2002—2018年长江口基本河槽冲刷及形态调整演化趋势

余文畴,张志林

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

三峡蓄水后清水下泄对长江中下游产生长距离的冲刷，目前已经发展到长江下游。长江口的水沙条件将怎样变化及其对河床演变产生什么样的效应是泥沙研究者普遍关注的问题；同时，近期长江口宏大规模的诸多河道整治工程的实施在这个变化中发挥了怎样的作用，也是工程实践中治河工作者探知的重要问题。为此，本文首先针对来水来沙和边界条件二要素，对比分析了三峡蓄水前后长江下游大通站与长江口徐六泾站水沙条件的变化，进而结合近期长江口实施的大量河道整治工程，根据全面而系统的河道观测资料，研究了长江口河床演变最活跃的河床地貌——基本河槽的冲淤变化，旨在从宏观上掌握三峡蓄水后长江口河床冲淤量及其强度、冲淤分布、形态变化及调整趋向。本文尚属一项基础性分析工作，文中的初步认识，可为各界对三峡蓄水后长江口演变与治理的进一步深入研究提供借鉴。

1 长江口近期来水来沙和边界条件的变化

长江口近期来水来沙条件和边界条件都有较大的变化。一是长江三峡水库运行后，长江中下游来水来沙条件有了显著的变化；三峡水库的调度使得年内径流过程具有新的特点，即汛期径流减小，枯期增大，中水期延长；而来沙条件变化更大，年输沙量和含沙量大幅减小，这种影响一直波及到长江口。另一方面，根据《长江口综合整治开发规划》(以下简称《规划》)和地区发展需要，长江口实施了一系列圈围工程、岸线调整工程和航道整治工程，极大地改变了其边界条件。

表1 长江下游大通站三峡蓄水前后水沙特征统计Table 1 Statistics of water and sediment discharge at Datong Station before and after Three Gorges impoundment

1.1 来水来沙条件

1.1.1 大通站水沙条件

大通水文站为长江干流最下游的一个控制站。由于大通以下流域面积甚小，只占全流域的5%，区间支流汇入的径流和泥沙量均很小，故历来习惯将大通站的水文泥沙统计特征作为长江口的来水来沙条件。三峡水库蓄水后，根据1950—2002年和2003—2018年两时段水沙特征(见表1)对比，大通站的来水来沙条件发生了以下变化[1]：

(1)径流量与年内分布。据统计，三峡蓄水后2003—2018年大通站年平均径流量为8 597亿m3，比蓄水前1950—2002年年平均径流量9 051亿m3减小了5.0%，这既有气候的因素，也有近期水文系列较短的因素，估计未来在上、中、下游引、调水的情况下，年径流量仍会有小幅减小。蓄水后年内分布汛期(5—10月份)占全年的63.3%，减小了3个百分点，其中10月份的减小相对较大，枯期(12、1、2、3月份)则有明显增大。两个时段相比，历年最大流量大幅减小，历年最小流量则大幅增大。

(2)输沙量与含沙量。两时段相比，大通站年平均输沙量大幅减小，由4.27亿t减小为1.34亿t，减少了68.6%，最大和最小年输沙量分别减小68.1%和69.8%；年内分布汛期(5—10月份)减少幅度也超过2/3，枯期减少幅度相对较小，但也达1/4。两时段年平均含沙量和最大含沙量分别减小67.4%和68.5%。

可以概括，三峡蓄水后比蓄水前时段大通站年径流量有所减小，其主要影响因素为三峡水库调度。蓄水后大通站沙量大幅减小，年平均输沙量、最大和最小年输沙量、年平均含沙量和最大含沙量的减小幅度都达到2/3以上(在67.4%～69.8%之间)。径流年内分布的调整和沙量大幅度减小是三峡蓄水后来水来沙条件变化的一大特点。

1.1.2 徐六泾站与大通站水沙条件对比

进入21世纪以来，长江口水文水资源勘测局加强了长江口潮汐水流的水文泥沙观测，徐六泾站自2005年以来有了较系统的涨、落潮流观测与统计资料，2011年以来又有了潮流的输沙资料，从而与大通站水沙条件对比提供了基础。现将上述资料与大通站的资料进行初步的对比和分析[2]。

(1)大通站径流量与徐六泾站潮流净泄量。根据2005—2018年的资料，上述两站径、潮流量的对比呈现较好的对应关系(见图1)。

图1 2005—2018年徐六泾站与大通站年均、月均径、 潮量对应关系Fig.1 Relations between annual/monthly runoff and annual/monthly tidal current discharge at Datong Station and Xuliujing Station from 2005 to 2018

从年际变化来看，徐六泾站年净泄量较大通站年径流量大0.22%～7.40%，历年平均增幅为3.17%，即年平均增多水量272亿m3。从两站历年月平均值对比来看也呈现较好的对应关系。年内各月数值大小的排序，两站是一致的；除5、6月份外，都是徐六泾站月净泄量大于大通站月径流量，增大2.04%～7.18%，而5、6月份平均值分别偏小2.30%和2.57%。

(2)大通站输沙量与徐六泾站净泄沙量和含沙量。徐六泾站只有8年资料统计值，但两站年、月输、泄沙量的对比关系(图2)，也呈现较好的趋势性。从各月输、泄沙量对比来看，除1、10、12月份徐六泾站净泄沙量大于大通站输沙量(大1.83%～10.1%)外，其他9个月都是小于大通站(约小5.17%～41.9%)。历年平均含沙量，徐六泾站、大通站分别为0.114 kg/m3和0.138 kg/m3；两站月均含沙量的对比关系也较好；各月来看，也是除1、10、12月份外，都是徐六泾站小于大通站的月均含沙量(小2.91%～40.4%)。

图2 2011—2018年徐六泾站与大通站月均输沙量、 月均含沙量对应关系Fig.2 Relations of monthly sediment discharge and monthly sediment concentration between Datong Station and Xuliujing Station from 2011 to 2018

综上所述，通过分析大通站三峡蓄水前后水沙资料，并与三峡蓄水后徐六泾站与大通站输、泄沙量和含沙量资料进行对比可以认为，三峡蓄水后长江口潮流净泄量在年内分布有所调整，而年泄沙量和含沙量则有大幅度减小。

1.2 河床边界条件

进入21世纪以来，长江口河床边界条件发生了较大变化，在长度约为150 km河道内，修建了许多规模宏大的整治工程。这些整治工程主要是围绕《规划》中的河势控制工程，包括徐六泾节点及白茆沙河段整治工程、南北港分流口整治工程、南支边滩整治工程、北支整治工程、护岸工程以及深水航道整治工程等。

概括起来，具体实施的工程项目有3类：一是圈围工程，二是岸线整治工程，三是江心洲整治与航道整治工程。主要工程见图3。

1.2.1 长江口各河段圈围工程

(1)徐六泾节点段新通海沙圈围工程。堵塞了支汊，河宽由5.7 km缩窄至4.7 km，进一步增强了徐六泾节点稳定性[3]。

(2)徐六泾节点展宽段常熟边滩圈围工程。稳定了该段河漫滩河岸，有利于岸线保护和利用[4]。

(3)南槽出口南岸南汇嘴促淤圈围工程。对堤外累积淤长的河漫滩实施促淤围圈，一定程度上束窄了口门形态[5]。

(4)北港下段和北槽之间横沙东滩促淤圈围工程。对向海域持续淤长的滩涂进行促淤圈围，使北港出口段右岸和北槽左岸边界向口外延伸[6]。

(5)北支崇明岛侧新跃沙、兴隆沙至黄瓜沙促淤圈围工程。束窄了河槽，减小涨潮量和咸水上溯[7]。

(6)北支海门灵甸港及灯杆港圈围工程。灵甸沙并岸，控制河势[8]。

以上工程均不同程度束窄了平滩河槽的宽度。

1.2.2 岸线整治工程

(1)太仓岸滩岸线整治工程。圈围了堤前广阔的河漫滩，大大束窄了河道，控制了白茆沙汊道南水道的崩岸和河势[9]。

(2)北支海门港岸线调整工程。归顺岸线，控制河势[10]。

(3)北支启东三条港至连兴港岸线调整工程。归顺岸线，控制河势[11]。

以上工程不同程度束窄了平滩河槽的河宽并控制了河势。

图3 长江口河势图Fig.3 Regime of Yangtze River estuary

1.2.3 江心洲整治与航道整治工程

(1)南北港分流口新浏河沙护滩工程。稳定了南港进口河势条件。

(2)北港进口青草沙水库圈围工程。堵塞支汊，稳定了北港进口河势条件。

(3)新浏河沙与中央沙之间南沙头通道护底工程。控制该通道过流条件。

(4)中央沙头圈围工程。与新浏河沙潜堤、青草沙围堤、南沙头潜坝护底一起，构成南、北港进口段的下边界，有利于控制河势[12]。

以上工程均有利于控制河势。

(5)白茆沙汊道洲头护滩航道整治工程。属南京以下12.5 m深水航道整治项目，主要为遏制洲头后退，稳定洲体，改善航道条件[13]。

(6)北槽内深水航道整治和九段沙头分流堤工程。属长江口深水航道整治项目，先后实施了三期整治工程，已达到12.5 m水深的整治目标[14]。

以上两项均取得了很好的航道整治。

图4 长江口河段分段示意图与整治工程位置Fig.4 Segments of the Yangtze River estuary and locations of regulation projects

通过以上工程的实施，长江口已基本达到了控制河势、归顺岸线、改善航道条件的整治目标。

根据以上对河床演变二要素分析，可以认为，在河道整治改变边界条件的变化中，较大的圈围工程是依据《规划》中“因势利导”整治原则实施的，而一般的圈围和岸线整治工程对平滩河槽的束窄均较小，就浩瀚的长江口而言影响较小，工程的实施对近岸河床将产生一定的冲刷；另外，航道整治工程的束窄与疏浚将直接对本河槽产生冲刷影响。需要强调的是，三峡蓄水后流域来水过程有一定调整，而来沙大幅度减少的水沙条件是一个影响长江口水文泥沙运动以至引起长江口区域内河床冲淤演变的全局性因素，必然会对河床冲淤变化产生较大的影响。以下就长江口近期基本河槽冲淤变化和形态调整进行分析。

2 基本河槽近期冲淤变化

长江口河床地貌研究表明[15]，以-5 m为特征等高线以下的基本河槽，是承受各种来水来沙条件和潮汐动力条件下水流泥沙运动作用的河床基本部分，是无时无刻不在发生床面运动和冲淤变化的部位，作为堆积地貌的基础，它的冲淤变化常常影响着堆积形态的稳定性，所以说基本河槽的形态及其变化是长江口河床演变分析中的首要方面。通过本节分析，可以对长江口基本河槽近期内河床冲淤及其分布和形态变化有个宏观认识。

2.1 基本河槽河床冲淤量

进入21世纪以来，长江口水文水资源勘测局加强了对长江口全范围水道地形的观测。为了对三峡蓄水后长江口基本河槽冲淤变化进行宏观上的全面分析，取2002年和2018年测图分别代表蓄水前、后的地形(见图3)，并将长江口区段分成9个特征段(见图4)，统计和对比了两次测图各分段-5 m特征线以下河床容积，获得各分段河床的冲淤量见表2。

由表2可以看出，长江口近期(约16 a)各分段河床总体上均发生了明显的冲刷，总冲刷量为13.71亿m3(不含北支，下同)。这一冲刷量超过了三峡蓄水后荆江河段2003—2018年的总冲刷量[15](11.38亿m3)；而且基本河槽内各分段(除新桥水道外)均发生了1.0亿m3以上的冲刷量。

从单位河长的冲刷量来看，以新川沙河口为界，上段冲刷大于下段。其中，每千米河长冲刷量最大排名前两位的是南支主槽和徐六泾节点段，分别为1 040万m3/km和949万m3/km，其次是南港河段和白茆沙汊道段，分别为831万、789万m3/km，其他如北港上段、北港下段、南槽段和北槽段都在230万～360万m3/km之间，只有新桥水道总体为微淤，单位河长淤积为24.6万m3/km。至于横沙通道，因其几乎与长江主流垂直，且长度仅8.07 km，单位河长冲刷仅16.1万m3/km，在以下分析中略之。

表2 -5 m以下基本河槽2002—2018年河床容积与河床冲刷分布Table 2 Distributions of riverbed volume and scour of basic channel below -5 m depth from 2002 to 2018

从单位河长年平均冲刷量来看，冲刷强度也是颇大的。徐六泾节点段、白茆沙汊道段、南支主槽和南港河段的冲刷强度分别为59.3万、49.3万、65.0万和52.0万m3/(km·a)，远大于荆江河段三峡蓄水后的平均冲刷强度20.5万m3/(km·a)；北港上段、南槽段和北港下段、北槽段分别为22.8万、20.0万m3/(km·a)，和15.9万、14.4万m3/(km·a)，也分别大于和接近下荆江的平均值16.3万m3/(km·a)。

长江基本河槽近期冲刷量和冲刷强度如此之大，是与以上阐述的来水来沙和边界条件的变化相应的，即一系列的圈围工程、岸线整治工程、江心洲整治和航道整治工程的实施，束窄了河道，缩小了河漫滩宽度，从而加强了基本河槽内水流动力对近岸河床的冲刷作用；更应强调的是，三峡蓄水后“清水下泄”使长江中下游直至长江口来沙大幅减小，在长江口径流和潮汐双重动力作用下，来自上游径流的能量和来自口外潮汐的能量叠加，在含沙量大幅度减小的情况下，水流挟沙力的富余加强了河床的冲刷作用。基本河槽的强烈冲刷必然会在宏观上产生形态的明显变化和调整。

2.2 基本河槽冲淤分布

表3列出了长江口各分段2002年与2018年基本河槽不同部位的容积和河床冲淤分布情况，可见除了极个别部位外(如白茆沙汊道段和新桥水道-5～-10 m河床淤积)，其他各分段所有部位宏观上均为冲刷，这是长江口近期河床演变的主要特征。

虽然在总体上基本河槽内的冲刷分布在-5～-10 m、-10～-15 m和-15 m以下(分别相当于潜边滩与潜心滩、浅滩和深槽等河床地貌部分，以下相应称为上层、中层和下层)的冲刷量分别为4.688亿、5.619亿和3.407亿m3，各占总冲刷量的34.2%、41.0%和24.8%。但进一步分析可知，具体的冲刷部位却很不相同：总体来看，新川沙河口以上的冲刷，在上、中、下3层都有发生，新川沙河以下则多发生在中、上层；各分段之间均有不同的分布特点，具体分析如下：

(1)徐六泾节点段和南支主槽，上、中、下层均有冲刷，上层河床冲刷占30%左右，表现为展宽；而中、下层冲刷均占30%～40%，河床既冲宽又冲深。

(2)白茆沙汊道段，上层淤积，汊道河宽束窄，中、下层河床冲刷特别是下层冲深占76%，这与左汊(北水道)淤衰、右汊(南水道)冲刷发展、尤其是右汊过度冲深的演变特性相关。

以上(1)、(2)在新川沙河口上段，主要表现为中、下层冲刷更为显著。

(3)北港上段，上层河床略有冲刷，中、下层显著冲刷，特别是中层河床冲刷很大，占69%，这与青草沙圈围堵塞支汊有关。

表3 -5 m河槽2002—2018年河床冲淤量与河床形态变化统计Table 3 Statistics of riverbed scour and deposition and riverbed morphology change of basic channel at -5 m depth from 2002 to 2018

(4)南港河段，主要冲刷在中层，占50%，其次是上层占34%，下层也有一定的冲刷，这与南港入流改善和瑞丰沙冲蚀有关。

以上(3)、(4)为新川沙河口以下的上段，主要冲刷在中层。

(5)北港下段，主要是上层河床冲刷，占70%，中层也有一定的冲刷，占29%，下层冲刷甚微，这主要是因为接近口门段潮流作用强所致，也与横沙东滩促淤圈围工程的作用有关，显然其影响主要在上层，对下层作用很小。

(6)北槽段，冲刷只发生在上、中层，分别占45%和55%，下层没有冲刷，中层冲刷较大与深水航道整治有关。

(7)南槽段，冲刷绝大部分发生在上层，占83%，中层也有一定的冲刷，下层几乎没有冲刷，其上段冲刷与江亚南沙左汊发展有关，下段冲刷与南汇边滩促淤圈围有关。

以上(5)、(6)、(7)为3个入海段，反映了在强潮流的作用下，同时受到整治工程的影响，主要冲刷基本都在上层，其次是中层，北槽段则因受航道整治工程束窄影响较大而使中层冲刷相对较大。

以上冲淤分布具有一定的规律性，体现出长江口愈往上游段受径流动力作用相对较大，而愈往下游口门受潮汐动力作用相对较大对河床冲刷的部位亦不同的特性。

上述三大片各分段与笔者曾对长江口水流泥沙运动分为三区基本相应[16-17]。

(8)新桥水道，由于属于涨潮槽，处于缓慢淤积态势，上层淤积河宽束窄，中层和下层均有少量冲刷。

3 基本河槽形态调整

长江口各分段基本河槽形态变化见表3。

(1)河槽面积与平均河宽。由表3可知，长江口各分段基本河槽的面积与平均河宽都有明显的调整，而且面积与河宽的变化具有一致性。基本河槽面积与平均河宽增大的河段一般都是处于自然状态下的演变，如南支主槽、南港河段和南槽。基本河槽的面积与平均河宽减小的河段都是整治工程所致，面积减少与河宽变小最大的是北槽段，分别减小了61.3 km2和1.17 km，均减小了25.7%，其次是北港下段。前者显然是深水航道整治工程所致，后者应是横沙东滩圈围的结果。只有新桥水道为涨潮槽，总体为淤积状态，其面积的萎缩和河宽的减小是其自然演变的特性。

(2)河槽平均水深。由表3可知，在河床总体冲刷下，长江口各分段的平均水深普遍增大。结合以上对平均河宽的分析，可见无论其河宽减小还是增大，平均水深都显著增加。这反映了来水来沙条件变化的影响占主导地位，平均水深增加1.0 m以上的有徐六泾节点段、白茆沙汊道段、南港河段和北槽段，其他各分段的增加也都在0.5～1.0 m之间。

4 基本河槽河床演变趋向

(1)基本河槽将向继续冲刷的方向发展。在《规划》的指导下，随着洲滩圈围工程和岸线整治工程的进一步实施，河势的稳定性将得以进一步加强；同时，在流域来沙大幅减小的作用下，长江口河床已受到普遍冲刷，预计在今后一段时间内基本河槽将继续受到冲刷。

(2)基本河槽形态将向宽深比继续减小的方向发展。从表3中2002年与2018年基本河槽上、中、下3层容积所占百分数的比较来看，各段上层均明显减小，下层则均有增大，而中层以新川沙河口为界，以上各段是变化不大，以下各段主要是中层明显增加，体现了调整形式的不同。

(3)冲刷后基本河槽中上、中、下3层容积权重格局没有大的变化，基本河槽在冲刷后，各分段上、中、下3层容积所占百分数虽然都有调整，但3层百分数为大、中、小的格局仍未变化。未来是否仍保持这一格局或发生新的调整有待观察和研究。

5 结 论

进入21世纪以来，长江口河床边界条件发生了较大变化，概括起来具体实施的工程项目有3类：一是圈围工程，二是岸线整治工程，三是江心洲整治和航道整治工程。通过以上工程的实施，长江口已基本上达到了控制河势、归顺岸线、改善航道条件的整治目标。

在新来水来沙条件和河床边界条件下，长江口基本河槽发生了全面的冲刷，河床冲刷量和冲刷强度均较大，冲刷分布有其一定的规律性，即新川沙河口以上的冲刷，在上层(-5～-10 m)、中层(-10～-15 m)、下层(-15 m以下)都有发生；而新川沙河口以下则多发生在中、上层，在接近口门的入海段主要发生在上层，体现出长江口愈往上游段受径流动力作用相对较大，而愈往下游口门受潮汐动力作用相对较大对河床冲刷的部位亦不同的特性。

长江口各分段基本河槽的面积与平均河宽都有明显的调整。基本河槽面积与平均河宽增大的河段一般都是处于自然状态下的演变，基本河槽的面积与平均河宽减小的河段都与整治工程有关。各分段基本河槽断面形态调整的共性是以刷深为主，平均水深普遍增大。不管各分段原先断面宽深比大小如何，在新水沙条件下该值均减小，表明长江口基本河槽断面形态在宏观上普遍变得相对窄深。

在《规划》的指导下，随着洲滩圈围工程和岸线整治工程的进一步实施，河势的稳定性将得以进一步加强；同时，在流域来沙大幅减小的作用下，长江口河床已受到普遍冲刷，预计今后一段时间内，在径流能量和口外潮汐能量叠加以及含沙量减小的大环境下，基本河槽将继续受到冲刷。