灌河口水域水文泥沙与环境生态研究

李谊纯，刘金贵

(1.广西科学院广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁 530007； 2.国家海洋环境预报中心，北京 100081)



灌河口水域水文泥沙与环境生态研究

李谊纯1，刘金贵2

(1.广西科学院广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁 530007； 2.国家海洋环境预报中心，北京 100081)

灌河口自然条件的复杂性及大型整治工程的实施导致该河口海洋水文与海洋环境生态要素发生了一定的时空变化，相关研究时间跨度亦比较大。对1980年以来灌河及其邻近海域的工程环境海洋学和环境生态学领域的研究成果进行了较为系统的整理归纳，并结合2007年的实测水文资料对研究区域内的一些问题进行了探讨。结果表明，在潮差沿程变化、潮流流速的大小潮变化、河口锋面、整治工程导致的泥沙输移、污染物入海量及口外水环境容量、环境生态动力学、沉积物重金属含量和浮游生物的时空变化及其与口外大型整治工程的关系等多个领域尚需进一步研究。

灌河口; 邻近海域； 潮波； 拦门沙； 导堤； 环境生态

灌河是目前江苏省北部唯一没有在干流建闸的入海河流。灌河口海域拥有广阔的滩涂和优良的航运条件，口门西侧的燕尾港是典型的海、河、陆联运港口。其经济腹地——苏北平原具有巨大的发展潜力和重要的战略意义。1980年代以来，伴随着区域经济的发展，对灌河口的研究越来越受到关注。1980年代中前期，以海洋水文领域的基础研究居多；1980年代中后期至今，随着区域经济进入快速发展阶段，灌河的航运及航道整治工程的研究得以比较深入的开展并取得了丰硕成果。2000年以后，尤其是近十年以来，环境生态领域的研究逐渐开展并取得了一定的成果，但灌河口及其邻近海域海洋动力与环境生态的联系并未真正建立起来，环境动力学与生态动力学的研究仍罕见报道。本文基于1980年以来灌河及其口外邻近海域相关领域的研究成果和2007年实测水文资料对灌河口相关领域的研究进行了总结和归纳，并对目前灌河口海域及相关研究中存在的一些问题进行讨论，以期为灌河口的研究和开发提供参考。

1 水文

1.1 基本状况

灌河是江苏省北部最大的入海河流，其干流西起灌南县境内的东三汊，东至燕尾港，全长74.5 km。干流河道除响水口与陈家港两处有较大弯道外，基本为顺直微弯型。流域面积约6 400 km2[1-2]。1977—1980年，为挡潮蓄淡先后在上游3条支流修建了盐东控制闸，除洪季开闸泄洪外，中、枯季一般关闸无径流下泄，根据沭阳站多年资料统计，最大泄洪流量为6 940 m3/s，最小220 m3/s，多年平均流量为2 558 m3/s[3-4]。灌河口门位于燕尾港附近(约34°28′N，119°48′E)，北距连云港约40 km[3,5]。自口门向上游至陈家港，河道长约11 km，河宽800～1 200 m，自然水深8～12.5 m；陈家港至响水县城，河道长约33 km，河宽300～800 m，自然水深6～8 m；响水县城至东三汊，河道长约30.5 km，河宽180～300 m，水深6 m以上[1,4]。河道边坡1∶4～1∶5[1]。河床多年来一直稳定，横向摆动幅度较小，平面位置无明显变化[7](见图1)。口外水域开阔，岛屿较少，岸线较为平直，大致呈NW-SE走向。等深线基本与岸线平行，口门附近存在沙咀，沙咀附近等深线发生弯曲[6]。

图1 灌河口基本形势Fig.1 Topography of Guanhe River estuary

1.2 气象

灌河口海域属海洋性暖湿季风气候，风向季节变化明显。冬季多东北风,夏季多东南风。常风向和强风向均为NNE～NE，多年平均风速约6 m/s。最大风速18～20 m/s，为N,NNE和 NNW共3个方向。全年大于6级风的天数平均为43.9 d，大于8级风的天数平均为7 d。全年平均降水日为80～90 d，平均雾天为11 d[3,6-7]。口门附近区域与口外远岸区域风向基本一致，外海风速大于近岸，可近似以燕尾港风速的1.1倍作为口外海区的风速[7]。

1.3 径流

灌河上游3条支流处修建的盐东控制闸只在洪季开闸泄洪。灌河多年平均流量为22.4×108m3/a[8]。据统计，2004—2008年灌河年径流量分别为：19.52×108，41.93×108，15.72×108，28.72×108和22.90×108m3/a[9]，5年平均年径流量为25.5×108m3/a。距离灌河口门内约5.0 km处为新沂河入海控制工程，新沂河以排洪为主，是淮河重要的入海通道，最大流量为136×108m3/a(1963年)，最小流量为2.69×108m3/a，多年平均流量为42×108m3/a[10]。

1.4 盐度

针对灌河口及其邻近海域盐度的研究不多。以盐度250 mg/L(约0.25‰)为临界点，灌河枯水期大潮期咸水界位于口门上游约37 km，中潮期咸水界位于口门上游27 km[11]。口外距岸10 km的盐度约为28‰[12]。图2为2007年7月29—30日和8月6—7日的灌河口实测盐度变化(测点见图1)。可以看出，灌河口的盐度具有明显的空间和时间变化特征。空间上，盐度自上游向口门和外海逐渐增大。灌河口门以内，盐度具有非常明显的潮内周期性变化，盐度随涨落潮呈现增大和减小，盐度的峰值落后于高潮位1～2 h。陈家港附近的盐度约(0.3～7.6)‰；燕尾港附近约(0.6～19)‰；口外远海的开山岛海域，由于径流的影响减弱，其盐度随涨落潮变化相对较小，变化幅度约(20～27)‰。图2显示，虽然大、小潮期间潮差有比较显著的改变，但灌河口盐度大小潮的变化不大，这可能与上游径流水量的变化有关。

图2 灌河口海域盐度Fig.2 Salinity in Guanhe River estuary waters

1.5 潮波

灌河口及其邻近海域潮波受黄海潮波系统控制，属于不正规半日潮型。表1和2分别给出了基于1930—1937年、1950—1975年[7]和1961—1992年[13]及2007年7—8月的资料统计的潮汐特征值及其纵向变化。由表1可见，在两个统计时段内，除了平均潮差变化不大外，其他特征值均有较大改变。由于两个统计时段区间均比较长，所以可认为潮汐特征值的这种变化并非是偶发性和随机性的，而可能是在较长时间跨度内由于岸线及近岸水深的大幅改变所致。表2显示灌河口潮差亦呈现不同的沿程变化趋势：20世纪前期，平均潮差为自燕尾港分别向外海和上游减小，2004年6月大潮期间的数据显示潮差自外海向上游至响水逐渐减小，而2007年7月和8月的大、小潮期间的潮差在响水下游至开山岛均表现为自外海向上游单调增大的变化。潮差沿程变化反映的是潮波沿程的能量耗散及河道断面面积缩减之间的对比效应。上述3种型式中，除2004年数据显示灌河口为次同步河口(hyposynchronous estuary，指河口自口门向上游表现为河道收缩的影响弱于底摩擦作用，潮差和流速向上游逐渐减小)外，其余两次测量灌河口均基本表现为超同步河口(hypersynchronous estuary，指河口自口门向上游先表现为河道收缩的影响超过底摩擦作用，潮差和流速向上游逐渐增大，至某一区域二者达到平衡，再向上游则底摩擦作用逐渐占主导，潮差和流速逐渐减小)[14]。20世纪早期的测量中，潮差极值出现在口门附近，而2007年测量显示潮差极值出现在响水上游。涨潮历时自上游向外海逐渐增大，落潮历时则与之相反。由于灌河口内河段河势总体比较稳定，因此，灌河口潮位的这种复杂变化更应该反映的是口门内的局部地形(如挖沙等导致的急剧改变)和上游径流(不同测量期间的下泄径流变化)以及口外附近海域的地形变化对潮波传播的影响，需进一步研究。此外，灌河口海域属浅水海区，浅水分潮的作用不可忽视[7,15]。

表1 燕尾港潮位特征值 (85高程)

Tab.1 Statistical tidal levels and tidal ranges in Yanweigang harbor

最高潮位/m最低潮位/m平均高潮位/m平均低潮位/m最大潮差/m平均潮差/m最小潮差/m资料年限3.30-2.572.06-1.014.863.07—1930—1937,1950—1975[7]3.70-2.961.77-1.355.393.100.891961—1992[13]

表2 灌河口潮差及涨落潮历时的沿程变化

Tab.2 Spatially varied tidal ranges and tidal duration in Guanhe River estuary

站点位置平均潮差/m大潮潮差2004-06[13]2007-07小潮潮差(2007-08)涨潮历时/h落潮历时/h响水2.854.56——4.477.97陈家港—4.634.303.754.877.55燕尾港3.084.704.233.595.087.55开山岛2.894.724.213.435.686.73注:平均潮差数据来自文献[7],涨落潮历时数据来自文献[7,13]。

灌河口内潮流受河道地形约束，基本为沿河道方向的往复流。口外远岸潮流为正规半日潮流型，呈逆时针旋转，旋转性由近岸向外逐渐增强[6-7,16]。口门东侧近岸潮流主流向大致与岸线平行，涨潮流向为100°～130°，落潮为300°～350°。在河口西北侧局部区域，涨潮流向为200°～240°，落潮流向为20°～60°[6-7,17-19]。1994年8—9月灌河资料显示表层最大涨、落潮流速均为2.60 m/s，底层最大涨、落潮流速分别为2.51和2.30 m/s，落潮流历时大于涨潮流历时。2004年6月水文测验资料显示：灌河内最大涨潮垂向平均流速接近2.0 m/s，最大落潮流垂向平均流速为1.67 m/s，涨潮流速大于落潮流速[13]，口外涨、落潮平均流速约为河道内测点相应流速的0.5倍，河道内垂向最大流速约为口外最大流速的2.5倍[13]。表3为2007年7月29—30日(大潮)及2007年8月6—7日(小潮)实测潮流垂向平均流速的统计。可以看出，在口外开山岛附近，涨潮流速大于落潮流速。在口内，大潮期涨潮最大流速大于落潮最大流速，约1.40 m/s，但涨潮平均流速小于落潮平均流速；小潮期涨潮的最大流速和平均流速均小于落潮时段的相应值。这种现象产生的原因应包括两方面：测量期间潮汐日不等现象导致的涨落潮过程的变化以及两次测量过程中上游径流量的不同。这种潮周期内的流速变化对于河口内泥沙的长期输移具有深层次影响，需进一步深入研究。

表3 灌河口潮流垂向平均流速特征值

Tab.3 Characteristic values of vertical-averaged tidal velocities in Guanhe River estuary (m·s-1)

站点位置平均流速最大流速2007年7月29—30日(大潮)2007年8月6—7日(小潮)2007年7月29—30日(大潮)2007年8月6—7日(小潮)落潮涨潮落潮涨潮落潮涨潮落潮涨潮陈家港0.870.840.900.771.411.441.361.29小蟒牛0.810.660.770.621.261.461.271.12燕尾港0.820.620.770.661.521.361.221.08开山岛0.480.520.420.540.660.730.570.62

1.6 波浪

灌河口海域的波浪多为风浪，常浪向与常风向基本一致。据开山岛1980年7月—1982年12月资料显示，常浪向为NE，强浪向为NNE，最大波高为3.0 m (NNE)，风浪以有效波高小于1.0 m的浪为主，出现频率约占90%，各方位平均波高为0.63 m，周期为2.6 s[4,13,16]。数值模拟结果亦有相似结论：开山岛强浪向为NNE，常浪向为NNE～SEE(出现频率超过50 %)，其次按出现频率依次为N,NE,ENE等[20-21]。

口外由于无屏障掩蔽，风浪较大。外海波浪传入近岸过程中波向的变化不大，但由于折射、破碎及底摩擦等因素的影响，波高有较大差异。在燕尾港附近强浪向为NE，最大波高为1.8 m，常浪向为NEE，平均波高仅约0.2 m[4,22]。

1.7 余流

灌河口及其邻近海域2～5 m水深范围内，余流主要由苏北沿岸流和灌河径流组成。苏北沿岸流流向主要为自W向E，灌河径流的流向主要为由S向N，二者形成的余流流向在NE向范围内，洪季下泄径流流量大时，余流流向偏N，枯季流量小时余流流向偏E，余流大小0.04～0.08 m/s[7]。在2 m水深以内，余流的组成除苏北沿岸流和灌河径流之外，还包括波浪破碎形成的波浪沿岸流。波浪沿岸流基本与等深线平行，流向基本为NW向，流速大小约为0.02～0.08 m/s[6]。

1.8 河口锋面

河口是盐淡水交汇之处，水体中在物理、化学性质上的差异形成了物理、化学和生物等海洋要素的梯度突变即为锋面。蒋国俊等认为[23]：灌河口锋面以悬沙浓度梯度为特征，其形成是由于河口近似垂直岸线的涨落潮流和深水区与岸基本平行的涨落潮流的流速流向的不连续所致。灌河口的锋面位置一般稳定在口门附近，锋面区流速相对较小，促使细颗粒泥沙在拦门沙内侧落淤。

2 泥沙

2.1 泥沙组成

灌河口泥沙运动以悬沙输移为主[16,24]，局部区域(如河口双导堤东侧)有推移质为主的运动[25]。2004年6月观测悬沙中值粒径为0.002～0.011 mm，1994年灌河测验悬沙中值粒径为0.018～0.004 mm，多数(75%)采样值小于0.010 mm[24]。

近海沉积物既有陆源来沙又有海域来沙、既受径流作用又受潮汐及波浪的作用，沉积物粒度以单峰为主，在离口门两侧边滩一定距离处有部分呈双峰或三峰等多峰状态[18]。沉积物粒度分布呈近岸细、远岸粗，外海又变细的空间分布特征。口外近岸区域沉积物粒径约为0.030～0.050 mm，远岸区域约为0.062～0.080 mm，再向外海则又变细。沿口外沙咀脊线由SE向NW粒径递减，浦港附近为0.07 mm，开山岛为0.06 mm，埒子口外降至约0.02 mm；在横向上，由沙咀外侧向其内侧底质粒径锐减，外侧为0.06～0.07 mm，内侧约为0.03 mm[26]。

灌河口内、外海床泥沙基本相近。灌河口内底质组成主要为粉沙和淤泥。1994年，燕尾港采样显示底质中值粒径的范围为0.001～0.090 mm，2004年灌河河道内底质中值粒径为0.018～0.082 mm[13]。陈君和黄家祥等分别于2003年7月和2005年7月在灌河口海域做了底质采样[2,18]。分析显示两次采样底质粒径相差不多。综合二者研究发现：表层沉积物底质中值粒径在1.470～7.087，主要集中于4～8，平均中值粒径为5.12，分选系数多为0.441～3.258，偏态值主要分布在-0.208～0.561。以前一般认为，沉积物类型主要为粉砂和粉砂质黏土，局部区域有细砂存在。陈君等的研究则认为：岸滩表层沉积物类型主要有砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂和泥质粉砂，分布范围最广的为粉砂质砂和砂质粉砂，粉砂质砂主要集中分布在低潮线以外；砂质粉砂主要分布在低潮线以内、以及灌河主航道外侧；其次是粉砂，主要分布在河口两侧，即在埒子口西北和灌河口东南有大面积分布[18]。

2.2 悬沙时空分布

金鹰等[12]利用环形水槽试验研究了灌河口泥沙的启动和沉降问题，认为灌河口泥沙的起动流速约为0.2 m/s。在0.3 m/s以下流速水流中，泥沙沉降速度为0.007 m/s。在灌河口的动水中，约有3/4的时间泥沙几乎不沉。

就空间变化的总体趋势而言，在纵向上，口内河道含沙量高，口外拦门沙海域含沙量较高，再向外海含沙量明显减少。口内灌河的含沙量没有明显的沿程变化。在沿岸方向上，灌河口门东侧的含沙量比西侧高[7,13,16,24]。口内段河道是悬沙浓度分布的高值区，大约为1.8 kg/m3，最大可超过3.0 kg/m3；口门沙咀浅滩区悬沙浓度约1.0 kg/m3，最大悬沙浓度3.0～4.0 kg/m3；口外2 ～7 m水深海域是悬沙浓度分布的低值区，悬沙浓度大部分约为0.5 kg/m3，很少超过1 kg/m3；l0 m水深处则小于0.05 kg/m3[13,19]。

时间变化上，在1个潮周期内，涨潮时段深水向岸边及口内含沙量逐渐增高，岸边含沙量的梯度增大；落潮时高含沙水向外海深水方向扩散，岸边的含沙量水平梯度减小。河道内及开山岛以外涨、落潮的含沙量相差不大，开山岛以内的拦门沙区落潮含沙量大于涨潮约5%[13,16]。在大小潮过程中，大潮含沙量明显大于小潮期间。1994年6—9月水文测验的燕尾港到小蟒牛河段大潮全潮平均含沙量为1.71 kg/m3，小潮全潮时为1.07 kg/m3。口外北槽大潮平均含沙量为0.58～0.76 kg/m3，小潮时为0.38～0.47 kg/m3[7,13]；年内变化上，灌河口洪枯季含沙量基本相同，较为稳定[7]。图3为2007年7月29—30日(大潮)及2007年8月6—7日(小潮)实测的含沙量过程。可以看出，口外开山岛附近水域含沙量很低，为0.01～0.06 kg/m3；口内河段，含沙量随潮汐涨落具有明显的周期性变化，最大值出现在高潮位前后1 h内，另一个稍小的含沙量极值出现在低潮位前2 h左右。口内含沙量除个别时段外，一般未超过1.5 kg/m3，平均约0.4～0.6 kg/m3，口内含沙量无明显的沿程变化趋势。

图3 灌河口海域含沙量(2007年7—8月)Fig.3 Sediment concentration in Guanhe River estuary(Jul～Aug,2007)

此外，灌河内和口门附近含沙量受大风影响较大，5级及以上风生波掀沙作用明显，大风天含沙量明显增大。2004 年6 月水文测验期间遭遇5～6 级大风，河口内涨、落潮实测平均含沙量达4 kg/ m3以上[3,13]。

2.3 泥沙输移方向

灌河口外海底地貌形态为海积斜倾平原，岸线平直，潮间带一般宽约500 m[18]。河口东侧自废黄河口向西的泥沙输移趋势十分明显，河口西侧也有小范围的自西向东的泥沙输移[19]。张东生等利用数学模型研究了灌河口外泥沙的沿岸输移，认为无论NW方向或SE方向，年输沙量的变化幅度都不大。年输沙量约为24×104～41×104m3/a，年平均值约为36×104m3/a，净输沙方向为NW。波浪的沿岸输沙比潮流的悬沙输移对河口沙咀的形成更为重要，波生流导致的年平均净沿岸输沙量约3×104m3/a[27]。从泥沙运动形式来看，在灌河口双导堤东侧泥沙呈推移质形态运动，输移总体趋势为自东向西。西侧泥沙主要呈悬移质运动，淤积可在较大范围内发生[25]。

2.4 地貌演变

2.4.1 灌河口门内 1977—1980年，为挡潮蓄淡先后在上游3条支流处修建盐东控制闸，除洪季开闸泄洪外，其他时段无径流下泄。灌河口内河段冲淤变化基本可以建闸为界分为两个阶段。建闸前干流响水上段以冲刷为主，下段以淤积为主。建闸后，从多年平均来看上段明显淤积、下段冲刷；但在汛期开闸泄洪时则为上冲下淤。据1965—2004年地形对比分析，陈家港以下干流河道的弯道凹岸处均处于持续稳定冲刷状态。目前灌河干流基本上处于稳定或微冲状态，深泓线年最大冲深约0.3 m/a。多年来河道平面变化不大，河宽变幅不超过50 m，河势稳定[28-29]。

2.4.2 灌河口外海域 灌河口海域的主要地貌单元可分为河口沙咀、口外水道和沿岸边滩三类，三者的演变相互影响和制约[26]。

(1)沙咀和口外水道。灌河口门的沙咀是指口门右侧浅滩 0 m等深线(理论深度基准面起算) 以浅的向西北方向延伸的尖突地形[19]。沙咀的根基段与右岸新滩港、浦港一带的边滩连为一体，脊线向西北方向延伸至埒子口右侧口外并向北转折延伸至10 m等深线附近,沙咀平均宽度4～6 km，脊线长约30 km。沙咀脊与两侧海底的相对高差1～2 m，在横断面上表现为外坡缓，内坡陡[17-19,26-27]。

沙咀呈准二元相结构[26]，在垂向剖面上,沙咀主体沉积分上、下两层，上层平均厚度约1.0 m，最厚约为2.0 m。沉积物类型为灰褐色极细砂和粗粉砂，平均粒径为0.04～0.07 mm。下层为黄褐色、黑色粉砂质淤泥，厚度7～8 m，属古黄河三角洲北侧的烂泥湾堆积[18,26,30]。沙咀的上层砂体平面分布呈尖舌状,纵向上仅达埒子口右侧，而后沙咀继续向NW～N延伸，尾梢段由粉砂质淤泥构成。

灌河口海域现代沉积速率受废黄河口至灌河口沿岸输沙和海底地貌的控制，沙咀主体沉积速率低。早期水动力弱，沉积环境稳定；近年来，水动力增强且来沙逐渐减少，沉积强度减弱。数值模拟显示单纯由波浪沿岸输沙引起的沙咀淤积速度约0.5 cm/a。Pb测年法显示灌河口外沙咀的现代沉积速率为0.11～1.38 cm/a，但不同的地貌部位沉积速率不同。沙咀脊线一带沉积速率快，为1.38～1.11 cm/a；沙咀内侧的西水道内相对较慢，约0.10～0.58 cm/a。沙咀脊线上基根段较快，约1.38 cm/a,尾梢段较慢，约1.11 cm/a[17,27]。

图4 灌河口外水道偏移概况[26]Fig.4 Evolution of waterway and shoreline along Guanhe River estuary

沙咀的形成和发育主要是波浪、水流等水动力因素与岸滩相互作用的结果[26]。张东生等认为河口两侧都有泥沙向口门方向运移的趋势，但东侧来自废黄河口的泥沙在波浪沿岸流的挟带下自东南向西北的持续输移是灌河口口门沙咀泥沙的主要来源[19]。现代沉积学研究亦显示，沙咀的泥沙主要来源于废黄河口至灌河口一带的水下浅滩。1855年前，灌河口一带海岸线与开山岛相连，现在的沙咀区相当于古黄河三角洲北侧的烂泥湾。1855年黄河北徙山东入海，废黄河口失去泥沙来源，在海洋动力作用下持续侵蚀。泥沙在潮流、沿岸流、波浪等共同作用下起动、向北搬运，在灌河口门东侧遇到径流潮流交汇形成的低流速区而落淤，是沙咀逐渐形成的根本原因[10,18,23-24]。在沙咀形成和发育过程中，1900年代和1950年代的两次大风暴潮将大量泥沙搅动并输移至灌河口外、自SE向NW堆积下来，是沙咀演变中极为重要的两次事件，奠定了沙咀结构的基本模式。沙咀不仅在垂向上淤长，在其演变过程中还发生了横向(向陆)移动，但随着近年来海岸防护工程的实施以及来沙的减少，沙咀沙体的移动速度减缓，逐步趋于稳定[12,24,26]。

目前灌河口出口水道呈双槽分汊入海态势，向NW偏W方向上出口的水道称为西水道；自口门向N经沙咀腰部出口的水道称为北水道[10]。北水道1980年再现以来，一直与西水道并存[29]。西水道走向与涨落潮主流向基本一致，北水道与涨落潮主流向近似垂直，但北水道走向与灌河口较为平顺。历史上，在1940年前灌河口在开山岛附近入海。1916年至今的资料表明，灌河口外水道不断向西北方向偏移(图4)，1916年出口水道距开山岛约3.0 km，方向为北偏西23°，至1956年向内移了约1.5 km，方向为北偏西53°。此后持续向内偏移，但偏移速度已逐年减缓，至1990年代已基本稳定，1940—2001年间口外水道累积向W偏了约60°[4,10,26]。关于口外水道的偏移，主要有两种解释：一种认为主要是河势逐步适应口外潮流流向和NNE向的风浪作用结果；另一种解释则认为由于河口沙咀自1950年代以来迅速淤长并伴随其横向整体向岸逼近，岸线蚀退和沙咀发育导致西水道逐渐向岸退让[26-27]。

(2)岸线演变。 黄河1855年北徙之前，灌河口岸段由于大量泥沙输入而迅速向海推进。1855年以后，由于失去了泥沙来源，海岸由河流泥沙主导的淤积型转变为海洋动力控制的冲刷型。1855年至今，岸滩蚀退了约8～10 km[28]。表4为灌河口海岸蚀退速率。可以看出，不同学者统计的海岸蚀退速率有较大差异，虽然存在统计的时间区间不同的因素，这更可能是由于统计过程中岸线的确定不一所致，如张长宽等将岸线与滩线分别考虑，并得出1954—1980年，滩线蚀退比岸线快2～3倍，至1980年代滩线已基本接近岸线[19,26]。综合而言，1950年代至1985年的30余年间，岸线年蚀退速率约20 m/a。从定性上来说，1960年代以前，西侧边滩侵蚀较快；20世纪60年代至80年代中期，东侧侵蚀速度大于西侧蚀退速度。80年代以后，随着护岸工程实施，海岸蚀退的速度已明显减慢，至90年代已基本相对稳定。

表4 灌河口外两侧岸线平均蚀退速率

Tab.4 Mean speeds of coastal erosion near Guanhe River estuary (m·a-1)

平均蚀退速率(文献[19])平均蚀退速率(文献[28])1954—19641964—19801980—19851956—19621962—1974东侧17.817.5*23.978.6*20.041.720.8西侧17.062.0*18.741.9*19.358.38.3注:加“*”标记数值为滩线蚀退速率。

2.5 口外整治工程

灌河是江苏北部航运条件最好的入海河流，随着苏北经济进入高速发展期，开发灌河对推动和发展苏北经济的意义日益重要。但由于拦门沙滩顶水深只有1～2 m[4,10]，灌河的航运受到严重影响，也制约了地区经济的发展。虽北水道水深较浅，但水道顺直，是通向外海最便捷的航线。因此自1980年代以来，口外拦门沙及航道的整治开发工作得到相关管理部门和学者的重视。对于口外拦门沙和航道的整治，诸多学者结合疏浚、单导堤、双导堤等工程设计进行了大量研究[3,25-33]。李国臣等曾提出航道整治的原则[3]：①航槽轴线宜与落潮流向基本一致，以增大航道落潮流速，提高挟沙力；②航槽轴线宜与优势波向一致，以增大波浪掀沙的动力条件；③航槽轴线宜与等深线相垂直，以缩短船舶进入外海深水区距离，降低基建和维护的工程量；④航槽与整治工程布置在平面上不宜有急剧的改变，以避免流速的突降及回流导致泥沙淤积；⑤河口整治建筑的高程宜采用最大落潮流速时的平均潮位，以集中落潮水流，冲刷航道。

综合而言，研究认为：单纯疏浚不能满足航道维护的要求，需实施导堤工程[31]。综合整治宜采用堤顶高程为中潮位的半潜式双导堤加疏浚结合的方式进行[3]。双导堤工程不同的导堤高程可能使纳潮量增加也可导致减少。纳潮量在东导堤高程位于低潮位及涨急附近潮位时最为敏感，而对西导堤各级高程都较为敏感[32]。灌河口双导堤的建设将改变东侧海域泥沙原来的沿岸输沙方式，部分泥沙将被拦截在导堤根部；双导堤的建设可能导致西水道明显淤积，其影响可达埒子口[25]。选择合适高程，双导堤配合航槽疏浚整治工程能有效发挥减淤效果，正常条件下航道开挖年回淤约(190～330)×104m3，台风浪骤淤约为180×104m3[10]。在防洪排涝方面，双导堤高程及增加双导堤间距对于减小工程引起的低潮位壅高效果不明显，通过双导堤间过流断面积补偿能有效降低工程对新沂河排洪的影响[33]。

3 环境生态

3.1 海水水质

灌河干流2006—2008年30个测次的水质监测中，总体水质评价为Ⅲ类的为12次，评价为Ⅳ类的14次，Ⅴ类和劣Ⅴ类水各为2次，主要超标因子为溶解氧、氨氮和总磷。河流水质基本上可满足Ⅳ类的控制目标[34]。

在口外海域，影响水环境质量的首要污染物为无机氮和活性磷酸盐，二者污染比例之和约为54.14%，其余指标尚满足相应控制目标[22]。灌河口附近海水中无机氮主要以NO3-N形态存在，NH4-N次之，NO2-N所占比例最小。根据2006年春季水质监测，灌河口春季水温约为(14～16) ℃，pH值为8.005～8.097，溶解氧为8.105～8.748 mg/L[22]。表5为2006年[22]、2011—2012年[35]无机氮、活性磷酸盐及COD的监测数据。可以看出，2006—2012年间，灌河口海域海水中无机氮和活性磷酸盐的浓度变化不大。从年内变化来看，无机氮在冬季最低，春季到秋季呈缓慢升高的趋势，但变幅不大。活性磷酸盐的年内变化趋势和无机氮完全不同，活性磷酸盐夏季最低，秋季最高，秋季到春季呈缓慢下降趋势，在空间平面分布上呈现由河口向外海侧明显递减的趋势[22,35-37]。

表5 灌河口外海水中无机氮、活性磷酸盐及COD含量

Tab.5 Concentration of inorganic nitrogen,active phosphorus and COD in sea water in Guanhe River estuary (mg·kg-1)

测量指标2011—2012年[35]2006年[22]春季夏季秋季冬季春季无机氮范围0.272～0.6670.186～0.7220.263～0.6510.156～0.6680.522～0.727均值0.4270.4380.4450.302—活性磷酸盐范围0.005～0.0250.002～0.0270.006～0.0230.005～0.0350.012～0.028均值0.0110.0080.0150.013—COD范围0.550～2.6201.590～2.180均值1.150—

据2004—2008年数据显示，灌河的COD入河总量为36 944.2 t/a，氨氮入河总量为4 366.5 t/a，总氮和总磷入河总量分别为6 507.4和444.6 t/a，其中最主要的为农业污染，所占比例分别为46.6%，50.0%，50.7%和48.3%[38]。同期COD，BOD5，氨氮的平均年入海量分别为12 833.34，4 716.38和1 242.62 t/a，污染物入海量年际变化大，最大变幅可超过年平均入海量的一倍[9]。

针对灌河口海域水环境容量的研究主要基于一维和二维水质模型开展[35,41]，研究很少且结果差别较大，相关研究尚需进一步开展。

3.2 近海沉积物质量

夏曾禄等曾给出了本区域的重金属背景值[39]。黄家祥等至2005年7月在苏北灌河口的潮滩两侧10 km范围内进行31个站位的表层沉积物采样[2,40]；宋晓娟等在2011年4月对灌河口内及口门至埒子口海域进行了28个站位的采样研究[41]。从时间变化上来看，与1987年相比，沉积物中重金属含量均大幅增加约1倍以上，Hg明显富集，Cu,As轻度富集[41]。2005—2011年，各重金属含量均有不同程度升高。除Cd和Hg外，其他元素含量相互之间均呈现较好的正相关关系和明显的粒控效应[40]。

在空间分布上，重金属含量在离岸方向有逐渐下降的趋势[40]。在沿岸方向上，2005年7月和2011年4月的调查数据显示出不同变化：2005年7月，沉积物中除Cd呈自口门向NW向缓慢增加外，其他元素在沉积物中的含量沿岸变化并不明显；而2011年4月的调查则显示各元素的高值均位于河口口门外约6～8 km处，向口内及NW方向均逐渐降低(Cr除外)(见表6)。灌河口外重金属含量极值出现的区域恰邻近整治导堤的末端。宋晓娟等认为重金属含量极值区的出现是重金属被沉积物吸附后随之沉积所致[41]。若如此，则需在灌河河口导堤工程建设导致的细颗粒泥沙淤积与重金属吸附方面加强研究，以防重金属生态灾害的发生。此外2011年4月的调查还显示埒子口海域Cr存在异常的高值，其原因尚不明朗。

与国内其他海域相比，灌河口海域Zn浓度最高、Hg处于较高水平，Cr，Cd等5种重金属处于中等或中等偏上水平[41]。生态危险性评价显示，灌河口海域表层沉积物中重金属总体上处于“轻微”生态危害水平[40-41]。

表6 灌河口近海沉积物中重金属含量

Tab.6 Concentration of heavay metals in nearshore bed sediment in Guanhe River estuary (mg/kg-1)

HgCrCuZnPbCdAs背景值0.03260.2815.8464.6824.70.3658.59口外海域1范围0.04～0.2343.0～74.98.3～34.620.5～80.910.8～29.50.04～0.616.6～19.8均值0.07665.46725.27660.39621.8170.11413.355口门附近海域2范围0.09～0.1438.4～96.116.0～71.949.0～43917.5～41.00.12～1.5713.9～22.6均值0.1170.134.416129.70.3217.8口内河段2范围0.08～0.1168.7～82.927.8～33.4112～14024.1～30.10.17～0.2011.4～23.5均值0.1075.431.112727.00.1816.6埒子口海域2范围0.01～0.1094.0～8174.7～40.412.9～74.44.9～25.60.02～0.095.2～16.6均值0.0424220.147.616.80.0610.8注:上标1和2分别为2005年7月[40]和2011年数据[41]。

3.3 浮游生物

对灌河口海域浮游生物的研究较少。李士虎等于2011年5月至2012年2月和2011年10月分别进行了浮游植物和浮游动物的调查研究[42-43]，调查站位共12个，其中口门至陈家港3个站位，口门东侧5个站位，站位最远至开山岛附近；口门西侧至埒子口4个站位。共鉴定出浮游植物7门77属205种。浮游植物以硅藻为主(38属139种)，甲藻次之(14属28种)，各季节硅藻种类数占总数的比例为(67～80)%。浮游植物的种类和细胞密度在冬季达到最大，分别为146种和1.154 9×106个/m3，至夏季降至最低，分别为83种和2.007×105个/m3，而后再逐渐升高。各季节均有各自代表性的优势种，但圆筛藻和根管藻在各季节均有很高的优势度。浮游植物多样性指数和均匀度指数在各季节变化不大，分别为4.046 7和0.791 0；物种丰富度指数具有较大的季节性差异，范围在1.432 1～2.897 0，均值为1.959 8。方涛等于2011年4月在灌河口门东侧附近布设9个站点进行了浮游植物的调查，共鉴定出浮游植物6门24科36属68种，其中硅藻门29属61种，占总种类数的89.71%[44]。可以看出，上述两组调查结果差异甚大，前者的浮游植物种类约为后者的3倍。这可能是由于二者站点布设的差异所致，前者的站点分布较后者广，不仅最大离岸距离远约1倍，而且包括口内和口门西侧至埒子口海域。这反映了灌河口及其邻近海域浮游植物分布具有极大的空间差异，口门附近是浮游植物种类的低值区。

表7 灌河口富营养化指数和氮磷比[35]

Tab.7 Eutrophication index and N/P in Guanhe River estuary

测量指标春季夏季秋季冬季富营养化指数均值1.20.931.561.86氮磷比范围18～10342～112*27～28415～8113-56均值471003326注:上标带“*”数值为2011年4月数据[44]。

2011年10月在灌河口浮游动物的调查共鉴定出浮游动物9大类49种[43]。主要优势种为：小拟哲水蚤、桡足幼体、猛水蚤、背针胸刺水蚤、太平洋纺缍水蚤、克氏纺缍水蚤、真刺唇角水蚤、强壮箭虫、日本角眼剑水蚤。浮游动物的丰度范围为37～9 828 个/m3，平均为3 252 个/m3，丰度近岸高、外海低。多样性指数和均匀度指数均值分别为2.269 7和0.646 2。

该海域氮磷比范围为13～284，叶绿素a与磷酸盐浓度呈显著的正相关，而与无机氮线性关系不明显。加富培养实验亦显示灌河口邻近海域浮游植物的生长主要为磷限制[35,44](见表7)。

4 结 语

灌河口的开发利用越来越引起人们的关注，30余年来对灌河口的科学研究取得了丰硕的成果。基于1980年以来灌河口及其附近海域海洋水文、海洋工程、海洋环境与生态的文献及部分2007年实测水文资料进行了综述性的分析研究，结果表明：

(1)灌河口的潮汐潮流过程较为复杂，资料显示潮差的沿程变化以及大小潮的不同涨落潮过程中的潮流流速差异均呈现复杂的变化特征。

(2)灌河口区域的锋面关系到水动力、泥沙、环境与生态等诸多关键过程，目前研究很少。

(3)近海海洋环境质量，尤其是污染物入海量及口外水环境容量以及环境生态动力学缺乏系统性的研究。

(4)在不同学者的研究中，近海沉积物中重金属含量呈现不同的空间分布；对灌河口门外的重金属富集以及埒子口海域出现Cr的极高值均应高度重视，以免导致重金属生态灾害的发生。

(5)灌河口浮游植物种类的空间分布差异极大，口门附近存在明显的低值区。

(6)灌河口外存在大型的航道整治工程，导堤的建设可能改变东侧海域泥沙原来的沿岸输沙方式；整治工程与水环境的关系、与灌河口外重金属和浮游生物异常变化的关系等尚待深入研究。

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Marine hydrology,sediment and ecological environment in Guanhe River estuary

LI Yi-chun1，LIU Jin-gui2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience,GuangxiAcademyofSciences,Nanning530007,China; 2.NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,Beijing100081,China)

Since 1980s,along with the social and economy development in the north of Jiangsu Province,the status of the Guanhe River estuary and its adjacent sea area has became more and more important.A lot of researches on this area have been carried out by the related management departments and scholars.The complex nature conditions and large-scale estuarine regulation works lead to unnegligible temporal and spatial variations of the marine hydrology and marine environment in the Guanhe River estuary.Therefore,many literatures with findings of the engineering environmental oceanography and marine environmental ecology in the Guanhe River estuary from 1980 were summarized systemically,and the hydrologic data measured in 2007 were also adopted for some discussions in this paper.In the general,several problems including spatially variation of tidal range,variation of the spring-neap tide having deferent velocities,variation of the entrance bar,estuarine front,variation of sediment transport induced by the training jetties,assessment of major pollutants inflow volume into the estuarine waters and the marine environment capacity,environmental dynamics and ecological dynamics,the relationships between the temporal and spatial variations of the heavy metal concentrations in the nearshore sediment,the plankton organism and the large-sized regulation works located out of estuary still need to be further studied in the future.Research results show that this study can provide a technical reference for studies and development of the Guanhe River estuary.

Guanhe River estuary; adjacent sea area:tidal wave; entrance bar; training jetty; ecological environment

10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.06.017

李谊纯，刘金贵.灌河口水域水文泥沙与环境生态研究[J].水利水运工程学报,2016(6):116-128.(LI Yi-chun,LIU Jin-gui.Marine hydrology,sediment and ecological environment in Guanhe River estuary[J].Hydro-Science and Engineering,2016(6):116-128.)

2015-10-20

广西自然科学基金北部湾重大专项资助项目(2011GXNSFE018002)； 广西科学院基本科研业务费资助项目(13YJ22HY07，10YJ25HY03)

李谊纯(1977—)，男，河北乐亭人，工程师，博士，主要从事河口海洋学研究。E-mail:ychli@vip.sina.com

TV148

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1009-640X(2016)06-0116-13