长江口横沙浅滩演变及水沙变化特征研究

孙 鹏，白 一 冰，刘 星 璐，丁 佩

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120； 2.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，江苏 南京 210029； 3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

0 引 言

长江口三级分汊四口入海，滩涂与汊道交错共容。目前长江口入海处主要滩涂有启东边滩、崇明浅滩、横沙浅滩、九段沙和南汇边滩共五大浅滩，其中崇明浅滩、横沙浅滩和九段沙为汊道间心滩，对河势格局具有控制作用；崇明浅滩和九段沙为国家级湿地保护区。但横沙浅滩功能定位目前留白，具有一定的建设发展空间。

已有学者研究表明，近60多年来长江口滩地区域呈显著增长态势[1]。2000年之后，在上游流域来沙减少的大背景下，长江口悬浮泥沙含沙量也相应减小[2]，三角洲前缘区域由淤积逐渐转化为侵蚀状态[3]。但近年来建设的众多河口工程增加了局部区域动力学模式的复杂性[4]，部分滩地演变趋势受到人类工程的影响较大[5]。Luan[6]和Jiang等[7]探讨了北槽深水航道治理工程的实施对长江口水域的影响，认为工程的实施有利于横沙浅滩淤积环境的形成。Zhu等[8]通过不同时期的历史影像研究，认为在2010年横沙浅滩面积达到最大，其演变受人类活动影响较大。关于横沙浅滩未来的开发利用方面，刘杰等[9]基于前人对长江口北槽横沙浅滩滩槽及河势演变分析，探究了长江口深水航道治理工程的开发进度以及其对周边环境河势的影响，提出并讨论了横沙浅滩中长期开发利用的可行性。陈吉余等[10]认为横沙区域的自然条件经过人工改造具有开发基础，利用横沙浅滩促淤成陆，建设河口深水大港和新的城区，可以解决上海土地和港航资源开发不足的瓶颈。与此同时，包起帆等[11]探讨了上海港未来的发展之路，以横沙浅滩为依托，提出了建设深水新港的构想，之后曹慧江[12]、路川藤[13]、罗小峰等[14]分别探讨了横沙浅滩建港的不同方案，探讨了建港之后对周边水动力、泥沙输移的影响。

可以看出，目前针对横沙浅滩的历史演变及未来开发利用已有了较多研究，但由演变引起的浅滩及周边水域的水沙变化特征研究较少，而自然演变与水沙变化均是滩槽互馈机理研究的基础，具有重要的研究意义与价值。本文以横沙浅滩为研究对象，采用实测数据与数学模型相结合的方法，研究不同历史时期横沙浅滩及周边水域的水沙变化特征，以期为横沙浅滩的保护、开发和利用提供理论依据和技术支撑。

1 研究区域

横沙东滩(含横沙浅滩)位于长江口横沙岛东缘(见图1)，属于长江口五大浅滩之一，横沙岛与滩体由西向东舌形分布(见图2)。20世纪50～70年代，长兴岛和横沙岛形成，下游浅滩被冲开，形成北槽，北槽南侧滩地发展为九段沙，北侧滩地统称为铜沙浅滩，经20世纪80年代海岛调查后又分为横沙东滩和横沙浅滩。随着横沙东滩滩涂整治工程的实施，通常情况称N23潜坝西侧为横沙东滩，东侧称为横沙浅滩，本文研究的主要区域为横沙浅滩。

图1 长江口滩槽位置示意Fig.1 Schematic diagram of the tidal flat location at Changjiang River Estuary

图2 横沙浅滩位置示意Fig.2 Location of Hengsha tidal flat

2 横沙浅滩演变特征

2.1 等深线变化

由于横沙浅滩南侧为北槽北导堤，西侧为N23潜坝，这两个工程均在1998年之后才实施，故横沙浅滩近期的演变与此两个工程息息相关。横沙浅滩-2 m等深线变化见图3。1998～2003年间，浅滩-2 m等深线整体向北缩窄，向东扩展。N23护滩潜坝于2003年实施完成，一定程度上增加了潮波传播阻力，使得横沙浅滩区域水流减弱，利于泥沙淤积。2003～2007年，横沙浅滩-2 m等深线向东偏移了约5 km。自2007年之后，横沙浅滩-2 m等深线南北向维持稳定，东侧缓慢淤涨。

图3 横沙浅滩-2 m等深线近期变化Fig.3 Isobath (-2 m) changes of Hengsha tidal flat

1998～2019年横沙浅滩-5 m等深线变化见图4。受北槽南北导堤与N23潜堤等建设的影响，1998～2007年间，-5 m等深线表现为北侧维持稳定，东南侧持续淤涨，横沙东滩呈淤积趋势，其中东南角最大外移距离约4 km。自2007年后，-5 m等深线的东侧和北侧形态基本稳定，随着北槽深水航道治理工程的实施，受北导堤沿堤流的影响，-5 m等深线南侧持续蚀退，滩体与北槽北导堤间形成明显的冲刷带，且形成逐渐向上游发展态势。

图4 横沙浅滩-5 m等深线近期变化Fig.4 Isobath (-5 m) changes of Hengsha tidal flat

2.2 断面形态变化

横沙浅滩断面水深分布见图5(断面位置见图2)，其中DM1断面在1998～2003年整体表现为冲刷状态，冲刷幅度呈中间向南北两侧衰减分布，最大冲刷约为1.5 m。2003～2010年间靠近北港侧淤涨，水深恢复至1998年水平，中间局部地区呈冲刷状态，最大冲刷深度约1.6 m；2010～2016年除中间3 km段沙体淤涨(淤积程度最大为1.8 m)，两侧基本处于冲刷状态，局部冲刷幅度最大为3 m左右；2016年后基本处于冲淤平衡状态。1998～2019年断面平均冲刷厚度为0.51 m，冲淤形态表现为中部约3 km淤积，两侧冲刷。DM2断面在1998～2003年间两侧沙体冲刷，最大冲刷深度为0.83 m，中间4 km段沙体淤涨，最大淤积1.35 m；2003～2010年，两侧沙体微淤，幅度均小于0.5 m，中段9 km沙体大幅淤涨，最大淤积幅度达2.14 m；2010年之后冲淤在局部稍有不同，总体变化较小，断面平均冲淤幅度小于0.2 m。1998～2019年断面平均淤积厚度为0.32 m，冲淤形态表现为中部约6 km淤积，两侧冲刷。DM3与DM2断面变化较为类似，表现为中间沙体淤积、两侧冲刷，随着时间的推移，中段沙体淤积程度逐渐增加，最大淤积幅度达3.1 m；在靠近北槽一侧，受沿堤流的影响，在2003年之后形成明显的冲刷槽，最大冲刷深度约1.9 m。1998～2019年断面平均淤积幅度为0.66 m，冲淤形态表现为中部9 km淤积，两侧冲刷。DM4断面近北槽侧受沿堤流影响，最大冲刷深度达2 m，其他区域均为淤积状态，断面中部淤积幅度最大达1.9 m，其中1998～2010年淤积幅度较大，断面平均淤积达0.93 m，之后随着时间的推移，持续淤积，增幅减缓。1998～2019年断面平均淤积厚度为1.01 m，除近北槽侧的冲刷带，其他区域均为淤积状态。

图5 横沙浅滩不同年份断面水深分布Fig.5 Water depth distribution of Hengsha tidal flat in different years

总体来看，横沙浅滩沙体1998～2010年整体呈现淤积状态，中心沙体区域淤积程度较大，2010年后靠近北港侧的沙体上游侵蚀，下游微淤，靠近北槽侧沙体下游区域由于受到北导堤沿堤流的影响形成了一定宽度的冲刷带，2016～2019年沙体断面形态总体变化程度较小。

2.3 沙体体积变化

统计多年横沙浅滩沙体体积的变化如图6所示，统计范围为N23护滩堤以东部分的-2 m、-5 m等深线以上沙体。从图中可以看出，1998～2019年，横沙浅滩沙体体积有所增大，-5 m以浅沙体体积共增加0.88亿m3，-2 m以浅沙体体积增加0.52亿m3。从全过程来看，1998～2019年，沙体体积变化过程呈先增大后减小的趋势，-5 m以浅沙体体积在2010年达到最大，2010年后呈冲淤交替的状态，整体表现为冲刷状态；-2 m以浅沙体体积变化过程与-5 m有所差别，-2 m以浅沙体体积在2015年左右达到最大，之后有冲有淤，总体表现为冲刷状态。

图6 横沙浅滩不同年份沙体体积统计Fig.6 Sand volume of Hengsha tidal flat in different years

3 横沙浅滩水沙变化特征

3.1 数学模型的构建

由于横沙浅滩水域历年来水文测验资料较少，难以直接采用实测水文资料分析该水域的水沙环境，因此采用数学模型进行研究。

本次数学模型选用CJK3D软件构建。该软件适用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水动力、泥沙、水质、温排、溢油模拟预测研究，其二维水动力泥沙方程可表示为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：t为时间，s；x，y为笛卡尔坐标系空间坐标，z为水面高程，m；H为总水深，m；h为水深，m；u，v为流速在x，y方向上的分量，m/s；f为科氏系数，s-1；g为重力加速度，m/s2；ρ为水体密度，kg/m3；C为谢才系数，m1/2/s；Nx，Ny为x、y向水流紊动黏性系数，m2/s；S为悬浮泥沙浓度，kg/m3；Kx，Ky为水平紊流扩散系数，m2/s；ωs为泥沙平均沉降速度，m/s；α为泥沙沉降几率，%；Q为泥沙源强度，kg/(m2·s)。采用非结构网格有限体积法对方程(1)～(4)进行离散求解，具体数值求解方法参见文献[15]。

模型研究范围见图7。为更好地模拟横沙东滩及其周邻水域，本次模型包括整个长江口和杭州湾在内，上游边界至安徽大通，南侧边界至浙江台州，北侧边界至江苏盐城，东侧至横沙岛外约240 km，模型总长超过700 km，宽约630 km。模型采用三角形网格作为控制单元，共78 146个网格，最大网格边长约为18 800 m，横沙浅滩水域网格加密，最小网格边长约为100 m。

图7 模型范围示意Fig.7 Schematic diagram of model scope

选用长江口多年典型固定测站点数据作为验证资料，站点数据稳定，应用广泛，可很好地反映长江口区域的水流运动。采用2017年7月10～19日实测同步水文资料对模型进行验证，潮位站点及水文测验垂线位置参见图8，潮位、潮流及含沙量验证见图9～11。为直观分析评价数值模型的精度，采用均方根误差RMSE对模型计算结果和实测资料进行统计分析，误差统计结果见表1，计算公式如下。

表1 模型验证误差统计结果Tab.1 Statistical results of model validation error

图8 模型测验点示意Fig.8 Schematic diagram of model test points

图9 潮位验证Fig.9 Tidal level verification

图10 潮流验证Fig.10 Tidal current verification

图11 含沙量验证Fig.11 Verification of sediment concentration

(5)

式中：Zcal和Zobs分别表示潮位的模拟值和实测值，N为实测数据点个数。

由验证结果及表1均方根误差统计结果可以看出，潮位与潮流的模拟结果值与实测值的吻合度都很好，长江口的潮汐类型为不规则半日潮，每天都有两次涨潮两次落潮的过程。含沙量的计算结果与实测值量级一致，平均含沙量的最大误差为23%，发生在NG3′测点。总体来看，模型验证良好，能够反映长江口附近海域的潮流运动。

设置3组数值试验工况，分别选取1998年、2010年、2016年长江口实测地形资料为工况计算水深条件，通过数学模型研究横沙浅滩不同时期的水沙条件。数学模型上游径流分别采用多年洪季平均流量(5～10月)3.7万m3/s和枯季平均流量(11月至次年4月)1.7万m3/s两种计算条件，外海边界为潮汐水位驱动，选用典型大潮潮型，其中鸡骨礁站潮差为4.26 m。

3.2 水动力变化特征

图12为洪季涨落急时刻流向变化。图13为洪季条件下横沙浅滩周边-5 m等深线以深水域流速变化(采样点位置见图12)，洪季和枯季流速变化趋势较为一致，涨、落急与平均流速变化趋势基本相同，故本节仅以洪季涨、落急流速变化为代表进行讨论。受圈围工程缩窄河道的影响，横沙东滩整治区北侧(DW1～DW3)涨、落急流速均呈逐渐增大趋势(涨急为涨潮最大流速，落急为落潮最大流速，下同)，其中上游区域DW1涨急流速增幅达40%。受N23潜坝和周边工程的作用，浅滩北侧(DW4～DW5)采样点自1998～2010年，落急流速增大，其中浅滩北侧DW4落急流速增加17%，2010～2016年间维持稳定。浅滩东侧(DW6～DW8)涨落急流速均有所减弱，减小幅度在10%左右。冲刷带上游区域(DW10)落急流速呈减小趋势，1998～2016年减小约为20%。

图12 洪季流向变化(红色为1998年，蓝色为2016年)Fig.12 Variation of flow direction during flood season(red：1998，blue：2016)

图13 横沙浅滩周边-5 m以深水域流速变化Fig.13 Variation of flow velocity in water below -5 m around Hengsha tidal flat

图14为洪季横沙浅滩-5 m等深线以浅水域涨、落急流速变化。由图14可知：受北槽北导堤及N23潜堤的影响，涨急时横沙浅滩-5 m等深线以浅水域，除浅滩西北区域HS3点流速增大外，其余大部分采样点流速呈减小趋势，减小幅度在10%～20%之间；落急时，变化过程与涨急基本类似。

图14 横沙浅滩周边-5 m以浅水域流速变化Fig.14 Variation of flow velocity water above -5 m around Hengsha tidal flat

3.3 含沙量变化特征

图15为横沙浅滩周边-5 m以深水域平均含沙量变化。由图15可知：各水域洪季平均含沙量整体高于枯季，不同时期含沙量变化趋势基本一致，故以下仅以洪季变化为代表进行讨论。横沙浅滩周边-5 m以深水域，北港下段横沙东滩整治区北侧(DW1～DW3)处，1998～2010年间含沙量有明显降低，上游区域由1.27 m3/kg降低为1 m3/kg，降幅达21%，2010～2016年变化较小。浅滩北侧(DW4～DW6)处，含沙量维持稳定。浅滩东侧(DW7～DW10)以及北导堤北侧冲刷带处，含沙量持续降低，尤其是冲刷带处，1998～2010年，平均含沙量降低接近40%，2010～2016年，呈持续降低趋势，降幅减小至10%。图16为横沙浅滩-5 m以浅水域平均含沙量变化。1998～2010年，除浅滩西北角HS3点外，其他各采样点含沙量整体降低，这与流速的变化趋势较为一致。其中浅滩西南角处降幅最大达46%，其他区域降幅均在10%～20%之间。2010～2016年，除浅滩西北部HS3、HS4点含沙量略有升高外，其他区域含沙量持续降低，降幅均在10%左右。总体来看，除局部区域外，横沙浅滩及周边水域含沙量整体呈降低趋势，结合实测资料结果及水动力的变化特征分析，横沙浅滩面临侵蚀风险，未来需要加强关注沙体的稳定性，这也与文献[16]中沙体未来的演变趋势预测一致。

图15 横沙浅滩周边-5 m以深水域含沙量变化Fig.15 Variation of sediment concentration in water below -5 m around Hengsha tidal flat

图16 横沙浅滩周边-5 m以浅水域含沙量变化Fig.16 Variation of sediment concentration in water above -5 m around Hengsha tidal flat

3.4 浅滩演变及措施

(1) 长江口近年来含沙量变化。由于横沙浅滩缺少现场含沙量观测资料，因此通过分析长江口主要汊道含沙量变化作证本文研究成果。1999～2017年多年含沙量变化可参考文献[17]，三峡工程实施后，南支、南港、北港、南槽含沙量水平明显减小，北槽拦门沙区段因特殊动力因素，含沙量变化较小。总体来看，长江口含沙量水平总体呈降低趋势。本文横沙浅滩含沙量变化研究成果与长江口大环境含沙量变化趋势一致。

(2) 工程影响。从数学模型的水沙变化中也可以看出，1998～2016年间横沙浅滩区域内整体潮流动力减弱，含沙量降低；1998～2010年间北槽深水航道工程的实施改变了浅滩区域的水流结构，浅滩区域形成一定的淤积环境，在此时段内，浅滩沙体等深线向外扩展，沙体体积逐渐增加，这也与前人的研究成果相同[6-7]。北槽深水航道工程于2010年验收，工程实施的影响减弱，之后浅滩演变受上游来沙及浅滩区域内水沙动力影响较大，浅滩-5 m以上沙体体积于2010年达到最大，-2 m以上沙体体积于2015年达到最大，2015年后浅滩沙体已出现一定的侵蚀现象。未来在长江口边界以及水沙条件不变的条件下，横沙浅滩有可能进一步发生侵蚀。

(3) 应对措施。目前北槽深水航道疏浚土大多作为废弃物直接外抛至海洋，仅一小部分通过吹泥上滩实现疏浚土的资源化利用[18]，造成了疏浚土资源的极大浪费。可将横沙浅滩保护与长江口北槽疏浚土利用相结合，提高疏浚土的资源化利用，重构横沙浅滩生态滩面，实现对长江口区域浅滩资源的有效维护。

4 结 论

本文以长江口横沙浅滩为研究对象，基于多年的实测资料，分析了横沙浅滩近期的演变特征，并通过建立大范围的数学模型，探讨了横沙浅滩及周边区域的水沙变化特征，形成以下基本认识。

(1) 1998～2010年，横沙浅滩淤积较为明显，中心沙体区域淤积程度较大。-2 m和-5 m等深线整体向东扩展，-5 m以浅沙体体积在2010年达到最大。2010年之后，横沙浅滩上游微冲，下游微淤，-2 m等深线继续向东扩展，-2 m以浅沙体体积在2015年左右达到最大，-5 m等深线基本维持稳定，之后浅滩沙体体积表现为侵蚀状态。

(2) 三峡工程实施后，长江口上游区域含沙量大幅降低，拦门沙区段水体受影响较小。横沙浅滩周边-5 m等深线以深水域，横沙东滩整治区北侧流速总体增大，含沙量降低，浅滩东侧流速整体减小，含沙量降低，北导堤北侧冲刷带处，涨急流速整体增大，落急流速减小，含沙量持续降低；横沙浅滩-5 m等深线以浅水域，大部分区域流速和含沙量呈持续减小趋势。

(3) 横沙浅滩未来面临侵蚀风险，可考虑利用航道疏浚土资源改善滩体结构，预防滩涂资源流失，稳定周边河势，为未来浅滩的开发利用提供有利条件。