长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究

杜 德 军，王 晓 俊，成 泽 霖，贾 梦 豪，闻 云 呈，李 阳 帆

(1.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，江苏 南京 210029； 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

0 引 言

长江过徐六泾河段后经南、北支入海。白茆沙河段位于长江南支进口段，江面骤然放宽，水流分散，流速减缓，加之受潮流顶托影响，江中出现暗沙(白茆沙)将水流分为南北两条水道，南水道为主汊，北水道为支汊(见图1)，多年来总体呈现“南强北弱”的格局。近年来白茆沙河段河势发生较大变化，南水道主槽与近岸河床受冲刷明显，“南强北弱”态势持续增强，威胁水下岸坡稳定与附近码头安全，引起了有关部门的高度重视并进行了多项专题研究[1-3]。张朝阳等[4]研究认为，随着流域来沙变化及周边工程实施影响，白茆沙南水道分流比持续增大，南侧近岸险工段河床冲刷严重；徐骏等[5]根据实测资料分析佐证了近年来“南强北弱”的河势格局逐步加强；徐华等[6]研究认为，受白茆沙头部受冲后退、白茆小沙下沙体冲失影响，河床向宽浅型方向发展；张朝阳等[7]认为在新的河道边界条件和典型洪水作用下，白茆沙全河段表现出槽冲滩淤、总体淤积的特征。上述研究分析了近年来白茆沙汊道“南强北弱”格局呈现加剧的趋势及其成因，但结论主要是依据落潮分流比，而对涨潮分流比分析较少；另外，未能根据来水来沙变化和相关工程实施情况进行分时段分析，忽视了近年来“南强北弱”格局增强的趋势已有新的变化。并且由于统计方法存在差别，2021年7月实测北水道净泄量分流比为23.8%，明显小于近年来的落潮平均流量分流比，这又加剧了有关部门的担忧。

图1 徐六泾、白茆沙河段河势Fig.1 River regime of Xuliujing reach and Baimaosha reach

为此，本文基于白茆沙河段近年来滩槽冲淤变化分析，根据多年来白茆沙汊道实测流量、分流比变化，结合来水来沙变化、附近相关涉水工程实施时间，根据不同方法计算得到的汊道分流比，系统分析近年来“南强北弱”的发展变化及原因。

1 河道概况

白茆沙河段位于长江南支上段(见图1)。河段中白茆沙将南支进口段分为白茆沙南、北水道[7-8]。其中南水道为主汊、北水道为支汊，2021年7月实测分流比分别为73%和27%。两水道水流汇合后进入浏河水道。白茆沙南水道南岸为苏州港太仓港区，新情势下上游河段河床的冲淤变化引起了入流条件的调整[9]，白茆小沙导流边界尚未形成，白茆沙河段“南强北弱”河势格局进一步加强，太仓近岸持续冲刷危及码头安全运行。

2 研究方法

2.1 汊道强弱判别指标分析

汊道的强弱可由汊道河宽、断面面积、河槽容积和汊道分流比等参数反映。一般情况下，主汊的上述参数相对较大。根据断面河宽和面积判别汊道强弱时，使用单个断面资料可能由于其具有一定偶然性而不能反映汊道真实情况，而使用多个断面资料进行比较则工作量较大。因此河槽容积和汊道分流比是相对更为可行的比较参数。图2为白茆沙南水道2002～2021年间，-5 m、-20 m以下河槽容积与对应时间段汊道分流比的相关性分析，R2约为0.95和0.94，表明汊道容积与汊道分流比具有较好相关性。由于白茆沙汊道近年来分流比数据相比河槽容积数据更为丰富，后文以汊道分流比作为主要指标对汊道强弱进行判别。

图2 白茆沙南水道-5 m、-20 m以下河槽容积与分流比相关性分析Fig.2 Correlation analysis of channel volume and diversion ratio below -5 m and -20 m in Baimaosha waterway

2.2 分流比计算方法

潮汐河段汊道分流比计算方法主要包括涨落潮潮量法、涨落潮平均流量法和落潮稳定期流量法。涨落潮潮量法根据各汊道断面两涨两落闭合潮段内的涨、落潮潮量和净泄量，计算各汊道涨潮量、落潮量和净泄量(即涨、落潮总量)分流比。涨落潮平均流量法根据各汊道断面两涨两落闭合潮段内的涨、落潮潮平均量和净泄量，计算出各汊道涨潮、落潮平均流量分流比和净泄量(即涨、落潮平均流量)分流比。

不同计算方法得到的分流比数据不尽一致。白茆沙南、北水道2021年7月12～13日实测断面流量过程线如图3所示，不同计算方法得到的汊道分流比成果见表1。

图3 白茆沙南、北水道最新实测断面流量过程线Fig.3 Latest measured section flow path of north - south waterway of Baimaosha

表1 3种方法计算的分流比结果对比Tab.1 Results of split ratio calculated by three methods

(1) 落潮平均流量与落潮稳定期流量计算得到的分流比结果基本一致，误差在±0.7%内。

(2) 落潮总量分流比与落潮平均流量分流比存在一定差别。北水道落潮总量分流比为25.8%，较落潮平均分流比27.2%要小。由于河口段径潮流相互作用影响造成潮波变形，涨落潮历时不对称，该作用影响程度在不同汊道存在区别，因此计算结果存在偏差。大潮南、北水道落潮历时分别为17.41 h和18.44 h，涨潮历时分别为7.59 h和6.56 h，北水道落潮历时较南水道长1 h左右，落潮总量为落潮平均流量与落潮历时的乘积，北水道落潮历时较南水道要短，使得落潮总量相对较小。

(3) 涨潮流占优的汊道，其涨潮分流比大于落潮分流比。相对于南水道，白茆沙北水道涨潮流相对占优，涨潮分流比较落潮分流比大5.9%。

同理，在涨潮流占优的河道，涨潮流较强，其净泄量平均流量就会减小，净泄量平均流量分流比小于落潮流量分流比。其中北水道净泄量平均流量分流比较落潮分流比小3.5%。

2021年7月实测资料表明：北水道净泄量平均流量分流比仅为23.8%，明显小于1月份落潮平均流量分流比(25.9%)，引起了有关部门的高度关注，并加剧了沿岸码头的担忧：白茆沙汊道“南强北弱”是否格局还在进一步加剧。实际上，1月份净泄量平均流量分流比为21.2%，7月份净泄量平均流量分流比相比1月份还增加了2.6%(见图4)，“南强北弱”格局并未进一步加剧，其变化原因在于洪枯季差异、汊道冲淤变化所致。

图4 2021年北水道枯季及洪季分流比比较Fig.4 Comparison of diversion ratio between flood season and dry season of north waterway in 2021

鉴于不同计算方法得到的分流比存在差异，因此，分流比对比分析应基于同一计算方法得到的数据进行。考虑到净泄量分流比在该河段并不能代表汊道的强弱，在下面的分析中，主要用涨、落潮平均流量分流比(以下分别简称涨潮分流比、落潮分流比)进行分析。

3 白茆沙汊道“南强北弱”格局分析

3.1 白茆沙汊道滩槽变化

3.1.1白茆沙沙体演变

白茆沙是河道中间的一块马蹄形心滩，作用于沙体的动力以落潮流为主。历史上老白茆沙形成于江心暗沙，在上游水沙的不断补给和北支泥沙倒灌淤积影响下，沙体发展，后受涨、落潮水流作用，沙体持续冲刷下移并北靠，由此南水道发展、北水道萎缩。南水道展宽后滩槽趋于宽浅，水流动力减弱，上游下泄泥沙又易在南侧形成新的沙体，由此产生新一轮的演变[10]。

1954年大洪水后，白茆沙体严重冲刷，白茆沙逐步北移，1958年并靠崇明岛。1970年在其南侧的白茆沙南水道中央又形成了新的心滩，随后新的白茆沙产生并不断扩大，至1992年又形成一个较为完整的白茆沙。图5表示白茆沙近年来-5 m等深线变化，1992～2012年，白茆沙头部持续冲刷后退，在上游白茆小沙下沙体同步冲刷的情况下，南水道进口展宽，南水道处于持续发展之中。白茆沙汊道段的上述冲淤变化，与其周期性演变趋势相吻合。2012年，深水航道整治一期白茆沙工程(以下简称一期工程)开工，2014年竣工验收。工程实施后，白茆沙沙头得到有效守护[8]。

图5 白茆沙近年来-5 m等深线变化Fig.5 Variation of -5 m isobath of Baimaosha in recent years

3.1.2深槽变化

图6为白茆沙河段-10 m等深线变化。自1992年，新的白茆沙形成后，深槽主要呈现以下变化：

图6 白茆沙河段近年来-10 m等深线变化Fig.6 Variation of -10 m isobath of Baimaosha in recent years

(1) 1992～2004年，白茆沙头部冲刷后退，南水道进口展宽，南水道有所发展，北水道进出口淤浅。1992年南、北水道-10 m深槽贯通，此后，南水道进口段不断展宽冲深，深槽发展。1998、1999年两次大洪水后，北水道进一步淤积，北水道上段-10 m深槽中断。

(2) 2004～2014年，白茆沙南水道进口冲刷，南水道仍有所发展，而北水道进口段-10 m深槽仍中断。南水道继续发展，北水道继续萎缩，北水道-10 m深槽中断区域上延，“南强北弱”格局持续增强中。

(3) 2012～2014年，一期工程实施，深槽区河床处于调整变化中，北水道进口段-10 m深槽逐渐贯通。工程实施初期，河床调整较为剧烈，白茆沙沙体守护后，南、北水道均有所发展。

(4) 2014～2021年，南、北水道均有冲刷发展。2015年一期工程完工后，南、北水道均有冲刷发展，北水道进口段-10 m深槽贯通并有所发展。在2020年大洪水作用下，白茆沙荡茜口对开上游出现-10 m以上淤积体，水流南偏，南水道近岸深槽出现冲刷。可见，历史上，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强是白茆沙河段周期性演变的一个重要特征。从2014～2021年的演变趋势来看，一期工程实施遏制了白茆沙冲刷后退趋势，白茆沙周期性演变趋缓，有利于该河段河势稳定。

3.2 白茆沙水道分流比变化

3.2.1涨潮分流比变化

2002～2015年，白茆沙南、北水道涨潮分流比没有明显趋势性变化，北水道涨潮分流比基本在28%～32%之间(见图7)。其中，2014年7月一期工程完工后，北水道分流比略有减小，此后有所回调。2015年后，受上游来沙、河势变化、周边涉水工程实施的影响，北水道进口-10 m深槽贯通，涨潮分流比逐年增加，由2015年的30.5%增加至2021年7月的39.8%。其原因在于2015年后白茆小沙下沙体有所恢复、白茆沙北水道-10 m深槽贯通后，北水道分流增加；此外，下游上下扁担沙间南门通道近年来有所发育，2012年的河势图中，南门通道-5 m深槽勉强贯通，至2021年，南门通道冲刷下移的过程中，-5 m深槽发展，出现-10 m以上深槽，南门通道发展后，涨潮流增加，上扁担沙右侧-10 m等深线右移，增加的涨潮流主要进入白茆沙北水道。可见，2015年以来白茆沙北水道涨潮分流比有所增加。

图7 白茆沙北水道实测涨、落潮分流比比较Fig.7 Comparison of diversion ratio measured in Baimaosha north waterway during flood and ebb tide

3.2.2落潮分流比变化

白茆沙北水道实测落潮分流比如图7所示。2002～2013年一期工程实施前，由于南水道冲刷、北水道进口淤积，南水道分流比总体呈增加趋势，“南强北弱”的分流格局显著增强。北水道分流比由39.4%减小至30.7%，相应南水道落潮分流比由60.6%增加至69.3%。2014年7月一期工程完工后，北水道分流比增加2.3%至34.0%，相应南水道分流比减小2.3%。此后，由于工程后地形调整等影响，北水道增加的分流比有所回调，至2016年减小至27.3%，南水道分流比增加至72.7%。2016～2021年，南、北水道分流比没有明显趋势性变化，北水道分流比在25.7%～27.3%间变化。

3.2.3综合分析

由于落潮流是河床形态塑造的主要动力，因此落潮分流比更能准确表征汊道强弱变化。综合涨、落潮分流比分析结果，2002年至今，白茆沙汊道分流比变化经历以下4个阶段：

(1) 2002～2010年为第一阶段，“南强北弱”格局增强。2003年上游三峡水库开始蓄水，上游来沙减小，白茆沙冲刷下移并北靠，南水道发展、北水道萎缩，北水道分流比由39.4%减少至29.8%，年均减小1.23%。

(2) 2010～2014年为第二阶段，“南强北弱”格局减弱。与2010年相比，一期工程开工1 a后，北水道分流比增加0.8%至30.7%，至2014年7月竣工，增加4.2%至34.0%，年均增加1.04%。

(3) 2014～2016年为第三阶段，“南强北弱”格局增强。该时期为一期工程实施后河床地形调整期，北水道分流比由34.0%减小至27.3%。

(4) 2016～2021年为第四阶段，“南强北弱”格局变化趋缓。至2016年，一期工程实施后引起的河床地形调整趋缓，汊道分流比没有明显趋势性变化，维持在25.7%～27.3%之间。综合涨、落潮分流比分析结果，“南强北弱”分流格局增强的态势趋缓。

3.3 “南强北弱”分流格局变化主要影响因素

(1) 白茆沙冲刷下移，增加了南水道进口的入流条件，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强。如3.1节所述，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强的态势是白茆沙汊道历年来周期性演变的重要表现形式。白茆沙沙体多年呈现冲刷下移的态势，南水道进口入流条件改善，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强。

(2) 受三峡及上游梯级水库建设及水生态大保护影响，长江上游来沙量锐减，长江中下游河床整体呈现冲刷态势且向下游传递，白茆沙南水道冲刷是长江中下游河床自然演变的延续。

1970～1992年白茆沙南、北水道受上游河势变化影响明显，河道整体呈现冲淤交替态势；1992年以后，白茆沙冲刷后退，南水道进口段展宽发展，北水道进出口淤浅。自2003年三峡水库蓄水、上游梯级水库建设及水土保持、生态保护一系列工程实施以来，上游来沙量急剧减少，长江大通站年均输沙量减幅达68%，坝下河床冲刷逐步向下游传递，白茆沙河段也延续了上述河床冲刷的演变趋势。南水道-5 m深槽以下容积在1992 ～2004，2004～2009，2009～2014年，2014～2021年分别增加了6.2%，4.9%，3.1%和4.3%。可见，白茆沙南水道冲刷是河床自然演变的延续。

(3) 上游局部滩槽变化改变使得进入白茆沙南水道的流路更加顺畅，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强。

白茆小沙位于徐六泾河段出口右侧，是南水道进口的屏障。长江主流过徐六泾后，由于受到白茆小沙顶托向北偏靠，顶冲白茆沙沙头和北水道进口，对南水道的冲刷发展起到一定程度的保护作用。白茆小沙不断冲蚀，主流右偏，南水道进口段入流条件更顺畅，加剧了白茆沙汊道“南强北弱”的格局。另外，北支进口处水下沙体的形成，进一步减少了白茆沙北水道进口动力，有利于南水道的发展。

(4) 周边涉水工程建设改变了局部水沙动力环境，局部工程一定程度上促进了白茆沙南水道的发展，一期工程等影响较小。

一期工程上游苏通大桥于2003～2008年建设，新通海沙围垦工程在2008～2018年实施，工程区附近太仓边滩围垦20世纪90年代至2004年实施。局部工程一定程度上促进了白茆沙南水道的发展，特别是边滩围垦工程的实施，减小了过水面积，在一定程度上也增加了围垦前沿的流速，加剧了沿岸局部冲刷。

一期工程实施前，白茆沙沙头冲刷后退，白茆沙汊道段“南强北弱”的态势不断增强。为稳定白茆沙沙体及该河段滩槽格局，一期工程对白茆沙沙体进行守护，工程虽对改善该河段“南强北弱”增强的态势有积极意义，但并没有改变白茆沙南、北两槽“南强北弱”整体格局的功能。模型研究表明，无工程条件下白茆沙南水道和太仓码头前沿仍延续原持续冲刷态势；工程引起的冲刷主要集中在白茆沙整治工程梳齿坝的右缘侧(即丁坝坝头前沿)，对工程斜对岸的太仓港等近期近岸出现大幅冲刷无不利影响。一期工程实施以来的监测成果也与模型研究成果吻合[1]。

4 结 论

本文基于白茆沙河段近年来滩槽冲淤变化分析，根据白茆沙汊道2002～2021年实测流量资料和不同方法计算得到汊道分流比，结合来水来沙变化、附近相关涉水工程实施时间等，系统剖析了白茆沙河段多年来“南强北弱”格局成因及其变化趋势，得出主要结论如下。

(1) 不同流量统计方法计算得到的分流比数值可能存在较大的差别。因此使用分流比表征汊道强弱时，应选用同一计算方法得到的分流比进行比较。在该河段，落潮流是塑造河床的主要动力，因此利用落潮分流比对比分析得到的结论可能对汊道强弱认识更具有代表性意义。

(2) 历史上老白茆沙受上游水沙补给和北支泥沙倒灌淤积影响，呈现沙体发展、受冲下移并部分北靠态势，进而南水道展宽发展、北水道逐渐消亡，“南强北弱”格局加剧；南水道发展过程中，河槽逐渐宽浅，水动力减弱，泥沙落淤又在南侧形成新的沙体，由此产生新一轮的演变。总体而言，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强的态势是白茆沙汊道历年来周期性演变的重要表现形式。

(3) 一期工程实施后，白茆沙沙体得到守护，其头部冲刷后退趋势得到遏制，改变了多年来白茆沙汊道周期性演变态势，有利于白茆沙分汊河段河势和南水道进口航槽稳定。

(4) 综合多年来白茆沙汊道分流比分析结果，在现有水情、工情及河势条件下，白茆沙汊道“南强北弱”格局变化趋缓，预计南水道主槽和近岸河床冲刷明显加强的态势会有所减弱。