长江口水下三角洲演变规律及河势控制初探

樊咏阳，陈正兵，张志林，胡春燕

(1. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430014; 2. 长江水利委员会水文局 长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

长江是我国第一大河，全长约6 300 km，流域面积180多万km2，多年平均入海水量约9 000亿m3。长江河口地区综合受到径流、潮汐、风暴潮、密度流、风生流、波浪、科氏力以及人类活动等多种因素的影响[1-9]，其水、沙、盐、地以及生态等特征变化较为复杂，其中以径流作用和潮汐作用的影响最为显著。三角洲区域，作为径、潮流相互作用最为激烈的区域，受近年入海水沙情势变化及人类活动等影响，改变了长江口三角洲区域河势变化规律[10-11]。在三峡水库蓄水建设运行初期，由于长江中下游、长江口外和苏北海岸带泥沙的补给，三峡水库蓄水对长江口冲淤变化的影响尚未体现。当大通年输沙量低于2.5亿吨时，长江口地区发生由淤积为主向侵蚀为主的转变[12]。

长江河口区域是我国经济发展最快、工业化程度最高的地区之一，其发展一定程度上依赖着长江口区域河势格局的稳定，同时，长江河口区河势发生变化对生态湿地以及自然保护区产生的影响也不明确。因此，确保长江河口水下三角洲区域河势稳定，是满足国民经济发展以及生态环境保护的需要，开展河势控制对策措施研究工作具有重要意义。

1 研究区域与水文特征

1.1 研究区域

长江河口区域呈现“三级分汊，四口入海”的格局(如图1所示)，沿程向下：一级分汊为南支和北支，二级分汊为南港和北港，三级分汊为南槽和北槽。本研究区域主要为三级分汊及以下的三角洲区域，研究洲滩主要包括北支入海口附近的顾园沙，北支与北港之间的崇明东滩，北港与北槽之间的横沙滩群(包括横沙东滩和横沙浅滩)，北槽和南槽之间的江亚南沙沙体和九段沙沙体以及南槽南侧的南汇边滩。

图1 研究区域示意Fig. 1 Survey region of Yangtze estuary

为稳定长江口河势，长江河口区已经开展了大量的河道整治工程及航道整治工程，主要包括：徐六泾节点控制工程、白茆沙洲头守护工程、新浏河沙护滩及南沙头通道限流工程、中央沙圈围及青草沙水源地工程、横沙东滩圈围工程、南汇东滩圈围工程、北槽深水航道整治工程、北支灵甸港、圆陀角、新村沙等圈围整治工程、崇明东滩互花米草及鸟类栖息地优化工程。

收集了1973—2016年4个测次的实测地形数据(表1)，数据来源为长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，测量比尺为1∶50 000，如表1所示。由于1973年长江口外区域地形测量范围相对较小，测图并不覆盖顾园沙及崇明东滩，因此在分析过程中，该年顾园沙及崇明东滩的数据资料及断面图均缺失。

表1 地形数据选取及精度Tab. 1 Sources and accuracy of terrain data

1.2 水文泥沙特征

大通水文站流量过程代表长江入海的径流过程。1973—2015年，大通站水量无明显的增减趋势(图2(a))，1951—2015年，年平均入海水量8 916亿m3。20世纪90年代为长江的丰水期，平均入海水量9 596亿m3，其中1998年和1999年为大水年，单日最大洪峰流量为81 200 m3/s，2003—2015年水量相对较枯，年平均入海水量8 438亿m3。潮汐和波浪因素以绿华山站为代表，绿华山的潮差和平均潮位无明显的趋势性变化，波浪的波高略有减小(图2(b))。若以潮差/径流量作为指标加以分析长江河口水动力过程[13]，1996—2011年潮径比存在增加趋势，表明了2003—2011年长江流域入海径流偏低，使得潮流相对增强，进而径流和潮流水动力平衡位置向口内上溯。已有研究表明[14-18]，长江口外海域泥沙浓度虽有减小，但减幅有限，长江河口区域悬沙浓度的减小主要是流域入海泥沙量锐减引起的。1973—1985年，大通站年均入海沙量约4.6亿吨，1985—2002年期间大通站沙量已有减小趋势，年均入海沙量3.4亿吨。其中1973—1997年年均入海沙量约为4.1亿吨，1997—2002年年均入海沙量约为3.2亿吨。三峡水库的蓄水运行加剧了这一减小趋势，2003—2015年输沙量均值锐减至1.4亿吨，尤其2011年以来，入海泥沙量基本维持在1.2亿t/a左右(图2(a))。

图2 长江口水文特征Fig. 2 Characteristics of hydrology in Yangtze estuary

2 长江河口水下三角洲演变特征

长江口三角洲区域洲滩包括北支出口处的顾园沙，北支与北港之间的崇明东滩，北港与北槽之间的横沙滩群(横沙东滩以及横沙浅滩)，北槽与南槽之间的江亚南沙及九段沙沙体以及南槽南侧的南汇边滩。在长江口三角洲区域，2 m等深线以上为三角洲区域的高滩，5 m等深线为低滩和河槽的分界线，10 m等深线以下为深槽，10 m等深线至20 m等深线之间的区域为三角洲前缘区域(图3)。

图3 长江口三角洲区域沙体河槽位置示意Fig. 3 Location of sandbars and channels in the delta of the Yangtze River estuary

从三角洲区域各沙体总体面积变化可以看出(表2)，顾园沙沙体5 m等深线面积1997—2002年有增大趋势，2002—2016年有萎缩趋势。崇明东滩2 m高滩面积在1997—2002年基本不变，2002年以来，面积增大，但5 m低滩面积处于萎缩之中。横沙东滩及横沙浅滩的总面积有先增大后减小再增大的变化趋势。江亚南沙及九段沙沙体2 m高滩总体上呈现淤积的趋势，而5 m低滩面积则呈现先增大(2002年前)后不变的趋势(2002年后)。

表2 长江口三角洲区域主要洲滩面积变化Tab. 2 Area variation of the sandbars in Yangtze estuarine delta (km2)

2.1 三角洲前缘变化

从等深线图中可以看出(图4)，1973—1997年之间，长江口10 m等深线向口外推移了约5.3 km，20 m等深线向口外推移了1.3 km，可见大量泥沙落淤在10 m等深线以内区域，也有部分泥沙落淤在三角洲前缘区域内，造成了该区域面积的缩减；而1997—2002年之间，长江口10 m等值线位置基本不变，而20 m等值线向外推移局部超出研究边界，可见在1997—2002年期间，泥沙落淤同样主要集中于三角洲前缘区域。2002—2016年，-10 m以及-20 m等深线同时向口内推移，三角洲前缘区域以冲刷为主，这与大通站入海泥沙的减少趋势是一致的。可见，三角洲前缘区域的冲淤变化与径流挟沙有着较为密切的关系，入海泥沙今后长期维持现在的较低水平，将可能造成三角洲前缘区域的持续崩退。

图4 长江口三角洲前缘区域10 m及20 m等深线变化Fig. 4 Variation of the 10 m and 20 m isobaths in the front delta of the Yangtze estuary

长江口三角洲区域2 m等深线以及5 m等深线的变化如图5所示，其变化反映了三角洲区域各沙体的多年变化情况。结合沙体断面变化(断面位置如图3所示)，对三角洲区域各沙体演变规律开展研究。

图5 长江口三角洲区域沙体等深线年际变化过程Fig. 5 Variation of sandbars in Yangtze estuarine delta

2.2 顾园沙沙体变化

顾园沙为北支出口处的沙体，顾园沙沙体高程较低，主要为2～5 m的中低滩。顾园沙北侧淤长，东侧冲刷后退。南侧从北支出口向外淤长，使得顾园沙5 m等深线与崇明东滩连为一体。

为进一步明确顾园沙沙体的变化规律，沿顾园沙中轴线方向，绘制了顾园沙断面的多年变化图(图6)。从图6中可以看出，沙体并无明显淤高或长大的趋势，但也未发生明显萎缩的迹象。从断面图看，顾园沙沙体6 m等深线以上左淤右冲，沙体向西北侧移动，6 m等深线以下冲刷发展，北支出口处左岸深槽窄深向发育。

图6 顾园沙沙体断面变化Fig. 6 Section variation of Guyuan Sandbar

2.3 崇明东滩沙体变化

崇明东滩2 m等深线以及5 m等深线显示其在1997—2016年之间的20年间，沙体经历了冲淤交替的过程，但总体面积和形态基本维持不变。崇明东滩东南侧存在一条窜沟，该窜沟存在逐渐向西偏移的趋势，冲刷沟中心线自1997年至2016年累计偏移了16°。崇明东滩西南侧的落潮流将高滩分割为上下两个滩体，2002年以来，上沙体存在向东南侧淤长的趋势，上下沙体间距逐渐缩小。从5 m等深线同样可以看出，落潮冲刷沟已逐渐淤浅，水流归于北港，将崇明东滩南缘冲刷的更为平顺，崇明东滩低滩的面积减少主要源自于北港的冲刷。

崇明东滩南缘的冲刷使得北港5m等深线宽度增大，从北港中部等深线宽度变化来看，北港河段自4.5 km河宽(1997年)逐步增大至7.5 km河宽(2016年)，加之横沙浅滩北缘的冲刷，使得北港出口条件更好，从而有效的促进了北港分流比的增大，从图7可以看出，北港分流比自2002年以来，逐步由50%以下稳步增大到50%以上，2008年以来基本维持在52%左右[18]。

图7 北港分流比年际变化Fig. 7 Annual variation of diversion ratio of North Channel

从断面变化来看(图8)，崇明东滩2 m以上沙体淤高，2 m以下的沙体冲淤交替，断面形态总体变化不大。

图8 崇明东滩沙体断面变化Fig. 8 Section variation of Chongming East Sandbar

由于崇明东滩总体形态较为稳定，其发展趋势使得北港水流趋于平顺，整体河势向良好方向发展，因此无需对崇明东滩实施控制应对措施。

2.4 横沙东滩及横沙浅滩沙体变化

横沙东滩及横沙浅滩等深线变化显示：横沙东滩2 m等深线从1973—1997年起，一直处于淤长之中。1998年起，北槽深水航道工程实施，因此，1997—2002年，主要淤积区集中于深水航道坝田区。2003年以来，横沙东滩的圈围工程进一步加速了横沙东滩的淤积。从横沙东滩的演变来看，总体上一直处于淤长的态势。而横沙浅滩的变化则以冲刷为主，从2 m等深线变化可以看出，1973—1997年，横沙浅滩冲刷、下移；1997—2002年，横沙浅滩冲刷变窄；2002—2016年，横沙浅滩冲刷、下移。因此，总体来看，横沙东滩与横沙浅滩滩群总面积的增大主要源自于横沙东滩的淤长，而面积的减少主要源自于横沙浅滩的冲刷。

横沙浅滩目前仍处于向海移动的趋势中，沙体向下游移动，滩宽冲淤交替，主要表现为沙体北缘的切割，南缘北槽区域由于深水航道工程的影响，近年来坝田区仍有淤长趋势。从总体面积变化来看，2002年为横沙浅滩萎缩最为严重的年份，高滩宽度不足4 km，5 m等深线变化可以看出窜沟开始发育。2002—2016年，沙体淤长，但与此同时，沙体中部的冲刷沟也存在明显的发展。由于深水航道北导堤的建设，改变了水流的方向，横沙浅滩的窜沟沿着北导堤向上游发展。

从断面变化可以看出(图9)，横沙浅滩主要以2 m以下的沙体为主，2 m以上的沙体主要因横沙东滩圈围而淤长，从断面位置及断面形态可以看出，窜沟的发育仍有进一步上溯的趋势。断面中部位置自1973年以来，由理论最低潮位以下3 m逐渐冲刷至5 m左右，而窜沟下游的沙体则向海向淤长、增高。进一步证明了横沙浅滩依照现有趋势发展下去，将逐渐成为一个远离河口的沙洲。

图9 横沙浅滩沙体断面变化Fig. 9 Section variation of Hengsha Shoal

综上所述，横沙浅滩表明窜沟向上游延伸，切割沙体，切割出的沙体向海移动，横沙浅滩有冲散的风险，可能引起长江口区域河势不稳定，同时窜沟的发育威胁北槽深水航道导堤工程的安全，因此，有必要对横沙浅滩考虑实施控制对策。

2.5 江亚南沙及九段沙沙体变化

九段沙为南北槽分界沙体，其头部为江亚南沙。1973年，沙体长度约为26.7 km，宽度9.2 km,1973—1997年，九段沙总体呈现淤长态势，尾部向下游淤长了4.2 km，总面积增大。沙体头部受水流冲刷切割，江亚南沙与九段沙高滩分离。1997—2002年，九段沙仍维持淤长态势，尾部略有冲刷，逐步形成了江亚南沙稳定的冲刷沟形态。2002—2016年，九段沙尾部淤长明显，淤长幅度超过3.4 km，沙体平面形态受深水航道南导堤工程的影响，整体有向北偏移的特征，沙体中轴线逆时针偏移约5°，高滩面积增大，江亚南沙的冲刷沟仍存在，且有进一步发育的趋势。

从5 m等深线变化可以看出，九段沙南缘以冲刷为主，而北缘上段基本稳定，中下段以淤长为主，随着北槽深水航道工程的实施完成，九段沙北侧的5m等深线沿整个深水航道丁坝坝田发展，形态趋于稳定，沙体5 m等深线面积基本维持不变。

从九段沙纵剖面图(图10)可以看出，自1973—1997年，沙体整体处于淤高长大的过程中，沙体向上下游发育。1997—2002年，沙体局部有冲淤交替，但整体形态变化不大，沙体上段小窜沟冲深。2002—2016年，沙体0 m以上淤高发展，5 m宽度基本维持不变，沙体上段的窜沟冲宽冲深，最大深度达10 m。

图10 九段沙沙体断面变化Fig. 10 Section variation of Jiuduansha Sandbar

总体来看，九段沙沙体有着淤高不长大的变化趋势，沙体上的窜沟近年来急剧发展，九段沙沙体有被水流切割冲散的风险，对九段沙国家级湿地保护不利，因此，有必要对九段沙考虑实施控制对策。

2.6 南汇边滩沙体变化

南汇边滩2 m等深线自1973—1997年北侧冲刷后退，最大冲刷幅度约为2.2 km，南汇边滩北侧被切割出一个单独的小沙体。南汇边滩东侧边缘向外海淤长，最大淤长幅度2.1 km。1997—2002年，南汇边滩淤长，窜沟北侧沙体向下游淤长约1.6 km，南汇边滩下缘向北淤长约2.8 km。2002—2016年，由于人工围垦的影响，南汇边滩进一步淤积发展，窜沟消失，南汇边滩连为一个整体，且有向东展宽的趋势。

从5 m等深线变化可以看出，南汇边滩北侧上段多年来呈现冲刷趋势，使得南槽自1973年以来，逐渐向南偏移，上段偏移幅度较大，河道中心线偏移了约3.5 km，逆时针偏移约30°。下段走势基本不变，但宽度缩窄明显，下段宽度由1973年的7.4 km缩窄至1997年的6.4 km，2002年的5.5 km，2016年的4.6 km。南汇边滩东侧在圈围工程的作用下，向海推移发展，自1973年至2016年，累计推进了6.2 km。

从南汇边滩断面变化图(图11)可以看出，2002年以前，南汇边滩东侧整体处于稳定中略有淤长的状态，2002年以来，在人类活动的影响下，南汇边滩淤高长大，快速发展。

图11 南汇边滩沙体断面变化Fig. 11 Section variation of Nanhui Sandbar

3 水下三角洲区域河势控制对策初探

为了逐步实现长江口的河势稳定，应针对长江口河段河势变化特点和变化规律，从河道演变分析及实测资料分析入手，弄清造成河道河势变化的主要影响因素，抓住主要矛盾，因势利导，根据各河段不同演变特征和要求，提出相应的对策措施。

对三角洲区域而言，横沙东滩圈围后，沙体已经基本稳定，而横沙浅滩由于深水航道潜堤工程的实施，水流方向发生改变，造成横沙浅滩窜沟贴靠深水航道北导堤发育，对北导堤的安全以及横沙浅滩的稳定均产生了影响。受落潮漫滩水流冲刷作用，2002年以来江亚南沙上部窜沟和江亚北槽持续冲刷发展。江亚南沙头部落潮槽及江亚北槽上段的冲刷发展会造成一定的泥沙下泄，已对南槽5.5 m航道回淤产生影响。因此对横沙浅滩以及江亚南沙、九段沙两处均需考虑如何控制其河势稳定。

3.1 横沙浅滩守护控制工程

从横沙浅滩目前变化规律可以看出，横沙浅滩总体面积虽基本维持不变，但靠近深水航道北导堤侧有一较大窜沟发育，窜沟贴北导堤向上游延伸。窜沟的发育一方面威胁了深水航道北导堤的安全稳定，另一方面也对横沙浅滩的稳定造成了影响，需考虑对横沙浅滩实施守护以稳定河势格局，为未来横沙浅滩的保护与利用留下实施空间。具体的说，对横沙浅滩的守护有着3个方面的必要性：

1) 守护横沙浅滩是改善长江口三角洲平面形态，稳定河势格局的需要。由于顾园沙、崇明东滩的相对稳定，南汇边滩圈围工程的实施，长江口三角洲区域的外缘线相对位置已经较为稳定，而横沙浅滩位置则相对较为薄弱，容易发生冲蚀。守护横沙浅滩可以稳固长江口三角洲的外缘线，使得三角洲区域平面形态更为稳定，从而使得长江口河势格局更为稳固。

2) 守护横沙浅滩是维护北槽深水航道整治工程稳定性的需要。受水流淘刷的影响，横沙浅滩表面窜沟贴靠深水航道北导堤发育，如不加守护任由窜沟发展，将掏空北导堤下方沙体，使得北导堤稳定性受到威胁，因此，守护横沙浅滩，遏制水流对沙体的冲刷能有效的守护北槽深水航道工程的安全。

3) 守护横沙浅滩是开发利用北港航道资源，提升长江口货运能力的需要。横沙浅滩是北港航道的下段南边界，守护横沙浅滩的稳定对于现状北港航道的稳定以及未来北港航道资源的开发利用均能提供良好的边界条件，可有效缓解北槽深水航道货运量不足的现状。

此外，横沙浅滩的稳定有效的维持了北港下段的稳定，缩窄了北港的口门，可能对减缓自北港上溯的咸潮有一定的影响，亟待进一步研究确认。

考虑到目前横沙浅滩的开发利用方式尚未有明确规划方案，在守护横沙浅滩的同时，应为未来的利用模式留有足够的空间，因此，对横沙浅滩的守护对策应以固滩为主，建议按照图12所示，沿横沙浅滩5 m等深线实施护滩带，护滩带加高至理论最低潮位以下2 m，确保横沙浅滩沙体形态的相对稳定。

图12 长江口三角洲区域河势控制对策示意 Fig. 12 Schematic diagram of river potential control measures in the Yangtze estuary delta

3.2 九段沙守护工程

1998年长江口深水航道建设以来，改变了北槽的边界，北槽分流比下降、主槽冲刷、坝田淤积[19]。同时，北槽深水航道的建设，南槽分流比增大，导致了南槽一系列的变化，从图5可以看出，南槽中上段近20 km的河槽冲刷展宽，九段沙沙体变窄，对九段沙国家级湿地的保护不利。另一方面伴随着江亚北槽的冲刷发展，侵蚀着九段沙沙体，同时冲刷的泥沙又会对下游拦门沙河段航道建设带来不利影响。

同时，从图5中还可以看到，由于上游冲刷下泄的泥沙在南槽内落淤，南槽中下段已经产生了新的5 m沙洲，可能破坏目前南槽较为稳定的单一河道格局，对今后的航道建设和维护不利。

近期九段沙南缘滩坡普遍冲刷，九段沙南沿与江亚北槽连接的窜沟冲刷发育。已造成九段沙中部南沿冲刷区5 m深槽贯通。九段沙南沿持续冲刷对九段沙自然保护区稳定带来不利影响，同时冲刷带来的泥沙也将增加目前正在实施的南槽航道整治工程疏浚的负担。若不采取一定的工程保护措施，九段沙湿地自然保护区存在进一步冲刷侵蚀的风险，南槽航道的稳定性亦受到一定影响。

基于上述原因，对江亚南沙及九段沙提出河势控制方案，如图12所示，封堵江亚南沙与九段沙之间串沟(江亚北槽)，避免南槽向江心洲汊道发展。封堵南导堤的窜沟,对稳定深水航道南导堤具有重要的作用，对九段沙实施保滩护岸工程，防止南槽过度展宽，维护南槽单一河槽的格局，为南槽航道功能的开发提供稳定的河势条件。同时为确保九段沙湿地的自然条件以及足够的水沙交换，保留九段沙东侧的自然通路，使得涨潮水流可以自然涌入九段沙湿地。工程沿九段沙5 m等深线布置，加高至理论最低潮位以下2 m。

4 结 语

基于长江口三角洲区域4次的实测地形资料，对长江口三角洲河势变化特征进行了分析，结果表明，长江入海沙量锐减后，长江口三角洲前缘区域10～20 m等深线冲刷明显。长江口三角洲区域洲滩2 m等深线总体变化不大，局部略有淤长。5 m等深线面积基本维持不变，局部略有减少。横沙浅滩、九段沙沙体表明均有大型窜沟发育。窜沟的发育威胁了沙体的稳定，因此，需要对横沙浅滩和九段沙沙体予以守护，以确保长江口三角洲区域河势稳定。

对横沙浅滩守护应以固滩为主，为未来的保护和开发方式留下足够空间，因此选择沿5 m等深线守护滩体。对九段沙沙体，由于其为湿地保护区，应确保足够的水沙交换，因此对沙体的守护应以封堵窜沟为主，保留水沙交换通道。选择对沙体西侧、南侧部分进行潜堤守护，留下东侧水沙交换通道。