1 Statistical results of model validation error

圖8 模型測驗點示意Fig.8 Schematic diagram of model test points

圖9 潮位驗證Fig.9 Tidal level verification

圖10 潮流驗證Fig.10 Tidal current verification

圖11 含沙量驗證Fig.11 Verification of sediment concentration

(5)

式中：Zcal和Zobs分別表示潮位的模擬值和實測值，N為實測數據點個數。

由驗證結果及表1均方根誤差統(tǒng)計結果可以看出，潮位與潮流的模擬結果值與實測值的吻合度都很好，長江口的潮汐類型為不規(guī)則半日潮，每天都有兩次漲潮兩次落潮的過程。含沙量的計算結果與實測值量級一致，平均含沙量的最大誤差為23%，發(fā)生在NG3′測點?？傮w來看，模型驗證良好，能夠反映長江口附近海域的潮流運動。

設置3組數值試驗工況，分別選取1998年、2010年、2016年長江口實測地形資料為工況計算水深條件，通過數學模型研究橫沙淺灘不同時期的水沙條件。數學模型上游徑流分別采用多年洪季平均流量(5～10月)3.7萬m3/s和枯季平均流量(11月至次年4月)1.7萬m3/s兩種計算條件，外海邊界為潮汐水位驅動，選用典型大潮潮型，其中雞骨礁站潮差為4.26 m。

3.2 水動力變化特征

圖12為洪季漲落急時刻流向變化。圖13為洪季條件下橫沙淺灘周邊-5 m等深線以深水域流速變化(采樣點位置見圖12)，洪季和枯季流速變化趨勢較為一致，漲、落急與平均流速變化趨勢基本相同，故本節(jié)僅以洪季漲、落急流速變化為代表進行討論。受圈圍工程縮窄河道的影響，橫沙東灘整治區(qū)北側(DW1～DW3)漲、落急流速均呈逐漸增大趨勢(漲急為漲潮最大流速，落急為落潮最大流速，下同)，其中上游區(qū)域DW1漲急流速增幅達40%。受N23潛壩和周邊工程的作用，淺灘北側(DW4～DW5)采樣點自1998～2010年，落急流速增大，其中淺灘北側DW4落急流速增加17%，2010～2016年間維持穩(wěn)定。淺灘東側(DW6～DW8)漲落急流速均有所減弱，減小幅度在10%左右。沖刷帶上游區(qū)域(DW10)落急流速呈減小趨勢，1998～2016年減小約為20%。

圖12 洪季流向變化(紅色為1998年，藍色為2016年)Fig.12 Variation of flow direction during flood season(red：1998，blue：2016)

圖13 橫沙淺灘周邊-5 m以深水域流速變化Fig.13 Variation of flow velocity in water below -5 m around Hengsha tidal flat

圖14為洪季橫沙淺灘-5 m等深線以淺水域漲、落急流速變化。由圖14可知：受北槽北導堤及N23潛堤的影響，漲急時橫沙淺灘-5 m等深線以淺水域，除淺灘西北區(qū)域HS3點流速增大外，其余大部分采樣點流速呈減小趨勢，減小幅度在10%～20%之間；落急時，變化過程與漲急基本類似。

圖14 橫沙淺灘周邊-5 m以淺水域流速變化Fig.14 Variation of flow velocity water above -5 m around Hengsha tidal flat

3.3 含沙量變化特征

圖15為橫沙淺灘周邊-5 m以深水域平均含沙量變化。由圖15可知：各水域洪季平均含沙量整體高于枯季，不同時期含沙量變化趨勢基本一致，故以下僅以洪季變化為代表進行討論。橫沙淺灘周邊-5 m以深水域，北港下段橫沙東灘整治區(qū)北側(DW1～DW3)處，1998～2010年間含沙量有明顯降低，上游區(qū)域由1.27 m3/kg降低為1 m3/kg，降幅達21%，2010～2016年變化較小。淺灘北側(DW4～DW6)處，含沙量維持穩(wěn)定。淺灘東側(DW7～DW10)以及北導堤北側沖刷帶處，含沙量持續(xù)降低，尤其是沖刷帶處，1998～2010年，平均含沙量降低接近40%，2010～2016年，呈持續(xù)降低趨勢，降幅減小至10%。圖16為橫沙淺灘-5 m以淺水域平均含沙量變化。1998～2010年，除淺灘西北角HS3點外，其他各采樣點含沙量整體降低，這與流速的變化趨勢較為一致。其中淺灘西南角處降幅最大達46%，其他區(qū)域降幅均在10%～20%之間。2010～2016年，除淺灘西北部HS3、HS4點含沙量略有升高外，其他區(qū)域含沙量持續(xù)降低，降幅均在10%左右?？傮w來看，除局部區(qū)域外，橫沙淺灘及周邊水域含沙量整體呈降低趨勢，結合實測資料結果及水動力的變化特征分析，橫沙淺灘面臨侵蝕風險，未來需要加強關注沙體的穩(wěn)定性，這也與文獻[16]中沙體未來的演變趨勢預測一致。

圖15 橫沙淺灘周邊-5 m以深水域含沙量變化Fig.15 Variation of sediment concentration in water below -5 m around Hengsha tidal flat

圖16 橫沙淺灘周邊-5 m以淺水域含沙量變化Fig.16 Variation of sediment concentration in water above -5 m around Hengsha tidal flat

3.4 淺灘演變及措施

(1) 長江口近年來含沙量變化。由于橫沙淺灘缺少現(xiàn)場含沙量觀測資料，因此通過分析長江口主要汊道含沙量變化作證本文研究成果。1999～2017年多年含沙量變化可參考文獻[17]，三峽工程實施后，南支、南港、北港、南槽含沙量水平明顯減小，北槽攔門沙區(qū)段因特殊動力因素，含沙量變化較小?？傮w來看，長江口含沙量水平總體呈降低趨勢。本文橫沙淺灘含沙量變化研究成果與長江口大環(huán)境含沙量變化趨勢一致。

(2) 工程影響。從數學模型的水沙變化中也可以看出，1998～2016年間橫沙淺灘區(qū)域內整體潮流動力減弱，含沙量降低；1998～2010年間北槽深水航道工程的實施改變了淺灘區(qū)域的水流結構，淺灘區(qū)域形成一定的淤積環(huán)境，在此時段內，淺灘沙體等深線向外擴展，沙體體積逐漸增加，這也與前人的研究成果相同[6-7]。北槽深水航道工程于2010年驗收，工程實施的影響減弱，之后淺灘演變受上游來沙及淺灘區(qū)域內水沙動力影響較大，淺灘-5 m以上沙體體積于2010年達到最大，-2 m以上沙體體積于2015年達到最大，2015年后淺灘沙體已出現(xiàn)一定的侵蝕現(xiàn)象。未來在長江口邊界以及水沙條件不變的條件下，橫沙淺灘有可能進一步發(fā)生侵蝕。

(3) 應對措施。目前北槽深水航道疏浚土大多作為廢棄物直接外拋至海洋，僅一小部分通過吹泥上灘實現(xiàn)疏浚土的資源化利用[18]，造成了疏浚土資源的極大浪費?？蓪M沙淺灘保護與長江口北槽疏浚土利用相結合，提高疏浚土的資源化利用，重構橫沙淺灘生態(tài)灘面，實現(xiàn)對長江口區(qū)域淺灘資源的有效維護。

4 結 論

本文以長江口橫沙淺灘為研究對象，基于多年的實測資料，分析了橫沙淺灘近期的演變特征，并通過建立大范圍的數學模型，探討了橫沙淺灘及周邊區(qū)域的水沙變化特征，形成以下基本認識。

(1) 1998～2010年，橫沙淺灘淤積較為明顯，中心沙體區(qū)域淤積程度較大。-2 m和-5 m等深線整體向東擴展，-5 m以淺沙體體積在2010年達到最大。2010年之后，橫沙淺灘上游微沖，下游微淤，-2 m等深線繼續(xù)向東擴展，-2 m以淺沙體體積在2015年左右達到最大，-5 m等深線基本維持穩(wěn)定，之后淺灘沙體體積表現(xiàn)為侵蝕狀態(tài)。

(2) 三峽工程實施后，長江口上游區(qū)域含沙量大幅降低，攔門沙區(qū)段水體受影響較小。橫沙淺灘周邊-5 m等深線以深水域，橫沙東灘整治區(qū)北側流速總體增大，含沙量降低，淺灘東側流速整體減小，含沙量降低，北導堤北側沖刷帶處，漲急流速整體增大，落急流速減小，含沙量持續(xù)降低；橫沙淺灘-5 m等深線以淺水域，大部分區(qū)域流速和含沙量呈持續(xù)減小趨勢。

(3) 橫沙淺灘未來面臨侵蝕風險，可考慮利用航道疏浚土資源改善灘體結構，預防灘涂資源流失，穩(wěn)定周邊河勢，為未來淺灘的開發(fā)利用提供有利條件。