近十年来长江口北支动力地貌演化过程

朱 林，陈晓红，郭兴杰，徐 健

（1. 海洋出版社有限公司，北京 100161；2. 长江上海航道处，上海 200010；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072；4. 上海市水务规划设计研究院，上海 200233）

河口位于陆域、海洋和河流的过渡地带，拥有丰富的河道、滩涂、湿地等独特的河口生态资源，也是重要的水运航道。长江口呈“三级分汊，四口入海”基本格局[1]。北支位于长江口第一级分汊口北汊道，西起崇明岛头，东至入海口，全长约79 km，平面呈喇叭形，水深较浅，发育大量的心滩和边滩[2-3]，也是长江口重要的支航道之一。历史上长江口北支曾是长江口主要的分流汊道之一，但受河道两侧人类活动和长期地转偏向力的影响，北支处于不断淤涨衰退的演化趋势[2]，落潮分流比从1915年的15%转变为1959年的0.7%，并成为潮控型涨潮优势河道[4-5]，1999年以来的分流量稳定在1%以下[6]。由于长三角经济发展的需求，北支两岸经历大量围垦工程[7-8]。许多学者从北支水沙输运机制[9-11]、北支沉积物变化特征[8,12-13]、地形地貌演化[14-19]、人类活动影响[2,7-8]等方面进行了深入研究，但对近期北支演化特征研究较少，且相关分析在不同时期驱动因素也不尽相同，鉴于此，研究近年来北支河道演化特征具有重要的学术意义。

本文利用高分辨率单波束测深数据，并结合GIS分析方法对崇明东滩演化过程进行研究，希望解决以下问题：近十年来长江口北支演化特征；大型工程对地形演变的影响；长江口北支的滩涂湿地保护策略。

1 数据来源与研究方法

本文地形数据为长江上海航道处实测，定位系统采用SHCORS系统，利用单波束测深仪，仪器精度约（1～10 cm）±1%测深，并结合GPS接收机进行间距约1 km的断面测量，测深数据经过多潮位站修正。坐标采用理论最低潮面，北京54坐标。平面定位最大和最小误差分别约±1.99 m和±0.95 m。

采集数据通过ArcGIS软件中Kriging法进行插值和网格化处理，并建立DEM地形模型，在地形模型中提取断面，地形模型相减形成冲淤模型。数据选择年份为2007年和2017年，为更好地定量对比长江口北支的地形变化，本文研究区域选取固定面积的区域进行对比研究，具体边界位置见图1，选择固定边界内研究区定量计算体积，具体计算边界见图1b，相邻两年体积相减，得到体积差，与研究区面积相除，得到冲淤厚度，研究区泥沙容重选用1.4 t/m3[20]，计算北支冲淤厚度变化。

2 北支地形演化特征

2.1 历史地形演化

长江口北支河道的形成和演化与崇明岛的发育有较大关系，历史上北支大部分时期处于自然演化态势，人类活动影响较小，1915年北支上口0 m等深线河宽约5.8 km，-10 m等深线基本覆盖北支河段，分流比约占长江口整体径流量的25%；1954年由于长江大洪水的造床作用，南支河道被冲深加宽，南支分流比增加，而北支分流角继续增大，径流分流比减少，20世纪60年代后北支两侧围垦工程增加，加速了北支的萎缩程度，北支逐渐由河控型河道变化为潮控型河道，径流分流比逐渐下降至1%左右，潮流带来的泥沙逐渐淤堵河道，河道逐年淤浅[18,21]。

图1 研究区域示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

2.2 地形冲淤变化

图2 2007～2017年长江口北支冲淤变化Fig.2 Erosion and deposition changes in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

从图2长江口北支冲淤变化结果可见，2007～2017年地形变化可分为3个不同河段，分别为中上段、下段、口门段。北支中上段河道较窄，基本以侵蚀为主，局部河段淤积，近十年间冲淤变化在0.5～1 m之间，其中侵蚀范围明显大于淤积范围，最大侵蚀或者淤积区发生于靠岸一侧，侵蚀深度在1～2 m之间；中下段为淤积河段，此河段河宽逐渐加宽，发生明显的淤积，北侧淤积大于南侧，淤积厚度在0.5～1 m之间，河道中间形成了一个窄的侵蚀条带，条带侵蚀深度在1 m以上；口门河段呈“北冲南淤”态势，存在明显的冲淤分界线，侵蚀区范围略大于淤积段范围，北侧侵蚀深度在0.5～1 m之间，而南侧淤积厚度大部分大于1 m。

2007年长江口北支河道容积约为0.66 km3，2017年河道容积增大，约为0.67 km3，研究区十年内侵蚀量为13.97×106t，研究区面积为218.61 km2，年均侵蚀速率为0.46 cm。

2.3 典型断面变化特征

在研究区内选择5个典型断面进行分析，其中AA’断面在北支上口门，分析河道径流入口断面变化，BB’和CC’断面都在北支河道转折位置，在转折角两侧分别进行断面分析，DD’断面位于淤积区，位于崇启大桥西侧位置，EE’断面位于北支下口门位置，监测口门断面变化。

AA’断面两侧变化相反，江苏省浒通港一侧发生明显淤积，岸边最大淤积厚度约8 m，而崇明岛一侧发生侵蚀，最大侵蚀厚度在3 m左右（图3a）；BB’断面在江苏省中兴村一侧发生侵蚀，侵蚀深度在3 m左右，而崇明岛一侧发生淤积，淤积厚度在1.5 m左右（图3b）；CC’在靠近江苏省崇海镇一侧发育有一条深泓，在2007～2017年间深泓发生侵蚀增加，最大侵蚀深度在3 m左右，深泓宽度也增宽，而崇明岛一侧没有明显的冲淤变化（图3c）；DD’断面位于淤积区，在2007年河道中间发育有一个心滩，但是在2017年，心滩基本消失，周围发生明显淤积，淤积厚度在1 m左右（图3d）；EE’断面位于北支下口门，靠近江苏省江海村一侧发生明显侵蚀，侵蚀深度在1.5 m左右，而崇明岛一侧发生淤积，淤积厚度在0.5 m左右，整体侵蚀略大于淤积（图3e）。

3 北支演化驱动因素

从上述结果可知，2007～2017年间长江口北支近年来整体呈侵蚀态势，局部中上段发生侵蚀，下段发生淤积，口门段发生“北冲南淤”变化特征。一般而言，河势的稳定是由于水流、泥沙和地形长期相互作用的结果，任何一个因素的改变都会打破河流原有的态势。近年来长江口演化受人类活动影响明显，人类活动打破原有的河流演化平衡，后河道经过自适应演化再次达到新的平衡，整个演化过程为平衡—不平衡—平衡[3,22]。

3.1 泥沙来源及与地形冲淤的关系

图3 2007～2017年长江口北支典型断面水深变化Fig.3 Water depth changes of typical sections in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

动力和泥沙来源是决定河道演化的主要因素，北支的水沙来源一般为长江径流输入和近海沿岸流输送。由于1954年大洪水对南支的冲刷作用，南支河道扩大，基本成为长江径流的主要分流口，加之20世纪60年代后，北支两侧大量围垦工程的建设，北支的径流分流比减少至1%左右，北支河道与长江主河道夹角基本接近90°（图4），所以减少了北支中径流携带的泥沙量，但流域输沙仍然是北支重要的泥沙来源之一。由于长江上游拦水大坝工程、南水北调工程和一些水土保持工程的实施，长江泥沙输运量减少至过去的28%[3,23]，长江口整体悬沙含量较低，而根据赵捷等[4]分别于2009年和2010年在长江口徐六径、南支崇西、北支永隆沙悬沙观测可知，长江口徐六径悬沙含量最低，北支永隆沙悬沙含量远大于南支崇西，最大悬殊在10倍以上，且北支口外存在苏北沿岸流，苏北沿岸流搬运废黄河三角洲泥沙，输送至长江口[24]，在涨潮作用的输送下，进入北支，导致北支淤积变浅，是北支淤积的另一个重要物源之一。

图4 长江口北支上口分流角特征Fig.4 Diversion angle’s characteristics of upper entrance in the North Branch of Yangtze River Estuary

北支中上段以侵蚀为主，下段以淤积为主，根据北支的两个泥沙来源，径流输沙减少可能是导致北支中上段侵蚀的主要原因之一，而沿岸流输沙为北支下段淤积提供了物质基础。

3.2 河道形态影响

河道形态也是决定地形演化的主要因素，根据前述结果可知，北支中上段冲刷，下段淤积，中上段河宽较窄，下段逐渐变宽，动力减弱，涨潮流泥沙在中下段大量淤积，上溯的过程中，随着河宽变窄，流速增大，动力增强，泥沙不容易落淤，所以导致中上段侵蚀大于淤积。

长江口北支上段基本为侵蚀态势（图5a），在北支河道转角位置也出现典型的“凹岸冲刷、凸岸淤积”现象（图5b），局部河道由于从窄河道进入宽河道后发生淤积现象。

图5 长江口北支重要河段冲淤变化Fig.5 Erosion and deposition changes of the important sections in the North Branch of Yangtze River Estuary

3.3 地转偏向力影响

北支河道主要由涨潮流控制[7,19]，尤其是口门位置，涨潮流动力较强，在地转偏向力的作用下，涨潮流向右偏转，动力较强，导致江苏省一侧发生侵蚀，而崇明岛一侧主要由落潮流影响，北支落潮动力较弱，发生淤积现象，而南侧为崇明东滩位置，近年来崇明东滩基本为淤积态势[3]，河道宽阔、地转偏向力和多汊道交汇共同作用导致南侧发生淤积现象。

3.4 人类活动影响

人类活动已成为影响长江口地形演化的主要驱动因素之一，滩涂围垦是典型的长江口人类活动，也是河口演化的主要驱动力。崇明北侧边滩是长江口重要的围垦区之一，也是上海市主要的土地来源之一，从1958～2005年间，北支两侧进行了大量的围垦工程（表1），共计围垦491.4 km2。本文研究时间为2007～2017年，通过文献[3]遥感影像可知，崇明北沿在2011～2017年间北支两侧仍然进行了大量围垦工程。

表1 长江口北支滩涂围垦统计Table 1 Statistics of tidal flat reclamation within the North Branch of Yangtze River Estuary

北支两侧的围垦工程极大的束窄了河道河宽，也减弱了河道的摆动幅度，加速了河道的淤积萎缩程度，其次口门位置河宽较大，2007年存在一条明显的潮流沙脊，此区域为明显的涨落潮主流路不同的复式河道，由于北支口门南侧围垦工程的实施[3]，束窄了河道，此区域发生明显的淤积现象，但是河道中间的潮流沙脊基本消失（图6）。

图6 2007～2017年间长江口北支下段潮流沙脊消失特征Fig.6 Disappearing characteristics of tidal sand ridge at the lower section in the North Branch of Yangtze River Estuary from 2007 to 2017

北支在2007～2017年间发生整体侵蚀，与过去淤积[7,17-19]演化趋势不同，北支口门位置崇明东滩发生淤积，且其主要沙源来自海域来沙，且北支口内悬沙量并未发生明显减少，但是整体侵蚀却大于淤积，可能与近期周围大量围垦工程相关，围垦工程就近河道采集泥沙进行促淤，导致长江口北支发生持续侵蚀，在长江大保护的号召下，北支两侧围垦工程将逐渐减少，未来北支受海域来沙的长期影响，淤积衰退仍然是北支的主要演化趋势。

4 北支滩涂湿地及其保护建议

过去长江流域输沙量丰沛[1]，且自南北支分流口工程的建设和北支的围垦工程的开展，北支过去一直为淤浅的发育态势，所以发育有大量的滩涂湿地。20世纪70年代，特别是2003年三峡工程后长江入海泥沙通量急剧下降[23]，2007～2017年长江输沙率为128×106t/a左右，较三峡工程前减少约70%[25]，长江口北支发生“中上段侵蚀，下段淤积”的发育态势，整体侵蚀大于淤积，极大地影响到北支滩涂湿地的发育[26]。

北支的滩槽地形受到流域输沙减少和工程采砂的双重胁迫，近期发生侵蚀，为保护长江口滩涂湿地，首先，沿江省市需坚持“长江大保护”国家战略，减少北支河槽的工程采砂；其次，由于北支两侧分别由江苏和上海分别管理，在北支的保护中需上海和江苏协同进行，借助“长三角一体化发展战略”，两省市协同管理和保护北支的滩涂湿地。

5 结论

本文收集2007～2017年间高精度实测地形数据，并利用GIS分析方法研究长江口北支的演化特征，结合北支周围水沙输送、河道形态和围垦工程等影响因素进行分析，得出以下结论：

（1）长江口北支在2007～2017年间整体发生侵蚀，其中，中上段侵蚀明显，下段轻微淤积，入海口门呈“北冲南淤”的特征，期间共侵蚀泥沙量约13.97×106t，年均侵蚀厚度约0.46 cm，侵蚀峰值发生于北支上段，年均最大侵蚀为10～20 cm。

（2）影响北支演化的主要泥沙物源来自长江流域和苏北沿岸流的泥沙输送，河道转角位置发生明显的“凹岸冲刷、凸岸淤积”现象，丰沛的悬沙和较弱的动力条件是导致北支下段淤积的主要原因。

（3）北支两侧的围垦工程对河道的演化影响日趋增大，长江口北支上口分流角变化是引起径流动力减弱的主要原因，大量围垦工程的河道采集泥沙可能是引起研究期间河道侵蚀的主要原因。

（4）建议未来坚持“长江大保护”和“长三角一体化”国家战略，减少北支周围的工程采砂，长三角省市协同保护北支的滩涂湿地。