近40年來長江口沉積物粒度變化及其對底床沖淤的響應

陳雅望，盛 輝，許慶華，曲玉冰，邢 飛，李占海，汪亞平,

(1.華東師范大學 河口海岸國家重點實驗室，上海 200241；2.有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇 南京 210007；3.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023)

綜上所述，前人雖然對長江口表層沉積物粒度變化或者河床演變單因素變化取得了一些研究成果，但對河口內沉積物粒度的40年長期變化及其對流域過程、河口局地沖淤的響應關系尚缺乏綜合性深入研究。為此，本文在獲取40年來長江口水下地形和表層沉積物粒度的基礎上，對沉積物粒度變化及其對流域過程和河口沖淤變化的響應進行定量分析，從而加深對長江口演變過程和趨勢的認識，為區域環境保護和可持續發展提供科學依據。

1 研究區域概況

本文主要研究區域為徐六涇以東至水深約20 m（東經 122.5°）海域（圖1），包括北支、徐六涇-橫沙、橫沙-九段沙及口外區域。長江口徑流量豐沛且洪枯季變化顯著，多年平均徑流量29 300 m3/s，其中洪季占比約70%。研究區所在海域波浪類型以風浪為主，攔門沙以外多為旋轉流，以正規半日潮占優，多年平均潮差2.7 m，最大潮差為4.6 m[9]。自1950年以來，進入北支的徑流量減少，漲潮分流比由25%下降到近年的10%，落潮分流比從10%左右下降至3%左右[6]。近年來長江流域和河口人類活動加劇，長江流域興修閘壩水庫工程及流域水土保持工程攔截沉積物，使得流域來沙量急劇減少；長江口深水航道建設工程以及促淤圈圍工程在穩定岸灘的同時也改變了局部河槽形態。

圖1 長江口平面形態和采樣站位Fig.1 Map of Yangtze River Estuary showing locations of surface sediment sampling

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2020年4—6月，采用抓斗式采泥器在長江口及其鄰近海域（30.7° N～31.8° N,121.1° E～122.5° E）（圖1）取得153個站位的表層沉積物樣品（底床以下5～10 cm）。這些樣品取回實驗室后，使用Mastersizer 2000激光粒度儀測量其粒度分布；為了方便與前人的數據對比，相關的粒度參數計算則使用Folk和Ward 圖解法[10]。

本研究還搜集了長江口1982年（月份不詳）、2003年2月、2007年4月—2009年7月、2012年3月和2020年4月等5個時段對應的145、88、255、145和153個采樣點的沉積物中值粒徑數據[5,11-13]。采樣點站位具體分布見圖2。其中1982年、2003年和2009年粒度試驗采用的是吸管-篩析法，2012年數據則通過激光粒度儀測量。為獲取統一標準的粒度數據，本文基于楊海飛等[14]研究將吸管-篩析法獲取的粒度數據統一校正到激光粒度儀標準。數據校正后采用地統計Kriging方法插值，獲取同樣分辨率下規則網格的中值粒徑空間分布，使用Surfer的Grid模塊計算特定年份間的中值粒徑年平均變化值（即中值粒徑變化率）。

圖2 不同年份表層沉積物采樣站位Fig.2 Locations of surface sediment sampling in different periods

2.2 長江口地形數據

基于長江大通輸沙量變化的時間節點，本文搜集了1985、2001、2005、2009、2012、2020年6期海圖資料（來源于上海海事局和上海市地質調查研究院，詳見表1）。使用ArcGIS軟件分別將上述資料進行數字化處理獲取水深數據，統一轉換到WGS84大地坐標系和理論深度基準面。采用地統計Kriging方法插值，獲取同樣空間分辨率規則網格的長江口海底地形，插值后使用Surfer中的Grid和Volume模塊計算出特定年份間對應的總沖淤量和沖淤速率。長江口為淺水海域，實測水深數據點密集，通過數據對比判定由于插值造成的誤差小于1%[15]。

表1 實測海圖數據資料來源Tab.1 Sources of measured bathymetry data from sea charts

2.3 沉積物粒徑趨勢分析

本文采用粒徑趨勢分析模型計算沉積物凈輸運方向。此方法依據沉積物粒度參數的二維分布來判斷沉積物輸運趨勢，已經被廣泛運用在河口海岸等多種環境[16-17]。具體算法如下：根據粒度參數的空間分布，首先計算從一個采樣點指向另一個采樣點的粒徑趨勢矢量，兩點之間的特征距離通常為最大采樣間距；然后將每一個采樣點的所有趨勢矢量求和，得到一個新矢量；最后對所有矢量進行平滑處理，消除噪聲，得到最終的粒徑趨勢圖像。值得注意的是，矢量方向代表沉積物凈輸運方向，矢量不代表沉積物輸運強度。

2.4 區域統計分析

為便于對比不同時期長江口內沉積物粒度變化和河床沖淤變化，使用不同分辨率將整個研究區剖分為若干正方形網格，根據Kriging方法空間插值得到相同空間分辨率規則網格下的底床沖淤和中值粒徑空間分布，使用Surfer軟件的Grid模塊統計不同分辨率下每個正方形網格內不同時期中值粒徑和水深變化值。本文采用了 2 種網格劃分方法：0.1°×0.1°（圖3(a)）和 0.2°×0.2°（圖3(b)）。根據劃分結果，選擇數據覆蓋面積超過40%的網格計算每個網格內的平均中值粒徑變化和沖淤深度變化，進而探究沉積物粒度對海底沖淤變化的響應。

圖3 長江口不同空間分辨率網格劃分方法Fig.3 Grids with different spatial resolutions for sediment grain size analysis within Yangtze River Estuary

3 結果分析

3.1 沉積物粒度特征

近40年來長江河口區表層沉積物中值粒徑經發生了顯著變化（圖4(a)和(b)）。1982—2003年，中值粒徑年平均變化較小，大部分區域中值粒徑變化率小于5 μm/a，無明顯的高值變化區域（圖4 (c)）。2003—2009年，整個海域表層沉積物中值粒徑變化率與前期相似，南支上段沉積物有變細趨勢，中值粒徑變化率在5 μm/a以內；口外部分區域沉積物也呈現出變細趨勢；沉積物中值粒徑粗化主要集中在長興島頭部和南北港分流處，中值粒徑變化率最大值約為10 μm/a (圖4(d)）。2009—2012年，除南、北支上段部分區域外，大部分區域中值粒徑變化率在10 μm/a以內，整體呈現略微粗化的趨勢（圖4(e)）。2012—2020年，研究區域中值粒徑整體呈現迅速粗化的趨勢，粗化最快區域為北港下段，中值粒徑變化率約為15 μm/a（圖4(f)）。

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圖4 中值粒徑空間分布（正值變粗，負值變細）Fig.4 Spatial distribution of median grain size and annual changes (positive value means coarse)

3.2 河床沖淤特征演變

從年平均沖淤變化(圖5)和不同時期沖淤面積圖（圖6）上可以看出，1985—2001年期間，80 %以上的長江口海域處于淤積狀態，淤積強度較高的區域位于北槽口攔門沙地區，淤積速率可超過0.3 m/a。2001—2005年期間，約65%的區域處于淤積狀態，南支和北支整體處于淤積狀態，口外區域的淤積速率有所降低，淤積強度較高的區域位于北支口門處；總體上看，整個海域淤積速率約為0.3 m/a（圖5(b)）。2005—2009年，淤積區域面積比例相較于2001—2005年略小，淤積面積所占比例約為60%；雖然整體仍呈現淤積態勢，淤積強度較高的區域位于南槽攔門沙附近；與此同時，北港口外首先出現了小范圍侵蝕區域（圖5(c)）。

圖5 年平均沖淤速率Fig.5 Annual average erosion and deposition rate

圖6 不同時期沖淤面積（水深年際變化5 cm內為穩定區）Fig.6 Estimated erosion and deposition areas within Yangtze River Estuary for different time periods (locations with averaged annual changing rate of water depth less than 5 cm are considered as stable zones)

2009—2012年，研究區淤積區域面積比例降至52%，開始進入由淤轉沖的過渡階段，但總體上仍大致呈現為沖淤平衡狀態；局部區域具有不同的沖淤態勢，其中北支口門和九段沙呈淤積狀態，長江口水下三角洲則為侵蝕（圖5(d)）。2012—2020年，研究區沖刷面積比例達到過去40年的最大值，約為70%，除了崇明東灘外和南支上段部分區域外，大部分地區處于侵蝕狀態，區域內年平均沖刷速率達到了0.2 m/a（圖5(e)），其中水下三角洲侵蝕顯著加劇，北支也由淤積轉為沖刷。

3.3 沉積物粒徑趨勢分析結果

在研究區域內，根據北支、徐六涇-橫沙、橫沙-九段沙及口外區域等不同地貌區分別選擇合適的特征距離進行沉積物沉積物粒徑趨勢計算，同時在模型中考慮了“邊緣效應”的影響，利用Gao-Collins模型計算沉積物粒徑趨勢，結果如圖7所示。

圖7 沉積物粒徑趨勢分析顯示的長江口沉積物凈輸運方向Fig.7 Net sediment transport patterns shown by grain size trend analysis in the Yangtze River Estuary

基于圖7(a)的結果，2020年北支上游入口處沉積物有向下游輸運的趨勢，這種趨勢持續到大洪港一帶；大洪港至三和港之間沉積物有沿河道向上游輸運的趨勢；在三和港和三條港之間，沉積物的輸運趨勢又轉為向下游輸運；北支口外的沉積物有向口內輸運的趨勢（圖7(b)）?？梢?，大洪港和三條港河段為堆積中心，呈淤積狀態；而三和港河段為沉積物輸運矢量的輻散區，呈侵蝕狀態，這與海底地形沖淤結果一致（圖5(e)）。與此相比，閔鳳陽等[18]在2007年基于北支表層沉積物的研究中，發現總體上北支上段沉積物有向下游輸運的趨勢，北支下段沉積物則有向中、上段輸運的趨勢，整體向北支河道中部匯集；具體來說，大洪港至三和港之間為沉積物匯聚區（堆積中心），而三條港為輻散區（侵蝕）（圖7(c)），局部沖淤態勢（圖5(b)和(c)）有很大差異。南支上段沉積物呈現明顯向下游輸運的趨勢，在北港和南槽區域沉積物則向上游輸運，在南、北港分流處，尤其是靠近崇明島中上部海域有一個沉積物匯聚中心（圖7(b)），該區域地形也呈顯著淤積狀態（圖5(e)）?？谕獬练e物則大致沿從南向北的方向輸運（圖7(a)），可能與沿岸流的南向輸運有關。

4 討 論

4.1 粒度變化及其影響因素探討

沉積物粒度變化與區域內諸多因素相關，包括該區域內復雜的動力條件、物源供應和沖淤轉換。物源方面，沉積物在流域來沙充足的情況下，總體上沉積物粒度變化不顯著（圖8）。2003年三峽大壩開始蓄水攔沙，進入河口沖淤過渡階段，沉積物粒度變化趨勢不顯著。2009—2012年間，該時間段內流域來沙量進一步減小，三峽大壩所帶來影響的滯后效應開始顯現，表層細顆粒沉積物發生侵蝕，特別是口外海域沉積物開始變粗。北支沉積物自2012年后迅速粗化與2003年前基本穩定的趨勢形成鮮明的對比，可能與該時間段內口外沉積物迅速粗化、漲潮流從口外攜帶粗顆粒沉積物進入北支有關。

圖8 1958—2020年長江大通站輸沙量變化及不同時間段內各區域凈沖淤體積和中值粒徑變化Fig.8 Changes in fluvial sediment flux at Datong Station from 1958 to 2020; annual averaged volume of erosion/deposition; and median grain size within Yangtze River Estuary

人類工程導致的局部水動力變化同樣影響著沉積物粒度的變化。青草沙水庫的建設影響了南北港處的水動力和分沙比，可能導致南北港分流處小范圍沉積物粗化（圖4(d)）；深水航道回淤帶來的細顆粒沉積物，橫沙東灘促淤圈圍工程的影響也使得該時間段內九段沙區域沉積物有變細的趨勢，特別是北港下段。近年來沉積物迅速粗化也是由于流域來沙的進一步減少，河口區總體上呈侵蝕狀態，沉積物被沖刷、迅速粗化。

4.2 沖淤變化及其影響因素

長江口動力環境復雜，人類活動劇烈，其底床沖淤變化是在多種因素綜合作用下的結果，其中流域來沙和人類活動更是其主要影響因素。20世紀80年代前，長江流域來沙量充足，長江口格局基本穩定，整體長時間處于大范圍的淤積狀態（圖5）。2003年后，長江口來沙量持續減少，2012年后年平均輸沙量僅為1.5億t（圖8 (a)），底床沖淤變化顯著。但2001—2005年處于沖淤轉換的過渡期，總體上依舊呈現整體淤積，與過去長江口水下三角洲向海淤進的趨勢相吻合，說明長江口外的沖淤相對于三峽大壩蓄水具有一定的滯后效應。可能因素還包括：長江流域下游流域氣候[19]、人類活動[20]和沿程泥沙補給等帶來的沉積物在一定程度上彌補了流域來沙的不足。隨著流域來沙量的進一步減小，2012年侵蝕范圍進一步擴大，長江口水下三角洲前沿的沖刷速率明顯加快。統計結果表明，2012—2020年間口外年平均沖刷體積達到0.8億m3（圖8(b)）。流域大壩建設是2012年后水下三角洲侵蝕加劇的主要原因。

1980年代以來，長江口興建水庫、海灘堤防和圍填海等工程也是影響底床沖淤變化的重要原因。北支的圍填海工程使得河道淤積狀況進一步加劇，青草沙水庫的建設、南沙頭通道潛堤工程的建設和崇明島周邊的圈圍工程，使局部區域水動力發生變化[21]；深水航道工程實施后丁壩的束水作用，北槽河段的水流變得相對集中，主河段發生普遍侵蝕（圖4）；雙導堤使得堤內形成弱水動力環境，并造成了北通道兩側的沉積[22]，研究表明未來鹽水入侵可能加劇深水航道的回淤強度[23]。

4.3 沉積物粒度變化對河口底床沖淤的響應

基于沉積物輸運趨勢分析的結果（圖7(a)），北支上游的沉積物和口外的沉積物都有向北支河道內部輸運的趨勢，這與北支近年來長期處于淤積狀態的結果相吻合。北支的綜合整治工程改變了北支的河勢及水動力條件，雖然一直保持沉積物向北支內部凈輸運的大趨勢，但是在人類活動影響下局部的輸運趨勢發生了顯著變化。

2001—2012年，在人類活動導致入海泥沙通量快速降低的背景下，河口區沉積物粒度，底床沖淤及兩者間的相關關系發生了劇烈的變化（圖9）。其中，從2001—2009年相關性散點圖可以看出低分辨率下，3個區域散點位于X軸上方，同時中值粒徑的變化在2～5 μm，變幅小，這表明在該段時間區域整體保持持續淤積，整體沉積環境較為穩定（圖9(a)）。中分辨率和高分辨率下，70%的散點均位于X軸上方且沉積物粒度整體呈現細化的趨勢，口外區域的散點主要集中在X軸附近，基本處于沖淤平衡的狀態，在物源減少的背景下最先開始侵蝕（圖9(d)和(g)）。該時期內影響底床沖淤的主要因素是流域來沙，沉積物粒度對地形變化的響應并不顯著。

圖9 不同空間分辨率條件下中值粒徑變化與沖淤深度的相關性分析Fig.9 Correlation between median grain size and annual erosion/deposion rate for different resolutions of grid within different time periods

2009—2012年是河口區沉積物粒度、沖淤變化的敏感期也是兩者關系發生變化的過渡期，地貌由淤積為主逐漸轉為沖刷，沉積物則開始出現粗化趨勢。該階段低分辨率大區域網格指示長江口粒徑變化與沖淤變化仍維持正相關，但高分辨率統計網格指示的信息則相反。基于2009—2012年的散點圖，低網格分辨率顯示口外區域與徐六涇-攔門沙區域沖淤平衡，沉積物粒度普遍粗化，整體處在由淤轉沖的轉折時期（圖9(b)）。但高分辨率網格顯示大部分散點集中在X軸附近且主要位于第一、四象限，整體處于沖淤平衡且沉積物存在小范圍粗化，由于持續性物源減少，口外區首先出現小范圍侵蝕?？梢?，高分辨率網格能夠更好地捕捉小范圍內的變化信息。在粒度和地形變化的敏感時期，沉積物粒度對河床沖淤變化的響應關系較為顯著（圖9(e)和 (h)）。

2012—2020年為流域低輸沙通量時期，河口區范圍內整體開始出現大范圍沖刷且中值粒徑迅速粗化，在不同分辨率下，中值粒徑與沖淤變化都呈現負相關（圖9(c)、(f)和(i)）。當輸沙量持續降低且保持低值狀態，區域內沉積物粒度粗化明顯，沉積物粒度和河床沖淤變化呈現負相關。

5 結 語

本文采用沉積物粒徑趨勢模型和區域統計分析，分別從時間和空間角度分析了近40年來的海底沖淤和相應的沉積物粒度變化特征，得到主要結論如下：

（1）長江口典型的地貌單元包括北支、徐六涇-橫沙、橫沙-九段沙及口外區域，由于這些區域的水動力條件差異較大，底床沖淤和沉積物粒度的空間分布也差異較大。1980—2020年，北支徑流動力逐漸減弱、潮汐作用增強，是北支逐漸淤積的主要原因；徐六涇-攔門沙地區和口外區域的主要物源是流域來沙，三峽大壩蓄水后并沒有即刻發生侵蝕，2009—2012年是過渡轉折期，受流域來沙減少和人類活動影響，整體呈現出由淤轉沖的態勢。在來沙量持續減少的背景下，未來長江口區域可能遭受更加嚴重的侵蝕危害。

（2）早期長江中上游水沙供應充裕時期，河口整體處于淤積狀態時，沉積物粒度與沖淤變化關系不顯著，該時段主要控制因素是流域來水來沙。2009—2012年，長江流域輸沙量大幅降低時，長江口開始出現局地小范圍侵蝕且沉積物粒度有粗化趨勢，中值粒徑變化率與沖淤速率相關性由正轉負；近年來輸沙量持續降低且保持低值狀態，區域內沉積物粒度粗化明顯。未來隨著侵蝕繼續發展，沉積物粒度將會愈加粗化。

致謝：感謝馮威、徐超然同學在野外沉積物采樣和室內粒度分析試驗提供的幫助。