1959—2019年杭州湾南岸滩涂演变规律及机制

胡成飞,潘存鸿,吴修广,唐子文,郑 君

(1．浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；2．浙江省河口海岸重点实验室,浙江 杭州 310020)

滩涂是河口海岸环境重要的地貌单元,也是海陆物质交换的中间地带,具有丰富的底质类型、复杂的水动力条件与多样的生物资源,在水产养殖、围垦造地、生态维持、防灾减灾和滨海旅游等方面具有重要的经济社会价值[1- 2]。滩涂形态演变规律是滩涂资源保护及合理开发的主要科学依据,亦是河口海岸适应性管理的重要技术支撑。

国外对淤泥质潮滩演变的研究较早,在20世纪50年代Postma[3]就基于水文泥沙现场观测提出了著名的潮间带湿地发育的“沉积滞后”和“冲刷滞后”理论；Roberts等[4]、Pritchard等[5]建立了一维潮滩动力地貌模型,研究了潮差、波浪以及沉积物供给对潮滩演变的影响；van der Wegen等[6]研究了海平面上升对滩涂的影响。国内研究始于20世纪80年代,朱大奎和许廷官[7]通过对江苏中部粉砂淤泥质潮滩的研究提出了潮滩淤涨的“横向沉积”和“纵向沉积”模式,认为低潮位至水下斜坡下部波浪作用范围内是推移质沉积向海推移形成的“横向沉积”,而在此基础上使潮滩增高至大潮位的是悬移质沉积形成的“纵向沉积”；贺松林[8]阐述了潮流作用下的潮滩S型剖面的形成机理,提出了发育完全的淤积性潮滩的地貌分带；龚政等[2,9- 11]基于江苏中部沿海潮滩现场实测资料,结合数值模型,研究了潮滩双凸型剖面的形态分布、演变规律和形成机理,并探讨了风暴潮和植被对潮滩剖面演变的影响。

杭州湾南岸余姚至镇海岸段分布着大片滩涂,2017年该区域理论深度0 m以上滩涂资源面积约300 km2。已有学者对杭州湾南岸滩涂开展大量研究,李炎和谢钦春[12]、李炎等[13]研究了杭州湾南岸庵东浅滩长周期、多年周期和年周期的演变规律,并依据地形对比和210Pb推算,得出杭州湾南岸庵东浅滩垂向沉积带沉积速率为2～5 cm/a。王珊珊和韩曾萃[14]基于多年实测资料探讨了2000—2010年人工促淤条件下庵东浅滩的滩、剖面发育过程及特征,提出庵东浅滩具有典型的横向沉积而非单纯向上淤高的特征。潘冬子等[15]在现场调研和资料分析的基础上,采用动床模型比尺试验,研究了杭州湾南岸庵东浅滩弧顶断面二维形态的演进过程。总体上,前人对杭州湾南岸滩涂的研究或集中于庵东弧顶局部范围,或聚焦于十余年时间尺度上的人类活动影响,对于长系列时间尺度上的滩涂剖面形态演变的时空分布规律及其动力机制和影响因素的研究相对较少。

本研究基于1959—2019年水文地形监测资料,分析杭州湾南岸滩涂分布、冲淤和剖面形态变化,探讨杭州湾南岸滩涂发育的动力机制以及水沙变化和促淤围涂工程对滩涂演变的影响。

1 研究区域

杭州湾一般是指钱塘江河口澉浦断面至湾口南汇嘴—镇海口断面之间的水域(图1),面积约5 500 km2[16]。钱塘江多年平均流量约952 m3/s,存在着连续丰水年和连续枯水年相交替的水文周期变化[17]。杭州湾是中国著名的强潮河口,湾口南岸镇海口站多年平均潮差为2.02 m；自湾口向湾顶,高潮位逐渐抬升,低潮位逐渐下降,潮差逐渐增大,乍浦和澉浦站多年平均潮差分别为5.00 m和5.85 m[16]。杭州湾水域潮流强,自湾口至湾顶,潮流逐渐加强,南岸镇海—余姚近岸海域实测垂线平均最大潮流速约为1.0～4.0 m/s。杭州湾波浪作用较弱,自湾口向湾顶波高逐渐减小,年平均波高为0.2～0.5 m[18]。杭州湾南岸滩涂底质以粉砂和黏土质粉砂为主,中值粒径约0.013～0.056 mm。海域悬沙质量浓度较高,其中庵东浅滩水域垂线平均最大含沙量可达10.0 kg/m3以上。

钱塘江河口从20世纪60年代以来进行了大规模的治江缩窄,至2017年底,在钱塘江河口(含杭州湾)的浙江水域共围涂约1 305 km2[16]。杭州湾南岸滩涂是钱塘江河口治江围涂工程最活跃的区域之一,1959—2019年余姚、慈溪和镇海三市(区)累计围涂面积约527 km2,岸线外推幅度约2.5～10.5 km。此外,慈溪岸线修筑了数条长约1 200～3 500 m的丁坝,其中海黄山闸北侧丁坝建成于2018年,杭州湾跨海大桥东侧两条丁坝建成于2017年,其余丁坝建成于2012—2014年(图1)。

图1 区域位置、岸线变迁及断面布置

2 资料与方法

(1) 地形资料。杭州湾澉浦至金山海域自20世纪70年代以来每年均有2次(4月和11月)1:50 000地形测图。覆盖南汇嘴—镇海口断面以上的杭州湾地形测图主要有1959年、2003年、2010年、2014年和2019年,其中1959年地形精度为1:10 000,其余均为1:50 000测图。此外,杭州湾南岸滩涂局部还有2017年1:10 000测图。以上地形资料均来自浙江省河海测绘院。

(2) 水沙资料。富春江电站1969—2019年逐月径流量资料(来源:浙江省水文管理中心)；杭州湾澉浦、乍浦、镇海等潮位站1959—2019年潮位资料(来源:浙江省水文管理中心)；杭州湾1983年、2000年、2014年和2017年等数次潮流和泥沙观测资料(来源:浙江省河海测绘院)。

(3) 研究方法。将历次测图统一至1985国家高程基准面后,采用Kriging插值法建立不同时期杭州湾南岸滩涂的数字高程模型(DEM)。在余姚西三闸至甬江镇海口之间布置8条断面,如图1所示,其中1#至3#断面位于庵东浅滩,4#至6#断面位于慈东边滩,7#和8#断面位于镇海边滩。通过不同年份滩涂分布、冲淤变化和典型剖面形态变化等分析对比,研究杭州湾南岸滩涂的冲淤时空分布规律。在此基础上,结合海域水动力、含沙量的分布和变化,以及促淤围涂进程,探讨近60 a杭州湾南岸滩涂在水沙变化和人类活动影响下的演变机制。

3 结果及分析

3.1 滩涂平面分布及变化

近60 a来,杭州湾南岸滩涂平面形态基本均呈弧形分布,杭州湾大桥附近的庵东滩面最宽,向东西两侧宽度逐渐减小。2019年庵东浅滩-5 m以上滩涂宽度可达9 000 m,其中0 m以上滩涂宽度可达4 000 m；向东至泥螺山围涂外侧-5 m以上滩涂宽度最短仅约300 m(图2)。庵东浅滩是杭州湾南岸滩涂弧形分布的顶点,多年来庵东浅滩中部弧顶曲率经历了“大—小—大”的周期变化,1959和2019年弧顶曲率较大,2003、2010和2014年曲率相对较小,与庵东浅滩“凸弧状—平直状—凸弧状”的长周期形态变化基本一致[12]。

图2 1959—2019年杭州湾南岸滩涂面貌

从滩涂面积来看,1959年杭州湾南岸0 m以上滩涂面积约144.06 km2;1959—2003年0 m以上滩涂面积有所增长,达173.18 km2;此后至2014年,0 m以上滩涂面积持续减小,累计减小了48.69 km2;2014年以来0 m以上滩涂面积增加,至2019年杭州湾南岸0 m以上滩涂资源面积约160.81 km2(表1)。2003—2014年杭州湾南岸西三闸—镇海口海域累计围涂面积约231.84 km2,围涂速率大于滩涂自然淤涨速率,导致滩涂资源面积减小,2014年以来,杭州湾慈溪至镇海海域无新增围涂,此后至2019年滩涂面积持续增加。

表1 杭州湾南岸滩涂面积变化 km2

3.2 不同时期冲淤变化

杭州湾南岸滩涂不同时期冲淤变化见图3,以4#和6#断面为界,将杭州湾南岸滩涂分为A区(滩顶)、B区(滩中)和C区(滩尾)3个区域,各区域不同时期冲淤幅度及速率见表2,在进行海床冲淤统计时统计范围均以各时期最新岸线为界。1959—2019年,杭州湾南岸滩涂普遍淤高,淤积总量达36.41亿m3,海床平均淤高约4.81 m,年均淤积幅度约8.01 cm/a,其中A、B和C区淤积速率分别为8.31 cm/a、9.28 cm/a和6.04 cm/a。1959—2003年杭州湾南岸滩涂海床平均淤高约2.95 m,年均淤积幅度约6.70 cm/a；2003—2019年淤涨速率加快,年均淤积速率约12.59 cm/a。从分区来看,滩顶的A区域,2003年以来淤积加剧,2014—2019年淤积速率达24.17～25.25 cm/a；滩中的B区域2010—2017年淤积速率较小,约1.42～3.18 cm/a,2017—2019年淤积速率加快,约10.35 cm/a；滩尾的C区域,2003年以来淤积速率有所降低,2017—2019年淤积速率约2.86 cm/a。

图3 不同时期杭州湾南岸滩涂冲淤分布

表2 不同时期杭州湾南岸滩涂淤积强度

3.3 典型剖面形态特征及变化

3.3.1 剖面形态

各典型断面不同时期形态变化见图4,图中平均高潮位、平均潮位和平均低潮位均基于澉浦、乍浦和镇海潮位站多年潮位特征值,依据距离线性插值所得,与短期实测潮位分布趋势基本一致[16]。受人类活动强度和潮汐、波浪等动力因素差异的影响[14],杭州湾南岸不同区域滩涂剖面形态及其变化亦有所差异。

庵东浅滩上游侧的1#断面为“上凸形”剖面,凸点在平均潮位以上,约1.5～2.5 m,2003年近岸处潮沟发育明显,西三潮沟可达-5 m高程,经整治,2007年后西三潮沟基本消失[19];滩顶的2#断面具有典型的“双凸形”剖面形态,上凸点在平均高潮位附近,下凸点在平均低潮位附近,与江苏中部海岸淤涨型潮滩剖面形态基本一致[9],部分年份(2003、2010年)平均高潮位以上滩面不甚发育；3#断面在1959年为“双凸形”剖面,2003—2019年为“上凸形”剖面,凸点在平均潮位以下,约为-1 m左右;慈东边滩4#至6#断面均为“上凸形”剖面,部分年份发育为“双凸形”剖面,如2003年测次的4#断面；2014年以来,受丁坝促淤影响,5#和6#断面平均潮位以上滩面发育明显,平均潮位以下至坡脚处边坡变陡；镇海边滩7#断面在1959年为“上凸形”剖面,2003年以来剖面形态变为“下凹形”；8#断面在2003年为“下凹形”剖面,2014年以来受北侧新泓口围涂工程影响,剖面发育为“上凸形”,凸点在平均高潮位附近。

3.3.2 潮滩宽度

统计各断面平均高潮位以上(以下简称高滩)、平均高潮位至平均潮位间(以下简称中高滩)和平均潮位至平均低潮位之间(以下简称中低滩)滩地宽度变化见图5。对于高滩来说,1959年杭州湾南岸滩涂各断面高滩宽度较小,2010年以来受丁坝及围涂工程建设影响,部分位于隐蔽区内的滩涂高滩发育,如滩顶的2#断面和慈东边滩6#断面2019年高滩宽度分别为2 509 m和1 447 m。对于中高滩来说,现状条件下(2019年)滩顶2#断面和位于丁坝群内的4#至6#断面中高滩较宽,宽约825～1 582 m,7#断面位于泥螺山围涂工程外侧,无中高滩发育。除5#断面外,其余断面近60 a来中高滩宽度整体均呈减小趋势,受人类活动强度不同等因素影响,各断面不同时期中高滩宽度变化存在差异。如3#断面受十二塘围涂工程影响,2010—2014年中高滩宽度减小了1 382 m,此后至2019年中高滩宽度略有减小,累计减小约70 m；5#断面受丁坝群建设影响,2010—2019年中高滩宽度持续增加,累计增大约1 040 m,其中2017—2019年受海黄山闸北侧丁坝(图1)建成影响,该断面中高滩宽度增大约530 m。对于中低滩来说,现状条件下,2#和3#断面宽度较大,分别为4 335 m和1 700 m,慈东边滩和镇海边滩的5#至8#断面中低滩宽度仅约50～150 m。近60 a来各断面中低滩宽度均有所减小,1959—2019年1#至4#断面中低滩宽度减小约1 192～3 103 m,5#至8#断面减小约330～639 m。

图4 典型断面形态变化

3.3.3 坡度

剖面坡度的变化反映了杭州湾南岸滩涂及其前缘海床沉积速率分布的不均匀性[14],不同时期各剖面坡度变化见图6。2019年,庵东浅滩1#至3#、慈东边滩4#至6#和镇海边滩7#至8#断面0～-5 m坡度分别为0.98‰～3.06‰、2.66‰～4.64‰和5.03‰～6.16‰,-5～-8 m坡度分别为1.23‰～2.99‰、0.46‰～0.81‰、0.40‰～0.72‰,空间分布上从庵东浅滩至镇海边滩呈现0～-5 m坡度逐渐增大,-5～-8 m坡度逐渐减小的态势。1959年以来,除1#断面外,其余断面0～-5 m滩坡均呈波动增大趋势,镇海边滩7#断面0～-5 m坡度由1959年的2.22‰增大至2019年的6.16‰；3#至7#断面-5～-8 m坡度均呈减小趋势,4#断面-5～-8 m坡度由1959年的7.79‰减小至2019年的0.60‰,2#和8#断面-5～-8 m坡度略有增大。

图6 不同时期典型剖面坡度变化

4 讨 论

杭州湾南岸大面积的滩涂淤积主要与河口湾的输水输沙特性有关,杭州湾是宽浅型河口,受潮波传播方向和柯氏力等因素影响,北岸受涨潮流控制,南岸受落潮流控制,从而形成了“北进南出”的水沙输移特征[18,20]。杭州湾自湾顶澉浦至湾口镇海宽度放宽,落潮流相应扩散,流速逐渐减小,挟沙能力减弱,泥沙落淤,进而在南岸形成大面积滩涂。这种地貌单元分布在其他放宽型河口也有形成,如法国的Gironde河口,主槽位于左岸,河口右岸形成大面积滩涂[21]。潮滩地貌演变及其形态特征变化受到潮汐、波浪、泥沙来源和人类活动等多种因素影响,在一定的水沙环境下,潮滩剖面存在一个均衡形态,当受到人类活动或自然条件变化影响时,这种均衡将被打破,系统将通过自身调整向新的均衡演化[22]。

4.1 水动力的影响

潮流和波浪是潮滩塑造的主要动力因素。当潮流占主导作用时,尤其是涨潮优势时,潮滩沉积物有向岸向的净输移,剖面多呈现上凸形；而当波浪占主导作用时,剖面多呈下凹型[22]。杭州湾南岸潮强流急,澉浦站实测最大潮差达9.15 m,而波浪作用相对较弱,因此杭州湾以潮流作用为主,自然状态下潮滩剖面均呈上凸形(图4)。潮差增大会引起潮滩剖面的坡度增大[4- 5],近50 a来,杭州湾呈现潮差增大的趋势[16],这可能也是杭州湾南岸滩涂近年来滩坡坡度增大的原因之一。

对于杭州湾湾顶附近的庵东浅滩来说,还受到径流作用的影响。连续枯水年期间(1979—1986年和1999—2009年),庵东浅滩中部(图7(a)中陆中湾闸外侧)-3 m等高线(与理论深度0 m线相近)淤涨速率较小甚至蚀退,东西两侧-3 m等高线淤涨外推；连续丰水年期间(1986—1999年和2009—2017年),中部-3 m等高线淤涨外推,东西两侧淤涨速率较小甚至蚀退(图7(a))。图7(b)为B断面与A断面、B断面与C断面-3 m等高线离岸距的差值(B-A、B-C)变化。连续枯水年期间,B-A和B-C均呈减小趋势,庵东浅滩弧顶曲率减小,连续丰水年期间呈增大趋势,弧顶曲率增加。图7(c)显示B-A和B-C与其前10 a径流量平均值均具有较强的正相关关系。庵东浅滩平面形态受径流丰枯影响明显,径流越丰,浅滩平面形态越弯曲；同时也体现了径流对浅滩形态的影响具有滞后效应,庵东浅滩平面形态变化受到连续丰、枯水文年的累积性影响,而非某一个丰、枯水文年的单独影响。

依据河口水动力与河床形态关系,河床比降与落潮流量呈正相关关系[23]。杭州湾是强潮河口,水域宽广,纳潮量大,径流丰枯对海域落潮流量影响较小,因而径流的丰枯变化不会改变杭州湾海床的平衡比降。在连续丰水年期间,钱塘江河口曹娥江口以上河段冲刷,冲刷的泥沙淤积在河口下游的杭州湾[24- 25],且越往下游受径流影响越小,海床淤积幅度越小,导致庵东浅滩两侧海床比降增大,为向平衡比降发展,河口通过增大庵东浅滩的曲率来自我调整,延长主槽长度,从而减小由于庵东浅滩上游侧海床淤积导致的比降增加。反之,在连续枯水年期间,钱塘江河口上游河床淤积,杭州湾上段海床冲刷,庵东浅滩两侧海床比降减小,河口通过减小庵东浅滩的曲率来缩短主槽长度,从而调整由于上游侧海床冲刷导致的比降减小。因而丰枯水文年期间,由于庵东浅滩两侧海床冲淤幅度不同,从而产生了“丰水走弯,枯水趋直”的现象,即庵东浅滩的“凸弧状—平直状—凸弧状”的周期性演变与径流的丰枯周期(约21a[17])有关,而非数百年的长周期[12]特征。

图7 庵东浅滩平面形态与径流变化的关系

4.2 泥沙来源的影响

沙源供给充足有利于潮滩的淤涨,含沙量越高,潮滩宽度越大,潮滩剖面的坡度越小。杭州湾南岸自庵东浅滩向东至镇海滩地含沙量逐渐减小。因此自然状态下,杭州湾南岸滩涂自庵东至镇海,潮滩宽度逐渐减小,滩坡坡度逐渐增大。如受人类活动影响较小的1959年,滩顶2#和3#断面平均潮位以上滩地宽度分别为2 181 m和2 302 m,大于该时期镇海滩地7#和8#断面(图5)；2#和3#断面0～-5 m坡度分别为0.54‰和0.85‰,小于该时期7#和8#断面(图6)。

杭州湾南岸滩涂物质来源为长江、钱塘江及周边河流的输入物质,其中以长江来沙输入为主[26]。2003年以来长江入海泥沙减少明显,2003—2015年长江平均入海输沙量已低于1.40亿t,较三峡工程实施前减少约70%[27]。杭州湾海域多年水文地形观测资料表明,近年来杭州湾湾口断面含沙量和输沙量减小不明显,庵东浅滩前沿含沙量受局部促淤围涂工程影响有所增大[28]。此外,杭州湾海域多年来海床持续性淤积趋势没有发生变化,淤积速率也无下降趋势[29],2014—2019年杭州湾澉浦以下海域年均淤积达2.36亿m3/a。主要是由于长江口外水下三角洲堆积的泥沙再悬浮,其也是杭州湾海域重要的泥沙源之一,对杭州湾演变的调节作用不容忽视[30]。深水区沉积物再悬浮对河口区泥沙来源的补给作用在长江口海域也有所体现,2013—2015年长江口水下三角洲年净淤积量达3.04亿t,超过了长江入海沙量,同时14 m水深以深的泥质沉积中心则出现侵蚀[27]。受长江口外深水区泥沙再悬浮的补给影响,当前杭州湾南岸滩涂仍呈淤涨态势,长江来沙减少对杭州湾南岸滩涂的影响尚不明显。

4.3 促淤围涂的影响

钱塘江河口近60 a大规模的治江围涂工程对杭州湾南岸滩涂演变的影响主要体现在3个方面。一是大规模围涂引起河口湾纳潮量减少,从而导致河床淤积加剧,河宽减小[23],进而导致杭州湾南岸滩涂淤涨速率加快,2003年以来,年均淤积速率为9.51～15.03 cm/a(表2),较庵东浅滩历史淤积速率5 cm/a[13]明显加快。二是大规模的治江缩窄工程,导致杭州湾潮差增大,潮波变形加剧[16],进而引起杭州湾南岸滩涂淤积速率加快和剖面形态调整。三是南岸滩涂局部围涂工程的建设引起局部的潮滩剖面形态变化。在泥沙来源丰富、含沙量高的海域,潮滩剖面形态重新调整,坡度发生变化,经历了“缓—陡—缓”的变化过程,并逐渐恢复围前的潮滩剖面形态,如庵东浅滩3#断面,2010年0～-5 m坡度为1.84‰,2012年十二塘围涂工程实施后,2014年坡度增大为4.08‰,此后至2017年又减小为2.86‰,对于含沙量较低的海域,潮滩坡面则难以恢复至围涂前的剖面形态或恢复所需的时间较长,如镇海边滩的7#断面,2010年0～-5 m坡度为1.96‰,2013年泥螺山围涂工程实施后,2014—2019年该断面坡度均在6.00‰以上(图6)。因此,2003年以来杭州湾南岸高强度的围涂工程也是该区域滩涂坡度增大的原因之一,若围涂速率大于滩涂淤涨恢复速率,则会导致滩涂面积和潮滩宽度减小。

丁坝建设会减弱坝田内的水动力,导致坝田淤积。2012年以来,杭州湾南岸慈溪边滩丁坝群的建设,加速了坝田内滩涂的淤积,如2010—2014年海黄山至泥螺山间近岸滩涂淤高幅度达3～5 m(图3)。自然状态下,杭州湾南岸滩涂高潮位以上滩地宽度较小,丁坝群及围涂工程的建设,会促使坝田或隐蔽区内滩涂高滩发育,如慈东边滩6#断面受两侧丁坝(2014年)建设影响,2019年高滩宽度约1 447 m(图4)。

5 结 论

(1) 杭州湾南岸滩涂呈弧形分布,近60 a(1959—2019年)来,杭州湾南岸滩涂呈淤涨外推趋势,1959—2003年滩涂淤积速率约6.70 cm/a,2003年以来淤积速率加快,约12.59 cm/a。自然状态下,杭州湾南岸滩涂剖面均呈上凸形,且高潮位以上滩地宽度较小。1959—2019年杭州湾南岸滩涂高、低潮位间潮滩宽度整体有所减小,边坡坡度呈波动增大趋势。

(2) 杭州湾南岸滩涂近60 a来的演变规律是在水沙变化和人类活动影响下滩涂形态不断调整的结果。大规模围涂和潮差增大是滩坡坡度增大的主要原因；庵东浅滩的“凸弧状—平直状—凸弧状”的周期性演变与径流的丰枯周期有关,呈现“丰水走弯,枯水趋直”现象；长江来沙减少尚未对杭州湾南岸滩涂淤涨产生影响；围涂工程是杭州湾南岸滩涂近期淤涨速率加快、潮滩宽度减小的主要原因,围涂后滩涂剖面的恢复速率取决于泥沙来源是否充沛。

致谢:本文所引用的资料和数据是集体劳动的成果。浙江省河海测绘院祁敏敏、许烨璋和李亚飞等同志在现场观测、数据采集等方面做了大量工作,谨致谢忱！