1958 年以來長江口南、北支河段河床演變及影響因素研究

代炳珂，路川藤，韓玉芳，李瑞杰，羅小峰

(1. 河海大學，江蘇 南京 210098；2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

長江口為徑流與潮汐共同作用的多級分汊、中等潮差（中浚站平均潮差2.66 m）的潮汐河口[1-2]。自徐六涇向下，河槽呈現“三級分汊、四口入海”的河勢格局：一級分汊為南、北支，二級分汊為南、北港，三級分汊為南、北槽。南、北支作為長江口的第一級分汊（被崇明島分隔），是河口保護與開發的重點區域。研究南、北支河床的中長期演變特征，深入認識長江口河床演變規律，對航運建設、防洪排澇、供水安全和其他涉水工程規劃建設具有技術支撐作用。

近年來，關于長江口南、北支河段河床演變的研究成果頗多，劉杰等[3]指出南支沖淤演變以沖刷為主并自上往下傳遞，且未來仍將不斷沖刷。梁鑫鑫等[4]指出南支近百年整體處于沖刷狀態，分階段呈現淤積-沖刷交替變化的狀態。楊歐等[5]指出北支以口外海域來沙為主，主要來源于南支入海泥沙倒灌。曹民雄等[6]指出北支逐年萎縮，會潮點不斷下移。楊程生等[7]認為北支河槽容積減小的主要原因為灘槽圍墾和自然淤積，且北支上游以自然淤積為主，中段以灘槽圍墾為主，下段受圍墾和淤積共同作用。李伯昌等[8-9]認為圍墾縮窄工程嚴重影響北支的徑流輸入，北支將會在很長一段時間內走向衰亡。

已有研究成果對長江口南、北支河段河床演變的分析多側重單一河段，為系統研究南、北支河床演變規律，本文對長江口南、北支河床演變進行綜合分析，探究兩汊道間的河床演變共性和差異，并分析變化水沙條件和人類工程活動對河床演變的影響。

1 研究區域與方法

主要研究區域為長江口南支與北支河段（圖1）。南支研究區域為徐六涇至吳淞口之間河段（S1-S4），北支為崇頭至連興港之間河段（N1-N4），以上2 個河段是典型的寬淺河型，歷史上暗沙變遷頻繁，通道興衰交替，河床穩定性總體較差[10]。南支研究區域長約70 km，河槽形態復雜，徐六涇至七丫口河段受白茆沙的分隔作用呈現典型的江心洲河型，七丫口至瀏河口河段則為“南槽北灘”的河道形態，瀏河口以下為南北港分流河段，水文條件極為復雜。北支研究區域長約80 km，于大洪港與大新港之間呈彎曲形態，兩側岸線較為順直，下游呈喇叭口狀展開，河槽淤淺，沙洲密布。

圖 1 研究區域概況Fig. 1 Overview of study area

為系統分析南、北支河床演變特征，根據河道各區段水文地形差異，將南、北支地形數據分段統計，南支分為徐六涇至七丫口（S1-S2）、七丫口至瀏河口（S2-S3）、瀏河口至吳淞口（S3-S4）三段；北支分為崇頭至大新港（N1-N2）、大新港至三條港（N2-N3）、三條港至連興港（N3-N4）三段。

利用Mapinfo 和AutoCAD 軟件分別對海圖和電子海圖進行水深數據提取，得到長江口1958—2019 年期間7 個年份（1958、1973、1989、1998、2010、2016、2019）實測水深數據，并統一采用理論基面，數據來源詳見表1。通過Surfer 對實測數據進行克里金插值，得到規則格網模型DEM，繼而利用該軟件的計算模塊對南、北支河段岸線邊界、河槽容積和地形沖淤等要素進行統計計算，研究近60 年來南、北支河段整體河床演變特征，并分析變化水沙條件和河口工程因素對河床演變的影響。

表 1 實測數據來源Tab. 1 Sources of measured data

2 長江口南支和北支河床演變特征

2.1 岸線邊界變化特征

19 世紀60 年代以前，長江口岸線變化以自然演變為主，人為干預活動較少，60 年代以后，南、北支進行了大量灘涂圍墾，以及遏制咸潮倒灌而進行的岸線縮窄工程[2]，詳見圖2。隨著河口圍墾工程的建設發展，南、北支基本遵循岸線內縮延展，河道面積逐漸縮小的變化規律，其中，2019 年與1958 年相比，南、北支總岸線長度（不考慮長興島）共增加36.37 km，增加約12.5%，其中1958—1973 年間岸線變化最為顯著，2010 年后岸線基本維持不變；南、北支河道總面積共減少585.86 km2，減少約35.9%，其中2 m 線水域面積共減少414.54 km2，減少約31.4%，占河道總面積減少量的70.76%，詳見表2。

圖 2 邊界變化及主要工程分布Fig. 2 Boundary change and distribution of major projects

表 2 岸線及河道面積變化Tab. 2 Changes of shoreline and channel area

續表 2

1958—2019 年，南支岸線長度共增加18.89 km，增加約14.9%，河道總面積共減小171.92 km2，減少約18.9%，其中2 m 線水域面積共減小90.18 km2，減少約11.2%，占河道總面積減少量的52.45%，變化主要集中在徐六涇-七丫口段和長興島處。江心沙與圩角沙地帶圍墾面積達80 km2，江心沙由孤立的沙洲逐漸并岸，這使得長江口徐六涇河段平均河寬由1958 年的13 km 縮窄至2019 年的7 km，原白茆沙并岸崇明島，兩岸岸線內移，并于2014 年建成東風西沙水庫，圍圈約3.8 km2，長興島附近小沙丘逐漸淤漲合并為一個整體，并于2010 年建成青草沙水庫，圈圍約70 km2。

1958—2019 年，北支岸線長度共增加17.48 km，增加約10.7%，河道總面積共減少413.97 km2，減少約57.2%，其中2 m 線水域面積共減小324.36 km2，減少約62.59%，占河道總面積減少量的78.35%。其岸線變化受圈圍影響較為嚴重，1958—1973 年間，北岸大洪港-大新港段、靈甸港-三和港段及三條港-青龍港段岸線發生不同程度沖刷，但隨著南岸崇明島大面積圍圈，北支河寬整體縮窄，其中上段最為嚴重，河寬縮窄約70%。1973—1998 年間，兩岸邊界整體變化較小，永隆沙和興隆沙相繼圍墾。1998—2010 年間，開展了包括圩角沙、新躍沙、靈甸沙、興隆沙及崇明北湖、崇明北沿等眾多圈圍工程，總圍墾面積約144 km2，岸線進一步縮窄，界河處拐角接近90°。

2.2 河槽容積變化特征

利用Surfer 軟件的Volume 功能對生成的DEM 進行計算并統計，得到南、北支各河段2 m、0 m、-5 m及-10 m 以深河槽容積變化（圖3）。結果表明，1958—2019 年間，南支河槽容積整體呈增大態勢，北支則漸趨減小，南、北支2 m 以深河槽總容積變化相對較小，7 個年份平均值為84.76 億m3，波動幅度較小，2019 年比1958 年的河槽總容積僅增加3.45 億m3，增加約4.1%，河槽容積增加率明顯小于2 m 線水域面積的減小率。

自1958 年以來，南支河槽容積呈總體不斷增長，階段性減小的變化特點，-10 m 以淺河槽容積變化較小，變化主要集中在-10 m 以深河槽（1973—1989 年除外，其變化主要集中于-5 ～-10 m）（圖3（a））。其中，S1-S2 段2 m 和0 m 以深河槽容積在2016 年有所減小，可能與通海沙的大幅淤積有關；S2-S3 段在1973—1989 年-5 m 以深河槽容積大幅縮小，而-10 m 以深河槽容積依然增大，-10 m 以深河槽容積呈不斷增長趨勢；S3-S4 段2 m 和0 m 以深河槽容積在2016—2019 年增長速度明顯加快，分析其變化主要集中在-5 ～0 m 區間內，說明該段潮灘沖刷加劇（圖3（b））。

圖 3 各河段在不同高程下河槽容積變化Fig. 3 Volume change of the North and South Branch Channels at different elevations

北支河槽容積呈漸趨縮小，階段性增大的變化特點，河槽容積變化主要集中在-5～0 m 之間（1998—2010 年0～2 m 之間亦發生大幅縮小）（圖3（a））。各河段在1958—1973 年、1998—2010 年之間出現快速下降，對應該時間段邊界變化，1973—1989 年全河段、2010—2016 年上中段均出現小幅增大，但很快又減小，說明北支的不斷淤積問題并未得到改善（圖3（c））。

2.3 灘槽沖淤變化特征

根據1958—2019 年7 次實測河床地形數據，繪制了不同年份的河床沖淤圖（圖4），并統計了不同河段的地形沖淤量（表3）和河道等深線及斷面形態變化（圖5-6），以系統分析南、北支河段的河床沖淤特征。

圖 4 各時段河床沖淤變化情況（“-”為沖刷，“+”為淤積）Fig. 4 Changes of riverbed erosion and siltation in each period

表 3 各河段在不同時期河床沖淤量Tab. 3 Riverbed erosion and deposition in different periods 單位：億m3

圖 5 各時段-5 m 等深線變化（理論基面）Fig. 5 Changes at -5 m isobaths in each period

1958—1973 年，南支總體沖刷約4.92 億m3，年均沖刷約0.33 億m3，呈現“灘淤槽刷”的特點，上段白茆沙沙體淤漲逐漸高于-5 m 等深線，南水道大幅沖刷，深泓右移，江心洲河型初步形成（圖6-A斷面），中段南支主槽中部淤積，兩側沖刷外拓（圖6-B斷面），河床趨于平緩，扁擔沙整體下移，迫使中央沙北水道束窄加深，沙群聚攏。北支總體淤積約2.96 億m3，年均淤積約0.197 億m3，上段-5 m 線幾近消失，青龍港水道深泓淤積右移（圖6-D斷面），中上段灘槽均發生不同程度淤漲，其中青龍港水道、靈甸沙、永隆沙、黃瓜沙平均抬高5～10 m，詳見圖4（a）。

1973—1989 年，南支變沖為淤，總體淤積約2.64 億m3，年均淤積約0.165 億m3，上段白茆沙出現大范圍的淤積，沙尾向下延伸至七丫口附近，南水道入口處大幅回淤，北水道繼續沖深拓寬，江心洲河型形成，中段主槽北岸大幅淤積，深泓加深呈“V”型，下段扁擔沙尾南側遭受大幅沖刷，沙體整體北移，中央沙淤漲發育，寶山水道入口處大幅淤漲，沙體延伸至瀏河口附近，形成新瀏河沙。北支則變淤為沖，總體沖刷約 0.304 億m3，年均沖刷約0.019 億m3，三和港以上整體沖刷，以下整體淤積，詳見圖4（b）。

圖 6 典型橫斷面變化Fig. 6 Typical cross-sectional changes

1989—1998 年，南支轉為大幅沖刷，總體沖刷約6.515 億m3，年均沖刷約0.407 億m3，上段白茆沙淤積減緩，沙頭受沖刷變圓滑，沙尾繼續向下延伸呈細條狀，南水道上游大幅沖刷，下游則以淤積為主，斷面A處沖深達20 m，中段主槽左岸沖刷，深泓加深右移，下段新瀏河沙受沖分為新瀏河沙和新瀏河沙包，沙體大幅縮小，中央沙沙體則不斷增大。北支總體淤積約 1.301 億m3，年均淤積約0.081 億m3，上段拐角處發生大幅淤積，中段靈甸沙、黃瓜沙發生淤積，下段左岸淤積，右岸沖刷，形成復式河槽（圖6-E斷面），詳見圖4（c）。

1998—2010 年，南支總體沖刷約4.66 億m3，年均沖刷約0.388 億m3，上段白茆沙沙頭和沙尾均發生沖刷，沙頭下移，沙尾消失，北水道入口處出現大范圍淤積，考慮與北支泥沙倒灌有關，中段主槽北側沖刷，南側淤積，“V”型消失，深槽北移，下段青草沙水庫建成，新瀏河沙、中央沙等沙體沖刷下移，沙體面積急劇縮小。北支總體淤積約4.94 億m3，年均淤積約0.411 億m3，各段淤漲速度相比1998 年之前顯著提高，其中以青龍港水道南側和下段崇明北沿最為嚴重。

2010—2016 年，南支總體淤積約0.06 億m3，淤積主要集中在上段，新通海沙、南北水道均發生不同程度淤積，中下段灘槽位置和斷面形態較為穩定，基本維持1998—2010 年的沖淤特征，-5 m 等深線和深泓線基本保持不變，沖刷速率稍有所下降。北支總體淤積約2.51 億m3，年均淤積約0.419 億m3，上段淤漲問題有所緩解，出現連續的-5 m 等深線，青龍港水道深泓加深靠左（圖6-D斷面），中下段整體淤積，且以靈甸港-三和港河段南側淤積最為嚴重。

2016—2019 年，南支總體沖刷約2.72 億m3，年均沖刷約0.907 億m3，各段沖刷速率都有顯著提高，白茆沙、下扁擔沙、新瀏河沙均發生較大面積沖刷，但整體灘槽位置和斷面形態較為穩定。北支總體淤積約1.55 億m3，年均淤積約0.515 億m3，青龍港水道、靈甸港-三和港河段整體沖深，但大新港以下基本以淤積為主，淤積速率有所上升。

綜上所述，1958—2019 年間，南支凈沖刷18.13 億m3，年均沖刷約0.297 億m3，時間上的變化呈整體不斷沖刷，階段性淤積的特點，空間上總體呈灘淤槽刷的特點，但近年各段潮灘沖刷問題有待解決，白茆沙北水道自1998 年以來基本以淤積為主，南北水道“南強北弱”現象加劇，南支下段受工程影響穩定性有所提高，但仍是長江口灘槽變化最為活躍的河段（圖6-C斷面）。北支總體淤積約9.14 億m3，年均淤積約0.15 億m3，整體淤積且年淤積速率有所提高，隨著崇明島北岸的不斷淤漲，北支總體向順直河道發展。南、北支在2010 年后-5m 等深線灘槽格局與河道斷面形態基本趨于穩定，說明南、北支河床穩定性有所提高。

3 南支和北支河床演變原因分析

長江口河床演變是徑流、潮汐、波浪和風等動力因素影響下，流域及海域來沙在河口搬運堆積的結果。根據前人研究，波浪在河口區衰減，其對河口形態塑造的影響相對較小[11]，徑流和潮汐在長江口河床演變中發揮主要作用。根據上述南、北支河床演變特征，主要分析變化水沙條件及人類工程活動對河床演變的影響。

3.1 變化水沙條件的影響

3.1.1 流域來水來沙 根據大通水文站1950—2019 年資料統計（數據來源：泥沙公報），雖然徑流年際間存在范圍波動，但大時間跨度下徑流量變化較小，多年平均徑流量無明顯的趨勢變化，但隨著近年來長江上游水土保持工程及水庫工程的建設，以及沿程挖沙使得長江流域來沙逐漸減少[2]。輸沙量以葛洲壩工程和三峽工程的蓄水為節點，呈現明顯的三階段變化特點，輸沙量呈現逐漸減小的趨勢，其中1951—1985 年平均年輸沙量為4.70 億t，1986—2002年平均年輸沙量為3.40 億t，2003—2019 年平均年輸沙量為1.40 億t（圖7）。

圖 7 長江大通站1950—2019 年徑流量與輸沙量變化Fig. 7 Changes in runoff and sediment transport at Datong Station on the Yangtze River from 1950 to 2019

徑流來沙量大幅驟減到目前為止對南、北支河槽總容積的影響較小，但三峽工程運行后由于流域減沙的傳遞效應，河口水體含沙量降低[12]，水流挾沙能力增大，河床活動性增加，促進了河床的沖刷，這也是近些年南支河床近20 年持續沖刷的重要原因。

3.1.2 洪 水 徑流對河床演變的影響是持續漸進的，而洪水對河床演變的影響則是快速劇烈的，如1954 年洪水直接造就了北槽，宏觀上造就了如今的“三級分汊，四口入海”的河口布局。隨著長江口堤防、保灘護岸工程的不斷建設，長江口面對大洪水穩定性得到明顯提高，1998 年、1999 年連續兩年的洪水，河床僅小區域發生較大變化，如：新瀏河沙串溝形成新寶山北水道，新瀏河沙包形成，新橋通道沖深北偏等。隨著三峽工程的建設運行，長江出現特大洪水的概率大為降低，洪水對河口河床演變的影響也將逐漸減弱。

3.1.3 泥沙倒灌 長江口泥沙輸移構成南支→南北港→海域→北支→南支的循環體系，從北支口門上溯的海域來沙，小部分攜帶至崇頭，致使泥沙倒灌入南支，為白茆沙北水道提供了物質基礎，這是1998 年后北水道淤積的重要原因。隨著北支下段中縮窄方案的實施，近年來北支的進潮量有所減小，泥沙倒灌南支現象有所減弱[2]。

3.1.4 分流分沙變化 根據長江水利委員會長江口水文水資源勘測局歷年實測資料，通過計算汊道漲落潮水、沙量與總漲落潮水、沙量之比，可求得北支漲落潮分流分沙比。隨著19 世紀北支入口處河寬的不斷減小，尤其是江心沙和圩角沙處的圍墾，北支入流角度加大，使得北支漲、落潮分流比出現了明顯的減小，漲潮分流比由20 世紀70 年代末的21.6%減小至2017 年的10%左右，而落潮分流比則由10%左右減至在2%～5%之間變化（圖8）。北支分沙比變化趨勢與分流比一致，但變化幅度相對較小，尤其是漲潮分沙比下降較少。

分流分沙比的變化對北支的河床演變有較大影響，由于進入北支徑流量的減小，潮流作用逐漸增強，北支已發展為漲潮水沙占優勢的漲潮槽[5]。由于漲落潮分流比的變化都大于分沙比，北支動力減弱，漲潮流上溯攜帶的泥沙，落潮時不能全部帶出，這是北支逐漸淤積的主要原因。

圖 8 1958—2019 年北支分流分沙比變化(數據來源：長江口水文水資源勘測局)Fig. 8 Variation of water and sand distributary ratios from 1958 to 2019

3.2 河口工程活動的影響

除了以三峽工程為首的上游水壩建設及采砂活動對流域來沙的影響之外，河口工程的不斷建設也是影響長江口河床演變的重要因素。長江口河口工程按照作用不同可分為堤防海灘工程、保灘護岸工程、圍墾堵汊工程和港口航道工程四類[2,13]。

堤防海灘工程、保灘護岸工程一般沿岸線邊界進行建設，繼而進行港口、碼頭、橋梁等基礎設施建設以實現岸線的合理開發利用，此類工程因遠小于河道寬度，對河勢影響較小，主要發揮穩定邊界，防水防潮的保護作用。圍墾堵汊工程和港口航道工程則直接作用于河床，對河勢演變影響顯著，其中圍墾堵汊工程包括興建圩堤對不斷淤漲的河漫灘實施圍墾及堵塞直汊促使江心洲并岸兩種形式，此類工程可直接導致岸線和河道斷面發生顯著變化，如崇明島及北支圍墾工程、東風西沙圈圍、中央沙圈圍及青草沙水庫工程等，也可通過改變水沙分配對河道產生間接持續性影響，如徐六涇節點整治工程、圩角沙圈圍工程等，合理的圈圍可提高土地開發利用效益，促進河道形態轉化，對河道穩定性的提高也起到積極作用；航道整治與疏浚工程，主要作用是通過導流、擋沙、減淤以維系河勢穩定，最具代表性的便是1998 年開工的長江口深水航道建設工程，截至2010 年3 月，長江12.5 m 深水航道全槽貫通，逐步建成以長江口主航道—北港—南槽和北支共同組成的長江口航道體系，這是2010 年之后南支灘槽維持穩定的主要原因。

4 結 語

以長江口1958—2019 年水深數據為基礎，通過南、北支岸線邊界、河槽容積和地形沖淤等河床演變要素的統計計算，分析南、北支河段的河床演變特征及其影響因素，主要研究結論如下：

（1）南、北支河段岸線邊界變化表現一定共性：隨著圍墾工程的建設發展，南、北支均遵循岸線內縮延展，河道面積逐漸縮小的變化規律，2019 年與1958 年相比，南、北支總岸線長度共增加36.37 km，增加約12.5%，南、北支河道總面積共減小585.86 km2，減少約35.9%。隨著護岸工程和航道整治的建設，2010—2019 年南、北支岸線和灘槽位置基本保持穩定。

（2）南、北支河段河床沖淤演變表現明顯差異性：因南、北支分流分沙比的巨大差異及其導致的南支落潮槽、北支漲潮槽的河槽特性，使得南支時間上變化呈整體趨于沖刷，階段沖淤交替變化的特點，1998 至2019 年表現為持續沖刷，空間上整體表現為灘淤槽刷的特點，北支則整體趨于淤積，河道不斷萎縮。

（3）南、北支河段河床演變具有一定相關性：2019 年與1958 年相比，南、北支河槽總容積僅增加3.45 億m3，增加約4.1%，7 個年份平均值84.76 億m3，波動幅度較小，河槽容積增加率明顯小于2 m 線水域面積的減小率。

南、北支河段的河床演變受水沙變化和人類工程活動綜合影響，隨著南、北支河段斷面形態、灘槽格局以及流域來沙的漸趨穩定，2 個河段河床演變整體向平衡穩定方向發展。未來長江口南、北支河道的保護和開發利用，應因勢利導，因地制宜，進一步增強河床穩定性，重視流域來水來沙未來發展趨勢對河口演變的影響，重視保護河口的灘涂濕地資源，在開發建設的同時，注重河口資源的可持續利用。