長江河口主槽地貌形態觀測與分析

吳帥虎，程和琴，胥毅軍，李九發，鄭樹偉，徐 韋，陸雪駿

(1. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA)

長江河口主槽地貌形態觀測與分析

吳帥虎1，2，程和琴1，胥毅軍2，李九發1，鄭樹偉1，徐 韋1，陸雪駿1

(1. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA)

人類活動可以改變流域至河口的泥沙輸運與沉積。盡管一些近期的研究已經調查了長江河口的形態演變，然而，流域和河口工程如何影響河口河床的形態演變仍然是不清楚的。該文利用2010年至2015年多波束測深系統和淺地層剖面儀等先進現場測量儀器的長江口主槽走航測量資料，并結合主槽表層沉積物資料，分析了近年來人為強干擾下的長江河口主槽底床微地貌形態，以理解近期人類活動對河口的影響。結果顯示：近年來長江河口主槽底床上除了存在平床、沙波、沖溝和沖刷痕等常見微地貌形態外，還存在著疏浚痕和凹坑等人為微地貌形態。在流域和河口大型工程的共同影響下，近年來南北港中上段、橫沙通道和南槽上段均受到不同程度的沖刷，其主槽底床上呈現出不同程度沖溝和沖刷痕等侵蝕性微地貌。而由于疏浚工程的影響，南港下段、圓圓沙航槽和北槽航道底床上出現了大范圍的疏浚痕和凹坑。近年來包括南槽上段、北槽主槽中段和下段的局部區域和北港攔門沙河段局部區域在內的長江河口最大渾濁帶的河床沉積物有粗化趨勢。南北港中上段和橫沙通道的大部分區域均發育了大量沙波微地貌；總體上，長江河口沙波的波高在 0.12 ～3.12 m，波長在2.83～127.89 m，波高/波長在0.003～0.136，長江河口中上段的沙波尺度(波高的均值為0.91 m，波長的均值為20.08 m) 大于密西西比河下游 (波高的均值為0.87 m，波長的均值為17.62 m)，且兩區域沙波的幾何形態差異性較小。

河槽形態；微地貌；多波速；長江河口

Abstract: Human activities can alter riverine sediment transport and deposition in estuaries. Although a few recent studies have investigated the morphological evolution of the Yangtze River estuary in China, it is still unclear how micromorphologic bedforms of the estuarine bed are affected by upstream river engineering. This study analyzed the change in micromorphology of the Yangtze River estuary bed over the past five years to understand the impacts of recent human activities on estuarine river reach. In 2010, 2014 and 2015, multi-beam riverbed surface measurements were conducted in the Yangtze River estuary with acoustic multi-beam bathymetric and Sub-bottom profilers. And its bedforms were analyzed over time. Bottom sediment samples were collected for grain size analysis. Results show that in addition to four kinds of common bedforms: smooth surface, dune, gully and scour mark, there are also two kinds of bedforms under the human intervention: dredging mark and hollow. Under the influence of a series of large-scale engineering with watershed and estuary, the middle and upper reaches of the North and South Channels, the Hengsha Passage, and the upper reach of the South Passage are subject to different degrees of erosion in recent years, so there are varying degrees of erosive bedforms: gully and scour mark. Due to dredging engineering, there is a large range of dredging marks and hollows distributed in the lower reach of the South Channel, the Yuanyuansha waterway and the North Passage. And there large dunes developed in the middle and upper reaches of the South and North Channels, and the Hengsha Passage. Overall, with the dunes being 0.12 to 3.12 m high and possessing a range of wavelength from 2.83～127.89 m, there yields a range in the dune form index ( or aspect ratio; height/wavelength) of 0.003～0.136. Much larger dunes (an average height of 0.91 m and an average length of 20.08 m) were detected in the middle and upper reaches of the Yangtze River estuary, much smaller dunes (an average height of 0.87 m and an average length of 17.62 m) occurred in the lower reach of the Mississippi River, showing little difference in the geometry of these dunes.

Keywords: channel morphology; river bedforms; multi-beam profiling; Yangtze River estuary

水下微地貌普遍存在于河流、河口和淺海的底床上[1-2]，其成因與近底層流動與不規則底床的交互作用有關[3]。微地貌在一定程度上反映了流場水動力和泥沙條件的變化[4-5]，其存在和發育可能影響航運、水下管道和水下電纜的安全[6]，對其幾何特性的預測對于估測河流洪水期間的水位尤為重要[7]。因此，各種各樣的水下微地貌被鑒別出來，包括平滑床底、沙波、沙丘、凹坑和沖溝等，其中沙波成為國內外學者研究的焦點。目前國外對沙波的研究主要集中在沙波背流面橫軸渦流引起的泥沙再懸浮[8-9]和沙波形態學結合水動力數值模擬的研究[10-11]。國內主要從沉積學和潮動力的角度對沙波進行研究[12-14]。而自19世紀50年代以來人們對于微地貌和泥沙之間交互作用的理解主要來自于水槽實驗[15-17]，對野外實測的微地貌研究仍然是不足的。基于底沙的實驗模型的形態動力學機制，一個綜合的微地貌相位圖被創建[1]，而這相位圖表明泥沙輸運對微地貌的形成起到至關重要的作用[18]。

長江為我國第一大河流，世界第三長河，全長6 300余米，每年從流域攜帶大量的泥沙以不同的運動形式輸送到河口, 塑造了肥沃的長江三角洲平原和形態、規模各異的水下微地貌[19]。自19世紀以來人們一直注重較大時空尺度的地貌演變，如貝殼堤、南岸邊灘推展、北岸沙島并岸等，尤其是特大洪水對南北支、南北港和南北槽等分汊河道世紀性巨變的控制[20]。而由于儀器條件的限制，對水下微地貌的研究較少，盡管20世紀90年代已有部分學者對長江口主航道和水下底坡上的微地貌形態特征進行了初步的研究[21-23]，然而，這些研究均不夠全面且主要集中在未經人類活動干擾的自然河口的微地貌形態，對人類活動強烈干擾下的微地貌形態的研究是極其罕見的。而近年來人類活動對河流包括河口地區的干擾逐漸增強，三峽水利工程和南水北調工程等長江流域大型工程的實施對長江口的來水來沙產生較大影響，青草沙水庫和深水航道治理工程等河口大型工程的興建又必將對河口河槽地形邊界條件的變化產生較大影響，從而導致長江河口河槽微地貌也處于不斷地演變適應中。因此，本文旨在分析探討近年來人為干擾下長江口主槽底床的微地貌形態特征和分布規律，為長江河口的整治開發提供服務。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區概況

長江河口屬于中等強度的潮汐河口，口外為正規半日潮，口內為非正規半日淺海潮，口門附近的中浚站多年平均潮差為2.66 m，最大潮差為4.62 m。長江河口為一典型的分汊河口，自徐六涇以下先被崇明島分為南支和北支，南支在瀏河口以下又被長興島和橫沙島分為南港和北港，南港又被江亞南沙和九段沙聯合沙體分隔為南槽和北槽。經歷2 000余年來河口發育而形成了如今三級分汊、四口入海的基本地形格局[24](如圖1所示)。

1.2 現場觀測

分別于2010年 1月 27- 30日、 2014 年7月 11- 18 日和2015年2月1-7日利用多波束測深系統和淺地層剖面儀等現場測量儀器多次對長江口主槽進行走航測量，并使用抓泥斗采取底質樣品，走航路線詳見圖1所示。其中，多波束測深系統為SeaBat7125，工作頻率為200/400 kHz，最大頻率為50 Hz(±1 Hz)，波束為512個，理論探測深度為0.5～500 m，測深分辨率為6 mm。淺地層剖面儀為Edge Tech 3 10 0，拖魚為SB-216S，工作頻率范圍為2～16 kHz，脈沖長度20 m/s ,工作功率 2 000 W,最大適應水深300 m,垂直分辨率6～10 cm, 能穿透6 m砂層, 松散泥層80 m。密西西比河下游的多波速測深數據來自于美國陸軍工程兵團。

圖1 長江口走航測線及微地貌分布Fig. 1 Bed configuration survey line and bedform morphology in the Yangtze River estuary

1.3 室內數據分析

本航次使用的現場觀測儀器均由微機控制操作和獲取數據, 并通過專用軟件對所有獲得的數據進行處理、計算和制圖工作。在實驗室將沉積物樣品經六偏磷酸鈉溶液和超聲波分散后，用Coulter(LS-100Q)激光粒度儀進行粒度測定。采用福克分類標準，分為黏土類(<0.003 9 mm)、粉砂類(0.003 9～0.062 5 mm)和砂類(0.062 5～2 mm)，并通過砂-粉砂-黏土組分含量三角圖示法對沉積物進行命名，含量大于20%的組分參與命名，且含量低的在前，含量高的在后。搜集了長江口北港2002年(1∶10 000)、2012年(1∶25 000)、橫沙通道2002年(1∶10 000)、2013年(1∶15 000)和南槽2002年(1∶10 000)、2013年(1∶60 000)的海圖水深數據，通過數字高程模型繪制了長江河口北港、橫沙通道和南槽河段沖淤變化平面圖。

2 研究結果

2.1 常見自然微地貌形態

1)平滑床底：為長江口水下底床表面上分布最廣的一種微地貌現象，在多波束測聲系統和淺地層剖面儀記錄上表現為無任何特殊聲學反射的均勻圖像。床底表面平坦光滑，無起伏或起伏較小，床底下淺地層沉積物結構穩定，層理連續無間斷，沉積物組分均勻，類型較為單一，為穩定的床底表面形態。

2)沖溝：在多波束測深系統和淺地層剖面儀記錄上顯示是一種狹長彎曲的微地貌形態(圖2(c))，走向基本一致。規模較小的沖溝，一般長度20～100 m，下切深度0.5～1 m，寬度2～5 m，發育較為普遍。規模稍大的沖溝長度可達百米之上，下切深度1～3 m，寬度5～7 m。沖溝內常由松散沉積物所充填，缺少任何與周圍床底相關的結構和層理。沖溝主要分布在北港的中上段(圖1)。另外，大范圍的明顯的沖刷痕分布在橫沙通道的主槽床面上(圖1和2(d))。

3)沙波：近年來長江口沙波波長介于2.83～127.89 m，波高介于0.12～3.12 m，沙波指數介于0.003～0.136。大部分的沙波是高度不對稱的，向陸坡傾角介于1.57°～29°，向海坡傾角介于1.10°～15.51°，呈彎曲的波狀形態，方向不一，差異較大。在多波束測深系統和淺地層剖面儀記錄上表現為表面強反射而穿透深度淺(圖2(a))。有大范圍的沙波發育在長江河口的中上段和橫沙通道(圖1)，南港中上段的沙波波高和波長分別在0.12 ～3.12 m 和2.83～127.89 m (表1), 沙波指數的均值為 0.06, 多為不對稱沙波，向陸坡傾角和向海坡傾角分別在2.20°～29.0°和1.30°～13.78°。而北港中上段的沙波波高和波長分別在0.13～2.4 m 和 4.3～106.72 m, 沙波指數的均值為0.047, 不對稱沙波占優勢，向陸坡傾角和向海坡傾角分別在1.57°～20.6°和1.10 °～9.05°。橫沙通道的沙波波高和波長分別 0.13～1.18 m 和3.74～20 m,均值分別為0.49 m和8.93 m，沙波指數的均值為0.056。

圖2 沙波、凹坑、沖溝、沖刷痕和疏浚痕在多波束測深系統和淺地層剖面儀上的記錄Fig. 2 Dune, hollow, gully, scour mark and dredging mark on the acoustic multi-beam bathymetric and sub-bottom profile record

區域波高/m波長/m向海坡傾角/(°)向陸坡傾角/(°)最大值均值最大值均值最大值均值最大值均值南港中上段3.120.89127.8919.313.785.7429.09.02北港中上段2.41.11106.7225.59.054.4020.67.47

2.2 人為微地貌形態

近年來由于航道疏浚和挖槽， 凹坑或洼地以一種負地形形式出現在多波束測深系統記錄上(圖1和2(b))，凹坑多呈圓形或橢圓形，規模較小的凹坑直徑在數米至數十米不等，下切深度通常小于1 m，規模稍大的凹坑直徑在百米之上，下切深度1～5 m。洼地多由數個凹坑交匯而成，形態不規則，長度一般都在百米以上。此外，還有大量的疏浚痕出現在南港下段、圓圓沙航槽和北槽航道底床上(圖1和2(e))，北槽中段的疏浚痕明顯多于上段和下段。

圖3 近期長江河口主槽底床沉積物分布類型Fig. 3 Types of surface sediment in the Yangtze River estuary recently

2.3 沉積物類型和粒徑

對近年來在長江口走航調查時同步采集的主槽表層沉積物的中值粒徑進行對比分析，結果表明(圖3,表2)：長江口主槽底床上分布的沉積物主要由細砂、粉砂質砂、砂質粉砂、粉砂和黏土質粉砂組成。

黏土質粉砂是主要的沉積物類型，占到所有沉積物(169)的30%，主要分布在長江河口的下游(最大渾濁帶)，包括北槽的(14%), 南槽中下游的(5%) 和北港攔門沙河段的(8%)。細砂(20%)主要分布在長江河口的中上段、橫沙通道和最大渾濁帶的主槽，南北港中上段和橫沙通道的細砂的中值粒徑分別在130～178 um、105～237 um和130～200 um，南槽上段、北港攔門沙河段和北槽局部區域的細砂的中值粒徑分別在136～204 um 、120～175 um 和144～165 um。粉砂質砂(11%)主要分布在北港。砂質粉砂(19%) 和粉砂(20%) 主要分布在圓圓沙航槽和河口攔門沙區域。

表2 長江河口各河段主要沉積物類型及粒級分布Tab. 2 Types and grain size distribution of sediment in the Yangtze estuary

3 討 論

3.1 影響沙波形成的因素

沙波是一種河流、河口和淺海環境中常見的水下微地貌形態[25]。其發育與來沙量和底床質地有關。其形成受底質沉積物性質的限制，一般形成于平均粒徑大于0.15 mm的沙質沉積區[4]。而通過上文的分析得知近年來長江口主槽底床上的沉積物大部分由黏土質粉砂、粉砂和砂質粉砂組成，故大部分區域發育為平滑床底形態。而南北港中上段和橫沙通道河段主槽底床大部分區域，及南槽上段、北槽深水航道南側局部區域和北港攔門沙河段局部區域的沉積物均以細砂為主，有利于沙波的發育。充足的沉積物是沙波發育的基礎[26]。每年接近5×1011kg 的來沙量和大約0.8 ×1011kg 的粗顆粒沉積物在長江河口區域沉積下來[4], 為沙波的發育提供了豐富的泥沙來源。由于沙波的規模大小與徑流量成正相關關系[27], 而近年來北港的落潮流分流比大于南港[28], 橫沙通道的來水來沙量是更小的。因此，北港中上段的沙波尺度(波高的均值為0.98 m，波長的均值為22.1 m)>南港中上段的沙波尺度(波高的均值為0.62 m，波長的均值為12.5 m)>橫沙通道的沙波尺度(波高均值為0.49 m ，波長均值為8.93 m)。而南北港中上段和橫沙通道的沙波指數分別為0.06、0.047 和0.056, 表明其在沙波的幾何特性上有較小的差異。

3.2 流域來水來沙變化的影響

近年來，在水土保持、水庫攔沙和河道采砂等人類強干擾活動的影響下，長江干流至河口的水沙態勢發生了顯著的變化，特別是干流上修建的大量的水庫樞紐工程，對河道攔沙發揮了重要作用[29]。長江河口潮區界大通站徑流量在2003—2010年以來沒有明顯的變化趨勢，在多年平均值上下波動，在2010—2013年波動較明顯(圖4)。大通站輸沙量在2002—2013年期間波動明顯，總體上呈持續減小趨勢(圖4)，這將提高水流的挾沙能力，導致近年來長江河口受徑流控制的中上段的主槽處于微沖刷環境，此種環境下容易形成沖溝和沖刷痕等侵蝕性微地貌。而來沙量的減少對于南北槽的形態演變的影響比較微弱[30]。

圖4 長江大通站近年來徑流量與輸沙量變化Fig. 4 Change of the annual runoff and suspended load in recent years at the Datong station in the Yangtze River estuary

3.3 河口工程的影響

近年來人類活動對河口的干擾逐漸增強，修建了一系列的河口工程，如新瀏河沙頭部護灘工程、南沙頭通道限流工程等對南北港分流口的河勢穩定起到了一定的積極作用[31]，而中央沙圈圍、青草沙水庫和橫沙東灘促淤圈圍等工程的實施，穩固了北港上段的南邊界[32]，在其影響下，近年來北港中上段河槽不斷受到沖刷且沖刷態勢向下延伸(圖5)，導致其攔門沙河段也受到一定程度的沖刷，在2002年至2012年北港河段泥沙凈沖刷量為6.54 × 108m3，平均每年沖刷0.65 × 108m3。在其沖刷環境的影響下，近期北港主槽底床上廣泛發育沖溝。

圖5 長江口2002-2012年北港河床沖淤厚度分布Fig. 5 Thickness of deposition or erosion from 2002 to 2012

橫沙通道是連接北港與北槽的主要通道，其演變主要受來水、來沙條件和自身河床邊界條件控制[33]，近期周邊實施的北槽深水航道治理工程、橫沙東灘促淤圈圍工程和橫沙通道內側的岸線圈圍工程，在一定程度上改變了橫沙通道的水沙條件和河床邊界條件[34]，在其影響下近年來橫沙通道河槽持續受到沖刷(圖6(a))，2002年至2013年泥沙凈沖刷量為0.86 × 108m3，平均每年沖刷0.08 × 108m3，而其沖刷環境導致河槽底床上發育大量明顯的沖刷痕。

圖6 長江口2002-2013年橫沙通道和南槽河床沖淤厚度分布Fig. 6 Thickness of deposition or erosion from 2002 to 2013

南港的下段、圓圓沙航槽和北槽航道均受到在1998至2010年實施的長江口深水航道治理工程的影響。而南港航道和圓圓沙航槽均是未采取工程措施而通過疏浚開挖形成的人工航道[35]，為了保持航道12.5 m的水深，需進行挖槽疏浚，導致近期南港下段和圓圓沙航槽底床上出現了大量的疏浚痕微地貌。而北槽是長江口深水航道治理工程的主要整治段，當航槽水深增至12.5 m,泥沙同樣會在航道內產生快速回淤(表3)，以懸沙絮凝沉降落淤為主，且回淤主要集中在中段[36]，為了保持航道的水深,也必須不斷地進行挖槽疏浚，導致其底床上出現了大量的疏浚痕微地貌。因此在南港下段、圓圓沙航槽和北槽中段的底床上均可見大范圍的疏浚痕，北槽上段和下段疏浚痕相對較少。

表3 10 m航道及12.5 m航道各段回淤量統計表[37]Tab. 3 Back silting quantity statistics of channels with 10 m and 12.5 m depths back-silting volume

注：表中回淤量均含非常態回淤量。

3.4 與前人研究的對比

前人研究表明，20世紀90年代長江河口最大渾濁帶內泥沙級配以粉砂和淤泥為主[38]，河床質顆粒中值粒徑為0.056～0.009 8 mm，優勢粒徑為0.063～0.008 mm；懸沙的中值粒徑為0.008 8～0.004 mm，優勢粒徑為0.003 2～0.000 4 mm。已有研究也表明，南北槽分汊口下游河段因河床表層沉積物粒度組成較細，主要以黏土質粉砂為主[39]。而本文研究發現近年來包括南槽上段、北槽深水航道南側局部區域和北港攔門沙河段局部區域在內的長江河口最大渾濁帶的底床沉積物以細砂為主，其原因與上游來沙量減少，青草沙水庫工程和深水航道治理工程關系密切。由于長江河口來沙量銳減和青草沙水庫工程的實施，北港的中上段受到嚴重沖刷且沖刷態勢向下延伸[32]，導致攔門沙河段的局部區域也受到沖刷 (圖5)，有助于河床表層沉積物的粗化。而深水航道治理工程對南北槽河段河床沉積物的粗化至關重要，其中南北槽分流口潛壩工程的實施導致南北槽分流比發生變化，南槽落潮分流比明顯增加[30]，導致南槽河段的上段受到較強沖刷(圖6(b))，與該區域沉積物的粗化有關，而北槽局部區域水動力發生明顯變化，泥沙輸運模式也發生變化[30]，可能與該區域河床沉積物的粗化有關。

3.5 與密西西比河下游的對比

由于密西西比河口以河流作用為主，受到潮汐的影響較小，故其河口與密西西比河下游的動力條件和微地貌特征差別不大，因此將長江河口以河流作用為主的長江河口中上段與密西西比河的下游的沙波微地貌進行對比(表4)，結果發現：長江河口中上段的沙波尺度(波高的均值為0.91 m，波長的均值為20.08 m)大于密西西比河下游的沙波尺度(波高的均值為0.87 m，波長的均值為17.62 m)。而長江河口中上段的波高/波長的平均值(0.054)與密西西比河下游(0.049)差別不大，表明長江河口中上段與密西西比河口下游沙波的幾何形態差異性較小。

表4長江河口中上段和密西西比河下游的沙波的幾何特征

Tab.4StatisticalcharacteristicofdunesinthemiddleandupperreachesoftheYangtzeRiverestuaryandthelowerreachesoftheMississippiRiver

區域波高/m波長/m向海坡傾角/(°)向陸坡傾角/(°)波高/波長最大值均值最大值均值最大值均值最大值均值均值長江河口中上段3.120.91127.8920.0813.785.0929.08.780.054密西西比河下游3.160.8746.0217.6231.644.2759.339.340.049

4 結 語

1)近年來長江口主槽底床表面上除存在沙波、沖溝和沖刷痕等常見微地貌形態，還存在著人為干擾下的疏浚痕和凹坑等微地貌形態。

2)南北港中上段和橫沙通道的大部分區域均發育了大量沙波微地貌，北港中上段沙波尺度較大，南港中上段次之，橫沙通道略小，且沙波的幾何特性上有較小的差異；總體上，長江河口沙波的波高在 0.12 ～3.12 m，波長在 2.83～127.89 m，波高/波長在0.003～0.136。長江河口中上段的沙波尺度(波高的均值為0.91 m，波長的均值為20.08 m)大于密西西比河下游 (波高的均值為0.87 m，波長的均值為17.62 m)，且兩區域沙波的幾何形態差異性較小。由于受三峽蓄水工程等流域大型工程的影響，在流域來水量變化不明顯，來沙量銳減的情況下，近年來長江河口中上段主槽整體上處于微沖刷環境，北港河段沖刷程度更甚且沖刷態勢向下延伸，其攔門沙河段亦受到一定程度的沖刷，促進了沖溝和最大渾濁帶河床沉積物的粗化，而深水航道治理工程的實施導致北槽和南槽的落潮分流比和泥沙輸運模式發生變化，可能與北槽和南槽最大渾濁帶的沉積物的粗化有關。而由于疏浚工程的影響，南港下段，圓圓沙航槽和北槽航道主槽底床上出現了大范圍的疏浚痕和凹坑微地貌。

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Observation and analysis of bedform morphology of the Yangtze River estuary

WU Shuaihu1, 2, CHENG Heqin1, XU Yijun2, LI Jiufa1, ZHENG Shuwei1, XU Wei1, LU Xuejun1

(1. State Key Laboratary of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA )

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.008

1005-9865(2016)06-0065-09

2016-02-11

國家自然科學基金項目(41476075)；中國地質調查局(DD20160246)

吳帥虎(1986-)，男，陜西戶縣人，博士研究生，主要從事自然地理學專業。E-mail: wushuaihuxiaolaoda@163.com

程和琴(1962-)，女，安徽績溪人，教授，博士生導師，主要從事河口海岸工程地貌與環境研究。E-mail: hqch@sklec.ecnu.edu.cn