近50年长江口南、北港及附近分汊型河槽的演变

施野，张国安

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

河口区河槽分汊是水流、泥沙时空变化的产物。长江口自徐六泾分为南、北两支，南支自长兴岛分为南、北港，南港经九段沙形成南、北槽。长江口分汊型河槽地貌形态多变，水沙条件多样，动力机制复杂，探讨分汊型河槽的稳定性和演变趋势，不仅益于丰富河口河槽演变内容，也将为航道建设、港口维护、河口治理等提供理论依据。对长江口分汊型河槽的认识与研究是循序渐进的。早期，陈吉余等（1979；1988；1988） 采用海图对比法系统描述了长江口分汊型河槽演变过程，揭示了百年尺度内南支主泓不断游摆于南、北港间的变化特征。随后，金元欢等（1990，1991） 运用拓扑学原理定义了天然河道汊道体系中的组成单元，总结河口分汊四种基本模式，提出定量描述河口分汊的基本思想和具体方法，将研究角度转向河口分汊问题上。同时，探讨节点与岩岛在河口分汊过程中发挥的作用（金元欢，1992），以科氏力为出发点，系统分析河口分汊的动力条件（金元欢等，1993）。孙志林等（1996） 从输沙的力学角度探讨分汊河口的形成机理，认为推移质的造床作用是在河口特定的边界、水流及泥沙输移恰当配合下形成河口沙洲，是导致河口分汉的主导因子。近年来，技术手段的提高使定量化研究更加精确易行。吴华林等（2002） 利用GIS 手段定量描述南、北港冲淤变化与河势演变。刘杜娟等（2010） 巩彩兰等（2003） 利用海图资料，对比河槽容积、断面形态等指标，分析南支下段河槽时空变化和南港底沙输移变化。国内学者对河口区河槽演变研究经历了定性描述、河口分汊描述和研究定量化指标的有序过程；国外学者同样关注河口区分汊型河槽的演变，探讨多要素作用背景下河口河槽的演变，如对密西西比河河口分流工程的研究，研究重点在于解决三角洲湿地恢复的问题（Anindita Das et al，2012；Alexander et al，2012）。长江口是著名的多级分汊河口，是多环境要素集成的复杂系统。前人已系统研究了长江口分汊型河槽演变过程。本文探讨在流域来水来沙减少背景下（图1） 各环境要素与分汊型河槽演变关系，利用GIS 技术定量计算河槽容积、典型断面等量化指标，反映河口区河槽分汊与环境要素间的响应机制，了解近50年来南、北港及其附近分汊型河槽演变过程。

1 区域概况与研究方法

长江口是世界著名的多级分汊河口，自徐六泾向下形成三级分汊、四口入海的平面格局，年径流量9 420 亿m3，年平均输沙量4.86 亿t，水沙资源丰富。河槽处于纵向输沙平衡状态，流量变幅较小，不存在强烈淤积和冲刷，是分汊型河槽形成和稳定的条件。年平均潮差2.66 m，是中等强度的潮汐河口，为长江口分汊水道的形成和维持提供了适宜的动力条件。

图1 大通站年径流量、输沙量变化曲线（许全喜等，2012）

收集1958-2006 近50年海图资料，利用地理信息系统软件ArcMap 对海图资料进行数字化处理，在理论深度基面上通过克里金插值建立不同时期南、北港及附近的水深数据库。河槽容积是既定的区域面积和水深的函数，是反映地貌形态变化的量化指标。南北港、南北槽以分流点为节点、以垂直过水断面为边界，提取不同时期的横断面ABC、PQ 探讨河槽分流节点处的地貌演变过程。其中横断面ABC 中B 点为中央沙10 m 沙头顶点位置，根据水下沙体分布情况和海图实际范围提取断面ABC。河槽容积的计算范围以断面ABC 为始，向下游延伸至拦门沙外围5 m 等深线为界的ABCDEFGHI 区域。在拦门沙区域，通过水深数据库绘制等深线，将等深线上最大曲率点连接绘制成分水脊线，从而对不同研究区段进行河槽容积的计算。

图2 研究区示意图

2 南、北港及附近河槽演变特性

2.1 南、北港河槽容积变化

近50年南、北港河槽冲淤变化趋势一致，总体上略有淤积，局部性波动明显。北港上段0 m 河槽容积1958年达到12.82 亿m3，70年代后期减小至10.59 亿m3，此后河槽容积有所上升，1994年后小幅度下降。2 m、5 m 河槽容积60年代开始上升，1994年后开始下降，总体呈淤积趋势。北港下段河槽平均水深5～7 m，浅于北港上段，0 m、2 m河槽容积先升后降，89年达最大值28.94 亿m3，5 m 河槽容积波动明显，总体呈下降趋势。南港0m 河槽容积1958年达21.97 亿m3，60年代迅速减小至17.09 亿m3，70年代后期至94年不断上升，94年后小幅度下降。显然，南港与北港上段河槽容积展现先降后升再降的过程，且变化幅度按0 m、2 m、5 m 顺序减小；北港下段0 m、2 m 河槽容积变化过程呈先升后降趋势，与北港上段相反，5 m 河槽容积变化与北港上段整体趋势相似。自1994年三峡工程启动后，以此为代表的人工水利设施对长江口水沙条件变化影响显著，河槽容积自94年后逐渐减少，反映了河槽地貌形态变化与水沙条件变化间的关系。

表1 不同时期南、北港河槽容积

图3 南、北港河槽容积变化

图4 北港下段河槽容积变化

河槽纵断面变化如图5 所示北港上段最大水深14～19 m，10 m 深槽最远可延伸至121.959 °E，至拦门沙处水深开始淤浅，与1958年相比，60年代河槽淤积，1994年以前河槽缓慢浚深，2004年前后再次淤积。南支水流进入北港时，无论是中央沙北水道还是新桥通道都与北港主槽形成角度，呈东北—西南向，水流直冲崇明南岸，在横向环流作用下崇明南岸一侧河床不断冲蚀，长兴岛北侧浅滩淤积，北港主泓紧靠崇明南岸。南港最大水深16～22 m，10 m 深槽变化幅度较大，最远可延伸至121.876°E。自1958年以来，南港出现不同程度的淤积，70年代后期出现过-20 m 狭长深槽，然而范围极小，持续时间不长。1958年图件上，南港主槽深浚，河道顺直，60年代南港10 m 深槽发生形变，上半段深槽向南，下半段深槽北摆，整体呈反向“z”型，70年代后期10 m 深槽分成南、北两部分，北侧深槽由东向西逐渐变浅，等深线闭合，呈涨潮槽性质，称为南小泓。南港主槽与南小泓间有水下沙体沉积，水下沙体不断发展，一度与江亚南沙10 m 等深线相接。

北港下段北侧存在一条与北港下段主槽相异的分支。此分支经历形成—消亡—再形成的复杂过程。1958年该分支发展较好，5 m 槽伸向北港上段，0 m 河槽容积12.08 亿m3，可以清晰辨别0 m、2 m 分水沙体存在。60年代5 m 槽萎缩严重，分水沙体的2 m 等深线与北港上段相接，70年代后期分水沙体0 m 等深线亦与北港上段相接，无法辨别分水节点，1989年该分支已经消失。1994年该分支重新出现，5 m 槽形成但范围极小，至2006年该分支发展，可明显辨别分水沙体。

图5 南、北港纵断面变化图

2.2 南、北槽河槽容积变化

北槽最大水深9～13 m，多出现在122.05°E 附近。南槽最大水深介于7～11 m，多出现在南槽入口处附近。1958年图件上南港主泓指向南槽，北槽入口阴沙分布不利于水流进入北槽，此时南槽5 m 河槽容积1.88 亿m3，较北槽0.998 亿m3稍大。随着南岸边滩淤积，南槽入口与南港主槽形成角度，加之南港下半段10 m 深槽北摆，北槽入口阴沙消失，南港主泓逐渐指向北槽。60年代后，南港深槽逐渐伸向北槽，北槽0 m 河槽容积至1994年达到25.97 亿m3，2 m、5 m 河槽容积于1989年达到14.31 亿m3与4.06 亿m3，94年后北槽容积有大幅度下降过程。从北槽纵断面可知，自1958年起北槽水深发展，有冲刷之势，在122.05°E 附近有小范围10 m 深槽形成，此处乃北槽转弯点。此点向东，北槽呈西北—东南向，与涨潮流方向相近，同时与向西一段的北槽具有一定角度。涨潮流行经此处在横向环流作用下冲刷河床，形成范围较小的深槽。九十年代末启动长江口深水航道治理工程对南北槽水沙条件产生较大影响，河槽容积随之减小。

图6 南、北槽河槽容积变化

表2 不同时期南、北槽河槽容积

南槽0 m、2 m 河槽容积波动显著，5 m 河槽容积呈明显下降趋势。由于南岸边滩淤积，使其在水下部分不断扩大，0 m、2 m 河槽容积的增加实际上是0～5 m 河槽边滩范围扩大所致，5 m 河槽容积的变化才是真正反映南槽主槽冲淤的直接指标。从南槽断面可知，自1958年后，南槽主泓水深不断减小，深槽呈淤积态势。

图7 南、北槽纵断面变化图

3 南、北港及附近横断面分析

3.1 单一U 型河槽向W 复式河槽转变

南、北港河槽在演变过程中，均出现单一U型槽向W 型复式河槽转变的现象。1958年图件上南港河槽顺直开阔，60年代南港10 m 深槽成反向“z”型，70年代后期南港主槽北侧新10 m 深槽形成，西至121.636°E，东达121.809°E，称为南小泓。1989年后南小泓10 m 槽有萎缩趋势，然而其5 m 等深线不断向西蔓延，2004年已达到121.567°E深入中央沙内。南港主槽与南小泓之间有沙体沉积，沙体范围扩大直至与江亚南沙10 m 等深线相接。同样的情况也出现于北港上段。1958年至80年代期间，北港上段主槽始终紧靠崇明南岸。80年代中期，北港上段10 m 深槽退缩至121.737°E，堡镇以下北港主槽北侧出现10 m 深槽，延伸至121.935°E，两深槽间有5 m 等深线闭合的沉积沙体。此后，沙体进一步沉积出现了0 m、2 m 等深线闭合的沉积沙体，沙体北侧10 m 深槽在演变中逐渐萎缩，5 m 等深线却向西蔓延，2004年已至121.649°E。

复式河槽形成的原因可归结为由涨落潮流路分异而引起缓流区泥沙沉积，从而导致W 型复式河槽的出现。58年南支主泓走北港，南港入口阴沙遍布，在径流与潮流相互博弈中，南港河槽内涨潮流优势明显。在科氏力作用下，涨潮流偏向北岸，落潮流偏向南岸，出现涨落潮流路分异，涨潮流与落潮流之间形成缓冲区，缓冲区内水流流速降低，携沙能力减弱，泥沙淤积形成水下沙体，潮汐的周期特性使部分沙体获得出露水面的机会，使松散沉积物固结，巩固沙体成形。而北港上段复式河槽出现与南港显然有时间差，这与主泓不断摆动有关，主泓摆动直接影响径流作用的强弱。北港上段在1989年才出现复式河槽雏形，并不断发展。

3.2 科氏力在河槽演变中的作用

江亚南沙形成经历四个过程：南岸边滩淤积，南槽主泓偏移，水流深切边滩，涨落潮流路分异巩固沙体。从图件及横断面（图8） 可知，来自南港的泥沙进入南槽后，边界条件进一步开阔，为泥沙沉积提供必要条件，南岸边滩淤积上溯且越靠近口外水下边滩面积越大，南槽主泓也随之向正东方向摆动，与南港主槽角度增大。当两者达到一定限度后，水流对水下地貌的改造运动开启，水下边滩严重阻挡落潮流行进，长此以往水下边滩被切出一道深槽，深槽不断发展最终与南槽贯通。涨落潮流路分异形成的缓流区泥沙开始沉积，为新兴沙体发展提供优良环境。

北港河槽上段与南支接口处演变过程复杂，南支阴沙下移，沙体合并，水道消亡。南港与南支接口处大部分时期深槽畅通，时而被沙体遮挡。1958年南支主泓走北港，南港入口阴沙遍布，严重影响南支水流进入南港，南支水流从新桥水道和中央沙北水道进入北港，经中央沙北水道的水流向南横切出一条水道，10 m 深槽直逼南港，称之新崇明水道。中央沙、石头沙等相互靠近合并，崇明水道逐渐萎缩，至20 世纪70年代便已消亡。同时，由于沙体合并使南港入口深槽贯通，80年代宝山水道已形成。南支水流从新桥水道和新桥通道进入北港，至90年代中期10 m 深槽与南支贯通，水深优良。2004-2006年间新浏河沙靠近长兴岛，新桥通道淤浅，10 m 深槽被阻断。

图8 三级分汊节点横断面PQ

图9 复式河槽横断面MN

图10 二级分汊节点横断面ABC

4 结论

（1） 河口河槽演变是由于水沙变化而引起的地形地貌变化，是河口河槽开发和治理的核心问题。陈吉余等通过分析海图对19 世纪中期至20 世纪中期百年尺度的长江河口河槽演变过程进行了详细阐述。从20 世纪中期至今，长江口水沙条件变化显著，人类活动影响逐步增强，本文通过近50年海图分析探讨人类活动对河口河槽演变的影响，认为长江口南、北港河槽容积变化特征相同，整体上略有下降趋势，局部性波动明显。在流域来水来沙逐渐减少的背景下，分汊型河槽内呈现出较为完整的复式河槽形成过程。径流与潮流的相互博弈是复式河槽出现的内因，而影响径流作用与潮流作用的主要因素是南支主泓摆动和涨落潮流路分异。南、北港复式河槽的出现与科氏力关系密切，是长江口多级分汊格局形成的缩影。

（2） 南、北槽河槽容积在20 世纪80-90年代期间呈现出此消彼长的特征。随着南港主泓北摆，在相当长的时间里北槽不断冲刷，而南槽主槽处于缓慢淤积的过程，流域来沙在南岸边滩堆积促使南岸边滩不断淤长，致使南槽主槽与南港主槽之间角度增加，水流条件与地貌条件不甚协调并逐步改造地貌条件，深切南岸边滩加之涨落潮流路分异从而形成江亚南沙，巩固了分汊型河槽的分流节点。长江口二级分流节点处地貌演变复杂，总体可归纳为上游沙体下移，沙体合并，水道消亡。

（3） 近期河口河槽演变受人工设施影响显著。三峡工程自94年开工以来，以此为代表的人工设施创造了来水来沙不断减少的大环境。河口河槽向外海延伸发展受到水沙条件的制约。以北槽为主的深水航道工程束狭河槽，有助于维护航道深浚，然而丁坝产生的肤面阻力与形体阻力改变了分水分沙条件，北槽河槽容积在工程进行后明显下降与南槽逼近，南槽河槽容积则稳定发展。

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