长江河口北港北汊河势演变及趋势分析

徐文晓，程和琴，郑树伟，刘高伟，陆雪骏，吴帅虎，郭兴杰

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.上海河口海岸科学研究中心，上海301201；3.上海市地质调查研究院，上海300072）

长江河口北港北汊河势演变及趋势分析

徐文晓1，程和琴1，郑树伟1，刘高伟2，陆雪骏1，吴帅虎1，郭兴杰3

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.上海河口海岸科学研究中心，上海301201；3.上海市地质调查研究院，上海300072）

在分析长江口北港北汊河段实测水文资料及1977-2013年海图基础上，研究近30多年来该河段河势演变趋势及其影响因素。结果表明：（1）历史上，北港北汊河段经历了团结沙与北港北沙的交替更迭；（2）北港北汊是一个典型的复式河槽，其上段1995-2006年以冲刷为主，2006-2013年以淤积为主；中段1995-2013年均以冲刷为主；下段变化不大。（3）洪水导致了北港北汊复式河槽格局的形成，而北槽深水航道北导堤和横沙东滩促淤圈围工程限制了北港落潮水流通过横沙东滩串沟进入北槽，进而导致北港北汊分流增加，是北港北汊发展的重要因素。

北港北汊；北沙；长江洪水；青草沙水库；横沙东滩促淤圈围

北港北汊是北港入海通道中一个重要的分汊，走向为西南—东北向，长约34.4 km，平均宽度约3.2 km，其北侧是崇明东滩，南侧为北港北沙，东部濒临东海（图1）。河槽形态为典型涨、落潮槽并存的复式河槽（茅志昌等，2014）。涨潮槽靠近崇明团结沙水闸一侧，呈NE-SW向；落潮槽位于涨潮槽南侧约0.96 km附近，呈SW-NE向，沿北港北沙沙头向东北方向延伸。

随着上海社会经济的飞速发展，土地资源短缺与社会经济发展之间的矛盾日益突出，沿海滩涂资源的拓展、保护和开发已成为上海缓解用地矛盾的一条有效途径（武小勇，2005）。北港北汊河段北侧的崇明东滩是上海最大的一片滩涂资源，南侧的北港北沙将要进行促淤工程（茅志昌等，2008），因此北港北汊的河势演变与其南北两侧的滩涂资源保护、利用、开发密切相关；另外，位于北港上段水域的青草沙水库，目前承担了上海市约70%的原水供应，为上海城市发展和工农业生产提供了有利的保障（陈泾等，2014），而北港北汊河段衔接北港与外海，汊道走向正对青草沙水库下游水泵闸，东海涨潮流对青草沙水库“避咸蓄淡”将会产生一定的影响，尤其是枯季东北向大风所致盐水入侵对青草沙水库的影响更甚（项印玉等，2009；沈焕庭等，2003；朱建荣等，2013；Li etal，2010，2014；严棋等，2015；王绍祥等，2015；侯成程等，2013；Wu et al，2010）。因此，该河段河势演变研究十分重要。本文根据最新北港北汊水域洪、枯季实测潮流、悬沙浓度数据及历史海图资料，分析了北港北汊河段水文泥沙特性、河势演变趋势及其影响因素。

图1 长江口及研究区域示意图（示意图为2013年地形图资料画成）

1 资料与方法

1.1历史海图资料

收集了从1977-2013年长江口北港北汊的9幅海图资料，包括长江口及附近1977年（1∶150 000）、1982年（1∶120 000）及1990年（1∶120 000）；长江口北部1995年、2001年、2006年、2010年、2013年（1∶120 000）；北水道及海门水道（1∶120000）。经扫描后，采用ArcGIS软件进行海图数字化，得到1977-2013年各年份北港北汊的水深（基面为理论最低潮面）点数据，建立不同时期的水下地形图，并分析了3个关键断面变化特征，同时讨论了北港北汊的河势变化及稳定性。

1.2研究方法及说明

1.2.1 现场测量与优势流、优势沙计算

2011年12月9-10日和2012年6月6-7日利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP），对长江口北港北汊（H1）测点连续26 h定点测量，2011年12月11-12日和2012年6月8-9日对北港下段横沙岛北侧（H2）测点进行测量（图1），H1、H2测点的经纬度分别为（31°25′46″N，121°53′32″E）、（31° 23′7″N，121°54′9″E）。优势流计算公式：优势流=平均落潮流历时*平均落潮流速/（平均落潮流历时*平均落潮流速+平均涨潮流历时*平均涨潮流速），若值大于50%，代表落潮优势为主，值小于50%，为涨潮优势流为主。优势沙计算公式：优势沙系数=落潮输沙量/（涨潮输沙量+落潮输沙量），若系数大于0.5，代表落潮优势沙为主，系数小于0.5，则为涨潮优势沙为主（Simmons et al，1969）。

1.2.2 北港北汊分流比计算

为了估算北港北汊的分流比，利用ADCP对横沙岛至崇明团结沙水闸之间进行水文断面调查（见图1中G-H断面），同时于相同潮流时刻，对横沙东滩北至北港北沙进行水文断面调查（见图1中J-K断面）。北港北汊分流比=（GH断面的水通量-JK断面的水通量）/GH断面的水通量，水通量由ADCP后处理软件计算获得。限于测量条件，选择准同步断面测量，即J-K断面走航时间为2015年7月1日落急时刻，G-H断面走航时间为7月2日落急时刻，两次测量断面均选择大潮落急时刻。断面未覆盖范围由测量船实时差分GPS定位及其在2013年地形图上的定位与0 m岸线之间的距离确定。GH断面未覆盖范围，北侧为402 m，南侧为179 m，断面总长度为6 680 m；JK断面未覆盖范围北侧为354 m，南侧为170 m，断面总长度为5 490 m。实时差分GPS定位精度为亚米级。将上述断面的左右岸距离参数分别输入ADCP后处理软件配置模块中，即可导出断面水通量（表2）。

2 结果

2.1洪、枯季大潮潮流特征

潮流历时：H1、H2测点洪枯季落潮流历时均大于涨潮流历时。H1测点（北港北汊河段）洪季涨潮流历时为4.1 h，落潮流历时为8.1 h，落潮较涨潮长4 h，枯季涨潮流历时为5.3 h，落潮流历时为7.1 h，落潮较涨潮长1.8 h；H2测点（横沙东滩北）洪季涨潮流历时为3.9 h，落潮流历时为8.5 h，落潮较涨潮长4.6 h，枯季涨潮流历时为4.8 h，落潮流历时为7.9 h，落潮较涨潮长3.1 h。

平均流速：潮周期内H1、H2测点洪季垂线平均流速均大于枯季。H1测点洪季平均流速为0.95m/s，枯季为0.73 m/s，洪季较枯季大0.22 m/s，H2测点洪季平均流速为0.64 m/s，枯季为0.6 m/s，洪季较枯季大0.04 m/s。

优势流、优势沙：H1、H2测点洪季优势流、优势沙均大于枯季。H1测点洪季优势流、优势沙分别为0.72、0.8，枯季优势流、优势沙分别为0.52、0.27，优势流洪季较枯季大0.2，优势沙洪季较枯季大0.53；H2测点洪季优势流、优势沙分别为0.82、0.85，枯季优势流、优势沙分别为0.61、0.47，优势流洪季较枯季大0.21，优势沙洪季较枯季大0.38（表1）。

2.2北港北汊分流比

通过物理斜面模型与岩质边坡受力分析，发现高中物理模型受力分析与岩质边坡受力特征非常相似；尤其是边坡滑动时，物理斜面模型与岩质边坡受力特征一致，斜面摩擦力与岩质边坡下滑粘结力计算方法一致，所以岩质边坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

大潮落急阶段，横沙岛至崇明团结沙水闸断面（GH）实测水通量约为62 005 m3/s，误差范围为+520 m3/s，北港南汊断面（JK）实测水通量约为55 460 m3/s，误差范围为+500 m3/s，分流比达89%，由此可估算得北港北汊分流比大约为11%，水通量为6 545 m3/s（表2）。

表1 2011年12月枯季、2012年6月洪季大潮北港下段测点（H1、H2）潮流特征

表2 2015年洪季落急阶段北港北汊分流比

2.3河势变化特征

2.3.1 0m等深线变化特征

1977年，团结沙与崇明岛之间有一条涨潮泓道，泓道平均宽度约2 km，泓道内最大水深8 m。1979-1982年，上海市实施筑坝堵泓道工程，1982年团结沙西侧与东旺沙相连；1986-1990年，涨潮泓道淤塞，团结沙并靠崇明岛；1991年团结沙围垦成陆，1995年崇明东滩东南的北港河段陆续发育了一系列的心滩型沙洲，统称为北港北沙，随着北港北沙的淤涨淤高，将北港入海水流分为两部分，北港北沙以北为北港北汊，以南为北港入海主流，北港北沙0 m等深线呈现分布零散、包络面积较小的特征（图2、图3）。2001年北港北沙与1995年相比沙体形态变化较大，0 m线包络面积增长了近一倍，达到30.2 km2（图3）。2006年，北港北沙面积持续增长，达到38 km2。2010年北港北沙面积继续扩大，2013年北港北沙面积比2010年增加13.7 km2。

2.3.2 -2 m等深线变化特征

1977-1982年团结沙与崇明岛之间-2 m槽宽呈“上段窄中下段宽”的特点（图4），1986-1990年，团结沙并靠崇明岛后，-2 m等深线形状呈“锯齿状尖头”的特点，并发育有涨潮沟。1995年北港北沙形成，其-2 m等深线包络的面积约119.1 km2。2001年，北港北沙-2 m线与崇明东滩-2 m线分开，-2 m线包络面积增加至146.2 km2，且在团结沙水闸南侧形成一个长6.7 km、宽500 m的-2 m水深以浅的沙脊，面积约2.8 km2。2006-2013年，该沙脊向北港北沙的方向移动，在下移过程中，沙脊尾部向南淤涨，并与北港北沙沙头相连。

图2 北港北汊河段0 m等深线变化图（1977-2013年）

图3 1995-2013年北港北沙0 m、-2 m等深线包络面积增长趋势

2.3.3 -5 m等深线变化特征

1982年与1977年相比，-5 m线包络面积增加至2.55 km2，沙包形态变得狭长（图5）。1986-1990年，由于团结沙并靠崇明岛，涨潮泓道淤塞，-5 m等深线消失。1995-2001年，北港北沙逐渐形成了-5 m沙头，北港北汊发育成典型涨落槽并存的复式河槽。2006年，涨潮槽和落潮槽继续发展。2010年涨潮槽未发生较大变化，落潮槽已淤浅衰亡。2013年，落潮槽再次出现。

2.4典型横断面演变特征

对北港北汊1995-2013年3条典型横断面进行了分析，各断面端点经纬度见表3，具体特征如下（图6）：AB断面1995-2001年呈明显的南强北弱的冲刷态势；2001-2006年，南侧继续冲深且最大水深达到6.8 m；2006-2010年，形势翻转，呈北冲南淤；2010-2013年，则整体上断面呈淤积态势，断面形态呈“W”型。CD断面1995-2013年以冲刷为主，深泓向北崇明东滩侧移动。下段EF断面位于最大浑浊带区域，水深较浅，1995-2013年，整体上断面冲淤变化不大。

图4 北港北汊河段-2 m等深线变化图（1977-2013年）

表3 北港北汊典型断面端点经纬度

2.4.2 等深线槽宽、-5 m以下断面面积及最大水深变化特征

AB断面1995-2013年-2 m槽宽变幅较小，1995-2006年，-5 m线以下断面面积、-5 m槽宽持续增加，断面水深持续刷深；2006-2013年，形势翻转，-5 m以下断面面积、-5 m槽宽均大幅减少，最大水深持续减小，整体上呈淤积态势。CD断面位于北港北汊中段，距离涨落潮槽较远，-2 m槽宽自1995-2013年变幅较小，平均值为2 300 m，断面水深持续刷深。EF断面-2 m槽宽自1995-2013年变幅较大，1995年断面-2m槽宽为6895m，2001年缩窄至5 288 m，2001年后-2 m槽宽变化较小，处于相对稳定时期，断面最大水深变化不大（表4）。

3 北港北汊河势演变影响因素

3.1洪水造床作用的影响

图5 北港北汊河段-5 m等深线变化图（1977-2013年）

图6 北港北汊典型断面变化

北港北汊河段1977-2013年0 m、-2 m等深线变化特征显示：2001年才出现完整的河槽形态（图2、图4），其可能由1998、1999年长江流域特大洪水形成。特大洪水在长江河口河槽成形过程中起主导作用，前人研究认为长江河口洪水造床流量为60 400 m3/s（恽才兴，2004）。1998年，大通水文站实测最大洪峰流量达81 700 m3/s，造成南北港分流口上提，北港分流分沙比加大，底沙大量运输下移（茅志昌等，2008；陆雪骏等，2015）。受此影响，在北港北沙的北侧冲出一条落潮槽，北港北汊开始成为涨、落潮槽并存的复式河槽（图5），AB断面2001年-5 m线以下断面面积较1995年增加了10倍多，达到362.48 m2。因此特大洪水对北港北汊河势起着格局性影响。

表4 北港北汊典型断面等深线槽宽、-5 m线以下断面面积与最大水深

3.2促淤圈围及大型工程建设的影响

促淤圈围是影响北港北汊河势演变的一个重要因素。1979-1982年上海市实施筑坝堵泓道工程，造成1986-1990年北港北汊河段-2 m等深线形状呈“锯齿状尖头”特点，并发育有多个涨潮沟（图4）；之后，团结沙围垦成陆，约束了北港北汊涨潮水流，涨潮水流变强，堤外潮滩受涨潮流的强烈冲刷，形成了涨潮槽（茅志昌等，2014），见图5。其它研究表明：长江口北槽深水航道北导堤以及横沙东滩促淤圈围工程的建设实施，限制了北港落潮水流通过横沙东滩串沟进入北槽，固定了横沙东滩岸线，促进了滩地的稳定增长，从而导致横沙通道与北港北汊分流增加（武小勇，2005；王维佳等，2014；郭兴杰，2015；朱文武等，2015；杜景龙等，2013；施野等，2015）。实测资料也显示，2015年北港北汊落急阶段分流比可达11%，说明北港北汊也具有一定的分流能力。而且，2011和2012年北港北汊上段洪季大潮落潮优势显著，枯季大潮仍然落潮优势，但枯季优势沙却较小（表1）。因此，北港北汊遵循长江河口区普遍存在的洪冲枯淤规律。

同时，青草沙水库以及长江大桥工程的建设，缩窄了北港上段河槽，使得大量泥沙冲刷至下游，造成拦门沙河段河槽容积减小，河槽淤积（刘玮玮等，2011；李伯昌等，2012；刘高伟，2015），因此，其对北港北汊是否也具有影响值得探讨。对比青草沙水库及长江大桥施工阶段与北港北汊河势情况发现，1995-2001年，工程建设尚未开始，北港北汊上段断面南侧冲刷深度较北侧强，-5 m线以下断面面积、最大水深持续增加；2006年青草沙水库建设前期，长江大桥处于建设期，北港北汊河势明显受到影响，表现为上段断面北侧淤高，而断面南侧继续冲深，-5 m以下断面面积、最大水深继续增加；2010-2013年，青草沙水库及长江大桥已投入运行，北港北汊河势处于再次调整阶段，整体上呈淤积态势，上段断面形态呈“W”型，-5 m以下断面面积急剧下降，2010年断面积减少到168.75 m2，较2006年下降了9倍多，断面最大水深下降，2013年较2006年淤高了2.1 m（图6，表4）。因此，北港北汊的局部河势在一定程度上与北港大型工程的建设及投入有关，但其机制尚待研究。

4 结论

自20世纪70年代以来，长江口北港北汊河段发生了明显变化。

（1）北港北汊河段由于自然及人为因素的作用，历史上经历了团结沙与北港北沙的交替更迭。

（2）北港北汊河段为一个典型涨、落潮槽并存的复式河槽，近20多年来，涨、落潮槽变化整体稳定；其上段1995-2006年以冲刷为主，2006-2013年以淤积为主；中段1995-2013年均以冲刷为主；下段变化不大。

（3）洪水是导致北港北汊复式河槽格局形成的主导因素，而北槽深水航道北导堤和横沙东滩促淤圈围工程限制了北港落潮水流通过横沙东滩串沟进入北槽导致北港北汊分流增加，则是北港北汊发展的重要因素，但青草沙水库及长江大桥建设后北港北汊整体淤浅机制，需待进一步研究。

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（本文编辑：袁泽轶）

Analysis of river regime evolution and trend prediction for the north inlet of the North Channel in the Yangtze Estuary

XU Wen-xiao1,CHENG He-qin1,ZHENG Shu-wei1,LIU Gao-wei2, LU Xue-jun1,WU Shuai-hu1,GUO Xing-jie3
（1.Institute of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China;2.Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center,Shanghai 301201;3.Shanghai Institute of Geological Suwey,Shanghai 200072,China）

By analyzing recently measured hydrological data and historical charts for the north inlet of the North Channel in the Yangtze Estuary from1977 to 2013,the river regime evolution and its impact factor for the last 30 years are investigated in this paper.The results show that:(1)The Tuanjiesha shoal and the Beisha shoal alternated with each other in the north inlet of the North Channel in history；(2)The north inlet of the North Channel is a typically compound channel.Its upper section mainly experienced the scouring of seabed from 1995 to 2006 and the deposition of sediments from 2006 to 2013.And the middle section had been mainly scoured from 1995 to 2013,while the lower section changed scarcely during this period. (3)Big floods in 1998 and 1999 led to the formation of compound channel of the north inlet of the North Channel.The north jetty of the deep-water navigation channel in the North Passage combining together with the reclamation engineering on the Hengsha East shoal prevented the ebb flow of the North Channel from entering into the North Passage via the string hook on the Hengsha East shoal,contributing to the increased distributaries of the channel,which is one of the most important factors in the development of the north inlet of the North Channel.

the north inlet of the North Channel;the Beisha shoal;Yangtze River flood;Qingcaosha reservoir;the reclamation engineering on the Hengsha East shoal

P75

A

1001-6932（2017）02-0160-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.006

2015-11-13；

2016-01-13

国家自然科学基金（41476075）。

徐文晓（1989-），硕士研究生，主要从事河口海岸动力沉积研究。电子邮箱：xuwenxiaofan@163.com。

程和琴，教授，博士生导师，主要从事河口海岸水下工程地貌和海岸带管理研究。电子邮箱：hqch@sklec.ecnu.edu.cn。