长江口典型滩槽系统近期演变及河势控制对策探讨

栾华龙 渠庚 柴朝晖 雷文韬 林木松 姚仕明

摘要：近20 a来受长江入海泥沙锐减的影响，长江口滩槽系统发生相应冲淤调整，河势稳定面临新的挑战。选取长江口南支河段白茆沙和扁担沙滩槽系统为研究对象，分析了1997～2015年冲淤演变过程和主要特征。结果表明：白茆沙总体上冲刷萎缩，沙尾冲蚀消失，固沙潜堤工程的实施使得冲刷态势得到控制，但南北水道分流格局呈单向发展，南水道冲刷南靠，威胁太仓港岸线稳定;扁担沙处于自然演变状态，沙体局部出现切滩，沙尾不断下移并挤压新桥通道，影响南支总体河势稳定。基于此，提出了稳定白茆沙汊道分流格局，遏制扁担沙切滩和稳定新桥通道的河势控制对策。

关 键 词：滩槽格局; 河槽冲刷; 切滩; 河势控制; 长江口

中图法分类号： TV148   文献标志码： A

0 引 言

长江口在行政区划上跨越上海市和江苏省，是中国工业化程度和城市化水平最高的地区之一，同时也是长江经济带和长三角一体化国家战略的“龙头”，在长江流域及中国社会经济发展中占有举足轻重的地位。长江口河道是区域社会经济发展的重要载体，其河势及滩槽稳定关乎沿江城市防洪安全、供水安全、生态环境保护、航运安全等诸多方面。自然演变过程中长江口滩槽系统复杂多变，认识其演变特征和规律并提出河势控制的治理对策，一直以来是河口保护与治理及其可持续开发利用的重要内容。近30 a来，国内多家科研院所和高校对长江口河道多时空尺度演变规律和機理开展了大量研究[1-4]，相关成果为长江口保滩护岸、滩涂围垦、航道整治、水源地建设等工程的实施提供了科学依据。

受水文气象条件变化、上游水利工程调度运用及河口人类活动的综合影响，近十几年来长江口来水来沙过程发生显著变化，尤其河流输沙量锐减，局部河势发生相应调整。已有研究针对长江口各分汊河道及口门水下三角洲近期演变特性进行了分析。李伯昌[5]、陈正兵[6]和杨程生[7]等均分析了北支河床演变，结果表明河槽呈现累积性淤积，河槽容积减小，河宽大幅缩窄;张晓鹤等[8]分析发现南支在2003年以来整体呈现持续不均衡冲刷，河床受输水输沙环境变化正发生适应性调整;郭兴杰等[9]分析北港演变认为南北港分流口河道更迭演变对北港河势影响较大，近期已趋于稳定;朱强等[10]分析南港近期沉积地貌变异，发现南港复式河槽间的沙脊因刷深而趋于消亡;潘灵芝等[11]定量分析了深水航道工程对北槽河床冲淤的影响;谢华亮等[12]分析认为南槽在1989年江亚南沙并沙前后由普遍淤积转向冲刷;Yang等[13]和Luo等[14]分析发现随着上游来沙减少，口门水下三角洲局部区域已出现冲刷。受径潮流动力、泥沙特性的空间差异及局部整治工程的影响，长江口不同区域演变特征具有显著的空间差异[15]。

20世纪50年代起，中国就开始了对长江口综合整治的规划和研究工作，以稳定河势为主要目标，提出了“围垦明沙，固定阴沙，减少活动沙”的治理思路[1]。2008年国务院批复《长江口综合整治开发规划》以来，长江口已实施的河势控制工程效果明显，总体河势已得到基本控制，航道条件及淡水资源开发利用条件得到改善，促进了长江口地区的社会经济发展。然而，在新的水沙情势下，尤其是“清水下泄”引起的长江中下游长时段、长距离冲刷，其影响已逐步传递到长江口，威胁河口滩槽系统稳定，局部段仍存在向不利方向演变的风险，尤其南支主槽冲刷下切、扁担沙体冲蚀下移、切滩窜沟发展等[16]。因此，本文选取南支河段白茆沙和扁担沙滩槽系统为研究对象，开展长江口滩槽系统近期演变特征及原因分析，并提出河势控制治理对策，为长江口综合治理提供科学依据。

1 研究区域概况

长江口在历史上经历了多次并洲、并岸过程，1954年大洪水后形成“三级分汊、四口入海”的基本格局[1]。长江口河道宽阔、洲滩众多，径潮流动力条件复杂，河槽冲淤多变。各分汊河道内发育有不同地貌形态和大小的滩槽系统，包括白茆沙、扁担沙、新浏河沙、瑞丰沙、顾圆沙、北港北沙等沙体以及崇明东滩、横沙浅滩、九段沙、南汇边滩等前缘潮滩（见图1）。在巨大的河流径流量与中等强度潮汐的相互作用下，长江口各分汊河道（除北支外）均以落潮流占主导。北支水道因进流不畅其落潮分流比通常低于5%，汊道内涨潮流作用占主导，且存在水沙盐倒灌南支现象。受气候变化和流域人类活动的共同影响，三峡水库蓄水后长江入海径流量和输沙量相对1950～1968年分别减少约7%和71%[17]。本文选取长江口南支滩槽系统为重点研究对象，包括白茆沙和扁担沙及其相邻涨落潮槽。白茆沙为南支上段的江心沙，将进入南支的主流分为南北水道;扁担沙与南支主槽、新桥水道组成典型的河口复式河槽。

2 资料及方法

本文收集了长江口实测水下地形资料，测量年份包括1997，2002，2007，2011年和2015年，均于当年汛末或枯水期施测。水深数据通过单波束测深仪测量，测点位置由GPS测定，测量误差分别为±0.1 m和±1 m。水深参考面均为理论最低潮面，测图比例尺为1∶50 000～1∶10 000，数据点密度为4.3～20.4个点/km2，散点密度足以用于滩槽系统演变定量分析[18]。将各年份水下地形数据转换为北京54坐标，使用Surfer11软件中的Kriging方法将水深散点插值到100 m×100 m的网格上，从而得到长江口数字高程模型（DEM），插值产生误差小于1%[19]。基于各年份DEM提取典型断面及沙体特征等值线以上面积和体积，相邻年份DEM差值可得到该时段的床面冲淤的空间分布和泥沙冲淤量。

3 典型滩槽系统近期演变特征

3.1 滩槽格局

长江主流经徐六泾进入南支后水面突然展宽，流速减小，泥沙在此处落淤发育形成白茆沙，20世纪50年代白茆沙从一个规模较小的江心暗沙逐渐淤积长高和扩大，最终形成由江心沙体及其南北两侧水道组成的白茆沙滩槽系统（见图1）[2]。1997年以来，白茆沙总体滩槽格局未发生明显改变，但局部变化仍较为显著。受徐六泾节点段主流右偏和北支泥沙倒灌的影响[20]，白茆沙汊道分流格局发生单向调整，北水道淤积萎缩，南水道落潮分流比由2002年的57.2%增大到2012年的72.7%[3]，累计增加了15.5%，分流格局调整引起沙体形态、滩槽冲淤等一系列变化。D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁担沙已形成百年有余，位于长江口南支主槽与新桥水道之间，沙体自上而下绵延超过30 km，分为上扁担和下扁担沙，与南支主槽、新桥水道组成典型的河口复式河槽（见图1）。扁担沙是泥沙在南支主槽落潮流和新桥水道涨潮流之间的缓流区落淤堆积形成，扁担沙的存在大大减小了南支河槽宽度，为总体河势稳定创造了条件。目前，扁担沙滩槽系统尚未得到有效控制，是长江口河势稳定的隐患之一。

3.2 沙体形态变化

白茆沙平面形态近期变化较为显著，主要表现为由1997年的细长形逐渐转变为2015年的椭圆形，沙体沿水流方向的长度（-5 m等高线）由20.2 km缩短为11.7 km，沙尾冲蚀消失，沙头南侧分布的独立沙体经冲蚀、合并后也全部消失（见图2）。2014年白茆沙整治工程实施后沙头局部淤涨上延，沙体南北缘及沙尾被人为固定，在一定程度上抑制了白茆沙的进一步冲刷。白茆沙-5 m等高线面积在1997年为35.83 km2，2011年减小为27.76 km2，减幅22.5%，到2015年则增大为29.11 km2（见表1），这主要与白茆沙整治工程实施后沙头淤涨有关。白茆沙-5 m等高线以上体积1997～2002年先增大，2002～2011年逐渐减小，2011～2015年又增大，2011年以后体积增大同样与整治工程有关。总体来看，1997～2015年白茆沙-5 m等高线面积累计萎缩18.8%，体积则累计增加5.8%，说明在上游来沙减少及整治工程共同影响下，沙体平面形态萎缩和垂向泥沙淤积并存。

扁担沙上沙体依附于崇明岛，位置相对固定，沙体右缘与白茆沙北水道冲淤变化密切相关，1997～2015年来总体上变化不大;下沙体为活动沙体，沙尾不斷淤涨下移并挤压新桥水道，沙体右缘中下段冲刷后退，平面形态上与水流方向更平顺。值得注意的是，扁担沙局部切滩，窜沟发育（见图2（b））。扁担沙-5 m等高线面积在1997～2007年持续增大，累计增加14.9 km2（见表1），2007～2015年先减小后增大，但变幅不大，沙体面积变化主要与右缘冲刷、沙体下移和沙尾冲蚀有关。扁担沙-5 m等高线以上泥沙体积总体上持续增大，仅2007～2011年略有减小，1997～2015年体积累计增大0.61亿m3，增幅为14.7%。总体上，扁担沙体在1997年以后仍维持缓慢淤涨趋势。

3.3 河床冲淤变化

南支各时段河床冲淤分布如图3所示，1997～2002年河床冲淤最剧烈，之后则逐渐减弱，尤其淤积范围明显减小，冲刷范围增大，2007年以后基本以冲刷为主。白茆沙头部先冲后淤，受整治潜堤影响，2011～2015年头部南侧有所淤积，白茆沙尾则持续冲刷。同时，白茆沙北水道淤积，南水道冲刷，与分流比变化特征一致。扁担沙右缘冲刷，沙尾下移后发生冲蚀，形成分散的沙包，部分年份扁担沙体发生局部切滩，窜沟发育并增强新桥水道冲刷。南支主槽中下段淤积，主要与过流断面形态调整有关，新浏河沙包冲蚀消失，形成单一的南港分流通道。新桥通道作为北港分流通道，上游侧受扁担沙下移和沙尾冲蚀的影响，河床稳定性较差，青草沙水库建成后新桥通道下游边界位置相对稳定。

3.4 典型断面变化

根据白茆沙断面S1历年变化（见图4（a）），1997～2002年白茆沙淤积长高，之后沙体高程基本不变，沙体北缘先淤后冲，南缘在1997～2002年显著冲刷，2002～2011年冲刷减缓，2011～2015年略有淤积。受分流格局调整的影响，白茆沙北水道右侧淤浅，最大淤积厚度达到13.0 m，汊道最深点变化不大，但-10 m槽宽度显著缩窄。白茆沙南水道在1997年后冲刷下切，最深点由1997年的-20.8 m降至2011～2015年的平均-48.2 m（断面附近实测最深点高程-52.2 m），河槽最大下切深度超过25.0 m。南水道河槽下切的同时深泓线有所南偏，南侧太仓边滩岸坡变陡，威胁太仓港岸线稳定[21]。

选取断面S2和S3表示扁担沙与主槽的变化特征（见图4（b）（c）），结果表明扁担沙右缘在1997～2007年淤积扩大，2007～2015年则冲刷萎缩，总体上有所淤积长高并伴随下移。南支主槽下段在1997年存在高程约-4 m的新浏河沙包，到2011年基本上冲蚀消失，河床高程刷深至-18 m左右。扁担沙北侧新桥水道为涨潮槽，在断面S2位置1997～2002年有所淤积，之后则持续冲刷，2015年河床最深点与1997年相当。在落潮流作用下，尤其大洪水年时河道水面横比降增大，扁担沙过滩水流增强，引起沙体切滩和窜沟发育（见图4（c））。在新浏河沙护滩工程和青草沙水库工程实施后，新桥通道下边界位置固定，扁担沙下移挤压新桥通道，使其发生逆时针偏转并缩窄。

4 典型滩槽系统河势控制对策探讨

4.1 稳定白茆沙汊道分流格局

白茆沙滩槽系统演变主要受水沙条件变化、上游河势变化及整治工程的综合影响。白茆沙固沙潜堤实施后将增大沙体自身的稳定性，可在一定程度上抑制低含沙水流条件下的沙体冲刷，其中沙头将维持小幅淤涨直至平衡，沙尾冲淤态势趋于稳定。如果北支泥沙倒灌南支现象得不到根本改善[20]，北水道还将维持萎缩态势，河床冲淤幅度由倒灌泥沙量和河槽水流冲刷量共同决定;南水道在持续低来沙量条件下，河槽将继续冲刷下切直至平衡，导致南侧岸坡变陡，威胁太仓港岸线稳定和码头正常运行[21]。总体上，白茆沙南北水道分流格局仍将维持单一发展的态势。因此，白茆沙滩槽系统河势控制的重点是改善南北水道分流格局，通过抑制南水道主槽冲刷南靠趋势，增大北水道分流比，使倒灌后淤积在北水道进口的泥沙被冲刷带走，从而一定程度上缓解北支泥沙倒灌对白茆沙汊道河势的不利影响。同时，还应密切关注太仓港近岸河床冲刷情况，加强码头平台设施的安全监测，局部险工段应及时实施岸线加固工程。

4.2 遏制扁担沙切滩和稳定新桥通道D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A

扁担沙目前仍处于自然演变状态，在径潮流动力作用下，其演变特征主要表现在2个方面。① 扁担沙下移并不断挤压新桥通道，由于其下游边界受青草沙水库和新浏河沙护滩工程限制，新桥通道将继续变窄且主流下移，冲刷青草沙水库前沿河床进而可能威胁水库围堤安全[22]。② 由于南支主槽与新桥水道涨落潮流路分歧和潮汐相位差异，使扁担沙南北两侧存在横向水位比降，落潮时过滩水流冲刷和切割沙体，对扁担沙滩槽系统格局稳定不利。新桥通道过流能力减弱，将间接增强扁担沙落潮过滩水流。在上游来沙量持续减小的条件下，如遇大洪水年，过滩水流冲刷能力增强，切滩窜沟可能进一步冲刷发展。扁担沙切滩不仅会引起新桥水道乃至北港上段河床冲淤調整，威胁南支总体河势稳定，还影响崇明岛沿江附近城镇和青草沙水库的取水安全，值得密切关注。

因此，首先应加强扁担沙附近水文和地形观测，跟踪分析切滩窜沟冲刷发展情况;其次应密切关注新桥通道主流线位置变化，分析青草沙水库前沿河床变化及围堤的稳定性;研究提出兼顾河口水生态环境的扁担沙右缘及沙尾潜堤工程方案，通过工程措施稳定新桥通道上游边界，抑制新桥通道下移的态势，从而降低青草沙水库围堤失稳风险，维持扁担沙滩槽格局稳定。

5 结 论

本文分析了长江口南支白茆沙和扁担沙滩槽系统近期（1997～2015年）演变过程和主要特征，并重点探讨了南支河势控制对策，主要结论如下。

（1） 白茆沙整治工程实施以前，沙体处于冲刷萎缩状态，尤其沙尾冲蚀消失，固沙潜堤的实施提高了沙体稳定性。白茆沙北水道持续淤积萎缩，南水道主槽冲刷南靠，威胁太仓港岸线稳定和码头安全运行。建议加强太仓港近岸河床地形观测、分析，密切关注局部险工段近岸河床冲刷情况和岸坡稳定，及时实施岸线加固工程。

（2） 扁担沙是长江口目前最大的自然演变下的活动沙体，其演变特征主要体现在沙体持续下移和局部切滩，前者挤压新桥通道进而威胁青草沙水库前沿围堤稳定，后者则影响总体河槽格局稳定。建议及时实施兼顾生态环境的扁担沙固滩整治工程，遏制扁担沙切滩，稳定新桥通道，维持南支总体河势稳定。

随着长江入海泥沙量的持续减小，长江口滩槽系统响应将呈现新的格局，下阶段需开展长江口优良河势格局评价和构建的系统研究，为新格局环境下长江口综合治理提供技术支撑。

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（编辑：谢玲娴）D3046395-39E7-48F5-A658-6E91CE269E7A