基于实测水下地形数据的澄通河段冲淤时空分布特征

徐祎凡， 栾震宇， 陈炼钢， 金 秋， 陈黎明， 胡腾飞

(1.南京水利科学研究院， 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 210029)

1 概 述

长江口是中国第一大河口，水下地形复杂，其水动力条件既受到上游径流条件影响，也受到外海潮波影响。而与此同时，长江入海携带的泥沙则是维持长江口沿岸以及其河口冲积地貌整体稳定的基础[1]。根据大通水文站的资料显示，20世纪70年代以来，长江下游水体泥沙含量呈现递减的趋势[2]，而在2003年三峡工程蓄水以后经长江口入海的泥沙量更是急剧减少。作为世界最大的河流水利枢纽工程[3]，三峡大坝对长江中下游、河口以及近海沿岸区域有着深远的影响，这就使其成为国内外研究的焦点，但目前研究结果大多还是定性的，对长江口区域水下地形冲淤变化的具体情况还研究较少[4-9]。本文根据专业测绘部门测量的2006年和2012年2次长江口澄通河段水下地形数据，结合地理信息系统软件对三峡水库蓄水后澄通河段水下地形的冲淤变化在空间上进行了定量分析，同时结合大通水文站的泥沙和流量资料，探讨长江入海泥沙减少对长江口澄通河段水下地形冲淤的影响。

2 研究区概况

长江口澄通河段西起鹅鼻咀，东至徐六泾，全长96. 8 km。由福姜沙汊道段、如皋沙群汊道段和通州沙汊道段组成。河道左岸依次是江苏省靖江市、如皋市、以及南通市，右岸为江苏省江阴市、张家港市和常熟市。长江口澄通河段江面宽阔，洲滩及水下暗沙众多，河道多汊分流，在径流、潮流等多种动力因素的作用下，河道演变复杂。随着近年来沿江两岸社会经济的快速发展，沿岸各市加大了该河段的整治力度，目前澄通河段河势总体稳定。随着三峡建坝蓄水后，长江入海泥沙量急剧减少，这将对澄通河段内众多沙洲的发展变化产生影响，而沙洲的变化将对河床的冲淤变化产生影响，进而影响到长江主航道深槽的摆动，使得通航安全受到威胁。

3 数据与方法

本文中采用的空间数据为2006年和2012年2次测量的长江口澄通河段水下地形数据，为横轴墨卡托投影和1954年北京坐标系，1985国家高程基准，等高距为1 m，采用ArcGIS10.2软件进行数据预处理，包括对地形资料进行数字化，等高线和高程点数据录入、编辑和修正，进而建立澄通河段2006年和2012年的数字高程模型。因研究区域主要针对澄通河段河道水下地形，所以将河道中福姜沙、民主沙以及长青沙和横港沙进行了剔除。此外，为研究河道冲淤变化的空间差异性，本文把澄通河段划分为4个区域，分别为福姜沙水道(包括福北、福中和福南水道)、浏海沙水道、通州沙水道(通州沙东水道、通州沙西水道)以及狼山沙水道(狼山沙东水道、狼山沙西水道)，结合水沙数据对它们的冲淤变化进行统计分析。大通站2007—2011年水沙资料来自水利部长江水利委员会水文局。

图1和图2分别为2006年和2012年长江口澄通河段水下地形图。

图1 2006年长江口澄通河段水下地形

图2 2012年长江口澄通河段水下地形

4 研究与分析

4.1 河道冲淤量和垂向冲淤速率

澄通河段河道冲淤分布情况较为复杂，河道冲刷面积为284.91 km2，占整个河道面积的55.54%，淤积面积为228.11 km2，占河道面积的44.46%。净冲刷体积为1.89×108m3，按照干容重1.4 t/m3，2006—2012年，澄通河段净冲刷量为2.65×108t，平均年冲刷量为0.53×108t。整个河道平均冲刷厚度为0.37 m，年均净冲刷速率为6.17 cm/a。澄通河段冲淤分布见表1。

表1 2006—2012年澄通河段冲淤分布

2006—2012年澄通河段水下地形冲淤分布见图3。由图3可以看出，河道冲刷部分主要集中在深泓线区域，而淤积部分主要位于河道中的沙洲附近。

图3 2006—2012年澄通河段水下地形冲淤分布

4.2 河道冲淤的空间差异

福姜沙水道的河道面积约为81.61 km2，其中冲刷和淤积面积分别为48.05 km2和33.56 km2，净冲刷体积为5.82×107m3，冲刷区域主要集中在福北水道东部和西部、福中水道以及双涧沙等区域，淤积区域主要分布在福南水道、福中水道中部。浏海沙水道的河道面积约为99.87 km2，其中冲刷和淤积面积分别为51.8 km2和48.07 km2，净冲刷体积为3.86×107m3，冲刷区域主要集中在如皋中汊、浏海沙水道中部至东部，而淤积区域主要分布在长青沙北部和东部。通州沙水道的河道面积约为203.57 km2，其中冲刷和淤积面积分别为118.12 km2和85.45 km2，净冲刷体积为2.84×107m3，冲刷区域主要集中在通州沙东水道中部和西水道，而淤积区域主要分布在通州沙东水道的南部和北部以及通州沙。狼山沙水道的河道面积约为127.97 km2，其中冲刷和淤积面积分别为66.94 km2和61.03 km2，净冲刷体积为6.4×107m3，冲刷区域主要集中在各条水道，分别为福山水道、狼山沙西水道和狼山沙东水道，而淤积区域主要分布在狼山沙和铁黄沙。

根据以上分析结果可以看出，澄通河道中福姜沙水道和狼山沙水道垂向冲刷强度较高，净冲刷厚度分别为0.71 m和0.5 m，净冲刷速率为11.83 cm/a和8.24 cm/a。而福姜沙水道和狼山沙水道冲刷面积分别占区域的58.88%和52.31%。各水道冲淤分析结果见表2。

表2 各水道冲淤情况

4.3 典型剖面冲淤变化

研究中，在澄通河段选取4个典型断面。其中断面1位于福北水道和福中水道，断面2位于浏海沙水道，断面3位于通州沙水道，断面4位于狼山沙水道。通过图4至图7可以看出，断面1、2、3为复式断面，而断面4为马鞍形断面。

图4 2006年和2012年断面1对比

图5 2006年和2012年断面2对比

图6 2006年和2012年断面3对比

图7 2006年和2012年断面4对比

通过断面1可以看出，福北水道左岸在2006—2012年处于淤积状态，位于河道中部宽度约为1.5 km范围则处于冲刷状态，而位于河道右岸双涧沙附近的福中水道有约400 m宽的区域呈现淤积状态。断面2显示在，浏海沙水道的深槽位置发生摆动，其向左摆动了近1 km，而原本只有200 m深槽区域由于冲刷作用发生了扩展，深槽区拓宽了近900 m。在断面3中，天生港附近的通州沙东水道右侧深槽处于刷深状态，距离左岸约2 km的深槽区域在2006—2012年发生了淤积，而深槽右侧的河道则处于被冲刷的状态。断面4狼山沙西水道河槽向左摆动明显，且在距离左岸约7 km处的深槽发生明显的淤积现象，而近右岸的深槽经冲刷作用拓宽明显。

4.4 结果分析

根据相关文献资料，1985年之前大通水文站记录的来沙量处于较高的水平，年平均输沙量达到4.33亿t，而在这之后，其来沙量就处于整体下降的趋势，特别是在三峡水库蓄水以后，2003—2005年大通站输沙量降至1.90×108t/a，而根据本次研究数据，2007—2011年期间除了2010年长江发生流域大洪水，造成来水来沙量升高以外，大通站输沙量整体继续呈现下降的趋势，由1.34×108t/a降至0.69×108t/a。相关研究表明，在三峡水库蓄水后，洞庭湖泥沙淤积明显减弱且中下游主要支流输沙量增加。2007—2011年大通站流量和输沙量变化见图8。

图8 2007—2011年大通站流量和输沙量变化

随着长江中上游以三峡水库为代表的梯级水库群的建成并蓄水发电，加之长江中上游流域水土保持措施的持续加强，长江口区域的来沙量将持续处于较低的水平[10]，这将导致澄通河段河道的冲刷，这对澄通河段的稳定性将产生一定影响[11]，在今后的一段时期，长江口区域水下地形整体上将继续保持冲刷状态。

5 结 论

2006—2012年，澄通河段的河道地形整体呈现冲刷的状态，这主要是由于长江流域人类活动特别是上游梯级水库群建成蓄水后，造成大量来沙被沉淀在库区，下游来沙量减少造成的。根据大通站的监测数据显示，大通站年输沙量由2007年的1.34亿t降至2011年的0.6亿t；澄通河段在2006—2012年河道呈现冲刷状态，平均冲刷厚度约为0.37 m，净冲刷体积为1.89×108 m3；福中水道和福北水道分别发生了冲刷和淤积，其中冲刷和淤积面积分别为48.05 km2和33.56 km2；浏海沙水道的深槽位置发生摆动，右侧河道变宽，天生港附近的通州沙东水道右侧深槽处于刷深状态；而狼山沙东水道河槽向左偏移明显，河道冲刷和淤积面积分别为66.94 km2和61.03 km2，净冲刷体积为6.4×107 m3。