長(zhǎng)江口橫沙通道沖淤變化與地形特征演變

陳婷 張行南 徐雙全 李萬春 張文婷 包鑫如

摘要：長(zhǎng)江口橫沙通道是南北港航道的重要聯(lián)絡(luò)通道，研究該通道的沖淤及地形演變，對(duì)于掌握通道水動(dòng)力條件及保證生產(chǎn)作業(yè)安全具有重要意義。采用2005～2020年長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)，利用ArcGIS建立精度為20 m×20 m的數(shù)字高程模型;通過繪制橫沙通道地形圖、沖淤變化圖、等深線圖和橫斷面圖，對(duì)橫沙通道整體地貌的演變特征和局部深坑的形成機(jī)制進(jìn)行了定量及定性分析。結(jié)果表明：近期橫沙通道北口出現(xiàn)南北長(zhǎng)約1.85 km，最大深度達(dá)56.1 m的深坑，深坑累計(jì)擴(kuò)大約380萬m3，南延約770 m，有向深槽演變的可能。通道整體呈現(xiàn)“淤?zèng)_淤”的演變模式，以沖刷為主，兩側(cè)存在局部淤積，累計(jì)沖刷2 880萬m3。深坑不斷擴(kuò)大的主要原因是受長(zhǎng)興島北沿促淤圈圍工程與青草沙水庫(kù)工程建設(shè)的影響，通道北口的水動(dòng)力增強(qiáng)，落潮流流量增加，所形成的彎道橫向環(huán)流進(jìn)一步加速了深坑的發(fā)育，沖刷趨勢(shì)加劇。

關(guān) 鍵 詞：橫沙通道; 沖淤變化; 地形演變; ArcGIS; 數(shù)字高程模型; 長(zhǎng)江口

中圖法分類號(hào)： TV148

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.003

0 引 言

河口是海陸相互作用的界面，受自然因素和人為因素的影響，形成了復(fù)雜的水流動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)條件[1-3]。20世紀(jì)后期，流域與河口人類活動(dòng)頻繁，水庫(kù)修建、航道治理、灘涂圍墾等涉水工程相繼實(shí)施，對(duì)河床地貌自然演變的干擾逐漸增強(qiáng)。河口河槽地形邊界條件、動(dòng)力地貌演變對(duì)涉水工程的響應(yīng)受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-7]。如三峽水庫(kù)的持續(xù)蓄水和下泄泥沙量的減少，使長(zhǎng)江口海床發(fā)生由淤積主導(dǎo)向滯漲為主的轉(zhuǎn)變，對(duì)長(zhǎng)江口區(qū)域演化具有控制性作用[8]。深水航道治理工程的實(shí)施，使南北槽分汊口段主槽及九段沙周邊發(fā)生明顯的沖淤響應(yīng)[9-10]。

橫沙通道縱貫于長(zhǎng)江口長(zhǎng)興、橫沙兩島之間，兩側(cè)分別連接北港和北槽兩個(gè)入海通道，是南、北港航道的聯(lián)絡(luò)航道，也是水量、泥沙交換的重要通道[11]。近20 a來，受深水航道工程、青草沙水源地工程、上海長(zhǎng)江大橋、長(zhǎng)興島北沿及橫沙東灘促淤圈圍工程等涉水工程建設(shè)的影響，橫沙通道河槽地貌受到強(qiáng)烈干擾。部分學(xué)者對(duì)該通道近期的水動(dòng)力特性、水下微地貌形態(tài)、近岸沖刷等展開了深入研究。萬遠(yuǎn)揚(yáng)和陳維等通過建立數(shù)學(xué)模型，統(tǒng)一邊界條件，分析了近期橫沙通道漲落潮變化情況[12-13]。程海峰和郭興杰等發(fā)現(xiàn)河口工程的建設(shè)造成通道內(nèi)水動(dòng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致通道持續(xù)處于沖刷態(tài)勢(shì)，水下存在大量沙波微地貌[14-15]。吳帥虎等在發(fā)現(xiàn)橫沙通道發(fā)育大量侵蝕性微地貌與沙波微地貌的基礎(chǔ)上[16]，進(jìn)一步研究河槽沖淤演變和床面微地貌之間的相關(guān)性，指出工程治理導(dǎo)致通道持續(xù)受到?jīng)_刷，促進(jìn)各類微地貌不斷發(fā)育[17]。華凱等將通道水流數(shù)據(jù)與歷史海圖資料結(jié)合，深入研究了橫沙通道近岸沖刷坑的形成機(jī)制[18]。目前，對(duì)于橫沙通道的演變過程與發(fā)展趨勢(shì)的研究仍有待補(bǔ)充與拓展。

本文結(jié)合2005～2020年長(zhǎng)江口水下地形實(shí)測(cè)資料，利用ArcGIS軟件對(duì)橫沙通道整體地貌的演變過程和局部深坑的形成機(jī)制進(jìn)行分析，以期為橫沙通道附近的港口、航道建設(shè)提供參考意見。

1 研究區(qū)地形與水文特征

長(zhǎng)江口是長(zhǎng)江的入海通道和咽喉[11]，為徑流與潮流相互作用明顯、豐水多沙、多級(jí)分汊的三角洲河口，河口段自徐六涇向下形成三級(jí)分汊、四口入海的格局[19]。橫沙通道（31.3°N，121.8°E）是長(zhǎng)江口南北港之間的橫向支汊，走向?yàn)镹NW-SSE，與長(zhǎng)江口潮波傳播方向基本一致（見圖1）[13，20]。通道平均寬約1.2 km，長(zhǎng)約8.6 km，北窄南寬，是長(zhǎng)江口唯一一條獨(dú)立的、南北向連通通道。兩岸港口碼頭眾多，岸線資源高度利用。

長(zhǎng)江口以攔門沙為界，以外為正規(guī)半日潮，以內(nèi)受徑流影響，多為非正規(guī)半日淺海潮[16]。長(zhǎng)江口屬于中等強(qiáng)度潮汐河口，年平均潮差2.45 m[21]。北港中下段枯季為漲潮優(yōu)勢(shì)，洪季為落潮優(yōu)勢(shì)[22-23]。橫沙通道溝通南北水體交換，落潮流由北港經(jīng)通道匯入北槽，漲潮流則反之，潮流呈現(xiàn)往復(fù)特征。研究發(fā)現(xiàn)通道南北側(cè)潮位差減少，通道由落潮流優(yōu)勢(shì)逐漸趨向漲落平衡狀態(tài)[12，20]，但落潮流在整個(gè)北槽中仍占有較大的比例[13]。

本文研究區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)通道及北口深坑，其中深坑近橫沙島北岸。通道區(qū)域河勢(shì)變動(dòng)頻繁，近年來河床持續(xù)受到強(qiáng)烈干擾，不斷出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。

2 通道北端深坑沖淤變化分析

本文基于實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)，利用等深線、沖淤深度等對(duì)橫沙通道北端深坑的沖淤變化進(jìn)行定量計(jì)算，分析近年來沖淤變化過程。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

本文采用了2005～2020年上海市灘涂實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)，高程基準(zhǔn)采用上海吳淞高程系，水平比例尺為1∶10 000。利用ArcGIS 10.2將原始CAD數(shù)據(jù)數(shù)值化，通過創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）得到研究區(qū)精度為20 m×20 m的數(shù)字高程模型，再計(jì)算得到研究區(qū)灘涂地形圖、等深線圖、橫斷面地形圖和沖淤變化圖，從而分析研究區(qū)沖淤變化情況與典型橫斷面形態(tài)變化特征。

2.2 深坑幾何特征

利用ArcScene 10.2從三維視角觀察水下地貌圖，發(fā)現(xiàn)橫沙通道北口近左岸側(cè)存在一個(gè)深度明顯深于周圍河床的深坑（見圖2）。以2020年深坑-20 m等深線為邊界進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其平面形態(tài)近似橢圓形，長(zhǎng)軸為南北走向，長(zhǎng)約1 845 m，約占通道長(zhǎng)度的21.4%，寬約220 m，約占橫沙通道寬度的15.3%，距橫沙通道東岸200～400 m，最大深度約為-51.9 m，北側(cè)沖刷深度明顯大于南側(cè)。

2.3 深坑沖淤變化過程

本文以近年來-20 m等深線變化特征為指標(biāo)，研究橫沙深坑的變化過程。通過GIS柵格計(jì)算器提取數(shù)字高程模型，得到深坑-20 m等深線柵格范圍;將柵格轉(zhuǎn)面得到面文件，幾何計(jì)算得到面積;將柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)得到高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到平均深度和最深深度;利用3DAnalyst擴(kuò)展模塊下的功能性表面工具，計(jì)算得到此等深線以下所包絡(luò)的體積（見表1），并繪制出深坑體積和面積變化圖（見圖3）。由圖3可以看出：深坑的體積和面積均呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大趨勢(shì)，為研究深坑階段性變化情況，以2008，2011，2014，2016年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分5個(gè)階段展開計(jì)算分析。根據(jù)深坑形態(tài)特征變化（見表1）和深坑演變過程（見圖4（a））可看出，深坑的體積和面積于2008～2011年擴(kuò)大幅度最為明顯，分別擴(kuò)大153.85萬m3和6.45萬m2，且2011年

深坑面積增幅最大，較前一年擴(kuò)大7.33萬m2，擴(kuò)張趨勢(shì)明顯。深坑最深深度和平均深度于第三、四階段增大最為明顯，分別累計(jì)加深10.54 m和2.14 m。2016～2020年，該階段深坑主要表現(xiàn)為淤積，2017年較前一年淤積量增加193.55萬m3，面積減少4.12萬m2，最深深度減少22.72 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橫沙深坑體積增大379.79萬m3，面積擴(kuò)大16.72萬m2，平均深度加深2.14 m，最深深度加深26.93 m。橫沙深坑總體呈現(xiàn)“淤?zèng)_淤”的演變形勢(shì)，深坑范圍不斷擴(kuò)大，深度明顯增大，有不斷沖刷的趨勢(shì)。

對(duì)比各階段的-20 m等深線空間位置變化（見圖4（b））發(fā)現(xiàn)：第一、三階段深坑變化不大，僅各向南延伸約80 m和60 m，北、東、西3側(cè)均未出現(xiàn)較大變化。2008～2011年，深坑南側(cè)向南延伸約250 m，尾部不斷加長(zhǎng)。第四、五階段深坑形態(tài)變化最大，2016年出現(xiàn)東北向延伸尖角，至2020年重新演變回橢圓形，期間深坑位置變化最大，北側(cè)向南回退約90 m，南側(cè)向南延伸約600 m，整體向東移動(dòng)30～80 m。

橫沙深坑自2010年起出現(xiàn)沖刷幅度為10～20 m的劇烈沖刷現(xiàn)象，最深深度達(dá)56.07 m。至2020年，深坑南延約770 m，北退約20 m，累積加深26.93 m，向東移動(dòng)約20～60 m，呈現(xiàn)快速發(fā)育的趨勢(shì)。

2.4 岸線穩(wěn)定性分析

隨著深坑范圍的逐漸擴(kuò)大，深坑中心由橫沙通道北口逐漸向東南移動(dòng)約350 m。由于岸線的不規(guī)則，深坑?xùn)|側(cè)邊緣到岸線的平均距離有增有減，但整體仍呈不斷減小趨勢(shì)，至2020年，深坑?xùn)|側(cè)邊緣共計(jì)向東擴(kuò)張 41.36 m（見表1）。深坑的不斷東擴(kuò)，使得沖淤影響更加接近岸線，將會(huì)威脅到岸線的穩(wěn)定性。

根據(jù)近期演變過程分析可知，受北港至北槽落潮流的作用，深坑的體積、面積和深度總體上呈沖刷趨勢(shì)，沖刷范圍具有向南和向東發(fā)展的趨勢(shì)。深坑的發(fā)展會(huì)造成堤岸崩塌，影響到橫沙島西北頭部海塘以及港口碼頭生產(chǎn)作業(yè)的安全，故未來需進(jìn)一步加強(qiáng)觀察。

3 通道近期沖淤變化和地形特征演變

3.1 橫沙通道整體沖淤變化分析

3.1.1 基于高程的沖淤變化分析

通道沖淤演變過程可劃分為5個(gè)階段（見表2），各階段均表現(xiàn)為“淤?zèng)_”的演變模式。

2005～2009年為第一階段，該階段橫沙通道河床主槽淤積，通道兩岸沖刷，總體年均沖刷量為488.57萬m3（見圖5（a））。通道第二階段整體以沖刷為主，兩岸存在淤積，深坑附近局部出現(xiàn)強(qiáng)烈沖刷，沖刷深度變化幅度在10～20 m左右（見圖5（b））。與第二階段相比，第三階段沖刷范圍擴(kuò)大，通道主槽以沖刷為主;深坑局部強(qiáng)烈沖刷范圍擴(kuò)大，該階段河槽最大深度為56.07 m，沖刷深度出現(xiàn)20 m以上的變化幅度，沖刷量達(dá)507.30萬m3，是沖刷最多的階段（見圖5（c））。

2016～2018年，橫沙通道北口東岸呈現(xiàn)明顯的淤積，河槽也以淤積為主，年均淤積量達(dá)661.88萬m3，年均淤積深度為0.62 m（見圖5（d））。2018～2020年，通道北口入口以淤積為主，下游河槽以沖刷為主，該階段深坑以淤積為主（見圖5（e））。橫沙通道累積沖刷2 879.97萬m3，平均深度和最大深度分別加深2.23 m和26.93 m，年均沖刷深度為0.15 m，年均沖刷量達(dá)192.00萬m3，總體呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)（見圖5（f））。

3.1.2 基于橫斷面的沖淤變化分析

在橫沙通道區(qū)域設(shè)立A-A′、B-B′、C-C′、D-D′、E-E′5個(gè)橫斷面（見圖1（b）），分別位于通道北口入口、深坑尾部、通道中部、通道中下段和出口處，通過觀察深坑附近斷面及通道其他斷面的水深變化，進(jìn)一步分析局部深坑和整個(gè)通道的沖淤變化。斷面由東至西，A、B、C、D、E位于橫沙島一側(cè)，A′、B′、C′、D′、E′位于長(zhǎng)興島一側(cè)，其中A-A′、B-B′和C-C′斷面變化最為明顯，2005年、2009年和2011年變化相對(duì)不明顯。分析3個(gè)斷面形態(tài)變化（見圖6）發(fā)現(xiàn)：沖刷最劇烈區(qū)域位于A-A′斷面東側(cè)，該斷面2018年達(dá)最大沖深約55 m;2011～2016年，A-A′斷面于該階段沖刷幅度最大，沖刷加深約20 m，B-B′、C-C′斷面靠近西側(cè)出現(xiàn)較為明顯的淤積，最大淤積深度分別約為3.5 m和4 m;2018～2020年，A-A′斷面最大沖刷處出現(xiàn)淤積，其余兩個(gè)斷面整體沖刷2～3 m。

總體上，近期橫沙通道東側(cè)近岸河槽沖刷劇烈，北口出現(xiàn)沖刷深度50 m以下的沖刷坑，且沖刷深度不斷增大，河槽局部有淤積，整體呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)。

3.2 橫沙通道河勢(shì)演變分析

如上所述，橫沙通道整體以沖刷為主，兩側(cè)存在局部淤積。通道深坑附近A-A′斷面東側(cè)沖刷最為劇烈，最大沖深約55 m，其余斷面沖刷相對(duì)較小，沖刷幅度在2～10 m之間。根據(jù)以上橫沙通道形態(tài)變化趨勢(shì)及沖淤變化情況，可以從該區(qū)域落潮流水動(dòng)力變化以及近期周邊工程建設(shè)兩個(gè)影響因素，分析對(duì)局部深坑和整體沖刷地貌演變的疊加影響。

落潮流由北港經(jīng)通道北口進(jìn)入通道，形成彎道水流，其中西側(cè)為凸岸，東側(cè)為凹岸。彎道表層水流流向東岸，使東岸易受到?jīng)_刷，底層水流趨向西岸，形成橫向環(huán)流。長(zhǎng)興島北沿于2004～2009年修建了促淤圈圍工程，將橫沙通道入口寬度由2.5 km左右束窄至約1.6 km，使得彎道曲率半徑減小。對(duì)比2005，2009年及2020年通道深泓線（見圖7（a）），發(fā)現(xiàn)通道北口深坑附近2009年深泓線較2005年向西移動(dòng)10～70 m，自2009年之后逐漸東移，2020年東移至距2005年深泓線50～100 m處，與通道東岸距離逐漸減小，導(dǎo)致落潮流主流逐漸逼近東岸。深坑受橫向環(huán)流的影響，逐漸向東擴(kuò)張，且彎道曲率半徑越小，沖刷水深越深，導(dǎo)致深坑有不斷加深的趨勢(shì)。

2007～2010年的青草沙水庫(kù)工程使得長(zhǎng)興島西北側(cè)岸線大幅北移，北港中上段河道縮窄，深泓線發(fā)生遷移。對(duì)比2007，2010年以及2020年青草沙水庫(kù)至橫沙島頭段深泓線（見圖7（b）），可以看出：2007年橫沙北口北港深泓線偏向南側(cè)，沖刷的水動(dòng)力條件明顯，自2010年水庫(kù)建設(shè)后，北港中上段水動(dòng)力條件不穩(wěn)定，橫沙北口處北港深泓線仍保持一定的沖刷水動(dòng)力條件。這對(duì)于通道北口處已形成的橫向環(huán)流具有加劇作用，使得位于環(huán)流頂沖點(diǎn)附近的東岸深坑不斷受到強(qiáng)烈的沖刷作用。至2020年，北口處深泓線北移約0.90～1.25 km，使得橫沙通道接受北港的落潮流流量有一定的減少，受水庫(kù)影響，入口處水動(dòng)力較以往有所減弱，沖刷力度有所緩和，但深坑與通道整體仍呈沖刷趨勢(shì)。橫向環(huán)流的存在導(dǎo)致深坑不斷淘刷加深，深坑持續(xù)形成并不斷擴(kuò)大。

長(zhǎng)興島北沿促淤圈圍工程使得橫沙通道北口束窄，北口處深泓線東移，水動(dòng)力條件增強(qiáng)，環(huán)流沖刷作用加劇。青草沙水庫(kù)修建后，北口附近的沖刷作用仍未消減，至2020年深泓線北移使得落潮流流量有所減少，但整體水動(dòng)力條件仍呈增強(qiáng)趨勢(shì)。以上兩個(gè)工程的共同影響，使得深坑不斷發(fā)育，通道平均深度逐漸增大，北港與通道的水位比降逐漸加大，河槽沖刷量持續(xù)增加。

4 結(jié) 語

近期長(zhǎng)江口橫沙通道北口東側(cè)出現(xiàn)一個(gè)平面呈橢圓狀的深坑，最大沖刷深度達(dá)56.1 m，南北長(zhǎng)約1.85 km，2005～2020年深坑體積累計(jì)擴(kuò)大約380萬m3，有不斷加深且東移、南延的趨勢(shì)，存在向深槽演變的可能，對(duì)通道東側(cè)岸線穩(wěn)定性存在威脅。通道整體年均沖刷深度為0.15 m，年均沖刷量達(dá)192.00萬m3，呈沖刷趨勢(shì)，近期沖刷力度有所減緩，通道兩側(cè)存在局部淤積。

受長(zhǎng)興島北沿促淤圈圍工程與青草沙水庫(kù)工程建設(shè)的影響，橫沙通道北口水動(dòng)力增強(qiáng)，落潮流流量增加，彎道橫向環(huán)流進(jìn)一步加速了橫沙北口深坑發(fā)育，對(duì)橫沙通道整體沖刷也存在影響，深坑沖刷量占通道整體沖刷的13.19%。橫沙通道整體呈“淤?zèng)_淤”的演變模式，以沖刷為主。

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（編輯：胡旭東）

Erosion-deposition variation and topography evolution in Hengsha Passage of Yangtze Estuary

CHEN Ting1，2，ZHANG Xingnan1，2，XU Shuangquan3，LI Wanchun3，ZHANG Wenting1，2，BAO Xinru1，2

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Collaborative Innovation Center for Water Security and Water Science，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3.Shanghai Water Authority，Shanghai 200050，China）

Abstract：

The Hengsha Passage in the Yangtze Estuary is an important connecting passage between the North and South Channel.It is of great significance to study the erosion-deposition and topographic evolution of the passage for mastering the hydrodynamic conditions of the passage and ensuring the safety of production and operation.In this paper，the measured underwater topographic data from 2005 to 2020 in the Yangtze Estuary were used to establish a digital elevation model with an accuracy of 20 m×20 m in ArcGIS.By drawing maps about topographic，erosion-deposition change，contour and cross-sectional of the passage，the evolution characteristics of the whole landform and the formation mechanism of local pit of the passage were analyzed quantitatively and qualitatively.The results indicated that a pit with a length of 1.85 km from north to south and a maximum depth of 56.1 m，appeared at the north entrance of the Hengsha Passage recently.The pit expanded by about 3.8×106 m3 and extended to the south by about 770 m，suggesting that it may evolve into a deep trough.The passage presented a evolution mode of ‘erosion-deposition-erosion’ on the whole，which was dominated by erosion.There was local deposition on both sides，and the accumulated scouring was 2.88×107 m3.The main reason for the continuous expansion of the pit was that under the influence of reclamation engineering performed in North Changxing and the construction of the Qingcaosha reservoir，the hydrodynamic force in the north of the passage was enhanced，and the flow of the ebb current was increased，which further accelerated the development of the pit.

Key words：

Hengsha Passage;erosion-deposition;topography evolution;ArcGIS;digital elevation model;Yangtze Estuary