长江口横沙通道冲淤变化与地形特征演变

陈婷 张行南 徐双全 李万春 张文婷 包鑫如

摘要：长江口横沙通道是南北港航道的重要联络通道，研究该通道的冲淤及地形演变，对于掌握通道水动力条件及保证生产作业安全具有重要意义。采用2005～2020年长江口实测水下地形数据，利用ArcGIS建立精度为20 m×20 m的数字高程模型;通过绘制横沙通道地形图、冲淤变化图、等深线图和横断面图，对横沙通道整体地貌的演变特征和局部深坑的形成机制进行了定量及定性分析。结果表明：近期横沙通道北口出现南北长约1.85 km，最大深度达56.1 m的深坑，深坑累计扩大约380万m3，南延约770 m，有向深槽演变的可能。通道整体呈现“淤冲淤”的演变模式，以冲刷为主，两侧存在局部淤积，累计冲刷2 880万m3。深坑不断扩大的主要原因是受长兴岛北沿促淤圈围工程与青草沙水库工程建设的影响，通道北口的水动力增强，落潮流流量增加，所形成的弯道横向环流进一步加速了深坑的发育，冲刷趋势加剧。

关 键 词：横沙通道; 冲淤变化; 地形演变; ArcGIS; 数字高程模型; 长江口

中图法分类号： TV148

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.003

0 引 言

河口是海陆相互作用的界面，受自然因素和人为因素的影响，形成了复杂的水流动力和泥沙运动条件[1-3]。20世纪后期，流域与河口人类活动频繁，水库修建、航道治理、滩涂围垦等涉水工程相继实施，对河床地貌自然演变的干扰逐渐增强。河口河槽地形边界条件、动力地貌演变对涉水工程的响应受到众多学者的广泛关注[4-7]。如三峡水库的持续蓄水和下泄泥沙量的减少，使长江口海床发生由淤积主导向滞涨为主的转变，对长江口区域演化具有控制性作用[8]。深水航道治理工程的实施，使南北槽分汊口段主槽及九段沙周边发生明显的冲淤响应[9-10]。

横沙通道纵贯于长江口长兴、横沙两岛之间，两侧分别连接北港和北槽两个入海通道，是南、北港航道的联络航道，也是水量、泥沙交换的重要通道[11]。近20 a来，受深水航道工程、青草沙水源地工程、上海长江大桥、长兴岛北沿及横沙东滩促淤圈围工程等涉水工程建设的影响，横沙通道河槽地貌受到强烈干扰。部分学者对该通道近期的水动力特性、水下微地貌形态、近岸冲刷等展开了深入研究。万远扬和陈维等通过建立数学模型，统一边界条件，分析了近期横沙通道涨落潮变化情况[12-13]。程海峰和郭兴杰等发现河口工程的建设造成通道内水动力增强，导致通道持续处于冲刷态势，水下存在大量沙波微地貌[14-15]。吳帅虎等在发现横沙通道发育大量侵蚀性微地貌与沙波微地貌的基础上[16]，进一步研究河槽冲淤演变和床面微地貌之间的相关性，指出工程治理导致通道持续受到冲刷，促进各类微地貌不断发育[17]。华凯等将通道水流数据与历史海图资料结合，深入研究了横沙通道近岸冲刷坑的形成机制[18]。目前，对于横沙通道的演变过程与发展趋势的研究仍有待补充与拓展。

本文结合2005～2020年长江口水下地形实测资料，利用ArcGIS软件对横沙通道整体地貌的演变过程和局部深坑的形成机制进行分析，以期为横沙通道附近的港口、航道建设提供参考意见。

1 研究区地形与水文特征

长江口是长江的入海通道和咽喉[11]，为径流与潮流相互作用明显、丰水多沙、多级分汊的三角洲河口，河口段自徐六泾向下形成三级分汊、四口入海的格局[19]。横沙通道（31.3°N，121.8°E）是长江口南北港之间的横向支汊，走向为NNW-SSE，与长江口潮波传播方向基本一致（见图1）[13，20]。通道平均宽约1.2 km，长约8.6 km，北窄南宽，是长江口唯一一条独立的、南北向连通通道。两岸港口码头众多，岸线资源高度利用。

长江口以拦门沙为界，以外为正规半日潮，以内受径流影响，多为非正规半日浅海潮[16]。长江口属于中等强度潮汐河口，年平均潮差2.45 m[21]。北港中下段枯季为涨潮优势，洪季为落潮优势[22-23]。横沙通道沟通南北水体交换，落潮流由北港经通道汇入北槽，涨潮流则反之，潮流呈现往复特征。研究发现通道南北侧潮位差减少，通道由落潮流优势逐渐趋向涨落平衡状态[12，20]，但落潮流在整个北槽中仍占有较大的比例[13]。

本文研究区域为整个通道及北口深坑，其中深坑近横沙岛北岸。通道区域河势变动频繁，近年来河床持续受到强烈干扰，不断出现冲刷现象。

2 通道北端深坑冲淤变化分析

本文基于实测水下地形数据，利用等深线、冲淤深度等对横沙通道北端深坑的冲淤变化进行定量计算，分析近年来冲淤变化过程。

2.1 基础数据与研究方法

本文采用了2005～2020年上海市滩涂实测水下地形数据，高程基准采用上海吴淞高程系，水平比例尺为1∶10 000。利用ArcGIS 10.2将原始CAD数据数值化，通过创建不规则三角网（TIN）得到研究区精度为20 m×20 m的数字高程模型，再计算得到研究区滩涂地形图、等深线图、横断面地形图和冲淤变化图，从而分析研究区冲淤变化情况与典型横断面形态变化特征。

2.2 深坑几何特征

利用ArcScene 10.2从三维视角观察水下地貌图，发现横沙通道北口近左岸侧存在一个深度明显深于周围河床的深坑（见图2）。以2020年深坑-20 m等深线为边界进行观察，发现其平面形态近似椭圆形，长轴为南北走向，长约1 845 m，约占通道长度的21.4%，宽约220 m，约占横沙通道宽度的15.3%，距横沙通道东岸200～400 m，最大深度约为-51.9 m，北侧冲刷深度明显大于南侧。

2.3 深坑冲淤变化过程

本文以近年来-20 m等深线变化特征为指标，研究横沙深坑的变化过程。通过GIS栅格计算器提取数字高程模型，得到深坑-20 m等深线栅格范围;将栅格转面得到面文件，几何计算得到面积;将栅格转点得到高程数据，统计得到平均深度和最深深度;利用3DAnalyst扩展模块下的功能性表面工具，计算得到此等深线以下所包络的体积（见表1），并绘制出深坑体积和面积变化图（见图3）。由图3可以看出：深坑的体积和面积均呈现不断扩大趋势，为研究深坑阶段性变化情况，以2008，2011，2014，2016年为时间节点，分5个阶段展开计算分析。根据深坑形态特征变化（见表1）和深坑演变过程（见图4（a））可看出，深坑的体积和面积于2008～2011年扩大幅度最为明显，分别扩大153.85万m3和6.45万m2，且2011年

深坑面积增幅最大，较前一年扩大7.33万m2，扩张趋势明显。深坑最深深度和平均深度于第三、四阶段增大最为明显，分别累计加深10.54 m和2.14 m。2016～2020年，该阶段深坑主要表现为淤积，2017年较前一年淤积量增加193.55万m3，面积减少4.12万m2，最深深度减少22.72 m。根据计算结果，横沙深坑体积增大379.79万m3，面积扩大16.72万m2，平均深度加深2.14 m，最深深度加深26.93 m。横沙深坑总体呈现“淤冲淤”的演变形势，深坑范围不断扩大，深度明显增大，有不断冲刷的趋势。

对比各阶段的-20 m等深线空间位置变化（见图4（b））发现：第一、三阶段深坑变化不大，仅各向南延伸约80 m和60 m，北、东、西3侧均未出现较大变化。2008～2011年，深坑南侧向南延伸约250 m，尾部不断加长。第四、五阶段深坑形态变化最大，2016年出现东北向延伸尖角，至2020年重新演变回椭圆形，期间深坑位置变化最大，北侧向南回退约90 m，南侧向南延伸约600 m，整体向东移动30～80 m。

横沙深坑自2010年起出现冲刷幅度为10～20 m的剧烈冲刷现象，最深深度达56.07 m。至2020年，深坑南延约770 m，北退约20 m，累积加深26.93 m，向东移动约20～60 m，呈现快速发育的趋势。

2.4 岸线稳定性分析

随着深坑范围的逐渐扩大，深坑中心由横沙通道北口逐渐向东南移动约350 m。由于岸线的不规则，深坑东侧边缘到岸线的平均距离有增有减，但整体仍呈不断减小趋势，至2020年，深坑东侧边缘共计向东扩张 41.36 m（见表1）。深坑的不断东扩，使得冲淤影响更加接近岸线，将会威胁到岸线的稳定性。

根据近期演变过程分析可知，受北港至北槽落潮流的作用，深坑的体积、面积和深度总体上呈冲刷趋势，冲刷范围具有向南和向东发展的趋势。深坑的发展会造成堤岸崩塌，影响到横沙岛西北头部海塘以及港口码头生产作业的安全，故未来需进一步加强观察。

3 通道近期冲淤变化和地形特征演变

3.1 横沙通道整体冲淤变化分析

3.1.1 基于高程的冲淤变化分析

通道冲淤演变过程可划分为5个階段（见表2），各阶段均表现为“淤冲”的演变模式。

2005～2009年为第一阶段，该阶段横沙通道河床主槽淤积，通道两岸冲刷，总体年均冲刷量为488.57万m3（见图5（a））。通道第二阶段整体以冲刷为主，两岸存在淤积，深坑附近局部出现强烈冲刷，冲刷深度变化幅度在10～20 m左右（见图5（b））。与第二阶段相比，第三阶段冲刷范围扩大，通道主槽以冲刷为主;深坑局部强烈冲刷范围扩大，该阶段河槽最大深度为56.07 m，冲刷深度出现20 m以上的变化幅度，冲刷量达507.30万m3，是冲刷最多的阶段（见图5（c））。

2016～2018年，横沙通道北口东岸呈现明显的淤积，河槽也以淤积为主，年均淤积量达661.88万m3，年均淤积深度为0.62 m（见图5（d））。2018～2020年，通道北口入口以淤积为主，下游河槽以冲刷为主，该阶段深坑以淤积为主（见图5（e））。横沙通道累积冲刷2 879.97万m3，平均深度和最大深度分别加深2.23 m和26.93 m，年均冲刷深度为0.15 m，年均冲刷量达192.00万m3，总体呈现冲刷趋势（见图5（f））。

3.1.2 基于横断面的冲淤变化分析

在横沙通道区域设立A-A′、B-B′、C-C′、D-D′、E-E′5个横断面（见图1（b）），分别位于通道北口入口、深坑尾部、通道中部、通道中下段和出口处，通过观察深坑附近断面及通道其他断面的水深变化，进一步分析局部深坑和整个通道的冲淤变化。断面由东至西，A、B、C、D、E位于横沙岛一侧，A′、B′、C′、D′、E′位于长兴岛一侧，其中A-A′、B-B′和C-C′断面变化最为明显，2005年、2009年和2011年变化相对不明显。分析3个断面形态变化（见图6）发现：冲刷最剧烈区域位于A-A′断面东侧，该断面2018年达最大冲深约55 m;2011～2016年，A-A′断面于该阶段冲刷幅度最大，冲刷加深约20 m，B-B′、C-C′断面靠近西侧出现较为明显的淤积，最大淤积深度分别约为3.5 m和4 m;2018～2020年，A-A′断面最大冲刷处出现淤积，其余两个断面整体冲刷2～3 m。

总体上，近期横沙通道东侧近岸河槽冲刷剧烈，北口出现冲刷深度50 m以下的冲刷坑，且冲刷深度不断增大，河槽局部有淤积，整体呈现冲刷趋势。

3.2 横沙通道河势演变分析

如上所述，横沙通道整体以冲刷为主，两侧存在局部淤积。通道深坑附近A-A′断面东侧冲刷最为剧烈，最大冲深约55 m，其余断面冲刷相对较小，冲刷幅度在2～10 m之间。根据以上横沙通道形态变化趋势及冲淤变化情况，可以从该区域落潮流水动力变化以及近期周边工程建设两个影响因素，分析对局部深坑和整体冲刷地貌演变的叠加影响。

落潮流由北港经通道北口进入通道，形成弯道水流，其中西侧为凸岸，东侧为凹岸。弯道表层水流流向东岸，使东岸易受到冲刷，底层水流趋向西岸，形成横向环流。长兴岛北沿于2004～2009年修建了促淤圈围工程，将横沙通道入口宽度由2.5 km左右束窄至约1.6 km，使得弯道曲率半径减小。对比2005，2009年及2020年通道深泓线（见图7（a）），发现通道北口深坑附近2009年深泓线较2005年向西移动10～70 m，自2009年之后逐渐东移，2020年东移至距2005年深泓线50～100 m处，与通道东岸距离逐渐减小，导致落潮流主流逐渐逼近东岸。深坑受横向环流的影响，逐渐向东扩张，且弯道曲率半径越小，冲刷水深越深，导致深坑有不断加深的趋势。

2007～2010年的青草沙水库工程使得长兴岛西北侧岸线大幅北移，北港中上段河道缩窄，深泓线发生迁移。对比2007，2010年以及2020年青草沙水库至横沙岛头段深泓線（见图7（b）），可以看出：2007年横沙北口北港深泓线偏向南侧，冲刷的水动力条件明显，自2010年水库建设后，北港中上段水动力条件不稳定，横沙北口处北港深泓线仍保持一定的冲刷水动力条件。这对于通道北口处已形成的横向环流具有加剧作用，使得位于环流顶冲点附近的东岸深坑不断受到强烈的冲刷作用。至2020年，北口处深泓线北移约0.90～1.25 km，使得横沙通道接受北港的落潮流流量有一定的减少，受水库影响，入口处水动力较以往有所减弱，冲刷力度有所缓和，但深坑与通道整体仍呈冲刷趋势。横向环流的存在导致深坑不断淘刷加深，深坑持续形成并不断扩大。

长兴岛北沿促淤圈围工程使得横沙通道北口束窄，北口处深泓线东移，水动力条件增强，环流冲刷作用加剧。青草沙水库修建后，北口附近的冲刷作用仍未消减，至2020年深泓线北移使得落潮流流量有所减少，但整体水动力条件仍呈增强趋势。以上两个工程的共同影响，使得深坑不断发育，通道平均深度逐渐增大，北港与通道的水位比降逐渐加大，河槽冲刷量持续增加。

4 结 语

近期长江口横沙通道北口东侧出现一个平面呈椭圆状的深坑，最大冲刷深度达56.1 m，南北长约1.85 km，2005～2020年深坑体积累计扩大约380万m3，有不断加深且东移、南延的趋势，存在向深槽演变的可能，对通道东侧岸线稳定性存在威胁。通道整体年均冲刷深度为0.15 m，年均冲刷量达192.00万m3，呈冲刷趋势，近期冲刷力度有所减缓，通道两侧存在局部淤积。

受长兴岛北沿促淤圈围工程与青草沙水库工程建设的影响，横沙通道北口水动力增强，落潮流流量增加，弯道横向环流进一步加速了横沙北口深坑发育，对横沙通道整体冲刷也存在影响，深坑冲刷量占通道整体冲刷的13.19%。横沙通道整体呈“淤冲淤”的演变模式，以冲刷为主。

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（编辑：胡旭东）

Erosion-deposition variation and topography evolution in Hengsha Passage of Yangtze Estuary

CHEN Ting1，2，ZHANG Xingnan1，2，XU Shuangquan3，LI Wanchun3，ZHANG Wenting1，2，BAO Xinru1，2

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Collaborative Innovation Center for Water Security and Water Science，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3.Shanghai Water Authority，Shanghai 200050，China）

Abstract：

The Hengsha Passage in the Yangtze Estuary is an important connecting passage between the North and South Channel.It is of great significance to study the erosion-deposition and topographic evolution of the passage for mastering the hydrodynamic conditions of the passage and ensuring the safety of production and operation.In this paper，the measured underwater topographic data from 2005 to 2020 in the Yangtze Estuary were used to establish a digital elevation model with an accuracy of 20 m×20 m in ArcGIS.By drawing maps about topographic，erosion-deposition change，contour and cross-sectional of the passage，the evolution characteristics of the whole landform and the formation mechanism of local pit of the passage were analyzed quantitatively and qualitatively.The results indicated that a pit with a length of 1.85 km from north to south and a maximum depth of 56.1 m，appeared at the north entrance of the Hengsha Passage recently.The pit expanded by about 3.8×106 m3 and extended to the south by about 770 m，suggesting that it may evolve into a deep trough.The passage presented a evolution mode of ‘erosion-deposition-erosion’ on the whole，which was dominated by erosion.There was local deposition on both sides，and the accumulated scouring was 2.88×107 m3.The main reason for the continuous expansion of the pit was that under the influence of reclamation engineering performed in North Changxing and the construction of the Qingcaosha reservoir，the hydrodynamic force in the north of the passage was enhanced，and the flow of the ebb current was increased，which further accelerated the development of the pit.

Key words：

Hengsha Passage;erosion-deposition;topography evolution;ArcGIS;digital elevation model;Yangtze Estuary