流域水沙变化和人类活动对长江口河槽演变的影响

刘 杰，程海峰，韩 露，叶婷婷，王珍珍

(上海河口海岸科学研究中心，上海 201201)

因流域闸坝工程、水土保持和气候环境变化等因素的影响，世界著名河口大都出现因流域来沙减少引起的水下三角洲侵蚀、岸线后退和湿地损失等问题，如埃及的尼罗河口[1]、美国的密西西比河口[2]和我国的黄河河口[3]和长江口[4-7]等。而河口区域的人类活动如筑堤围垦、航道整治等对河口冲淤演变的影响亦较明显，使得河口的人工控制作用得以增强[8-9]。因此，河口冲淤演变的趋势特征能够反映特定时段自然条件和人类活动的影响，对掌握河口未来中长期演变趋势有重要参考意义。

因丰富的流域来沙堆积，2 000 年来长江口遵循南岸边滩推展、北岸沙岛并岸、河口整体向东南延伸的演变模式[10]。最近20 年来，流域水沙条件发生了明显变化，三峡工程建设和长江输沙量变化及其对长江口河床演变的影响引起国内外不少专家学者的关注，如Yang 等[4]分析认为长江口水下三角洲冲淤平衡时河口大通站临界输沙量年均2.60 亿t，如低于该临界值，口门外水下三角洲将出现大范围侵蚀。李从先等[5]基于长江三角洲地区钻孔资料计算得到长江三角洲形成和发育期间的长江年均输沙量为1.84～2.28 亿t。黎兵等[6]对三峡工程建设前后的水下地形资料进行对比，认为三峡水库蓄水初期（2007 年前）对长江口冲淤变化的影响并不显著，但2007 年后长江口的冲淤变化与三峡水库蓄水相关性明显；刘杰等[7]认为受流域减沙的影响，2008 年之后长江口口内的南支、南港和北港上段的含沙量明显下降，河槽冲刷、容积扩大，长江口水下三角洲前沿有两个冲刷区，年平均冲刷深度0.1 m 左右。上述研究结果对流域水沙变化及其对长江口水下三角洲冲淤演变影响进行了初步研究，但对长江口河槽演变趋势、冲淤转变时点和临界输沙量等方面认识还存在分歧。同时，1998 年之后，随着航道治理和岸滩整治圈围等重大涉水工程的实施，长江口区域的人类活动增强，人类活动对长江口河槽演变的影响渐趋明显。目前，对流域水沙变化和人类活动对长江口河槽演变过程影响还缺少系统的分析研究。为此，本文采用1998 年以来长江口水下地形数据，对长江口近期河槽演变特征进行分析，探讨河口冲淤转变的时点和临界输沙量，进一步明晰河口未来的演变趋势。

1 区域概况

长江口为丰水、多沙、中等潮汐强度的河口，平面呈三级分汊、四口入海的河势格局，共有北支、北港、北槽、南槽4 个入海通道。长江流域来水量多年来变化不大，但来沙量受流域水土保持和闸坝工程建设的影响，20 世纪80 年代中期以来出现下降趋势（图1），长江大通站年输沙量下降约四分之三。1998 年以来，长江口航道整治和水土资源开发强度加大，如对河口主要滩涂南汇东滩、横沙东滩、中央沙、青草沙和北支新村沙等范围进行了整治、促淤和圈围（图2），固定了岸滩，缩窄了局部河槽宽度。

图 1 大通站年输沙量、年平均含沙量变化过程（1955—2016）Fig. 1 Changes of the annual sediment load and average suspended sediment concentration at Datong hydrological station from 1955 to 2016

图 2 长江口主要涉水工程位置和河槽容积计算区域Fig. 2 Location of main water-related projects and calculation area of channel volume in the Yangtze River estuary

长江口4 条入海汊道中，北支多年来已成为受涨潮控制的河道，流域水沙条件变化对其影响不明显。为此，本文重点关注长江口南支以下河槽的冲淤变化，收集整理了1998—2016 年5 幅长江口徐六泾到口外大范围全测水下地形数据（测量时段为每年的7—12 月），重点对比分析流域减沙和河口涉水工程影响下的河槽冲淤过程。水下地形数据基准面为理论最低潮面，比尺1∶50 000，数据来自长江口航道管理局和上海河口海岸科学研究中心。利用Surfer 软件，对各测次相同范围内的水下地形进行冲淤分析，分区段计算了河槽容积和冲淤量等（图2）。

2 河槽演变的趋势特征

2.1 河口滩槽格局总体稳定

历史上长江口河床冲淤变幅较大，滩槽格局易变动。而1998 年以来的近20 年，长江口“三级分汊、四口入海”的河势格局和各汊道的滩槽格局保持稳定，没有大的汊道和沙体产生（图3）。其中，南支上段维持以白茆沙为江心洲的分汊河型，南支下段维持以新浏河沙为主要分流口的南北港分汊河型，5 m 河槽走向和平面位置相对稳定；扁担沙维持东南西北长条形、稳定于南支主槽北侧。北支下段及口外维持涨潮槽形态，5 m 河槽偏靠北岸。南港保持南侧主槽、瑞丰沙和北侧长兴水道相邻的W 型复式河槽。长江口下段及口外呈“南汇东滩-南槽-九段沙-北槽-横沙浅滩-北港-崇明东滩-北支”拦门沙滩槽相间的格局。

图 3 长江口5 m 等深线对比变化Fig. 3 Variation of 5 m isobath in the Yangtze River estuary

2.2 南支以下河槽由净淤积向净冲刷转变

1998 年以来，长江口南支以下河床冲淤变化见图4，冲淤面积和冲淤方量比值见表1。

图 4 长江口1998—2016 年冲淤分布Fig. 4 Scouring-silting distribution below the South Branch of the Yangtze River estuary from 1998 to 2016

表 1 长江口南支以下河槽冲淤对比变化Tab. 1 Comparison of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary

由图4 和表1 可知，1998—2002 年长江口处于净淤积态势，该时段河口冲刷方量小于淤积方量，冲刷面积小于淤积面积；而2002—2010 年，则基本呈冲淤平衡、略有冲刷的态势，期间河口冲刷量已大于淤积量，但冲刷面积仍小于淤积面积。而2010—2016 年，河口则已呈现明显的净冲刷态势，期间河口冲淤量之比为62∶38，冲淤面积之比为61∶39。由此表明，近20 年长江口发生了由净淤积向净冲刷的转变，即河口河槽演变由总体淤积转向了总体冲刷。

2.3 口内河槽冲刷、容积扩大

图4 显示近20 年河口冲刷主要集中在深槽区域，淤积则主要发生在浅滩区域。图2 所示区域的南支、南港和北港0 m 以下河槽容积均呈明显扩大态势（图5）。为进一步了解各河段的河槽形态变化，统计了0～20 m 深度范围内的水面面积变化（图6）。图6 显示，各河段因自然条件和工程影响不同，河槽冲淤态势存在一定的差异。南港受自然变化和瑞丰沙人工采沙的影响[11]，0 m 以下河槽整体冲刷，即滩、槽普遍刷深（图6(b)）。南支、北港（上段）滩淤、槽冲，基本以2 m 水深为分界，2 m 以浅的沙体区域略有淤积，2 m 以深的河槽普遍冲刷，其中水下10～15 m 深度范围内河槽冲刷最为明显。

图 5 南支、南北港0 m 以下河槽容积变化Fig. 5 Variation of channel capacity below 0 m isobaths in the South Branch, South Channel and North Channel

图 6 南支、南北港0～20 m 深度范围内的水深面积变化Fig. 6 Variation of water depth and area in the depth range of 0～20 m in the South Branch, South Channel and North Channel

2.4 口外航道拦门沙浅滩长度缩短

长江口南、北槽和北港入海水道均存在明显的航道拦门沙。1998—2010 年，北槽航道拦门沙受航道整治工程的影响，拦门沙河槽大幅冲深，在此基础上疏浚开通12.5 m 深水航道。而南槽和北港近年来因进口侧冲刷和口外水下三角洲前沿侵蚀[7]，航道拦门沙浅滩长度明显缩短（图7）。但拦门沙滩顶水深仍维持在5.5～6.0 m，多年来变化不大。

图 7 南槽、北港航道拦门沙纵剖面变化Fig. 7 Variation of longitudinal section of channel bar along South Passage and North Channel

3 讨 论

3.1 河口滩槽稳定的原因

20 世纪中叶前，长江口处于自然演变状态，河口河槽演变主要受自然驱动力产生的水沙变化作用，河床冲淤剧烈，岸、滩、槽的变化均较明显。20 世纪中叶至1998 年，随着江堤海塘等护岸工程的实施，人类活动对河口的干预逐渐增强，期间河槽演变受自然水沙变化和人类活动的双重作用[8-11]，表现为岸线受到人工控制得以稳定，但河道内的滩槽变化依然明显。如20 世纪50 年代北槽入海水道的形成，60 年代到90 年代南北港分汊口的多次“上提下挫”及其与此相关的南港瑞丰沙的产生，70 年代到90 年代江亚边滩的发育、切割形成江亚南沙等。

1998 年以来的近20 年，随着三峡工程的运行和河口边滩的圈围、江中心滩的守护，人类活动在河口河槽演变的作用得以增强，滩槽地貌形态趋于稳定。具体而言，人类活动对河槽演变的影响体现在3 个方面。一是徐六泾河段“节点”作用进一步增强[12]。徐六泾河段是长江口“三级分汊、四口入海”河势格局的上边界。近20 年来，新通海沙圈围、常熟边滩围垦等工程相继实施（图2），苏通大桥以下河段的河宽进一步束窄至4.6 km，进一步增强了徐六泾节点作用，稳定了主槽深泓线。该河段上游的河势变化对徐六泾以下河段的河床演变影响大幅减弱。徐六泾以下的河口段已形成一个相对独立的河口地貌系统。二是长江口3 个主要分汊河段相继被“人工固定”，控制了河床演变的关键部位。分汊口变化是导致河口剧烈变化的重要因素[13-14]。1998 年以来的近20 年间，在长江口的3 个主要分汊口，即南北槽分汊口（第三级分汊）、南北港分汊口（第二级分汊）、南北支分汊口（第一级分汊）等关键部位分别实施了深水航道治理工程（分流鱼嘴工程）、新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程和中央沙圈围及青草沙水库，以及长江南京以下12.5 m深水航道治理一期工程（白茆沙整治工程），使得长江口主要汊道分流口位置得到控制（图2）。河床冲淤变化主要限制在两侧固定岸线和分流鱼嘴工程控制的范围内，长江口“三级分汊、四口入海”总体河势格局的稳定性显著增强。三是长江大洪水的等级有所降低。历史上长江洪水，尤其是特大洪水往往是造成长江口河势剧烈变化的最主要因素[15]。近期，在三峡等水利工程的“拦洪削峰”调节作用下[16]，长江洪峰流量下降，洪水等级降低，从而有利于维持河口滩槽格局的稳定。

3.2 河槽冲淤转变临界输沙量及未来演变趋势

长江口历史上因丰富的流域来沙供应，南支以下河槽总体呈现束狭、向海淤涨延伸的趋势。流域来沙减少促使河口淤积减缓或向冲刷趋势转变。河口冲淤转变临界输沙量是判断河口演变趋势的重要指标。刘曙光等[17-18]根据海图等资料分析认为，黄河三角洲发生由净淤积转为净冲刷时入海沙量的临界值为（2.45～2.78）亿t。Yang 等[4]由入海泥沙溢出长江口水下三角洲进入其他海域的年平均值所确定的三角洲冲淤平衡临界输沙量为年均2.60 亿t。李从先等[5]基于长江三角洲地区钻孔资料计算得到长江三角洲形成和发育期间的长江年均输沙量为（1.84～2.28）亿t。

图 8 不同阶段河口冲淤量与大通站输沙量变化Fig. 8 Variation of erosion quantity and siltation quantity below the South Branch of the Yangtze River estuary and the sediment load at Datong hydrological station

根据图4 统计，1998—2002 年长江口南支以下河槽淤积量年均0.17 亿m3；2002—2010 年冲刷量年均0.27 亿m3；2010—2016 年冲刷量明显加大，年均达2.40 亿m3。由此可见，在1998—2010 年间，河口发生了由净淤积向净冲刷的转变。根据1998—2002 年和2002—2010 年长江大通站对应的年均输沙量的线性差值（图8），估算得到河口冲淤转变临界点处的大通年输沙量约2.54 亿t。由大通站年输沙量变化过程（图1）可知，2002 年以前大通站年输沙量大于2.75 亿t，2003 年之后小于2.17 亿t，低于2.54 亿t 的临界值，2003—2016 年大通站年均输沙量仅1.39 亿t。由此判断，流域来沙减少应是长江河口发生冲淤转变的主要原因，2002—2003 年可以作为长江口冲淤转变的分界时点。本文计算得出河口冲淤转变临界输沙量2.54 亿t，与Yang 等[4]入海泥沙溢出法确定的临界输沙量2.60 亿t 接近。

历史上长江口总体向海淤涨主要缘于流域丰富的泥沙供给，随着流域水库大坝建设和植被覆盖度增大等[19-20]人类活动影响，长江流域输沙量将可能进一步减少，并长期维持在河口冲淤转变临界输沙量（2.5～2.6）亿t 以下的较低水平。与此同时，未来长江口综合整治开发和保护有关涉水工程的实施，会进一步促进河口岸滩边界条件的稳定。因此，在流域减沙和河口涉水工程实施条件下，长江口将改变过去总体向海淤涨的演变趋势，维持岸滩槽地貌格局稳定条件下的缓慢冲刷趋势。

4 结 语

近20 年来长江口滩槽格局总体稳定，但南支以下河槽呈现由净淤积向净冲刷转变。长江口内河槽冲刷、容积扩大，10～15 m 深度范围内河槽冲刷最为明显；口外航道拦门沙浅滩长度缩短。河口边滩圈围、江中沙洲人工守护及三峡工程对长江洪峰的消减促使了长江口滩槽格局的稳定，而流域来沙减少是南支以下河槽由净淤积向净冲刷转变的主要原因。

基于河口冲淤量与大通站输沙量的变化关系，可以得出2002—2003 年基本为长江口南支以下河槽冲淤转变的分界时点，河口冲淤转变对应的流域年输沙量（大通站）临界值约2.54 亿t。长江流域未来的来沙量可能长期维持在临界值以下的较低水平，长江口将改变过去总体向海淤涨的演变过程，维持岸滩槽地貌格局稳定条件下的缓慢冲刷趋势。