長江口水沙變化與趨勢預測

竇希萍，繳 健，儲 鏖，童朝鋒

(1. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024; 2. 港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210024; 3. 河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

河口區域作為河與海的過渡地帶，具有得天獨厚自然條件，往往形成人口聚集、經濟發達的大型港口城市。然而河口又受到徑流、潮汐、波浪、臺風暴、海平面上升、氣候變化等眾多因素影響，在開發與保護過程中一直面臨挑戰，如河勢不穩、灘槽易動、航道回淤、鹽水入侵、污染累積、災害頻發等。近十幾年來，在人類活動和氣候雙重影響下，進入河口的水沙過程和通量發生顯著變化，河口防洪(潮)、航運、供水等安全問題凸顯，有關河口問題研究成為熱點。

國外河口研究主要集中在徑流、潮流和波浪相互作用以及鹽水入侵、泥沙輸運、河口演變等，所關心的工程問題主要圍繞航運和海岸防護，如19世紀初持續到20世紀90年代的密西西比河口航道由2.7 m成功地治理到13.7 m。近年來，世界范圍內河流入海泥沙均存在減少問題，其中流域的大量梯級水庫被認為是導致河流入海泥沙銳減的最重要因素，據推算水庫攔蓄了全球河流近26%的入海泥沙[1]。泥沙供給變化對河口灘槽格局、動力場、溫鹽場、生境系統產生不可忽視的影響，因此河口研究逐漸轉向水沙變化條件下泥沙過程、灘槽格局、溫鹽水質、生態環境等科學問題，由單一工程建設研究轉為工程群安全問題研究[2]。日本、荷蘭等學者對河口建筑物尤其是堤防工程安全風險評價體系開展研究，建立了河口工程安全運行管理系統[3]。

我國河口問題比任何國家都復雜，尤其是處于經濟最發達地區的大型分汊河口——長江口，動力強，河勢多變，航運、淡水、土地供需矛盾十分突出。近20年來，圍繞三峽、南水北調等工程運行對長江口水動力、泥沙、灘槽演變的影響，特別是針對深水航道泥沙回淤和水源地鹽水入侵問題開展了大量研究，開發出長江口深水航道回淤數學模型[4-5]、鹽水入侵數學模型[6-7]和大尺度物理模型技術[8-9]，具有較高的學術水平和實用價值。

由于長江口演變的復雜性和邊界條件的不確定性，其動力和泥沙變化趨勢、灘槽沖淤機制以及工程影響下分汊河口長期演變預測技術等還需要進行更深入地研究。2017年國家科技部將“長江口水沙變化與重大工程安全”列入重點研發計劃，下文主要介紹了長江口陸相水沙變化規律及趨勢、海相水沙變化規律和趨勢、河床容積與泥沙收支變化以及整治工程下分汊河口演變預測技術等研究成果。

1 長江口入海水沙變化規律及趨勢

大通水文站位于長江下游，距長江口約640公里。據統計，大通站以下干流區間入江流量約占大通站流量的3%左右，大通水文站的流量、泥沙特征基本代表長江下游來水、來沙特征。

利用1950—2017年大通站多年水沙資料，分別應用MK(Mann-Kendall)趨勢分析法、MTT方法[10]和Lepage突變分析法[11]，分析年和月平均流量、洪季和枯季平均流量、年和月平均輸沙量、月最大和最小輸沙量等的變化趨勢性和突變性。采用互補集成經驗模態分解CEEMD方法與小波神經網絡WNN法相結合[12]，對大通站2003年后的年均和月均流量數據進行訓練，預測今后10～50年大通站流量、含沙量、輸沙量變化。

1.1 大通站流量變化

1) 逐年和逐月平均流量

MK趨勢分析法表明，大通站逐年平均流量和逐月平均流量均未表現出明顯的變化趨勢，年平均流量基本在28 277 m3/s左右。MTT方法診斷出大通站逐年平均流量在2003年產生了減小的突變，Lapage方法雖然沒有檢驗出突變，但在2003年統計量存在最大值。綜合分析，得出大通站逐年平均流量在2003年產生了減小的變化，與2003年三峽水庫蓄水時間相吻合。

2) 洪季和枯季平均流量

MK趨勢分析法表明，大通站1950年至2017年洪季平均流量沒有表現出明顯的變化趨勢；枯季平均流量在1959年呈現出明顯減小趨勢，與1958年、1959年干旱發生時間相吻合。MTT方法診斷出大通站洪季流量在2000年附近發生了減小的突變，Lapage方法在98%置信區間內沒有檢驗出突變，但在2000年左右出現統計量最大值。綜合分析，洪季流量在2000年左右發生了減小的突變，與2003年三峽水庫運行時間相近，可能是受到1998年洪水因素的擾動，使得突變時刻提前；大通站枯季流量未出現顯著的突變。

1.2 大通站輸沙量變化

1) 年輸沙量和月輸沙量

大通站年輸沙量和月輸沙量均出明顯下降趨勢，年平均輸沙量自20世紀80年代前的平均4.26億噸/年減少至2003—2017年平均1.44億噸/年，2000年之后減少尤為顯著。突變診斷顯示，逐年輸沙量在1967年、1985年和2003年發生了明顯的減小突變；逐月輸沙量在2003年和2006年表現出明顯的減小突變。分析認為，主要與長江中上游水庫群建設和調度、水土保持工程的實施等人類活動密切相關。

2) 最大輸沙量和最小輸沙量

大通站年內月最大輸沙量減少趨勢明顯，特別是2000年后更加顯著，與2003年三峽水庫蓄水時間基本吻合；年內月最大輸沙量在1969年與2003年發生了減小突變；年內月最小輸沙量只在1958年至1962年時出現顯著的減少趨勢，這與極端天氣和自然災害發生的時間相吻合；年內月最小輸沙量在1951年至2017年間無顯著突變。

1.3 入海水沙變化趨勢預測

1) 未來10～50年大通站流量預測

根據2003—2017年徑流量水沙過程的自相似性，預測出大通站未來10～50年年內各月及全年平均流量，相應預測統計如圖1。

圖1 2018-2067年大通站流量實測和預測結果Fig. 1 Comparison of measured and forecasted 2018-2067 discharge of Datong Station

預測顯示，未來前10年(2018—2027年)的年平均流量約27 579 m3/s，2028—2067年的年平均流量約28 120 m3/s，與2003—2017年的年均流量27 252 m3/s基本持平；未來前10年(2018—2027年)最枯三個月(12月、1月、2月)的月平均流量約為18 220 m3/s、13 692 m3/s和14 423 m3/s；2028—2067年最枯三月(12月、1月、2月)的月平均流量為17 337 m3/s、13 392 m3/s和14 464 m3/s，與2003—2017年相應各月比較無顯著變化。因此，在當前流域下墊面、水庫庫容和氣候條件下，大通站未來10～50年的年、月平均流量基本保持穩定。

2) 未來10～50年大通站沙量預測

根據2003—2017年大通含沙量各月變化過程，預測出未來10～50年年內各月平均含沙量(圖2)，并依據相應的預測流量計算未來10～50年的入海沙量(圖3)。

圖2 2018-2067年大通站含沙量實測和預測結果Fig. 2 Comparison of measured and forecasted 2018-2067 sediment concentration of Datong Station

圖3 2018-2067年大通站輸沙量實測和預測結果Fig. 3 Comparison of measured and forecasted 2018-2067 sediment transport of Datong Station

預測顯示，未來2018—2027年大通站年平均含沙量約0.122 kg/m3，入海沙量為1.22 億噸/年；2028—2067年年平均含沙量約0.127 kg/m3，入海沙量為1.28億噸/年，而2003—2017年實測年平均含沙量和輸沙量分別為0.154 kg/m3和1.44億噸/年；年內占比最大為7月份，預測的2018—2027年平均月輸沙量與2003—2017年平均月輸沙量相比變化不大，減少相對大的是9月份，預測的2018—2027年和2028—2067年9月平均輸沙量分別為12.47×106t和13.88×106t。因此，在當前流域和氣候條件下，未來10～50年平均含沙量和入海沙量仍有一定的下降趨勢。

2 海相水沙變化規律和趨勢

2.1 海平面變化趨勢

由圖4長江口及毗鄰海域潮位站點的歷史實測資料分析可知，長江口海平面呈上游高下游低、南高北低的態勢(圖5)。各站海平面上升速度，呂四站(依據年份1961—2018年)5.1 mm/a，連興港(依據年份1988—2017年)3.7 mm/a，大戢山(依據年份1997—2011年)1.0 mm/a、灘滸(依據年份1997—2011年)1.5 mm/a，徐六涇(依據年份1988—2015年)0.1 mm/a。綜合考慮歷史資料的時間序列、測點所處位置，長江口海平面的上升速率可按4.0～5.0 mm/a考慮，其值略高于我國沿海海洋公報中給出的3.2 mm/a。

圖4 長江口海平面變化研究主要控制站點位置Fig. 4 Location of the observation sites for the sea level change study in the Yangtze estuary

圖5 長江口多站歷年平均海平面變化Fig. 5 Average sea level change of different stations of the Yangtze estuary

2.2 波浪特性與變化趨勢

根據1985年1月1日至2013年7月13日大戢山海洋站每天8時、11時、14時和17時整點波浪觀測數據統計，大戢山1.2 m以下小浪出現頻率80.4%，以N、NNE方向為主；1.3～2.5 m中浪出現頻率19.2%，以NNW～NNE方向為主；2.5～4.0 m大浪出現頻率0.38%，以NW～NE方向為主。以ECWMF再分析風場作為驅動條件，采用FVCOM+SWAVE耦合模型，模擬長江口外海1979-2013年逐時波浪場，提取長江口口外的代表點(如圖6)，采用線性擬合得到各點波高多年變化趨勢(圖7)，長江口外年平均波高變化約為1 mm/a。

圖6 長江口口外波浪變化趨勢分析特征點位圖Fig. 6 Representative points of wave change trends analysis outside the Yangtze estuary

圖7 長江口口外特征點位處年平均有效波高變化Fig. 7 Average annual effective wave height change at representative points outside the Yangtze estuary

3 河床容積與泥沙收支變化

3.1 長江口河床容積變化

統計三峽工程運行后徐六涇以下河段河床容積(理論基面0 m以下)(表1)，南支、南港和北港上河段整體表現為沖刷，河床容積共增加11.9%，南北港河段由于實施了整治工程，河床容積的變化幅度大于南支河段；位于攔門沙區域的南北槽河段受長江口深水航道治理工程的影響，地形變化性質不同與其他河段，與上游來水來沙關系不明確；北支由于分流比很小，整體處于淤積狀態，河床容積變化與入海泥沙大幅減少關系不密切。

表1 長江口河床容積變化Tab. 1 Volume changes of the Yangtze estuary

總體上，河口河床演變對入海泥沙減小的響應存在時間滯后性和空間差異性，在2010年之前表現為明顯的沖淤交替，在空間上攔門沙河段對來沙量減少有緩沖作用。

3.2 攔門沙區域泥沙收支通量變化

以表2大通站水沙過程作為上游邊界條件，采用經2016年1月實測資料驗證的長江口水沙數學模型，計算三峽工程運行前后攔門沙水域的泥沙收支變化。考慮黏土和細粉砂、粗粉砂、細沙三個泥沙組分，分別模擬三峽工程運行前后各一年的水動力及泥沙輸運，得到攔門沙水域各月及全年的泥沙輸運通量。圖8為攔門沙水域上下游控制斷面示意圖，計算結果表明(圖9和圖10)，雖然三峽工程運行前后攔門沙水域泥沙都保持凈收入狀態，但三峽工程后泥沙凈淤積量僅為之前的1/3，由1.57億噸減少到0.51億噸。

表2 三峽工程前后長江口入海水沙變化

圖8 長江口攔門沙水域上下游控制斷面示意Fig. 8 Diagram of upstream and downstream control sections of the mouth bar area of the Yangtze estuary

圖9 三峽工程建成前攔門沙水域平均泥沙收支Fig. 9 Averaged sediment budget of the mouth bar before the Three Gorges Project

圖10 三峽工程建成后攔門沙水域平均泥沙收支Fig. 10 Averaged sediment budget of the mouth bar after the Three Gorges Project

4 整治工程作用下分汊河口演變預測

建立長江口動力地貌演變數學模型，在分析整治工程對地貌加速因子影響和徑潮流動力概化方法的基礎上，研究航道整治工程對長江口南北槽長期演變的影響。

4.1 地貌加速因子

一般的河床沖淤數學模型是基于水-沙-地形相互作用原理，為滿足數值計算的穩定性和收斂性，時間步長通常較小，適用于模擬短期內的河道沖淤變化過程[13]。在進行中長期動力地貌演變模擬計算時，需要對模擬的時間進行加速，加速因子法是目前常用的手段[14]，即通過加速因子將水動力時間尺度下的泥沙輸運量拓展到地貌變化時間尺度下。使用加速因子法的前提是水動力計算時間步長內的泥沙凈輸運量和地形沖淤變化量很小，乘以加速因子后的地形沖淤變化不會對地貌格局產生較大的影響[15]。由于工程實施初期，地形沖淤變化往往比較劇烈，不能選擇大的加速因子；隨著動力與河床的不斷調整，地形沖淤變化趨緩，可以選擇較大的加速因子以減小地貌長周期模擬計算時間，因此采用隨時間變化的加速因子來進行工程影響下的地貌長期模擬更能提高模擬精度和計算效率。

對加速因子的敏感性進行分析，加速因子分別取值1(不加速)、10、20、30、40、50、80、100、120、200。當加速因子在100以內時，所得河道演變計算結果與不加速時基本一致，地貌均能達到平衡狀態；加速因子為200時，計算結果的均方根誤差遠大于其他加速因子的結果；在模擬的120天內，加速因子越大，均方根誤差越大；120天以后，不同加速因子的均方根誤差均有所下降。

4.2 動力條件概化

在中長期地貌演變模擬中，由于使用了加速因子，模型就需要采用對應的上游和外海邊界條件，如果仍采用實測的邊界條件，那么水動力過程就在時間尺度上被“拉長”，一個潮周期對應的地貌時間可能為數天甚至數月，顯然不符合實際物理意義。因此需要在模型中采用上游代表徑流量和外海地貌代表潮來反映河道的長期變化。

1) 代表徑流的概化

采用三種方法作為代表徑流，一是選取2003年后大通多年平均流量(27 300 m3/s)；二是分別選取75%(15 900 m3/s)、50%(23 800 m3/s)、25%(37 900 m3/s)作為枯、中、洪的徑流量，根據相應的加速因子，保證洪、中、枯流量過程循環對應的地貌演變時間為1年；三是選取洪季多年平均流量(36 824 m3/s)和枯季多年平均流量(17 599 m3/s)作為洪、枯徑流量，同樣根據相應的加速因子，保證洪、枯流量過程循環對應的地貌演變時間為1年。

計算表明，長期模擬中不同徑流概化方法對南北槽沖淤總量沒有顯著影響，但演變過程中不同徑流概化方法得到的沖淤變化幅度不一樣。為了更好地模擬沖淤過程，選擇洪、中、枯季徑流量循環作為代表徑流量。

2) 代表潮的概化

地貌代表潮的選取有兩種常用方法，一是從實際潮汐過程中選取一個潮周期作為代表潮，另一是對外海潮汐進行調和分析，保留對地貌演變產生影響的潮汐組分，主要考慮潮汐不對稱性引起的泥沙余輸運。

通過分析可知，長江口潮平均流速與分潮M2、S2、K1、O1、M4相互作用帶來的泥沙余輸運最大，其次是M2、M4、S2、MS4、MSf之間相互作用產生的泥沙余輸運，其他分潮帶來的泥沙余輸運可以忽略不計，同時由于M4是M2的淺水分潮，在外海中可以不考慮。

將M2、S2、K1、O1四個分潮作為外海邊界條件，計算南北槽典型斷面的泥沙凈輸運，所得結果與以實際潮位控制邊界的計算結果吻合較好，因此，將M2、S2、K1、O1作為地貌代表潮。

4.3 南北槽分汊河道演變模擬

采用上述代表潮和代表徑流量對長江口南北槽2002—2010年的地貌演變進行模擬，模擬結果顯示，北槽主槽內沖刷、壩田內淤積以及南槽上段沖刷的趨勢與實測一致，但模擬的淤積量小于實測值，模擬的沖刷量略大于實測值。

再對南北槽2016—2056年(40年)河道演變進行預測，分別給出第5年、第20年、第30年和第40年的地形沖淤分布(圖11)。整體而言，北槽未來沖淤速度減緩，沖淤分布仍將持續現有狀態，主槽內沖刷，壩田內淤積；南槽未來呈現上沖下淤的趨勢，江亞北槽、九段沙區域沖淤幅度較大。

圖11 長江口南北槽40年河道演變預測模擬沖淤分布Fig. 11 Distribution of erosion/sedimentation of the 40-year predicted bed level change in the north-south channel of the Yangtze estuary

分時段來看，5年時北槽中下段丁壩前沿存在沖刷，沖刷深度約1～2 m，北導堤末端存在沖刷坑。20年沖淤分布較5年有明顯發展，北側壩田內發生淤積，最大淤積深度2 m；主槽內沖刷，下段沖刷面積大于上段，北槽北側沖刷深度大于南側，最大沖深約4 m；南、北側壩田持續淤積，南側壩田的淤積強度小于北側。30年北槽沖淤分布與20年相比沒有顯著變化，但沖淤強度有所增加，主槽內沖刷深度趨于均勻，主槽大部分沖刷深度在5 m左右；壩田淤積強度持續增加，最大淤積厚度仍發生在南側壩田內，達到6 m。40年北槽沖淤分布、沖淤量與30年相比幾乎相同，說明北槽在30～40年間基本達到平衡狀態。

南槽5年模擬結果顯示，南槽進口處及上段沖刷，其他位置無明顯沖淤變化。20年時，南槽上段沖深增加，沖刷帶向下游擴展；南槽下段出現淤積，淤積厚度1～2 m；江亞北槽出現淤積，九段沙南側出現沖刷。南槽30年沖淤分布與40年幾乎相同，南槽上段沖刷與九段沙南側沖刷已連成一條沖刷帶，南槽下段淤積范圍與強度沒有明顯變化。江亞北槽沒有明顯刷深，但九段沙南側沖刷與江亞北槽相連。同時，九段沙尾部存在淤積，九段沙沙體有緩慢向東南方向發展的趨勢。

5 結 語

基于長江大通站水沙、長江口外海潮位和波浪等實測資料以及河口中長期地貌演變數學模型，對長江口水動力、泥沙、河床容積變化、南北槽長期演變等進行了分析和模擬預測研究，得到以下結論：

1) 未來10年大通站平均流量約275 794 m3/s，年平均最大流量48 346 m3/s，年平均最小流量13 692 m3/s，與2003—2017年的特征流量相差不大；未來50年(2028—2067年)大通年均流量在28 120 m3/s左右，基本保持穩定。未來10年大通站年平均含沙量為0.122 kg/m3，略小于2003—2017年的平均含沙量，輸沙量1.22億t/a；未來10～50年平均含沙量約0.127 kg/m3，輸沙量1.28億t/a。

2) 綜合考慮歷史資料的時間序列、測點所處位置，長江口海平面的上升速率為4～5 mm/a，其值略高于我國沿海海洋公報中給出的海平面上升3.2 mm/a。長江口外年平均波高變化約為1mm/a。

3) 三峽工程運行后南支、南港和北港河段整體為沖刷，河床容積共增加11.9%；位于攔門沙區域的南北槽河段受長江口深水航道治理工程的影響，與上游來水來沙關系不明確；三峽工程運行前后攔門沙水域泥沙都保持凈收入狀態，但泥沙凈淤積量由工程前1.57億t下降至工程后0.51億t。

4) 未來北槽演變將延續壩田淤積、主槽沖刷的態勢，但20年后沖淤變化趨緩，30～40年間基本達到平衡狀態。未來南槽演變呈上段沖刷并逐漸向下游擴展，下段淤積漸緩，九段沙沙體有緩慢向東南方向發展的趨勢。

5) 長江口的水沙變化和灘槽演變將繼續受到流域和河口人類活動以及全球氣候變化的多重影響，特別是極端水文和氣象條件的影響，演變規律十分復雜。因此，本文預測分析方法和模擬技術還需要不斷完善。