长江口横沙浅滩挖入式港池与入海航道区域海床稳定性分析

虞志英， 张志林， 金 鏐， 徐海根， 李身铎

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，上海 200213；3.交通运输部长江口航道管理局，上海 200003）

0 引 言

拟议中的横沙浅滩挖入式港池和出口航道，位处长江口北港、北槽两汊道之间的横沙浅滩以及水下三角洲海域.

众所周知，长江河口为水丰沙多的中等潮汐河口，数千年来承受长江流域数以亿万吨计泥沙的下泄沉积，发育了巨大的陆上和水下三角洲，随着水下三角洲的不断向海延伸，前缘水深已达－30～－50 m处.长江口历史演变经历了一个河口分汊，沙洲并岸，河口束狭，河槽加深的过程，才形成了目前三级分汊、四口入海的格局［1，2］，在河口口门区则覆盖广为发育的河口拦门沙沉积区，挖入式港池拟选的横沙浅滩则是其中一个组成部分.

设想中的上海国际航运中心横沙浅滩挖入式港池和航道的建设规模，是世界级的深水大港，对自然和环境条件具有特殊要求，其中选址所在的横沙浅滩和水下三角洲的海床地形稳定性及所在区域的水动力条件，以及沉积特性，是建港可能性中必需具备的重要基础.对此本文专门就横沙浅滩和水下三角洲海床地形的稳定性作出分析研究.

1 横沙浅滩地形稳定性

横沙浅滩与横沙东滩相连，原有横沙串沟分隔.横沙浅滩介于长江口北港与北槽两大入海汊道之间，与崇明浅滩和九段沙浅滩同为长江口三大浅滩之一，均位于长江口拦门沙沉积区内（见图1）.

19世纪初，当时横沙岛尚未露水（见图2），横沙东滩、横沙浅滩与九段沙统称铜沙浅滩，横贯在长江口门.至19世纪中叶，横沙岛露水（见图3），1880年开始围垦，1908年成陆面积16 km2，成陆后，受东南季风波浪和潮流侵蚀，岛东南部冲刷，沙体向西北方移动，至1958年累计移动了约10 km.1931年前长江口北港成为入海主汊，横沙岛及相近的横沙东滩，与东部横沙浅滩分离，中间由横沙串沟相隔.1931年后，长江主汊由北港改为南港，由洪水形成的落潮槽成为北槽上段.以后又受1949年、1954年两次特大洪水的作用（大通站洪峰流量分别达68 500 m3／s、92 600 m3／s），在横沙东滩与九段沙之间形成上下贯通的北槽，成为长江口又一条新生的入海汊道（见图4）.

此后的数次洪水作用（1973年、1983年和1988年），在北港与北槽之间水面横比降作用下，北港水、沙越横沙东滩而入北槽，加大了北槽的进一步发展，同时促使横沙东滩与横沙浅滩间串沟发育扩大，直至北槽最终被选为长江口深水航道［3］.1998年开始修建深水航道南北导堤工程，横沙串沟被堵并淤浅消亡，横沙浅滩与横沙东滩相连.同时，横沙浅滩滩面下泄潮流受北导堤阻挡产生沿堤流，导堤北侧形成水深可达5～7 m以上沿堤冲刷沟槽，成为横沙浅滩滩面重要的向海泄水泄沙通道.2003年在原横沙东滩串沟以东建成长达8 km的N23南北向促淤潜堤，以后又开始对横沙东滩实施促淤圈围工程和北导堤加高工程，整个横沙东滩均置于围堤工程之下被人工稳定.N23潜堤东部的横沙浅滩区，除西、南两边缘分别被N23潜堤和北导堤所固定，北侧仍置于北港水流作用之下，东侧则向大海开敞，在风浪和潮流的作用下对横沙浅滩的冲淤产生影响（见图5）.

图1 长江口形势图Fig.1 The map of Yangtze River Estuary

图2 1842年长江口图Fig.2 The 1842 map of Yangtze River Estuary

图3 1864—1869长江口图Fig.3 The map of Yangtze River Estuary（1864—1869）

图4－1 1945年长江口北槽形成前后河势图Fig.4－1 Bathymetry map of the Yangtze River Estuary in 1945

1.1 横沙浅滩面积的变化

横沙浅滩是在历史上早已存在的铜沙浅滩基础上稳定发育的河口浅滩，其位置长年很少变化，尤其是1998年长江口深水航道工程建设以来，横沙浅滩西侧边界受N23促淤潜堤人工固定，南侧则以深水航道北导堤为界成为稳定边界，仅有北侧和东侧边界受江、海水动力影响，从1997年、2002年、2010年三次实测地形资料以－5 m等深线为代表的横沙浅滩边线的变化进行比较，横沙浅滩北侧处于弱淤涨状态，东北侧稍有冲刷，东南侧受下滩流影响，－5 m滩线逐渐向东南方向呈舌状外伸淤涨.其主要原因，与近年来北港主泓变化有关.由于北侧滩边线横沙东滩段北港主泓南靠，形成凹岸冲刷（见图6），主泓向东进入横沙浅滩区.

图4－2 1958年长江口北槽形成前后河势图Fig.4－2 Bathymetry map of the Yangtze River Estuary in 1958

图5 横沙东滩和横沙浅滩工程分布Fig.5 Eastern Hengsha shoal and Hengsha Shallow shoal

因受N23潜堤坝头挑流，主泓偏离横沙浅滩一侧，造成滩边线稳定淤涨外伸，外伸速度年均约0.25 km.东南侧则受到横沙浅滩滩面东南向落潮归槽水流冲刷影响，带动滩面泥沙向东南方向推移，形成了舌状砂咀状淤积体向东南方向延伸，－5 m等深线年均延伸达0.4 km左右，前端已延伸至北导堤堤头附近.而介于浅滩北侧和东南侧淤涨区之间的横沙浅滩东北侧，处在来自东北东向波浪顶冲以及近岸强潮流作用下，不再淤涨，而是处在冲刷状态.从横沙浅滩－5 m等深线的变化（见图7）得出，－5 m等深线所包络的横沙浅滩面积见表1.

图6 北港主泓线变化Fig.6 Change of main channel in the North Channel

图7 －5 m等深线变化、面积Fig.7 The changes of－5 m Isobaths change and its enclosed area from1997 to 2010

表1 横沙浅滩－5m滩线包络面积变化Tab.1 Changes of Hengsha shoal－5 m isobath enclosed area

表1和图7反映了自长江口深水航道工程建设以来，横沙浅滩－5 m等深线所包络面积和范围.由图、表可见2002年以前少有变化，至2010年，局部淤涨，浅滩面积缓慢增加，8年增加了33 km2，年均约4 km2，占浅滩面积约1.3%.由此可以认为：横沙浅滩－5 m滩边线平面位置及其包络的浅滩面积，自长江口深水航道等大型工程实施以来，基本处在稳定状态，这将为未来挖入式港池的平面规划提供了稳定的边界条件.

1.2 横沙浅滩滩面地形冲淤

横沙浅滩与西侧的横沙东滩，均为介于长江口北港与北槽之间的沙洲浅滩.在长江口深水航道工程以及横沙东滩圈围工程以前，受上游来水来沙影响，北港、北槽间滩槽泥沙横向交换甚为强烈，又受到外海波浪及强潮流作用，横沙浅滩滩面长期受到冲刷，沉积物粗化，滩面地形处在自然冲淤状态下.自1998年后长江口深水航道工程、N23促淤潜堤和横沙东滩圈围工程先后实施，横沙浅滩边界受人工工程的制约，大大改变了浅滩滩面的水、沙条件和滩槽间泥沙交换的途径和强度.由于主要受到来自北港主泓偏离以及N23潜堤阻流影响，在浅滩北沿形成东北西南走向的长形淤积带，在滩面落潮主流作用下，浅滩中、南部发育呈脊、槽相间的波状地形，在浅滩南沿顺北导堤一侧，发育沿堤流沟槽，整个滩面高程北高南低，在横沙浅滩东侧，面向外海，受波浪及强潮流作用，－5 m以深的滩坡变陡.

2006—2010年横沙浅滩实测地形对比显示（见图8），四年间滩面共冲刷泥沙3 325万m3，淤积14 884万m3，净淤积11 559万m3，年均淤2 889.75万m3，平均淤高13.5 cm／年.

图8 2006—2010年冲淤图Fig.8 The sedimentation change from2006 to 2010

再从2010—2012年两年间测图对比（见图9），其间共冲刷7 193万m3，淤积1 793万m3，净冲刷5 400万m3，年均2 700万m3，平均冲刷厚度12.6 cm／年.从这两个时间段内的冲淤变幅来看，无论是冲刷或是淤积，横沙浅滩年均冲淤厚度均在20 cm／年以内（计算横沙浅滩面积，均按2010年－5 m线以上面积），足以说明横沙浅滩滩面的冲淤强度基本处在相对稳定状态，反映了近年来长江流域来沙量的持续减小状态下，以及在长江口深水航道及横沙东滩圈围工程后横沙浅滩水动力及泥沙运动明显削弱，直接造成滩、槽泥沙交换和冲淤强度不断调整并趋于缓和.

图9 2010—2012年冲淤图Fig.9 The sedimentation change from2010 to 2012

目前，横沙浅滩滩面基本稳定，为今后挖入式港池的实现提供了较为有利的地形环境.

2 水下三角洲海床地形稳定性

横沙浅滩挖入式港池的出海外航道，初步考虑拟选在横沙浅滩东侧鸡骨礁以北，暂按正东方向向水下三角洲海床－5 m～－25 m水深区延伸，全长约25～30 km，平均滩坡0.77‰.若以鸡骨礁为起点，自122°20′～122°40′间不同水深间距离和坡度列于表2.

表2 拟选外航道长度、坡度统计Tab.2 The parameters of channel length and slope

据表2可知，在全长26.4 km距离内，拟选外航道轴线，平均坡度0.77‰，不足千分之一，床面十分平坦.历史上，长江水下三角洲发展过程中的地形变化是随着长江流域来沙的不断下泄淤涨所致，而外涨速度又与年际间入海泥沙量和各汊道间分水分沙相关.19世纪中叶的长江口海图显示，当时长江口主泓由南港入海，北港与南支受浅滩阻隔，北港口门拦门沙在佘山以西约13 km，水深达－8～－9 m，－10 m等深线在南港以外的鸡骨礁外2.8 km处.1860—1880年长江主泓由北港入海，北港分水分沙倍增，北港北侧崇明东滩迅速外涨，此时－5 m等深线已外推至距佘山岛5 km外，推进了8 km，北港口外－10 m线向东南方向呈“舌状”伸出，而南港口外相应发生冲刷，－5 m等深线距牛皮礁10 km，－10 m等深线已内移至鸡骨礁西侧.至20世纪20年代主泓改道南港，1931年海图反映崇明东滩持续淤涨，－5 m等深线已外推至佘山以东3.5 km，－10 m线亦向海推进了11～16 km，南港口外再度冲刷，－10 m等深线又退至鸡骨礁以西4.3 km.进入20世纪50年代，水下三角洲各等深线又发生了进退变化.1958—1997年长江口入海泥沙量年均达4.7亿t，处较高水平.恽才兴对1958—1997年的长江口地形图进行数字化处理，对1958—1985年、1985—1989年、1989—1997年间的水下三角洲等深线进行比较（见图10—12）.

图10 1958—1985年长江口外各等深线变化Fig.10 Change of the isobath from1958 to 1985 around the Yangtze River Estuary

图10显示，1958—1985年27年间长江入海泥沙量年均4.73亿t，整个水下三角洲呈淤涨趋势，淤涨速度南侧大于北侧，南槽口最大，北槽口—北港口外淤涨速度较小，横沙浅滩东侧最小；－15 m～－20 m等深线间除南部淤涨较为明显外，其余稍有蚀退内移.1985—1989年4年间，长江流域泥沙来源减少，年均为3.7亿t，各等深线变化比较稳定，北部北港—北槽口外处在弱冲刷状态，南半部南槽口外呈弱淤涨状态.1989—1997年间，长江流域泥沙来源进一步减少为年均3.4亿t左右，入海泥沙量减少，造成水下三角洲不同程度冲刷，等深线普遍内移，其中北槽口、南槽口外各等深线后退较为明显，－15 m线基本稳定，－15 m～－20 m线又普遍出现冲刷.

1997—2010年的12年期间，长江口开展大规模工程建设，加之长江口下泄泥沙又进一步减少.1998年、1999年两年为连续丰水年，年径流量分别达12.440亿m3、10.370亿m3，洪季最大洪峰流量达81 700 m3／s、84 500 m3／s，相应年输沙量达4.10亿t和3.17亿t，其余年的年输沙量均低于3亿t.2003年6月长江三峡工程关闸蓄水以后，2003—2009年平均大通站下泄流量比关闸前（1950—2002年平均）减少了10.3%.同时，由于三峡水库拦沙作用，其间出现了连续4年的枯水年，2003年、2004年和2005年大通站年均输沙量分别仅为2.06亿t、1.47亿t和2.16亿t，2006年更是出现0.85亿t的低值，2003年以后的（2003—2009年平均）大通站年均输沙量较以前（1950—2002年平均）减少了65.4%.此外在此期间南汇东滩和横沙东滩促淤圈围工程，又大量拦截了长江下泄泥沙，使入海泥沙量进一步减少，直接对长江口水下三角洲地形冲淤造成影响.

图11 1985—1989年长江口外各等深线变化Fig.11 Change of the isobath from1985 to 1989 around the Yangtze River Estuary

图12 1989—1997年长江口外各等深线变化Fig.12 Change of the isobath from1989 to 1997 around the Yangtze River Estuary

1979年、2002年、2010年长江三角洲－5 m、－10 m、－15 m、－20 m等深线变化见图13，各等深线之间的移动距离统计列于表3.

图13 1997年、2002年和2010年长江口外等深线变化Fig.13 Isobath at 1997，2002 and 2010 around the Yangtze River Estuary

表3 1997年、2002年和2010年间各等深线进退变化距离Tab.3 The distance changs among 1997，2002 and 2010 m

由图13和表3可知，在1997—2002年期间，1998年、1999年为丰水丰沙年，结果造成1997—2000年各等深线出现比较明显的向海淤进（见图14）.而进入2000年以后至2002年间，由于长江下泄泥沙减少，加上多次台风暴潮对三角洲表层的强烈冲刷，各等深线又出现冲刷内移（见图15）.冲刷范围较广，几乎遍布－5 m线范围以内的浅水区以及北槽口动力较强区（见图16），但冲刷幅度不大，基本在0.5 m以内.

图14 1997—2000年长江口外各等深线比较Fig.14 Comparion of typical isobath in 1997 and 2000 around the Yangtze River Estuary

图15 2000—2002年等深线变化Fig.15 Comparion of typical isobath in 2000 and 2002 around the Yangtze River Estuary

总之，在1997—2002年5年间的海床冲淤状况，可以在1997—2002年间冲淤图上得到集中反映（见图17）.

图16 2000—2002年冲刷区分布Fig.16 Distribution of erosion from2000 to 2002

图17 1997—2002年冲淤图Fig.17 The sedimentation change from1997 to 2002

根据图17对各等深线间的平均水深统计，算得冲淤幅度列于表4.

表4 1997—2002年不同等深线间冲淤值Tab.4 Sedimentation change of typical contour from1997 to 2002 m

由表4，1997—2002年5年累计冲淤变幅在0.1～0.3 m之间，年均仅0.02～0.06 m，冲淤变幅甚小，表示整个水下三角洲海床床面处在相对稳定状态.

2002—2010年间共8年期间，长江口流域来杀沙减幅最大，其间的2004年、2006年、2007年、2008年均为连续枯水少沙年，此期间大通站年均沙量2亿t，同时此期间受长江口浅滩大规模的促淤圈围工程对入海泥沙拦截影响，入海泥沙更加减少［4］.相应加大了水流对水下三角洲泥沙的冲刷强度.由等深线位置变化（见图18）和统计得出的等深线间距离变化统计（见表5）可知，2002—2010年间除北港口外－10 m等深线和南槽口外－15 m、－20 m等深线出现淤进外，其余各断面各等深线间均出现蚀退，其中－10 m～－15 m等深线出现连片冲刷；图18为2002—2010年冲淤图，图中反映冲刷范围较大，但冲刷幅度不大.从表5可知，8年间累计淤进和蚀退幅度在－0.6～＋0.7 m之间.

图18 2002—2010年冲淤图Fig.18 The sedimentation change from2002 to 2010

表5 2002—2010年间不同等深线冲淤值Tab.5 The change of typical bathymetry contour from2002 to 2010 m

表5显示，－5 m～－10 m之间海床，横沙东及北港口外稍有淤积，年均约为0.06 m.－10 m～－15 m之间南槽口外海床出现淤积，年均0.09 m；其余均为冲刷，冲刷幅度年均0.02 m～0.03 m；－15 m～－20 m之间，冲淤变幅年均在±0.01 m～0.02 m之间，冲淤平衡.因此从－5 m～－20 m间的水下三角洲海床床面看，冲淤变化甚小，仍然基本上处于冲淤平衡状态.

再从1997—2010年共12年间冲淤图看，长江口外水下三角洲海床床面冲淤特征（见图19）为，总体上，近岸部分，－10 m～－15 m间出现大面积南北向连续的“冲刷走廊”，－15 m水深以东的外海海床略有淤积.无论冲刷、淤积变幅，年均最大±0.05～0.1 m范围以内，可视为冲淤基本稳定，不存在大冲大淤现象.这与整个水下三角洲海域海床现代沉积环境有关，是近年来长江来水来沙条件、潮流场和泥沙场相互适应调整的结果.这种相对稳定的冲淤环境，为今后深水航道的规划选线提供了广阔的空间条件.

图19 1997—2010年冲淤图Fig.19 The sedimentation change from1997 to 2010

3 海床稳定性建港条件初步评估

拟议中的上海新港大型挖入式港池布置在横沙浅滩.历史上横沙浅滩是长江河口铜沙浅滩的一个组成部分，早在170年前的我国第一张英制海图（1842年）上已经稳定存在.当时的铜沙浅滩与九段沙一起成为独立沙洲，存在于长江北槽和北港汊道之间.横沙浅滩与其西侧的横沙东滩间有横沙串沟相隔，直至1998年长江口北槽深水航道整治工程实施，受北导堤导流拦沙、堵汊影响，横沙串沟淤塞，横沙东滩与横沙浅滩相连.2003年在横沙东滩串沟以东修建长达8 km的南北向促淤潜堤分割了横沙东滩和横沙浅滩.横沙浅滩边界线随着深水航道北导堤修建完成，北沿边滩受北港主泓走向控制，滩边线较为稳定.浅滩东部则濒临东海，受外海波浪和潮流作用，对东部浅滩造成冲刷，稳定性较差，－5 m滩边线有冲有淤.

自1997年以来，横沙浅滩－5 m等深线包络面积基本稳定保持在300 km2左右，滩面有冲有淤，冲淤变幅小.在北港水流漫滩和归槽落潮流作用下形成西北东南向脊槽相间的波状地形，长期稳定少变，滩面高程差别小，高程普遍在吴淞－1～＋1 m之间，浅滩沉积根据钻孔资料揭示，上层以灰黄色粉砂层为主，厚达9 m左右，以下为灰色泥质粉质粘土和灰色粘土为主，－30 m以下为灰色粉土夹砂，对挖入式港池而言，不仅易于开挖，同时开挖泥土又是良好的陆域回填材料.为挖入式港池工程顺利进行，首先必需在横沙浅滩周边进行筑堤工程以稳定边界，目前浅滩南、西边界已建成长江口深水航道的北导堤和横沙东滩圈围工程的东部边界的N23潜堤已初步得到人工控制；而对尚属开敞的北、东侧自然边界亦应采用圈围工程来固定滩边线，其中北边界以－5 m等深线为基点，可结合长江口北港航道的南导堤修建工程共同规划，这样既保证了北港航道建设的需要，又确保了挖入式港池北部岸线的稳定，起到互利共补、一石二鸟的功效.

对横沙浅滩东部边界，由于濒临东海，是挖入式港池的东边界，又是深水航道的起点所在，能否保证此项巨大建设工程建成后的地形长期稳定和足够水深将是此项工程规划能否顺利进行及实施可能的重要关键.从地形演变趋势上分析，横沙浅滩东部是北港与北槽两个汊道之间舌状浅滩的端部，历史上长期处在向外淤涨状态，但20世纪90年代以来，随着长江流域来沙量的持续减少，在外海波浪和潮流对浅滩的冲刷作用下，大大减缓了河口浅滩淤涨过程，横沙浅滩东端0～－5 m等深线外涨速度明显减小，在东南侧受滩面落潮归槽流以及北导堤沿堤流影响下，滩面泥沙顺东南向下泄造成近似砂咀形外伸，前端已接近深水航道北导堤堤端，形成新的局部淤积区.而浅滩东端又处在北港拦门沙区，沉积物以粉砂—细砂为主，在外海潮流和波浪的冲刷下，泥沙运动甚为复杂，尤其台风暴潮期间，易出现较为强烈的泥沙运动，将对挖入式港池出口及入海航道的衔接区造成影响，并有可能在短期内产生集中淤积，不利于水深的维护.对此，对于挖入式港池的出海口和航道位置的选择必须作深入调查研究.从目前研究成果上看，挖入式港池出口，选择在浅滩东部鸡骨礁以北与规划中的外海航道相接尚较合理.

规划中的外航道从横沙浅滩鸡骨礁北以正东方向向外海延伸至－25 m水深处，全长26 km，所经海床坡度平均为0.77‰，较为平缓，钻孔揭示海床沉积物深度在－10 m～－15 m以上为粉砂沉积层，－15 m以下为粉质粘土沉积层，均为易于开挖的沉积土层.此外，长江口下泄泥沙持续减少，泥沙在口外旋转潮流场影响下扩散，含沙量沿航道向海方向沿程逐渐降低，－5 m～－10 m近岸处含沙量为0.5 kg／m3或以上，至－10 m～－20 m的远岸处，含沙量逐渐递降为0.1 kg／m3.航道沿线水下三角洲海床冲淤稳定，1997～2010年近12年期间，在－5 m～－10 m水深区稍有淤积，年均淤积仅在0.1 m以内，－10 m～－15 m间，处在水下三角洲海床南北向冲刷带内，以冲刷为主，年均冲刷0.02～0.07 m之间，－15 m～－20 m之间及以深海床冲淤变幅更小，大致在±0.02 m上下，不存在大冲大淤，这为航道建设提供了稳定的冲淤环境.

由于长江水下三角洲海域潮流特征以旋转流为主，均与航道走向形成一定夹角，尤其在近岸浅水区，主要是－5 m～－10 m间，由于受河口及岸线走向影响，潮流由河口出口的东西向往复流向口外旋转流过渡，落潮优势明显，最大流速可达2.0m／s以上，流向偏南为110°.由于与航道轴向夹角较大，横流将对深水航道回淤以及航行产生影响.由于本区海洋调查资料不足，尚需进一步调查研究，尤其要对外航道沿线长达30 km的水下三角洲海床海域更需开展全面系统的调查.

［1］ 陈吉余.长江口拦门沙及水下三角洲的动力沉积、演变和深水航道治理［J］.华东师范大学学报：自然科学版，长江口深水航道治理与港口建设专辑，1995：1－22.

［2］ 恽才兴.图说长江河口演变［M］.北京：海洋出版社，2010.

［3］ 虞志英，恽才兴.长江口北槽外水下地形、沉积环境和对三期外航道的影响［R］.上海：华东师范大学，2004.

［4］ 虞志英，恽才兴.横沙东滩吹泥上滩促淤造地工程自然条件和促淤效果分析［R］.上海：华东师范大学，2002.