工程影响下长江口涨潮槽演变特征研究——以北港六滧涨潮槽为例

石天，程和琴，2，华凯，滕立志，唐明，姜泽宇，颜阁，姜月华，周权平

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241；2.崇明生态研究院，上海 202150；3.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016）

涨潮槽是河口地区重要的地貌单元（王永红等，2003；贺松林等，2000），其演变与港口码头、航行安全和岸滩稳定密切相关。长江口是典型的中等潮汐河口，发育有新桥水道、南小泓等典型涨潮槽，可通过河槽类型系数λ 来判别，λ 大于1时为涨潮槽（刘高峰等，2005）。其有三种成因类型，即涨潮流为主塑造而成、落潮槽被沙嘴分割而成以及落潮槽退化而成（沈焕庭等，1995）。其主要水沙特征为涨潮时的流速和含沙量大于落潮、优势流和优势沙均小于50%以及净水流和净输沙均向槽顶方向等（李九发等，2004）。虽然长江口涨、落潮槽中均有沙波发育，但是涨潮槽中沙波的波长和波高均小于落潮槽，波型指数大于落潮槽（王永红等，2011）。然而，近期流域三峡大坝和河口北港青草沙水库及上海长江大桥等大型工程的建设（Yang et al，2014；Wang et al，2015；Zheng et al，2018；陆雪骏等，2016；石盛玉等，2017）对长江口涨潮槽的演变特征和趋势产生的影响是迄今尚未关注的问题。

六滧涨潮槽是长江口典型的外沙内泓地形（季永兴等，2001），位于北港中上段六滧沙脊和崇明南岸之间（图1）。其形成于20 世纪80 年代初期，成因是扁担沙尾部遭横向水流切割而产生新桥通道，被冲刷的部分泥沙进入北港，并不断淤积于中上段，形成六滧沙脊（郭兴杰等，2016），阻隔了北港主槽和崇明南岸。其在1986—2000 年间较为稳定，涨潮流占优势（郭建强，2008）。本文以北港六滧涨潮槽为例，基于历史海图水深数据，结合多波束测深系统获取的水下地形和ADCP 采集的流速数据，分析了近期工程影响下其演变特征，以期为崇明这一世界级生态岛的岸线资源合理开发利用和护岸工程维护提供科学依据。

1 数据采集与研究方法

本文收集了长江口北港中段堡镇至奚家港2000、2004、2008、2012、2018 共5 年 的 海 图（比例尺均为1:25000，基准面为理论最低潮面），利用ArcGIS 10.3 对该河段进行数值化，即对水深点赋值，并采用Kriging 插值法建立数字高程模型（DFM），自西向东选取AA＇、BB＇、CC＇、DD＇、FF＇、FF＇六个典型剖面（图1b），用于分析河槽冲淤及典型断面变化特征，剖面走向均为由北至南。

2018 年7 月15 日利用SeaBat 7125 多波束测深系统对崇明南岸堡镇港—奚家港岸段近岸水下地貌进行走航扫测，作业频率为200 kHz。2019 年7月22 日利用珠海云洲M80 无人艇搭载的SeaBat T50-P 多波束测深系统对崇明南岸六滧港河口进行扫测，采用自主航行模式（图1）。为保证数据质量，船速控制在7 节左右，作业频率为400 kHz。两个多波束测深系统的中央波束角均为0.5°，共512 个波束，理论测深分辨率为6 mm，频率为50±1 Hz。采集时选用等距模式，并利用Trimble 差分系统进行定位，定位精度为dm 级。后期对原始数据进行横摇、纵摇、艏摇校正及异常波束剔除处理，利用PDS 将数据可视化，生成0.5 m×0.5 m 分辨率的三维格网模型，用于分析研究区域的微地貌特征。

同时，利用Rowe Technologies Inc（RTI）公司生产的双频ADCP 采集奚家港东侧局部岸段近岸流速数据。换能器入水深度约为0.8 m，工作频率为300 和600 kHz，理论流速量程为±5 m/s，数据采集时间间隔为1 s。在Ocean Post-Processing 软件中采用六点法提取原始数据，经处理后利用MATLAB生成近岸三维流场图，用于分析岸滩水域水动力特征。

2 结果

2.1 六滧涨潮槽外侧沙脊冲刷束窄

六滧沙脊是六滧涨潮槽外侧一条狭长的沙脊。2002-2008 年间0 m 线有扩张趋势；2008—2012年上段沙体0 m 线迅速收缩束窄，至2018 年完全消亡，包络面积年均减少速率为0.11 km2/a。-2 m等深线同样由扩张转为收缩，2008 年后不断束窄，向崇明岛南岸逼近，包络面积呈减小趋势，年均减少速率为0.20 km2/a。-5 m 等深线上端自1998 年长江流域大洪水后与崇明南岸相连（郭建强，2008），2000—2008 年间尾部仍有向南移动的趋势，2008—2012 年头部断开，向下游收缩束窄，最大宽度由2000 年的3.03 km 减少至2018 年的1.82 km，包络面积明显减小，年均减少速率为0.50 km2/a。0 m、-2 m 和-5 m 等深线的演变表明，自2008 年六滧沙脊尾部南移停止，其近期演变总体趋势为冲刷束窄（图2）。

图2 六滧沙脊及六滧涨潮槽0 m、-2 m 及-5 m 等深线变化图

堡镇至奚家港河段六个横断面水深变化（图3）亦显示：2000—2018 年间六滧沙脊冲刷束窄变陡，位于六滧港附近BB＇和CC＇断面上的沙脊冲刷最为剧烈，冲深至-17 m 左右，北港主槽向岸偏移。

2.2 六滧涨潮槽淤浅

2000—2008 年间，六滧涨潮槽为一条狭长水道，总体上窄下宽，-5 m 等深线上、下端点之间的距离变化不大，维持在16.50 km 左右。2008 年后，随着六滧沙脊剧烈冲刷（图2 和图3），-5 m槽头部向下游移至六滧港附近，至2018 年长度缩减9.38 km，减幅约为43%（图2）。

2000—2018 年间六滧涨潮槽平均水深减少1 m，BB＇、CC＇及DD＇断面上均显示明显淤浅，淤积厚度为2～3 m，槽宽束窄（图3）。但值得注意的是，位于上海长江大桥东、西两侧的FF＇和FF＇断面在2000—2008 年间涨潮槽均淤浅，淤积厚度约2 m，而在2008—2018 年间持续冲刷，分别刷深约5 m 和3 m（图3）。尤其是FF＇断面，涨潮槽深泓逼岸，岸滩出现一定程度蚀退。

2.3 北港中上段河槽冲淤变化特征

图3 堡镇至奚家港河段典型断面形态变化图

图4 北港中上段河槽冲淤变化图

2000—2018 年北港中上段河槽的冲淤变化有三个阶段（图4）。第一阶段（2000—2008 年）河槽整体淤积，淤积量为4.36×106m3，平均淤积厚度为0.03 m，六滧涨潮槽弱淤积。第二阶段（2008—2012 年）河槽转为整体冲刷，年均冲刷量为23.24×106m3/a，年均冲刷深度为0.17 m/a，六滧沙脊冲刷严重，六滧涨潮槽也出现一定程度的冲刷。第三阶段（2012—2018 年）河槽整体仍为冲刷，但速率明显降低，年均冲刷量仅为6.26×106m3/a，年均冲刷深度为0.04 m/a，青草沙水库北侧出现大面积淤积，同时六滧涨潮槽及六滧沙脊下段也有不同程度的淤积。

2.4 六滧涨潮槽微地貌特征

2019 年7 月六滧涨潮槽局部区域的多波束测深系统扫测结果（图1 和图5a）显示，六滧港附近床面发育有一系列不对称沙波，最大波长和最小波长分别为17 m 和10 m，最大波高和最小波高分别为0.8 m 和0.4 m，波陡倾向下游。同时，近岸区域发育有冲刷痕（图5a）。

2018 年7 月多波束测深系统扫测结果（图1和图5）显示，六滧涨潮槽沿崇明南岸有三处丁坝坝头冲刷显著。堡镇港下游弯曲岸段丁坝坝头（图5b，31°31＇05＂ N，121°36＇56＂ F） 床面水深9 m，冲刷坑深达14.70 m。六滧港上游岸段丁坝坝头（图5c，31°30＇15＂ N，121°41＇09＂ F）床面水深8 m，冲刷坑深达9.86 m，冲刷坑形似纺锤，长约290 m。位于八滧港附近的丁坝坝头（图5d，31°28＇47＂N，121°44＇30＂F）床面水深7 m，冲刷坑深达8.83 m。

图5 六滧涨潮槽河床微地貌特征

3 六滧涨潮槽演变影响因素探讨

以上结果表明：近期六滧沙脊剧烈冲刷，六滧涨潮槽淤浅，北港中上段河槽经历了淤积—冲刷—冲刷放缓三个阶段。其主要受以下工程因素影响。

3.1 三峡大坝的修建

图6 2001-2018 年大通站年径流量与输沙量（长江泥沙公报2001-2018）

2003 年三峡大坝建成蓄水至今，虽然大通站年径流量未发生大幅变化，但年输沙量明显下降，从2001 年的2.76 亿吨减少至2018 年的0.831 亿吨（图6），年均输沙量仅为1.50 亿吨，比该站历史多年平均输沙量（1950—2000 年） 下降约65.4 %。流域来沙减少导致水流挟沙力增强（张晓鹤等，2015），已经对河口区产生了显著影响，即深槽冲刷、容积扩大，河槽形态向相对窄深方向演化（刘杰等，2017）。2000—2008 年间北港中上段虽然整体淤积，但是深槽受到一定程度冲刷（图4a），三峡大坝蓄水对河口的影响初步可见；近20 年来，六滧涨潮槽所在的北港中上段河槽整体冲刷，净冲刷量达1.2613 × 108m3，平均冲刷深度为0.89 m，深槽冲刷显著（图4d）。然而，对于六滧沙脊由2008 年前的淤积转为冲刷以及近期青草沙水库北侧水域淤积等局部地貌的演变，河口大型工程的修建起到了关键的作用。

3.2 南北港分流口整治及上海长江大桥建设

近期长江口南北港分流口控制工程主要包括青草沙水源地工程、新浏河沙护滩工程及南沙头通道限流潜堤工程，建设时间为2007—2009 年（孙弋等，2018）。上海长江大桥建设时间为2005—2008年。这些河口大型工程的修建对北港中上段河势产生了深刻影响。

3.2.1 主流明显北移

2007 年开工、2009 年初全线合龙截流的青草沙水库使得北港上段河道束窄约1/3（莫若瑜等，2015），其前沿的挑流作用使得水流流向沿着围堤向北偏转，河槽深泓较截流前发生明显北移，曲率不断增大（图7a），加剧了弯道环流效应（方春明，2003），导致凹岸的六滧沙脊剧烈冲刷，从而致使近期北港中上段河槽-10 m 等深线也随之明显北移，深槽逼岸（图7b）。另外，上海长江大桥位于奚家港西侧，其也束窄了北港中上段河道和六滧涨潮槽，加剧主流北移，抑制了六滧沙脊向南移动的趋势，导致六滧涨潮槽下段刷深（图3）。

图7 （a）北港中上段河槽深泓线变化（b）-10 m 等深线变化

3.2.2 北港中上段水动力场变化

图8 北港中上段河槽特征

青草沙水库截流之前（2000—2008 年），上游沙体切割下移和弯道环流的共同作用，使得泥沙在北港中上段大量落淤，形成以青草沙为主体的凸岸；由于涨落潮流路分歧，六滧沙脊也呈淤涨态势。青草沙水库的建设缩小了过水断面，使得水流归槽，北港上段主槽流速增加。涨潮表层平均流速最大可增加0.2 m/s，底层平均流速也有所增大，最大增幅约为5 cm/s（郭超硕 等，2015），并且2010—2015 年落潮平均流速增大近0.1 m/s（盛皓，2017）。流速增加导致床沙更易起动悬浮。因此，青草沙水库截流几年后（2008—2012 年）北港中上段河槽转为冲刷（图4b）。此后的2012—2018年间冲刷态势持续，但是青草沙水库北侧出现大面积淤积（图4c），冲刷速率明显放缓（图8）。这是由于南北港分流口控制工程稳定了分流口位置，固化了新桥通道南边界（阮伟等，2011），加之近期上游扁担沙演变活跃，尾部不断淤高南压，使得水流归槽，增强了分流进入北港的水动力条件，并且青草沙水库前沿的挑流作用改变了水流方向，从而其上沿附近河床发生冲刷，泥沙在下游动力减弱水域落淤。同时，主流大幅北移和弯道环流效应也促进了水库北侧的淤积。六滧沙脊冲刷下来的部分泥沙被带向下游及六滧涨潮槽，使得沙脊尾部和槽内出现淤积（图4c）。

优势流是判断涨、落潮槽性质的重要标准。由于科氏力作用导致涨落潮流路分歧，六滧涨潮槽自形成以来长期以涨潮流占优势（郭建强，2008）。青草沙水库和上海长江大桥等大型工程的束水作用，致使北港中上段河道纳潮量减小，落潮优势显著增强（Liu et al，2015）。2011 年枯季和2012 年洪季六滧涨潮槽的优势流分别达到60 %和83 %（郭兴杰等，2016），表明系列大型工程建设后，涨潮槽内的落潮优势增强。并且，近期在涨潮槽内六滧港附近床面发现的沙波（图5a）和落潮槽中沙波的形态类似，波长较长，波陡指向下游，伴随着近岸冲刷痕发育。其揭示了沙波向下游运移的趋势，印证了随着主流北移和北港落潮优势的增强，六滧沙脊受落潮水流强烈冲刷，六滧涨潮槽内落潮优势已十分明显。同时，近岸冲刷痕的发育也表明涨潮槽局部水动力较为强劲。

3.2.3 六滧涨潮槽局部水动力增强

六滧沙脊下段淤高和涨潮槽束窄（图3 和图4）导致水流归槽，进入槽内的涨潮流的作用也会加强。2018 年7 月大潮涨潮期间在六滧涨潮槽下段奚家港东侧岸滩水域的ADCP 走航观测（图1）结果显示，近岸流速较大，各层水流方向均朝向岸滩（图9），表、中、底层向岸的平均流速分别达到0.84 m/s、0.77 m/s 和0.68 m/s，水流冲击岸滩的趋势较为明显。加之涨潮槽落潮优势加强以及六滧沙脊对落潮流的挑流，槽内奚家港东侧岸滩的侵蚀（图2 和图3）是涨、落潮流共同作用的结果。

图9 奚家港东侧岸滩水域涨潮三维流场分布图

六滧涨潮槽的内边界崇明南岸岸滩陡峭，深泓逼岸，是长江口丁坝坝头破坏较为严重的地区之一（季永兴等，2000） （图5）。河口大型工程加剧了北港中上段主流北偏逼岸，导致丁坝坝头水动力增强，局部冲刷加剧。堡镇港东2 坝坝头局部冲刷（图5b）增强的幅度既可通过2018 年SeaBat 7125多波束实测该坝头最大水深值27.70 m（经过潮位校正）与2012 年的单波束实测最大水深值20.40 m（历史海图水深数据）的比较获得（2002 年实测值为19 m（林发永，2003）），也可采用适用于长江口较细沉积物（吴帅虎等，2014）的丁坝坝头最大局部冲刷深度计算的阿尔图宁修正公式（1）（勾兆莉等，2009）估算：

式中，hs为河床底面起算的冲刷深度；V 为丁坝上游流速，选取南北港分流口控制工程建设完成后（2012）洪季大潮落潮期间三个丁坝上游落急流速数值模拟值2.15 m/s、2.05 m/s 和1.88 m/s（苏俐珊，2017）；m 为丁坝边坡系数，根据崇明南岸丁坝实际尺寸取为2；g 为重力加速度；α 为水流轴线和丁坝轴线的交角，取为90°。

计算结果显示，堡镇港东2 坝坝头局部冲刷最大深度计算值为6.63 m （表2），其远小于近期实测的14.70 m （图5b），证明了南北港分流口控制工程修建后崇明南岸丁坝坝头冲刷加剧。另外，该丁坝坝头局部冲刷最大深度增大幅度8.07 m 也可为其所在床面2018 年与2012 年水深实测值之差7.30 m 所佐证。以此类推，六滧港上游岸段丁坝坝头（图5c）和八滧港附近的丁坝坝头（图5d）冲刷最大深度2012 年以来计算值分别为5.75 m 和4.84 m，2018 年实测值分别为9.86 m 和8.83 m（表2），刷深幅度分别为4.11 m 和3.99 m。

表1 堡镇至奚家港丁坝坝头局部冲刷坑深度计算值与实测值

综上所述，近期长江流域及河口一系列大型工程的修建，对北港中上段河势产生了深远影响，使得北港中上段主流不断北移，北港主槽将呈现愈加明显的“S”形微弯形态。六滧沙脊将持续冲刷，六滧涨潮槽长度进一步缩减，槽内水动力条件会继续增强，从而可能导致崇明南岸丁坝坝头局部冲刷以及奚家港东侧岸滩侵蚀进一步加剧，需加强监测，避免成为沿岸堤防安全隐患。

4 结论

本文利用历史海图资料，结合水下地貌和流速数据，分析了工程影响下长江口六滧涨潮槽的演变特征，主要有以下认识：

（1）近期三峡大坝的修建导致流域来沙锐减，同时，在长江口以青草沙为主的南北港分流口控制工程以及上海长江大桥的共同影响下，北港中上段河道束窄，主流北移逼岸，六滧涨潮槽外侧沙脊束窄，槽内淤浅。

（2）随着北港主流变动及其落潮优势整体增强，六滧涨潮槽落潮优势已十分明显，局部水动力增强，进而导致崇明南岸奚家港东侧岸滩出现侵蚀，并且推断涨潮槽所在岸段丁坝坝头局部冲刷可能进一步加剧，需引起重视。

致谢：在野外数据采集和论文撰写过程中得到了徐韦博士和袁小婷硕士的支持和帮助，在此致以衷心的感谢！