长江口—杭州湾悬沙浓度的空间分布特征研究

杨海飞，张志林，李伯昌

（长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136）

流域来沙是河口地貌形成的物质基础，地貌形态的变化主要依靠水动力作用。悬沙浓度是泥沙和水动力耦合作用的直接体现，其分布特征反映了泥沙在水动力作用下的搬运、沉积和再悬浮过程，是河口地貌演变的重要影响因子[1-2]。在长江口地区，泥沙的回淤问题一直困扰着航道和港口工程。细颗粒的泥沙还易吸附营养盐、污染物等，在河口区汇集，对河口水域环境产生很大影响[3-5]。

作为中国最大的河流入海口，长江口的河流和海洋动力的相互作用十分强烈[6]。据大通站（长江入海前最后一个控制性水文站）多年数据统计，上世纪七十年代（流域来沙大幅降低前）长江年均入海径流量和输沙量分别约为9×1011m3和5×108t，分别位列同期世界河流的第五和第四位[7]。口门地区多年平均潮差约2.7m, 多年平均风速约6m/s，引水船测站多年平均波高约1.0m，波高自内向外逐渐增大。长江口波浪类型主要包括风成浪和涌浪两种，其受季风变化影响显著。长江径流、潮流和波浪是长江口地区泥沙运动的主要动力因素[8-9]。

1 研究区域与样品采集概况

长江口的悬沙浓度研究一直是学者们的研究热点，尤其是自三峡水库等大型水库建成蓄水以来，流域来沙锐减，长江口门地区的悬沙浓度响应研究显得尤为重要。不少学者通过实地水样采集、仪器观测或遥感影像反演等手段，已经对长江口的悬沙浓度展开了相关研究工作[2,6,10-14]。基于表层悬沙数据，学者研究发现长江口的悬沙浓度自徐六泾向外呈先增大后减小的空间分布特征，在拦门沙最大浑浊带区域达到最大，最大可达2 g/L[13-14]。相比于徐六泾以上河段，悬沙浓度在徐六泾以下河段存在量级上的飞跃，由小于0.1 g/L迅速增大至大于1 g/L[6]。在北槽浑浊带区域，垂向平均含沙量自上而下，由0.23 g/L逐渐增大至0.72 g/L[15]。虽然已有不少研究表明杭州湾的泥沙来自长江口，但相比于长江口水域，杭州湾的悬沙浓度又要明显更高[16]。

因长江河口在徐六沿节点以下开始分汉，河势呈“三级分汊、四口入海”的格局，口门区域净宽可达90 km。因长江口区域范围宽广，多点同步取样或观测困难，且人力和物资消耗巨大，所以以往的研究往往是依靠少数典型代表测点数据、或仅仅针对长江口某一局部区域展开分析，研究成果可能存在一定的不完整性和片面性[6,11,14-15]。本次研究主要是基于长江口区域2011年洪、枯季实测的大潮悬沙浓度数据，并结合杭州湾水域部分测站的悬沙浓度数据[17]，来分析长江口—杭州湾悬沙的空间分布特征。本次研究共涉及23个数据点，采样点分布如图1。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本此研究中所用数据来源主要有：长江口深水航道治理分流分沙比水文测验，上游来沙量变化对长江口航道的影响研究水文测验，枯季长江河口水文综合调查水文测验，长江口深水航道养护工程长江口北槽水域水文测验，长江口北支水域水、沙、盐、水质监测水文测验等。

2.2 研究方法

（1）悬沙水样采集

图1 长江口—杭州湾取样点布置示意图Fig.1 The sampling locations in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

为减小长江流域来沙以及长江口风浪能量强度的季节性变化对长江口悬沙浓度平面分布的影响，本文中长江口悬沙浓度的平面分布数据是基于2011年洪、枯季实测的大潮垂线平均值。具体采样流程如下：各固定测验垂线在测流期每小时采用横式采样器采取悬移质含沙量水样，采样点位及层次与测流相同；采样器采用容积为1000 ml的横式采样器；取水样后，立即装入预先清洁干净的容器内并盖紧。

其中杭州湾部分的滩浒、小洋山、芦潮港、大戢山和绿化山站点的数据根据李鹏等的文献补充[17]，这5个站点的样品采于2008-2009年，每天两次采集表层悬沙样。

（2）悬沙水样处理及计算

水样经过充分沉淀后，作洗盐处理；以焙干称重法进行分析，烘干温度控制110℃，干烧杯按规范烘烤2小时，干燥冷却至室温后用1/10000电子天平称重。

悬沙浓度计算：Cs=(Wbsj-Wb)/V。其中：Cs，悬沙浓度；Wbsj，烘杯、泥沙重量（g）；Wb，烘杯、重量（g）；V，水样体积（L）。

3 结果与讨论

3.1 悬沙浓度分区对比分析

本部分内容共涉及23个站点数据，其对应的悬沙浓度数据统计如表1；同时基于悬沙浓度数据，绘制了长江口—杭州湾悬沙浓度的平面分布柱状图（图2）。

从图2可以看出，长江口—杭州湾悬沙浓度分布存在明显的空间差异。悬沙浓度在北支的崇明中段达到最大，为2.07 g/L；在长江口外侧最小，最远测点的悬沙浓度仅约0.06 g/L。

据数据统计，南支系统的悬沙浓度平均值为0.47 g/L，而北支悬沙浓度则达1.32 g/L，约为南支系统的2.8倍。杭州湾表层悬沙浓度平均值为0.82 g/L，实际垂线平均值则更大，从内侧（1.3g/L）向外（0.70g/L）悬沙浓度呈逐渐降低趋势（图2）。就南支系统而言，悬沙浓度的分布也存在空间差异性。南槽悬沙浓度最大，约为1.08 kg/m3，南支上段最小约为0.21 kg/m3，仅为南槽的1/5。而南支系统其余区域，悬沙浓度一般均在0.5 kg/m3以上。南支系统内，拦门沙区域悬沙浓度平均值为0.62 g/L，约为南支上段（0.21 g/L）的3倍；在南支上段，北岸悬沙浓度平均约为0.26 g/L，南岸平均约为0.12 g/L，北岸为南岸2倍多。

表1 长江口-杭州湾各测点悬沙浓度统计Table 1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC)in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

图2 长江口—杭州湾悬沙浓度平面分布柱状图Fig.2 The histograms of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

3.2 悬沙浓度沿程变化规律

在北支系统，北支口测点悬沙浓度最小，为0.49 g/L；沿程向外逐渐增大，至北支中段达到最大为2.07 g/L；继续向外，则迅速降至0.89 g/L。在南支—北港系统，悬沙浓度也总体呈先增大后减小趋势。南支口测点最小仅为0.25 g/L，在北港下段达到最大约为1.20 g/L，至北港外围测点悬沙浓度降至0.29 g/L，略高于南支口测点（图3）。

图3 长江口悬沙浓度沿程变化图Fig.3 The longitudinal variations of SSC in the Yangtze Estuary

据已有数据，在南支—南港—北槽和南支—南港—南槽系统，悬沙浓度的沿程呈逐渐增大趋势，这一规律与上述先增大后减小变化规律并不矛盾。该现象主要是因为缺失南、北槽外围测点数据，悬沙浓度沿程变化规律的后半段未能完整展示。

长江口悬沙浓度向外侧先增大后减小的空间分布规律主要是由于口门区域最大浑浊带的存在，最大浑浊带是在河口口门区域特殊条件（包括地形、水动力、盐淡水混合等）下形成的[1,9]。

3.3 悬沙浓度分布场及相应机理

据以上数据分析，绘制了长江口悬沙浓度分布场图（图4），以揭示长江口悬沙浓度分布的一般规律。不难发现，长江口—杭州湾的悬沙浓度存在明显的空间分布差异，其中各分区（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州湾）的差异尤为明显。北支的悬沙浓度整体上要大于南支系统，南支系统内拦门沙区域要明显大于南支上段，南支上段还存在南、北两岸梯度差异，杭州湾内悬沙浓度则整体要大于长江口区域。总体而言，各分支系统自口内向口外基本呈先增大后减小趋势，该趋势总体与以往研究成果基本一致[6,9,16]，但本次研究布点更为密集、同步性更好，且在细节上更进一步。

图4 长江口—杭州湾悬沙浓度平面分布场图Fig.4 The spatial distribution of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

一般情形下，河流水体的悬沙浓度随着河道展宽、泥沙落淤，水体含沙量会随之下降。图3中南支—北港系统第2至第4测点，悬沙浓度存在一定下降趋势，正是反映上述机理。但就长江口—杭州湾整体而言，该区域的悬沙浓度更多地反映的是海洋性，即海洋动力导致的泥沙再悬浮作用主导了该区域的悬沙浓度空间分布。以北支为例，长江每年经北支入海的径流量小于5%，泥沙来源本十分有限。但北支潮汐作用十分强劲，北支现已基本演变成潮汐控制的潮流通道。长江口南支向外海扩散的泥沙及苏北向南沿岸流携带的泥沙随涨潮流进入北支，此外强潮作用下潮流动力对底层泥沙的剪切作用，导致北支泥沙大量再悬浮，以上综合作用是北支悬沙浓度远大于其余分区的主要原因[18-19]。杭州湾的潮汐作用强劲，高悬沙浓度现象的形成机理与北支相似。在南支系统，拦门沙水域水深较浅、潮汐和风浪作用较强，局地泥沙的再悬浮是该区域形成最大浑浊带的重要原因[16]。

综上，长江口—杭州湾水域，悬沙浓度更多地表现为海洋性，受海洋动力主导，即便在现如今流域来沙大量减少的背景下，长江口水域悬沙浓度依然保持在较高的水平。

4 总结

（1）长江口—杭州湾的泥沙基本均来自长江入海泥沙。在长江口自徐六泾以下至口门，虽然河道继续展宽但悬沙浓度没有因为落淤而继续降低；相反，悬沙浓度在口门区域呈不断增高的现象，继续向口外则明显减小。这主要是由于口门区域最大浑浊带的存在，最大浑浊带是在河口口门区域特殊条件（包括地形、水动力、盐淡水混合等）下形成的。

与此同时，长江口—杭州湾水域的悬沙浓度还存在明显的分区差异（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州湾等）。北支明显大于南支系统，南支系统内拦门沙区域明显大于南支上段，杭州湾水域则整体大于长江口区域。

（2）长江的输水输沙量一直位列世界大型河流前列，但在长江口—杭州湾区域，水体的悬沙浓度要明显大于长江径流，该区域的悬沙浓度由海洋动力主导。局地的泥沙再悬浮和迁移对水体含沙量进行了大量补充，使得长江口—杭州湾水域的悬沙浓度在流域来沙锐减的背景下依然居高不下。因此，长江口—杭州湾的悬沙浓度，最主要的是表现为海洋性，其空间分布特征受海洋动力作用控制。