九段沙上沙南沿坍塌与外沙内泓效应

茅志昌，郭建强

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062;2.上海市九段沙湿地自然保护区管理署，上海 200135)

九段沙湿地地处长江与东海的交汇处，位于长江河口的南北槽之间。九段沙湿地由九段沙(上沙、中沙、下沙)、江亚南沙及其周边浅水区域组成(图1)。为河流生态、海洋生态的交集带，具有得天独厚的区位优势，是国内唯一基本保持原始河口沙洲及其发育过程的国家级自然保护区。

具有典型河口潮滩湿地特性的九段沙引起研究人员的广泛兴趣，在九段沙的形成发育过程、植被群落演替、底栖动物分布、生态功能评价等方面取得了丰硕成果［1-5］。但对九段沙上沙南沿冲刷原因研究较少。

近年来，随着江亚南沙沙尾的持续下移，外沙内泓效应日益凸现，造成九段沙上沙南沿日益严重的冲刷内蚀现象。早在2003年，为保护湿地免受冲蚀，在上沙码头东西两侧建造(经2005年修护延长)约800 m 长的护滩抛石堤。石堤结构简单，2006年受“碧利斯”台风的影响，石堤全线损坏，石块坍塌下沉，石堤东侧约3 km 长的自然潮滩冲刷后退更为明显。保护九段沙湿地首先要保护沙体免受水流冲刷蚀退，本研究成果可为九段沙上沙护滩工程的设计提供科学依据。

图1 九段沙湿地保护区遥感影像图Fig.1 Remote sensing satellite photograph of the Jiuduansha shoal wetland

1 资料与方法

文中所用海图系交通部上海海上安全监督局、中华人民共和国海事局测绘，水深基准面为理论最低潮面;2011年6月水文泥沙观测资料;2013年1月、4月、7月、9月潮滩的蚀退观测数据。采用地理信息系统(GIS)、数字高程模型(DEM)技术，建立数字高程模型，从动力地貌的角度分析外沙内泓地形的形成机理及凸显效应。

2 水文泥沙

九段沙湿地位于长江河口拦门沙河段，是河流与海洋两大水体的交汇带，同时受风浪影响也十分明显，水文泥沙条件非常复杂。

据九段沙上沙码头潮位站2010 ～2012年实测潮位资料统计，最高潮位5.01 m，最高潮位平均值4.42 m，其中夏半年4.61 m，冬半年4.24 m，平均高、低潮位分别为3.48 m、0.64 m，平均潮差2.85 m，平均涨、落潮历时分别为5.0 h、7.4 h。

江亚北槽位于江亚南沙与九段沙之间，其涨潮流速大于落潮流速，据2006年在江亚北槽的定点观测资料，洪季涨、落潮垂线平均流速分别为1.00 m/s、0.73 m/s，枯季为0.82 m/s、0.70 m/s［6］。表明江亚北槽与南北槽不同，具有涨潮槽的性质。

图2 剖面位置Fig.2 Location of profiles (1# ～5#)

据上沙码头测点表层水样资料统计(2006年6月～ 2007年 5月)，江 亚 北 槽 含 沙 量，冬 季(0.622 7 kg/m3)高于夏季(0.452 kg/m3)。

3 上沙南沿受冲后退

3.1 潮下滩冲淤变化

为了解上沙南沿潮滩的冲淤变化过程，在上沙南沿石堤东西二侧，选取了5 个剖面，相邻剖面的间距为759 ～1 200 m(图2)。图3 绘制了1996 ～2011年期间，上沙南沿5 个剖面的0 m、2 m、5 m 等深线的迁移变化过程。

图3 1# ～5#剖面冲淤曲线Fig.3 Profile of the erosion -accretion at 1# ～5#

1#剖面位于上沙码头以西1 200 m。1996年0 m、2 m、5 m 等深线距起点分别为250 m、350 m、1 250 m，到了2000年分别外推了75 m、725 m、450 m;2004年与2000年相比，0 m 线后退了100 m，2 m、5 m 内蚀了700 m、1 025 m。2007年，0 m 线相对稳定，2 m、5 m 线内侵了150 m、300 m 。2011年，0 m、2 m 线相对稳定略有后退，后退25 ～50 m，5 m 线外涨725 m。

2#剖面位于上沙码头。除2000年5 m 线向外淤涨350 m 外，自1996 至2011年，总体上，水下潮滩处于不断冲刷北移之中，0 m、2 m、5 m 线分别内蚀了670 m、770 m、1 270 m，年均后退分别为44.7 m、51.3 m、84.7 m。

3#、4#剖面的潮下滩地形变化趋势与2#剖面相似，但冲刷强度要大于2#剖面。自1996 至2011年，3#剖面0 m、2 m、5 m 线分别蚀退了930 m、1 425 m、1 625 m，年均后退分别为62 m、95 m、108 m。4#剖面0 m、2 m、5 m 线分别后退了900 m、1 900 m、1 950 m，年均后退分别为60 m、126.7 m、130 m。

5#剖面靠近上沙东南角的沙尾，冲刷强度随江亚南沙沙尾下延而增加。1996 至2011年，0 m、2 m、5 m线后退了750 m、1 700 m、1 725 m，年均后退分别为50m、113m、115m。在5 个剖面中，5#剖面距陡坎距离最远，潮间带宽度最大。

综上所述，在1996 ～2011年期间，上沙南沿潮下滩地形有两个变化特点。

1#剖面在1996 ～2000年间淤涨明显，2000年后，总体上处于侵蚀状态，这与长江口北槽深水航道工程有关。北槽一期工程自1998年1月启动，2000年3月完工。完成了分流口工程和南北导堤的上段工程，封堵了江亚北槽，大幅减少了进入江亚北槽的径流量，凸显了涨潮槽效应，导致了江亚北槽上段的快速淤积。2000年后，江亚南沙出现了2 m 槽串沟，增加了进入江亚北槽的落潮量，上段形成5 m 槽，减缓了江亚北槽上段的淤涨速率。

在此期间，2004年对潮下滩的冲刷最为剧烈，与2000年相比，5 m 线普遍内蚀1 000 m 以上，这与江亚南沙沙尾下延速度加快有关。1997 ～2000年间，江亚南沙沙尾下延速度最快，但对江亚北槽地形的影响并不十分明显，尚有一个时间滞后过程。到了2004年，虽然沙尾下伸速度已减缓，但外沙内泓的效应突显出来，江亚北槽大幅北移，5 m 等深线距陡坎多在1 000 m 以内，引起上沙潮下滩的强烈冲刷。

3.2 潮下滩坡度

坡度的大小表示潮滩地形的陡缓程度，也反映了潮滩受淤涨或冲刷强度的大小。表1 统计了上沙5 个剖面0 ～5 m 水深线之间的坡度。

表1 上沙南沿潮下滩(水深0 ～5 m)坡度Tab.1 Slope of underwater tidal flat (0 ～5 m)in the south part of upper Jiuduansha shoal

由表1 可见，2#与3#剖面0 ～5 m 水深间的地形坡度最大，潮下带宽度仅为100 ～155 m;4#剖面次之，为200 m;1#与5#剖面坡度相对较缓，潮下带宽度为675 ～975 m。

3.3 芦苇高滩坍塌严重

为掌握上沙南沿芦苇高滩坍塌现况，实施了埋桩观测计划。2013年1月1日在石堤以东的自然潮滩设置观测桩4 根，在4月26日查勘时，1#～3#桩随潮滩坍塌已无踪影，只剩4#桩。根据当时观测桩的坐标及桩离陡坎距离的记录，1#～4#断面陡坎内侵4 ～14.4 m。

在2013年4月26日现场查勘时，自石堤东侧至九段沙串沟之间，在芦苇高滩埋设了8 个桩，纵长1 200 m，桩距相邻为130 ～350 m，桩离陡坎4 ～13 m。根据2013年4月26日、7月10日、9月9日的测量结果，高滩坍塌极为严重(表2)。

表2 上沙南沿芦苇高滩坍塌距离Tab.2 Distances of recession in the south part of upper Jiuduansha shoal

表2 的实测数据表示，在1#～5#桩之间(121°53'59''～121°54'23'')，陡坎后退月均值在6 m 以下，6#～8#桩，月平均后退距离在10 m 以上，反映了上沙南沿石堤以东高滩坍塌强度存在区段差异;同时，2013年4 ～7月的月均内退距离在1.4 ～8.3 m 之间，而7 ～9月月均侵蚀距离在3.1 ～14.1 m 之间，显然，7 ～9月的侵蚀强度大于4 ～7月。

4 讨 论

4.1 长江口深水航道治理工程

长江口深水航道治理工程的实施，改变了江亚南沙沙头、九段沙沙头以及九段沙北侧的边界条件，影响了九段沙湿地局部水域动力场、泥沙场的运动特性，凸显了大型航道治理工程对江亚南沙及其附近区域冲淤效应。主要表现在以下几个方面:

1)南北槽分流比变化。南槽分流比由工程前的40%左右增加至目前的60%左右。随着分流比增加，南槽上段出现明显冲刷，10 m 槽自1998 ～2009年初，下移近13 km，年均下延1.2 km。

2)江亚南沙淤涨淤高。0 m 以上面积由1989年的2.9 km2增至2012年的21.4 km2，2 m 以浅水深面积由1986年的19.3 km2增至2012年的37.5 km2。江亚南沙在淤涨的同时，高程也在抬升，滩顶高程由1997年的1.4 m 增加至2009年的3.3 m。

3)江亚南沙沙尾下延。南槽上段南北两侧的冲刷泥沙随落潮流下移，部分泥沙堆积在江亚南沙沙尾，造成江亚南沙沙尾向东南向延伸(表3)。

表3 江亚南沙沙尾(5 m 等深线)下延距离Tab.3 Distances of moving downstream for the Jiangyanansha tail (5 m isobaths)

图4 江亚南沙沙尾延伸(1997 ～2013年)Fig.4 Extension of Jiangyanansha tail (from 1997 to 2013)

由表3 和图4 可知，自1997年至2013年，江亚南沙沙尾下延了20 km，年均下延1 250 m。并且，江亚南沙沙尾下延有两个时段较快，一个是1997年至2000年，沙尾(5 m 水深线)下伸6 500 m，年均下伸2 167 m，第二个时段为2007年至2013年，沙尾下延7 800 m，年均下延1 300 m。北槽深水航道治理工程自1998年初开始，至2000年初完成一期工程，一期工程对江亚北槽和江亚南沙影响特别大，随着南槽进潮量增加，南槽上段冲刷加剧，加快了江亚南沙沙尾的下延速度。2004年二期治理工程完工，沙尾下伸速度逐渐减缓。2007 ～2013年，江亚南沙沙尾朝东南向的下移速度又加快，可能与九段沙上沙南沿大量沙土塌坍有关，原因尚需进一步研究。

在江亚南沙沙尾下延的同时，沙尾高程也在不断淤高，反映在2013年的测图上，江亚南沙沙尾0 m 线已下延至121°55'18''，与1997年相比，0 m 线下延了12 000 m。大潮汛落至最低潮位时，九段沙串沟南沿以西，部分沙脊露滩，部分沙脊的水深只有10 ～30 cm。

4)江亚北槽北移下伸。随着江亚南沙向东偏北淤涨和沙尾下延，江亚北槽朝西北－东南向延伸。1997～2013年，江亚北槽长度由5.5 km 延伸至20 km，16年间增加长度14.5 km，年均增加906 m。

在江亚北槽下伸过程中，出现两个非常明显的变化:一是北槽端部5 m 水深线后退了3 000 m;二是江亚北槽整体北移，北移幅度达1 000 ～2 000 m，最宽处由2 000 m 缩窄至500 m，2#、3#、4#三个剖面的5 m 等深线距陡坎仅有130 ～450 m，潮下滩(0 ～5 m 水深)坡度高达25‰～50‰。

5)由于北槽南导堤的挡流作用，位于九段沙上沙与中下沙之间的串沟，作为水流进出南、北槽之间的通道作用，已明显减弱，该串沟水深也日益变浅，逼使进入串沟的潮流被折回涌入江亚北槽，造成江亚北槽下段水位抬升，涨潮流增强。

由此可见，江亚南沙沙尾的不断下延和淤高，凸显了“外沙内泓”效应，加上南导堤的挡流作用，使江亚北槽下段水位抬高，涨潮流增强，涨潮槽特征更为明显，增加了对上沙南沿的侵蚀强度。

4.2 外沙内泓效应

外沙内泓地貌单元是长江河口在其特定的河势格局、水沙条件下的演化结果，有相似的过程和规律可循。

长江口外沙内泓地形的形成过程主要以三种方式完成。一种是直接由涨落潮流流路分歧而产生的沙脊，如南支的扁担沙;另一种是由水流切割边滩成为心滩后形成的，如南槽的江亚南沙和北港的六滧沙脊;第三种是在落潮水流汇流点下方的缓流区形成新的堆积沙体并逐步淤涨下延形成的，如南港的瑞丰沙嘴。长江口外沙内泓地形形成的方式虽有差异，但由科氏力引起的涨落潮流路分歧和丰富的泥沙来源是其形成发育演变的基本条件［7］。

外沙内泓地形形成后，所在河段由单一河槽变为复式河槽，由此引起河槽性质和水流泥沙运移特性发生改变。沙脊北侧为涨潮槽，深泓逼岸，往往成为险工岸段，须采取丁坝或丁、顺坝组合等保滩护岸建筑物，阻止滩涂坍塌［8］。例如崇明岛南岸自崇头往东直至团结沙水闸近80 km 的大堤前沿，因受扁担沙、六滧沙脊的外沙内泓效应，冲刷严重。自修筑加密了几十条丁坝后，基本上阻止了岸滩的冲刷后退，部分岸滩还有所淤涨。例在崇明东南沿的瀛东养殖场围堤外侧自兴建了丁、顺坝护岸工程后，潮滩向外淤涨了300 多米。

4.3 冲刷趋势

上沙南沿潮滩的冲刷强度及蚀退趋势主要取决于江亚南沙沙尾的延伸淤涨速度。

据2011年6月在江亚南沙沙尾的定点水文泥沙测验结果，表明在单位宽度内，落潮流输出的沙量仅占涨潮流输入沙量的21%，这就是说，在一个潮周期内，将有79%的泥沙滞留在沙尾浅滩上。由此可知，江亚南沙沙尾近期仍将快速向下游延伸。这一判断得到证实，2012年与2011年比较，江亚南沙沙尾又下延了2 000 m，年均下延1 000 m。这将导致江亚北槽同步向下游延伸，外沙内泓效应更加凸显，必将加剧对上沙南沿芦苇滩的冲刷。

随着江亚南沙沙尾的下延，冲刷段将向东延伸。自2007年以来，中沙及下沙上段的5 m 水深线后退了200 ～400 m。

5 结 语

1)九段沙南沿抛石堤严重受损，石堤以东的自然芦苇滩侵蚀后退十分严重。

2)长江口深水航道工程导致九段沙湿地局部区域边界条件改变和水流泥沙运移环境变化，引起江亚南沙沙尾快速下延，江亚北槽在北移的同时向下游延伸。

3)江亚南沙沙尾的淤高、延伸，进一步凸显了外沙内泓效应，加上南导堤的挡流作用，使江亚北槽下段水位抬升，涨潮流加强，涨潮槽特征更为明显，冲刷强度增加，冲刷范围向东延伸。

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