長江口水下三角洲演變規律及河勢控制初探

樊詠陽，陳正兵，張志林，胡春燕

(1. 長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430014; 2. 長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

長江是我國第一大河，全長約6 300 km，流域面積180多萬km2，多年平均入海水量約9 000億m3。長江河口地區綜合受到徑流、潮汐、風暴潮、密度流、風生流、波浪、科氏力以及人類活動等多種因素的影響[1-9]，其水、沙、鹽、地以及生態等特征變化較為復雜，其中以徑流作用和潮汐作用的影響最為顯著。三角洲區域，作為徑、潮流相互作用最為激烈的區域，受近年入海水沙情勢變化及人類活動等影響，改變了長江口三角洲區域河勢變化規律[10-11]。在三峽水庫蓄水建設運行初期，由于長江中下游、長江口外和蘇北海岸帶泥沙的補給，三峽水庫蓄水對長江口沖淤變化的影響尚未體現。當大通年輸沙量低于2.5億噸時，長江口地區發生由淤積為主向侵蝕為主的轉變[12]。

長江河口區域是我國經濟發展最快、工業化程度最高的地區之一，其發展一定程度上依賴著長江口區域河勢格局的穩定，同時，長江河口區河勢發生變化對生態濕地以及自然保護區產生的影響也不明確。因此，確保長江河口水下三角洲區域河勢穩定，是滿足國民經濟發展以及生態環境保護的需要，開展河勢控制對策措施研究工作具有重要意義。

1 研究區域與水文特征

1.1 研究區域

長江河口區域呈現“三級分汊，四口入海”的格局(如圖1所示)，沿程向下：一級分汊為南支和北支，二級分汊為南港和北港，三級分汊為南槽和北槽。本研究區域主要為三級分汊及以下的三角洲區域，研究洲灘主要包括北支入海口附近的顧園沙，北支與北港之間的崇明東灘，北港與北槽之間的橫沙灘群(包括橫沙東灘和橫沙淺灘)，北槽和南槽之間的江亞南沙沙體和九段沙沙體以及南槽南側的南匯邊灘。

圖1 研究區域示意Fig. 1 Survey region of Yangtze estuary

為穩定長江口河勢，長江河口區已經開展了大量的河道整治工程及航道整治工程，主要包括：徐六涇節點控制工程、白茆沙洲頭守護工程、新瀏河沙護灘及南沙頭通道限流工程、中央沙圈圍及青草沙水源地工程、橫沙東灘圈圍工程、南匯東灘圈圍工程、北槽深水航道整治工程、北支靈甸港、圓陀角、新村沙等圈圍整治工程、崇明東灘互花米草及鳥類棲息地優化工程。

收集了1973—2016年4個測次的實測地形數據(表1)，數據來源為長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局，測量比尺為1∶50 000，如表1所示。由于1973年長江口外區域地形測量范圍相對較小，測圖并不覆蓋顧園沙及崇明東灘，因此在分析過程中，該年顧園沙及崇明東灘的數據資料及斷面圖均缺失。

表1 地形數據選取及精度Tab. 1 Sources and accuracy of terrain data

1.2 水文泥沙特征

大通水文站流量過程代表長江入海的徑流過程。1973—2015年，大通站水量無明顯的增減趨勢(圖2(a))，1951—2015年，年平均入海水量8 916億m3。20世紀90年代為長江的豐水期，平均入海水量9 596億m3，其中1998年和1999年為大水年，單日最大洪峰流量為81 200 m3/s，2003—2015年水量相對較枯，年平均入海水量8 438億m3。潮汐和波浪因素以綠華山站為代表，綠華山的潮差和平均潮位無明顯的趨勢性變化，波浪的波高略有減小(圖2(b))。若以潮差/徑流量作為指標加以分析長江河口水動力過程[13]，1996—2011年潮徑比存在增加趨勢，表明了2003—2011年長江流域入海徑流偏低，使得潮流相對增強，進而徑流和潮流水動力平衡位置向口內上溯。已有研究表明[14-18]，長江口外海域泥沙濃度雖有減小，但減幅有限，長江河口區域懸沙濃度的減小主要是流域入海泥沙量銳減引起的。1973—1985年，大通站年均入海沙量約4.6億噸，1985—2002年期間大通站沙量已有減小趨勢，年均入海沙量3.4億噸。其中1973—1997年年均入海沙量約為4.1億噸，1997—2002年年均入海沙量約為3.2億噸。三峽水庫的蓄水運行加劇了這一減小趨勢，2003—2015年輸沙量均值銳減至1.4億噸，尤其2011年以來，入海泥沙量基本維持在1.2億t/a左右(圖2(a))。

圖2 長江口水文特征Fig. 2 Characteristics of hydrology in Yangtze estuary

2 長江河口水下三角洲演變特征

長江口三角洲區域洲灘包括北支出口處的顧園沙，北支與北港之間的崇明東灘，北港與北槽之間的橫沙灘群(橫沙東灘以及橫沙淺灘)，北槽與南槽之間的江亞南沙及九段沙沙體以及南槽南側的南匯邊灘。在長江口三角洲區域，2 m等深線以上為三角洲區域的高灘，5 m等深線為低灘和河槽的分界線，10 m等深線以下為深槽，10 m等深線至20 m等深線之間的區域為三角洲前緣區域(圖3)。

圖3 長江口三角洲區域沙體河槽位置示意Fig. 3 Location of sandbars and channels in the delta of the Yangtze River estuary

從三角洲區域各沙體總體面積變化可以看出(表2)，顧園沙沙體5 m等深線面積1997—2002年有增大趨勢，2002—2016年有萎縮趨勢。崇明東灘2 m高灘面積在1997—2002年基本不變，2002年以來，面積增大，但5 m低灘面積處于萎縮之中。橫沙東灘及橫沙淺灘的總面積有先增大后減小再增大的變化趨勢。江亞南沙及九段沙沙體2 m高灘總體上呈現淤積的趨勢，而5 m低灘面積則呈現先增大(2002年前)后不變的趨勢(2002年后)。

表2 長江口三角洲區域主要洲灘面積變化Tab. 2 Area variation of the sandbars in Yangtze estuarine delta (km2)

2.1 三角洲前緣變化

從等深線圖中可以看出(圖4)，1973—1997年之間，長江口10 m等深線向口外推移了約5.3 km，20 m等深線向口外推移了1.3 km，可見大量泥沙落淤在10 m等深線以內區域，也有部分泥沙落淤在三角洲前緣區域內，造成了該區域面積的縮減；而1997—2002年之間，長江口10 m等值線位置基本不變，而20 m等值線向外推移局部超出研究邊界，可見在1997—2002年期間，泥沙落淤同樣主要集中于三角洲前緣區域。2002—2016年，-10 m以及-20 m等深線同時向口內推移，三角洲前緣區域以沖刷為主，這與大通站入海泥沙的減少趨勢是一致的。可見，三角洲前緣區域的沖淤變化與徑流挾沙有著較為密切的關系，入海泥沙今后長期維持現在的較低水平，將可能造成三角洲前緣區域的持續崩退。

圖4 長江口三角洲前緣區域10 m及20 m等深線變化Fig. 4 Variation of the 10 m and 20 m isobaths in the front delta of the Yangtze estuary

長江口三角洲區域2 m等深線以及5 m等深線的變化如圖5所示，其變化反映了三角洲區域各沙體的多年變化情況。結合沙體斷面變化(斷面位置如圖3所示)，對三角洲區域各沙體演變規律開展研究。

圖5 長江口三角洲區域沙體等深線年際變化過程Fig. 5 Variation of sandbars in Yangtze estuarine delta

2.2 顧園沙沙體變化

顧園沙為北支出口處的沙體，顧園沙沙體高程較低，主要為2～5 m的中低灘。顧園沙北側淤長，東側沖刷后退。南側從北支出口向外淤長，使得顧園沙5 m等深線與崇明東灘連為一體。

為進一步明確顧園沙沙體的變化規律，沿顧園沙中軸線方向，繪制了顧園沙斷面的多年變化圖(圖6)。從圖6中可以看出，沙體并無明顯淤高或長大的趨勢，但也未發生明顯萎縮的跡象。從斷面圖看，顧園沙沙體6 m等深線以上左淤右沖，沙體向西北側移動，6 m等深線以下沖刷發展，北支出口處左岸深槽窄深向發育。

圖6 顧園沙沙體斷面變化Fig. 6 Section variation of Guyuan Sandbar

2.3 崇明東灘沙體變化

崇明東灘2 m等深線以及5 m等深線顯示其在1997—2016年之間的20年間，沙體經歷了沖淤交替的過程，但總體面積和形態基本維持不變。崇明東灘東南側存在一條竄溝，該竄溝存在逐漸向西偏移的趨勢，沖刷溝中心線自1997年至2016年累計偏移了16°。崇明東灘西南側的落潮流將高灘分割為上下兩個灘體，2002年以來，上沙體存在向東南側淤長的趨勢，上下沙體間距逐漸縮小。從5 m等深線同樣可以看出，落潮沖刷溝已逐漸淤淺，水流歸于北港，將崇明東灘南緣沖刷的更為平順，崇明東灘低灘的面積減少主要源自于北港的沖刷。

崇明東灘南緣的沖刷使得北港5m等深線寬度增大，從北港中部等深線寬度變化來看，北港河段自4.5 km河寬(1997年)逐步增大至7.5 km河寬(2016年)，加之橫沙淺灘北緣的沖刷，使得北港出口條件更好，從而有效的促進了北港分流比的增大，從圖7可以看出，北港分流比自2002年以來，逐步由50%以下穩步增大到50%以上，2008年以來基本維持在52%左右[18]。

圖7 北港分流比年際變化Fig. 7 Annual variation of diversion ratio of North Channel

從斷面變化來看(圖8)，崇明東灘2 m以上沙體淤高，2 m以下的沙體沖淤交替，斷面形態總體變化不大。

圖8 崇明東灘沙體斷面變化Fig. 8 Section variation of Chongming East Sandbar

由于崇明東灘總體形態較為穩定，其發展趨勢使得北港水流趨于平順，整體河勢向良好方向發展，因此無需對崇明東灘實施控制應對措施。

2.4 橫沙東灘及橫沙淺灘沙體變化

橫沙東灘及橫沙淺灘等深線變化顯示：橫沙東灘2 m等深線從1973—1997年起，一直處于淤長之中。1998年起，北槽深水航道工程實施，因此，1997—2002年，主要淤積區集中于深水航道壩田區。2003年以來，橫沙東灘的圈圍工程進一步加速了橫沙東灘的淤積。從橫沙東灘的演變來看，總體上一直處于淤長的態勢。而橫沙淺灘的變化則以沖刷為主，從2 m等深線變化可以看出，1973—1997年，橫沙淺灘沖刷、下移；1997—2002年，橫沙淺灘沖刷變窄；2002—2016年，橫沙淺灘沖刷、下移。因此，總體來看，橫沙東灘與橫沙淺灘灘群總面積的增大主要源自于橫沙東灘的淤長，而面積的減少主要源自于橫沙淺灘的沖刷。

橫沙淺灘目前仍處于向海移動的趨勢中，沙體向下游移動，灘寬沖淤交替，主要表現為沙體北緣的切割，南緣北槽區域由于深水航道工程的影響，近年來壩田區仍有淤長趨勢。從總體面積變化來看，2002年為橫沙淺灘萎縮最為嚴重的年份，高灘寬度不足4 km，5 m等深線變化可以看出竄溝開始發育。2002—2016年，沙體淤長，但與此同時，沙體中部的沖刷溝也存在明顯的發展。由于深水航道北導堤的建設，改變了水流的方向，橫沙淺灘的竄溝沿著北導堤向上游發展。

從斷面變化可以看出(圖9)，橫沙淺灘主要以2 m以下的沙體為主，2 m以上的沙體主要因橫沙東灘圈圍而淤長，從斷面位置及斷面形態可以看出，竄溝的發育仍有進一步上溯的趨勢。斷面中部位置自1973年以來，由理論最低潮位以下3 m逐漸沖刷至5 m左右，而竄溝下游的沙體則向海向淤長、增高。進一步證明了橫沙淺灘依照現有趨勢發展下去，將逐漸成為一個遠離河口的沙洲。

圖9 橫沙淺灘沙體斷面變化Fig. 9 Section variation of Hengsha Shoal

綜上所述，橫沙淺灘表明竄溝向上游延伸，切割沙體，切割出的沙體向海移動，橫沙淺灘有沖散的風險，可能引起長江口區域河勢不穩定，同時竄溝的發育威脅北槽深水航道導堤工程的安全，因此，有必要對橫沙淺灘考慮實施控制對策。

2.5 江亞南沙及九段沙沙體變化

九段沙為南北槽分界沙體，其頭部為江亞南沙。1973年，沙體長度約為26.7 km，寬度9.2 km,1973—1997年，九段沙總體呈現淤長態勢，尾部向下游淤長了4.2 km，總面積增大。沙體頭部受水流沖刷切割，江亞南沙與九段沙高灘分離。1997—2002年，九段沙仍維持淤長態勢，尾部略有沖刷，逐步形成了江亞南沙穩定的沖刷溝形態。2002—2016年，九段沙尾部淤長明顯，淤長幅度超過3.4 km，沙體平面形態受深水航道南導堤工程的影響，整體有向北偏移的特征，沙體中軸線逆時針偏移約5°，高灘面積增大，江亞南沙的沖刷溝仍存在，且有進一步發育的趨勢。

從5 m等深線變化可以看出，九段沙南緣以沖刷為主，而北緣上段基本穩定，中下段以淤長為主，隨著北槽深水航道工程的實施完成，九段沙北側的5m等深線沿整個深水航道丁壩壩田發展，形態趨于穩定，沙體5 m等深線面積基本維持不變。

從九段沙縱剖面圖(圖10)可以看出，自1973—1997年，沙體整體處于淤高長大的過程中，沙體向上下游發育。1997—2002年，沙體局部有沖淤交替，但整體形態變化不大，沙體上段小竄溝沖深。2002—2016年，沙體0 m以上淤高發展，5 m寬度基本維持不變，沙體上段的竄溝沖寬沖深，最大深度達10 m。

圖10 九段沙沙體斷面變化Fig. 10 Section variation of Jiuduansha Sandbar

總體來看，九段沙沙體有著淤高不長大的變化趨勢，沙體上的竄溝近年來急劇發展，九段沙沙體有被水流切割沖散的風險，對九段沙國家級濕地保護不利，因此，有必要對九段沙考慮實施控制對策。

2.6 南匯邊灘沙體變化

南匯邊灘2 m等深線自1973—1997年北側沖刷后退，最大沖刷幅度約為2.2 km，南匯邊灘北側被切割出一個單獨的小沙體。南匯邊灘東側邊緣向外海淤長，最大淤長幅度2.1 km。1997—2002年，南匯邊灘淤長，竄溝北側沙體向下游淤長約1.6 km，南匯邊灘下緣向北淤長約2.8 km。2002—2016年，由于人工圍墾的影響，南匯邊灘進一步淤積發展，竄溝消失，南匯邊灘連為一個整體，且有向東展寬的趨勢。

從5 m等深線變化可以看出，南匯邊灘北側上段多年來呈現沖刷趨勢，使得南槽自1973年以來，逐漸向南偏移，上段偏移幅度較大，河道中心線偏移了約3.5 km，逆時針偏移約30°。下段走勢基本不變，但寬度縮窄明顯，下段寬度由1973年的7.4 km縮窄至1997年的6.4 km，2002年的5.5 km，2016年的4.6 km。南匯邊灘東側在圈圍工程的作用下，向海推移發展，自1973年至2016年，累計推進了6.2 km。

從南匯邊灘斷面變化圖(圖11)可以看出，2002年以前，南匯邊灘東側整體處于穩定中略有淤長的狀態，2002年以來，在人類活動的影響下，南匯邊灘淤高長大，快速發展。

圖11 南匯邊灘沙體斷面變化Fig. 11 Section variation of Nanhui Sandbar

3 水下三角洲區域河勢控制對策初探

為了逐步實現長江口的河勢穩定，應針對長江口河段河勢變化特點和變化規律，從河道演變分析及實測資料分析入手，弄清造成河道河勢變化的主要影響因素，抓住主要矛盾，因勢利導，根據各河段不同演變特征和要求，提出相應的對策措施。

對三角洲區域而言，橫沙東灘圈圍后，沙體已經基本穩定，而橫沙淺灘由于深水航道潛堤工程的實施，水流方向發生改變，造成橫沙淺灘竄溝貼靠深水航道北導堤發育，對北導堤的安全以及橫沙淺灘的穩定均產生了影響。受落潮漫灘水流沖刷作用，2002年以來江亞南沙上部竄溝和江亞北槽持續沖刷發展。江亞南沙頭部落潮槽及江亞北槽上段的沖刷發展會造成一定的泥沙下泄，已對南槽5.5 m航道回淤產生影響。因此對橫沙淺灘以及江亞南沙、九段沙兩處均需考慮如何控制其河勢穩定。

3.1 橫沙淺灘守護控制工程

從橫沙淺灘目前變化規律可以看出，橫沙淺灘總體面積雖基本維持不變，但靠近深水航道北導堤側有一較大竄溝發育，竄溝貼北導堤向上游延伸。竄溝的發育一方面威脅了深水航道北導堤的安全穩定，另一方面也對橫沙淺灘的穩定造成了影響，需考慮對橫沙淺灘實施守護以穩定河勢格局，為未來橫沙淺灘的保護與利用留下實施空間。具體的說，對橫沙淺灘的守護有著3個方面的必要性：

1) 守護橫沙淺灘是改善長江口三角洲平面形態，穩定河勢格局的需要。由于顧園沙、崇明東灘的相對穩定，南匯邊灘圈圍工程的實施，長江口三角洲區域的外緣線相對位置已經較為穩定，而橫沙淺灘位置則相對較為薄弱，容易發生沖蝕。守護橫沙淺灘可以穩固長江口三角洲的外緣線，使得三角洲區域平面形態更為穩定，從而使得長江口河勢格局更為穩固。

2) 守護橫沙淺灘是維護北槽深水航道整治工程穩定性的需要。受水流淘刷的影響，橫沙淺灘表面竄溝貼靠深水航道北導堤發育，如不加守護任由竄溝發展，將掏空北導堤下方沙體，使得北導堤穩定性受到威脅，因此，守護橫沙淺灘，遏制水流對沙體的沖刷能有效的守護北槽深水航道工程的安全。

3) 守護橫沙淺灘是開發利用北港航道資源，提升長江口貨運能力的需要。橫沙淺灘是北港航道的下段南邊界，守護橫沙淺灘的穩定對于現狀北港航道的穩定以及未來北港航道資源的開發利用均能提供良好的邊界條件，可有效緩解北槽深水航道貨運量不足的現狀。

此外，橫沙淺灘的穩定有效的維持了北港下段的穩定，縮窄了北港的口門，可能對減緩自北港上溯的咸潮有一定的影響，亟待進一步研究確認。

考慮到目前橫沙淺灘的開發利用方式尚未有明確規劃方案，在守護橫沙淺灘的同時，應為未來的利用模式留有足夠的空間，因此，對橫沙淺灘的守護對策應以固灘為主，建議按照圖12所示，沿橫沙淺灘5 m等深線實施護灘帶，護灘帶加高至理論最低潮位以下2 m，確保橫沙淺灘沙體形態的相對穩定。

圖12 長江口三角洲區域河勢控制對策示意 Fig. 12 Schematic diagram of river potential control measures in the Yangtze estuary delta

3.2 九段沙守護工程

1998年長江口深水航道建設以來，改變了北槽的邊界，北槽分流比下降、主槽沖刷、壩田淤積[19]。同時，北槽深水航道的建設，南槽分流比增大，導致了南槽一系列的變化，從圖5可以看出，南槽中上段近20 km的河槽沖刷展寬，九段沙沙體變窄，對九段沙國家級濕地的保護不利。另一方面伴隨著江亞北槽的沖刷發展，侵蝕著九段沙沙體，同時沖刷的泥沙又會對下游攔門沙河段航道建設帶來不利影響。

同時，從圖5中還可以看到，由于上游沖刷下泄的泥沙在南槽內落淤，南槽中下段已經產生了新的5 m沙洲，可能破壞目前南槽較為穩定的單一河道格局，對今后的航道建設和維護不利。

近期九段沙南緣灘坡普遍沖刷，九段沙南沿與江亞北槽連接的竄溝沖刷發育。已造成九段沙中部南沿沖刷區5 m深槽貫通。九段沙南沿持續沖刷對九段沙自然保護區穩定帶來不利影響，同時沖刷帶來的泥沙也將增加目前正在實施的南槽航道整治工程疏浚的負擔。若不采取一定的工程保護措施，九段沙濕地自然保護區存在進一步沖刷侵蝕的風險，南槽航道的穩定性亦受到一定影響。

基于上述原因，對江亞南沙及九段沙提出河勢控制方案，如圖12所示，封堵江亞南沙與九段沙之間串溝(江亞北槽)，避免南槽向江心洲汊道發展。封堵南導堤的竄溝,對穩定深水航道南導堤具有重要的作用，對九段沙實施保灘護岸工程，防止南槽過度展寬，維護南槽單一河槽的格局，為南槽航道功能的開發提供穩定的河勢條件。同時為確保九段沙濕地的自然條件以及足夠的水沙交換，保留九段沙東側的自然通路，使得漲潮水流可以自然涌入九段沙濕地。工程沿九段沙5 m等深線布置，加高至理論最低潮位以下2 m。

4 結 語

基于長江口三角洲區域4次的實測地形資料，對長江口三角洲河勢變化特征進行了分析，結果表明，長江入海沙量銳減后，長江口三角洲前緣區域10～20 m等深線沖刷明顯。長江口三角洲區域洲灘2 m等深線總體變化不大，局部略有淤長。5 m等深線面積基本維持不變，局部略有減少。橫沙淺灘、九段沙沙體表明均有大型竄溝發育。竄溝的發育威脅了沙體的穩定，因此，需要對橫沙淺灘和九段沙沙體予以守護，以確保長江口三角洲區域河勢穩定。

對橫沙淺灘守護應以固灘為主，為未來的保護和開發方式留下足夠空間，因此選擇沿5 m等深線守護灘體。對九段沙沙體，由于其為濕地保護區，應確保足夠的水沙交換，因此對沙體的守護應以封堵竄溝為主，保留水沙交換通道。選擇對沙體西側、南側部分進行潛堤守護，留下東側水沙交換通道。