1958 年以来长江口南、北支河段河床演变及影响因素研究

代炳珂，路川藤，韩玉芳，李瑞杰，罗小峰

(1. 河海大学，江苏 南京 210098；2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

长江口为径流与潮汐共同作用的多级分汊、中等潮差（中浚站平均潮差2.66 m）的潮汐河口[1-2]。自徐六泾向下，河槽呈现“三级分汊、四口入海”的河势格局：一级分汊为南、北支，二级分汊为南、北港，三级分汊为南、北槽。南、北支作为长江口的第一级分汊（被崇明岛分隔），是河口保护与开发的重点区域。研究南、北支河床的中长期演变特征，深入认识长江口河床演变规律，对航运建设、防洪排涝、供水安全和其他涉水工程规划建设具有技术支撑作用。

近年来，关于长江口南、北支河段河床演变的研究成果颇多，刘杰等[3]指出南支冲淤演变以冲刷为主并自上往下传递，且未来仍将不断冲刷。梁鑫鑫等[4]指出南支近百年整体处于冲刷状态，分阶段呈现淤积-冲刷交替变化的状态。杨欧等[5]指出北支以口外海域来沙为主，主要来源于南支入海泥沙倒灌。曹民雄等[6]指出北支逐年萎缩，会潮点不断下移。杨程生等[7]认为北支河槽容积减小的主要原因为滩槽围垦和自然淤积，且北支上游以自然淤积为主，中段以滩槽围垦为主，下段受围垦和淤积共同作用。李伯昌等[8-9]认为围垦缩窄工程严重影响北支的径流输入，北支将会在很长一段时间内走向衰亡。

已有研究成果对长江口南、北支河段河床演变的分析多侧重单一河段，为系统研究南、北支河床演变规律，本文对长江口南、北支河床演变进行综合分析，探究两汊道间的河床演变共性和差异，并分析变化水沙条件和人类工程活动对河床演变的影响。

1 研究区域与方法

主要研究区域为长江口南支与北支河段（图1）。南支研究区域为徐六泾至吴淞口之间河段（S1-S4），北支为崇头至连兴港之间河段（N1-N4），以上2 个河段是典型的宽浅河型，历史上暗沙变迁频繁，通道兴衰交替，河床稳定性总体较差[10]。南支研究区域长约70 km，河槽形态复杂，徐六泾至七丫口河段受白茆沙的分隔作用呈现典型的江心洲河型，七丫口至浏河口河段则为“南槽北滩”的河道形态，浏河口以下为南北港分流河段，水文条件极为复杂。北支研究区域长约80 km，于大洪港与大新港之间呈弯曲形态，两侧岸线较为顺直，下游呈喇叭口状展开，河槽淤浅，沙洲密布。

图 1 研究区域概况Fig. 1 Overview of study area

为系统分析南、北支河床演变特征，根据河道各区段水文地形差异，将南、北支地形数据分段统计，南支分为徐六泾至七丫口（S1-S2）、七丫口至浏河口（S2-S3）、浏河口至吴淞口（S3-S4）三段；北支分为崇头至大新港（N1-N2）、大新港至三条港（N2-N3）、三条港至连兴港（N3-N4）三段。

利用Mapinfo 和AutoCAD 软件分别对海图和电子海图进行水深数据提取，得到长江口1958—2019 年期间7 个年份（1958、1973、1989、1998、2010、2016、2019）实测水深数据，并统一采用理论基面，数据来源详见表1。通过Surfer 对实测数据进行克里金插值，得到规则格网模型DEM，继而利用该软件的计算模块对南、北支河段岸线边界、河槽容积和地形冲淤等要素进行统计计算，研究近60 年来南、北支河段整体河床演变特征，并分析变化水沙条件和河口工程因素对河床演变的影响。

表 1 实测数据来源Tab. 1 Sources of measured data

2 长江口南支和北支河床演变特征

2.1 岸线边界变化特征

19 世纪60 年代以前，长江口岸线变化以自然演变为主，人为干预活动较少，60 年代以后，南、北支进行了大量滩涂围垦，以及遏制咸潮倒灌而进行的岸线缩窄工程[2]，详见图2。随着河口围垦工程的建设发展，南、北支基本遵循岸线内缩延展，河道面积逐渐缩小的变化规律，其中，2019 年与1958 年相比，南、北支总岸线长度（不考虑长兴岛）共增加36.37 km，增加约12.5%，其中1958—1973 年间岸线变化最为显著，2010 年后岸线基本维持不变；南、北支河道总面积共减少585.86 km2，减少约35.9%，其中2 m 线水域面积共减少414.54 km2，减少约31.4%，占河道总面积减少量的70.76%，详见表2。

图 2 边界变化及主要工程分布Fig. 2 Boundary change and distribution of major projects

表 2 岸线及河道面积变化Tab. 2 Changes of shoreline and channel area

续表 2

1958—2019 年，南支岸线长度共增加18.89 km，增加约14.9%，河道总面积共减小171.92 km2，减少约18.9%，其中2 m 线水域面积共减小90.18 km2，减少约11.2%，占河道总面积减少量的52.45%，变化主要集中在徐六泾-七丫口段和长兴岛处。江心沙与圩角沙地带围垦面积达80 km2，江心沙由孤立的沙洲逐渐并岸，这使得长江口徐六泾河段平均河宽由1958 年的13 km 缩窄至2019 年的7 km，原白茆沙并岸崇明岛，两岸岸线内移，并于2014 年建成东风西沙水库，围圈约3.8 km2，长兴岛附近小沙丘逐渐淤涨合并为一个整体，并于2010 年建成青草沙水库，圈围约70 km2。

1958—2019 年，北支岸线长度共增加17.48 km，增加约10.7%，河道总面积共减少413.97 km2，减少约57.2%，其中2 m 线水域面积共减小324.36 km2，减少约62.59%，占河道总面积减少量的78.35%。其岸线变化受圈围影响较为严重，1958—1973 年间，北岸大洪港-大新港段、灵甸港-三和港段及三条港-青龙港段岸线发生不同程度冲刷，但随着南岸崇明岛大面积围圈，北支河宽整体缩窄，其中上段最为严重，河宽缩窄约70%。1973—1998 年间，两岸边界整体变化较小，永隆沙和兴隆沙相继围垦。1998—2010 年间，开展了包括圩角沙、新跃沙、灵甸沙、兴隆沙及崇明北湖、崇明北沿等众多圈围工程，总围垦面积约144 km2，岸线进一步缩窄，界河处拐角接近90°。

2.2 河槽容积变化特征

利用Surfer 软件的Volume 功能对生成的DEM 进行计算并统计，得到南、北支各河段2 m、0 m、-5 m及-10 m 以深河槽容积变化（图3）。结果表明，1958—2019 年间，南支河槽容积整体呈增大态势，北支则渐趋减小，南、北支2 m 以深河槽总容积变化相对较小，7 个年份平均值为84.76 亿m3，波动幅度较小，2019 年比1958 年的河槽总容积仅增加3.45 亿m3，增加约4.1%，河槽容积增加率明显小于2 m 线水域面积的减小率。

自1958 年以来，南支河槽容积呈总体不断增长，阶段性减小的变化特点，-10 m 以浅河槽容积变化较小，变化主要集中在-10 m 以深河槽（1973—1989 年除外，其变化主要集中于-5 ～-10 m）（图3（a））。其中，S1-S2 段2 m 和0 m 以深河槽容积在2016 年有所减小，可能与通海沙的大幅淤积有关；S2-S3 段在1973—1989 年-5 m 以深河槽容积大幅缩小，而-10 m 以深河槽容积依然增大，-10 m 以深河槽容积呈不断增长趋势；S3-S4 段2 m 和0 m 以深河槽容积在2016—2019 年增长速度明显加快，分析其变化主要集中在-5 ～0 m 区间内，说明该段潮滩冲刷加剧（图3（b））。

图 3 各河段在不同高程下河槽容积变化Fig. 3 Volume change of the North and South Branch Channels at different elevations

北支河槽容积呈渐趋缩小，阶段性增大的变化特点，河槽容积变化主要集中在-5～0 m 之间（1998—2010 年0～2 m 之间亦发生大幅缩小）（图3（a））。各河段在1958—1973 年、1998—2010 年之间出现快速下降，对应该时间段边界变化，1973—1989 年全河段、2010—2016 年上中段均出现小幅增大，但很快又减小，说明北支的不断淤积问题并未得到改善（图3（c））。

2.3 滩槽冲淤变化特征

根据1958—2019 年7 次实测河床地形数据，绘制了不同年份的河床冲淤图（图4），并统计了不同河段的地形冲淤量（表3）和河道等深线及断面形态变化（图5-6），以系统分析南、北支河段的河床冲淤特征。

图 4 各时段河床冲淤变化情况（“-”为冲刷，“+”为淤积）Fig. 4 Changes of riverbed erosion and siltation in each period

表 3 各河段在不同时期河床冲淤量Tab. 3 Riverbed erosion and deposition in different periods 单位：亿m3

图 5 各时段-5 m 等深线变化（理论基面）Fig. 5 Changes at -5 m isobaths in each period

1958—1973 年，南支总体冲刷约4.92 亿m3，年均冲刷约0.33 亿m3，呈现“滩淤槽刷”的特点，上段白茆沙沙体淤涨逐渐高于-5 m 等深线，南水道大幅冲刷，深泓右移，江心洲河型初步形成（图6-A断面），中段南支主槽中部淤积，两侧冲刷外拓（图6-B断面），河床趋于平缓，扁担沙整体下移，迫使中央沙北水道束窄加深，沙群聚拢。北支总体淤积约2.96 亿m3，年均淤积约0.197 亿m3，上段-5 m 线几近消失，青龙港水道深泓淤积右移（图6-D断面），中上段滩槽均发生不同程度淤涨，其中青龙港水道、灵甸沙、永隆沙、黄瓜沙平均抬高5～10 m，详见图4（a）。

1973—1989 年，南支变冲为淤，总体淤积约2.64 亿m3，年均淤积约0.165 亿m3，上段白茆沙出现大范围的淤积，沙尾向下延伸至七丫口附近，南水道入口处大幅回淤，北水道继续冲深拓宽，江心洲河型形成，中段主槽北岸大幅淤积，深泓加深呈“V”型，下段扁担沙尾南侧遭受大幅冲刷，沙体整体北移，中央沙淤涨发育，宝山水道入口处大幅淤涨，沙体延伸至浏河口附近，形成新浏河沙。北支则变淤为冲，总体冲刷约 0.304 亿m3，年均冲刷约0.019 亿m3，三和港以上整体冲刷，以下整体淤积，详见图4（b）。

图 6 典型横断面变化Fig. 6 Typical cross-sectional changes

1989—1998 年，南支转为大幅冲刷，总体冲刷约6.515 亿m3，年均冲刷约0.407 亿m3，上段白茆沙淤积减缓，沙头受冲刷变圆滑，沙尾继续向下延伸呈细条状，南水道上游大幅冲刷，下游则以淤积为主，断面A处冲深达20 m，中段主槽左岸冲刷，深泓加深右移，下段新浏河沙受冲分为新浏河沙和新浏河沙包，沙体大幅缩小，中央沙沙体则不断增大。北支总体淤积约 1.301 亿m3，年均淤积约0.081 亿m3，上段拐角处发生大幅淤积，中段灵甸沙、黄瓜沙发生淤积，下段左岸淤积，右岸冲刷，形成复式河槽（图6-E断面），详见图4（c）。

1998—2010 年，南支总体冲刷约4.66 亿m3，年均冲刷约0.388 亿m3，上段白茆沙沙头和沙尾均发生冲刷，沙头下移，沙尾消失，北水道入口处出现大范围淤积，考虑与北支泥沙倒灌有关，中段主槽北侧冲刷，南侧淤积，“V”型消失，深槽北移，下段青草沙水库建成，新浏河沙、中央沙等沙体冲刷下移，沙体面积急剧缩小。北支总体淤积约4.94 亿m3，年均淤积约0.411 亿m3，各段淤涨速度相比1998 年之前显著提高，其中以青龙港水道南侧和下段崇明北沿最为严重。

2010—2016 年，南支总体淤积约0.06 亿m3，淤积主要集中在上段，新通海沙、南北水道均发生不同程度淤积，中下段滩槽位置和断面形态较为稳定，基本维持1998—2010 年的冲淤特征，-5 m 等深线和深泓线基本保持不变，冲刷速率稍有所下降。北支总体淤积约2.51 亿m3，年均淤积约0.419 亿m3，上段淤涨问题有所缓解，出现连续的-5 m 等深线，青龙港水道深泓加深靠左（图6-D断面），中下段整体淤积，且以灵甸港-三和港河段南侧淤积最为严重。

2016—2019 年，南支总体冲刷约2.72 亿m3，年均冲刷约0.907 亿m3，各段冲刷速率都有显著提高，白茆沙、下扁担沙、新浏河沙均发生较大面积冲刷，但整体滩槽位置和断面形态较为稳定。北支总体淤积约1.55 亿m3，年均淤积约0.515 亿m3，青龙港水道、灵甸港-三和港河段整体冲深，但大新港以下基本以淤积为主，淤积速率有所上升。

综上所述，1958—2019 年间，南支净冲刷18.13 亿m3，年均冲刷约0.297 亿m3，时间上的变化呈整体不断冲刷，阶段性淤积的特点，空间上总体呈滩淤槽刷的特点，但近年各段潮滩冲刷问题有待解决，白茆沙北水道自1998 年以来基本以淤积为主，南北水道“南强北弱”现象加剧，南支下段受工程影响稳定性有所提高，但仍是长江口滩槽变化最为活跃的河段（图6-C断面）。北支总体淤积约9.14 亿m3，年均淤积约0.15 亿m3，整体淤积且年淤积速率有所提高，随着崇明岛北岸的不断淤涨，北支总体向顺直河道发展。南、北支在2010 年后-5m 等深线滩槽格局与河道断面形态基本趋于稳定，说明南、北支河床稳定性有所提高。

3 南支和北支河床演变原因分析

长江口河床演变是径流、潮汐、波浪和风等动力因素影响下，流域及海域来沙在河口搬运堆积的结果。根据前人研究，波浪在河口区衰减，其对河口形态塑造的影响相对较小[11]，径流和潮汐在长江口河床演变中发挥主要作用。根据上述南、北支河床演变特征，主要分析变化水沙条件及人类工程活动对河床演变的影响。

3.1 变化水沙条件的影响

3.1.1 流域来水来沙 根据大通水文站1950—2019 年资料统计（数据来源：泥沙公报），虽然径流年际间存在范围波动，但大时间跨度下径流量变化较小，多年平均径流量无明显的趋势变化，但随着近年来长江上游水土保持工程及水库工程的建设，以及沿程挖沙使得长江流域来沙逐渐减少[2]。输沙量以葛洲坝工程和三峡工程的蓄水为节点，呈现明显的三阶段变化特点，输沙量呈现逐渐减小的趋势，其中1951—1985 年平均年输沙量为4.70 亿t，1986—2002年平均年输沙量为3.40 亿t，2003—2019 年平均年输沙量为1.40 亿t（图7）。

图 7 长江大通站1950—2019 年径流量与输沙量变化Fig. 7 Changes in runoff and sediment transport at Datong Station on the Yangtze River from 1950 to 2019

径流来沙量大幅骤减到目前为止对南、北支河槽总容积的影响较小，但三峡工程运行后由于流域减沙的传递效应，河口水体含沙量降低[12]，水流挟沙能力增大，河床活动性增加，促进了河床的冲刷，这也是近些年南支河床近20 年持续冲刷的重要原因。

3.1.2 洪 水 径流对河床演变的影响是持续渐进的，而洪水对河床演变的影响则是快速剧烈的，如1954 年洪水直接造就了北槽，宏观上造就了如今的“三级分汊，四口入海”的河口布局。随着长江口堤防、保滩护岸工程的不断建设，长江口面对大洪水稳定性得到明显提高，1998 年、1999 年连续两年的洪水，河床仅小区域发生较大变化，如：新浏河沙串沟形成新宝山北水道，新浏河沙包形成，新桥通道冲深北偏等。随着三峡工程的建设运行，长江出现特大洪水的概率大为降低，洪水对河口河床演变的影响也将逐渐减弱。

3.1.3 泥沙倒灌 长江口泥沙输移构成南支→南北港→海域→北支→南支的循环体系，从北支口门上溯的海域来沙，小部分携带至崇头，致使泥沙倒灌入南支，为白茆沙北水道提供了物质基础，这是1998 年后北水道淤积的重要原因。随着北支下段中缩窄方案的实施，近年来北支的进潮量有所减小，泥沙倒灌南支现象有所减弱[2]。

3.1.4 分流分沙变化 根据长江水利委员会长江口水文水资源勘测局历年实测资料，通过计算汊道涨落潮水、沙量与总涨落潮水、沙量之比，可求得北支涨落潮分流分沙比。随着19 世纪北支入口处河宽的不断减小，尤其是江心沙和圩角沙处的围垦，北支入流角度加大，使得北支涨、落潮分流比出现了明显的减小，涨潮分流比由20 世纪70 年代末的21.6%减小至2017 年的10%左右，而落潮分流比则由10%左右减至在2%～5%之间变化（图8）。北支分沙比变化趋势与分流比一致，但变化幅度相对较小，尤其是涨潮分沙比下降较少。

分流分沙比的变化对北支的河床演变有较大影响，由于进入北支径流量的减小，潮流作用逐渐增强，北支已发展为涨潮水沙占优势的涨潮槽[5]。由于涨落潮分流比的变化都大于分沙比，北支动力减弱，涨潮流上溯携带的泥沙，落潮时不能全部带出，这是北支逐渐淤积的主要原因。

图 8 1958—2019 年北支分流分沙比变化(数据来源：长江口水文水资源勘测局)Fig. 8 Variation of water and sand distributary ratios from 1958 to 2019

3.2 河口工程活动的影响

除了以三峡工程为首的上游水坝建设及采砂活动对流域来沙的影响之外，河口工程的不断建设也是影响长江口河床演变的重要因素。长江口河口工程按照作用不同可分为堤防海滩工程、保滩护岸工程、围垦堵汊工程和港口航道工程四类[2,13]。

堤防海滩工程、保滩护岸工程一般沿岸线边界进行建设，继而进行港口、码头、桥梁等基础设施建设以实现岸线的合理开发利用，此类工程因远小于河道宽度，对河势影响较小，主要发挥稳定边界，防水防潮的保护作用。围垦堵汊工程和港口航道工程则直接作用于河床，对河势演变影响显著，其中围垦堵汊工程包括兴建圩堤对不断淤涨的河漫滩实施围垦及堵塞直汊促使江心洲并岸两种形式，此类工程可直接导致岸线和河道断面发生显著变化，如崇明岛及北支围垦工程、东风西沙圈围、中央沙圈围及青草沙水库工程等，也可通过改变水沙分配对河道产生间接持续性影响，如徐六泾节点整治工程、圩角沙圈围工程等，合理的圈围可提高土地开发利用效益，促进河道形态转化，对河道稳定性的提高也起到积极作用；航道整治与疏浚工程，主要作用是通过导流、挡沙、减淤以维系河势稳定，最具代表性的便是1998 年开工的长江口深水航道建设工程，截至2010 年3 月，长江12.5 m 深水航道全槽贯通，逐步建成以长江口主航道—北港—南槽和北支共同组成的长江口航道体系，这是2010 年之后南支滩槽维持稳定的主要原因。

4 结 语

以长江口1958—2019 年水深数据为基础，通过南、北支岸线边界、河槽容积和地形冲淤等河床演变要素的统计计算，分析南、北支河段的河床演变特征及其影响因素，主要研究结论如下：

（1）南、北支河段岸线边界变化表现一定共性：随着围垦工程的建设发展，南、北支均遵循岸线内缩延展，河道面积逐渐缩小的变化规律，2019 年与1958 年相比，南、北支总岸线长度共增加36.37 km，增加约12.5%，南、北支河道总面积共减小585.86 km2，减少约35.9%。随着护岸工程和航道整治的建设，2010—2019 年南、北支岸线和滩槽位置基本保持稳定。

（2）南、北支河段河床冲淤演变表现明显差异性：因南、北支分流分沙比的巨大差异及其导致的南支落潮槽、北支涨潮槽的河槽特性，使得南支时间上变化呈整体趋于冲刷，阶段冲淤交替变化的特点，1998 至2019 年表现为持续冲刷，空间上整体表现为滩淤槽刷的特点，北支则整体趋于淤积，河道不断萎缩。

（3）南、北支河段河床演变具有一定相关性：2019 年与1958 年相比，南、北支河槽总容积仅增加3.45 亿m3，增加约4.1%，7 个年份平均值84.76 亿m3，波动幅度较小，河槽容积增加率明显小于2 m 线水域面积的减小率。

南、北支河段的河床演变受水沙变化和人类工程活动综合影响，随着南、北支河段断面形态、滩槽格局以及流域来沙的渐趋稳定，2 个河段河床演变整体向平衡稳定方向发展。未来长江口南、北支河道的保护和开发利用，应因势利导，因地制宜，进一步增强河床稳定性，重视流域来水来沙未来发展趋势对河口演变的影响，重视保护河口的滩涂湿地资源，在开发建设的同时，注重河口资源的可持续利用。