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Bed evolution characteristics and influencing factors of the South Passage of the Yangtze Estuary (1998–2023)
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摘要:
南槽作为长江口的入海汊道之一，其河床演变动态受到广泛关注。基于长江口南槽1998年以来长序列水下地形、水沙观测数据和大型涉水工程实施情况，分析南槽近期河床冲淤变化过程，从流域减沙和工程建设两方面探讨河床演变特征及影响过程。结果表明：近25年，南槽河床演变总体呈现“缓慢冲刷-趋于平衡-加速冲刷”的三阶段变化特征，其中第一阶段的“缓慢冲刷”主要受工程建设影响，流域减沙则是第三阶段“加速冲刷”的主要因素之一。未来，在稳定河床边界和较低含沙量条件下，南槽短期内仍将延续冲刷态势，直至趋于新的平衡。
Abstract:As a inlet of the Yangtze Estuary, the bed evolution dynamics of the South Passage have attracted widespread attention. Based on long-term underwater topographic and sediment data, along with large-scale water-related engineering implementation since 1998, this study analyzes the recent bed erosion and deposition processes of the South Passage. The characteristics and influencing processes of bed evolution are discussed from two aspects: watershed sediment reduction and engineering construction. The results indicate that over the past 25 years, the bed evolution of the South Passage has shown a three-stage change pattern: "slow erosion–approaching equilibrium–accelerated erosion." The first stage of "slow erosion" was primarily influenced by engineering construction, while watershed sediment reduction is one of the main factors driving the "accelerated erosion" in the third stage. In the future, under conditions of a stabilized riverbed boundary and lower sediment concentration, the South Passage is likely to continue the erosion trend in the short term until a new equilibrium is reached.
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Keywords:
- South Passage /
- bed evolution /
- sediment dynamics /
- water-related engineering
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随着现代航运业的发展，大型河口河床演变研究成为近年来的研究热点之一。Perillo等[1]、Traini等[2]、Wang等[3]分别对Quequen Grande河、Vilaine河及黄河的河口地貌演变特征进行了分析，发现与自然条件变化相比，人为干预对河床演变的影响更为明显。在长江口复杂水沙条件及不稳定边界条件下，大量人类活动使长江口河床演变状态从1998年以前的“自然冲淤”状态向“自然-人工共同控制”转变[4-7]。
南槽作为长江口主要入海通道之一，其河床演变动态受到广泛关注。赵庆英等[8-11]利用实测地形与水沙资料分析探讨了流域水沙变化对南槽河床演变过程的影响；杜景龙等[12-15]通过对比相关工程建设前后的滩槽变化，探讨涉水工程对南槽河床动态变化的影响；戴志军等[16-18]分别从沉积物运移和悬沙输运动力机制等角度，以南槽为例分析探讨大型河口的冲淤规律及其动力泥沙机制。其他学者对南槽某一时段或局部区域的地貌演变及变化机制也开展了诸多研究[19-23]。
前人对南槽河床演变的研究主要关注水沙条件变化、单项涉水工程、气候条件中部分要素的影响，而对南槽区域在长时间序列下河床演变特征及影响因素分析的研究仍有待深入。受自然环境变化与人类活动的共同作用，南槽的冲淤规律可能会出现截然不同的变化，侧重某一时段、单项工程或某一自然因素变化对南槽影响进行研究难以全面了解南槽近期的河床演变情况。本文综合流域水沙与河床边界条件变化情况，对南槽近期河床演变特征和影响因素进行分析探讨，研究结果将进一步加深对大型河口演变规律的认识，同时对河口治理具有参考价值。
1. 研究区域
南槽是长江4条入海通道之一，由主槽、江亚北槽和江亚南沙、九段沙、南汇东滩组成，滩槽格局较为复杂（图1）。南槽水域潮流以往复流为主，其中上段以落潮流作用为主、下段涨落潮流作用相当[24]；表层沉积物主要以砂质粉砂为主，沿河槽纵向呈“粗−细−粗”的分布格局[10]。
2. 资料与方法
为分析研究南槽河段及其河槽、沙体的地貌演变情况，收集整理了1998—2023年（1998年、2002年及2007—2023年逐年）长江口航道管理局组织测量的水下地形图，比例尺为1∶25 000，水深参考基准面为理论最低潮面，测量方法为船载单波速测深仪测深法，误差控制在±10 cm以内。利用三维可视化软件Surfer进行图形数字化、构建数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）及冲淤分析。通过不同等深线范围计算出河槽容积变化，表征河槽整体冲淤过程；根据不同等深线包络面积变化，体现沙体冲淤情况；利用等深线变化表征河槽、沙体平面位置变化。
收集1998—2022年间大通站年径流量与年输沙量数据，2002—2023年南槽区域垂线站点S1（2002—2023年）、S2（2012—2022年）逐年洪季大潮期含沙量测验数据（站点位置见图1(b)），其中S1站点位于南槽上段，落潮优势流占70% ~ 80%，S2站点位于拦门沙段，落潮优势流占50% ~ 60%，可代表南槽不同河段的水文泥沙特征；长序列南槽分流比资料及1998—2023年南槽区域涉水工程实施情况等资料，综合自然条件变化和人类活动情况，探讨近25年来南槽河床演变特征及其主要影响因素。
3. 河床演变特征分析
3.1 总体变化
1998—2023年，南槽整体表现为上段河槽冲刷、下段河槽冲淤交替，沙体总体淤积、局部冲刷（图2）。其中，南槽主槽上段冲刷，5 m河槽展宽；下段九段沙灯船附近区域淤积，其下游总体微冲。江亚北槽南淤北冲、整体北靠；江亚南沙沙体淤涨、沙尾下延；九段沙总体淤积、南沿明显冲刷北退；南汇东滩冲淤交替、近岸微冲。从南槽0 m、 5 m以深河槽容积统计结果（图3）可以看出，1998—2023年南槽河槽容积总体呈持续增加趋势，其中2007年与2015年是容积变化的转折点，1998—2007年河槽容积缓慢增加，2007—2015年间有所波动但总体趋于稳定，2015—2023年河槽容积迅速增加。
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图 2 1998—2023年南槽冲淤变化Figure 2. Erosion and deposition changes in the South Passage (1998–2023)![]()
图 3 南槽0 m、5 m河槽容积变化Figure 3. Changes in the channel volume at 0 m and 5 m depths of the South Passage3.2 河槽变化
从与河槽容积变化相对应的年均冲淤分布图可见，主槽在1998—2007年大致呈“上冲下淤”态势。主槽上段冲刷明显，年均冲刷幅度约为0.3 m；主槽下段普遍淤积，年均淤积幅度约为0.28 m，深泓线略有北偏，偏移幅度约0.7 km（图4(a)）。2007—2015年主槽上段微冲，年均冲刷幅度仅约0.13 m；下段仍以淤积为主，但年均淤积幅度仅为0.02 ~ 0.20 m，总体表现为“上段微冲、下段微淤”（图4(b)）。2015—2023年南槽冲淤分布一改以往“上冲下淤”情况，上段明显冲深，年均冲刷0.17 ~ 0.75 m；下段由淤转冲，年均冲刷幅度为0.18 m。整体上，南槽表现为“整体冲刷、局部淤积”，深泓线向南侧移动约0.6 km（图4(c)）。
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图 4 南槽3阶段年均冲淤变化Figure 4. Annual erosion and deposition changes in the South Passage’s three stages江亚北槽位于江亚南沙与九段沙两个沙体之间，其动态与相邻两个沙体变化关系密切。综合冲淤变化、深泓线变化可知，江亚南沙在1998—2007年间北侧淤积明显，受此影响下江亚北槽平面位置向东北方向移动，其深泓位置偏移幅度为1.3 ~ 2.3 km，而后5 m河槽位置相对稳定，总体冲深发展（图4、图5）。
综上可知，近25年来，南槽主槽从“上冲下淤”向“整体冲刷、局部淤积”转换；江亚北槽总体向东北方向移动并冲深发展。
3.3 主要沙体情况
江亚南沙在1998—2007年0 m高滩向上、下游及北侧扩展，同期5 m低滩北扩下延，二者滩面面积增大，平均增幅分别为0.82和0.77 km2/a，沙体淤积态势明显，仅沙头位置略有冲刷（图4(a)、图6、图7）。2007—2017年江亚南沙0 m高滩与5 m低滩面积整体增速较此前放缓，平均增幅仅为0.28和0.19 km2/a（图7）。2018年以来，江亚南沙仍呈淤积态势，其中5 m低滩加速淤涨，平均增幅约为1.06 km2/a。
九段沙滩面近期总体呈淤积态势，1998—2015年九段沙0 m高滩向北侧及上、下游扩展，滩面面积增幅达3.6 km2/a，5 m低滩南侧冲刷、北侧淤积（图4(b)、图8），滩面面积变化不大；2015—2023年九段沙南沿普遍冲刷，0 m高滩面积稳定增加、5 m低滩面积则呈下降趋势，减幅约2.3 km2/a（图4(c)、图8）。
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图 8 九段沙0 m、5 m等深线包络面积Figure 8. Area envelopes of the 0 m and 5 m isobaths of Jiuduan sand从等深线包络面积变化（图9）可知，1998—2008年南汇边滩总体淤涨，5 m滩面面积迅速增加，在2008年达到最大值，约为140.5 km2。2008—2017年，南汇东滩5 m低滩面积大幅减小，减幅约为2.1 km2/a。2017—2023年间5 m低滩面积仍有所减小但幅度放缓，减幅约为0.7 km2/a。
可见，近25年来江亚南沙总体淤涨、短期加速淤积；九段沙高滩稳定增长，低滩于2015年后侵蚀缩小，沙体平面位置北移并向上、下游扩展；南汇东滩滩面面积呈先增后减的变化趋势，变化转折点是2008年。
4. 影响因素分析
4.1 流域来沙减少
除去1998、1999年大洪水异常流量数值对分析的影响，长江大通站的年输沙量在2000—2006年期间下降趋势显著；2006—2022年下降趋势减缓，年输沙量维持在较低的水平；1998—2006年和2006—2022年的年平均输沙量约为2.5 亿t和1.2 亿t。大通站的年径流量在年际间存在一定的波动，但总体没有明显减少趋势（图10）。
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图 10 大通站年输沙量和年径流量变化Figure 10. Annual sediment transport and runoff volume changes at Datong station流域来沙减少导致河口水体悬沙浓度稀释，水流侵蚀能力相应增强，从而造成冲刷侵蚀[11]。有研究表明：长江口水下三角洲冲淤平衡临界的大通年输沙量约为2.7 亿t[24]，长江口南支以下河槽冲淤转换临界年均输沙量约为2.5 亿t[22]。从南支、南港、南槽（地理位置见图1(a)）相对于1998年5 m河槽容积变化幅度对比（图11）可见，在年输沙量显著降低的背景下，三峡水库运行后，南支5 m河槽容积在短期内有一定增加，2007—2013年容积在此基础上持续加速上升，2013年后趋缓并逐渐稳定。南港5 m河槽容积在1998—2007年基本匀速增加，2007—2012年虽年际间略有波动，但总体相对稳定，2012—2019年则呈明显上升趋势，2019年后趋于平衡状态。南槽1998—2007年5 m河槽容积稳定上升，2007—2015年变化相对较小，但2015年后快速增加。可见，流域减沙对长江口河势调整产生了一定影响，且这种影响存在自上而下的传递过程，就处于河口最大浑浊带的南槽而言，流域减沙对河床冲淤的影响存在滞后性[11]。
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图 11 南支、南港、南槽5 m河槽容积相对1998年变幅Figure 11. Changes in the relative channel volume at 5 m depth for the South Branch, South Channel, and South Passage compared to 1998结合南槽区域含沙量变化情况，南槽S1、S2测点（测点位置见图1(b)）含沙量已呈减少态势（图12）。其中，2002—2006年，含沙量波动较大，年平均含沙量约为1.38 kg/m³。2006—2015年，含沙量波动下降，年平均含沙量约为1.13 kg/m³，与2002—2006年相比减少约18.2%。2015—2023年，南槽含沙量总体维持在较低水平，年平均含沙量仅约0.43 kg/m³，较2006—2015年减少约61.9%。受流域减沙及河口最大浑浊带滞后特性[11]影响，南槽水体含沙量2015年后持续偏低，与此相应，南槽河床冲淤变化呈现出2015年之后整体冲刷加剧的特征。
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图 12 固定站点含沙量变化Figure 12. Changes in sediment concentration at fixed sampling stations4.2 大型涉水工程
1998年以来，南槽周边实施的大型涉水工程有长江口深水航道治理工程（1998—2010年）、南汇东滩促淤圈围工程（2013—2017年）、南槽航道治理一期工程（2018—2020年），工程布置见图1(b)。
4.2.1 长江口深水航道治理工程
长江口深水航道治理工程在南港至北槽河段实施，工程分三期进行，其中一、二期工程（1998—2006年）在北槽实施双导堤及丁坝群工程（图1(b)）；三期工程包括航道疏浚和局部丁坝加长，工程规模较小。从南槽分流比变化可以看出，在长江口深水航道治理一、二期工程实施期间（1998—2006年），南槽落潮分流比明显增加，一、二期工程竣工后南北槽分流比例相对稳定。南、北槽分流格局从工程前的“四六开”变为工程后的“六四开”（图13）。结合南槽冲淤变化过程可见，2007年前，长江口深水航道治理一、二期工程的实施改变了南北槽分流格局，南槽分流比增强、上段显著冲刷；2007年后，大规模工程建设基本结束，南槽上段冲刷减缓，南槽整体趋于冲淤平衡。
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图 13 南、北槽落潮分流比变化Figure 13. Changes in the tidal diverting ratio between the South and North Passages结合工程阶段冲淤分布与河槽容积变化来看，一、二期工程实施期间，南槽分流增加致使主槽上段冲刷[25]，5 m以深河槽容积增加（图14、图3）。结合工程实施区域来看，南导堤封堵江亚北槽入口和九段沙滩面窜沟，减弱了九段沙漫滩水流冲刷，使得九段沙头部与北侧位置淤积明显；分流口鱼嘴工程的实施使亚南沙沙头呈淤积状态。三期工程实施后，南槽冲淤变化不大，5 m河槽容积趋于稳定。
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图 14 深水航道治理工程不同阶段年均冲淤分布Figure 14. Distribution of annual erosion and deposition in different phases of deepwater navigation channel improvement4.2.2 浦东机场外侧、南汇东滩促淤圈围工程
浦东机场外侧、南汇东滩促淤圈围工程位于南槽岸。工程实施前，南汇东滩淤积明显，5 m河槽束窄；九段沙中部南沿微冲。工程实施后，南汇东滩促淤堤线外侧区域由淤转微冲，5 m槽展宽（图15），同期九段沙中部南侧冲刷幅度增大，局部形成5 m窜沟。南汇东滩圈围促淤工程的实施，使南槽区域河道束窄，水流动力相应增强[22]；结合2015年后南槽5 m河槽容积与区域含沙量情况来看，在工程、流域减沙共同作用下，南汇东滩促淤堤线外侧普遍由淤转冲，拦门沙区段淤积范围减小[26]，九段沙中部南沿冲刷加剧[22]。
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图 15 机场外侧、南汇东滩圈围促淤工程实施前后冲淤分布Figure 15. Erosion and deposition distribution before and after the implementation of the enclosure sedimentation project at Nanhui Dongtan and outside the airport4.2.3 南槽航道一期治理工程
南槽航道一期治理工程在江亚南沙南侧建设江亚南沙护滩堤，并疏浚南槽航道实现6 m水深。工程实施前，江亚南沙头部窜沟冲深发展形成5 m窜沟（图15(b)）。南槽航道一期治理工程实施后江亚南沙滩面冲淤交替，沙头窜沟淤积明显，5 m窜沟萎缩消失（图16）。结合工程实时位置可见，护滩堤掩护了江亚南沙南侧边界，水流对江亚南沙的冲刷减弱，沙体滩面得到守护，同时工程封堵了沙头窜沟，进入江亚北槽的水流减少，沙头窜沟冲刷态势得到遏制，与之对应，江亚南沙滩面面积在短期内迅速增加。
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图 16 南槽航道一期治理工程实施后（2018—2023年）年均冲淤分布Figure 16. Annual erosion and deposition distribution after the first phase of South Passage navigation improvement (2018—2023)结合各工程实施前后河床冲淤变化可见，南槽河势对工程的响应是敏感、迅速的；与流域减沙影响相比，工程影响范围相对较小、影响时间相对较短。因此，涉水工程影响应该是南槽5 m河槽容积在1998—2007年间变化的主要因素之一；流域减沙应是南槽冲淤分布特征从2015年前的“上冲下淤”向2015年后“整体冲刷、局部淤积”转换的主导因素之一。
5. 结 语
本文基于实测资料分析了长江口南槽近期河床演变特征，初步探讨了影响南槽冲淤演变的主要因素，研究结论如下：
（1）1998—2023年南槽河床演变总体变化可划分为3个阶段：第一阶段（1998—2007年）南槽冲淤变化主要受深水航道治理工程影响，总体表现为缓慢冲刷；第二阶段（2007—2015年）南槽河槽容积变化相对较小，冲淤变化趋于平衡；第三阶段（2015—2023年）主要受流域减沙引起的区域含沙量下降影响，整体加速冲刷发展。
（2）受流域减沙和大型涉水工程作用，南槽近25年总体冲淤分布特征由“上冲下淤”向“整体冲刷、局部淤积”转换，拦门沙区段淤积范围明显缩小；主要沙体总体淤积趋缓、甚至局部低滩出现冲刷。
（3）流域减沙对长江口河势影响存在自上而下的传递过程。结合南槽上游河段河槽容积“先增后稳”的变化趋势看，在稳定河床边界和含沙量维持较低水平的情况下，未来短期内南槽仍将延续冲刷发展态势，直至达到新的冲淤平衡。
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图 2 1998—2023年南槽冲淤变化
Figure 2. Erosion and deposition changes in the South Passage (1998–2023)
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图 3 南槽0 m、5 m河槽容积变化
Figure 3. Changes in the channel volume at 0 m and 5 m depths of the South Passage
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图 4 南槽3阶段年均冲淤变化
Figure 4. Annual erosion and deposition changes in the South Passage’s three stages
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图 8 九段沙0 m、5 m等深线包络面积
Figure 8. Area envelopes of the 0 m and 5 m isobaths of Jiuduan sand
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图 10 大通站年输沙量和年径流量变化
Figure 10. Annual sediment transport and runoff volume changes at Datong station
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图 11 南支、南港、南槽5 m河槽容积相对1998年变幅
Figure 11. Changes in the relative channel volume at 5 m depth for the South Branch, South Channel, and South Passage compared to 1998
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图 12 固定站点含沙量变化
Figure 12. Changes in sediment concentration at fixed sampling stations
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图 13 南、北槽落潮分流比变化
Figure 13. Changes in the tidal diverting ratio between the South and North Passages
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图 14 深水航道治理工程不同阶段年均冲淤分布
Figure 14. Distribution of annual erosion and deposition in different phases of deepwater navigation channel improvement
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图 15 机场外侧、南汇东滩圈围促淤工程实施前后冲淤分布
Figure 15. Erosion and deposition distribution before and after the implementation of the enclosure sedimentation project at Nanhui Dongtan and outside the airport
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