近十年來長江口北支動力地貌演化過程

朱 林，陳曉紅，郭興杰，徐 健

（1. 海洋出版社有限公司，北京 100161；2. 長江上海航道處，上海 200010；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072；4. 上海市水務規劃設計研究院，上海 200233）

河口位于陸域、海洋和河流的過渡地帶，擁有豐富的河道、灘涂、濕地等獨特的河口生態資源，也是重要的水運航道。長江口呈“三級分汊，四口入海”基本格局[1]。北支位于長江口第一級分汊口北汊道，西起崇明島頭，東至入海口，全長約79 km，平面呈喇叭形，水深較淺，發育大量的心灘和邊灘[2-3]，也是長江口重要的支航道之一。歷史上長江口北支曾是長江口主要的分流汊道之一，但受河道兩側人類活動和長期地轉偏向力的影響，北支處于不斷淤漲衰退的演化趨勢[2]，落潮分流比從1915年的15%轉變為1959年的0.7%，并成為潮控型漲潮優勢河道[4-5]，1999年以來的分流量穩定在1%以下[6]。由于長三角經濟發展的需求，北支兩岸經歷大量圍墾工程[7-8]。許多學者從北支水沙輸運機制[9-11]、北支沉積物變化特征[8,12-13]、地形地貌演化[14-19]、人類活動影響[2,7-8]等方面進行了深入研究，但對近期北支演化特征研究較少，且相關分析在不同時期驅動因素也不盡相同，鑒于此，研究近年來北支河道演化特征具有重要的學術意義。

本文利用高分辨率單波束測深數據，并結合GIS分析方法對崇明東灘演化過程進行研究，希望解決以下問題：近十年來長江口北支演化特征；大型工程對地形演變的影響；長江口北支的灘涂濕地保護策略。

1 數據來源與研究方法

本文地形數據為長江上海航道處實測，定位系統采用SHCORS系統，利用單波束測深儀，儀器精度約（1～10 cm）±1%測深，并結合GPS接收機進行間距約1 km的斷面測量，測深數據經過多潮位站修正。坐標采用理論最低潮面，北京54坐標。平面定位最大和最小誤差分別約±1.99 m和±0.95 m。

采集數據通過ArcGIS軟件中Kriging法進行插值和網格化處理，并建立DEM地形模型，在地形模型中提取斷面，地形模型相減形成沖淤模型。數據選擇年份為2007年和2017年，為更好地定量對比長江口北支的地形變化，本文研究區域選取固定面積的區域進行對比研究，具體邊界位置見圖1，選擇固定邊界內研究區定量計算體積，具體計算邊界見圖1b，相鄰兩年體積相減，得到體積差，與研究區面積相除，得到沖淤厚度，研究區泥沙容重選用1.4 t/m3[20]，計算北支沖淤厚度變化。

2 北支地形演化特征

2.1 歷史地形演化

長江口北支河道的形成和演化與崇明島的發育有較大關系，歷史上北支大部分時期處于自然演化態勢，人類活動影響較小，1915年北支上口0 m等深線河寬約5.8 km，-10 m等深線基本覆蓋北支河段，分流比約占長江口整體徑流量的25%；1954年由于長江大洪水的造床作用，南支河道被沖深加寬，南支分流比增加，而北支分流角繼續增大，徑流分流比減少，20世紀60年代后北支兩側圍墾工程增加，加速了北支的萎縮程度，北支逐漸由河控型河道變化為潮控型河道，徑流分流比逐漸下降至1%左右，潮流帶來的泥沙逐漸淤堵河道，河道逐年淤淺[18,21]。

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

2.2 地形沖淤變化

圖2 2007～2017年長江口北支沖淤變化Fig.2 Erosion and deposition changes in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

從圖2長江口北支沖淤變化結果可見，2007～2017年地形變化可分為3個不同河段，分別為中上段、下段、口門段。北支中上段河道較窄，基本以侵蝕為主，局部河段淤積，近十年間沖淤變化在0.5～1 m之間，其中侵蝕范圍明顯大于淤積范圍，最大侵蝕或者淤積區發生于靠岸一側，侵蝕深度在1～2 m之間；中下段為淤積河段，此河段河寬逐漸加寬，發生明顯的淤積，北側淤積大于南側，淤積厚度在0.5～1 m之間，河道中間形成了一個窄的侵蝕條帶，條帶侵蝕深度在1 m以上；口門河段呈“北沖南淤”態勢，存在明顯的沖淤分界線，侵蝕區范圍略大于淤積段范圍，北側侵蝕深度在0.5～1 m之間，而南側淤積厚度大部分大于1 m。

2007年長江口北支河道容積約為0.66 km3，2017年河道容積增大，約為0.67 km3，研究區十年內侵蝕量為13.97×106t，研究區面積為218.61 km2，年均侵蝕速率為0.46 cm。

2.3 典型斷面變化特征

在研究區內選擇5個典型斷面進行分析，其中AA’斷面在北支上口門，分析河道徑流入口斷面變化，BB’和CC’斷面都在北支河道轉折位置，在轉折角兩側分別進行斷面分析，DD’斷面位于淤積區，位于崇啟大橋西側位置，EE’斷面位于北支下口門位置，監測口門斷面變化。

AA’斷面兩側變化相反，江蘇省滸通港一側發生明顯淤積，岸邊最大淤積厚度約8 m，而崇明島一側發生侵蝕，最大侵蝕厚度在3 m左右（圖3a）；BB’斷面在江蘇省中興村一側發生侵蝕，侵蝕深度在3 m左右，而崇明島一側發生淤積，淤積厚度在1.5 m左右（圖3b）；CC’在靠近江蘇省崇海鎮一側發育有一條深泓，在2007～2017年間深泓發生侵蝕增加，最大侵蝕深度在3 m左右，深泓寬度也增寬，而崇明島一側沒有明顯的沖淤變化（圖3c）；DD’斷面位于淤積區，在2007年河道中間發育有一個心灘，但是在2017年，心灘基本消失，周圍發生明顯淤積，淤積厚度在1 m左右（圖3d）；EE’斷面位于北支下口門，靠近江蘇省江海村一側發生明顯侵蝕，侵蝕深度在1.5 m左右，而崇明島一側發生淤積，淤積厚度在0.5 m左右，整體侵蝕略大于淤積（圖3e）。

3 北支演化驅動因素

從上述結果可知，2007～2017年間長江口北支近年來整體呈侵蝕態勢，局部中上段發生侵蝕，下段發生淤積，口門段發生“北沖南淤”變化特征。一般而言，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。近年來長江口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[3,22]。

3.1 泥沙來源及與地形沖淤的關系

圖3 2007～2017年長江口北支典型斷面水深變化Fig.3 Water depth changes of typical sections in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

動力和泥沙來源是決定河道演化的主要因素，北支的水沙來源一般為長江徑流輸入和近海沿岸流輸送。由于1954年大洪水對南支的沖刷作用，南支河道擴大，基本成為長江徑流的主要分流口，加之20世紀60年代后，北支兩側大量圍墾工程的建設，北支的徑流分流比減少至1%左右，北支河道與長江主河道夾角基本接近90°（圖4），所以減少了北支中徑流攜帶的泥沙量，但流域輸沙仍然是北支重要的泥沙來源之一。由于長江上游攔水大壩工程、南水北調工程和一些水土保持工程的實施，長江泥沙輸運量減少至過去的28%[3,23]，長江口整體懸沙含量較低，而根據趙捷等[4]分別于2009年和2010年在長江口徐六徑、南支崇西、北支永隆沙懸沙觀測可知，長江口徐六徑懸沙含量最低，北支永隆沙懸沙含量遠大于南支崇西，最大懸殊在10倍以上，且北支口外存在蘇北沿岸流，蘇北沿岸流搬運廢黃河三角洲泥沙，輸送至長江口[24]，在漲潮作用的輸送下，進入北支，導致北支淤積變淺，是北支淤積的另一個重要物源之一。

圖4 長江口北支上口分流角特征Fig.4 Diversion angle’s characteristics of upper entrance in the North Branch of Yangtze River Estuary

北支中上段以侵蝕為主，下段以淤積為主，根據北支的兩個泥沙來源，徑流輸沙減少可能是導致北支中上段侵蝕的主要原因之一，而沿岸流輸沙為北支下段淤積提供了物質基礎。

3.2 河道形態影響

河道形態也是決定地形演化的主要因素，根據前述結果可知，北支中上段沖刷，下段淤積，中上段河寬較窄，下段逐漸變寬，動力減弱，漲潮流泥沙在中下段大量淤積，上溯的過程中，隨著河寬變窄，流速增大，動力增強，泥沙不容易落淤，所以導致中上段侵蝕大于淤積。

長江口北支上段基本為侵蝕態勢（圖5a），在北支河道轉角位置也出現典型的“凹岸沖刷、凸岸淤積”現象（圖5b），局部河道由于從窄河道進入寬河道后發生淤積現象。

圖5 長江口北支重要河段沖淤變化Fig.5 Erosion and deposition changes of the important sections in the North Branch of Yangtze River Estuary

3.3 地轉偏向力影響

北支河道主要由漲潮流控制[7,19]，尤其是口門位置，漲潮流動力較強，在地轉偏向力的作用下，漲潮流向右偏轉，動力較強，導致江蘇省一側發生侵蝕，而崇明島一側主要由落潮流影響，北支落潮動力較弱，發生淤積現象，而南側為崇明東灘位置，近年來崇明東灘基本為淤積態勢[3]，河道寬闊、地轉偏向力和多汊道交匯共同作用導致南側發生淤積現象。

3.4 人類活動影響

人類活動已成為影響長江口地形演化的主要驅動因素之一，灘涂圍墾是典型的長江口人類活動，也是河口演化的主要驅動力。崇明北側邊灘是長江口重要的圍墾區之一，也是上海市主要的土地來源之一，從1958～2005年間，北支兩側進行了大量的圍墾工程（表1），共計圍墾491.4 km2。本文研究時間為2007～2017年，通過文獻[3]遙感影像可知，崇明北沿在2011～2017年間北支兩側仍然進行了大量圍墾工程。

表1 長江口北支灘涂圍墾統計Table 1 Statistics of tidal flat reclamation within the North Branch of Yangtze River Estuary

北支兩側的圍墾工程極大的束窄了河道河寬，也減弱了河道的擺動幅度，加速了河道的淤積萎縮程度，其次口門位置河寬較大，2007年存在一條明顯的潮流沙脊，此區域為明顯的漲落潮主流路不同的復式河道，由于北支口門南側圍墾工程的實施[3]，束窄了河道，此區域發生明顯的淤積現象，但是河道中間的潮流沙脊基本消失（圖6）。

圖6 2007～2017年間長江口北支下段潮流沙脊消失特征Fig.6 Disappearing characteristics of tidal sand ridge at the lower section in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

北支在2007～2017年間發生整體侵蝕，與過去淤積[7,17-19]演化趨勢不同，北支口門位置崇明東灘發生淤積，且其主要沙源來自海域來沙，且北支口內懸沙量并未發生明顯減少，但是整體侵蝕卻大于淤積，可能與近期周圍大量圍墾工程相關，圍墾工程就近河道采集泥沙進行促淤，導致長江口北支發生持續侵蝕，在長江大保護的號召下，北支兩側圍墾工程將逐漸減少，未來北支受海域來沙的長期影響，淤積衰退仍然是北支的主要演化趨勢。

4 北支灘涂濕地及其保護建議

過去長江流域輸沙量豐沛[1]，且自南北支分流口工程的建設和北支的圍墾工程的開展，北支過去一直為淤淺的發育態勢，所以發育有大量的灘涂濕地。20世紀70年代，特別是2003年三峽工程后長江入海泥沙通量急劇下降[23]，2007～2017年長江輸沙率為128×106t/a左右，較三峽工程前減少約70%[25]，長江口北支發生“中上段侵蝕，下段淤積”的發育態勢，整體侵蝕大于淤積，極大地影響到北支灘涂濕地的發育[26]。

北支的灘槽地形受到流域輸沙減少和工程采砂的雙重脅迫，近期發生侵蝕，為保護長江口灘涂濕地，首先，沿江省市需堅持“長江大保護”國家戰略，減少北支河槽的工程采砂；其次，由于北支兩側分別由江蘇和上海分別管理，在北支的保護中需上海和江蘇協同進行，借助“長三角一體化發展戰略”，兩省市協同管理和保護北支的灘涂濕地。

5 結論

本文收集2007～2017年間高精度實測地形數據，并利用GIS分析方法研究長江口北支的演化特征，結合北支周圍水沙輸送、河道形態和圍墾工程等影響因素進行分析，得出以下結論：

（1）長江口北支在2007～2017年間整體發生侵蝕，其中，中上段侵蝕明顯，下段輕微淤積，入海口門呈“北沖南淤”的特征，期間共侵蝕泥沙量約13.97×106t，年均侵蝕厚度約0.46 cm，侵蝕峰值發生于北支上段，年均最大侵蝕為10～20 cm。

（2）影響北支演化的主要泥沙物源來自長江流域和蘇北沿岸流的泥沙輸送，河道轉角位置發生明顯的“凹岸沖刷、凸岸淤積”現象，豐沛的懸沙和較弱的動力條件是導致北支下段淤積的主要原因。

（3）北支兩側的圍墾工程對河道的演化影響日趨增大，長江口北支上口分流角變化是引起徑流動力減弱的主要原因，大量圍墾工程的河道采集泥沙可能是引起研究期間河道侵蝕的主要原因。

（4）建議未來堅持“長江大保護”和“長三角一體化”國家戰略，減少北支周圍的工程采砂，長三角省市協同保護北支的灘涂濕地。