径流变化下长江口多分汊系统冲淤分布差异及动力机制

2023-10-07朱博渊刘凌峰李江夏程永舟胡旭跃

水科学进展 2023年4期

朱博渊，刘凌峰，李江夏，程永舟，胡旭跃

(1. 长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410114)

潮汐分汊河口处于流域与海洋交汇区，其冲淤演变与沿海城市防洪、航运及土地资源利用密切相关[1-3]。近70 a来流域兴建水库，显著改变潮汐分汊河口上游水沙边界条件，使得潮汐分汊河口呈现不同的冲淤演变过程。研究表明，水库拦蓄泥沙导致年入海沙量减少，使得潮汐分汊河口水流挟沙次饱和，造成冲刷[4-5]。水库拦蓄径流导致年入海径流量减少，对潮汐分汊河口的影响通常分为2种情况：一是导致河口水流挟沙能力降低，引发淤积[6]；二是导致河口涨潮流相对增强，既可能将更多口外泥沙扫入河口产生淤积[7]，也可能受增强的涨潮流作用而冲刷[8]。流域水库除改变年入海水沙总量外，也调节入海径流年内分配过程[9-10]，径流过程变化下潮汐分汊河口冲淤演变如何响应，当前关注较少。

长江口是亚洲第一大河口，呈多级分汊形态，围绕长江流域水库建设对长江口冲淤影响问题已有大量研究成果。长江上游梯级水库群建设对年入海径流量改变不大，但大幅减少年入海沙量，使得长江口水下三角洲、前缘潮滩和南支至长兴岛尾部区域由淤转冲[2，11-12]。同时，水库调平入海径流年内分配过程，使得洪水流量持续时间减少、中枯水流量持续时间增多[13]，洪水动力减弱导致涨潮流向口内输沙增强，对长江口整体和拦门沙区域维持淤积有利[13-14]。然而，潮汐分汊河口冲淤演变的主要特征表现为径潮交互作用下汊道间横向冲淤交替和泥沙沿各汊道纵向输移、堆积[15-17]，径流过程调平对长江口多分汊系统内横向和纵向冲淤作用如何，缺乏研究。径流过程调平已使得长江中下游分汊河道的洪水汊呈淤积萎缩趋势、枯水汊呈冲刷发展态势[18-19]，亟待研究径流过程调平对科氏力作用下长江口“南兴北衰”演变模式[20]的影响及造成的各汊纵向冲淤特征。

本文根据1950—2021年长江口日均径流流量系列、日均流域来沙量系列、汊道落潮分流比、落潮流量、流场分布、沿程潮位、滞流点位置、深水航道疏浚量和汊道地形等资料，分析不同径流强度下南北汊道及各汊内上、下游区段的冲淤差异，揭示多分汊系统内横向和纵向冲淤联动机制，预测冲淤趋势。研究成果以期为深水航道治理、长江口综合治理和长江上游大型梯级水库优化调度提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

长江口东西长180 km，南北宽6～90 km，呈“三级分汊、四口入海”形态格局，崇明岛处分为南北支，南支在长兴岛和横沙岛处分为南北港，南港在九段沙处分为南北槽(图1)。

图1 研究区域示意Fig.1 Outline map of the study area

长江口年径流量约9 000亿m3(1950—2021年)，多年变化不大(图2(a))，但径流年内分配过程受流域梯级水库调度而坦化(图2(b))。以三峡水库蓄水时间为界，从蓄水前(1950—2002年)到蓄水后(2003—2021年)，洪水(大通站流量Q>50 000 m3/s)和枯水(Q<10 000 m3/s)流量级多年平均持续天数分别由34 d和36 d减少为24 d和2 d，中枯水(10 000

图2 大通站水沙多年变化过程Fig.2 Multi-year variation in water and sediment fluxes at Datong station

长江口工程众多，其中北槽深水航道工程、北支围垦工程和北港青草沙水源地工程(图1)对汊道演变产生重要影响。北槽深水航道工程1998年开工，一期工程起止时间为1998年1月至2001年6月，二期工程起止时间为2002年5月至2004年12月，三期工程起止时间为2006年9月至2010年3月，一、二期工程内容包括双导提、丁坝建设和疏浚，三期工程主要为疏浚(图1)[23-24]。北支围垦工程1958年开始实施，显著缩窄了河床边界(图1)[25-26]。北港青草沙水库2007年开始建设，位于北港进口段，束窄了进口边界(图1)[2，27]。

1.2 数据处理与研究方法

1.2.1径流强度指标

大通水文站为长江干流最后一个具有长期水沙观测资料的站位，且大通以下无较大支流入汇(图1)，以其1950—2021年水沙系列代表流域进入长江口的水沙过程。统计大通站洪水流量级各时段多年平均持续天数，以衡量径流对长江口冲淤作用强度，考虑到长江口造床流量为60 400 m3/s[15]，以60 000 m3/s以上流量多年平均持续天数(Da)为统计对象。

1.2.2滞流点位置

滞流点附近是泥沙集中落淤区域，其位置迁移影响长江口汊道纵向冲淤，具体定义为在一个全潮过程中河槽水流近底层涨落潮净流程为0的点[28-29]，用方程表示如下：

(1)

式中：S为一个全潮过程中河槽水流近底层某点净流程，m；v为该点t时刻的流速矢量，m/s；T为一个全潮周期，s。

本文主要关注南北槽滞流点位置，不同时间滞流点位置及对应大通站流量和中浚站潮差来源于文献[30-33]。

1.2.3地形处理

汊道冲淤变化分析涉及多套水下地形测图，其中，北支测图年份为1978年、1991年、1998年、2001年、2007年和2013年，南支测图年份为2002年、2007年、2013年和2017年，北港测图年份为1997年、2002年、2007年和2013年，南港测图年份为1997年、2002年和2007年，北槽和南槽测图年份为1997年、2002年、2007年、2013年和2017年。地形测图比尺范围为1∶10 000～1∶120 000，测点密度范围为37～171个/km2，对应空间点距范围为80～150 m。对地形测图进行数字化，投影坐标系统为北京54坐标系，并将高程基准面统一为理论最低潮面。采用克里金空间插值法对数字化后地形测点进行插值，生成连续地形，以计算汊道冲淤速率，对应网格分辨率根据测点平均密度取为100 m×100 m。此外，还从各套地形中提取和从文献[34-37]中收集汊道深泓高程。

北槽于1984年开辟航道以来，以年疏浚量0.12亿m3维持航深和航宽，1998年实施深水航道工程后，疏浚量显著增大[2]。根据北槽各年疏浚量[2，38-39]，对北槽冲淤速率还原如式(2)，式中各参数取值见表1：

表1 北槽冲淤速率还原计算数据Table 1 Data for restoration calculation on erosion-deposition rate in North Passage 单位：亿m3

(2)

式中：V为还原后北槽冲淤速率，m/a；E为根据某2 a地形直接计算得到的北槽冲淤量，m3；D为该2 a之间北槽总疏浚量，m3；A为计算区域面积，A=349.2 km2；P为相邻2套地形的时间跨度，a。

2 汊道冲淤分布差异

2.1 横向冲淤差异

表2显示，除北支2001—2007年及2007—2013年、南支2002—2007年及2007—2013年和南槽1997—2002年及2002—2007年外，长江口南北汊道横向冲淤差异主要取决于Da，Da越大，北部汊道(北支、北港、北槽)落潮分流比越大，相应冲刷/淤积速率越大/越小、或由淤转冲、或冲刷/淤积速率大于/小于南部汊道；南部汊道(南支、南港、南槽)规律则相反。此外，南槽冲淤还受口外风暴潮影响，2002—2007年、2007—2013年和2013—2017年3个时段对比，Da、南槽落潮分流比和冲淤速率取值虽符合南部汊道规律，但Da均维持低值、落潮分流比均维持高值条件下，南槽均维持淤积，原因为3个时段内发生的系列风暴潮携带口外泥沙进入南槽[13-14]。表2中，V正值代表淤积、负值代表冲刷，北槽冲淤速率为根据航道疏浚还原后的结果；λ为汊道落潮分流比，定义为各级分汊中某汊落潮流量占两汊落潮流量之和的比例。

表2 长江口汊道V与Da、λ对应关系Table 2 Relationship among V，Da and λ in branching channels of Yangtze Estuary

2.2 纵向冲淤差异

表3显示长江口南北汊道深泓分段平均高程变化过程(各汊分段剖分情况见图1)，可以看出，除北支各时段和南支1998—2002年外，长江口南北汊道内部纵向冲淤差异主要取决于Da，随Da增大，北部汊道(北支、北港、北槽)上段冲刷速率增大或淤积速率减小、下段冲刷速率减小或淤积速率增大，从而淤积重心向下游移动；南部汊道(南支、南港、南槽)规律则相反。南北槽纵向冲淤还受深水航道整治工程和口外风暴潮影响：北槽2007—2010年深泓受深水航道三期工程疏浚(图1)影响显著降低，2010—2019年深泓受南坝田挡沙堤加高工程实施、航道疏浚量减小和流域减沙[36，40]影响变幅明显减小；南槽1997—2002年λ较小，但该时期北槽上段丁坝(图1)增强了南槽落潮动力，使得深泓整体冲低、集中于中上段(Ⅰ—Ⅱ)，2002—2007年下段深泓(Ⅲ)受口外风暴潮掀沙影响[13-14]有所冲低。

表3 长江口南北汊道深泓分段平均高程变化Table 3 Variation in segment-average thalweg elevation in branching channels of Yangtze Estuary

2.3 冲淤分布动力机制

2.3.1横向和纵向冲淤联动机制

图3显示，长江口北支、北港、北槽落潮分流比均随径流流量增大而增大，南支、南港、南槽落潮分流比均随径流流量增大而减小。原因在于2个方面：一是落潮流自身惯性，在长江口“南兴北衰”自然模式下，南部汊道河底地形普遍较北部汊道低[20]，落潮流量越大水流惯性越大，流路趋直，利于北部汊道分流，落潮流量越小水流惯性越小，受地形束缚明显，水流更易进入南部汊道；二是长江口南岸沿线有若干节点[15]，落潮流量越大，越利于节点将落潮主流挑向北部汊道。

图3 长江口各汊道λ随Q和T0变化特征Fig.3 Variation in λ with runoff discharge (Q) and tidal range (T0) for branching channels of Yangtze Estuary

图3提供了南北汊道落潮分流比与径流流量(Q)和潮差(T0)的拟合关系，图中潮差均根据3条港潮位站(图1)观测潮位求得，3条港潮位站靠近口门，可近似代表口门处潮汐动力。以下3个方面的检验结果反映出拟合方程的可靠性：① 相关系数(R2)均在0.6以上(甚至大于0.9)。② 方程表明北支、北港、北槽落潮分流比均随径流流量增大而增大、随潮差增大而减小；南支、南港、南槽落潮分流比均随径流流量增大而减小、随潮差增大而增大。③ 自南北支至南北槽，径流流量和潮差贡献权重(WQ、WT0)分别减小和增大(注：贡献权重为Q或T0前系数绝对值与两变量前系数绝对值之和的比值)。

综合南北汊道落潮分流比对径流流量和潮差变化的响应关系，汊道冲淤有如下联动机制：径流流量大时，各分汊口由南向北的横向水位差大、落潮主流向北部汊道偏转(图4(a))，北部汊道落潮分流比大、落潮动力强(图4(a)、图4(b))，涨潮动力则相对减弱(图4(b))，增强的落潮动力使得北部汊道冲刷加剧或淤积减缓，且由于上段迎流顶冲，冲刷加剧或淤积减缓集中在上段，下段则受涨潮流顶托和上段冲刷泥沙补给而淤积加剧或冲刷减缓，导致淤积重心位于下段(图4(b))；南部汊道落潮分流比小、落潮动力弱(图4(a)、图4(b))，涨潮动力则相对加强(图4(b))，增强的涨潮动力顶托落潮流、减小落潮流速的同时，也带入口外泥沙，使得南部汊道淤积加剧或冲刷减缓，且由于下段涨潮流强劲、迎流顶冲，冲刷加剧或淤积减缓集中于下段，上段则受落潮流顶托和下段冲刷泥沙补给而淤积加剧或冲刷减缓，导致淤积重心位于上段(图4(b))。径流流量小时，南北汊道冲淤规律相反(图4(a)、图4(c))。(注：图4(a)中2004—2007年洪季和枯季落潮流量、落潮分流比、流场分布和沿程潮位资料来源于上海河口海岸科学研究中心水文原型观测资料汇编，同一种颜色的流速箭头或数字代表同一时段资料)

2.3.2特定汊道问题

北支整体冲淤：2007—2013年Da值较小，相比前一时段无明显增大；λ值与前一时段相同，但由前一时段淤积变为该时段冲刷(表2)，与围垦工程有关，2001年以前围垦集中于北支上段，2001年以后分布于北支整段(图1)，显著束窄了河床边界、增强了河槽内涨潮动力，使得2007—2013年涨潮优势流更为明显[26]，涨潮流从北支下段冲起大量泥沙(表3)，造成北支整体冲刷。

北支纵向冲淤(表3)：1978—1991年Da和λ值较小，淤积重心位于中下段(Ⅱ—Ⅲ)；1991—1998年Da值较大，λ值相应增大，淤积重心位于上段(Ⅰ)；1998—2001年Da值进一步增大，λ维持较大值，淤积重心仍位于上段(Ⅰ)。以上冲淤过程、特别是2个洪水时段的冲淤特征与2001年以前北支上段实施的围垦工程有关，围垦对上段具有显著促淤效应(图1)。2001—2007年Da值大幅减小，λ变为负值，即倒灌南支，淤积重心位于中下段(Ⅱ—Ⅲ)，与2001年以后北支下段围垦工程促淤效应有关(图1)；2007—2013年Da维持小值，λ维持负值，淤积重心位于上段(Ⅰ)，原因在于该时期北支上下段围垦工程均基本完成，束窄河道边界(图1)，对涨潮动力具有强化作用[26]，且该时期径流动力较弱，使得北支倒灌南支，中下段床面泥沙被强劲的涨潮流冲起携往上游、利于上段淤积。

南支整体冲淤：2002—2007年与2007—2013年2个时段Da和λ均相当，前一时段淤积原因为受北支倒灌泥沙(表2)和上游河段河床质推移补给影响[22，41]，后一时段尽管也有北支倒灌泥沙补给(表2)，但流域来沙量进一步减小，由前一时段的1.78亿t/a变为后一时段的1.31亿t/a，上游河段可供给河床质数量也明显减少[22，41]，故造成冲刷。

南支纵向冲淤：1998—2002年，Da较大，λ较小，南支深泓整体冲低(表3)，淤积重心位于下游河道内。该时段受流域特大洪水影响[13]，虽然南支λ较小，但落潮分流量绝对值大，将淤积重心推往下游。

南槽整体冲淤：1997—2002年发生冲刷(表2)，不仅与该时段流域大洪水有关[13]，也受北槽上段丁坝工程(图1)增强南槽落潮归槽动力[42]的影响；2002—2007年淤积(表2)，则因为该时段径流流量偏枯，南槽λ虽有所增大，但落潮分流量绝对值小，口门附近涨潮动力则相对大幅增强，增强的涨潮流和风暴潮从口外携带泥沙补给南槽[13-14]。

2.4 冲淤分布变化趋势

图5显示，在长江口自身“南兴北衰”演变模式[20]和流域水库共同影响下，除河口工程作用时段外，北部汊道λ和河槽容积(C)呈减小的历史过程，南部汊道相反，三峡水库蓄水以后更为明显(南北港λ受北港进口青草沙水库影响[27]除外)。与此同时，北部汊道(北支、北槽)和南部汊道(南支、南港、南槽)淤积重心分别呈上移和下移的历史过程[26，43-46]。具体对比南北汊道兴衰交替与流域水库建设时间节点(表4)，可识别出较好的同步对应关系，进一步说明流域水库的作用。

表4 长江口南北汊道历史演变事件和流域水库建设的对应关系Table 4 Conincidences between channel evolution events in Yangtze Estuary and river-dam constructions

图5 长江口各汊道λ和C多年变化过程Fig.5 Multi-year variation in λ and C for branching channels of Yangtze Estuary

对三峡水库蓄水前后2个时段大通站流量过程进行统计，得到Da多年平均值分别为11 d和8 d，且60 000 m3/s以上各流量范围多年平均持续天数均显著减少(图2(b))，说明三峡水库和上游大型梯级水库对径流过程“削峰补枯”调平效应明显。随着长江上游大型梯级水库相继运行、协防三峡水库，长江口径流过程坦化趋势将得以维持[21]。根据南北汊道λ与径流流量关系(图3)，北部汊道λ将继续呈减小趋势，汊道整体将呈淤积加剧或冲刷减缓趋势，淤积重心将呈上移趋势；南部汊道λ将继续呈增大趋势，汊道整体将呈冲刷加剧或淤积减缓趋势，淤积重心将呈下移趋势。

3 对深水航道整治的启示

图6(a)显示，南槽滞流点(图6中南槽和北槽滞流点起始位置分别为南槽进口和横沙水文站)随大通站流量增大逐渐移向下游，若同时考虑潮差、汊道水深，则可建立较好的定量关系，据此可预测各时间尺度的滞流点位置[28]。北槽滞流点位置则不随大通站流量逐渐变化，而是存在临界流量35 000 m3/s，当流量小于该临界值时，滞流点位于上段；当流量大于该临界值时，滞流点位于下段(图6(b))。北槽滞流点活动特征与北支类似，北支受上口分流显著减小和河槽萎缩影响，径流流量超过某个临界值，滞流点显著下移[29]，北槽滞流点位于上段时多为枯季、位于下段时多为洪季(图6(b))，也体现出流域大洪水对滞流点位置突变的影响，早期研究成果表明，1998年特大洪水期间北槽滞流点持续徘徊于下段，造成下段强淤[49]。出现以上现象的原因为长江口落潮水流主要从南部汊道入海，北部汊道分流畅通性相对较差。与上述特征对应，北部汊道(北支、北槽)虽受长江口涨潮流路偏北影响呈缓慢萎缩态势[20]，但历史上发生的流域特大洪水往往成为冲开上口使其迅速发展、贯通、进而维持生命力的关键动力[15]。

图6 南北槽滞流点位置与径流流量关系Fig.6 Relationship between position of stagnation point in North/South Passage and runoff discharge

北槽整体淤积速率显著大于南槽(表2，表3，图5(f))，深水航道工程实施后至2012年北槽回淤量呈逐年上升态势[2]，对水深维护不利，本文研究结果表明其原因为北槽落潮分流比持续减小，故建议通过调整工程措施增大北槽落潮分流比。同时，深水航道工程实施以来，在丁坝+双导堤阻流和三峡水库调平径流过程使得北槽λ持续减小(图5(e))的背景下，虽然航槽回淤重点部位集中于中下段[23，50]，但滩槽总体淤积重心不断向上游移动(表3)[36，43，51]，特别是流域大水年向枯水年转变时回淤部位集中于中上段航道与丁坝坝田区域[13-14]。与此同时，北槽滞流点虽因疏浚增大河槽容积间歇性向下游迁移[30-31]，但随λ减小，多年尺度向上游迁移占主导[16，29，30]。三峡水库蓄水前(1950—2002年)至蓄水后(2003—2021年)，大通站35 000 m3/s以上流量级多年平均持续天数由125 d减少为110 d，未来随着三峡水库和上游大型梯级水库运用，径流过程持续坦化，滞流点位于北槽上段的频率将增加，北槽深水航道近期以疏浚性维护为主，建议重点关注上段淤积动态，适时调整疏浚区段。