長江口典型灘槽系統近期演變及河勢控制對策探討

欒華龍 渠庚 柴朝暉 雷文韜 林木松 姚仕明

摘要：近20 a來受長江入海泥沙銳減的影響，長江口灘槽系統發生相應沖淤調整，河勢穩定面臨新的挑戰。選取長江口南支河段白茆沙和扁擔沙灘槽系統為研究對象，分析了1997～2015年沖淤演變過程和主要特征。結果表明：白茆沙總體上沖刷萎縮，沙尾沖蝕消失，固沙潛堤工程的實施使得沖刷態勢得到控制，但南北水道分流格局呈單向發展，南水道沖刷南靠，威脅太倉港岸線穩定;扁擔沙處于自然演變狀態，沙體局部出現切灘，沙尾不斷下移并擠壓新橋通道，影響南支總體河勢穩定。基于此，提出了穩定白茆沙汊道分流格局，遏制扁擔沙切灘和穩定新橋通道的河勢控制對策。

關 鍵 詞：灘槽格局; 河槽沖刷; 切灘; 河勢控制; 長江口

中圖法分類號： TV148 ? 文獻標志碼： A

0 引 言

長江口在行政區劃上跨越上海市和江蘇省，是中國工業化程度和城市化水平最高的地區之一，同時也是長江經濟帶和長三角一體化國家戰略的“龍頭”，在長江流域及中國社會經濟發展中占有舉足輕重的地位。長江口河道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、生態環境保護、航運安全等諸多方面。自然演變過程中長江口灘槽系統復雜多變，認識其演變特征和規律并提出河勢控制的治理對策，一直以來是河口保護與治理及其可持續開發利用的重要內容。近30 a來，國內多家科研院所和高校對長江口河道多時空尺度演變規律和機理開展了大量研究[1-4]，相關成果為長江口保灘護岸、灘涂圍墾、航道整治、水源地建設等工程的實施提供了科學依據。

受水文氣象條件變化、上游水利工程調度運用及河口人類活動的綜合影響，近十幾年來長江口來水來沙過程發生顯著變化，尤其河流輸沙量銳減，局部河勢發生相應調整。已有研究針對長江口各分汊河道及口門水下三角洲近期演變特性進行了分析。李伯昌[5]、陳正兵[6]和楊程生[7]等均分析了北支河床演變，結果表明河槽呈現累積性淤積，河槽容積減小，河寬大幅縮窄;張曉鶴等[8]分析發現南支在2003年以來整體呈現持續不均衡沖刷，河床受輸水輸沙環境變化正發生適應性調整;郭興杰等[9]分析北港演變認為南北港分流口河道更迭演變對北港河勢影響較大，近期已趨于穩定;朱強等[10]分析南港近期沉積地貌變異，發現南港復式河槽間的沙脊因刷深而趨于消亡;潘靈芝等[11]定量分析了深水航道工程對北槽河床沖淤的影響;謝華亮等[12]分析認為南槽在1989年江亞南沙并沙前后由普遍淤積轉向沖刷;Yang等[13]和Luo等[14]分析發現隨著上游來沙減少，口門水下三角洲局部區域已出現沖刷。受徑潮流動力、泥沙特性的空間差異及局部整治工程的影響，長江口不同區域演變特征具有顯著的空間差異[15]。

20世紀50年代起，中國就開始了對長江口綜合整治的規劃和研究工作，以穩定河勢為主要目標，提出了“圍墾明沙，固定陰沙，減少活動沙”的治理思路[1]。2008年國務院批復《長江口綜合整治開發規劃》以來，長江口已實施的河勢控制工程效果明顯，總體河勢已得到基本控制，航道條件及淡水資源開發利用條件得到改善，促進了長江口地區的社會經濟發展。然而，在新的水沙情勢下，尤其是“清水下泄”引起的長江中下游長時段、長距離沖刷，其影響已逐步傳遞到長江口，威脅河口灘槽系統穩定，局部段仍存在向不利方向演變的風險，尤其南支主槽沖刷下切、扁擔沙體沖蝕下移、切灘竄溝發展等[16]。因此，本文選取南支河段白茆沙和扁擔沙灘槽系統為研究對象，開展長江口灘槽系統近期演變特征及原因分析，并提出河勢控制治理對策，為長江口綜合治理提供科學依據。

1 研究區域概況

長江口在歷史上經歷了多次并洲、并岸過程，1954年大洪水后形成“三級分汊、四口入海”的基本格局[1]。長江口河道寬闊、洲灘眾多，徑潮流動力條件復雜，河槽沖淤多變。各分汊河道內發育有不同地貌形態和大小的灘槽系統，包括白茆沙、扁擔沙、新瀏河沙、瑞豐沙、顧圓沙、北港北沙等沙體以及崇明東灘、橫沙淺灘、九段沙、南匯邊灘等前緣潮灘（見圖1）。在巨大的河流徑流量與中等強度潮汐的相互作用下，長江口各分汊河道（除北支外）均以落潮流占主導。北支水道因進流不暢其落潮分流比通常低于5%，汊道內漲潮流作用占主導，且存在水沙鹽倒灌南支現象。受氣候變化和流域人類活動的共同影響，三峽水庫蓄水后長江入海徑流量和輸沙量相對1950～1968年分別減少約7%和71%[17]。本文選取長江口南支灘槽系統為重點研究對象，包括白茆沙和扁擔沙及其相鄰漲落潮槽。白茆沙為南支上段的江心沙，將進入南支的主流分為南北水道;扁擔沙與南支主槽、新橋水道組成典型的河口復式河槽。

2 資料及方法

本文收集了長江口實測水下地形資料，測量年份包括1997，2002，2007，2011年和2015年，均于當年汛末或枯水期施測。水深數據通過單波束測深儀測量，測點位置由GPS測定，測量誤差分別為±0.1 m和±1 m。水深參考面均為理論最低潮面，測圖比例尺為1∶50 000～1∶10 000，數據點密度為4.3～20.4個點/km2，散點密度足以用于灘槽系統演變定量分析[18]。將各年份水下地形數據轉換為北京54坐標，使用Surfer11軟件中的Kriging方法將水深散點插值到100 m×100 m的網格上，從而得到長江口數字高程模型（DEM），插值產生誤差小于1%[19]。基于各年份DEM提取典型斷面及沙體特征等值線以上面積和體積，相鄰年份DEM差值可得到該時段的床面沖淤的空間分布和泥沙沖淤量。

3 典型灘槽系統近期演變特征

3.1 灘槽格局

長江主流經徐六涇進入南支后水面突然展寬，流速減小，泥沙在此處落淤發育形成白茆沙，20世紀50年代白茆沙從一個規模較小的江心暗沙逐漸淤積長高和擴大，最終形成由江心沙體及其南北兩側水道組成的白茆沙灘槽系統（見圖1）[2]。1997年以來，白茆沙總體灘槽格局未發生明顯改變，但局部變化仍較為顯著。受徐六涇節點段主流右偏和北支泥沙倒灌的影響[20]，白茆沙汊道分流格局發生單向調整，北水道淤積萎縮，南水道落潮分流比由2002年的57.2%增大到2012年的72.7%[3]，累計增加了15.5%，分流格局調整引起沙體形態、灘槽沖淤等一系列變化。D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁擔沙已形成百年有余，位于長江口南支主槽與新橋水道之間，沙體自上而下綿延超過30 km，分為上扁擔和下扁擔沙，與南支主槽、新橋水道組成典型的河口復式河槽（見圖1）。扁擔沙是泥沙在南支主槽落潮流和新橋水道漲潮流之間的緩流區落淤堆積形成，扁擔沙的存在大大減小了南支河槽寬度，為總體河勢穩定創造了條件。目前，扁擔沙灘槽系統尚未得到有效控制，是長江口河勢穩定的隱患之一。

3.2 沙體形態變化

白茆沙平面形態近期變化較為顯著，主要表現為由1997年的細長形逐漸轉變為2015年的橢圓形，沙體沿水流方向的長度（-5 m等高線）由20.2 km縮短為11.7 km，沙尾沖蝕消失，沙頭南側分布的獨立沙體經沖蝕、合并后也全部消失（見圖2）。2014年白茆沙整治工程實施后沙頭局部淤漲上延，沙體南北緣及沙尾被人為固定，在一定程度上抑制了白茆沙的進一步沖刷。白茆沙-5 m等高線面積在1997年為35.83 km2，2011年減小為27.76 km2，減幅22.5%，到2015年則增大為29.11 km2（見表1），這主要與白茆沙整治工程實施后沙頭淤漲有關。白茆沙-5 m等高線以上體積1997～2002年先增大，2002～2011年逐漸減小，2011～2015年又增大，2011年以后體積增大同樣與整治工程有關。總體來看，1997～2015年白茆沙-5 m等高線面積累計萎縮18.8%，體積則累計增加5.8%，說明在上游來沙減少及整治工程共同影響下，沙體平面形態萎縮和垂向泥沙淤積并存。

扁擔沙上沙體依附于崇明島，位置相對固定，沙體右緣與白茆沙北水道沖淤變化密切相關，1997～2015年來總體上變化不大;下沙體為活動沙體，沙尾不斷淤漲下移并擠壓新橋水道，沙體右緣中下段沖刷后退，平面形態上與水流方向更平順。值得注意的是，扁擔沙局部切灘，竄溝發育（見圖2（b））。扁擔沙-5 m等高線面積在1997～2007年持續增大，累計增加14.9 km2（見表1），2007～2015年先減小后增大，但變幅不大，沙體面積變化主要與右緣沖刷、沙體下移和沙尾沖蝕有關。扁擔沙-5 m等高線以上泥沙體積總體上持續增大，僅2007～2011年略有減小，1997～2015年體積累計增大0.61億m3，增幅為14.7%。總體上，扁擔沙體在1997年以后仍維持緩慢淤漲趨勢。

3.3 河床沖淤變化

南支各時段河床沖淤分布如圖3所示，1997～2002年河床沖淤最劇烈，之后則逐漸減弱，尤其淤積范圍明顯減小，沖刷范圍增大，2007年以后基本以沖刷為主。白茆沙頭部先沖后淤，受整治潛堤影響，2011～2015年頭部南側有所淤積，白茆沙尾則持續沖刷。同時，白茆沙北水道淤積，南水道沖刷，與分流比變化特征一致。扁擔沙右緣沖刷，沙尾下移后發生沖蝕，形成分散的沙包，部分年份扁擔沙體發生局部切灘，竄溝發育并增強新橋水道沖刷。南支主槽中下段淤積，主要與過流斷面形態調整有關，新瀏河沙包沖蝕消失，形成單一的南港分流通道。新橋通道作為北港分流通道，上游側受扁擔沙下移和沙尾沖蝕的影響，河床穩定性較差，青草沙水庫建成后新橋通道下游邊界位置相對穩定。

3.4 典型斷面變化

根據白茆沙斷面S1歷年變化（見圖4（a）），1997～2002年白茆沙淤積長高，之后沙體高程基本不變，沙體北緣先淤后沖，南緣在1997～2002年顯著沖刷，2002～2011年沖刷減緩，2011～2015年略有淤積。受分流格局調整的影響，白茆沙北水道右側淤淺，最大淤積厚度達到13.0 m，汊道最深點變化不大，但-10 m槽寬度顯著縮窄。白茆沙南水道在1997年后沖刷下切，最深點由1997年的-20.8 m降至2011～2015年的平均-48.2 m（斷面附近實測最深點高程-52.2 m），河槽最大下切深度超過25.0 m。南水道河槽下切的同時深泓線有所南偏，南側太倉邊灘岸坡變陡，威脅太倉港岸線穩定[21]。

選取斷面S2和S3表示扁擔沙與主槽的變化特征（見圖4（b）（c）），結果表明扁擔沙右緣在1997～2007年淤積擴大，2007～2015年則沖刷萎縮，總體上有所淤積長高并伴隨下移。南支主槽下段在1997年存在高程約-4 m的新瀏河沙包，到2011年基本上沖蝕消失，河床高程刷深至-18 m左右。扁擔沙北側新橋水道為漲潮槽，在斷面S2位置1997～2002年有所淤積，之后則持續沖刷，2015年河床最深點與1997年相當。在落潮流作用下，尤其大洪水年時河道水面橫比降增大，扁擔沙過灘水流增強，引起沙體切灘和竄溝發育（見圖4（c））。在新瀏河沙護灘工程和青草沙水庫工程實施后，新橋通道下邊界位置固定，扁擔沙下移擠壓新橋通道，使其發生逆時針偏轉并縮窄。

4 典型灘槽系統河勢控制對策探討

4.1 穩定白茆沙汊道分流格局

白茆沙灘槽系統演變主要受水沙條件變化、上游河勢變化及整治工程的綜合影響。白茆沙固沙潛堤實施后將增大沙體自身的穩定性，可在一定程度上抑制低含沙水流條件下的沙體沖刷，其中沙頭將維持小幅淤漲直至平衡，沙尾沖淤態勢趨于穩定。如果北支泥沙倒灌南支現象得不到根本改善[20]，北水道還將維持萎縮態勢，河床沖淤幅度由倒灌泥沙量和河槽水流沖刷量共同決定;南水道在持續低來沙量條件下，河槽將繼續沖刷下切直至平衡，導致南側岸坡變陡，威脅太倉港岸線穩定和碼頭正常運行[21]。總體上，白茆沙南北水道分流格局仍將維持單一發展的態勢。因此，白茆沙灘槽系統河勢控制的重點是改善南北水道分流格局，通過抑制南水道主槽沖刷南靠趨勢，增大北水道分流比，使倒灌后淤積在北水道進口的泥沙被沖刷帶走，從而一定程度上緩解北支泥沙倒灌對白茆沙汊道河勢的不利影響。同時，還應密切關注太倉港近岸河床沖刷情況，加強碼頭平臺設施的安全監測，局部險工段應及時實施岸線加固工程。

4.2 遏制扁擔沙切灘和穩定新橋通道D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁擔沙目前仍處于自然演變狀態，在徑潮流動力作用下，其演變特征主要表現在2個方面。① 扁擔沙下移并不斷擠壓新橋通道，由于其下游邊界受青草沙水庫和新瀏河沙護灘工程限制，新橋通道將繼續變窄且主流下移，沖刷青草沙水庫前沿河床進而可能威脅水庫圍堤安全[22]。② 由于南支主槽與新橋水道漲落潮流路分歧和潮汐相位差異，使扁擔沙南北兩側存在橫向水位比降，落潮時過灘水流沖刷和切割沙體，對扁擔沙灘槽系統格局穩定不利。新橋通道過流能力減弱，將間接增強扁擔沙落潮過灘水流。在上游來沙量持續減小的條件下，如遇大洪水年，過灘水流沖刷能力增強，切灘竄溝可能進一步沖刷發展。扁擔沙切灘不僅會引起新橋水道乃至北港上段河床沖淤調整，威脅南支總體河勢穩定，還影響崇明島沿江附近城鎮和青草沙水庫的取水安全，值得密切關注。

因此，首先應加強扁擔沙附近水文和地形觀測，跟蹤分析切灘竄溝沖刷發展情況;其次應密切關注新橋通道主流線位置變化，分析青草沙水庫前沿河床變化及圍堤的穩定性;研究提出兼顧河口水生態環境的扁擔沙右緣及沙尾潛堤工程方案，通過工程措施穩定新橋通道上游邊界，抑制新橋通道下移的態勢，從而降低青草沙水庫圍堤失穩風險，維持扁擔沙灘槽格局穩定。

5 結 論

本文分析了長江口南支白茆沙和扁擔沙灘槽系統近期（1997～2015年）演變過程和主要特征，并重點探討了南支河勢控制對策，主要結論如下。

（1） 白茆沙整治工程實施以前，沙體處于沖刷萎縮狀態，尤其沙尾沖蝕消失，固沙潛堤的實施提高了沙體穩定性。白茆沙北水道持續淤積萎縮，南水道主槽沖刷南靠，威脅太倉港岸線穩定和碼頭安全運行。建議加強太倉港近岸河床地形觀測、分析，密切關注局部險工段近岸河床沖刷情況和岸坡穩定，及時實施岸線加固工程。

（2） 扁擔沙是長江口目前最大的自然演變下的活動沙體，其演變特征主要體現在沙體持續下移和局部切灘，前者擠壓新橋通道進而威脅青草沙水庫前沿圍堤穩定，后者則影響總體河槽格局穩定。建議及時實施兼顧生態環境的扁擔沙固灘整治工程，遏制扁擔沙切灘，穩定新橋通道，維持南支總體河勢穩定。

隨著長江入海泥沙量的持續減小，長江口灘槽系統響應將呈現新的格局，下階段需開展長江口優良河勢格局評價和構建的系統研究，為新格局環境下長江口綜合治理提供技術支撐。

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（編輯：謝玲嫻）D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A