新水沙形势下长江口悬沙浓度的时空分布研究

(1.长江水利委员会水文局 长江口水文水资源勘测局,上海 200136； 2.上海市海洋环境监测预报中心,上海 200062)

长江口是我国最大的河流入海口，长江每年输海泥沙约4.35亿t(大通站，1951～2000年)，其中约99%均为细颗粒悬浮泥沙[1-2]。细颗粒的悬浮泥沙在河口地区极易再悬浮、搬运和重新沉降，给河口地区的港口和航道工程带来很大困扰[3-4]。此外，上游输送的细颗粒泥沙表面还易粘附污染物和营养盐，富集于河口，对长江口水环境造成很大影响[5]。几十年来因防洪、发电和航运等需求，长江流域建成超过50 000座水库，其中影响最大、最受关注的就是2003年建成蓄水的三峡水库。相比于建坝前(1986～2002年：3.40亿t)，长江的入海输沙量在建坝后(2003～2016年：1.40亿t)减少约60%[6]。

在此新水沙形势下，长江河口三角洲的响应研究成为当下地学的研究热点，而长江口悬沙浓度的研究无疑是其中尤为重要的一环。在河口地区，悬沙浓度是水动力作用驱使下，泥沙再悬浮能力的直接体现。悬沙浓度的大小决定了淤积量的大小，而淤积量与侵蚀量的竞争则决定了底床是净淤积还是侵蚀[7]。部分学者通过局地取样、遥感影像反演和现场仪器观测等手段，在长江口区域开展了悬沙浓度的时空变化和再悬浮研究[8-10]。基于表层悬沙浓度数据，陈沈良等(2004)发现杭州湾水域悬沙浓度要明显高于长江口区域，滩浒测站表层悬沙浓度约为1.6 kg/m3，约为同期徐六泾水文站的12倍[8]。杨忠勇等(2017)对长江口南港某横断面进行5个定点水沙观测，得出南港南侧主槽的悬沙浓度要低于北侧副槽，且悬沙浓度的波动频率为半日分潮波动频率的2倍[9]。基于长江口南槽悬沙浓度和流速、地貌的耦合分析，研究发现悬沙浓度的变化与水流速度和河床剪切应力显著相关[10]。

然而，受限于长江口范围宽广、观测难度较高，以往对悬沙浓度变化的研究主要根据不同季节、不同潮型或少量测点的实测资料来分析，对于泥沙长时间尺度和大范围的空间分布状况，还缺乏全面深入的认识。为此，本论文收集了长江口水域多个测站多年的垂线悬沙资料，用以分析和探讨悬沙浓度的时空变化规律。

1 研究区概况

长江河口在徐六泾节点以下开始分汊，河势呈“三级分汊、四口入海”的格局(见图1)。长江口区域范围宽广、地形复杂，口门外侧最大宽度可达90 km，水下沙脊林立。目前，长江超过95%的径流和泥沙均从南支系统入海。因长江口径流与潮流动力均十分强劲，泥沙在咸淡水混合作用下于口门区域形成最大浑浊带[11-12]。长江口门附近多年平均潮差和波高分别为2.7 m和1.0 m，最大潮差和最大波高则分别可达4.6 m和6.2 m。长江口区域多年平均风速在4～5 m/s之间，最大风速为36 m/s[7,13]。

图1 长江口取样点位置分布Fig.1 Sampling locations in the Yangtze Estuary

2 样品采集与分析方法

本此研究的采样点分布如图1所示，共51个测点。这些测点在空间上具有一定的代表性，在时间上虽然不完全同步，但每次取样均会持续至少一个完整的潮周期，可以基本过滤个别样品的偶然性对数据规律的影响，所以时间上的不完全同步并不会影响大尺度的时空对比。考虑到不是每个测点每年均测有完整的洪、枯季或大、小潮数据，本文在进行时空变化分析时，尽量以样品数据量丰富的年份或季节为例，以减小数据源不足而产生的误差。

野外观测期间，在每个整点时刻利用横式采样器采集水样，采样器容积为1 000 mL。水样采集方法为六点法，采样深度分别为表层、0.2h(h为水深)、0.4h，0.6h，0.8h和底层。水样经过充分沉淀后，作洗盐处理；以焙干称重法进行分析，烘干温度为110℃，干烧杯按规范烘烤2 h，干燥冷却至室温后称重。垂线平均含沙量的计算通常采用垂线上各测点的流速加权平均法计算，对于憩流时段附近，因流速较小，按分层测点含沙量算术加权平均计算。文中所涉及的风速数据来源于欧洲中长期气象预报中心，网址为 http://www.ecmwf.int/。

3 结果与讨论

3.1 平面空间分布

长江口悬沙浓度的平面空间分布数据主要是基于2002～2004年和2011年枯季实测的大潮数据。该时段长江流域来沙较少，测验时长江口风浪能量强度基本处于同一水平，对长江口悬沙浓度平面分布的影响较小。数据统计如表1，平面分布见图2。

表1 长江口悬沙浓度数据统计Tab.1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC) in the Yangtze Estuary

注：Xuliujing(徐六泾)测站数据为2003年2月平均值。

从徐六泾-口门-口外，悬沙浓度在北支与南支(含南、北港和南、北槽)均呈先增大再减小的分布规律，北支的悬沙浓度整体上大于南支。据分区统计计算，悬沙浓度在南支平均约为0.64 kg/m3，在北支平均为1.45 kg/m3，北支约为南支系统的2.3倍。长江口悬沙浓度的最大值(2.15 kg/m3)出现在北支中段，悬沙浓度最小值(0.10 kg/m3)出现在长江口外侧最远测点。杭州湾北侧5个测点悬沙浓度平均为2.15 kg/m3，明显大于长江口区域(见图2)。

悬沙浓度的空间分布在南支内也存在明显的差异。南支上段平均悬沙浓度最小(仅约0.15 kg/m3)，南槽区域的悬沙浓度则整体最大(平均为0.93 kg/m3)，约为南支上段的6倍。而南支系统其余区域，悬沙浓度一般均在0.6～0.7 kg/m3之间。

3.2 年际变化

自2002年以来，长江8月径流量(大通站数据)呈周期性波动，但总体无明显升高或降低趋势，平均流量约为42 100 m3/s(见图3)。长江8月输沙量在各年份之间的波动趋势与径流量基本一致，但输沙量总体呈下降趋势。相对于2002年8月的约0.70亿t输沙，2003年8月暴跌至0.18亿t，主要归因于三峡大坝建成蓄水，大量泥沙被拦截在水库之中。此后数年，因长江中下游河床冲刷补给，长江入海输沙量迅速回升，但补给量不足以抵消三峡大坝的拦沙量，长江输沙量总体仍呈波动下降趋势[6]。大通站悬沙浓度与输沙量变化规律基本一致，大坝建成之后呈波动下降趋势，近5 a来则处于相对稳定的低水平。

图2 长江口悬沙浓度平面分布Fig.2 The distribution of SSC in the Yangtze Estuary

长江口悬沙浓度的年际变化是基于2001年至2018年实测洪、枯季的大潮垂线平均数据。分析基于6个采样点(Xuliujing、bzk、NGN4、BG3、NC2和CB2)数据，分别位于徐六泾、北支口、南北港和南北槽(见图1)。考虑到近十几年来，长江口洪季的输沙量基本占全年输沙量的50%以上[14]，同时洪季观测数据较多，本部分内容将主要以洪季为例展开分析。

基于已有数据，徐六泾测点悬沙浓度总体呈下降趋势。相比于2003年前的8月悬沙浓度(0.22 kg/m3),2017年悬沙浓度下降幅度达64%,仅为0.08 kg/m3。其中2006年因流域来水来沙量锐减(见图4)，徐六泾站悬沙浓度处于极低水平(0.07 kg/m3)，随后年份因输沙量增加，悬沙浓度有所回升。北支口(bzk)测点洪季悬沙浓度亦呈明显降低趋势。2003年前约为1.42 kg/m3，后逐渐降为2008年的0.79 kg/m3和2010年的0.35 kg/m3。南港(NGN4)、北港(BG3)、南槽(NC2)、北槽(CB2)和北港中下段(bgx2和BG2)测点悬沙浓度在2016年之前整体呈减小趋势，个别年份存在一定波动。2016年之后，悬沙浓度又均呈逐年回升趋势。

徐六泾测点受上游来水来沙减少影响显著，2006～2009年期间悬沙浓度出现明显降低。低悬沙浓度出现的时间段与三峡大坝的建成蓄水时间相比滞后约3 a，原因可能是河道侵蚀对长江入海输沙的补充，使得徐六泾测站悬沙浓度没有迅速响应三峡水库的蓄水[6]。

注：数据点位位于南槽，经纬度为： 122°E， 30.875°N。图3 8月大通站径流量、输沙量和悬沙浓度及长江口风速的年际变化Fig.3 Variations of annual runoff, sediment flux and SSC at Datong Station, and wind speed in the Yangtze Estuary during August

而口门拦门沙区2016年以来各测站悬沙浓度的增大，则可能归因于近几年8月风速和波浪强度的增大。如前所述，口内测站表现为河流性，其悬沙浓度的年际变化主要取决于流域来水来沙的变化；而口门拦门沙区域悬沙浓度的变化除了受流域来水来沙影响，还受局地风浪影响。

以南槽测点(NC2)为例，悬沙浓度与风速密切相关。在风速较大的2006，2011，2013年和2018年，悬沙浓度均有很好的响应(见图5)。风浪的再悬浮作用对水体悬沙浓度有很大程度的补充，悬沙浓度年际变化的不确定性增强。虽然风浪作用导致了某些特定年份悬沙浓度的波动，但不会改变流域来沙减少引起悬沙浓度总体下降的大趋势。

3.3 讨 论

洪季，长江口内徐六泾测站的悬沙浓度演变趋势与长江入海水体悬沙浓度(大通站)的下降趋势基本一致。而长江口门拦门沙区域由于受局部地形、外海风浪等其他因素的影响，悬沙浓度变化趋势的不确定性较强，但仍呈总体减小的趋势。

注：(1)Xuliujing(徐六泾)站2008年之前数据为8月期间水文测验涨落潮平均值，数据引自《长江口河道演变规律与治理研究》[15]，2008年之后数据为8月的平均值，每天一个数据；其余测点2003年前为2001～2003年6～9月期间的观测数据；某些测点因地形变化，位置有所变动，同时为尽量整合利用数据，部分邻近点数据进行合并。图4 长江口典型测点8月悬沙浓度的年际变化Fig.4 Annual variations of SSC at some typical stations during August in the Yangtze Estuary

图5 南槽测点悬沙浓度与风速变化序列Fig.5 Annual variations of SSC and wind speed during August in South Passage

枯季，长江输沙量基本仅占据全年输沙量的5%～10%之间，而枯季长江口风浪作用的影响却较洪季增强，所以枯季长江输沙对长江口悬沙浓度的影响减小，而风浪对悬沙浓度的影响作用却增大，导致长江口枯季悬沙浓度的年际变化趋势的不确定性更强。

考虑到长江流域内大坝、水库的修建以及水土保持工作仍在继续，长江口径流水体的悬沙浓度将会继续降低[6]，推测长江口洪季悬沙浓度的年际变化将会继续呈波动下降趋势，并在流域输沙量稳定后趋于稳定；而枯季悬沙浓度的年际变化不确定性较强，主要取决于当年风浪强度。

4 结 论

(1) 新水沙形势下，长江口悬沙浓度存在明显的空间分布差异。纵向上，自徐六泾至口门再至口外，悬沙浓度呈先增大后减小趋势；横向上，悬沙浓度差异巨大，南支的悬沙浓度平均约为0.64 kg/m3，北支平均为1.45 kg/m3，杭州湾北侧则平均高达2.15 kg/m3。

(2) 长江口洪季悬沙浓度的年际变化基本呈下降趋势。口内徐六泾测点下降趋势尤为明显，相较于建坝前(0.22 kg/m3)，2017年(0.08 kg/m3)降幅高达64%。2016年之前，北支口、南港、北港和南港、北槽测点悬沙浓度亦基本呈下降态势，但2016年之后有所回升。口门受风浪因素影响较大，泥沙再悬浮作用较强，悬沙浓度的年际变化因各年份风浪的强度变化存在一定的波动，不确定性较强。