長江口年代際沖淤演變趨勢預測與應對策略

欒華龍，丁平興，姚仕明，渠 庚，柴朝暉，雷文韜

(1.長江科學院河流研究所，湖北 武漢 430010； 2.水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

受河流來沙減少、海平面上升、地面沉降等因素影響，世界范圍內許多河口三角洲正由淤漲型向蝕退型轉變[1]。同時，河口三角洲地區大型工程建設，包括灘涂圍墾、航道整治、化石能源開采等，都對河口地形變化產生直接影響。國外學者針對世界上48個主要河口三角洲的風險評估表明，目前河口治理的短期政策難以適應全球氣候變化與人類活動雙重脅迫，呼吁加強合作研究進而提出長遠對策[2]。我國的黃河口、長江口和珠江口均被列入高風險之列，在流域及局地人類活動的影響下，面臨不同程度的河勢調整與侵蝕問題[3]。當水沙動力條件變化時，河口本身存在一定的自適應調整過程[4-5]，通常需要幾年甚至近百年才能趨于穩定。河口沖淤演變格局是其綜合利用的基礎，如何合理預測未來年代際演變趨勢從而應對不斷變化的新形勢，已成為廣泛關注的焦點[6-7]。

長江口是我國經濟最發達、城市化水平最高的地區之一，在長江流域及我國社會經濟發展中占有舉足輕重的地位。自然條件下，長江口演變受徑流、潮流及風暴潮等多重作用，水沙動力過程復雜多變，呈現多級分汊的地貌形態和灘槽交錯的河勢格局。過去幾十年來，對長江口演變規律和機理的認識不斷深化，促進了長江口綜合效益的持續發揮[8-10]。然而近十幾年來，受水文氣象條件變化、上游水利工程調度運用及河口區人類活動的綜合影響，長江口入海泥沙通量減少，水體含沙量下降，前緣潮灘淤漲放緩[11]，水下三角洲局部由淤轉沖[12-13]，灘槽河勢格局發生新的變化。針對不同情景下長江口未來幾十年的演變趨勢預測，一些學者對長江口局部區域開展了數值模擬研究，如九段沙[14]、前緣潮灘[15]、南支河段[16]、攔門沙地區[17]等，尤其深化了對整治工程影響及沖淤平衡趨向的認識[17]，但目前對整個長江口在年代際時間尺度上的沖淤格局變化趨勢預測的系統研究還較為缺乏。

長江口是區域社會經濟發展的重要載體，其河勢及灘槽穩定關乎沿江城市防洪安全、供水安全、航運安全、生態安全等諸多方面。因此，迫切需要認識多因素影響下的長江口年代際沖淤演變趨勢，考慮與長江口綜合整治開發規劃修編相協調，本研究采用規劃水平年(2035年)為預測模擬時間節點，同時延長模擬時間至2050年，針對未來沖淤演變可能產生的不利影響探討應對策略。研究成果能夠提升河口海岸中長期演變模擬水平，為新形勢下長江口綜合治理與保護提供技術支撐，具有較強的科學意義和應用需求。

1 材料與方法

長江口地處東海和黃海交界處，長江攜帶巨量的徑流和細顆粒泥沙在此入海，由于河床縱比降(約0.097×10-4)平緩、兩岸地勢低洼，在徑流、潮流的交互作用下塑造成大型的平原河口三角洲，陸地和水域面積分別約為30 000 km2和10 000 km2[18]。長江口在徐六涇以下河槽展寬，呈三級分汊、四口入海的平面形態，共有北支、北港、北槽、南槽4個入海通道，口門位置寬度達90 km(圖1)。

圖1 長江口區域概況Fig. 1 Overview of the Changjiang Estuary

1.1 長江口水文泥沙條件

長江口動力條件以徑流、潮流相互作用為主。20世紀50年代以來，長江入海徑流量年際間沒有趨勢性變化，輸沙量則持續下降，三峽蓄水后降幅約為67%[19]。水沙通量的年內分配出現相應調整和變化，汛期和汛后蓄水期月均徑流量小于三峽工程蓄水前，枯水期增加泄量，入海徑流量有所增大，徑流過程趨于“坦化”[圖2(a)]；汛期輸沙量顯著減小，沙峰基本消失，洪、枯季含沙量差異大幅減小[圖2(b)]。長江口為中等強度潮汐河口，口門位置平均潮差和最大潮差分別為2.67 m和4.62 m(南槽中浚站)；長江口進出潮量巨大，在平均徑流量和平均潮差條件下，北支和南北港總納潮量達263 000 m3/s，是年均徑流量的9倍[9]。由于長江下游河道坡降平緩， 潮波向上游傳播范圍(大通)遠超鹽水入侵界面(徐六涇)。潮區界位于距離河口約600 km的大通附近，潮流界位于江陰附近，潮區界和潮流界的位置隨季節性的徑流量變化而相應移動。風浪對地形影響主要位于長江口門局部淺水區域。

圖2 不同時期大通水文站徑流和含沙量Fig. 2 Monthly freshwater discharge and suspended sediment concentration at Datong Station during different periods

1.2 長江口整治工程情況

近20 a來，長江口進入綜合整治與開發利用的快速發展期，陸續實施了以河勢控制、水源地建設、航道建設、灘涂圍墾為主的四大類工程，包括長江口深水航道治理工程、青草沙水庫、白茆沙潛堤工程、新瀏河沙護灘及南沙頭通道潛堤工程、橫沙東灘及南匯邊灘促淤圈圍工程等。

1.3 長江口年代際沖淤演變特征

在之前的研究中已對長江口年代際沖淤演變過程進行了定量分析[20]，劃分口內河段與攔門沙地區(圖1)，分析了演變特征的空間差異。長江口年代際演變過程具有顯著的時空差異，口內河段自20世紀80年代由淤轉沖，攔門沙地區在1997—2010年期間維持凈淤積，但最新研究表明，該區域已于2007年前后發生沖淤轉換[21]；1958年以來，河口整體上經歷快速淤漲、淤積減緩、沖淤平衡和總體沖刷的階段性轉變。流域來沙持續減少、20世紀90年代連續洪水以及近期大型河口整治工程建設是沖淤演變格局的主要驅動因子。

1.4 模型簡介與預測情景設置

長江口年代際沖淤演變預測模型基于Delft3D模型系統，該系統耦合了水動力、物質輸運、波浪及地貌等模塊[22]，水動力模塊采用水深平均2D模式，計算結果為其他子模塊提供水動力信息。地貌模塊中引入“地貌加速因子”方法，可實現年際至年代際時間尺度的沖淤演變模擬，但加速因子取值需結合模擬區域的水沙動力特性及河床沖淤規律進行敏感性試驗來確定，通常一個潮周期內加速后的地形變化不宜超過水深的10%[23]。模型范圍覆蓋整個長江河口(上至潮區界大通)、杭州灣及鄰近海域(圖3)，驅動力包括河流徑流和8個主要天文分潮，考慮河流水沙條件的季節性變化和多種泥沙組分(粘性沙和非粘性沙)。之前的研究已對沖淤演變模型進行了充分率定與驗證，能夠復演長江口徑流、潮流動力過程及過去50 a沖淤演變，滿足精度要求，并可以用于未來演變趨勢預測，長江口年代際地貌沖淤演變模型詳細介紹及驗證結果參見文獻[24]。

圖3 長江口數值模型計算網格Fig. 3 Numerical model grids of the Changjiang Estuary

預測模擬以2015年實測地形作為初始地形，考慮河流水沙條件變化、相對海平面上升等因素，對長江口2015—2035年和2035—2050年沖淤演變趨勢進行預測模擬。針對未來長江口入海水沙通量，Yang等(2010、2014)通過綜合考慮三峽工程和南水北調工程影響，利用統計方法預測到2050年長江年均徑流量將下降約4.8%，輸沙量在不同工況將下降至1.0×108～1.2×108t/a左右，本研究預測模擬情景采用上述研究成果，徑流量和輸沙量年均值分別取26 582 m3/s和1.25×108t/a(極端低來沙量取1.0×108t/a)[25-26]，并基于2003年以來多年月平均值對年內過程進行分配。所有情景均考慮因海平面上升和地面沉降引起的相對海平面上升，其中地面沉降速率取值3.5 mm/a[27]；海平面上升依據《2018年中國海平面公報》[28]，公報中預測未來30 a長江口海平面上升75～155 mm，上升速率為2.5～5.2 mm/a。

綜合預測模擬邊界條件的選取，共設置了6組不同的情景(表1)。其中：情景1、情景2對應2015—2035年，年均輸沙量取值為1.25×108t，相對海平面上升分為低、高兩種情況；情景3～6對應2035—2050年，初始地形采用情景1的預測結果，年輸沙量取值為1.25×108t和1.00×108t，相對海平面上升分為低、高兩種情況。

表1 預測模擬情景設置

2 結果與討論

2.1 2015—2035年沖淤演變趨勢

由圖4(a)可以看出，2015—2035年長江口總體上將以沖刷為主，尤其口內河段主槽和沙體邊緣沖深較明顯，少數淺灘局部區域有所淤積。口內河段主槽和低灘沖刷，扁擔沙切灘竄溝沖刷擴大，下扁擔沙尾被沖刷分散，新橋水道下段沖刷，淤積部位主要位于高灘及沙體頭部，南港瑞豐沙尾及主槽也有所淤積。攔門沙地區南北槽進口段和北港下段延續近期沖刷狀態，北港口局部形成一個淤積帶，這可能與模型預測的北港下段主槽沖刷偏高且沖刷的泥沙隨落潮流輸移至此并堆積形成有關。北港口外和南北槽口外水下三角洲沖刷帶維持沖刷態勢。長江口前緣四大潮灘呈現不同的演變趨勢，崇明東灘整體沖刷，5 m等深線向陸一側蝕退，崇明東灘汊道5 m等深線被沖開；橫沙淺灘整體以淤漲為主，5 m等深線向東南角淤漲擴大；九段沙平面形態整體變化較小，江亞南沙沖刷萎縮，5 m等深線范圍減小，沙體向海一側有所沖刷，5 m等深線后退；南匯邊灘以淤積為主，5 m等深線范圍向外略有擴大。

情景1與情景2沖淤分布格局比較類似，差異主要體現在局部區域的沖淤強度[圖4(b)]。相對海平面上升速率不同對口內河段影響較小，但速率更快有利于泥沙在口門地區淤積和沖刷帶的沖刷，淤積部位主要包括北港、北槽和南槽的中下段，橫沙東灘等區域。

2.2 2035—2050年沖淤演變趨勢

由圖5可以看出，到2050年長江口總體仍維持沖刷為主的演變格局。口內河段徐六涇南側主槽、南支上段主槽和北港上段繼續沖刷下切，白茆沙、扁擔沙和新瀏河沙5 m等深線萎縮減小，沙頭及南緣持續沖刷；上、下扁擔沙之間的竄溝繼續擴大，新橋水道沖刷加強，下扁擔沙尾被切灘沖蝕；新瀏河沙形態變化不大，瑞豐沙趨于萎縮。攔門沙地區北港與南北槽的主槽維持沖刷狀態；北港北汊繼續沖刷擴大；橫沙東灘5 m等深線以淺區域以淤積為主，沙體形態變化不大；九段沙向海一側蝕退，沿南導堤南側發育形成漲潮溝；南匯邊灘東側5 m等深線沖刷后退。

河流來沙量持續下降對沖淤演變趨勢影響顯著，更低來沙量時淤積顯著減小，沖刷增強，來沙量減小對河床沖淤的影響沿程逐漸遞減，對口內河段的影響大于攔門沙地區[圖5(c)]。相對海平面上升速率更高時對口內河段沖淤影響不大，但對攔門沙地區泥沙淤積有一定促進作用，對河流來沙減少引起的沖刷起到一定抵消作用[圖5(b)、(d)]。

圖4 2015—2035年情景1沖淤演變趨勢模擬結果及其與情景2的差異Fig. 4 Model results of morphological evolution trend in Scenario 1 and the difference with Scenario 2 during 2015-2035(a)為情景1沖淤演變趨勢，(b)為情景1與情景2沖淤差異。

圖5 2035—2050年情景3沖淤演變趨勢模擬結果及其與情景4、5、6的差異Fig. 5 Model results of morphological evolution trend in Scenario 3 and the difference with Scenario 4, 5 and 6 during 2035-2050(a)為情景3沖淤演變趨勢，(b)為情景3與情景4沖淤差異，(c)為情景3與情景5沖淤差異，(d)為情景5與情景6沖淤差異。

2.3 泥沙沖淤量變化趨勢

2015—2035年，口內河段和攔門沙地區均為凈沖刷(圖6)，情景1、情景2口內河段年均凈沖刷量均為-0.580×108m3/a，低于2002—2015年均值(-0.616×108m3/a)[16]；攔門沙地區年均凈沖刷量分別為-0.240×108m3/a和-0.222×108m3/a，表明海平面上升速率更高時，攔門沙地區沖刷強度有所降低，降幅約為7.5%。

2035—2050年，所有情景中口內河段均保持凈沖刷狀態，攔門沙地區則出現不同沖淤狀態(圖6)。情景3、情景4河流來沙量維持目前水平(1.25×108t/a)，口內河段凈沖刷量分別約為-0.722×108、-0.729×108m3/a，情景5和6河流來沙量減小到1.00×108t/a，凈沖刷量分別增大到-0.839×108、-0.846×108m3/a，增幅均為約16.0%。不同海平面上升速率對口內河段沖淤量的影響很小，沖淤量變化幅度低于1.0%。攔門沙地區在目前來沙量條件下略有淤積，凈淤積量約為0.083×108m3/a，隨著海平面上升速率增大，凈淤積量增大至0.103×108m3/a；當年均來沙量下降到1.00×108t時，攔門沙地區則轉為凈沖刷，凈沖刷量約為-0.055×108m3/a，高海平面上升速率條件下，凈沖刷量減小至-0.035×108m3/a。

圖6 不同情景下口內河段和攔門沙地區沖淤量Fig. 6 Sediment volume changes in inner estuary and mouth bar area under different scenarios

2.4 新沖淤格局下長江口應對策略探討

上述研究表明，受流域來沙持續減少影響，長江口已出現沖淤格局轉換，在未來持續低來沙量條件下，沖刷還將進一步發展，有可能威脅長江口河勢穩定及沿江經濟社會的可持續發展。新時期長江口綜合治理與保護需充分重視新的沖淤格局，結合沖淤演變趨勢預測模擬結果及可能產生的不利影響，提出如下應對策略：

2.4.1 穩定長江口當前易變且關鍵控制性的灘槽格局 長江口徑流、潮流動力條件復雜，包括扁擔沙、新瀏河沙、瑞豐沙等在內的多個大型活動沙體仍沖淤多變，局部河勢不穩定性增加[29]。針對扁擔沙演變趨勢中出現的切灘和沙尾沖蝕，需加強竄溝附近的水文地形原型觀測，研究提出兼顧生態環境需求的扁擔沙堵汊和固灘方案，抑制切灘進一步發展，阻止沙尾沖蝕的同時維持新橋通道的穩定，緩解青草沙水庫圍堤前沿沖刷。針對新瀏河沙及瑞豐沙沖刷萎縮，從恢復復式灘槽形態并長期維持的角度，自上而下進行治理，考慮將已建新瀏河沙固沙潛堤工程南側潛壩向下游延伸至吳淞口附近，穩定新瀏河沙和瑞豐沙南緣并平順南港主流，減小對瑞豐沙尾的頂沖作用，這有利于維持南港主航道水深條件。在長江口實施大型整治工程可能改變局部水動力場并引發新的沖淤變化[20，30]，因此在對工程方案進行論證和設計時應兼顧上下游河勢、水生態環境、水生物洄游通道等多目標需求，對可能產生的不利影響應采取補救措施予以減輕或消除。

2.4.2 加強對局部沖刷萎縮的長江口重要灘涂保護 預測模擬結果顯示，2015—2035年崇明東灘低潮灘有所蝕退，北港北汊沖刷擴大，到2035年5 m等深線被沖開并上下貫通，到2050年沖刷態勢有所增強，汊道下段甚至會出現二級分汊[圖4(a)、圖5(a)]。李路(2011)系統研究了北港北汊沖刷加深對鹽水入侵的影響，結果表明當汊道加深3 m時大潮和小潮漲潮鹽通量分別增加11.9%和16.9%，且小潮期間底層鹽水入侵強于大潮期間，進一步數值試驗表明風應力是造成這一異常現象的主要原因[31]。因此，未來北港北汊沖刷擴大的趨勢將增強北港鹽水入侵，威脅青草沙水庫取水安全。建議充分重視崇明東灘汊道的沖刷發展態勢，適時采取工程措施改善局部流態，抑制水流對汊道的沖刷。九段沙向海側發生一定程度蝕退，威脅潮灘濕地安全，可考慮實施生態補沙，減緩沙體局部沖刷萎縮。

2.4.3 評估新水沙情勢及沖刷格局下長江口重大工程安全 長江口分布有眾多大型整治工程，如青草沙水源地工程、北槽深水航道工程等，工程安全是發揮長江口綜合效益的前提條件。預測模擬結果表明，隨著扁擔沙尾與新橋通道沖刷下移，青草沙水庫圍堤前緣將發生淘刷，圍堤失穩風險增大；九段沙向海一側沿南導堤沖刷形成漲潮溝，橫沙東灘沿北導堤同樣沖刷形成竄溝，持續沖刷可能威脅航道整治建筑物的穩定[32]。因此，建議密切關注上述區域的沖刷發展態勢，對水庫圍堤和深水航道導堤穩定進行評估，適時采取工程手段抑制沖刷的進一步發展。

2.4.4 開展長江口水下三角洲沖刷監測與致災研判 長江口外發育有廣闊的水下三角洲，該區域沖淤變化對河流供沙變化十分敏感。研究表明，1997年以后北港口外10～20 m及南槽口外5～10 m范圍內形成沖刷帶，局部最大沖刷深度超過2 m[13]。根據本研究預測模擬，沖刷帶區域未來將繼續發生沖刷，最大沖深可達數米。由于長江口水下三角洲區域分布有眾多淺埋油氣管道和通信光纜[33]，其中部分經過沖刷帶區域，床面持續沖刷將增大線纜暴露和毀壞風險。因此，建議加強淺埋管線區域的海底地形動態監測和沖淤變化跟蹤分析，對沖刷可能產生的災害進行提前研判和預警，并在實施新的淺埋作業時盡量避開沖刷較強的區域。

2.4.5 盡快啟動新格局環境下長江口海堤穩定及其標準再評估 長江口地區的海堤是抵御洪水、風暴潮及海浪侵襲的第一道防線，肩負著防汛安全的重要任務。其中，上海市海堤由崇明島、長興島、橫沙島及長江南岸、杭州灣北岸組成，長達508 km，其達標建設始于1997年，大多數堤段在2000年初開工，于2007—2010年期間建成，現狀防洪標準為100年一遇高潮位疊加11級或12級臺風浪[34]。由沖淤趨勢預測模擬結果可知，長江口局部近岸河床將發生顯著沖刷，如南匯邊灘上段(南槽進口段)、崇明島南沿、北支中段等[圖4(a)、圖5(a)]，近岸持續沖刷不僅直接威脅堤身穩定，還會使水下岸坡變陡，減弱波浪能量耗散，進而增大波浪對海堤的沖擊和越浪風險。根據《海堤工程設計規范》[35]，堤頂高程由設計高潮位、波浪爬高及安全加高值疊加確定，設計潮位及設計波高通常根據歷史實測資料的頻率分析確定重現期。由于長江口地區的大多數海堤建設未考慮上游來沙銳減引起的近岸河床沖刷，現狀海堤的防洪標準在新的沖刷格局下已不再適用。建議盡快啟動長江口海堤穩定及其防洪標準的再評估，對一些受沖刷影響顯著的堤段實施提標改造。由于對海堤進行大規模的加高加固不僅經費投入大，而且與當前長江大保護以及生態優先、綠色發展的新要求不符。因此，應完善新格局環境下海堤生態化建設的技術規范體系，加強生態海堤構建關鍵技術研發和示范應用，探索兼具防潮減災、生態服務、臨水景觀等復合功能的生態海堤建設模式。

3 結論

近半個世紀以來，長江口年代際沖淤演變存在顯著的空間差異，其中，口內河段河床沖淤劇烈，汊道演替、沙體淤漲遷移，隨著河流輸沙量下降，在20世紀80年代發生沖淤轉換；攔門沙地區對河流減沙響應緩慢，前緣潮灘持續淤漲，近20 a受大型整治工程影響而出現短暫淤積反彈，近期已轉變為凈沖刷狀態。在長江口新的沖淤格局下，為定量預測未來演變趨勢，本研究基于Delft3D建立了長江口年代際沖淤演變數值模型，基于該數值模型，設置未來不同河流輸沙量和相對海平面上升的情景，預測了長江口到2035年、2050年的演變趨勢。預測結果表明，到2035年長江口整體上以沖刷為主，尤其口內河段主槽和沙體邊緣沖深較明顯，少數淺灘局部區域有所淤積；到2050年，口內河段保持凈沖刷狀態，攔門沙地區在現狀來沙量條件下略有淤積，但是極端低來沙量條件下仍為凈沖刷狀態，海平面上升僅對攔門沙地區產生一定“促淤”作用，但難以改變其凈沖刷狀態。結合趨勢預測結果，對長江口灘槽格局穩定、重要灘涂保護、重大工程安全評估、水下三角洲沖刷致災研判及長江口海堤標準再評估等提出了對策建議。