長江河口北港北汊河勢演變及趨勢分析

徐文曉，程和琴，鄭樹偉，劉高偉，陸雪駿，吳帥虎，郭興杰

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062；2.上海河口海岸科學研究中心，上海301201；3.上海市地質調查研究院，上海300072）

長江河口北港北汊河勢演變及趨勢分析

徐文曉1，程和琴1，鄭樹偉1，劉高偉2，陸雪駿1，吳帥虎1，郭興杰3

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062；2.上海河口海岸科學研究中心，上海301201；3.上海市地質調查研究院，上海300072）

在分析長江口北港北汊河段實測水文資料及1977-2013年海圖基礎上，研究近30多年來該河段河勢演變趨勢及其影響因素。結果表明：（1）歷史上，北港北汊河段經歷了團結沙與北港北沙的交替更迭；（2）北港北汊是一個典型的復式河槽，其上段1995-2006年以沖刷為主，2006-2013年以淤積為主；中段1995-2013年均以沖刷為主；下段變化不大。（3）洪水導致了北港北汊復式河槽格局的形成，而北槽深水航道北導堤和橫沙東灘促淤圈圍工程限制了北港落潮水流通過橫沙東灘串溝進入北槽，進而導致北港北汊分流增加，是北港北汊發展的重要因素。

北港北汊；北沙；長江洪水；青草沙水庫；橫沙東灘促淤圈圍

北港北汊是北港入海通道中一個重要的分汊，走向為西南—東北向，長約34.4 km，平均寬度約3.2 km，其北側是崇明東灘，南側為北港北沙，東部瀕臨東海（圖1）。河槽形態為典型漲、落潮槽并存的復式河槽（茅志昌等，2014）。漲潮槽靠近崇明團結沙水閘一側，呈NE-SW向；落潮槽位于漲潮槽南側約0.96 km附近，呈SW-NE向，沿北港北沙沙頭向東北方向延伸。

隨著上海社會經濟的飛速發展，土地資源短缺與社會經濟發展之間的矛盾日益突出，沿海灘涂資源的拓展、保護和開發已成為上海緩解用地矛盾的一條有效途徑（武小勇，2005）。北港北汊河段北側的崇明東灘是上海最大的一片灘涂資源，南側的北港北沙將要進行促淤工程（茅志昌等，2008），因此北港北汊的河勢演變與其南北兩側的灘涂資源保護、利用、開發密切相關；另外，位于北港上段水域的青草沙水庫，目前承擔了上海市約70%的原水供應，為上海城市發展和工農業生產提供了有利的保障（陳涇等，2014），而北港北汊河段銜接北港與外海，汊道走向正對青草沙水庫下游水泵閘，東海漲潮流對青草沙水庫“避咸蓄淡”將會產生一定的影響，尤其是枯季東北向大風所致鹽水入侵對青草沙水庫的影響更甚（項印玉等，2009；沈煥庭等，2003；朱建榮等，2013；Li etal，2010，2014；嚴棋等，2015；王紹祥等，2015；侯成程等，2013；Wu et al，2010）。因此，該河段河勢演變研究十分重要。本文根據最新北港北汊水域洪、枯季實測潮流、懸沙濃度數據及歷史海圖資料，分析了北港北汊河段水文泥沙特性、河勢演變趨勢及其影響因素。

圖1 長江口及研究區域示意圖（示意圖為2013年地形圖資料畫成）

1 資料與方法

1.1歷史海圖資料

收集了從1977-2013年長江口北港北汊的9幅海圖資料，包括長江口及附近1977年（1∶150 000）、1982年（1∶120 000）及1990年（1∶120 000）；長江口北部1995年、2001年、2006年、2010年、2013年（1∶120 000）；北水道及海門水道（1∶120000）。經掃描后，采用ArcGIS軟件進行海圖數字化，得到1977-2013年各年份北港北汊的水深（基面為理論最低潮面）點數據，建立不同時期的水下地形圖，并分析了3個關鍵斷面變化特征，同時討論了北港北汊的河勢變化及穩定性。

1.2研究方法及說明

1.2.1 現場測量與優勢流、優勢沙計算

2011年12月9-10日和2012年6月6-7日利用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP），對長江口北港北汊（H1）測點連續26 h定點測量，2011年12月11-12日和2012年6月8-9日對北港下段橫沙島北側（H2）測點進行測量（圖1），H1、H2測點的經緯度分別為（31°25′46″N，121°53′32″E）、（31° 23′7″N，121°54′9″E）。優勢流計算公式：優勢流=平均落潮流歷時*平均落潮流速/（平均落潮流歷時*平均落潮流速+平均漲潮流歷時*平均漲潮流速），若值大于50%，代表落潮優勢為主，值小于50%，為漲潮優勢流為主。優勢沙計算公式：優勢沙系數=落潮輸沙量/（漲潮輸沙量+落潮輸沙量），若系數大于0.5，代表落潮優勢沙為主，系數小于0.5，則為漲潮優勢沙為主（Simmons et al，1969）。

1.2.2 北港北汊分流比計算

為了估算北港北汊的分流比，利用ADCP對橫沙島至崇明團結沙水閘之間進行水文斷面調查（見圖1中G-H斷面），同時于相同潮流時刻，對橫沙東灘北至北港北沙進行水文斷面調查（見圖1中J-K斷面）。北港北汊分流比=（GH斷面的水通量-JK斷面的水通量）/GH斷面的水通量，水通量由ADCP后處理軟件計算獲得。限于測量條件，選擇準同步斷面測量，即J-K斷面走航時間為2015年7月1日落急時刻，G-H斷面走航時間為7月2日落急時刻，兩次測量斷面均選擇大潮落急時刻。斷面未覆蓋范圍由測量船實時差分GPS定位及其在2013年地形圖上的定位與0 m岸線之間的距離確定。GH斷面未覆蓋范圍，北側為402 m，南側為179 m，斷面總長度為6 680 m；JK斷面未覆蓋范圍北側為354 m，南側為170 m，斷面總長度為5 490 m。實時差分GPS定位精度為亞米級。將上述斷面的左右岸距離參數分別輸入ADCP后處理軟件配置模塊中，即可導出斷面水通量（表2）。

2 結果

2.1洪、枯季大潮潮流特征

潮流歷時：H1、H2測點洪枯季落潮流歷時均大于漲潮流歷時。H1測點（北港北汊河段）洪季漲潮流歷時為4.1 h，落潮流歷時為8.1 h，落潮較漲潮長4 h，枯季漲潮流歷時為5.3 h，落潮流歷時為7.1 h，落潮較漲潮長1.8 h；H2測點（橫沙東灘北）洪季漲潮流歷時為3.9 h，落潮流歷時為8.5 h，落潮較漲潮長4.6 h，枯季漲潮流歷時為4.8 h，落潮流歷時為7.9 h，落潮較漲潮長3.1 h。

平均流速：潮周期內H1、H2測點洪季垂線平均流速均大于枯季。H1測點洪季平均流速為0.95m/s，枯季為0.73 m/s，洪季較枯季大0.22 m/s，H2測點洪季平均流速為0.64 m/s，枯季為0.6 m/s，洪季較枯季大0.04 m/s。

優勢流、優勢沙：H1、H2測點洪季優勢流、優勢沙均大于枯季。H1測點洪季優勢流、優勢沙分別為0.72、0.8，枯季優勢流、優勢沙分別為0.52、0.27，優勢流洪季較枯季大0.2，優勢沙洪季較枯季大0.53；H2測點洪季優勢流、優勢沙分別為0.82、0.85，枯季優勢流、優勢沙分別為0.61、0.47，優勢流洪季較枯季大0.21，優勢沙洪季較枯季大0.38（表1）。

2.2北港北汊分流比

通過物理斜面模型與巖質邊坡受力分析，發現高中物理模型受力分析與巖質邊坡受力特征非常相似；尤其是邊坡滑動時，物理斜面模型與巖質邊坡受力特征一致，斜面摩擦力與巖質邊坡下滑粘結力計算方法一致，所以巖質邊坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

大潮落急階段，橫沙島至崇明團結沙水閘斷面（GH）實測水通量約為62 005 m3/s，誤差范圍為+520 m3/s，北港南汊斷面（JK）實測水通量約為55 460 m3/s，誤差范圍為+500 m3/s，分流比達89%，由此可估算得北港北汊分流比大約為11%，水通量為6 545 m3/s（表2）。

表1 2011年12月枯季、2012年6月洪季大潮北港下段測點（H1、H2）潮流特征

表2 2015年洪季落急階段北港北汊分流比

2.3河勢變化特征

2.3.1 0m等深線變化特征

1977年，團結沙與崇明島之間有一條漲潮泓道，泓道平均寬度約2 km，泓道內最大水深8 m。1979-1982年，上海市實施筑壩堵泓道工程，1982年團結沙西側與東旺沙相連；1986-1990年，漲潮泓道淤塞，團結沙并靠崇明島；1991年團結沙圍墾成陸，1995年崇明東灘東南的北港河段陸續發育了一系列的心灘型沙洲，統稱為北港北沙，隨著北港北沙的淤漲淤高，將北港入海水流分為兩部分，北港北沙以北為北港北汊，以南為北港入海主流，北港北沙0 m等深線呈現分布零散、包絡面積較小的特征（圖2、圖3）。2001年北港北沙與1995年相比沙體形態變化較大，0 m線包絡面積增長了近一倍，達到30.2 km2（圖3）。2006年，北港北沙面積持續增長，達到38 km2。2010年北港北沙面積繼續擴大，2013年北港北沙面積比2010年增加13.7 km2。

2.3.2 -2 m等深線變化特征

1977-1982年團結沙與崇明島之間-2 m槽寬呈“上段窄中下段寬”的特點（圖4），1986-1990年，團結沙并靠崇明島后，-2 m等深線形狀呈“鋸齒狀尖頭”的特點，并發育有漲潮溝。1995年北港北沙形成，其-2 m等深線包絡的面積約119.1 km2。2001年，北港北沙-2 m線與崇明東灘-2 m線分開，-2 m線包絡面積增加至146.2 km2，且在團結沙水閘南側形成一個長6.7 km、寬500 m的-2 m水深以淺的沙脊，面積約2.8 km2。2006-2013年，該沙脊向北港北沙的方向移動，在下移過程中，沙脊尾部向南淤漲，并與北港北沙沙頭相連。

圖2 北港北汊河段0 m等深線變化圖（1977-2013年）

圖3 1995-2013年北港北沙0 m、-2 m等深線包絡面積增長趨勢

2.3.3 -5 m等深線變化特征

1982年與1977年相比，-5 m線包絡面積增加至2.55 km2，沙包形態變得狹長（圖5）。1986-1990年，由于團結沙并靠崇明島，漲潮泓道淤塞，-5 m等深線消失。1995-2001年，北港北沙逐漸形成了-5 m沙頭，北港北汊發育成典型漲落槽并存的復式河槽。2006年，漲潮槽和落潮槽繼續發展。2010年漲潮槽未發生較大變化，落潮槽已淤淺衰亡。2013年，落潮槽再次出現。

2.4典型橫斷面演變特征

對北港北汊1995-2013年3條典型橫斷面進行了分析，各斷面端點經緯度見表3，具體特征如下（圖6）：AB斷面1995-2001年呈明顯的南強北弱的沖刷態勢；2001-2006年，南側繼續沖深且最大水深達到6.8 m；2006-2010年，形勢翻轉，呈北沖南淤；2010-2013年，則整體上斷面呈淤積態勢，斷面形態呈“W”型。CD斷面1995-2013年以沖刷為主，深泓向北崇明東灘側移動。下段EF斷面位于最大渾濁帶區域，水深較淺，1995-2013年，整體上斷面沖淤變化不大。

圖4 北港北汊河段-2 m等深線變化圖（1977-2013年）

表3 北港北汊典型斷面端點經緯度

2.4.2 等深線槽寬、-5 m以下斷面面積及最大水深變化特征

AB斷面1995-2013年-2 m槽寬變幅較小，1995-2006年，-5 m線以下斷面面積、-5 m槽寬持續增加，斷面水深持續刷深；2006-2013年，形勢翻轉，-5 m以下斷面面積、-5 m槽寬均大幅減少，最大水深持續減小，整體上呈淤積態勢。CD斷面位于北港北汊中段，距離漲落潮槽較遠，-2 m槽寬自1995-2013年變幅較小，平均值為2 300 m，斷面水深持續刷深。EF斷面-2 m槽寬自1995-2013年變幅較大，1995年斷面-2m槽寬為6895m，2001年縮窄至5 288 m，2001年后-2 m槽寬變化較小，處于相對穩定時期，斷面最大水深變化不大（表4）。

3 北港北汊河勢演變影響因素

3.1洪水造床作用的影響

圖5 北港北汊河段-5 m等深線變化圖（1977-2013年）

圖6 北港北汊典型斷面變化

北港北汊河段1977-2013年0 m、-2 m等深線變化特征顯示：2001年才出現完整的河槽形態（圖2、圖4），其可能由1998、1999年長江流域特大洪水形成。特大洪水在長江河口河槽成形過程中起主導作用，前人研究認為長江河口洪水造床流量為60 400 m3/s（惲才興，2004）。1998年，大通水文站實測最大洪峰流量達81 700 m3/s，造成南北港分流口上提，北港分流分沙比加大，底沙大量運輸下移（茅志昌等，2008；陸雪駿等，2015）。受此影響，在北港北沙的北側沖出一條落潮槽，北港北汊開始成為漲、落潮槽并存的復式河槽（圖5），AB斷面2001年-5 m線以下斷面面積較1995年增加了10倍多，達到362.48 m2。因此特大洪水對北港北汊河勢起著格局性影響。

表4 北港北汊典型斷面等深線槽寬、-5 m線以下斷面面積與最大水深

3.2促淤圈圍及大型工程建設的影響

促淤圈圍是影響北港北汊河勢演變的一個重要因素。1979-1982年上海市實施筑壩堵泓道工程，造成1986-1990年北港北汊河段-2 m等深線形狀呈“鋸齒狀尖頭”特點，并發育有多個漲潮溝（圖4）；之后，團結沙圍墾成陸，約束了北港北汊漲潮水流，漲潮水流變強，堤外潮灘受漲潮流的強烈沖刷，形成了漲潮槽（茅志昌等，2014），見圖5。其它研究表明：長江口北槽深水航道北導堤以及橫沙東灘促淤圈圍工程的建設實施，限制了北港落潮水流通過橫沙東灘串溝進入北槽，固定了橫沙東灘岸線，促進了灘地的穩定增長，從而導致橫沙通道與北港北汊分流增加（武小勇，2005；王維佳等，2014；郭興杰，2015；朱文武等，2015；杜景龍等，2013；施野等，2015）。實測資料也顯示，2015年北港北汊落急階段分流比可達11%，說明北港北汊也具有一定的分流能力。而且，2011和2012年北港北汊上段洪季大潮落潮優勢顯著，枯季大潮仍然落潮優勢，但枯季優勢沙卻較小（表1）。因此，北港北汊遵循長江河口區普遍存在的洪沖枯淤規律。

同時，青草沙水庫以及長江大橋工程的建設，縮窄了北港上段河槽，使得大量泥沙沖刷至下游，造成攔門沙河段河槽容積減小，河槽淤積（劉瑋瑋等，2011；李伯昌等，2012；劉高偉，2015），因此，其對北港北汊是否也具有影響值得探討。對比青草沙水庫及長江大橋施工階段與北港北汊河勢情況發現，1995-2001年，工程建設尚未開始，北港北汊上段斷面南側沖刷深度較北側強，-5 m線以下斷面面積、最大水深持續增加；2006年青草沙水庫建設前期，長江大橋處于建設期，北港北汊河勢明顯受到影響，表現為上段斷面北側淤高，而斷面南側繼續沖深，-5 m以下斷面面積、最大水深繼續增加；2010-2013年，青草沙水庫及長江大橋已投入運行，北港北汊河勢處于再次調整階段，整體上呈淤積態勢，上段斷面形態呈“W”型，-5 m以下斷面面積急劇下降，2010年斷面積減少到168.75 m2，較2006年下降了9倍多，斷面最大水深下降，2013年較2006年淤高了2.1 m（圖6，表4）。因此，北港北汊的局部河勢在一定程度上與北港大型工程的建設及投入有關，但其機制尚待研究。

4 結論

自20世紀70年代以來，長江口北港北汊河段發生了明顯變化。

（1）北港北汊河段由于自然及人為因素的作用，歷史上經歷了團結沙與北港北沙的交替更迭。

（2）北港北汊河段為一個典型漲、落潮槽并存的復式河槽，近20多年來，漲、落潮槽變化整體穩定；其上段1995-2006年以沖刷為主，2006-2013年以淤積為主；中段1995-2013年均以沖刷為主；下段變化不大。

（3）洪水是導致北港北汊復式河槽格局形成的主導因素，而北槽深水航道北導堤和橫沙東灘促淤圈圍工程限制了北港落潮水流通過橫沙東灘串溝進入北槽導致北港北汊分流增加，則是北港北汊發展的重要因素，但青草沙水庫及長江大橋建設后北港北汊整體淤淺機制，需待進一步研究。

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（本文編輯：袁澤軼）

Analysis of river regime evolution and trend prediction for the north inlet of the North Channel in the Yangtze Estuary

XU Wen-xiao1,CHENG He-qin1,ZHENG Shu-wei1,LIU Gao-wei2, LU Xue-jun1,WU Shuai-hu1,GUO Xing-jie3
（1.Institute of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China;2.Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center,Shanghai 301201;3.Shanghai Institute of Geological Suwey,Shanghai 200072,China）

By analyzing recently measured hydrological data and historical charts for the north inlet of the North Channel in the Yangtze Estuary from1977 to 2013,the river regime evolution and its impact factor for the last 30 years are investigated in this paper.The results show that:(1)The Tuanjiesha shoal and the Beisha shoal alternated with each other in the north inlet of the North Channel in history；(2)The north inlet of the North Channel is a typically compound channel.Its upper section mainly experienced the scouring of seabed from 1995 to 2006 and the deposition of sediments from 2006 to 2013.And the middle section had been mainly scoured from 1995 to 2013,while the lower section changed scarcely during this period. (3)Big floods in 1998 and 1999 led to the formation of compound channel of the north inlet of the North Channel.The north jetty of the deep-water navigation channel in the North Passage combining together with the reclamation engineering on the Hengsha East shoal prevented the ebb flow of the North Channel from entering into the North Passage via the string hook on the Hengsha East shoal,contributing to the increased distributaries of the channel,which is one of the most important factors in the development of the north inlet of the North Channel.

the north inlet of the North Channel;the Beisha shoal;Yangtze River flood;Qingcaosha reservoir;the reclamation engineering on the Hengsha East shoal

P75

A

1001-6932（2017）02-0160-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.006

2015-11-13；

2016-01-13

國家自然科學基金（41476075）。

徐文曉（1989-），碩士研究生，主要從事河口海岸動力沉積研究。電子郵箱：xuwenxiaofan@163.com。

程和琴，教授，博士生導師，主要從事河口海岸水下工程地貌和海岸帶管理研究。電子郵箱：hqch@sklec.ecnu.edu.cn。