何钰滢,戴志军*,楼亚颖,王杰
( 1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海 200241)
河口处于陆地和海洋的过渡地带,长期哺育发展的大规模浅滩是沿海都市弥足珍贵的湿地资源[1]。未出露或仅在大潮低潮时出露的河口浅滩不仅具有固碳、降解污染、调节河道演变的功能,对日益增加的风暴潮作用亦具有缓冲效应[2-3]。然而,在上游泥沙急剧减少的情境下,河口浅滩发生明显迁移变化[4-7],这引起了国内外诸多学者的关注,并着重对河口浅滩自然演变、形成机制以及沉积特征等方面进行了较深入的探讨[1,8-9]。近年来由于航道整治、兴建水库、围涂造地等一系列高强度人类活动的作用,许多大河河口浅滩地貌状态都已发生剧烈改变[10-11],部分学者则开始着重分析人类活动与自然因素耦合的浅滩过程、格局及变化趋势[12-13]。就长江口而言,在上游泥沙急剧减少以及河口水运与围垦工程等多因素的影响下,河槽浅滩大都出现不同程度的变化,如没冒沙受到水库修建与深水航道工程作用后,先前长条形较为稳定的发展状态被破坏,并在2009年后沙体逐渐消失[11,14];青草沙在水库建设后,由之前的河槽冲刷、沙洲淤积逐渐转变为幅度逐渐减弱的持续冲刷[15];受深水航道工程建设影响,江亚南沙头部窜沟发育,沙尾不断淤长下移[16]。因而,亟须开展流域高强度人类活动与长江河口工程双重胁迫作用影响的河口浅滩动力变化过程及主控要素的研究,这有利于促进对长江河口浅滩与河槽耦合机制的理解,为长江河口局部河势不定、浅滩变迁及水运维护治理提供理论与技术指导。
扁担沙作为长江口南支河段发育规模最大的河口浅滩,其演变过程直接影响新桥水道与崇明岛南沿岸滩发展、青草沙水库岸堤安全以及南支河势变化等[17]。开展扁担沙动力地貌变化过程的研究,其价值不言而喻。然而,扁担沙自形成以来一直处于动态变化中[18],鲜有研究涉及扁担沙浅滩的地貌状态、不同年份冲淤转换以及迁移机制的分析。基于此,本文以扁担沙1860年以来的历史海图为基础,着重分析在流域水沙发生变化下的扁担沙动态变迁过程,进而揭示扁担沙动力地貌变化机制。
扁担沙位于长江口一级分汊南支河段中央,上起白茆沙北水道,下至南北港分流口,全长37~40 km,以南门通道为界分为上扁担沙和下扁担沙两部分(图1)。扁担沙区域为-5 m闭合等深线覆盖的范围,而多数时期扁担沙并未出露水面,属于水下浅滩。其南侧是以落潮流为优势的南支主槽,北侧为以涨潮流为优势的新桥水道[19-20]。纵观长江河口滩涂围垦或围垦计划,除九段沙、东风西沙尚处于自然保护状态外,形如扁担上下皆细、中间较粗的扁担沙是长江口南支河槽中最大的一片仍未开发的江心浅滩。
本文收集了多幅长江口南支河段代表性的海图资料,分别为1860年、1900年、1915年、1927年、1931年、1934年、1943年、1946年、1958年、1965年、1973年以及1980年;采集了南支河段包括1958年、1984年、1992年、1997年、1998年、1999年、2001年、2003年、2007年、2008年、2009年、2013年及2016年共13年的实测水深数据;长江大通站1955-2016年连续的水文数据以及南北港分流口1963-2013年连续分水分沙比数据等。其中海图水深数据来自长江口航道管理局,大通站水文数据来自长江水利委员会,南北港分流口水沙数据来自上海河口海岸研究中心。
为较系统地分析扁担沙动力地貌演化,本文首先基于ArcGIS平台对海图资料进行数字化,将不同时期的水深数据校正到统一的北京54坐标系与理论深度基准面。随后采用Kriging插值方法构建南支扁担沙区域不同年代的DEM模型,同时勾绘研究区-2 m、-5 m等深线。本文以东风西沙和新桥水道为界,基于构建的DEM模型,量算扁担沙区域不同时期-5 m等深线包络的范围,以研究扁担沙的面积及体积变化特征。之后,在-5 m等深线包络的扁担沙区域内,进一步计算-2 m等深线包络的范围,从而分析扁担沙-2 m以浅部分的面积及体积变化规律。
长江分汊河口的地貌状态一般在上游大洪水的影响下会发生较大调整,相应地引起河口浅滩发生大冲或大淤[7,21]。因而为便于分析,本文以1860年、1954年和1998年大洪水为界,将扁担沙地貌变迁划分为1860-1954年、1954-1998年和1998-2016年3个阶段。
图1 扁担沙位置Fig. 1 The location of the Biandan Shoal
4.1.1 1860-1954年期间地貌演化格局
1860年之前,扁担沙尚未出露水面。由于1860年大洪水影响,白茆沙南、北水道汇流后主流靠南岸下泄,洪水挟带的大量泥沙在崇明岛西南岸形成中间细、两头粗类似哑铃的水下浅滩(图2a),这是扁担沙的雏形。在1861-1900年,北港-10 m等深线相应向陆延伸,崇明水道受其顶冲而退缩,泥沙在崇明水道西北侧发生迅速淤积,扁担沙浅滩扩展和淤高(图2b)。在1900-1915年期间,崇明水道基本萎缩,扁担沙浅滩-5 m等深线包络范围继续增大,且呈舌状向北港下游延伸,同时扁担沙下部出现0 m成形沙体,中部已可出露水面,整体形成长约9 km、宽约2 km的纺锤形状态(图 2c)。
图2 1860-1946年扁担沙地貌形态Fig. 2 Morphology of the Biandan Shoal from 1860 to 1946
在1915-1927年期间,扁担沙浅滩发育形成多处散乱的0 m包络沙体。同时,扁担沙沙尾发生冲刷,上扁担沙头出现淤积,整体上因冲刷纵深长度缩窄了3 km左右,其发育形成相对臃肿的纺锤形状态,但锤形指向上游方向(图2d)。之后由于1931年洪水作用,扁担沙中部被洪水切滩而形成中央水道和新桥水道,扁担沙进一步萎缩(图2e)。随后几年内,上扁担沙再次出现泥沙堆积和淤高现象,地貌形态上属于边滩沙嘴(图2f)。此外,在1934-1954年期间,老白茆沙北水道加速淤浅、南水道发展迅速,白茆沙冲刷的部分沙体在向下游迁移过程中持续沉降和淤积在扁担沙浅滩位置(图2g,图2h),最终在1958年扁担沙上、下两部分连成一体,成为分界南支主槽和新桥水道的江心沙洲(图3a)。总体而言,1860-1954年期间,扁担沙由水下阴滩成形扩大,中部出露水面,随后沙体东冲西淤形成纺锤体形态,之后再次经历冲刷-淤积形成大片扁担沙嘴,期间伴随着成形沙体出露。
4.1.2 1954-1998年期间地貌变化格局
在1954-1958年期间,扁担沙出露沙体发生冲刷,导致高出水面的沙体缩窄且呈现狭长状态,位于水下的-5 m等深线包络沙体已经基本呈扁担状在中央水道西北侧展开(图3a)。在1958-1965年期间,由于1964年大洪水,扁担沙沙尾发生侵蚀形成指状沙体,洲滩上提超过1 km(图3b)。随后受1973年洪水作用,扁担沙发生冲刷并再次沉溺于水下形成宽阔浅滩。同时,扁担沙切滩形成4~5条不等的潮汐通道(图3c)。在1973-1980年期间,扁担沙体先前的多条潮汐通道被不断扩大或填充,形成南门通道和新桥通道,且以南门通道为界,整个扁担沙被分为上、下扁担沙体(图 3d)。
显然,1954-1998年期间,扁担沙主体轴线走向、基本长度以及总体规模基本稳定,类似细长扁担状横亘在南支河段(图4)。上扁担沙-5 m等深线轮廓基本保持不变,但存在轻度侵蚀北移并形成小窜沟(图4)。下扁担沙在此阶段变动较为频繁,其中-5 m等深线向北偏,沙尾频繁上提下移。
4.1.3 1998-2016年期间地貌变化状态
图3 1958-1980年扁担沙地貌形态Fig. 3 Morphology of the Biandan Shoal from 1958 to 1980
图4 1958-2016年扁担沙-2 m与-5 m等深线形态变化状态Fig. 4 Evolution of -2 m and -5 m isobaths of the Biandan Shoal from 1958 to 2016
因1998年和1999年两次洪水影响,扁担沙-2 m等深线以浅范围显著减小,下扁担沙尾部出现窜沟切滩,形成新新桥通道和新桥沙,上扁担沙基本稳定。其中上扁担沙除沙体下部在1998-2003年间略有冲刷迁移外,整体基本保持稳定,-5 m等深线位置变化不大。下扁担沙在1998-2009年期间,持续保持稳定淤长状态,整体呈现向下游及北侧扩展趋势(图4e至图4j)。期间,位于沙尾下方的新桥沙和新新桥通道经历了“形成-发育-萎缩”的过程,最终在2009年,新桥沙与下移扁担沙主体连结,下扁担沙形成类似“爪状”沙体。随后,在2013年和2016年,“爪状”沙体的缝隙被不断充填,缝隙处于消失状态(图4k至图4l)。在2009-2016年期间,下扁担沙仍保持淤长趋势,但其主要表现在淤高滩面,而向南北两侧扩展的趋势有所停滞,-5 m等深线横向基本保持稳定,其沙尾部分仍在不断向下游伸展(图4j至图4l)。同时,沙尾不断受到水流切割,使得部分小沙体脱离沙尾,在附近形成独立的小沙包。
自1860年大洪水后,扁担沙在崇明南岸中部逐渐发育扩大(图5a),部分浅滩出露水面,在南支主槽落潮流与新桥水道涨潮流的影响下,水体漫滩切割扁担沙浅滩形成多处窜沟以及通道,在1980年以南门通道为界,分扁担沙为上、下两部分(图5b)。随后,南门通道逐渐淤积萎缩,下扁担沙沙尾被切滩形成了新新桥通道,同时小沙体脱落形成新桥沙(图5c),之后伴随着老窜沟和潮汐通道的淤积或消失,脱落沙体逐渐并滩,水流漫滩形成新的窜沟,上扁担沙基本稳定,下扁担沙淤长下移(图5d)。在现有环境动力状态下,扁担沙持续下移的过程中,新的窜沟将消失而重新出现类似图5a整体沙体,随后,整体沙体因水流持续切割将再次形成类似南门通道的河槽(图5b),从而开始继续由通道随后淤积变小,沙尾切割等的地貌循环演化模式(图5)。
考虑到扁担沙变迁频繁,为力求较好地反映扁担沙地貌冲淤过程,对覆盖扁担沙整个频繁迁移变动的区域进行冲淤分析,区域全长约41 km,总面积超过256 km2(图 6)。自 1958-2016 年期间,1992-1997 年和2003-2007年内出现大幅度淤积,淤积幅度平均可达0.23 m和0.47 m,1998年出现大幅度冲刷,冲刷厚度平均达到1.4 m,其余年份基本维持在-0.29 ~0.14 m之间摆动(图 7)。
在1958-1997年期间,扁担沙中上部出现淤积加高,下沙虽然出现过微弱冲刷情况,但总体上是处于淤积状态。1998年,扁担沙区域发生大面积冲刷,冲刷总量多达3.6亿m3,1999年则整体处于淤积状态。1999年以后,扁担沙区域处于冲淤交替状态,但总体上淤积,平均淤厚0.1 m,尤其在2003-2007年期间,扁担沙快速淤长1.2亿m3。同时,1999年以后下扁担沙尾部遭受水流切滩,小沙体脱离沙尾,形成新桥沙和新新桥通道,新新桥通道在2001-2009年期间,经历了“形成-发育-萎缩”的过程。2013-2016年,扁担沙整体年均淤长近0.36亿m3,特别是下扁担沙中下部自2009年后一直处于淤积状态,新桥沙逐渐淤积扩大直至与下移的扁担沙主体连结(图6,图7)。由此可见,扁担沙在1958-2016年期间处于淤积-冲刷-淤积等反复交替变化的过程。
图5 扁担沙演化模式Fig. 5 The geomorphologic cycle patterns of the Biandan Shoal
图6 1958-2016年扁担沙冲淤变化(单位:m)Fig. 6 Bathymetric changes of the Biandan Shoal during the different periods from 1958 to 2016 (unit: m)
图7 1958-2016年扁担沙年平均冲淤变化Fig. 7 The yearly changes in accretion/erosion of the Biandan Shoal from 1958 to 2016
图8 1958-2016年扁担沙面积变化状态Fig. 8 Yearly variations in area of the Biandan Shoal from 1958 to 2016
扁担沙自1860年前后发育形成以来,在洪水以及周边水道变迁影响下,冲刷和淤积反复交迭发生,尽管目前部分沙体已出露水面,但是大部分区域仍然是沉溺于水下。基于此,本文选择定量分析扁担沙-2 m和-5 m等深线包络范围的面积与体积变化。在1958-2016年期间,扁担沙-2 m、-5 m等深线在不断地变化移动中,相应的包络面积也有增有减,但整体上均处于增长态势(图8)。自1958-2016年,扁担沙-2 m等深线以浅浅滩面积年均增长率为0.88 km2/a。其中1958-1997年期间从20 km2迅速增长至近69 km2。相反,1998年内-2 m等深线包络面积锐减至不足25 km2,随后几年基本保持在20~25 km2波动变化,2007年迅速扩大到近75 km2,之后几年变化不大,维持在70 km2左右(图8a)。1958年扁担沙-5 m等深线包络的浅滩面积约80 km2,随后持续保持波动增长,直至2016年面积已达近130 km2,年均增长率达0.81 km2/a(图8b)。其中上扁担沙面积自1958年的17 km2增加到1992年的41 km2,随后直至2016年虽有增加趋势,但总体变化不大,基本维持31~36 km2,整体年均增长率为0.33 km2/a(图8c)。下扁担沙面积约为上扁担沙面积的2~3倍,处于频繁的变化状态,自1958-2016年,下扁担沙面积由63 km2增加到91 km2,年均增长率约 0.48 km2/a(图 8d)。
扁担沙面积变化反映了其在平面上的空间迁移状态,扁担沙体积则表征其在空间垂向上的淤积状态。受限于浅滩观测仪器,体积变化计算会有一定的误差。扁担沙-2 m等深线以浅浅滩的体积与其面积的变化趋势类似,自1958年至2016年总体上处于增长扩大状态,年均增长率达1.3×106m3/a。其中,1958年扁担沙-2 m等深线以浅的浅滩体积约1.9×107m3,随后几年略有缩小,直至1997年急剧增长到8.5×107m3。相反地,1998年体积急剧减小至1.5×107m3,之后几年内体积变化并不大。而在2007年增加到近1.3×108m3后,体积持续减小,直至 2016 年为 9.3×107m3(图 9a)。同样地,扁担沙-5 m等深线包络的体积类似其面积的变化,总体上处于增长态势,年均增长率达到5×106m3/a。期间,1958 年扁担沙体积约 1.5×108m3,随后到1984年急剧增长为2.2×108m3,直至1997年达到了3.7×108m3,体积增加至近1.5倍。而在1998年,扁担沙体积减小到2×108m3,之后几年变动不大。2007年体积急剧增大到4.4×108m3,随后虽有所减小,但目前又增加到了4.4×108m3(图9b)。在1958-1997年期间,上扁担沙体积处于迅速增长状态,由最初的 3.5×107m3快速增长至 1.5×108m3。而在1998年,上扁担沙体积急剧减小到6.9×107m3,之后持续增长,2016 年体积已达到 1.6×108m3(图 9c)。与此同时,下扁担沙体积从1958年的1.1×108m3增加到1997年的2.3×108m3,虽然1998-2003年期间下扁担沙体积减小到1.1×108m3左右,但于2007年再次出现增长,达到2.8×108m3,随后几年虽有小幅波动减小,但在 2016 年仍增长到 2.8×108m3(图 9d)。此外,值得提及的是在1997年和2007年扁担沙面积和体积监测数值都明显偏高(图8,图9)。
由于高强度人类活动改变河流系统,长江入海泥沙近年来急剧减少[22-23]。根据大通站近60年的水沙变化(图10),三峡大坝2003年开始调蓄运行之后,长江洪季入海流量有所下降,枯季入海流量相应增加,入海泥沙则出现急剧减少,由先前年均近5亿t锐减到目前年均1.5亿t,减少了近70%。
由扁担沙-5 m等深线以浅年均体积变化与大通站年均流量和输沙量之间的关系表明(图11),相较于大通站年均输沙量,扁担沙体积变化与其年均流量之间的关联更为密切,即径流量增大,扁担沙体积有所减小,反之则增大(图11a)。这在扁担沙长期地貌演变上有明显反映,如经历1931年、1969年、1973年,以及1998年洪水,扁担沙被切滩形成窜沟或汊道,导致扁担沙整体冲刷而体积减小。以1998年为例,由于长江中下游强降雨,大通站年均流量已超过3.9×104m3/s,明显高于其他年份,其中7月和8月的月均径流量超过了7×104m3/s,1998年长江口各汊道分流分沙比发生较大调整,进入南支流量增加,水动力增强,扁担沙沙尾出现切割形成多处窜沟,持续发育形成了新新桥通道和新桥沙,扁担沙整体因冲刷而体积大幅减小。
此外,长江年均入海泥沙量与扁担沙年均体积变化没有必然联系(图11b)。即使长江入海泥沙急剧减少,但扁担沙并没有出现相应侵蚀。近60年来,在长江入海泥沙量锐减70%的情境下(图10),扁担沙的体积整体上仍以5×106m3/a的速率在逐渐增长(图9b)。在1999-2003年期间,入海泥沙量年均减少近1.1亿t,扁担沙体积年均减小0.04亿m3,而2003-2007年期间,入海泥沙量持续减少,扁担沙大面积发生淤积,体积年均增加0.61亿m3。因此,扁担沙体积的变化并非直接受控于长江入海泥沙的增减。
图9 1958-2016年扁担沙体积变化状态Fig. 9 Yearly variations in volume of the Biandan Shoal from 1958 to 2016
图10 大通站年均流量和输沙量变化Fig. 10 Yearly water and sediment discharges at the Datong Station
图11 扁担沙年均体积变化与大通站年均流量、输沙量的关系Fig. 11 Relations between yearly volume changes of the Biandan Shoal and yearly water and sediment discharges at the Datong Station
白茆沙河段是南支上段典型的江心洲河型,上起徐六泾下至七丫口,全长约35 km,由白茆沙分为南、北两个水道,两股水流在七丫口汇流后进入南支主槽[21,24-25]。长江入海泥沙进入南支首先分走白茆沙南、北水道,其中部分泥沙因处于南、北支口缓流区而沉降于白茆沙。白茆沙冲刷或水流切滩脱落的沙体以及经白茆沙南、北水道输送的入海泥沙是扁担沙的主要泥沙来源之一。同时,在洪季一个潮周期内,新桥水道的涨潮流速大于南支的涨潮流速,而新桥水道的落潮流速小于南支的落潮流速[26]。那么,类如1934年、1954年大洪水作用下,白茆沙冲刷的沙体在向下游输运过程中受到南支与新桥水道之间涨落潮比降差异影响,被横向输运并沉降于扁担沙浅滩位置,使得扁担沙淤长扩展。
根据选取的白茆沙上段S1、中段S2两个断面变化表明(图1,图12),白茆沙北水道过水能力逐渐减弱,水道趋于萎缩,南水道过流能力持续增强,水道快速发展,近期南水道分流比占70%左右[27],这种“南强北弱”的河势发展,易引起扁担沙向北偏移。1954年因洪水作用诱发白茆沙北水道淤浅,南水道迅速发展,白茆沙冲刷下移导致东风西沙淤涨并出露水面,为上扁担沙的淤涨扩大提供了有利条件。1980年后,白茆沙北水道继续萎缩,南水道过水能力持续增强,其主流在七丫口挑流后向北偏移,使得扁担沙上冲下淤,上扁担沙南侧易形成窜沟。加之,在科氏力作用下涨潮流偏向北岸,新桥水道北边坡(靠近崇明一侧)坡度明显大于南边坡的坡度[26,28],导致扁担沙整体向崇明岛推进发展(图4)。
扁担沙的发育变迁一方面是由于长期的自然演变,另一方面也是受到高强度的人类活动影响,局部工程的实施在一定程度上将通过影响河势变化而对扁担沙冲淤变化造成影响。覆盖扁担沙区域的河口工程主要包括南北港分流口工程和东风西沙水库工程。
南北港分流口工程包括2006-2009年相继实施并完工的中央沙圈围工程、新浏河沙护滩工程和南沙头通道(下端)潜坝限流工程等[29]。工程实施后,改善了南北港剧烈的滩槽变化,南北港的分流点基本稳定在新浏河沙沙头[30],同时分流分沙比也逐渐趋于稳定,近期南北港分流分沙比均维持在50%左右,上下波动不超过10%(图13a,图13b)。工程建设导致新桥通道南侧较为稳定,2009年后北港分流比增加(图13a),进入新桥通道的流量增加,泄流通畅,使得扁担沙在淤长下移过程中(图13c),沙尾易被水流切滩形成多处窜沟,甚至部分沙体脱落,引起沙体切割上提(图 4k)。
图12 白茆沙上段和中段的断面图Fig. 12 Bathymetric changes along the Section S1 and Section S2
图13 南北港分流口分流、分沙比和沙尾年均移动距离Fig. 13 The water and sediment discharge ratios in the South Channel and North Channel
同时,东风西沙水库的建设对扁担沙变迁也造成了一定影响。水库修建于崇明岛西南角,扁担沙上部的庙港附近河段,总有效库容达到890万m3,总面积约为3.88万m2,于2011年开始动工,2014年正式开始蓄水投入使用[31-32]。东风西沙水库的实施对扁担沙的影响主要包括:(1)水库构建后拦截了原本由东风西沙北侧汊道进入新桥水道的水体,这就可能导致新桥水道河槽出现淤积,加速上扁担沙向北偏转;(2)同时,水库构建后导致东风西沙漫滩水沙在淤高东风西沙的同时会进一步淤浅东风西沙和上扁担沙之间的窜沟,那么在落潮漫滩水流影响下将引起扁担沙出现淤高现象,在2009年、2014年、2017年的遥感影像上可以明显看到上扁担沙头部已经出现淤高及窜沟趋于消失(图 14)。
图14 东风西沙水库构建前后的遥感影像对比Fig. 14 Remote sensing images that show the projects of the Dongfengxisha Reservoir
基于最近150多年的历史海图资料与长期实测地形数据,分析长江口扁担沙浅滩的冲淤变化与地貌演变特征,得出以下结论:
(1)以长江发生大洪水年份为界,扁担沙地貌变迁可分为1860-1954年、1954-1998年以及1998-2016年3个阶段。其中1860-1954年期间,扁担沙由最初的水下阴滩成形扩大,中部出露水面,东冲西淤形成纺锤体形态;1954-1998年,扁担沙因冲刷被切滩形成多条潮汐通道,之后不断扩大或填充,最终以南门通道为界分为上、下两部分,其整体形态基本稳定即类似扁担状横亘在南支河段;1998-2016年,其-5 m等深线持续向北迁移,伴随着新新桥通道和新桥沙的“形成-发育-萎缩”,下扁担沙沙尾形成类似“爪状”沙体,随后不断淤长下移,“爪状”沙体缝隙被不断填充。
(2)1958-2016期间,扁担沙-2 m、-5 m等深线包络的面积与体积整体上均呈现增长态势,其中面积年均增长率分别为0.88 km2/a和0.81 km2/a,体积年均增长率分别为1.3×106m3/a和5×106m3/a。扁担沙浅滩在不同时期冲淤变化不同,1997年和2007年出现大幅度淤积,淤积厚度分别可达平均0.23 m和0.47 m,1998年出现平均约1.4 m的大幅度冲刷,其余年份基本维持在小幅冲淤波动变化状态。
(3)扁担沙体积变化并非直接受控于长江入海泥沙的增减,但与入海径流量的变化密切相关,径流量增大,体积减小,反之则增大;白茆沙“南强北弱”的河势现状引起扁担沙向北偏移,南侧易被冲刷形成窜沟;此外,南北港分流口工程引起新桥通道流量增加,造成扁担沙沙尾切割上提,以及东风西沙水库的建设拦截了原本进入新桥水道的水体,就可能导致新桥水道河槽出现淤积,加速扁担沙向北偏移。