長江口崇明東灘及相鄰區域地形演化與驅動因素分析

郭興杰，嚴學新，王寒梅，沙偉，秦渭華，唐迎洲，徐健

( 1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 國家海洋局東海海洋環境調查勘察中心，上海 200137；3. 上海市水務規劃設計研究院，上海 200233)

1 引言

長江河口呈“三級分叉，四口入海”基本態勢，且由于其毗鄰上海市，人類活動頻繁，對海岸帶地形演化有一定的驅動效應。灘涂是由河口及近海地區長期泥沙沉降堆積而形成[1]，但是這種特殊地貌相對尺度較小，脆弱性也很明顯[2]。過去十來年沿江沿海區域高速發展，灘涂圈圍成為很多地區緩解土地利用壓力的重要途徑[3]，其不僅是土地資源，也是重要的生態資源，研究河口灘涂的演化規律關系到其周圍航運通暢、生態保護以及近岸工程等安全性。

長江口復雜的動力沉積環境塑造了多種形式的地形，其演變機理復雜，影響因素眾多，既受到徑流、河海兩相輸沙、潮汐、潮流、波浪等影響，也受到汊道分流分沙、鹽淡水交互、異重流等影響，許多學者從水沙測量、沉積物采集、地形勘測等形式對長江口地貌進行了較豐富的研究[4-9]，由于潮灘地形數據監測的難度和經費的限制，對灘涂地形演化的系統性和連續性測繪和研究一直較少[10-13]，一些學者利用遙感技術對崇明東灘地形進行研究[14-16]，以及圍墾工程后影響評估[10，17-18]，由于崇明東灘及其周邊是國家級自然保護區和中華鱘保護區，所以近年來很多研究都集中在生物生態的研究上[18-21]。

長江口河段屬于水運和資源高度利用河段，人類活動影響較為明顯，受地形數據測量難度和精度的限制，對近期崇明東灘及周圍地形演化需要進一步深化研究。因此，本文利用高分辨率單波束測深數據和遙感圖像，并結合GIS分析方法對崇明東灘演化研究，以期回答以下問題：（1）在自然演化和人類活動雙重影響下，近年來崇明東灘的演化格局及其演化機理機制；（2）徑流輸沙、風暴潮、水庫、圍墾等因素等對地形演變的驅動效應；（3）東灘演化和人類活動的相互關系。

2 研究區概況與方法

2.1 研究區的選擇與概況

長江口主要水動力由潮流控制，大型灘涂基本發育于攔門沙河段。本文研究區為崇明東灘圍墾區外緣區域，包括北港北沙區域，在崇明東灘及相鄰區域間存在一個北港北汊道（圖1）。研究區北側為長江口北支，近年來不斷束窄淤淺；南側為北港下段，對岸為橫沙東灘大型圍墾區；西側為崇明島，1950年以來進行了大量圍墾工程，2005年東灘作為國家自然保護區進行保護，外緣為中華鱘自然保護區；東側經佘山島瀕臨東海海域。研究區受到工程和自然演化因子的共同影響。

2.2 徑流水沙特征

長江口來水來沙可由大通站控制，統計2001-2017年《長江泥沙公報》大通站水沙數據。長江口近年來徑流輸沙量有所減弱，1960-1986年之間輸沙量與徑流量基本保持正相關關系，在1986年后大通站徑流量變化不大，但是其輸沙量開始減少，尤其是1998年之后，輸沙量減幅增大[9，13]，2006年之后輸沙量在逐年波動，但是基本趨于穩定，年輸沙量基本維持在 1.0×108～1.2×108t（圖 2）。

2.3 研究方法

本文遙感影像數據收集于上海市測繪院地理信息公共服務平臺，地形數據為上海市地質調查研究院實測，測量時間為每年的4-6月，定位系統采用SHCORS系統，潮灘測量采用CORS RTK無驗潮水下地形測量，測量范圍為一線海塘到WGS-84坐標的0 m線位置，測點間距約5 m，測線間距略大，約為2 km；0 m以下地形利用丹麥Teledyne ODOM公司的單波束測深儀測得，儀器精度約1～10 cm±1%測深，并結合美國天寶公司的R8雙頻GPS接收機進行間距為500 m的斷面測量，單波束測點間距約5 m，測深數據經過多潮位站修正，部分海上潮位站為測量時臨時設置（圖1）。坐標采用理論最低潮面，WGS-84坐標。平面定位最大和最小誤差分別是±1.99 m和±0.95 m。

遙感影像數據直接接入ArcGIS平臺處理作圖，地形數據在ArcGIS軟件中進行插值和網格化處理，采用Kriging法插值，并建立DEM地形模型，在地形模型中提取斷面，地形相減形成沖淤模型。數據選擇年份為2011年、2013年、2015年和2017年，為更好的定量對比崇明東灘的地形變化，本文研究區域選取固定面積的區域進行對比研究，圍墾堤壩為研究區邊界，選擇最新圍墾后的研究區定量計算面積（圖1）。水動力數據利用上海市地質調查研究院與三峽大學合作的灘涂相關專題研究計算所得，采用MIKE21_FM模塊，東灘附近網格局部加密，并對中浚、九段沙東、雞骨礁和小洋山4個潮位站水位數據進行驗證。

3 結果

3.1 歷史地形演化

圖1 研究區域示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the research area

圖2 2001-2016年大通站水沙量統計Fig. 2 Statistics of water and sediments of the Datong Station in 2001-2016

1842年崇明東灘呈向東延伸的“舌狀”邊灘，后1907年在北港攔門沙段北側出現陰沙，1960年陰沙淤積出露成為心灘明沙，稱為團結沙，后團結沙“北淤南蝕”，向西側灘涂并靠發展，1979年人工筑壩堵汊，團結沙與東灘連在一起。由于團結沙筑壩堵汊工程的實施，改變了其周圍水流特性，原團結沙外側受漲潮流的沖刷形成第二個離灘沙體，經過多年的發育成為北港北沙，與崇明東灘之間的汊道稱為北港北汊道。1842年至今，崇明東灘不斷淤漲，但是近年來淤積速率逐漸趨緩[11-12]。

3.2 地形橫向擺動變化

研究區外側基本以-5 m等深線為邊界，邊灘沙尾整體向南偏移，而東灘以0 m等深線為邊界沙尾向北偏移。北港北汊道南側河槽較窄，深度約在-5～-6 m之間，北側河槽漸寬，深度約在-2～-3 m，河道整體呈“北寬淺，南窄深”的格局，研究區靠近北支一側灘涂坡度較陡，靠近北港一側坡度較緩（圖3）。

對崇明東灘0 m、-2 m和-5 m等深線進行對比，2011-2013年間崇明東灘北側0 m和-2 m等深線略有侵蝕向南偏移，后2013-2017年逐漸向北偏移淤積，沙尾處2011-2017年間逐年向外延伸，其中2013-2017年淤積最為明顯。在北港北汊道北側口門處形成一些-2 m心灘；北港北沙南側在2013年形成一個-2 m的陰沙心灘，在2013-2017年間逐漸淤積變大，有與北港北沙并靠的趨勢；北港北沙變化相對較小；-5 m等深線變化相對較小，只在佘山島附近略有侵蝕現象（圖 4）。

圖3 2011-2017年研究區地形變化Fig. 3 Topographic changes of the research area in 2011-2017

計算崇明東灘等深線包絡面積，可知在2011-2013年間0 m、-2 m等深線包絡面積變小，但是在2013-2017年間包絡面積逐漸增大，0 m、-2 m等深線變化趨勢基本一致；-5 m等深線變化很小，基本沒有趨勢性變化，所以研究區-5 m等深線并未向外延伸長大（圖 5）。

3.3 地形沖淤變化

2011-2013年間崇明東灘出現小幅度沖刷，尤其是在崇明東灘北側區域，沖刷較為明顯，中間北港北汊道局部淤積，而南側北港北沙區域變化較小，局部沖淤交替，無明顯趨勢；2013-2015年間崇明東灘和北港北沙淤積明顯，崇明東灘一側淤積更為明顯，北港北汊道略為沖刷；2015-2017年間崇明東灘繼續淤積，研究區南側淤積大于北側（圖6）。

圖4 研究區內 0 m（a）、-2 m（b）和-5 m（c）等深線變化Fig. 4 Changes of 0 m (a), -2 m (b) and -5 m (c) contour lines in the study area

圖5 研究區 0 m（a）、-2 m（b）和-5 m（c）等深線包絡面積變化Fig. 5 Envelope area variation of 0 m (a), -2 m (b) and -5 m (c)contour lines in the study area

為準確研究研究區內地形變化，在研究區上、中、下沿著單波束測線分別作了3條剖面，具體位置見圖1，AA′剖面靠近北支口門水域，整體變化平緩，呈淤積態勢，靠近崇明島一側淤積更為明顯；BB′剖面在沙體中間，整個剖面基本呈淤積狀態，在靠近沙尾處坡度增大，2011-2015年間出現明顯的淤積；CC′剖面在北港北沙南側，地形起伏變化大，在上段呈局部沖刷，中下段呈淤積狀態，2011-2017年間崇明東灘和北港北沙基本為淤積長高態勢（圖7）。

4 討論

從上述結果中可知崇明東灘和北港北沙近年來基本呈淤積態勢，只在2011-2013年產生沖刷現象。河勢的穩定是由于水流、泥沙和地形長期相互作用的結果，任何一個因素的改變都會打破河流原有的態勢。近年來河口河槽的演化受人類活動影響明顯，人類活動打破原有的河流演化平衡，后河道經過自適應演化再次達到新的平衡，整個演化過程為平衡-不平衡-平衡。分析人類活動各個因素的影響，以期對河口演化格局進行預測預判。

4.1 地貌特征發育成因

4.1.1 動力地貌特征

由于徑流和潮流相互作用，在流速滯留點形成攔門沙，且徑流攜帶泥沙在離開口門時失去兩側岸線的約束，導致泥沙落淤，所以在此處極易形成灘涂。Dyer和Huntley[22]認為泥沙供應是灘涂形成的主要原因，長江口泥沙來源由“河海雙向來沙”共同決定，徑流和潮流動力變化一起塑造了潮灘地形。關于河口潮灘的成因，一般認為漲落潮流路的時空分異形成橫向環流，而橫向環流又是泥沙沉降聚集的主要原因[23]。

Dyer和Huntley[22]研究認為在河口口門，潮流通道呈漲潮優勢發展方向，而潮流沙脊呈落潮優勢發展方向。本文研究區內崇明東灘“舌狀”沙脊的尾端，-5 m等深線向南偏移，0 m等深線向北偏移。研究區周圍存在3個主要潮流通道，分別為北支口門南汊道、北港北汊道、北港南汊道3條主要潮流通道，由于北支整體為漲潮槽[24]，而南汊道位于北支口門，更接近海域，所以北支口門南汊道基本以漲潮優勢為主。茅志昌等[12]根據實測資料認為北港北汊道是一個漲潮槽，在崇明東灘沙尾處，北港北汊道的落潮流和北支口門南汊道的漲潮流交匯，漲落潮流路不同會形成一個橫向環流，所以淤積明顯，并且沙尾也沿著北港北汊道落潮流的方向發展。而在北港北沙-5 m沙尾處，由于北港下段落潮流與北支口門南汊道漲潮流交匯，也形成一個環流，此區域沙尾亦向落潮流方向發展（圖8），這些結果都可以與Dyer和Huntley[22]的研究結果相論證。

圖6 研究區內地形沖淤變化Fig. 6 Changes of erosion and siltation in the study area

圖7 研究區內剖面變化Fig. 7 Changes in the sections of the study area

圖8 研究區內潮流模型Fig. 8 Divergence of flood and ebb current in the study area

4.1.2 北港北汊道成因分析

根據4.1.1節地貌特征發育成因可知，崇明東灘外緣極易形成沙體，過去歷史上崇明東灘外側一直發育有獨立沙體，過去是團結沙，在東灘和團結沙之間存在一個漲潮的汊道，在漲潮流的作用下，團結沙向西淤漲，汊道束窄，由于汊道的萎縮，漲潮流對東灘一側有一定的頂沖作用，導致東灘岸線侵蝕，后1979年人為實施“種青促淤、阻汊連島”工程，團結沙與崇明東灘并靠[14]。

團結沙和東灘并靠后，在東灘外側又逐漸發育了北港北沙，北港北沙和東灘之間為北港北汊道，過去認為北港北汊道是一條發展的漲潮槽，任其發展的話，可能對青草沙水庫鹽淡水交換以及周圍沙體發育產生較大的影響[25]，但是由于汊道兩側東灘和北港北沙的淤積發展，直接擠壓了北港北汊道北沿，且北港和北支口門南汊道交匯形成的次級環流也不斷推動了北港北沙的淤積發育，現在北港北汊道河槽中在2015-2017年間發育一些-2 m深的陰沙心灘，汊道由漲潮槽轉化為落潮槽，未來此河槽將延續淤積態勢，并且也將導致未來北港北沙和崇明東灘的并岸。

團結沙和北港北沙都是東灘外側獨立沙體，在發育成因和機理上有很多相似性，但也存在一定的差異，首先發育規模不同，團結沙規模約為北港北沙的1/3～1/2，其次周圍圍墾工程的影響也有所不同，團結沙淤漲的過程中，漲潮流對崇明東灘東側岸線沖刷，導致岸線局部后退，但在北港北沙發育淤漲的過程中，北港北汊道先發展展寬，后由于崇明東灘2014-2016年間圍墾區在其北側，導致北側東灘向東淤漲，直接擠壓北港北汊道，東灘主要為人為驅動淤漲，而北港北沙自然驅動淤漲，兩大沙體的淤漲直接導致北港北汊道萎縮，潮流由過去的漲潮優勢轉為現今的落潮優勢。

Cheng等[26]對潮流主控的河口河槽側向環流的不對稱性影響進行研究，并提出以Keh來判斷河口河槽的穩定性，Zhong等[27]利用黃海西南沿岸的潮汐通道實測數據計算Keh參數，判斷潮汐通道的穩定性。本文利用Keh對北港北汊道2011-2017年間河槽穩定性進行判斷，并計算寬深比，對北港北汊道的演化趨勢和穩定性進行判斷，

式中，f是科里奧利參數（，ω=7.27×105rad，其中北港北汊道緯度約φ=31.30°）；B是河槽寬度；U是河槽最大流速，由MIKE21中水動力模塊計算并驗證后所得；g=9.8 m/s2；H是河槽斷面最大水深；根據文獻 [26]可知，β為一個恒定常數，β=7.7×10-4，而Sc為潮汐通道側向鹽度梯度差，由于文獻[27]研究區距離本研究區較近，所以也參照該取值Sc=8。根據平均水深和河寬計算寬深比。

根據表1可知，北港北汊道寬深比較大，斷面bKeh小于1，而斷面cKeh大于1，斷面位置見圖9。根據文獻[26]研究可知，Keh越大河槽的側向環流不對稱性越強，河槽擺幅大，河槽越不穩定，斷面bKeh在2011-2017年間逐漸減小，河槽擺幅小，河槽萎縮趨勢；斷面cKeh在2011-2017年間河槽不穩定，整體變化趨勢亦不明顯，北港北汊道整體為萎縮趨勢，且2011-2017年間寬深比也整體以變小為主。

表1 北港北汊道斷面參數Table 1 Cross-sectional parameters of North Branch of North Harbour

圖9 北港北汊道斷面位置Fig. 9 Profiles location of North Branch of North Harbour

4.2 沙體發育擾動分析

4.2.1 流域來沙的影響

來沙量是決定灘涂地形變化的重要因素，長江口流域來沙減少對下游河道演化有一定的影響，導致下游局部發生沖刷和崩岸現象[28]，從大通站輸沙量和灘涂面積變化幅度關系（圖10）可知，長江徑流輸沙對灘涂淤積影響相對較小，甚至研究區內淤積面積與來沙量變化結果截然相反，所以徑流來沙減少對潮灘的影響較小。

圖10 研究區內沙體面積與徑流輸沙的相對關系Fig. 10 The relationship between shoal area and sediment discharge in the study area

4.2.2 風暴潮影響

根據上海市水務局防汛信息可知，2012年長江口發生過一次較大的臺風，并引起風暴增水，且崇明東灘和北港北沙區域正好靠近東海區域，受風暴潮影響，引起地形的局部強烈沖淤變化，可能是導致2011-2013年間研究區地形沖刷原因。

4.2.3 圍墾工程影響

崇明東灘是長江口重要的圍墾區之一，過去是上海市主要的土地來源之一。本文研究時間為2011-2017年，通過崇明東灘衛片對圍墾堤壩進行整理描繪，以2011年的海堤線為基準，整理逐年新增的圍墾堤壩（圖11）。近年來由于保護區的成立，東灘圍墾速率相對放緩，且2011-2017年間的圍墾基本集中于崇明東灘北邊灘，這些圍墾阻斷了潮溝水系的交流，導致泥沙在圍墾區外淤積，也加快了東灘的淤積速率。

北支近年來束窄萎縮也是導致崇明東灘淤積的另一個主要原因，由于徐六涇節點的圍墾工程限制了北支的分流比，且崇明東灘北沿也進行了一些較大規模的圍墾工程[12]，直接束窄了北支河道，兩個因素共同導致北支萎縮淤積，而北支的淤積也引起了崇明東灘的淤積態勢。

圖11 2011-2017年間崇明東灘圍墾工程Fig. 11 The reclamation project in Chongming Eastern Beach from 2011 to 2017

由于北港青草沙水庫的建設，增加了北港河槽的曲率，引起側向環流對稱性的調整，導致北港落潮流向南偏移量增大，根據“凹岸沖刷，凸岸淤積”的演化規律，落潮流對北側崇明東灘影響變得更小，另外近年來橫沙通道由于沖刷而導致的落潮分流增加[29]，這些北港河槽的變化都是導致北港北沙淤積的因素。

5 結論

通過2011-2017年高精度地形的持續測量和GIS研究等分析了長江口崇明東灘前緣區域的演化，并結合近年來的水沙、風暴潮以及一些工程影響因素進行分析，得出以下結論：

（1）2011-2017年間崇明東灘和北港北沙出現大范圍淤積，研究區整體南側地形變化大于北側，但是-5 m等深線包絡面積幾乎沒有變化，灘涂處于明顯的“長高不長大”格局；研究區中間北港北汊道中出現心灘，呈淤積發展趨勢。

（2）徑流來沙對研究區地形變化影響有限，海相來沙是其淤積的主要物源。潮流是研究區地貌變化的主要動力，研究區內由于3條汊道漲落潮時空分異而形成的兩大環流是形成此地形形態的主要原因。

（3）人類活動是研究區動力變化的主要驅動因素，崇明東灘、北支南沿的圍墾工程直接導致北支和崇明東灘的淤積，其次水庫工程導致北港河槽曲率改變和橫沙通道落潮分流比增加都是引起北港北沙淤積的另一個因素。兩大灘涂的淤積直接擠壓北港北汊的發展，北港北汊淤積可能會引起兩大沙體的并靠。未來如果沒有風暴潮等極端因素影響，此區域會繼續延續淤積長高態勢。