1959～2013年长江河口南槽动力地貌演变过程

谢华亮，戴志军，左书华，韩志远

(1. 交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

1959～2013年长江河口南槽动力地貌演变过程

谢华亮1,2，戴志军2，左书华1，韩志远1

(1. 交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

南槽作为长江口入海四口之一，是长江水沙输运向海的主要通道。在长江入海水沙急剧变化和长江口大型涉水工程的影响下，南槽的动力地貌过程成为当前长江河口研究的重点内容之一。分析和揭示近50年来南槽的动力地貌变化过程对理解长江河口响应人类活动和自然驱动作用的变化具有重要意义。基于此，本文通过1959～2013年长时间序列的南槽地形资料，研究长江入海水沙变化及南槽落潮分流分沙比影响下的南槽动力地貌演变过程。结果表明，南槽在1989年江亚南沙并滩前后呈现两种不同的地貌演化阶段：江亚南沙并滩前，南槽普遍发生淤积，两侧浅滩不断淤涨，河槽总体呈缩小态势，河槽拦门沙呈现“双峰”状态；江亚南沙并滩后，南槽呈现出“上段冲蚀加深、中段微冲、下段河槽束窄、两侧浅滩淤积”的状态，拦门沙向“单峰”发展。此外，周边涉水工程的实施对近期南槽地貌的冲淤演变过程有较大的影响。

长江口；南槽；拦门沙；江亚南沙；地貌演变

长江口是我国最大的河口，它濒江临海，集“黄金海岸”与“黄金水道”为一体。长江源源不断地输送水、沙等物质由此进入东海，形成了长江口得天独厚的自然条件和区位优势，区域经济发达。然而，自20世纪80年代末开始，长江入海泥沙量出现减少趋势，高强度的人类活动干预使得长江河口演变不再是纯粹的自然过程，而由自然和人类活动共同塑造与控制[1]。因此，选择长江河口合适的河槽类型，开展人类活动和自然条件改变影响下的河口动力地貌过程研究，不仅是上海国际航运的迫切要求，更是当今学术界关于河口海岸学科研究的前沿和热点。

南槽是长江河口第三级分汊的南汊，为长江入海四口之一，也是长江水沙输送向海的主要通道[2]，处于长江河口陆海相互作用的最前缘[3]。自北槽深水航道贯穿运行后，南槽继北槽深水航道成为今后河口深水航槽选址的优选之一，同时南槽南岸作为南汇边滩——上海围垦造陆、增加城市陆缘区域面积的重要部位，亦能更好的与浦东开发新区沿江岸线的开发相适应。故对南槽的研究逐渐引起众多学者的重视，对南槽内诸如拦门沙[4]、九段沙[5,6]和南汇边滩[7]，南、北槽分流口[8]等的形成与演变进行了分析，讨论了南槽局部冲淤变化的诸多影响因子，其中包括流域来水来沙、台风、滩槽泥沙交换及北槽航道整治工程等影响[9- 12]，但上述研究多关注局部范围内或者短时期内南槽地貌的演变，对于整个南槽长期的地貌演化过程尤其是近年来周边涉水工程实施对南槽影响的研究较少。由此，本文拟以南槽为研究区，从较长时间尺度上探讨南槽河口的地貌演变及其影响因素，这对开展以人类活动为主的河口陆海相互作用研究、河口治理与航道疏浚等具有重要的理论和实践意义。

1 研究区域与资料

1.1研究区域概况

南槽因九段沙的形成而出现，在1954年前九段沙还只是铜沙浅滩和横沙岛岛影的沙洲，北槽只是铜沙浅滩上发育的一条涨潮槽。1954年长江发生特大洪水，冲开了铜沙浅滩，北槽形成，九段沙成为独立的南、北槽分流沙洲，至此南槽形成[5- 6]。南槽多年平均潮差2.66 m，潮流以往复流为主，波浪以风浪为主，主浪向为偏北向，表层沉积物主要以砂质粉砂为主，沿河槽具有“粗- 细- 粗”的分布格局[8]。南槽以北是南、北槽分流沙洲—九段沙，紧邻北槽深水航道，以南为南汇边滩，在两翼-5 m等深线以浅的浅滩约束范围内具有“槽”的特性[10]。在北槽成型并成为长江口主航槽之前，南槽作为通海航道已逾百年历史，目前回归“准自然状态”[10]。由于北槽深水航道持续性淤积严重，给长江口航运造成巨大困扰，同时，在长江流域来水来沙变化、北槽南导堤的修建和航槽后续维护以及南汇边滩大规模的圈围工程等背景下，处于“准自然状态”下的南槽正逐步引起关注。本文研究范围自南、北槽分流口至九段沙尾部-5 m等深线下缘(图1)。

1.2南槽周边主要工程概述

长江口深水航道整治工程(图1)分三期完成，一期工程1998年1月开工建设，2001年6月完全竣工，2002年9月通过国家验收；二期工程自2002年5月开工，至2005年3月竣工，11月通过验收；三期工程始于2006年9月，于2010年3月通过试航验收。整个工程包括南北槽分流口潜堤，南、北导堤，丁坝，其中南北槽分流口鱼嘴工程位于江亚南沙滩顶，前段布设一条3.2 km的潜堤，南导堤48 km，布设在九段沙北侧滩面上，设有丁坝9座[8]。

土地资源短缺制约上海的飞速发展，因此，自1994年来，紧邻南槽的南汇边滩实施了多次大规模促淤圈围工程，在南汇嘴两侧自浦东国际机场到芦潮港附近长约45 km的岸线，大范围滩涂被筑堤圈围用以促淤，至2003年十年间先后圈围了约1.5万hm2的土地[13]，目前圈围工程仍在继续。

1.3资料收集与处理

其中历史海图和水深数据均处理成以理论深度基面为准。海图经扫描后，通过计算机对海图进行数字化[14]得到水深点数据和等深线，因部分海图是不同时期测量数据拼接成图，数字化过程均按照实际测量时间进行划分，最终得到1959～2011年数字化结果。水深数据利用GIS相关软件通过Kriging插值方法生成规则矩形网格数字高程模型(DEM)，用于对比的不同年份数据网格位置保持一致。通过计算不同年份DEM的水深变化，分析南槽内冲淤变化特征，进而对区域的DEM进行纵断面计算，分析河槽纵向上水深随时间的变化。此外，将不同年份的等深线进行空间叠加，用以生成不同年份等深线平面变化图进行对比，研究区域地貌的时空变化。

图1 研究区域和剖面位置Fig. 1 Study area and section location

表1 海图与水深资料Tab. 1 Sea maps and the bathymetric data

注：1～6:引自上海航道局; 7～8:引自中华人民共和国交通部安全监督局；9～11:引自中华人民共和国海事局;12～20:引自交通运输部长江口航道管理局

2 结果分析

2.1南槽-5m等深线变化

南槽内-5 m等深线为滩(南汇边滩)-槽(南槽)间的分界线。相较于其他等深线来说，连续且不显凌乱。因此，本文选用-5 m等深线表征南槽内主体形态变化特征。

1954～1961年间，南槽尚处在南港下游初步分化为南、北槽的阶段，历经1954年、1958年两次大洪水后，洪水改造效果依然明显[15]，如图2(a)中1961年-5 m等深线形态所示，南汇区域-5 m线比较平直，南槽整体宽度相近，河槽两侧-5 m线相距约6 km，而形成之初的九段沙-5 m线呈不规则形状，中下段存在多条涨潮沟。随后至1965年，南汇区域-5 m线下段向河槽方向移动，南槽下段河槽略有束窄，九段沙则进一步发展呈两头尖“纺锤形”，洲头与洲尾之间连线(长轴)大致与河槽方向平行。1971年左右，南港下泄流开始切割江亚南边滩，使其向北淤涨，南槽入口主流被迫北偏，致九段沙洲头南沿侧蚀增强，同时南槽-5 m线进一步向河槽扩展，南槽进一步束窄，上口-5 m线相距不足4 km，下口不足6 km。

图2 南槽-5 m等深线变化Fig. 2 Changes of the -5 misobaths in South Passage

图2(b)中，1971～1981年这十年间，江亚南边滩不断被南港下泄水流切割，南汇边滩的深槽已经初具规模，至1981年-5 m等深线切割的长度已达14.7 km，上口宽度也有2 km，其从南汇脱离成必然之势，受其压迫影响，南槽入口主槽持续北偏，在南槽中段处水流方向发生改变，冲刷南槽内涨潮沟尾部，使其缩短。北港水流通过串沟流经北槽后，对九段沙北沿造成冲刷，使泥沙下移，致九段沙尾向南、向口外延伸，南汇-5 m线向南后退，南槽整体上窄下宽，下段-5 m线宽度约6 km，为上段宽度的2.5倍左右。

图2(c)中，江亚南边滩在1989年左右被切离南岸，向北运动成为江亚南沙，南、北槽分流沙洲向上移动，同时，江亚北槽的存在，使得南北槽之间存在二级分流，南、北槽之间通过此槽沟存在水沙等物质交换。到1994年后，江亚南沙与九段沙-5 m已经连为一体，切滩造成泥沙冲刷下移，尤其在落潮过程中，沙尾成为汇流沙嘴，利于泥沙堆积[16]，九段沙尾自然也就逐渐向海方向延伸，长轴方向不断拓展。

图2(d)中，1998年潜堤和南导堤的修建，江亚北槽被封堵，使其蜕变成一条朝向西北的涨潮槽，其尾部近年来不断沿河槽下移，其尾部端点在同一直线上，与南槽内潮流路方向基本保持一致[8]。沙尾1994～2000年下移5.4 km，2000～2004年下移3.5 km，2004～2011年下移趋势更甚，达9.2 km，年平均下移距离约为1 km，而且这一延伸趋势将持续下去[17]，势必造成南槽航道的淤积，威胁航道安全。涨潮槽的不断发育，使得南槽中部呈现淤积态势。南导堤同时稳定了九段沙尾，使得尾部近年来变幅较小，九段沙长轴从潜堤头部一直延伸到南导堤尾部；而南汇边滩不断向河槽方向淤进，南槽下段河槽更加束窄，总体上呈缩小趋势。南槽自上而下-5 m等深线宽度接近一致，约3.5 km宽。

2.2南槽拦门沙变化特征

南槽地处河口拦门沙河段。一条贯穿整个南槽的纵断面应可反映近年来南槽纵向拦门沙的水深变化。断面起点位于南北槽分流口处，大致与潜堤头部平齐，终点止于南槽-5 m线外，总长度约56 km，基本贯穿南槽航槽(图1(b))。

南槽拦门沙所在区域是原南港下段铜沙浅滩的一部分[4]。如图3(a)所示，南槽拦门沙沙体呈现双峰拦门沙结构(前峰和后峰)：前峰位于南槽入口段南港深槽延伸的下段，后峰位于南槽下段。

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1961～1971年间，拦门沙前峰的滩顶增高了约1 m，后峰则由高低起伏趋于平缓。1981～1989年，受江亚南边滩向北并靠九段沙的影响，前峰起伏比较明显。1997年的拦门沙前峰明显缩窄，滩顶下移大致回复至1961年状态，而后峰则相对变幅较小。因此在深水航道开工前，南槽内拦门沙双峰结构始终存在，前峰波动较为明显。

深水航道开工后，南槽上段发生冲刷，并伴随江亚南沙尾不断淤涨下移，使得南槽入口段的拦门沙不断被削平且向下移动，前峰消失，拦门沙形态逐渐由双峰转变为单峰，同时浅滩距离缩短至约20 km，滩顶下移，但滩顶高度基本变化不大，维持在-6 m左右(图3(b))。拦门沙位置的移动，虽然在季节性变化中往往包含台风等强烈天气的贡献[9]，但从长时间尺度(1961～2013年)上来看，说明南槽内滞留点位置的变化，更直接体现的是河口地区径流和潮流作用的变化过程[18]。

图3 南槽河槽纵断面(NP)水深变化Fig. 3 Depth changes of section NP in South Passage

2.3南槽冲淤变化

1959年后，九段沙尚处在形成初期，由于南港下泄水流受九段沙阻碍作用进入南槽后动力减弱，南槽整体上呈现淤积态势，其中上段淤积最为明显。在南槽下段，九段沙浅滩略显不规则形态，涨潮沟内冲刷明显(图4(a))。1965～1981年，这期间受上游瑞丰沙变化导致南港下游河势改变，南港主流南偏[19]，下泄水流切割江亚南边滩，不断向北河槽方向偏，造成南槽上段淤积明显，中下段则呈弱冲刷状态，两侧浅滩淤积明显，尤其是九段沙浅滩淤积幅度在3 m以上，九段沙沙体体积不断增加、沙尾下延(图4(b))。1981年后，江亚南边滩持续北偏，并最终脱离南岸，并靠九段沙上沙，原江亚北槽不再作为南槽主槽，主流偏至南侧，造成江亚南沙以南普遍性冲刷，上段江亚南沙和下段九段沙快速淤涨(图4(c))。江亚南沙并入九段沙体系，使得南北槽分流口上提，同时，南槽上段河槽束窄，水流加强造成南槽呈现微冲状态，口门外则略有淤积，这一现象持续到潜堤工程修建前(图4(d))。

图4 不同时段冲淤变化(1959～1989年)Fig. 4 Geomorphic changes of South Passage during 1959～1989

根据图5(a)显示，1997～2002年，南槽上段不断冲深，冲刷深度在3～5 m左右，江亚南沙尾部不断淤积下延。沙尾下延造成涨潮沟内局部涨潮动力增强，顶托南槽上段冲刷下移的泥沙，致中下段发生淤积，南汇边滩普遍淤积厚度在0～1 m间，同时冲蚀九段沙南侧滩地，冲刷幅度在2 m以上。

图5(b)中，2002～2010年这一时期内，江亚南沙尾和南汇边滩发生明显的淤积，尤其在浦东机场外侧圈围工程(2007～2009年)使得淤积明显，淤积厚度达3 m以上，而南槽中上段和九段沙南侧均表现为冲刷状态。

2010年深水航道三期工程完工后，整体上南槽处于微冲状态，仅在南汇近岸区域由于圈围工程的实施淤积较为明显(图5(c))。同时，综合图4、图5，南槽中下段九段沙南沿在1989年前淤积明显，之后转为冲刷，2010年之后冲刷趋势减缓，这一淤积- 冲刷的转换过程与江亚南沙的移动及江亚南沙尾下延过程不无关系。

根据上述分析，图4(d)中，1997～2013年间，由于受北槽深水航道工程和南汇圈围工程的影响，南槽上段冲蚀加深，中段略微冲刷，南北两侧浅滩淤积，造成拦门沙浅滩距离缩短，这一状态的形成和演变与近期南槽周边涉水工程实施紧密相关，受人类活动影响剧烈[20]。

图5 近年来冲淤变化(1997～2013年)Fig. 5 Geomorphic changes of South Passage during 1997～2013

3 地貌演变原因初探

河口三角洲是对河流输水输沙变化最为敏感的地区之一。1953年至今长江入海水通量相对稳定，径流没有明显的变化(图6(a))，说明径流的挟沙能力基本未变。然而，入海泥沙通量则出现急遽下降(图6(a))，1953～2003年间入海泥沙为0.42×109t/a，而在2004年后，该值减少到仅有0.14×109t/a，这就使得径流所挟带泥沙量减少，河槽受径流的冲刷相对增强，一部分河道泥沙被冲刷起来向下输送。南、北槽分流的初步格局是因1954年大洪水将北槽上下涨落潮槽冲缺相连而形成[3,21]。20世纪80年代以前，在相对恒定的水沙输送影响下，南槽整体以淤积为主，两侧浅滩淤涨明显，上段分流口沙洲由尖锐转为平滑、沙洲体积趋于减小、沙洲下挫但滩地高程增高，下段九段沙尾向下延伸，长轴方向距离不断增大，九段沙不断“长大”，同时河槽两侧-5 m线趋于平直顺滑。在1983年洪水的作用下，南港下段复式河槽得到发展，主流南偏，导致1989年前后江亚南沙切滩并和九段沙相连，从而分流口沙洲头上提并明显扩大，这一变化趋势直至1998年大洪水才发生改变。由此可见，洪水是造成南槽上段动力地貌格局发生改变的主要动力因素之一，而下段承纳上游下泄泥沙则是河槽地貌变化的物质条件[3]。然而，在1998年长江口深水航道工程修建后，南槽对于流域来水来沙的响应不再那么明显，相对于人类工程改变边界条件引起的动力变化而言，长江入海水沙变化的影响可能退居其次。因此，口内河槽对上游来沙减少的不敏感应属正常的现象[22]。

长江河口强烈的人类活动主要体现在深水航道整治工程和圈围工程，这一系列工程可能是对南槽动力地貌格局干扰最大的因素。深水航道整治工程中潜堤稳定住了南、北槽分流口，南导堤固定住江亚南沙和九段沙的北边界，加之南汇边滩促淤围垦工程束窄南槽河槽，这就导致进入南北槽的水沙发生明显变化：近年来南槽的分流分沙比呈现明显的增加趋势，目前分流分沙比均维持在55%以上(图6(b))，受其影响，南槽落潮动力不断增强，加之径流增幅作用，上段处水流集中，落潮水流挟沙力增大，河槽发生冲刷，从而使得南槽上段大量泥沙被带到南槽中下段，南槽内江亚南沙尾不断下移、下段整体上发生淤积和南汇边滩加速淤涨，即上游冲泄泥沙补充下游河槽和浅滩，这应该也是拦门沙“后峰”在上游来沙锐减情况下滩顶基本维持不变的主因。相关研究表明，南槽分流比的加大将通过冲刷泥沙而增大过水断面面积，河床断面的拓宽又反映了进入南槽流量增加，河床冲刷的现象[8]。

分流口潜堤的修建，稳定住了南北槽分流口，使得近年来分流沙洲洲头基本和潜堤工程走向一致，上提下挫过程亦沿潜堤方向，同时，江亚南沙和九段沙的北侧受制于南导堤，一系列沙体难以向北淤涨，致九段沙沙尾不断紧贴南导堤并向口外延伸；江亚北槽的封堵，阻碍了南北槽之间的水沙交换[5,6]，造成涨潮沟内出现淤积，加之进口段冲刷泥沙向下推移，促成江亚南沙尾快速下延。自1994年开始的南汇东滩圈围工程实施后，促淤坝田内致泥沙沉降，形成“浑水进，清水出”，坝田外水流挟沙力增强[13]，因此在坝田外局部出现冲刷带，所携带泥沙又在邻近水下滩落淤，造成南槽内浅滩明显向外推展，南槽下段河槽-5 m以下不断束窄。

总而言之，南槽周围一系列涉水工程的修建，改变了南槽原有的边界条件，造成局部水沙的变化调整，进而对南槽地貌演变造成影响，且这种影响是不可逆的。地貌的演变不断去适应周围动力环境的改变，并做出相应调整，这体现出动力-泥沙-地貌之间的互为因果关系。然而由于近年来长江口各类涉水工程的修建，“第三驱动力”对河口过程的控制作用不断增强[23]，使得河口地区地貌演变规律更加复杂，更值得去进一步的深入探讨和挖掘研究，以促进河口健康发展，人与自然和谐相处。

图6 大通站水沙通量和南槽分流分沙比Fig. 6 River water and load partition in the South Passage

4 结 语

本文通过对长江河口南槽近50年的地形资料以及流域入海水沙和南槽分流分沙比进行分析和研究，以此探讨南槽近期动力地貌演变过程及其影响因素，主要结论包括：

1)南、北槽分流形成至江亚南沙发生并滩前，在相对稳定的水沙供应条件下，南槽普遍发生淤积，两侧浅滩不断淤涨并且形态趋于规则化，河槽总体上呈缩小态势，同时南槽内拦门沙形态呈现“双峰”状态。

2)江亚南沙并滩后，南槽主槽上段转而冲刷，下段仍以淤积为主，江亚南沙和九段沙呈现快速淤涨。此后加之受北槽深水航道工程和南汇圈围工程的影响，分流比加大，落潮动力逐渐加强，南槽呈现出“上段冲蚀加深、中段微冲、下段河槽束窄、两侧浅滩淤积”的状态；上段拦门沙的前峰被冲蚀削平，变为“单峰”。

3)南槽近期一系列地貌演变是在长江入海水沙变化和周边涉水工程实施影响下形成的，分流口潜堤及九段沙南导堤等固定边界对河口地貌的约束以及地貌演变对边界调整的适应，需要进一步深入研究。

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报 道

2015年6月24日，在美国夏威夷举行的第25届近海和极地工程国际会议(ISOPE)上，我国知名海洋工程及港口海岸工程专家大连理工大学李玉成教授获得国际近海和极地工程师协会授予的海神尼普顿奖(Neptune Award)，以此表彰他在海洋工程领域取得的杰出成就和突出贡献，感谢他作为国际近海和极地工程师协会与亚太近海力学论坛的联合创建者，对ISOPE发展过程中的无私奉献和卓越领导。这是ISOPE的最高荣誉奖项。

Morphodynamic processes of the south passage of the Yangtze estuary (1959～2013)

XIE Hualiang1, 2, DAI Zhijun2，ZUO Shuhua1, HAN Zhiyuan1

(1. Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport, Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, M.O.T., Tianjin 300456, China;2. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

As one of the four outlets of the Yangtze Estuary into the East China Sea, the South Passage (SP) was the main channel of the water and sediment transportation before the Deep- Water channel Regulation Project operation. But in recent decades, under the influence of changes in water and sediment discharge and large- scale hydraulic engineering projects, the morphodynamic processes of the SP have undergone tremendous changes. It is obvious that the analysis and determination of the morphodynamic processes of the SP in the recent periods has important significance for understanding the response of the Estuary to anthropogenic actions and natural forcing. The results indicate that there were two distinct evolutionary phases of the SP associated with the connection of the Jiangyanan shoal to the Jiuduan shoal (CJSJS) before and after 1989. Before the CJSJS in 1989, due to the relatively stable water and sediment supply conditions, the SP had wide siltation on both sides of the shallow tidal flats, and the overall river channel was narrowed, and there were two different parts in the mouth bar in those years. However, after the CJSJS in 1989, the SP showed an abnormal appearance with “deepened erosion of the upper segment, slight erosion of the middle segment, narrowing of the lower segment and siltation at the two sides”, thus leading to the disappearance of the first part of the mouth bar. Moreover, there are close relationships between the morphodynamic processes of the SP in recent years and the operation phase of the engineering distributed around SP.

Yangtze Estuary; South Passage; mouth bar; Jiangyanan Shoal; geomorphological evolution

P737

A

10.16483/j.issn.1005- 9865.2015.05.007

1005- 9865(2015)05- 051- 09

2014- 12- 15

国家自然基金资助项目(41576087)； 新世纪优秀人才计划资助项目(NCET- 12- 0182)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(TKS130102)

谢华亮(1987- )，男，山东宁津县人，助理工程师，从事河口海岸动力地貌研究。E- mail: xh- liang@foxmail.com

戴志军。E- mail: zjdai@sklec.ecnu.edu.cn