长江口南支河床容积对来沙量减少的响应规律研究

缴 健，杨啸宇，丁 磊，黄宇明, 2，王逸飞

(1. 南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210024; 2. 武汉大学，湖北 武汉 430072)

河口作为河流入海口，其形态受到径流、潮汐、波浪以及上游来沙量等多种因素共同影响[1]。而河口河床容积是反映河口段水沙动力与河床断面自适应调整的一个重要指标[2]。长江口作为我国最大的河口，其河床冲淤变化影响着周边地区社会的经济以及生态环境等[3]，受到广泛关注。随着长江流域水土保持、上游水库拦蓄调节、沿江用水增加及气候变化，上游来沙大幅减少[4]，加之三峡工程运用后的蓄水拦沙作用，长江中下游干流河道发生了不同程度的冲刷调整[5]。目前上游来沙量减小的影响已在长江口逐渐显现，水沙条件趋势性变化对深水航道[6]、水源地[7]和滩涂圈围[8]等河口工程安全运行将带来一定影响。已有研究表明，流域输沙率与长江口泥沙沉积通量之间有较好的相关性[9]，但不同地区的水下地形变化对来沙量的变化响应具有很大的差异性。通过分析1950—2000年来沙量与地形资料，长江来沙量减少而径流量基本不变，使得径流冲刷力相对增强，导致河口区水下沙洲冲刷、河槽容积增加，长历时的上游来沙量减少将导致河口地区的溯源冲刷，河口下游受影响最早然后逐渐波及上游[10]。但三峡建成后，水沙情势有了新的变化，来沙量减小叠加局部工程的作用使得河床容积变化规律更加复杂[11]，河口河床容积与来沙量减小的时空响应规律不明确。为此，以长江口河床容积对来沙量减少的响应规律为研究目标，选择工程影响相对较少的长江口南支作为研究区域，采用1987年至2020年大通输沙量进行分析，再通过南支断面地形资料统计1978—2018年不同高程下的容积变化，随后建立上游来沙量与不同空间尺度以及不同时间尺度下长江口河床容积变化关系。

1 研究区域

长江口南支河段上起徐六泾，下至吴淞口，全长70.5 km，以七丫口为界分为上、下两段。上段白茆沙汊道段，长约35.0 km，为双分汊河型；下段长约35.5 km，又称三沙河段(扁担沙、新浏河沙、中央沙)，为多分汊河型。扁担沙分河道为南支主槽和新桥水道。南支主槽偏靠右岸，上与白茆沙南水道平顺衔接。

选取1978年、1984年、1992年、1997年、1998年、2001年、2002年、2003年、2006年、2011年、2016年、2018年共12次不同时期南支水下断面资料进行分析，其中靠近新浏河沙(NG-X系列断面)共8个断面无1978年以及2018年资料，高程系统采用1985年国家高程系统，断面布置见图1。

图1 研究区域以及断面布置示意Fig. 1 Study area and section layout diagram

2 上游来沙量变化分析

2.1 大通站水沙变化

大通站是长江干流最下游一个具有系统水文观测的永久性水文站，通常把大通站的输沙量作为长江的入海沙量。三峡工程自2003年建成蓄水以来，大通站多年平均径流量未出现明显趋势性减小。近年来随着长江上游水土保持工程及水库工程的建设，长江流域来沙呈现明显减少趋势。以葛洲坝工程和三峡工程蓄水为节点，输沙量呈现明显的三阶段变化特点，其中1951—1985年平均年输沙量为4.70亿t，1986—2002年平均年输沙量为3.40亿t，2003—2020年平均年输沙量为1.32亿t，见图2。三峡水库蓄水前，汛期(5月至10月)沙量占年输沙量的87.92%；三峡水库蓄水后，汛期沙量占年输沙量的78.74%，沙量减小幅度明显。枯季输沙量总体较小，蓄水后枯季输沙量有所减小但幅度不大。三峡水库蓄水前后月输沙量对比见图3。

图2 大通水文站年输沙量历年变化过程Fig. 2 Variation process of annual sediment transport of Datong Station

图3 大通站三峡水库蓄水前、后月均输沙量对比Fig. 3 Comparison of monthly average sediment transport of Datong Station before and after the operation of the Three Gorges Dam

2.2 徐六泾站水沙变化

自1984年以来，在徐六泾水文断面进行了数次洪季含沙量测量，图4为1984—2019年各次测量涨潮以及落潮平均的含沙量变化。1984年涨、落潮平均含沙量分别为1.82 kg/m3和1.85 kg/m3；1984—2002年涨、落潮平均含沙量略有下降，分别为1.05 kg/m3和0.96 kg/m3；2003年以后徐六泾站水文断面涨、落潮平均含沙量均呈现减小的态势，2003—2012年涨、落潮平均含沙量分别为0.35 kg/m3和0.29 kg/m3；2003—2019年涨潮、落潮平均含沙量分别比1984—2002年减少67%和69%。因此，徐六泾的含沙量与大通站的输沙量具有明显的响应关系。

图4 徐六泾洪季涨潮、落潮平均含沙量Fig. 4 Average sediment concentration of flood and ebb tide of Xuliujing

3 长江口南支河床容积变化特征分析

首先对不同年份徐六泾至中央沙河段0 m以下河床容积进行统计，由于部分断面1978年以及2018年缺测，统计时间范围为1984—2016年，见图5。可以看出，从1984年至2016年，0 m以下河床整体处于冲刷状态，22年间容积增大约10亿 m3。其中，1984—2003年19年间增加约5亿m3，2003年后13年间增大约5亿m3。因此可以看出，2003年三峡建成蓄水后，河床冲刷速率较之前有了明显增加。

图5 徐六泾至中央沙河段0 m以下容积Fig. 5 Volume below 0 m between Xuliujing and Zhongyangsha

由于长江口南支河床地形复杂，浅滩与深槽交错，为了深入分析滩槽容积变化，将0～-5 m高程的河床作为浅滩，-10 m高程以下河床作为深槽，对南支滩槽容积变化分别进行分析，见图6。可以看出，1984—2016年浅滩容积变化趋势与深槽有明显区别，浅滩容积略有减小，总体变化在1亿m3以内，这与白茆沙和中央沙浅滩守护工程有关；而深槽的容积具有明显的增加趋势，1984—2016年增大约9亿m3，其中2003年后增大约5亿m3。由此可见，随着2003年以来上游来沙量减少，南支河段0 m以下容积增大约5亿m3，这主要反映在-10 m以下深槽的大量冲刷，1984年后深槽的冲刷量约占0 m以下河床冲刷量的90%，2003年后深槽的冲刷量约占0 m以下河床冲刷量的95%。

图6 徐六泾至中央沙河段浅滩深槽容积Fig. 6 Volume of shoal and channel between Xuliujing and Zhongyangsha

4 河床容积对来沙量变化的时空响应关系

4.1 长江口南支段河床容积与不同年份来沙量的关系

为了研究长江口河床容积对上游来沙量变化的响应关系，首先建立大通站当年来沙量与0 m以下河床容积关系，见图7(a)。可以看出，大通站的来沙量与南支河段的河床容积变化有较为明显的相关性，随着来沙量减小，河床容积有了明显增加，其相关系数为0.74。为了研究长江口河床容积对上游来沙量变化的响应时间，分别计算断面数据测量时间对应的大通站前1年、2年、3年以及4年平均来沙量，建立其与河床容积关系，图7(b)～(e)分别为南支河段0 m以下河床容积与大通站近5年输沙量的相关关系。相关系数分别为0.92、0.85、0.83、0.77，可见前1年平均大通输沙量与南支0 m以下河床容积的相关性最好，与前2年、前3年、前4年平均输沙量的相关系数逐渐减小，说明相关性也逐渐变弱(图7(f))。

图7 0 m以下河床容积与不同年份来沙量关系Fig. 7 Relationship between volume below 0 m and sediment load in different years

为探讨浅滩和深槽对上游来沙的响应关系，分别对0～-5 m河床容积和-10 m以下河床容积与上游来沙量的相关性进行分析，计算表明，0～-5 m河床容积与当年及过去4年大通站输沙量的相关性很弱，相关系数在0.01～0.19之间，0～-5 m河床容积与前1年来沙量关系见图8；-10 m以下河床容积与大通站前1年的平均输沙量相关性最好(图9)。由此可见，深槽容积与0 m以下河床容积有相同规律，即与前1年平均来沙量有良好的响应关系，而浅滩容积则与来沙量变化无明显相关性。

图8 0～-5 m河床容积与前1年来沙量关系Fig. 8 Relationship between volume between 0～-5 m and sediment load in the previous year

图9 -10 m以下河床容积与前1年来沙量关系Fig. 9 Relationship between volume below -10 m and sediment load in the previous year

根据结果分析可知长江口南支河床容积与前一年平均上游来沙量相关关系最为显著，可以初步说明来沙量减小对河床容积的影响效应具有约1 a的滞后性。

4.2 南支不同河段河床容积与来沙量的关系

长江口南支受到径潮流共同作用，动力条件复杂，涨潮槽、落潮槽以及浅滩交替，不同段的地貌、动力特征不同，为了进一步明晰长江口南支不同区段的河床深槽容积变化特征，利用测量资料统计徐六泾段、白茆沙水道段(包括白茆沙北水道和南水道)、南支主槽段和中央沙段(包括中央沙左汊和右汊)0 m以下容积，再建立河床容积与前1年平均来沙量的关系，河道分段示意见图10。

图10 长江口南支河段容积变化统计Fig. 10 Statistics of volume change in the North Branch of the Yangtze Estuary

不同河段0 m以下河床容积与一年前平均来沙量关系见图11。徐六泾段，白茆沙北水道、南水道，南支主槽上、下段和中央沙左汊、右汊的河床容积与来沙量的相关系数分别为0.75、0.00、0.63、0.92、0.70、0.16、0.76。其中，相关性最强的是南支主槽上段，中央沙右汊次之。相关性最弱的是白茆沙北水道与中央沙左汊。在长江口南支中，白茆沙北水道与中央沙左汊潮落分流比低，均不是主要落潮通道。因此，在长江口南支中，主河槽的河床容积与上游来沙量，尤其是前一年的平均含沙量有较好的相关性，而白茆沙北水道以及中央沙左汊的河床容积变化与上游来沙量无相关性。

图11 不同河段0 m以下河床容积与一年前平均来沙量关系Fig. 11 Relationship between volume below 0 m in different water reaches and sediment load in the previous year

5 结 语

收集并分析了长江大通站的泥沙通量以及徐六泾站的含沙量资料，统计了不同高程下的河床容积随时间变化特征，建立了不同区段、不同高程河床容积与上游不同时段平均来沙量的关系，主要结论如下：

1)对三峡工程建成前后的大通站水沙变化以及徐六泾站的含沙量变化进行统计分析，大通输沙量呈现明显的三阶段变化特点，2003—2020年的年输沙量较三峡工程建成前有大幅减少；同样，徐六泾站洪季含沙量较三峡工程建成前大幅减少。大通站来沙量减小对徐六泾站当年洪季含沙量有直接的影响。

2)分析了1984—2016年长江口南支河段河床容积变化，三峡建成蓄水后，南支河段0 m以下河床冲刷速率有明显增加，其中95%的容积变化来自于深槽(-10 m以下)，而浅滩(0～-5 m)河床容积变化很小。

3)建立不同时间尺度大通来沙量与南支河床容积的相关关系，南支0 m以下以及-10 m以下河床容积与前1 a大通平均输沙量的相关性最好，来沙量减小对长江口河床容积的影响效应具有约1a的滞后性。建立前1年大通平均输沙量与南支不同河段河床容积的相关关系，南支主槽上段与上游来沙量相关关系最好，主要落潮通道与上游来沙量相关性较好，非主要落潮通道(白茆沙北水道、中央沙左汊)与上游来沙量无相关性，来沙量减小对长江口南支河床容积的影响主要体现在落潮主通道。