杭州湾北岸金山深槽侵蚀-淤积状态研究

章馨谣，戴志军*，冯凌旋，黄祖明

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海 200241；2.上海市水利工程设计研究院有限公司,上海 200061)

潮流冲刷槽作为河口区域重要的地貌类型[1],是涨潮流或落潮流强烈冲刷作用下形成和维持的负地形,在世界各有潮河口普遍存在,如英国泰晤士河口[2],阿根廷布兰加河口[3],新西兰Manukau河口[4],我国长江口[5]、珠江口[6]及杭州湾北岸[7-9]。相对稳定的潮流冲刷槽给沿海城市或港口的发展提供了较好的水运资源,但径潮流复合作用以及人类活动如沿岸围垦、航道工程及建设堤坝等[7,10-11]亦在不同程度改变潮流冲刷槽的边界形态,进而对河床及码头安全产生影响。显然,研究冲刷槽地貌及冲淤过程对河口或海岸港口选址、航道维护和治理等都具有重大意义。

杭州湾是典型的喇叭型强潮河口湾,平均水深8～10 m。海湾北岸物质组成普遍较细,以粉砂质黏土为主[12-14]。受控于强劲涨潮流塑造作用,杭州湾北岸疏松第四纪沉积层发育有金山、全公亭及乍浦等一系列深槽[8]。其中位于金山区上海石油化工厂附近海域的金山深槽是在涨潮流作用下形成的河口涨潮冲刷坑[5],为杭州湾北岸系列深槽的东部起点[9]。深槽呈NE—SW 向延伸,东部始于大、小金山之间,西至上海石化厂前沿(图1)。深槽在潮流与长江水沙变化等多种因素的影响下一直处在动态变化过程。先前不少学者对金山深槽的形成及演变进行研究,陈吉余等[5]率先提出潮流冲刷槽的概念,称其为“河槽中的河槽”,并指出金山到澉浦一带贴近北岸发育有一个规模巨大的冲刷槽和冲刷坑。之后,部分学者对金山深槽的地貌特征[15]、潮流特征[16]、沉积特征[17]、演变模式及其稳定性[9,18-22]等作了探讨。然而,随着上海石油化工厂、港口码头、滨海旅游区等一系列重要沿海工程沿深槽所在位置的北部海岸构建,特别在2017年环杭州湾大湾区建设推进,杭州湾北岸经济发展与建设出现新的发展,这将严重影响深槽地貌的变化状态。深槽的快速冲淤亦将危及杭州湾北岸海堤稳定,进而对该地区港航及石化重工企业造成风险。开展金山深槽岸段动力地貌冲淤过程的研究,其价值不言而喻。据此,本文利用金山深槽岸段1989—2018年的高时间分辨率水深地形数据,对水沙条件变化下的金山深槽动态变迁过程进行分析,进而揭示金山深槽动力地貌变化机制,探究深槽未来发展态势,以期为沿岸工程规划和海湾经济发展提供科学依据。

图1 金山咀及金山深槽位置Fig.1 The location of Jinshanzui and Jinshan Trough

1 数据来源与研究方法

本文的数据来自1989—2011年多幅杭州湾金山咀附近海图地形资料:1989年(交通部上海海上安全监督局,1∶100 000)、1997年(中华人民共和国交通部安全监督局,1∶100 000)、2002年(中华人民共和国海事局,1∶25 000)、2007 年(中华人民共和国海事局,1∶25 000)、2011 年(中华人民共和国海事局,1∶25 000)以及金山咀附近2005年、2006年、2008年、2009年、2010年、2012年、2013年、2015年、2018年共9次实测断面水深数据(图1)。断面水深数据采用单波束测深仪进行采集,其主要特点是利用单点连续测量形成断面水深数据,结合多个断面数据达到由点到面的区域地形数据测量[23]。同时,本文还分析了长江入海控制站大通站1989—2018年连续的水沙变化数据,数据来自水利部长沙水利委员会发布的长江泥沙公报(http:∥www.cjw.gov.cn/zwzc/bmgb/)。

为系统阐述金山深槽岸段的动力地貌演化过程,本文将深槽的研究范围定义为20 m 等深线包络区域,定义深潭为30 m 等深线包络区域。首先,利用ArcGIS平台对海图资料进行数字化,将不同时期的海图地形数据和实测断面水深数据校正到统一的WGS 1984 坐标系与理论深度基准面。然后,采用Natural Neighbour插值方法构建金山深槽及其附近岸段不同年份DEM 模型,同时利用Contour工具提取20和30 m 等深线。最后,利用Minus工具制作冲淤变化图,Cut Fill模块对相同的研究区域进行处理,获取DEM 间的体积变化,计算冲淤量分析金山深槽及其邻近海床冲淤特征。进一步利用MeanCenter工具以水深为权重计算深槽重心[24]分析深槽变迁状态。此外,量算不同时间20 m 等深线的包络范围,分析金山深槽面积及体积变化特征。

2 结果分析

2.1 金山深槽及邻近区海床冲淤特征

因金山深槽变迁频繁,为更好地反映金山深槽的海床冲淤过程,对金山咀附近覆盖深槽的区域及邻近区海床进行冲淤分析。1989—2018年,金山咀附近海床冲淤变化明显,整个区域被冲刷近162.7×106m3,平均侵蚀厚度超过2.4 m(图2)。其中,金山深槽内大部分区域冲刷严重,局部最大冲刷厚度超过12 m。同时,即使深潭(30 m 等深线包络范围)区域大部分淤积,但在深槽北部靠近海岸边坡的20和30 m 等深线之间发生大面积冲刷,冲刷厚度为8～12 m。

图2 1989—2018年金山咀附近冲淤变化Fig.2 Bathymetric changes of the Jinshanzui during 1989 to 2018

1989—1997年,金山咀附近整体淤涨,淤积厚度约0.92 m,年均淤积体积约为7.7×106m3,尤其是金山深槽西北部以及中部向东南延伸区域有两处达到3 m 以上的淤涨区,东南部淤涨区斜向贯穿金山深槽。此外,深槽内部存在多处中心冲刷厚度在3 m 以上较为分散的冲刷体于深槽内部呈串珠状分布(图3a)。

1997—2007年期间,金山咀附近海床总冲刷近2 m,年均侵蚀体积超过13.2×106m3(图4),深槽内部出现一条明显冲刷带(图3)。其中1997—2002年深槽中下部初步形成两处冲刷区(图3b)。2002年后深槽中下部冲刷体连接形成冲刷带。此后冲刷带开始向岸移动(图3c～图3d)。2005年后海岸边坡附近由淤积转为冲刷,深槽东部、中部、西部存在3处冲刷深度超过3 m 的冲刷区(图3d)。以2005年为界,在此年份之前深槽与岸线相连的北部为淤积区域,深槽以南为冲刷区域。此后深槽由淤转冲,且深槽与岸堤之间的海床整体也由淤积变为侵蚀,深槽外向海一侧由侵蚀转变为淤涨。

2007—2018年,金山咀海床仍处于大冲大淤状态,不同年份地形资料表明年冲淤深度达到1 m 以上(图4)。其中2007—2009年金山咀附近除城市沙滩沿岸出现条带状淤积外,海床大幅度冲刷,金山深槽以南全区域侵蚀,深槽内部侵蚀严重,多处冲刷超过3 m 且仅残留直径小于1 km 大小不均一的淤积体(图3e)。在2009—2011年,先前淤积的城市沙滩沿线目前变为侵蚀,而先前侵蚀的区域都出现淤积,年均淤积体积达到68.9×106m3(图3f)。2007—2011年虽逐年冲淤变动幅度较大,但由于“冲刷-淤积”的交替变化,4年间总体冲淤变化幅度微弱,年均淤积厚度为0.035 m。2011年后金山咀附近经历了“冲刷-淤积-冲刷”演变,2011—2013年冲淤变化幅度较大(图3g),其中2011—2013年冲刷深度＞1.5 m,2013—2015年期间发生补偿性淤涨,淤积厚度超过1 m。但深槽内部以冲刷为主,2015年后冲刷程度明显减弱,年均冲刷约0.24 m(图3h和图3i)。

图3 1989—2018年期间冲淤变化Fig.3 Bathymetric changes of the Jinshanzui during 1989－2018

图4 1989—2018年金山咀附近年平均冲淤变化Fig.4 The yearly changes in accretion and erosion near the Jinshanzui during 1989－2018

为进一步分析金山咀附近的水深变化,统计了20及30 m 以浅所测水深点出现频率分布(图5)可知,20 m 以浅水深点的变化趋势与冲淤变化趋势类似,1997年20 m 以上水深点频率下降的同时金山咀附近海床整体淤积。1997—2006年20 m 以上水深点占比逐步上升,此后2007—2014年期间20 m 以上水深点的数量表现出两次“增加-减小”的周期性变化,符合在其期间内金山咀附近“冲深-淤浅”的旋回变化特征。然而2009、2012、2015和2018年20 m 以深的水深点数量明显高于其他年份,和先前年份的地形冲淤比较,表现为强侵蚀特征。可表征深潭的30 m 以上水深点数量变化幅度更大,呈现出反复增减的变化状态,显然深潭区域冲淤变化明显,海床稳定性差。2015年后超过30 m 的水深点数量趋于稳定,同样,在此期间金山咀附近发生持续性冲刷但冲刷强度较弱。1989—2018年期间,金山咀附近水深超过20 m的区域呈增长趋势。

图5 金山深槽20 m 和30 m 以上水深点出现频率Fig.5 The frequencies of water depth points above 20 m and 30m within the Jinshan Through

2.2 金山深槽变迁特征

分析金山深槽不同时期水深地形图(图6)发现,深槽区域地貌形态发生了明显变化。深槽在东西方向上变化较小,在南北方向上延伸明显,向岸延伸0.5～1.3 km,向南延展0.4～1.2 km,尤其是深槽东部向北扩张约1.1 km。同时,1989年深槽内部存在东部、中部及西部三处水深超过30 m 的深潭,中部深潭呈两端宽、中间窄的“∞”形,深潭中心部分深度最深(图6a),1997年中部深潭消失(图6b)。2002年30 m 以上的深潭区域明显增多且深度加深,西部与中部开始连成一片且向岸移动明显(图6c)。2002年后中西部深潭开始经历“连接-分离-连接”的反复演变,东部深潭开始淤积变浅不断减小,2009年基本消失(图6d和图6e)。2011年由于强烈的冲刷作用,东部深潭冲刷回到2007年相似形态(图6d和图6f)。2012年金山附近岸段大范围淤积,导致东部深潭再次淤涨,地貌形态与2009年形似(图6e和图6g)。此后金山深槽以轻微冲刷为主且冲刷速率有所下降,深潭面积略有增大(图6h～图6g)。

图6 金山深槽不同时期水深地形Fig.6 Bathymetric maps in the Jinshan Trough from 1989 to 2018

由深槽内部深泓线摆动(图7a)特点可知,1989—2018年期间深泓线中部无明显变化,且基本保持稳定状态。深槽主泓线贴近北岸发育,深泓线摆动主要发生在东西两侧。1997、2012和2018年深泓线有比较明显的摆动。1989—1997年上海石化工厂区前深泓线的摆动幅度最大,摆幅超过1 km,2002年后该处深泓线回归到原来位置。2012年深槽东侧深泓线明显向岸移动,随后同样摆动回原位。2018年城市沙滩东侧前沿深泓线向南移动超过600 m。长期以来深槽主轴摆幅小,较为稳定。

以水深为权重,计算出近30 a深槽重心的经纬度坐标,并利用ArcGIS 的标准差椭圆工具创建1989—2018年深槽重心的一级标准差椭圆(图7b),分析1989—2018年金山深槽重心的移动状态。其标准差椭圆的方向为NE 36°48′,说明深槽重心整体呈NE—SW 方向分布。标准差椭圆长轴长约670 m,短轴为NE—SW 方向,长约200 m。长轴与短轴之比超过3∶1,意味着深槽重心在NE—SW 方向上的离散性大于NE—SW 方向,重心主要在NE—SW 方向上移动,所以重心的移动方向与深泓线的摆动方向具有一致性。

图7 1989—2018年金山深槽深泓线及重心变化Fig.7 Changes in the thalweg migration and barycenter of the Jinshan Trough from 1989 to 2018

同时,在1989—2002年,深槽重心经度增大且有明显东移趋势。2002—2006年重心向西大幅度移动到1989年重心以西位置,此后深槽重心一直在东西方向反复迁移。2010—2011年重心位置变化幅度最大,2011年重心移动到最东侧,此后重心开始向西移动,2013年基本回到2010年同一经度,2013年后重心经度有所增大。总体而言,1989—2018年重心经度无明显的变化规律,重心在东西方向上不断摆动(图8a)。深槽重心纬度总体呈减小的趋势,深槽在南北方向上的移动幅度大于东西方向(图8b)。2005—2007 年、2010—2013年重心的经纬度有类似的变化趋势,均经历了大幅的变化后回到原来的位置附近,其变化可能与此期间的冲淤波动变化有关。整体上深槽重心的位置变化不大,一直在城市沙滩附近移动。

图8 1989—2017年金山深槽重心坐标变化Fig.8 Variations in longitude coordinate and latitude coordinate of the Jinshan Trough barycenter from 1989 to 2018

2.3 金山深槽面积与体积变化过程

金山深槽冲淤动态变化与深槽面积及体积的扩大和缩小密切关联。自1989年以来,金山深槽内部冲刷和淤积交迭发生,金山深槽的面积与体积也在不断变化(图9)。1989—2018年期间金山深槽20 m 等深线在不断地变化移动,相应的包络面积有增有减,但整体上处于扩大态势(图9a)；20 m 等深线以深的区域面积年均增长率约为0.32 km2/a。具体而言,与1989年比较,1997年金山深槽面积锐减至不足10 km2,随后保持波动性扩张趋势,在2009年深槽面积最大,之后面积有所减小,2014年后深槽面积再次增加,至2018年深槽面积达到20.8 km2,较1989年面积增长了近1倍。

金山深槽面积变化表征其在水平空间上的变化状态,深槽体积变化则可以表现其在空间垂向上的冲淤变化(图9b)。自1989—2018年深槽体积一直处于波动状,但总体处于扩大状态,年均增长速率超过1.9×106m3/a。其间,金山深槽体积由1997年87.9×106m3约缩小为1989年的一半,而在2002年体积增加至124.0×106m3,体积增加近3倍,2005年深槽体积减小至57.2×106m3。2005—2014年期间深槽体积反复增减变动且变动幅度较大,2008—2009年期间深槽体积增长了67.8×106m3,而在2009—2010年深槽体积减少了64.8×106m3。类似地,2012年增长了52.7×106m3,而又于2013年减小了51.7×106m3。2014年后深槽体积持续增长,年均增长率达18.2×106m3/a。

图9 1989—2018年金山深槽面积与体积变化状态Fig.9 Yearly variations in area and volume of the Jinshan Trough from 1989 to 2018

3 讨论

3.1 长江来沙的影响

杭州湾紧靠长江入海口的南面,是钱塘江河口的口外海滨,与钱塘江和长江物质交换频繁。长江的多年平均径流量约为8 931亿m3,而钱塘江的多年平均径流量仅为220.5亿m3；长江多年平均输沙量为368 000亿万t,而钱塘江的年均输沙量仅为长江的0.7%。且钱塘江流域来沙主要堆积在浙江省海盐县澉浦镇以上河段,部分由杭州湾南部下泄,仅有极少部分在潮流作用下沿杭州湾北岸东输[25]。长江入海泥沙在潮流作用下经杭州湾北岸输入杭州湾内,是杭州湾北岸主要的物质来源。近些年,受堤防修筑及加固的影响,尤其在2003年三峡大坝开始调蓄运行后,长江入海泥沙量急剧减少,致使长江口进入杭州湾北岸的泥沙减少,进而影响北岸潮滩的发育过程[26-28],这从图10a中长江大通站年均输沙量变化情况也可看出(图10a)。

1989—2018年期间金山深槽的面积与体积整体呈现扩大态势,由深槽面积及体积变化与大通站的年均输沙量关系进一步分析结果(图10)可知,金山深槽的面积和体积变化与大通站年均输沙量之间的关系密切。长江来沙量减少深槽面积扩张体积增大,反之,面积和体积都减小。相较于体积,金山深槽的面积对长江来沙量变化的响应更为强烈,金山深槽作为河口涨潮槽,其展宽作用大于刷深作用[29]。郑璐等[22]利用2002和2012年的2期水深地形数据研究亦发现,入海泥沙减少引起2002—2012年深槽整体处于冲刷状态。而本文利用此期间内的12期连续高分辨率水深数据,还揭示了金山深槽及其附近海床在近十年内为整体冲刷的状态,但各年间处于冲刷—淤积不断交迭演化中(图4)。这可能是因为金山深槽位于杭州湾北岸西侧,东侧部分区域冲刷产生的泥沙进入深槽附近岸段,在一定程度上缓解了由长江入海泥沙减小对金山深槽体积变化的影响[21],此外,下文要讨论的杭州湾北岸大规模周期性侵蚀—淤积波转移对深槽地貌也会产生影响。

图10 金山深槽体积变化与大通站年均输沙量的关系Fig.10 Relationship between yearly volume changes of the Jinshan Trough and yearly sediment discharges at the Datong Station

3.2 杭州湾侵蚀-淤积波对金山深槽地貌的影响

杭州湾动力地貌演变受到长江入海水沙补给以及杭州湾沿岸水动力条件的制约。在不同时段和不同岸段,冲淤动态不同,这种冲刷和淤积作用在时间和空间上的组合,便形成了侵蚀－淤积波的波动[30]。南汇咀向海一侧存在一个沙尖外指的高位沙体(俗称“摇头沙”),其为侵蚀/淤积波的源头。“摇头沙”水下部分受长江口南槽及杭州湾两股水流相互作用的影响而发生变动。当南槽水流作用强于杭州湾水流时,其沙体向南突出诱发淤积波,南汇南滩在“摇头沙”的掩护作用下淤涨,杭州湾北岸岸段在夹沙力增大的潮流作用下发生冲刷；当杭州湾水流强时,沙体向东或东南扩展诱发侵蚀波,大量泥沙于“摇头沙”堆积,南汇南滩冲刷后退,冲刷产生的泥沙在杭州北岸发生堆积发生淤积[30]。在侵蚀/淤积波的作用下杭州湾北岸岸滩此冲彼淤、相互消长,金山深槽及其附近海床冲淤变化频繁。沿岸泥沙在强潮流作用下以波状沙体向西移动[13],将本文研究结果与前人对南汇动力地貌的研究结果进一步比较发现[31-32],当南汇附近发生冲刷时,金山深槽及其附近岸段相应发生冲刷。进一步比较不同年代冲淤图中侵蚀体与淤积体的变化发现,金山深槽内部除2007—2009年全面冲刷(图3e)以及2009—2011年全面淤积外(图3f),侵蚀与淤积区域均成片交迭出现,且侵蚀淤积幅度相对均匀。

在侵蚀/淤积波的影响下,金山深槽地貌形态也表现出波动性的特点,呈现出周期性的演化,并可以划分为4个阶段:阶段1(1989—1997年),受深槽及其附近海床整体淤积的影响,深槽内中部深潭淤积消失,深槽的各个方向均有所缩窄；阶段2(1997—2002年),深槽内冲刷加剧,于南北方向扩展,中部深潭发育且与西侧连接,东部深潭面积扩大,深槽向岸运移；阶段3(2002—2013年),深槽再次发育增大,深槽内部的地貌状态经历了“冲深体积增大－淤积体积减小”反复循环变化,同时中西部深潭区域也在不断经历局部填充分离以及再次冲刷连接的过程,东部深潭保持较为稳定状态；阶段4(2013—2018年),深槽向西南方向移动,南北向展宽,中部深潭萎缩消失,西部深潭向中部延伸(图11)。

图11 金山深槽演变模式示意图Fig.11 The geomorphologic cycle patterns of the Jinshan Trough

4 结论

基于1989年以来多年的海图资料以及实测地形数据,分析了金山深槽的冲淤变化与地貌演变特征,进而探讨了金山咀前沿河床演变及其稳定性,得出以下结论:

①自1989年以来近30 a期间,金山深槽及其附近海床冲淤变化明显,受侵蚀/淤积波影响呈冲刷、淤积周期性循环的地貌演变模式,最大冲淤深度超过10 m,整体以侵蚀为主。

②1989—2018年期间,金山深槽面积与体积整体上呈增长趋势,其中面积和体积年均增长率分别约为0.32 km2/a、1.94×106m3/a。长江来沙急剧减少是导致金山深槽面积与体积扩大的主要因素。

③金山深槽深泓线和重心在NW—SE方向上摆动,与深槽延伸方向一致,但摆幅较小。深槽在中部和西部深槽变动较为活跃,中部和西部深潭多次经历“连接－分离－连接”的过程。深槽于南北方向上延伸明显,从而引起深槽与堤岸之间的边坡处于不稳定状态,若金山深槽进一步向岸移动,金山附近岸段的稳定性则将面临风险。