近30年长江北支口门附近的冲淤演变及其对人类活动的响应

王如生， 杨世伦， 罗向欣， 陆叶峰， 苗丽敏

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.中山大学 海洋学院河口海岸研究所，广州 510006)

近30年长江北支口门附近的冲淤演变及其对人类活动的响应

王如生1， 杨世伦1， 罗向欣2， 陆叶峰1， 苗丽敏1

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.中山大学 海洋学院河口海岸研究所，广州 510006)

根据1981—2012年长江北支口门附近的海图以及遥感数据，利用ArcGIS技术进行计算分析，以了解近30年该区域的冲淤演变特点和规律，从而丰富海岸带陆海相互作用的研究案例.结果表明：1981—1997年潮间带围垦面积为13 km2, 水域平均淤积速率为1.4 cm/a; 1997—2012年, 潮间带围垦面积为163 km2，水域平均冲刷速率为-7.1 cm/a.31年间，口门内、外水域的淤积速率分别为0.77 cm/a和-1.97 cm/a.结论包括：近30年研究区的冲淤演变受到北支衰亡趋势、口内滩涂促淤围垦和长江流域建坝等引起的入海泥沙通量下降的影响，其中人类活动是近15年研究区冲淤演变的控制性因子.

河口； 地貌； 冲淤演变； 长江口北支； 人类活动影响

0 引 言

人类活动对河口海岸地貌的影响正日益加剧，已成为河口海岸学的重要研究内容.河口是河流泥沙的“汇”，三角洲前缘的地貌演变对流域入海泥沙通量的变化响应十分敏感[1,2].近几十年来，受流域筑坝和调水等的影响,入海泥沙通量急剧下降，国内外许多三角洲由淤涨转变为蚀退[3-9]，这成为当前地球科学尤其是国际地圈—生物圈计划之海岸带陆海相互作用(IGBP-LOICZ)研究的热点之一.

长江是世界级大河，其长度居世界第三，径流量和输沙率居世界第四[10]；长江三角洲是世界上最大的经济区之一.长江口的冲淤变化一直受到学术界的高度重视.大量研究表明，近期流域高强度人类活动(特别是2003年三峡工程的运行)已导致长江入海泥沙通量急剧下降[11-13]，对长江三角洲的冲淤演变产生了重要影响[2,14-16]. 但是，以往的长江三角洲对流域来沙减少响应的研究都集中在南支及其所属的三个入海口(北港、北槽和南槽)外的水下岸坡[2,14-17]，北支口门附近(因资料较少)几乎是研究空白.因此，北支口门外的水下三角洲是否像南支口外的水下三角洲那样已经出现从淤涨向蚀退的转变，这一直是个谜.本文根据有限的资料，揭示近30年北支口门地区的冲淤演变及其原因，特别是探讨冲淤演变对流域来沙减少是否有敏感响应.

1 研究区概况

现代长江口呈“三级分汊、四口入海”之势；南、北支属一级分汊(见图1).18世纪中叶前北支是长江主流入海通道.后来，随着河势的自然演变，长江主流改走南支，北支逐渐衰亡.到20世纪50年代时，北支的分流比已不到5%[11].本文研究区位于北支下段和口门外约10 m等深线范围内，主体河段为复式河槽，口门发育一个数十平方千米的潮间带沙洲——顾园沙(见图2).研究区底床沉积物主要由粉砂、粘土质粉砂和砂质粉砂组成[18]；含水量较高(40%～80%)，临界侵蚀剪切应力较低(0.08～0.12 N/m2)；多年平均潮差为3.07 m (三条港站)，涨落潮平均流速约为1 m/s[20].

2 资料来源和研究方法

收集了海军航保部1986年、2002年和2013年出版的的海图(测量时间分别为1981年、1997年和2012年)，海图比例尺分别是1∶120 000、1∶250 000和1∶15 000，3幅图均为墨卡托投影和理论深度基准面.将海图资料扫描入计算机，进行图像校正，运用ArcGIS软件对水下地形图进行数字化和水深数据的录入、编辑和订正，采用Kriging差值的网格化方法，对数据进行加密，使间断的、离散的数据连续化，生成规则网格的数字高程模型(DEM)(见图2)，利用Spatial Analyst模块中对各年份的DEM进行空间叠置分析计算，包括冲淤量、冲淤厚度、冲淤速率和剖面水深等[21].由于海图上的水深数据均分布在0 m线以下区域，且各年份海图上的0 m线有所变化，基于DEM的冲淤计算是针对前、后两个年份0 m以下水域的公共部分，因为只有在这个公共区域才同时具备两个年份的数据，也才能进行冲淤计算.尽管0 m线以上没有高程数据，但0 m线的迁移反映潮间带的面积变化：0 m线向海迁移反映潮间带淤涨扩大，相反，0 m线向陆迁移反映潮间带蚀退缩小.本文利用ArcGIS软件对0 m线包围的面积(江心沙洲)和0 m线与海堤之间的面积(边滩)进行计算.

图1 长江北支下游河段研究区域示意图Fig.1 Sketch map of the study area in the Yangtze Estuary

注：图中潮间带没有高程数据，此区域没有展示高程变化图2 3个年份的数字高程模型 (DEM)Fig.2 Digital elevation model for the study area

本文还收集了相关年份的遥感数据(landsat TM数据，分辨率30 m), 用以提取海岸线和水边线并进行潮间带面积计算[22],结果与基于海图资料的计算总体上一致.

3 结 果

3.1 潮间带滩涂的变化

在1981—1997年的16年中，潮间带滩涂淤涨扩大11 km2，围垦13 km2，实际面积减少2 km2；而在1997—2012年的15年中，潮间带滩涂淤涨扩大152 km2，围垦163 km2，实际面积减少11 km2(见表1).两个时段顾园沙等江心沙洲潮间带滩涂的面积变化不大(见图2).例如，1981、1997和2012年顾园沙的面积分别为66、68和72 km2.因此，潮间带滩涂的变化主要发生在两岸边滩，尤其是南岸.从图2中的地形高程模型以及图3中断面A的变化可以发现，研究区西部(即口内上游段)原来贴近南岸的一条泓沟在1997—2012年间消失，其间南岸的0 m线向江心推进了2～3 km(见图3断面A和B).如此巨大的变化与人类在该区域实施的堵汊促淤工程密切相关.

表1 潮间带滩涂面积的变化Tab.1 Temporal changes in intertidal and subtidal area km2

注：*包括0 m与1981年海堤之间的面积和0 m线本身所包括的面积.

3.2 潮下带水域的冲淤变化

3.2.1 前后两个时段的对比

1981—1997年时段研究区以淤积为主，52%的面积经受淤积，全区平均淤积厚度0.16 m，平均淤积速率为1.0 cm/a.相比之下，1997—2012年时段研究区以冲刷为主，69%的面积经受冲刷，全区平均冲刷深度-1.19 m，平均冲刷速率为-7.9 cm/a(见表2).

3.2.2 口内、外两个区域的对比

1981—2012年的31年中，口内外两个分区分别呈净淤积和净冲刷态势.口内区平均淤积厚度0.13 m，平均淤积速率0.42 cm/a；口外区平均冲刷厚度-1.25 m，平均冲刷速率-4.0 cm/a.前、后两个时段口内、外区域出现相反的态势：前一时段口内区平均冲刷速率-0.56 cm/a，口外平均淤积1.87 cm/a; 后一时段口内区平均淤积速率1.47 cm/a，口外平均冲刷速率-10.4 cm/a(见表2).

3.3 冲淤的时空差异

研究区冲淤的细节远较上述“平均”值复杂.例如，前一时段最大淤积厚度和冲刷深度分别达到2.1 m和-2.8 m，后一时段最大淤积厚度和冲刷深度分别达到4.6 m和-6.3 m (见表2).无论是前、后两个时段还是口内、外两个区域，冲淤速率都有明显的空间差异(图4).后一时段的强烈冲刷主要出现在研究区的最东侧(向海一侧)(见图3E和图4b).

4 讨 论

4.1 北支的衰亡趋势及主要泥沙来源

距今6 000—7 000年前，冰后期海平面上升到目前或略高于目前的位置[23].当时的长江口是一个巨型喇叭口，其北岸在扬州—泰州—海安沿线，南岸在镇江—江阴—太仓—马桥—漕泾沿线，口门宽约300 km[18].几千年来，在科氏力作用下，河口主槽逐渐南移，导致北侧河槽衰亡，一个个沙洲向北并岸[24].

北支正是在这样的自然背景下走向衰亡.自20世纪50年代以来，北支的分流比就降为5%以下[11]，1988年以来只有1%～4%[25].实际上，由于北支涨潮含沙量远高于落潮含沙量，经常出现北支泥沙倒灌南支的现象[26].因此，可以得出结论：北支淤积的泥沙主要来自口外.史立人等也认为，长江泥沙从南支入海后，一部分向北绕过崇明岛东滩进入北支，为北支的淤塞提供泥沙来源[27].根据张长清和曹华的资料计算发现[28]，1907—1991年间，北支0 m以下水域平均泥沙淤积率为0.18×108m3/a，水域面积缩小(反映潮间带滩涂的淤涨扩大)速率3.7 km2/a.

图3 典型剖面的冲淤变化Fig.3 Accretion and erosion along profiles

表2 两个时段0 m以下水域的冲淤及影响因子统计Tab.2 Subaqueous accretion and erosion and influencing factors during the two periods

注：“0 m以下水域”代表前、后两个年份0 m以下水域的公共部分；-代表冲刷

注：“-”代表冲刷图4 不同时段水域冲淤速率的空间分布Fig.4 Accretion and erosion rates in the study area

4.2 滩涂促淤围垦工程对水下地形冲淤的影响

如表2所示，1981—1997年和1997—2012年时段滩涂淤涨面积分别为11 km2(0.7 km2/a)和152 km2(10 km2/a).这些滩涂的变化基本上限于口内(见图1—3)，研究区的口内部分仅是北支的一部分.与上述1907—1991年间全北支滩涂的淤涨扩大速率3.7 km2/a相比较，可以认为，1981—1997年的本研究区0.7 km2/a为滩涂自然淤涨速率.换言之，1997—2012年研究区的152 km2的滩涂淤涨扩大中可能有约140 km2是因促淤围垦工程所致.长江口的潮间带滩涂位于0—4 m高程之间，平均高程约2 m.粗略估计，由潮下带变成潮间带滩涂约需4 m左右的泥沙淤积厚度.因此，1997—2012年的潮间带促淤围垦大约吸纳了泥沙5.6×108m3，占同期研究区水域冲刷量的60%(见表2)，相当于冲刷速率-4.7 cm/a.

4.3 流域入海泥沙减少对北支口外水下地形冲淤的影响

在东亚季风的驱动下，黄、东海近岸发育一股强劲的向南余流[29].这股沿岸流每年携带约2×108t 泥沙进入浙江海岸[30,31]，成为浙江港湾淤泥质海岸和内陆架泥质区[32]形成的主要泥沙来源.此外，衰亡中的北支以及崇明东滩、横沙东滩、九段沙、南汇东滩等地的沼泽湿地或促淤工程也吸纳了大量泥沙.当上述两种去向的泥沙量超过长江入海泥沙通量时，水下三角洲前缘就发生冲刷.Yang等的研究表明[2]，长江南支口门外的水下三角洲前缘(与本研究区相邻，约5～20 m水深范围)在1977—2000年和2000—2007年时段的冲淤速率分别为3.2 和-2.3 cm/a(两时段相应的大通输沙率分别为3.9×108和2.1×108t/a)，淤蚀转变的临界入海泥沙通量大约为2.7×108t/a.在本研究中1981—1997年和1997—2012年的大通输沙率分别为3.9×108和2.1×108t/a(见表2)，恰好与Yang等的1977—2000年和2000—2007年时段的大通输沙率相等.本研究前一时段的北支口门外淤积速率(1.87 cm/a)也与 Yang等的1977—2000年的淤积速率相近.本研究后一时段的北支口门外冲刷速率(-10.3 cm/a)远高于相应时段的南支口外水下三角洲前缘，其主要原因可能是北支口内的滩涂促淤工程吸纳了大量泥沙，这些泥沙无疑来自口门外的侵蚀.因此，北支口外水下三角洲前缘像南支口外一样对流域入海泥沙的减少响应十分敏感.

前、后两个时段研究区的平均潮差、平均波高和平均风速(同时影响波高和沿岸流强度)分别下降0.4%、上升2%、上升2%(见表2)，说明水动力强度有一定变化，但变化不大.这在一定程度上反映前、后两个时段研究区出现强烈冲淤变化的主要原因可能是人类活动.但另一方面，沿岸流输运泥沙的能力与流速的关系可能不是线性的，因此利用平均风速推断平均沿岸流速进而估算泥沙的沿岸输送存在局限性.例如，冬季苏北沿岸流是向南的，但夏季苏北浅滩的绿藻可以北流到山东沿海[22].

5 结 语

近30年长江北支口门附近的冲淤演变尽管在细节上呈现复杂化，但前后两个时段平均以及口门内、外两个分区的平均都显示出一定的规律：即在时间上从净淤积转变为净冲刷，在空间上为口内净淤积(水域和潮间带冲淤之和)而口外净冲刷.对于长江口而言，这些变化是强烈的.上述冲淤变化主要受三种因素支配：北支的衰亡趋势、口内的滩涂促淤围垦工程以及流域建坝引起的入海泥沙减少.流域建坝等引起的入海泥沙通量下降所引起的调整涉及苏浙沿岸流与长江水下三角洲(包括本文研究区中北支口外部分)的大尺度冲淤响应，北支衰亡趋势所造成的调整是北支河口湾尺度的口门外冲刷和口门内淤积，口内滩涂促淤围垦所造成的调整是“滩”淤“槽”冲的调整.这三种不同尺度的调整在空间上相互叠加，在机制上相互影响，使冲淤过程复杂化，目前难以区分出它们的定量贡献.

[1] SYVITSKI J P M, KETTNER A J, OVEREEM I, et al. Sinking deltas due to human activities[J]. Nature Geoscience 2, 2009,2(10):681-686.

[2] YANG S L, MILLIMAN J D, LI P, et al. 50 000 dams later: Erosion of the Yangtze River and its delta[J]. Global and Planetary Change, 2011,75(1):14-20.

[3] COLEMAN J M, ROBERT H H, STONE G W. Mississippi River delta: an overview[J]. Journal of Coastal Research, 1998,14(3):698-716.

[4] 钱春林.引滦工程对滦河三角洲的影响[J]. 地理学报, 1994,49(2):158-166.

[5] 罗宪林,李春初,罗章仁.海南岛南渡江三角洲的废弃与侵蚀[J]. 海洋学报, 2000,22(3):55-60.

[6] 陈沈良,张国安,谷国传.黄河三角洲海岸强侵蚀机理及治理对策[J]. 水利学报, 2004(7):1-6.

[7] 李安龙,李广雪,曹立华,等.黄河三角洲废弃叶瓣海岸侵蚀与岸线演化[J]. 地理学报, 2004,59(5):731-737.

[8] BIUN M D, ROBERTS H H. Drowning of the mississippi delta due to insufficient sediment supply and global sea-level rise. Nature Geoscience 2, 2009,2(7)488-491.

[9] LIU F, YANG Q S, CHEN S L, et al. Temporal and spatial variability of sediment flux into the sea from the three largest rivers in China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2014,87:102-115.

[10] MILLIMAN J D, FARNSWORTH K L. River discharge to the coastal ocean: A global synthesis[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.

[11] YANG S L, ZHAO Q Y, BELKIN I M. Temporal variation in the sediment load of the Yangtze River and the influences of the human activities[J]. Journal of Hydrology, 2002, 263(1):56-71.

[12] YANG S L, ZHANG J, ZHU J, et al. Impact of dams on Yangtze River sediment supply to the sea and delta intertidal wetland response[J]. Journal of Geophysical Research, 2005, 110(F03006):1-12.

[13] GAO S, WANG Y P. Changes in material fluxes from the Changjiang River and their implications on the adjoining continental shelf ecosystem[J]. Continental Shelf Research, 2008, 28(12):1490-1500.

[14] YANG S L, BELKIN I M, BELKINAC A I, et al. Delta response to decline in sediment supply from the Yangtze River: Evidence of the recent four decades and expectations for the next half-century[J]. Estuarine Coastal Shelf Science, 2003,57(4):689-699.

[15] 李鹏, 杨世伦, 戴仕宝, 等. 近年长江口水下三角洲的冲淤变化——兼论三峡工程蓄水的影响[J]. 地理学报, 2007,62(7):707-716.

[16] 杜景龙, 杨世伦, 陈广平. 30多年来人类活动对长江三角洲前缘滩涂冲淤演变的影响[J]. 海洋通报, 2013,32(3):296-302.

[17] 钮新强, 徐建益, 李玉中.长江水沙变化对河口水下三角洲发育影响的研究[J]. 人民长江, 2005, 36(8):31-33.

[18] 刘苍字, 陈吉余, 戴志军. 河口地貌. 中国自然地理系列专著: 中国地貌[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

[19] 吴晗. 长江水下三角洲的侵蚀潜力探讨[D]. 上海:华东师范大学河口海岸科学研究院，2014.

[20] 曹民雄, 高正荣, 胡金义. 长江口北支水道水沙特征分析[J]. 人民长江, 2003,34(12):34-37.

[21] 吴华林, 沈焕庭, 胡辉, 等. GIS 支持下的长江口拦门沙泥沙冲淤定量计算[J]. 海洋学报, 2002, 24(2):84-93.

[22] LIU Y X, LI M C, ZHOU M X, et al. Quantitative analysis of the waterline method for topographical mapping of tidal flats: A case study in the Dongsha Sandbank, China[J]. Remote Sensing, 2013, 5(11):6138-6158.

[23] 赵希涛, 耿秀山, 张景文. 中国东部20000年来的海平面变化[J]. 海洋学报, 1979,1(2):269-280.

[24] 陈吉余, 恽才兴, 徐海根, 等. 两千年来长江河口发育的模式[J]. 海洋学报, 1979,1(1):103-111.

[25] 恽才兴. 长江河口近期演变基本规律[M]. 北京:海洋出版社, 2004.

[26] 李伯昌, 余文畴, 陈鹏, 等. 长江口北支近期水流泥沙输移及含盐度的变化特性[J]. 水资源保护, 2011, 27(4):31-34.

[27] 史立人, 魏特, 沈蕙漱. 长江入海泥沙扩散与北支淤积[J]. 长江水利水电科学研究院院报, 1985, (2):8-19.

[28] 张长清, 曹华. 长江口北支河床演变趋势探析[J]. 人民长江, 1998, 29(2):32-34.

[29] ZHU C, WANG Z H, XUE B, et al. Characterizing the depositional settings for sedimentary organic matter distributions in the Lower Yangtze River-East China Sea Shelf System[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 93(3):182-191.

[30] MILLIMAN J D, SHEN H T, YANG Z S, et al. Transport and deposition of river sediment in the Changjiang Estuary and adjacent continental shelf[J]. Continental Shelf Research, 1985, 4(1-2):37-45.

[31] 杨世伦, 朱骏, 赵庆英. 长江供沙量减少对水下三角洲发育影响的初步研究[J]. 海洋学报, 2003, 25(5):83-91.

[32] 刘升发, 石学法, 刘焱光, 等. 东海内陆架泥质区沉积速率[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2009, 29(6):1-7.

(责任编辑 李万会)

Morphological evolution and its response to human activities at the mouth area of the North Branch, Yangtze estuary, during the recent three decades

WANG Ru-sheng1, YANG Shi-lun1, LUO Xiang-xin2, LU Ye-feng1, MIAO Li-min1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China; 2.SchoolofMarineSciences,SunYat-senUniversity,Guangzhou510006,China)

In order to enrich the knowledge of land-ocean interaction, this paper examined the recent accretion and erosion at the mouth area of the North Branch, the Yangtze Estuary, based on bathymetric and remote sensing data and using ArcGIS techniques. The results show that: (1) from 1981 to 1997, 13 km2of intertidal area was reclaimed; an average accretion rate of 1.4 cm/yr was observed in the subtidal area. (2) from 1997 to 2012, 163 km2of intertidal zone was embanked, and an average erosion rate of -7.1 cm/a was found in the subtidal area. (3) Between 1981 and 2012, an average accretion rate of 0.77 cm/a was found in the inner portion, and an average erosion rate of -1.97 cm/a occurred in the outer portion. We concluded that the morphological evolution in the study area was controlled by three factors—the silting trend of the North Branch, the intertidal accretion-promoting projects, and dam construction within the Yangtze watersheds. During the recent 15 years, human activities were the dominant factor.

estuary; geomorphology; erosion and accretion; north branch of the yangtze river; human impacts

1000-5641(2015)04-0034-08

2014-08

国家自然科学基金(41130856)；上海市科委项目(128014327)；河口海岸学国家重点实验室自主课题(SKLEC-2012KYYW06)

王如生，男，硕士研究生，研究方向为河口海岸动力沉积地貌. E-mail: wrs0812@163.com.

杨世伦，男，教授，研究方向为海岸沉积动力学和地貌学. E-mail: slyang@sklec.ecnu.edu.cn.

K903

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.005