流域水沙變化和人類活動對長江口河槽演變的影響

劉 杰，程海峰，韓 露，葉婷婷，王珍珍

(上海河口海岸科學研究中心，上海 201201)

因流域閘壩工程、水土保持和氣候環境變化等因素的影響，世界著名河口大都出現因流域來沙減少引起的水下三角洲侵蝕、岸線后退和濕地損失等問題，如埃及的尼羅河口[1]、美國的密西西比河口[2]和我國的黃河河口[3]和長江口[4-7]等。而河口區域的人類活動如筑堤圍墾、航道整治等對河口沖淤演變的影響亦較明顯，使得河口的人工控制作用得以增強[8-9]。因此，河口沖淤演變的趨勢特征能夠反映特定時段自然條件和人類活動的影響，對掌握河口未來中長期演變趨勢有重要參考意義。

因豐富的流域來沙堆積，2 000 年來長江口遵循南岸邊灘推展、北岸沙島并岸、河口整體向東南延伸的演變模式[10]。最近20 年來，流域水沙條件發生了明顯變化，三峽工程建設和長江輸沙量變化及其對長江口河床演變的影響引起國內外不少專家學者的關注，如Yang 等[4]分析認為長江口水下三角洲沖淤平衡時河口大通站臨界輸沙量年均2.60 億t，如低于該臨界值，口門外水下三角洲將出現大范圍侵蝕。李從先等[5]基于長江三角洲地區鉆孔資料計算得到長江三角洲形成和發育期間的長江年均輸沙量為1.84～2.28 億t。黎兵等[6]對三峽工程建設前后的水下地形資料進行對比，認為三峽水庫蓄水初期（2007 年前）對長江口沖淤變化的影響并不顯著，但2007 年后長江口的沖淤變化與三峽水庫蓄水相關性明顯；劉杰等[7]認為受流域減沙的影響，2008 年之后長江口口內的南支、南港和北港上段的含沙量明顯下降，河槽沖刷、容積擴大，長江口水下三角洲前沿有兩個沖刷區，年平均沖刷深度0.1 m 左右。上述研究結果對流域水沙變化及其對長江口水下三角洲沖淤演變影響進行了初步研究，但對長江口河槽演變趨勢、沖淤轉變時點和臨界輸沙量等方面認識還存在分歧。同時，1998 年之后，隨著航道治理和岸灘整治圈圍等重大涉水工程的實施，長江口區域的人類活動增強，人類活動對長江口河槽演變的影響漸趨明顯。目前，對流域水沙變化和人類活動對長江口河槽演變過程影響還缺少系統的分析研究。為此，本文采用1998 年以來長江口水下地形數據，對長江口近期河槽演變特征進行分析，探討河口沖淤轉變的時點和臨界輸沙量，進一步明晰河口未來的演變趨勢。

1 區域概況

長江口為豐水、多沙、中等潮汐強度的河口，平面呈三級分汊、四口入海的河勢格局，共有北支、北港、北槽、南槽4 個入海通道。長江流域來水量多年來變化不大，但來沙量受流域水土保持和閘壩工程建設的影響，20 世紀80 年代中期以來出現下降趨勢（圖1），長江大通站年輸沙量下降約四分之三。1998 年以來，長江口航道整治和水土資源開發強度加大，如對河口主要灘涂南匯東灘、橫沙東灘、中央沙、青草沙和北支新村沙等范圍進行了整治、促淤和圈圍（圖2），固定了岸灘，縮窄了局部河槽寬度。

圖 1 大通站年輸沙量、年平均含沙量變化過程（1955—2016）Fig. 1 Changes of the annual sediment load and average suspended sediment concentration at Datong hydrological station from 1955 to 2016

圖 2 長江口主要涉水工程位置和河槽容積計算區域Fig. 2 Location of main water-related projects and calculation area of channel volume in the Yangtze River estuary

長江口4 條入海汊道中，北支多年來已成為受漲潮控制的河道，流域水沙條件變化對其影響不明顯。為此，本文重點關注長江口南支以下河槽的沖淤變化，收集整理了1998—2016 年5 幅長江口徐六涇到口外大范圍全測水下地形數據（測量時段為每年的7—12 月），重點對比分析流域減沙和河口涉水工程影響下的河槽沖淤過程。水下地形數據基準面為理論最低潮面，比尺1∶50 000，數據來自長江口航道管理局和上海河口海岸科學研究中心。利用Surfer 軟件，對各測次相同范圍內的水下地形進行沖淤分析，分區段計算了河槽容積和沖淤量等（圖2）。

2 河槽演變的趨勢特征

2.1 河口灘槽格局總體穩定

歷史上長江口河床沖淤變幅較大，灘槽格局易變動。而1998 年以來的近20 年，長江口“三級分汊、四口入海”的河勢格局和各汊道的灘槽格局保持穩定，沒有大的汊道和沙體產生（圖3）。其中，南支上段維持以白茆沙為江心洲的分汊河型，南支下段維持以新瀏河沙為主要分流口的南北港分汊河型，5 m 河槽走向和平面位置相對穩定；扁擔沙維持東南西北長條形、穩定于南支主槽北側。北支下段及口外維持漲潮槽形態，5 m 河槽偏靠北岸。南港保持南側主槽、瑞豐沙和北側長興水道相鄰的W 型復式河槽。長江口下段及口外呈“南匯東灘-南槽-九段沙-北槽-橫沙淺灘-北港-崇明東灘-北支”攔門沙灘槽相間的格局。

圖 3 長江口5 m 等深線對比變化Fig. 3 Variation of 5 m isobath in the Yangtze River estuary

2.2 南支以下河槽由凈淤積向凈沖刷轉變

1998 年以來，長江口南支以下河床沖淤變化見圖4，沖淤面積和沖淤方量比值見表1。

圖 4 長江口1998—2016 年沖淤分布Fig. 4 Scouring-silting distribution below the South Branch of the Yangtze River estuary from 1998 to 2016

表 1 長江口南支以下河槽沖淤對比變化Tab. 1 Comparison of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary

由圖4 和表1 可知，1998—2002 年長江口處于凈淤積態勢，該時段河口沖刷方量小于淤積方量，沖刷面積小于淤積面積；而2002—2010 年，則基本呈沖淤平衡、略有沖刷的態勢，期間河口沖刷量已大于淤積量，但沖刷面積仍小于淤積面積。而2010—2016 年，河口則已呈現明顯的凈沖刷態勢，期間河口沖淤量之比為62∶38，沖淤面積之比為61∶39。由此表明，近20 年長江口發生了由凈淤積向凈沖刷的轉變，即河口河槽演變由總體淤積轉向了總體沖刷。

2.3 口內河槽沖刷、容積擴大

圖4 顯示近20 年河口沖刷主要集中在深槽區域，淤積則主要發生在淺灘區域。圖2 所示區域的南支、南港和北港0 m 以下河槽容積均呈明顯擴大態勢（圖5）。為進一步了解各河段的河槽形態變化，統計了0～20 m 深度范圍內的水面面積變化（圖6）。圖6 顯示，各河段因自然條件和工程影響不同，河槽沖淤態勢存在一定的差異。南港受自然變化和瑞豐沙人工采沙的影響[11]，0 m 以下河槽整體沖刷，即灘、槽普遍刷深（圖6(b)）。南支、北港（上段）灘淤、槽沖，基本以2 m 水深為分界，2 m 以淺的沙體區域略有淤積，2 m 以深的河槽普遍沖刷，其中水下10～15 m 深度范圍內河槽沖刷最為明顯。

圖 5 南支、南北港0 m 以下河槽容積變化Fig. 5 Variation of channel capacity below 0 m isobaths in the South Branch, South Channel and North Channel

圖 6 南支、南北港0～20 m 深度范圍內的水深面積變化Fig. 6 Variation of water depth and area in the depth range of 0～20 m in the South Branch, South Channel and North Channel

2.4 口外航道攔門沙淺灘長度縮短

長江口南、北槽和北港入海水道均存在明顯的航道攔門沙。1998—2010 年，北槽航道攔門沙受航道整治工程的影響，攔門沙河槽大幅沖深，在此基礎上疏浚開通12.5 m 深水航道。而南槽和北港近年來因進口側沖刷和口外水下三角洲前沿侵蝕[7]，航道攔門沙淺灘長度明顯縮短（圖7）。但攔門沙灘頂水深仍維持在5.5～6.0 m，多年來變化不大。

圖 7 南槽、北港航道攔門沙縱剖面變化Fig. 7 Variation of longitudinal section of channel bar along South Passage and North Channel

3 討 論

3.1 河口灘槽穩定的原因

20 世紀中葉前，長江口處于自然演變狀態，河口河槽演變主要受自然驅動力產生的水沙變化作用，河床沖淤劇烈，岸、灘、槽的變化均較明顯。20 世紀中葉至1998 年，隨著江堤海塘等護岸工程的實施，人類活動對河口的干預逐漸增強，期間河槽演變受自然水沙變化和人類活動的雙重作用[8-11]，表現為岸線受到人工控制得以穩定，但河道內的灘槽變化依然明顯。如20 世紀50 年代北槽入海水道的形成，60 年代到90 年代南北港分汊口的多次“上提下挫”及其與此相關的南港瑞豐沙的產生，70 年代到90 年代江亞邊灘的發育、切割形成江亞南沙等。

1998 年以來的近20 年，隨著三峽工程的運行和河口邊灘的圈圍、江中心灘的守護，人類活動在河口河槽演變的作用得以增強，灘槽地貌形態趨于穩定。具體而言，人類活動對河槽演變的影響體現在3 個方面。一是徐六涇河段“節點”作用進一步增強[12]。徐六涇河段是長江口“三級分汊、四口入海”河勢格局的上邊界。近20 年來，新通海沙圈圍、常熟邊灘圍墾等工程相繼實施（圖2），蘇通大橋以下河段的河寬進一步束窄至4.6 km，進一步增強了徐六涇節點作用，穩定了主槽深泓線。該河段上游的河勢變化對徐六涇以下河段的河床演變影響大幅減弱。徐六涇以下的河口段已形成一個相對獨立的河口地貌系統。二是長江口3 個主要分汊河段相繼被“人工固定”，控制了河床演變的關鍵部位。分汊口變化是導致河口劇烈變化的重要因素[13-14]。1998 年以來的近20 年間，在長江口的3 個主要分汊口，即南北槽分汊口（第三級分汊）、南北港分汊口（第二級分汊）、南北支分汊口（第一級分汊）等關鍵部位分別實施了深水航道治理工程（分流魚嘴工程）、新瀏河沙護灘及南沙頭通道限流潛堤工程和中央沙圈圍及青草沙水庫，以及長江南京以下12.5 m深水航道治理一期工程（白茆沙整治工程），使得長江口主要汊道分流口位置得到控制（圖2）。河床沖淤變化主要限制在兩側固定岸線和分流魚嘴工程控制的范圍內，長江口“三級分汊、四口入海”總體河勢格局的穩定性顯著增強。三是長江大洪水的等級有所降低。歷史上長江洪水，尤其是特大洪水往往是造成長江口河勢劇烈變化的最主要因素[15]。近期，在三峽等水利工程的“攔洪削峰”調節作用下[16]，長江洪峰流量下降，洪水等級降低，從而有利于維持河口灘槽格局的穩定。

3.2 河槽沖淤轉變臨界輸沙量及未來演變趨勢

長江口歷史上因豐富的流域來沙供應，南支以下河槽總體呈現束狹、向海淤漲延伸的趨勢。流域來沙減少促使河口淤積減緩或向沖刷趨勢轉變。河口沖淤轉變臨界輸沙量是判斷河口演變趨勢的重要指標。劉曙光等[17-18]根據海圖等資料分析認為，黃河三角洲發生由凈淤積轉為凈沖刷時入海沙量的臨界值為（2.45～2.78）億t。Yang 等[4]由入海泥沙溢出長江口水下三角洲進入其他海域的年平均值所確定的三角洲沖淤平衡臨界輸沙量為年均2.60 億t。李從先等[5]基于長江三角洲地區鉆孔資料計算得到長江三角洲形成和發育期間的長江年均輸沙量為（1.84～2.28）億t。

圖 8 不同階段河口沖淤量與大通站輸沙量變化Fig. 8 Variation of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary and the sediment load at Datong hydrological station

根據圖4 統計，1998—2002 年長江口南支以下河槽淤積量年均0.17 億m3；2002—2010 年沖刷量年均0.27 億m3；2010—2016 年沖刷量明顯加大，年均達2.40 億m3。由此可見，在1998—2010 年間，河口發生了由凈淤積向凈沖刷的轉變。根據1998—2002 年和2002—2010 年長江大通站對應的年均輸沙量的線性差值（圖8），估算得到河口沖淤轉變臨界點處的大通年輸沙量約2.54 億t。由大通站年輸沙量變化過程（圖1）可知，2002 年以前大通站年輸沙量大于2.75 億t，2003 年之后小于2.17 億t，低于2.54 億t 的臨界值，2003—2016 年大通站年均輸沙量僅1.39 億t。由此判斷，流域來沙減少應是長江河口發生沖淤轉變的主要原因，2002—2003 年可以作為長江口沖淤轉變的分界時點。本文計算得出河口沖淤轉變臨界輸沙量2.54 億t，與Yang 等[4]入海泥沙溢出法確定的臨界輸沙量2.60 億t 接近。

歷史上長江口總體向海淤漲主要緣于流域豐富的泥沙供給，隨著流域水庫大壩建設和植被覆蓋度增大等[19-20]人類活動影響，長江流域輸沙量將可能進一步減少，并長期維持在河口沖淤轉變臨界輸沙量（2.5～2.6）億t 以下的較低水平。與此同時，未來長江口綜合整治開發和保護有關涉水工程的實施，會進一步促進河口岸灘邊界條件的穩定。因此，在流域減沙和河口涉水工程實施條件下，長江口將改變過去總體向海淤漲的演變趨勢，維持岸灘槽地貌格局穩定條件下的緩慢沖刷趨勢。

4 結 語

近20 年來長江口灘槽格局總體穩定，但南支以下河槽呈現由凈淤積向凈沖刷轉變。長江口內河槽沖刷、容積擴大，10～15 m 深度范圍內河槽沖刷最為明顯；口外航道攔門沙淺灘長度縮短。河口邊灘圈圍、江中沙洲人工守護及三峽工程對長江洪峰的消減促使了長江口灘槽格局的穩定，而流域來沙減少是南支以下河槽由凈淤積向凈沖刷轉變的主要原因。

基于河口沖淤量與大通站輸沙量的變化關系，可以得出2002—2003 年基本為長江口南支以下河槽沖淤轉變的分界時點，河口沖淤轉變對應的流域年輸沙量（大通站）臨界值約2.54 億t。長江流域未來的來沙量可能長期維持在臨界值以下的較低水平，長江口將改變過去總體向海淤漲的演變過程，維持岸灘槽地貌格局穩定條件下的緩慢沖刷趨勢。