近百余年来长江口南支水下地形演变特征分析

梁 鑫 鑫，王 磊3，王 军

(1.华东师范大学 地理科学学院，上海 200241； 2.华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241； 3.路易斯安那州立大学 地理与人类学系，美国 70803)

长江口是我国最大的河口，它濒江临海，集“黄金海岸”与“黄金水道”的区位优势于一体，具有优越的环境和地理条件。在径流和潮流的双重作用下，长江口自徐六泾以下形成三级分汊、四口入海的格局。在徐六泾以下由崇明岛分隔成南支和北支，南支在吴淞口以下被中央沙、长兴岛、横沙岛等浅滩和岛屿分隔为南港和北港，南港在九段以下又被九段沙分隔成南槽和北槽[1-3]，其中南支河段是长江口变化最不稳定的区段。南支河段整体较为宽阔，沙嘴、沙洲和阴沙的发育把整个南支河段塑造成一个复式河槽，但这些沙体稳定性差，当主流摆动、沙洲受冲时，大量底沙的冲刷推移，常常造成分流通道淤积[4-5]。近百年来，南支河段在自然和人类活动的共同塑造与控制下处于剧烈变化的过程，沙洲遍布，而作为长江口的主要航道，冲淤变化和变动特征及沙洲的发育与变迁对南、北港及南、北槽的发展变化有决定性影响[6-7]，严重制约着港口建设和航运等工程。因此，开展人类活动和自然条件变化影响下的长江口南支河段水下地形演化过程研究，不仅是上海国际航运的迫切要求，更是当今学术界关于河口海岸学科研究的前沿和热点。

随着南北岸的开发利用、长江口深水航道向上延伸和青草沙水库等一系列涉水工程的建设实施，作为长江主航道的南支的冲淤演变成为国内外专家学者非常关心的问题，相关研究成果较多，自然过程和人为活动对河流入海泥沙变化及区域冲淤演变的影响始终是研究的焦点。例如，L.S.Yang等基于历史海图数据重点分析了九段沙长时间序列演化过程[8]。楼飞等以历年地形和水沙资料为基础，分析了水沙变化及周边工程对南支河势演变进程的影响[9]。Z.Dai等基于水动力资料和13 a实测地形数据，采用EOF分析方法，分析得到北槽的两种主要动力地貌演变模式及其主控因素[6]。S.Wu等通过长江口南、北港2002～2013年的DEM和大通站水文实测资料，探究了长江口的地形演变、人类活动的影响机制以及潜在的海水入侵问题[10]。W.Wei等基于1998～2013年实测地形数据和遥感影像资料，探讨了河口沙洲在拦河筑坝、河口水利工程和围垦工程等多种人工干预共同影响下的演变机制[11]。这些研究对认识长江口各分区的演变规律、演化趋势及受控因素具有重要意义，但由于长江口尺度巨大、监测数据有限以及水沙变化与水下地形演变复杂，已有关于南支的研究多局限在部分沙洲、南槽、北槽等局部区域和短时间尺度内的地形演变与受控因素分析，或较为宏观的河势变化分析方面，缺少较长时间尺度(百余年时间尺度)的对整个南支河道总体演变过程的全面认识。

本文在已有研究基础上，以长江口南支为研究区，利用1861，1915，1936，1958，1976年的历史海图数据及1997，2013年的高精度实测地形数据，分析1861～2013近百余年来南支河段的冲淤演变过程，并从自然演变和人为活动干预的角度探讨研究区水下地形的发育演变与各影响要素间的关系。

1 研究区概况

长江口径流量大、潮流强，在这两股强劲动力的相互作用下，河道呈有规律的多级分汊。南支河段位于长江口南岸与崇明岛之间，上起徐六泾，下至出海口，是长江口第一级分汊河段的主干道，承接着长江98%以上的下泄流量[12]。根据大通站1950～2016年的水文统计资料，大通站年输沙量呈现波动下降的趋势，1980年以来下降趋势尤为明显，三峡工程建成后，长江来沙进一步大幅减少，目前基本维持在1.3亿t左右，其中2011年的年输沙量仅为0.72亿t，为1953年以来的最小值(见图1)。相对而言，大通站年径流量虽年际间波动较大，但没有明显变化趋势，1950～2016年平均年径流量约8 938亿m3，上游径流量较为稳定，1954年和1998年因为长江特大洪水而处于高值。

本文的研究范围上起南支上段七丫口附近，经南北港分流口河段、南北槽，下至出海口。为研究水下地形冲淤演变的空间差异特征，根据长江口三级分汊特征将研究区分为7个子研究区(见图2)，分别为南支上段、长江北港、长江南港、崇明浅滩、横沙东滩、九段沙、浦东东滩。

2 数据与方法

文中1861，1915，1936，1958，1976年的水下地形数据由配准并数字化历史海图得到，1997，2013年的高精度实测地形数据来自长江口水文水资源勘测局，长江口大通站1950～2016年泥沙、径流数据从水利部长江水利委员会发布的《长江泥沙公报》中获得。数据统一采用墨卡托投影和1954年北京坐标系，统一基准面为理论最低潮面。以ArcGIS软件为支撑，对比后采用插值效果最好的经验贝叶斯克里金插值方法，利用3D Analyst Tools和Spatial Analyst Tools等模块对地形数据等进行处理分析。考虑长江口南岸和崇明南岸岸线1861～2013年整体呈现外推的变化特征，为方便对比研究，研究中统一采用2013年的岸线为边界。

图1 大通站年径流量与年输沙量变化Fig.1 Annual runoff and sediment load of Datong Station

图2 研究区示意Fig.2 Sketch of study area

3 研究结果

3.1 整体冲淤变化分析

通过GIS构建长江口南支水下地形数字高程模型，对1861～1915，1915～1936，1936～1958，1958～1976，1976～1997，1997～2013年和1861～2013年7个时段的冲淤特征数据进行统计(见表1)，并绘制相应时段的冲淤变化分布图(见图3)，以分析其冲淤变化特征。

表1 长江口南支冲淤特征统计Tab.1 Statistics of erosion-deposition characteristics of the South Branch

注：负值表示冲刷，正值表示淤积。

图3 南支不同时段冲淤变化分布(单位：m)Fig.3 Erosion-deposition patterns of the South Branch from 1861 to 2013

1861～2013年长江口南支整体略以冲刷为主，年均净冲刷速率为0.22 cm/a。冲刷区主要位于南支主河道南、北港和南、北槽，淤积区主要位于崇明东滩、横沙浅滩、九段沙、浦东东滩和青草沙水库周围。虽然1861～2013年南支整体表现为略微冲刷，但其间各阶段呈现不同的冲淤变化特征。

(1) 1861～1915年，长江口南支淤积面积略大于冲刷面积。在河道中涨落潮流路之间的缓流区，中央沙、石头沙、鸭窝沙、园园沙等沙体成片发展，其中扁担沙、中央沙、铜沙浅滩等沙体周围淤积比较明显，冲刷区主要位于南岸主槽、北岸下段。1915～1936年，长江口由1861～1915年的淤积状态转为冲刷状态。南支上段近南岸一侧及北港一侧水道淤积明显，南港冲刷较为明显。期间，1931,1935年的2次洪水过程影响较大，洪水冲刷白茆沙并从白茆沙南水道直泄南港[13-14]，使南港水道增深，长江口通海航道由北港改走南港，石头沙沙头受冲而下移。

(2) 1936～1958年，长江口南支基本处于冲淤稳定的状态，冲刷量与淤积量相当。冲刷区与淤积区呈条状分布，吴淞口呈现严重淤积态势，主要是因为期间长江多次发生大洪水(1949年和1954年)，冲刷白茆沙而下的泥沙沿南支下泄，在南北港分流口处堆积。同时，1954年长江特大洪水使区域水动力增强，铜沙浅滩被冲开[15]，九段沙与之分离而初露分流沙洲的形态，北槽形成，南、北槽分汊格局正式形成。

(3) 1958～1976年，长江口南支淤积强度增大，淤积区主要位于南支河道中心扁担沙、九段沙等成形沙体周围、石头沙沙头、浦东东滩以及南港河槽；宝山水道及北港呈现冲刷态势。扁担沙已经不再与崇明岛相连，南、北港之间的沙岛连围形成长兴岛，现代南、北港的分汊格局正式形成。1976～1997年，南支继续淤积，但淤积速率减缓，其中崇明东滩、横沙浅滩、九段沙淤积明显，长兴岛前缘附近的淤积也较为显著。

(4) 1997～2013年，南支由1936～1997年的淤积为主转为冲刷。冲刷区主要位于河道主槽；淤积区主要位于河道中心沙体周围、北港口门处以及北槽深水航道导堤两侧，其中北侧坝田淤积量大于南侧。这段时间内，长江流域建坝和水土保持工程及长江口深水航道和促淤围垦等一系列工程建设对南支演变影响巨大。上游来沙大幅减少及水流的携沙能力下降使南支由原来的淤积状态转变为冲刷过程；四大滩地的淤积主要是受相应促淤工程的影响；北槽的冲淤变化主要是由于双导堤和丁坝群的建设改变了其流场形态，导堤丁坝的屏蔽使坝田水动力减弱，有利于泥沙落淤[16]，故丁坝坝田区淤积。

3.2 冲淤变化的时空差异性分析

分别对7个子研究区7个时段内的冲淤演变情况进行统计分析，结果显示南支水下地形的冲淤演变存在明显的时空分异特征。

从表2和图4中各子研究区的冲淤变化特征统计数据可看出，1861～2013年间，长江口南支7个分区中只有第4，6分区处于淤积状态，其他5个分区均处于冲刷状态，年均冲刷速率依次为第2分区>第3分区>第1分区，第5，7分区基本处于冲淤稳定状态。

(1) 1861～1915年间，第1，3分区处于冲刷状态，南港冲刷明显；其他5个分区中，第6分区的淤积状态相对明显。

(2) 1915～1936年间，除第2，4分区外，其余5个分区均处于冲刷状态。第3分区的年均冲刷速率最大，第2分区的年均淤积速率最大，表明这一时段内北港开始淤浅，南港河道和南支上段不断冲蚀加深，通海航道因此改走南港。

(3) 1936～1958年间，第1，3分区转为淤积状态，第4分区继续保持淤积状态。这表明崇明东滩在1862～1958年处于不断淤积的过程，主要得益于北岸沙体的不断并岸；其他分区均发生冲刷，第2分区由1915～1936年的淤积转为冲刷。

(4) 1958～1976年间，第1，2，6，7分区处于淤积状态，其中第6，7分区的年均淤积速率较大，说明九段沙自1954年沙洲成形后淤涨明显，浦东东滩也处于淤涨态势；其他3个分区基本处于稳定状态，冲淤变化量不大。

(5) 1976～1997年间，第1，2，7分区呈现冲刷态势，第2分区的年均冲刷速率最大，南支上段由1936～1976年的淤积状态又转为冲刷状态；其他分区均呈现不同程度的淤积状态，其中第6分区的淤积最为明显，年均淤积深度是上一时段的1.37倍。

(6) 1997～2013年间，第1，2分区仍处于冲刷状态，第2，3分区的冲刷态势较强，第4，6分区仍保持淤积状态，但第6分区的淤积速率减慢，仅为1976～1997时段的4.08%，主要是因为这一时段内长江流域建坝和“长治工程”使长江来沙大幅减少，同时深水航道等工程建设加大了北港和南港的冲刷强度。

总体而言，南支河道的演变受到以径流和潮流为主的水动力因素及人类活动的影响，主槽摆动频繁，各个分区冲淤变化的时空差异性显著，除第4分区淤涨不断外，其他分区均发生了一系列动态变化。第1，2，3分区虽冲淤变化不定，但整体表现为冲刷状态。第6，7分区均在1915～1958时段呈冲刷态势，其余时段保持持续淤积或稳定状态。

表2 长江口南支各子研究区冲淤特征统计Tab.2 Districts statistics of erosion-deposition characteristics in the South Branch cm/a

注：负值表示冲刷，正值表示淤积

图4 长江口南支各子研究区不同时段冲淤变化量Fig.4 Districts erosion-deposition variation in different periods in the South Branch

3.3 南支典型断面冲淤变化分析

为了深入分析长江口南支的冲淤演变过程，在七丫口(A1)、浏河口(A2)、吴淞口(B1)、东旺角(B2)由南向北设置4个平行断面，在横沙东滩(C1、C2)和九段沙(D1、D2)分别由西向东设置2个平行断面。

(1) 南支上段。从断面处地形的沿程变化看，南支上段的冲淤演化较为复杂多变。断面A1在1861～2013年间形态变化剧烈，最终趋于平稳成W型断面(见图5)，与1861年相比，2013年断面A1的整体变化为：深槽向南岸蚀低，主槽宽度增加，-5 m水下沙洲淤高且面积扩大。期间，近岸深槽和水下沙洲处在左右偏移、淤高-蚀低的往复动态变化过程中。南岸深槽在距起点2 km范围内摆动，最大水深(33.84 m)出现在1997年。断面A2为W型断面，整体形态变化不大(见图5)，在南岸和北岸附近分别有深度在13.76～19.45 m、7.61～13.31 m范围内波动的沟槽，南为南支主槽，北为新桥水道。近南岸主槽在1958年被冲刷至-17.5 m，1976年出现较大幅度回淤，之后继续下切，2013年底部稍有回淤，总体上呈现冲刷且展宽加深的变化状态。距起点10 km左右沙洲(扁担沙)的冲淤变化较大，受南支主流北偏影响[17]，1915年沙体受冲被切，扁担沙南沿变化剧烈，左右摆动，最终于1997年与北岸扁担沙主体合二为一。

(2) 南北港。从2个断面的沿程变化来看，1861～2013年，南北港经历了一系列主次更替过程(见图5)。2个断面处南港的变化趋势较为一致，1861～1936年整体以冲刷为主，展宽加深并略向南岸摆动，1936～2013年，南港经历了回淤-冲刷-回淤的动态变化过程。北港2个断面处的变化存在一定差异，在断面B1处的变化过程为：1861～1936年回淤且向北岸偏移，1936～2013年转为冲刷状态，整体向离岸方向偏移。北港在断面B2处的变化情况较为复杂，摆动频繁：1861～1936年处于冲刷状态，深槽加深，逐步转为V型，1936～1976年转为淤积状态，1976～2013年又回到冲刷状态，向离岸方向偏移，2013年北港水下沙洲在靠近北岸侧发生明显淤高。

(3) 横沙东滩。从2个断面处地形的沿程变化来看，断面C1总体主要以淤积为主，-2 m等深线以浅区域的面积不断增大，局部受到冲刷(2013年由于导堤建成，断面前段无测量数据)。1861～1915年，在离岸20 km处出现近-8 m的沟槽(见图5)，随后逐渐回淤变浅。1997年，距起点20 km范围内的地形呈锯齿状变化，主要与横沙岛周围导堤及深水航道的建设有关[18]。断面C2冲淤变化剧烈，但在距起点5～25 km范围内呈现明显淤积，尤其以2013年最为明显，是因为这部分主要集中在深水航道的丁坝两侧，淤积明显。

(4) 九段沙。从断面处地形的沿程变化可以看出1861～2013年九段沙处于不断淤高扩宽、总体淤涨下延的过程。断面D1首尾穿过北槽上端和下端，1861～1936年，断面D1前段即九段沙前缘与横沙相连，受1954年长江特大洪水的冲刷作用，沙体与横沙之间形成串沟[19]；1958～2013年，在南北槽水流相互作用下，大量泥沙在九段沙缓流区淤积，使九段沙持续淤涨扩大。断面D2贯穿了江亚南沙、九段沙的上沙、中沙、下沙和北槽下端，1861～1976年，九段沙不断淤涨，-5 m等深线所包围沙体面积不断扩大且东西偏移；1976年以后，九段沙的位置基本固定，距起点10 km和15 km左右的槽沟，分别是江亚南沙和九段沙之间的水道及九段沙上沙与中沙之间的潮汐通道；1976～2013年，九段沙保持位置基本不变并持续淤涨，江亚南沙淤涨明显，九段沙上沙和中沙间的潮汐通道也处于淤浅态势，主要是北槽深水航道南导堤工程改变了九段沙自然冲淤模式[20-21]，加快淤积。

图5 长江口南支典型断面冲淤特征Fig.5 Erosion-deposition characteristics of cross sections in South Branch

4 讨 论

4.1 洪水过程的影响

在长江口南支的发育演变过程中，径流(特别是洪水)和潮流为主的动力因素对南支河道河槽和沙体的发育演变起着重要作用。1861～2013年，长江流域主要在1931，1954，1998年发生了3次典型的流域型特大洪水过程。洪水期，长江口来水量巨大，水动力增强，常引起河床强烈的冲淤变化。例如，1931年洪水过程改变了南、北港的冲淤状态，南港水道增深而发展为南支主泓；1954年的特大洪水冲开铜沙浅滩，北槽形成，九段沙正式成为独立的分流沙洲。

4.2 冲淤演变对长江来沙减少的响应

1950～2013年大通站年径流量虽年际间波动较大，但没有明显变化趋势，年平均径流量约8 910亿m3，上游径流量较为稳定，说明总体上径流的携沙能力保持不变。但1980年以后，大通站年输沙量却呈明显的下降趋势(见图1)，说明大通站输沙量减少主要受长江来沙减少的影响。

1960年开始，受长江中上游地区砍伐森林、开荒种地的影响，长江输沙量显著增加，相应时段内长江口南支淤积程度加大；1958～1976年大通站年均输沙量为4.75亿t，南支年均净淤积速率为1.72 cm/a，1976～1997年研究区的淤积速率(1.67 cm/a)随着长江大通站输沙量(3.95亿t)的减少而减少；1997～2013年，随着大通站输沙量的大幅减少(2.03亿t)，研究区整体表现为冲刷状态，年均净冲刷速率为0.76 cm/a。由此可见，长江口南支年均净冲淤速率与大通站输沙量之间存在正相关关系，长江流域来沙制约着南支河段的冲淤变化。

长江口来沙量减少反映出流域来沙量的减少，与上游修坝建库、水土保持工程、人工采砂等因素有关。在长江来沙减少的大背景下，受金沙江溪洛渡水电站工程、向家坝水电站工程、南水北调工程和水土保持重点防治工程等的进一步影响，长江入海泥沙将进一步减少，很可能加速南支的冲刷态势，值得持续关注。

4.3 人类活动的影响

人类活动的干预严重影响了河口地区的自然演化过程，对南支河道的发展演变起到了重要作用。除影响上游来沙外，人类活动的影响还体现在河口区的一系列工程建设，例如深水航道工程、四大滩地促淤围垦工程等，主要集中在1997～2013年这一时段。期间，南支口内河槽、沙体的冲淤演变均受这些大型工程建设实施的影响。例如，四大滩地的淤积主要是受相应促淤工程的影响；北槽的冲淤变化主要是由于双导堤和丁坝群的建设改变了其流场形态，引起丁坝坝田区淤积；江亚南沙淤涨明显，九段沙上沙和中沙间的潮汐通道也处于淤浅态势，主要是深水航道南导堤工程改变了九段沙自然冲淤模式，加快淤积。人类活动的影响具有高度的不确定性，未来，长江口南支的局部形态演变很可能会变得越来越复杂。

综上，1861～2013年，在自然演变和人为活动共同作用下，南支河段经历了一系列复杂的演变过程。1861～1958年，南支的冲淤变化主要以自然演变过程为主，受地质构造运动、地貌形态、河口动力条件等多种因素的综合影响[22-24]；1958～2013年，南支河段在自然演化的基础上受到人类活动的严重干扰，包括上游流域人类活动、河口工程等，大大削弱了自然驱动力对河道塑造的主导作用。

需要说明的是，长江河口演变主要由流域来水来沙变化和潮汐作用共同影响，本文重点探讨了特大洪水、径流输沙、人类活动等因素对研究区水下地形演变的影响，未从潮汐理论的角度深入考虑潮汐作用的影响并进行各影响要素的定量分析，这是未来研究的重要方向。

5 结 论

(1) 长江口南支在1861～2013年间整体冲刷大于淤积，年均净冲刷速率为0.22 cm/a。期间，可分为淤积-冲刷-淤积-冲刷4个变化阶段。7个子研究区冲淤变化的时空差异性显著，只有崇明浅滩淤涨不断；南支上段、长江北港和南港虽冲淤变化不定，但整体表现为冲刷状态；九段沙和浦东东滩均在1915～1958年时段出现冲刷态势，其余时段保持持续淤积或稳定状态。

(2) 8个典型断面的冲淤特征更为深入地体现出南支在1861～2013年的发育演变过程：南支上段的冲淤变化较为复杂多变，河段内沙洲、沟槽摆动频繁；南北港经历了一系列主次更替的变化过程；横沙东滩的发展演变较为复杂，呈现上段冲淤变化不定、中段先冲后淤、下段相对稳定的特点；九段沙自成为独立分流沙洲后，不断淤高扩宽，总体呈淤涨下延的趋势。

(3) 长江口南支的演变是自然演变和人类活动共同作用的结果，1861～1958年，南支河段的发展变化主要以自然演变过程为主，洪水过程对河槽和沙体的改造作用显著；1958～2013年，流域人类活动引起的长江来沙减少及口内工程建设对南支冲淤演变的影响显著。在长江来沙减少的大背景下，流域及口内工程建设将导致南支河段的演变更加复杂。