长江河口主槽地貌形态观测与分析

吴帅虎，程和琴，胥毅军，李九发，郑树伟，徐 韦，陆雪骏

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA)

长江河口主槽地貌形态观测与分析

吴帅虎1，2，程和琴1，胥毅军2，李九发1，郑树伟1，徐 韦1，陆雪骏1

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA)

人类活动可以改变流域至河口的泥沙输运与沉积。尽管一些近期的研究已经调查了长江河口的形态演变，然而，流域和河口工程如何影响河口河床的形态演变仍然是不清楚的。该文利用2010年至2015年多波束测深系统和浅地层剖面仪等先进现场测量仪器的长江口主槽走航测量资料，并结合主槽表层沉积物资料，分析了近年来人为强干扰下的长江河口主槽底床微地貌形态，以理解近期人类活动对河口的影响。结果显示：近年来长江河口主槽底床上除了存在平床、沙波、冲沟和冲刷痕等常见微地貌形态外，还存在着疏浚痕和凹坑等人为微地貌形态。在流域和河口大型工程的共同影响下，近年来南北港中上段、横沙通道和南槽上段均受到不同程度的冲刷，其主槽底床上呈现出不同程度冲沟和冲刷痕等侵蚀性微地貌。而由于疏浚工程的影响，南港下段、圆圆沙航槽和北槽航道底床上出现了大范围的疏浚痕和凹坑。近年来包括南槽上段、北槽主槽中段和下段的局部区域和北港拦门沙河段局部区域在内的长江河口最大浑浊带的河床沉积物有粗化趋势。南北港中上段和横沙通道的大部分区域均发育了大量沙波微地貌；总体上，长江河口沙波的波高在 0.12 ～3.12 m，波长在2.83～127.89 m，波高/波长在0.003～0.136，长江河口中上段的沙波尺度(波高的均值为0.91 m，波长的均值为20.08 m) 大于密西西比河下游 (波高的均值为0.87 m，波长的均值为17.62 m)，且两区域沙波的几何形态差异性较小。

河槽形态；微地貌；多波速；长江河口

Abstract: Human activities can alter riverine sediment transport and deposition in estuaries. Although a few recent studies have investigated the morphological evolution of the Yangtze River estuary in China, it is still unclear how micromorphologic bedforms of the estuarine bed are affected by upstream river engineering. This study analyzed the change in micromorphology of the Yangtze River estuary bed over the past five years to understand the impacts of recent human activities on estuarine river reach. In 2010, 2014 and 2015, multi-beam riverbed surface measurements were conducted in the Yangtze River estuary with acoustic multi-beam bathymetric and Sub-bottom profilers. And its bedforms were analyzed over time. Bottom sediment samples were collected for grain size analysis. Results show that in addition to four kinds of common bedforms: smooth surface, dune, gully and scour mark, there are also two kinds of bedforms under the human intervention: dredging mark and hollow. Under the influence of a series of large-scale engineering with watershed and estuary, the middle and upper reaches of the North and South Channels, the Hengsha Passage, and the upper reach of the South Passage are subject to different degrees of erosion in recent years, so there are varying degrees of erosive bedforms: gully and scour mark. Due to dredging engineering, there is a large range of dredging marks and hollows distributed in the lower reach of the South Channel, the Yuanyuansha waterway and the North Passage. And there large dunes developed in the middle and upper reaches of the South and North Channels, and the Hengsha Passage. Overall, with the dunes being 0.12 to 3.12 m high and possessing a range of wavelength from 2.83～127.89 m, there yields a range in the dune form index ( or aspect ratio; height/wavelength) of 0.003～0.136. Much larger dunes (an average height of 0.91 m and an average length of 20.08 m) were detected in the middle and upper reaches of the Yangtze River estuary, much smaller dunes (an average height of 0.87 m and an average length of 17.62 m) occurred in the lower reach of the Mississippi River, showing little difference in the geometry of these dunes.

Keywords: channel morphology; river bedforms; multi-beam profiling; Yangtze River estuary

水下微地貌普遍存在于河流、河口和浅海的底床上[1-2]，其成因与近底层流动与不规则底床的交互作用有关[3]。微地貌在一定程度上反映了流场水动力和泥沙条件的变化[4-5]，其存在和发育可能影响航运、水下管道和水下电缆的安全[6]，对其几何特性的预测对于估测河流洪水期间的水位尤为重要[7]。因此，各种各样的水下微地貌被鉴别出来，包括平滑床底、沙波、沙丘、凹坑和冲沟等，其中沙波成为国内外学者研究的焦点。目前国外对沙波的研究主要集中在沙波背流面横轴涡流引起的泥沙再悬浮[8-9]和沙波形态学结合水动力数值模拟的研究[10-11]。国内主要从沉积学和潮动力的角度对沙波进行研究[12-14]。而自19世纪50年代以来人们对于微地貌和泥沙之间交互作用的理解主要来自于水槽实验[15-17]，对野外实测的微地貌研究仍然是不足的。基于底沙的实验模型的形态动力学机制，一个综合的微地貌相位图被创建[1]，而这相位图表明泥沙输运对微地貌的形成起到至关重要的作用[18]。

长江为我国第一大河流，世界第三长河，全长6 300余米，每年从流域携带大量的泥沙以不同的运动形式输送到河口, 塑造了肥沃的长江三角洲平原和形态、规模各异的水下微地貌[19]。自19世纪以来人们一直注重较大时空尺度的地貌演变，如贝壳堤、南岸边滩推展、北岸沙岛并岸等，尤其是特大洪水对南北支、南北港和南北槽等分汊河道世纪性巨变的控制[20]。而由于仪器条件的限制，对水下微地貌的研究较少，尽管20世纪90年代已有部分学者对长江口主航道和水下底坡上的微地貌形态特征进行了初步的研究[21-23]，然而，这些研究均不够全面且主要集中在未经人类活动干扰的自然河口的微地貌形态，对人类活动强烈干扰下的微地貌形态的研究是极其罕见的。而近年来人类活动对河流包括河口地区的干扰逐渐增强，三峡水利工程和南水北调工程等长江流域大型工程的实施对长江口的来水来沙产生较大影响，青草沙水库和深水航道治理工程等河口大型工程的兴建又必将对河口河槽地形边界条件的变化产生较大影响，从而导致长江河口河槽微地貌也处于不断地演变适应中。因此，本文旨在分析探讨近年来人为干扰下长江口主槽底床的微地貌形态特征和分布规律，为长江河口的整治开发提供服务。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

长江河口属于中等强度的潮汐河口，口外为正规半日潮，口内为非正规半日浅海潮，口门附近的中浚站多年平均潮差为2.66 m，最大潮差为4.62 m。长江河口为一典型的分汊河口，自徐六泾以下先被崇明岛分为南支和北支，南支在浏河口以下又被长兴岛和横沙岛分为南港和北港，南港又被江亚南沙和九段沙联合沙体分隔为南槽和北槽。经历2 000余年来河口发育而形成了如今三级分汊、四口入海的基本地形格局[24](如图1所示)。

1.2 现场观测

分别于2010年 1月 27- 30日、 2014 年7月 11- 18 日和2015年2月1-7日利用多波束测深系统和浅地层剖面仪等现场测量仪器多次对长江口主槽进行走航测量，并使用抓泥斗采取底质样品，走航路线详见图1所示。其中，多波束测深系统为SeaBat7125，工作频率为200/400 kHz，最大频率为50 Hz(±1 Hz)，波束为512个，理论探测深度为0.5～500 m，测深分辨率为6 mm。浅地层剖面仪为Edge Tech 3 10 0，拖鱼为SB-216S，工作频率范围为2～16 kHz，脉冲长度20 m/s ,工作功率 2 000 W,最大适应水深300 m,垂直分辨率6～10 cm, 能穿透6 m砂层, 松散泥层80 m。密西西比河下游的多波速测深数据来自于美国陆军工程兵团。

图1 长江口走航测线及微地貌分布Fig. 1 Bed configuration survey line and bedform morphology in the Yangtze River estuary

1.3 室内数据分析

本航次使用的现场观测仪器均由微机控制操作和获取数据, 并通过专用软件对所有获得的数据进行处理、计算和制图工作。在实验室将沉积物样品经六偏磷酸钠溶液和超声波分散后，用Coulter(LS-100Q)激光粒度仪进行粒度测定。采用福克分类标准，分为黏土类(<0.003 9 mm)、粉砂类(0.003 9～0.062 5 mm)和砂类(0.062 5～2 mm)，并通过砂-粉砂-黏土组分含量三角图示法对沉积物进行命名，含量大于20%的组分参与命名，且含量低的在前，含量高的在后。搜集了长江口北港2002年(1∶10 000)、2012年(1∶25 000)、横沙通道2002年(1∶10 000)、2013年(1∶15 000)和南槽2002年(1∶10 000)、2013年(1∶60 000)的海图水深数据，通过数字高程模型绘制了长江河口北港、横沙通道和南槽河段冲淤变化平面图。

2 研究结果

2.1 常见自然微地貌形态

1)平滑床底：为长江口水下底床表面上分布最广的一种微地貌现象，在多波束测声系统和浅地层剖面仪记录上表现为无任何特殊声学反射的均匀图像。床底表面平坦光滑，无起伏或起伏较小，床底下浅地层沉积物结构稳定，层理连续无间断，沉积物组分均匀，类型较为单一，为稳定的床底表面形态。

2)冲沟：在多波束测深系统和浅地层剖面仪记录上显示是一种狭长弯曲的微地貌形态(图2(c))，走向基本一致。规模较小的冲沟，一般长度20～100 m，下切深度0.5～1 m，宽度2～5 m，发育较为普遍。规模稍大的冲沟长度可达百米之上，下切深度1～3 m，宽度5～7 m。冲沟内常由松散沉积物所充填，缺少任何与周围床底相关的结构和层理。冲沟主要分布在北港的中上段(图1)。另外，大范围的明显的冲刷痕分布在横沙通道的主槽床面上(图1和2(d))。

3)沙波：近年来长江口沙波波长介于2.83～127.89 m，波高介于0.12～3.12 m，沙波指数介于0.003～0.136。大部分的沙波是高度不对称的，向陆坡倾角介于1.57°～29°，向海坡倾角介于1.10°～15.51°，呈弯曲的波状形态，方向不一，差异较大。在多波束测深系统和浅地层剖面仪记录上表现为表面强反射而穿透深度浅(图2(a))。有大范围的沙波发育在长江河口的中上段和横沙通道(图1)，南港中上段的沙波波高和波长分别在0.12 ～3.12 m 和2.83～127.89 m (表1), 沙波指数的均值为 0.06, 多为不对称沙波，向陆坡倾角和向海坡倾角分别在2.20°～29.0°和1.30°～13.78°。而北港中上段的沙波波高和波长分别在0.13～2.4 m 和 4.3～106.72 m, 沙波指数的均值为0.047, 不对称沙波占优势，向陆坡倾角和向海坡倾角分别在1.57°～20.6°和1.10 °～9.05°。横沙通道的沙波波高和波长分别 0.13～1.18 m 和3.74～20 m,均值分别为0.49 m和8.93 m，沙波指数的均值为0.056。

图2 沙波、凹坑、冲沟、冲刷痕和疏浚痕在多波束测深系统和浅地层剖面仪上的记录Fig. 2 Dune, hollow, gully, scour mark and dredging mark on the acoustic multi-beam bathymetric and sub-bottom profile record

区域波高/m波长/m向海坡倾角/(°)向陆坡倾角/(°)最大值均值最大值均值最大值均值最大值均值南港中上段3.120.89127.8919.313.785.7429.09.02北港中上段2.41.11106.7225.59.054.4020.67.47

2.2 人为微地貌形态

近年来由于航道疏浚和挖槽， 凹坑或洼地以一种负地形形式出现在多波束测深系统记录上(图1和2(b))，凹坑多呈圆形或椭圆形，规模较小的凹坑直径在数米至数十米不等，下切深度通常小于1 m，规模稍大的凹坑直径在百米之上，下切深度1～5 m。洼地多由数个凹坑交汇而成，形态不规则，长度一般都在百米以上。此外，还有大量的疏浚痕出现在南港下段、圆圆沙航槽和北槽航道底床上(图1和2(e))，北槽中段的疏浚痕明显多于上段和下段。

图3 近期长江河口主槽底床沉积物分布类型Fig. 3 Types of surface sediment in the Yangtze River estuary recently

2.3 沉积物类型和粒径

对近年来在长江口走航调查时同步采集的主槽表层沉积物的中值粒径进行对比分析，结果表明(图3,表2)：长江口主槽底床上分布的沉积物主要由细砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和黏土质粉砂组成。

黏土质粉砂是主要的沉积物类型，占到所有沉积物(169)的30%，主要分布在长江河口的下游(最大浑浊带)，包括北槽的(14%), 南槽中下游的(5%) 和北港拦门沙河段的(8%)。细砂(20%)主要分布在长江河口的中上段、横沙通道和最大浑浊带的主槽，南北港中上段和横沙通道的细砂的中值粒径分别在130～178 um、105～237 um和130～200 um，南槽上段、北港拦门沙河段和北槽局部区域的细砂的中值粒径分别在136～204 um 、120～175 um 和144～165 um。粉砂质砂(11%)主要分布在北港。砂质粉砂(19%) 和粉砂(20%) 主要分布在圆圆沙航槽和河口拦门沙区域。

表2 长江河口各河段主要沉积物类型及粒级分布Tab. 2 Types and grain size distribution of sediment in the Yangtze estuary

3 讨 论

3.1 影响沙波形成的因素

沙波是一种河流、河口和浅海环境中常见的水下微地貌形态[25]。其发育与来沙量和底床质地有关。其形成受底质沉积物性质的限制，一般形成于平均粒径大于0.15 mm的沙质沉积区[4]。而通过上文的分析得知近年来长江口主槽底床上的沉积物大部分由黏土质粉砂、粉砂和砂质粉砂组成，故大部分区域发育为平滑床底形态。而南北港中上段和横沙通道河段主槽底床大部分区域，及南槽上段、北槽深水航道南侧局部区域和北港拦门沙河段局部区域的沉积物均以细砂为主，有利于沙波的发育。充足的沉积物是沙波发育的基础[26]。每年接近5×1011kg 的来沙量和大约0.8 ×1011kg 的粗颗粒沉积物在长江河口区域沉积下来[4], 为沙波的发育提供了丰富的泥沙来源。由于沙波的规模大小与径流量成正相关关系[27], 而近年来北港的落潮流分流比大于南港[28], 横沙通道的来水来沙量是更小的。因此，北港中上段的沙波尺度(波高的均值为0.98 m，波长的均值为22.1 m)>南港中上段的沙波尺度(波高的均值为0.62 m，波长的均值为12.5 m)>横沙通道的沙波尺度(波高均值为0.49 m ，波长均值为8.93 m)。而南北港中上段和横沙通道的沙波指数分别为0.06、0.047 和0.056, 表明其在沙波的几何特性上有较小的差异。

3.2 流域来水来沙变化的影响

近年来，在水土保持、水库拦沙和河道采砂等人类强干扰活动的影响下，长江干流至河口的水沙态势发生了显著的变化，特别是干流上修建的大量的水库枢纽工程，对河道拦沙发挥了重要作用[29]。长江河口潮区界大通站径流量在2003—2010年以来没有明显的变化趋势，在多年平均值上下波动，在2010—2013年波动较明显(图4)。大通站输沙量在2002—2013年期间波动明显，总体上呈持续减小趋势(图4)，这将提高水流的挟沙能力，导致近年来长江河口受径流控制的中上段的主槽处于微冲刷环境，此种环境下容易形成冲沟和冲刷痕等侵蚀性微地貌。而来沙量的减少对于南北槽的形态演变的影响比较微弱[30]。

图4 长江大通站近年来径流量与输沙量变化Fig. 4 Change of the annual runoff and suspended load in recent years at the Datong station in the Yangtze River estuary

3.3 河口工程的影响

近年来人类活动对河口的干扰逐渐增强，修建了一系列的河口工程，如新浏河沙头部护滩工程、南沙头通道限流工程等对南北港分流口的河势稳定起到了一定的积极作用[31]，而中央沙圈围、青草沙水库和横沙东滩促淤圈围等工程的实施，稳固了北港上段的南边界[32]，在其影响下，近年来北港中上段河槽不断受到冲刷且冲刷态势向下延伸(图5)，导致其拦门沙河段也受到一定程度的冲刷，在2002年至2012年北港河段泥沙净冲刷量为6.54 × 108m3，平均每年冲刷0.65 × 108m3。在其冲刷环境的影响下，近期北港主槽底床上广泛发育冲沟。

图5 长江口2002-2012年北港河床冲淤厚度分布Fig. 5 Thickness of deposition or erosion from 2002 to 2012

横沙通道是连接北港与北槽的主要通道，其演变主要受来水、来沙条件和自身河床边界条件控制[33]，近期周边实施的北槽深水航道治理工程、横沙东滩促淤圈围工程和横沙通道内侧的岸线圈围工程，在一定程度上改变了横沙通道的水沙条件和河床边界条件[34]，在其影响下近年来横沙通道河槽持续受到冲刷(图6(a))，2002年至2013年泥沙净冲刷量为0.86 × 108m3，平均每年冲刷0.08 × 108m3，而其冲刷环境导致河槽底床上发育大量明显的冲刷痕。

图6 长江口2002-2013年横沙通道和南槽河床冲淤厚度分布Fig. 6 Thickness of deposition or erosion from 2002 to 2013

南港的下段、圆圆沙航槽和北槽航道均受到在1998至2010年实施的长江口深水航道治理工程的影响。而南港航道和圆圆沙航槽均是未采取工程措施而通过疏浚开挖形成的人工航道[35]，为了保持航道12.5 m的水深，需进行挖槽疏浚，导致近期南港下段和圆圆沙航槽底床上出现了大量的疏浚痕微地貌。而北槽是长江口深水航道治理工程的主要整治段，当航槽水深增至12.5 m,泥沙同样会在航道内产生快速回淤(表3)，以悬沙絮凝沉降落淤为主，且回淤主要集中在中段[36]，为了保持航道的水深,也必须不断地进行挖槽疏浚，导致其底床上出现了大量的疏浚痕微地貌。因此在南港下段、圆圆沙航槽和北槽中段的底床上均可见大范围的疏浚痕，北槽上段和下段疏浚痕相对较少。

表3 10 m航道及12.5 m航道各段回淤量统计表[37]Tab. 3 Back silting quantity statistics of channels with 10 m and 12.5 m depths back-silting volume

注：表中回淤量均含非常态回淤量。

3.4 与前人研究的对比

前人研究表明，20世纪90年代长江河口最大浑浊带内泥沙级配以粉砂和淤泥为主[38]，河床质颗粒中值粒径为0.056～0.009 8 mm，优势粒径为0.063～0.008 mm；悬沙的中值粒径为0.008 8～0.004 mm，优势粒径为0.003 2～0.000 4 mm。已有研究也表明，南北槽分汊口下游河段因河床表层沉积物粒度组成较细，主要以黏土质粉砂为主[39]。而本文研究发现近年来包括南槽上段、北槽深水航道南侧局部区域和北港拦门沙河段局部区域在内的长江河口最大浑浊带的底床沉积物以细砂为主，其原因与上游来沙量减少，青草沙水库工程和深水航道治理工程关系密切。由于长江河口来沙量锐减和青草沙水库工程的实施，北港的中上段受到严重冲刷且冲刷态势向下延伸[32]，导致拦门沙河段的局部区域也受到冲刷 (图5)，有助于河床表层沉积物的粗化。而深水航道治理工程对南北槽河段河床沉积物的粗化至关重要，其中南北槽分流口潜坝工程的实施导致南北槽分流比发生变化，南槽落潮分流比明显增加[30]，导致南槽河段的上段受到较强冲刷(图6(b))，与该区域沉积物的粗化有关，而北槽局部区域水动力发生明显变化，泥沙输运模式也发生变化[30]，可能与该区域河床沉积物的粗化有关。

3.5 与密西西比河下游的对比

由于密西西比河口以河流作用为主，受到潮汐的影响较小，故其河口与密西西比河下游的动力条件和微地貌特征差别不大，因此将长江河口以河流作用为主的长江河口中上段与密西西比河的下游的沙波微地貌进行对比(表4)，结果发现：长江河口中上段的沙波尺度(波高的均值为0.91 m，波长的均值为20.08 m)大于密西西比河下游的沙波尺度(波高的均值为0.87 m，波长的均值为17.62 m)。而长江河口中上段的波高/波长的平均值(0.054)与密西西比河下游(0.049)差别不大，表明长江河口中上段与密西西比河口下游沙波的几何形态差异性较小。

表4长江河口中上段和密西西比河下游的沙波的几何特征

Tab.4StatisticalcharacteristicofdunesinthemiddleandupperreachesoftheYangtzeRiverestuaryandthelowerreachesoftheMississippiRiver

区域波高/m波长/m向海坡倾角/(°)向陆坡倾角/(°)波高/波长最大值均值最大值均值最大值均值最大值均值均值长江河口中上段3.120.91127.8920.0813.785.0929.08.780.054密西西比河下游3.160.8746.0217.6231.644.2759.339.340.049

4 结 语

1)近年来长江口主槽底床表面上除存在沙波、冲沟和冲刷痕等常见微地貌形态，还存在着人为干扰下的疏浚痕和凹坑等微地貌形态。

2)南北港中上段和横沙通道的大部分区域均发育了大量沙波微地貌，北港中上段沙波尺度较大，南港中上段次之，横沙通道略小，且沙波的几何特性上有较小的差异；总体上，长江河口沙波的波高在 0.12 ～3.12 m，波长在 2.83～127.89 m，波高/波长在0.003～0.136。长江河口中上段的沙波尺度(波高的均值为0.91 m，波长的均值为20.08 m)大于密西西比河下游 (波高的均值为0.87 m，波长的均值为17.62 m)，且两区域沙波的几何形态差异性较小。由于受三峡蓄水工程等流域大型工程的影响，在流域来水量变化不明显，来沙量锐减的情况下，近年来长江河口中上段主槽整体上处于微冲刷环境，北港河段冲刷程度更甚且冲刷态势向下延伸，其拦门沙河段亦受到一定程度的冲刷，促进了冲沟和最大浑浊带河床沉积物的粗化，而深水航道治理工程的实施导致北槽和南槽的落潮分流比和泥沙输运模式发生变化，可能与北槽和南槽最大浑浊带的沉积物的粗化有关。而由于疏浚工程的影响，南港下段，圆圆沙航槽和北槽航道主槽底床上出现了大范围的疏浚痕和凹坑微地貌。

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Observation and analysis of bedform morphology of the Yangtze River estuary

WU Shuaihu1, 2, CHENG Heqin1, XU Yijun2, LI Jiufa1, ZHENG Shuwei1, XU Wei1, LU Xuejun1

(1. State Key Laboratary of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China; 2. School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA )

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.008

1005-9865(2016)06-0065-09

2016-02-11

国家自然科学基金项目(41476075)；中国地质调查局(DD20160246)

吴帅虎(1986-)，男，陕西户县人，博士研究生，主要从事自然地理学专业。E-mail: wushuaihuxiaolaoda@163.com

程和琴(1962-)，女，安徽绩溪人，教授，博士生导师，主要从事河口海岸工程地貌与环境研究。E-mail: hqch@sklec.ecnu.edu.cn