杭州灣北岸金山深槽侵蝕-淤積狀態研究

章馨謠，戴志軍*，馮凌旋，黃祖明

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200241；2.上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200061)

潮流沖刷槽作為河口區域重要的地貌類型[1],是漲潮流或落潮流強烈沖刷作用下形成和維持的負地形,在世界各有潮河口普遍存在,如英國泰晤士河口[2],阿根廷布蘭加河口[3],新西蘭Manukau河口[4],我國長江口[5]、珠江口[6]及杭州灣北岸[7-9]。相對穩定的潮流沖刷槽給沿海城市或港口的發展提供了較好的水運資源,但徑潮流復合作用以及人類活動如沿岸圍墾、航道工程及建設堤壩等[7,10-11]亦在不同程度改變潮流沖刷槽的邊界形態,進而對河床及碼頭安全產生影響。顯然,研究沖刷槽地貌及沖淤過程對河口或海岸港口選址、航道維護和治理等都具有重大意義。

杭州灣是典型的喇叭型強潮河口灣,平均水深8～10 m。海灣北岸物質組成普遍較細,以粉砂質黏土為主[12-14]。受控于強勁漲潮流塑造作用,杭州灣北岸疏松第四紀沉積層發育有金山、全公亭及乍浦等一系列深槽[8]。其中位于金山區上海石油化工廠附近海域的金山深槽是在漲潮流作用下形成的河口漲潮沖刷坑[5],為杭州灣北岸系列深槽的東部起點[9]。深槽呈NE—SW 向延伸,東部始于大、小金山之間,西至上海石化廠前沿(圖1)。深槽在潮流與長江水沙變化等多種因素的影響下一直處在動態變化過程。先前不少學者對金山深槽的形成及演變進行研究,陳吉余等[5]率先提出潮流沖刷槽的概念,稱其為“河槽中的河槽”,并指出金山到澉浦一帶貼近北岸發育有一個規模巨大的沖刷槽和沖刷坑。之后,部分學者對金山深槽的地貌特征[15]、潮流特征[16]、沉積特征[17]、演變模式及其穩定性[9,18-22]等作了探討。然而,隨著上海石油化工廠、港口碼頭、濱海旅游區等一系列重要沿海工程沿深槽所在位置的北部海岸構建,特別在2017年環杭州灣大灣區建設推進,杭州灣北岸經濟發展與建設出現新的發展,這將嚴重影響深槽地貌的變化狀態。深槽的快速沖淤亦將危及杭州灣北岸海堤穩定,進而對該地區港航及石化重工企業造成風險。開展金山深槽岸段動力地貌沖淤過程的研究,其價值不言而喻。據此,本文利用金山深槽岸段1989—2018年的高時間分辨率水深地形數據,對水沙條件變化下的金山深槽動態變遷過程進行分析,進而揭示金山深槽動力地貌變化機制,探究深槽未來發展態勢,以期為沿岸工程規劃和海灣經濟發展提供科學依據。

圖1 金山咀及金山深槽位置Fig.1 The location of Jinshanzui and Jinshan Trough

1 數據來源與研究方法

本文的數據來自1989—2011年多幅杭州灣金山咀附近海圖地形資料:1989年(交通部上海海上安全監督局,1∶100 000)、1997年(中華人民共和國交通部安全監督局,1∶100 000)、2002年(中華人民共和國海事局,1∶25 000)、2007 年(中華人民共和國海事局,1∶25 000)、2011 年(中華人民共和國海事局,1∶25 000)以及金山咀附近2005年、2006年、2008年、2009年、2010年、2012年、2013年、2015年、2018年共9次實測斷面水深數據(圖1)。斷面水深數據采用單波束測深儀進行采集,其主要特點是利用單點連續測量形成斷面水深數據,結合多個斷面數據達到由點到面的區域地形數據測量[23]。同時,本文還分析了長江入海控制站大通站1989—2018年連續的水沙變化數據,數據來自水利部長沙水利委員會發布的長江泥沙公報(http:∥www.cjw.gov.cn/zwzc/bmgb/)。

為系統闡述金山深槽岸段的動力地貌演化過程,本文將深槽的研究范圍定義為20 m 等深線包絡區域,定義深潭為30 m 等深線包絡區域。首先,利用ArcGIS平臺對海圖資料進行數字化,將不同時期的海圖地形數據和實測斷面水深數據校正到統一的WGS 1984 坐標系與理論深度基準面。然后,采用Natural Neighbour插值方法構建金山深槽及其附近岸段不同年份DEM 模型,同時利用Contour工具提取20和30 m 等深線。最后,利用Minus工具制作沖淤變化圖,Cut Fill模塊對相同的研究區域進行處理,獲取DEM 間的體積變化,計算沖淤量分析金山深槽及其鄰近海床沖淤特征。進一步利用MeanCenter工具以水深為權重計算深槽重心[24]分析深槽變遷狀態。此外,量算不同時間20 m 等深線的包絡范圍,分析金山深槽面積及體積變化特征。

2 結果分析

2.1 金山深槽及鄰近區海床沖淤特征

因金山深槽變遷頻繁,為更好地反映金山深槽的海床沖淤過程,對金山咀附近覆蓋深槽的區域及鄰近區海床進行沖淤分析。1989—2018年,金山咀附近海床沖淤變化明顯,整個區域被沖刷近162.7×106m3,平均侵蝕厚度超過2.4 m(圖2)。其中,金山深槽內大部分區域沖刷嚴重,局部最大沖刷厚度超過12 m。同時,即使深潭(30 m 等深線包絡范圍)區域大部分淤積,但在深槽北部靠近海岸邊坡的20和30 m 等深線之間發生大面積沖刷,沖刷厚度為8～12 m。

圖2 1989—2018年金山咀附近沖淤變化Fig.2 Bathymetric changes of the Jinshanzui during 1989 to 2018

1989—1997年,金山咀附近整體淤漲,淤積厚度約0.92 m,年均淤積體積約為7.7×106m3,尤其是金山深槽西北部以及中部向東南延伸區域有兩處達到3 m 以上的淤漲區,東南部淤漲區斜向貫穿金山深槽。此外,深槽內部存在多處中心沖刷厚度在3 m 以上較為分散的沖刷體于深槽內部呈串珠狀分布(圖3a)。

1997—2007年期間,金山咀附近海床總沖刷近2 m,年均侵蝕體積超過13.2×106m3(圖4),深槽內部出現一條明顯沖刷帶(圖3)。其中1997—2002年深槽中下部初步形成兩處沖刷區(圖3b)。2002年后深槽中下部沖刷體連接形成沖刷帶。此后沖刷帶開始向岸移動(圖3c～圖3d)。2005年后海岸邊坡附近由淤積轉為沖刷,深槽東部、中部、西部存在3處沖刷深度超過3 m 的沖刷區(圖3d)。以2005年為界,在此年份之前深槽與岸線相連的北部為淤積區域,深槽以南為沖刷區域。此后深槽由淤轉沖,且深槽與岸堤之間的海床整體也由淤積變為侵蝕,深槽外向海一側由侵蝕轉變為淤漲。

2007—2018年,金山咀海床仍處于大沖大淤狀態,不同年份地形資料表明年沖淤深度達到1 m 以上(圖4)。其中2007—2009年金山咀附近除城市沙灘沿岸出現條帶狀淤積外,海床大幅度沖刷,金山深槽以南全區域侵蝕,深槽內部侵蝕嚴重,多處沖刷超過3 m 且僅殘留直徑小于1 km 大小不均一的淤積體(圖3e)。在2009—2011年,先前淤積的城市沙灘沿線目前變為侵蝕,而先前侵蝕的區域都出現淤積,年均淤積體積達到68.9×106m3(圖3f)。2007—2011年雖逐年沖淤變動幅度較大,但由于“沖刷-淤積”的交替變化,4年間總體沖淤變化幅度微弱,年均淤積厚度為0.035 m。2011年后金山咀附近經歷了“沖刷-淤積-沖刷”演變,2011—2013年沖淤變化幅度較大(圖3g),其中2011—2013年沖刷深度＞1.5 m,2013—2015年期間發生補償性淤漲,淤積厚度超過1 m。但深槽內部以沖刷為主,2015年后沖刷程度明顯減弱,年均沖刷約0.24 m(圖3h和圖3i)。

圖3 1989—2018年期間沖淤變化Fig.3 Bathymetric changes of the Jinshanzui during 1989－2018

圖4 1989—2018年金山咀附近年平均沖淤變化Fig.4 The yearly changes in accretion and erosion near the Jinshanzui during 1989－2018

為進一步分析金山咀附近的水深變化,統計了20及30 m 以淺所測水深點出現頻率分布(圖5)可知,20 m 以淺水深點的變化趨勢與沖淤變化趨勢類似,1997年20 m 以上水深點頻率下降的同時金山咀附近海床整體淤積。1997—2006年20 m 以上水深點占比逐步上升,此后2007—2014年期間20 m 以上水深點的數量表現出兩次“增加-減小”的周期性變化,符合在其期間內金山咀附近“沖深-淤淺”的旋回變化特征。然而2009、2012、2015和2018年20 m 以深的水深點數量明顯高于其他年份,和先前年份的地形沖淤比較,表現為強侵蝕特征。可表征深潭的30 m 以上水深點數量變化幅度更大,呈現出反復增減的變化狀態,顯然深潭區域沖淤變化明顯,海床穩定性差。2015年后超過30 m 的水深點數量趨于穩定,同樣,在此期間金山咀附近發生持續性沖刷但沖刷強度較弱。1989—2018年期間,金山咀附近水深超過20 m的區域呈增長趨勢。

圖5 金山深槽20 m 和30 m 以上水深點出現頻率Fig.5 The frequencies of water depth points above 20 m and 30m within the Jinshan Through

2.2 金山深槽變遷特征

分析金山深槽不同時期水深地形圖(圖6)發現,深槽區域地貌形態發生了明顯變化。深槽在東西方向上變化較小,在南北方向上延伸明顯,向岸延伸0.5～1.3 km,向南延展0.4～1.2 km,尤其是深槽東部向北擴張約1.1 km。同時,1989年深槽內部存在東部、中部及西部三處水深超過30 m 的深潭,中部深潭呈兩端寬、中間窄的“∞”形,深潭中心部分深度最深(圖6a),1997年中部深潭消失(圖6b)。2002年30 m 以上的深潭區域明顯增多且深度加深,西部與中部開始連成一片且向岸移動明顯(圖6c)。2002年后中西部深潭開始經歷“連接-分離-連接”的反復演變,東部深潭開始淤積變淺不斷減小,2009年基本消失(圖6d和圖6e)。2011年由于強烈的沖刷作用,東部深潭沖刷回到2007年相似形態(圖6d和圖6f)。2012年金山附近岸段大范圍淤積,導致東部深潭再次淤漲,地貌形態與2009年形似(圖6e和圖6g)。此后金山深槽以輕微沖刷為主且沖刷速率有所下降,深潭面積略有增大(圖6h～圖6g)。

圖6 金山深槽不同時期水深地形Fig.6 Bathymetric maps in the Jinshan Trough from 1989 to 2018

由深槽內部深泓線擺動(圖7a)特點可知,1989—2018年期間深泓線中部無明顯變化,且基本保持穩定狀態。深槽主泓線貼近北岸發育,深泓線擺動主要發生在東西兩側。1997、2012和2018年深泓線有比較明顯的擺動。1989—1997年上海石化工廠區前深泓線的擺動幅度最大,擺幅超過1 km,2002年后該處深泓線回歸到原來位置。2012年深槽東側深泓線明顯向岸移動,隨后同樣擺動回原位。2018年城市沙灘東側前沿深泓線向南移動超過600 m。長期以來深槽主軸擺幅小,較為穩定。

以水深為權重,計算出近30 a深槽重心的經緯度坐標,并利用ArcGIS 的標準差橢圓工具創建1989—2018年深槽重心的一級標準差橢圓(圖7b),分析1989—2018年金山深槽重心的移動狀態。其標準差橢圓的方向為NE 36°48′,說明深槽重心整體呈NE—SW 方向分布。標準差橢圓長軸長約670 m,短軸為NE—SW 方向,長約200 m。長軸與短軸之比超過3∶1,意味著深槽重心在NE—SW 方向上的離散性大于NE—SW 方向,重心主要在NE—SW 方向上移動,所以重心的移動方向與深泓線的擺動方向具有一致性。

圖7 1989—2018年金山深槽深泓線及重心變化Fig.7 Changes in the thalweg migration and barycenter of the Jinshan Trough from 1989 to 2018

同時,在1989—2002年,深槽重心經度增大且有明顯東移趨勢。2002—2006年重心向西大幅度移動到1989年重心以西位置,此后深槽重心一直在東西方向反復遷移。2010—2011年重心位置變化幅度最大,2011年重心移動到最東側,此后重心開始向西移動,2013年基本回到2010年同一經度,2013年后重心經度有所增大。總體而言,1989—2018年重心經度無明顯的變化規律,重心在東西方向上不斷擺動(圖8a)。深槽重心緯度總體呈減小的趨勢,深槽在南北方向上的移動幅度大于東西方向(圖8b)。2005—2007 年、2010—2013年重心的經緯度有類似的變化趨勢,均經歷了大幅的變化后回到原來的位置附近,其變化可能與此期間的沖淤波動變化有關。整體上深槽重心的位置變化不大,一直在城市沙灘附近移動。

圖8 1989—2017年金山深槽重心坐標變化Fig.8 Variations in longitude coordinate and latitude coordinate of the Jinshan Trough barycenter from 1989 to 2018

2.3 金山深槽面積與體積變化過程

金山深槽沖淤動態變化與深槽面積及體積的擴大和縮小密切關聯。自1989年以來,金山深槽內部沖刷和淤積交迭發生,金山深槽的面積與體積也在不斷變化(圖9)。1989—2018年期間金山深槽20 m 等深線在不斷地變化移動,相應的包絡面積有增有減,但整體上處于擴大態勢(圖9a)；20 m 等深線以深的區域面積年均增長率約為0.32 km2/a。具體而言,與1989年比較,1997年金山深槽面積銳減至不足10 km2,隨后保持波動性擴張趨勢,在2009年深槽面積最大,之后面積有所減小,2014年后深槽面積再次增加,至2018年深槽面積達到20.8 km2,較1989年面積增長了近1倍。

金山深槽面積變化表征其在水平空間上的變化狀態,深槽體積變化則可以表現其在空間垂向上的沖淤變化(圖9b)。自1989—2018年深槽體積一直處于波動狀,但總體處于擴大狀態,年均增長速率超過1.9×106m3/a。其間,金山深槽體積由1997年87.9×106m3約縮小為1989年的一半,而在2002年體積增加至124.0×106m3,體積增加近3倍,2005年深槽體積減小至57.2×106m3。2005—2014年期間深槽體積反復增減變動且變動幅度較大,2008—2009年期間深槽體積增長了67.8×106m3,而在2009—2010年深槽體積減少了64.8×106m3。類似地,2012年增長了52.7×106m3,而又于2013年減小了51.7×106m3。2014年后深槽體積持續增長,年均增長率達18.2×106m3/a。

圖9 1989—2018年金山深槽面積與體積變化狀態Fig.9 Yearly variations in area and volume of the Jinshan Trough from 1989 to 2018

3 討論

3.1 長江來沙的影響

杭州灣緊靠長江入海口的南面,是錢塘江河口的口外海濱,與錢塘江和長江物質交換頻繁。長江的多年平均徑流量約為8 931億m3,而錢塘江的多年平均徑流量僅為220.5億m3；長江多年平均輸沙量為368 000億萬t,而錢塘江的年均輸沙量僅為長江的0.7%。且錢塘江流域來沙主要堆積在浙江省海鹽縣澉浦鎮以上河段,部分由杭州灣南部下泄,僅有極少部分在潮流作用下沿杭州灣北岸東輸[25]。長江入海泥沙在潮流作用下經杭州灣北岸輸入杭州灣內,是杭州灣北岸主要的物質來源。近些年,受堤防修筑及加固的影響,尤其在2003年三峽大壩開始調蓄運行后,長江入海泥沙量急劇減少,致使長江口進入杭州灣北岸的泥沙減少,進而影響北岸潮灘的發育過程[26-28],這從圖10a中長江大通站年均輸沙量變化情況也可看出(圖10a)。

1989—2018年期間金山深槽的面積與體積整體呈現擴大態勢,由深槽面積及體積變化與大通站的年均輸沙量關系進一步分析結果(圖10)可知,金山深槽的面積和體積變化與大通站年均輸沙量之間的關系密切。長江來沙量減少深槽面積擴張體積增大,反之,面積和體積都減小。相較于體積,金山深槽的面積對長江來沙量變化的響應更為強烈,金山深槽作為河口漲潮槽,其展寬作用大于刷深作用[29]。鄭璐等[22]利用2002和2012年的2期水深地形數據研究亦發現,入海泥沙減少引起2002—2012年深槽整體處于沖刷狀態。而本文利用此期間內的12期連續高分辨率水深數據,還揭示了金山深槽及其附近海床在近十年內為整體沖刷的狀態,但各年間處于沖刷—淤積不斷交迭演化中(圖4)。這可能是因為金山深槽位于杭州灣北岸西側,東側部分區域沖刷產生的泥沙進入深槽附近岸段,在一定程度上緩解了由長江入海泥沙減小對金山深槽體積變化的影響[21],此外,下文要討論的杭州灣北岸大規模周期性侵蝕—淤積波轉移對深槽地貌也會產生影響。

圖10 金山深槽體積變化與大通站年均輸沙量的關系Fig.10 Relationship between yearly volume changes of the Jinshan Trough and yearly sediment discharges at the Datong Station

3.2 杭州灣侵蝕-淤積波對金山深槽地貌的影響

杭州灣動力地貌演變受到長江入海水沙補給以及杭州灣沿岸水動力條件的制約。在不同時段和不同岸段,沖淤動態不同,這種沖刷和淤積作用在時間和空間上的組合,便形成了侵蝕－淤積波的波動[30]。南匯咀向海一側存在一個沙尖外指的高位沙體(俗稱“搖頭沙”),其為侵蝕/淤積波的源頭。“搖頭沙”水下部分受長江口南槽及杭州灣兩股水流相互作用的影響而發生變動。當南槽水流作用強于杭州灣水流時,其沙體向南突出誘發淤積波,南匯南灘在“搖頭沙”的掩護作用下淤漲,杭州灣北岸岸段在夾沙力增大的潮流作用下發生沖刷；當杭州灣水流強時,沙體向東或東南擴展誘發侵蝕波,大量泥沙于“搖頭沙”堆積,南匯南灘沖刷后退,沖刷產生的泥沙在杭州北岸發生堆積發生淤積[30]。在侵蝕/淤積波的作用下杭州灣北岸岸灘此沖彼淤、相互消長,金山深槽及其附近海床沖淤變化頻繁。沿岸泥沙在強潮流作用下以波狀沙體向西移動[13],將本文研究結果與前人對南匯動力地貌的研究結果進一步比較發現[31-32],當南匯附近發生沖刷時,金山深槽及其附近岸段相應發生沖刷。進一步比較不同年代沖淤圖中侵蝕體與淤積體的變化發現,金山深槽內部除2007—2009年全面沖刷(圖3e)以及2009—2011年全面淤積外(圖3f),侵蝕與淤積區域均成片交迭出現,且侵蝕淤積幅度相對均勻。

在侵蝕/淤積波的影響下,金山深槽地貌形態也表現出波動性的特點,呈現出周期性的演化,并可以劃分為4個階段:階段1(1989—1997年),受深槽及其附近海床整體淤積的影響,深槽內中部深潭淤積消失,深槽的各個方向均有所縮窄；階段2(1997—2002年),深槽內沖刷加劇,于南北方向擴展,中部深潭發育且與西側連接,東部深潭面積擴大,深槽向岸運移；階段3(2002—2013年),深槽再次發育增大,深槽內部的地貌狀態經歷了“沖深體積增大－淤積體積減小”反復循環變化,同時中西部深潭區域也在不斷經歷局部填充分離以及再次沖刷連接的過程,東部深潭保持較為穩定狀態；階段4(2013—2018年),深槽向西南方向移動,南北向展寬,中部深潭萎縮消失,西部深潭向中部延伸(圖11)。

圖11 金山深槽演變模式示意圖Fig.11 The geomorphologic cycle patterns of the Jinshan Trough

4 結論

基于1989年以來多年的海圖資料以及實測地形數據,分析了金山深槽的沖淤變化與地貌演變特征,進而探討了金山咀前沿河床演變及其穩定性,得出以下結論:

①自1989年以來近30 a期間,金山深槽及其附近海床沖淤變化明顯,受侵蝕/淤積波影響呈沖刷、淤積周期性循環的地貌演變模式,最大沖淤深度超過10 m,整體以侵蝕為主。

②1989—2018年期間,金山深槽面積與體積整體上呈增長趨勢,其中面積和體積年均增長率分別約為0.32 km2/a、1.94×106m3/a。長江來沙急劇減少是導致金山深槽面積與體積擴大的主要因素。

③金山深槽深泓線和重心在NW—SE方向上擺動,與深槽延伸方向一致,但擺幅較小。深槽在中部和西部深槽變動較為活躍,中部和西部深潭多次經歷“連接－分離－連接”的過程。深槽于南北方向上延伸明顯,從而引起深槽與堤岸之間的邊坡處于不穩定狀態,若金山深槽進一步向岸移動,金山附近岸段的穩定性則將面臨風險。