施野，張國(guó)安

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

河口區(qū)河槽分汊是水流、泥沙時(shí)空變化的產(chǎn)物。長(zhǎng)江口自徐六涇分為南、北兩支，南支自長(zhǎng)興島分為南、北港，南港經(jīng)九段沙形成南、北槽。長(zhǎng)江口分汊型河槽地貌形態(tài)多變，水沙條件多樣，動(dòng)力機(jī)制復(fù)雜，探討分汊型河槽的穩(wěn)定性和演變趨勢(shì)，不僅益于豐富河口河槽演變內(nèi)容，也將為航道建設(shè)、港口維護(hù)、河口治理等提供理論依據(jù)。對(duì)長(zhǎng)江口分汊型河槽的認(rèn)識(shí)與研究是循序漸進(jìn)的。早期，陳吉余等（1979；1988；1988） 采用海圖對(duì)比法系統(tǒng)描述了長(zhǎng)江口分汊型河槽演變過(guò)程，揭示了百年尺度內(nèi)南支主泓不斷游擺于南、北港間的變化特征。隨后，金元?dú)g等（1990，1991） 運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)原理定義了天然河道汊道體系中的組成單元，總結(jié)河口分汊四種基本模式，提出定量描述河口分汊的基本思想和具體方法，將研究角度轉(zhuǎn)向河口分汊問(wèn)題上。同時(shí)，探討節(jié)點(diǎn)與巖島在河口分汊過(guò)程中發(fā)揮的作用（金元?dú)g，1992），以科氏力為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)分析河口分汊的動(dòng)力條件（金元?dú)g等，1993）。孫志林等（1996） 從輸沙的力學(xué)角度探討分汊河口的形成機(jī)理，認(rèn)為推移質(zhì)的造床作用是在河口特定的邊界、水流及泥沙輸移恰當(dāng)配合下形成河口沙洲，是導(dǎo)致河口分漢的主導(dǎo)因子。近年來(lái)，技術(shù)手段的提高使定量化研究更加精確易行。吳華林等（2002） 利用GIS 手段定量描述南、北港沖淤變化與河勢(shì)演變。劉杜娟等（2010） 鞏彩蘭等（2003） 利用海圖資料，對(duì)比河槽容積、斷面形態(tài)等指標(biāo)，分析南支下段河槽時(shí)空變化和南港底沙輸移變化。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)河口區(qū)河槽演變研究經(jīng)歷了定性描述、河口分汊描述和研究定量化指標(biāo)的有序過(guò)程；國(guó)外學(xué)者同樣關(guān)注河口區(qū)分汊型河槽的演變，探討多要素作用背景下河口河槽的演變，如對(duì)密西西比河河口分流工程的研究，研究重點(diǎn)在于解決三角洲濕地恢復(fù)的問(wèn)題（Anindita Das et al，2012；Alexander et al，2012）。長(zhǎng)江口是著名的多級(jí)分汊河口，是多環(huán)境要素集成的復(fù)雜系統(tǒng)。前人已系統(tǒng)研究了長(zhǎng)江口分汊型河槽演變過(guò)程。本文探討在流域來(lái)水來(lái)沙減少背景下（圖1） 各環(huán)境要素與分汊型河槽演變關(guān)系，利用GIS 技術(shù)定量計(jì)算河槽容積、典型斷面等量化指標(biāo)，反映河口區(qū)河槽分汊與環(huán)境要素間的響應(yīng)機(jī)制，了解近50年來(lái)南、北港及其附近分汊型河槽演變過(guò)程。

1 區(qū)域概況與研究方法

長(zhǎng)江口是世界著名的多級(jí)分汊河口，自徐六涇向下形成三級(jí)分汊、四口入海的平面格局，年徑流量9 420 億m3，年平均輸沙量4.86 億t，水沙資源豐富。河槽處于縱向輸沙平衡狀態(tài)，流量變幅較小，不存在強(qiáng)烈淤積和沖刷，是分汊型河槽形成和穩(wěn)定的條件。年平均潮差2.66 m，是中等強(qiáng)度的潮汐河口，為長(zhǎng)江口分汊水道的形成和維持提供了適宜的動(dòng)力條件。

圖1 大通站年徑流量、輸沙量變化曲線（許全喜等，2012）

收集1958-2006 近50年海圖資料，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcMap 對(duì)海圖資料進(jìn)行數(shù)字化處理，在理論深度基面上通過(guò)克里金插值建立不同時(shí)期南、北港及附近的水深數(shù)據(jù)庫(kù)。河槽容積是既定的區(qū)域面積和水深的函數(shù)，是反映地貌形態(tài)變化的量化指標(biāo)。南北港、南北槽以分流點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)、以垂直過(guò)水?dāng)嗝鏋檫吔纾崛〔煌瑫r(shí)期的橫斷面ABC、PQ 探討河槽分流節(jié)點(diǎn)處的地貌演變過(guò)程。其中橫斷面ABC 中B 點(diǎn)為中央沙10 m 沙頭頂點(diǎn)位置，根據(jù)水下沙體分布情況和海圖實(shí)際范圍提取斷面ABC。河槽容積的計(jì)算范圍以斷面ABC 為始，向下游延伸至攔門沙外圍5 m 等深線為界的ABCDEFGHI 區(qū)域。在攔門沙區(qū)域，通過(guò)水深數(shù)據(jù)庫(kù)繪制等深線，將等深線上最大曲率點(diǎn)連接繪制成分水脊線，從而對(duì)不同研究區(qū)段進(jìn)行河槽容積的計(jì)算。

圖2 研究區(qū)示意圖

2 南、北港及附近河槽演變特性

2.1 南、北港河槽容積變化

近50年南、北港河槽沖淤變化趨勢(shì)一致，總體上略有淤積，局部性波動(dòng)明顯。北港上段0 m 河槽容積1958年達(dá)到12.82 億m3，70年代后期減小至10.59 億m3，此后河槽容積有所上升，1994年后小幅度下降。2 m、5 m 河槽容積60年代開(kāi)始上升，1994年后開(kāi)始下降，總體呈淤積趨勢(shì)。北港下段河槽平均水深5～7 m，淺于北港上段，0 m、2 m河槽容積先升后降，89年達(dá)最大值28.94 億m3，5 m 河槽容積波動(dòng)明顯，總體呈下降趨勢(shì)。南港0m 河槽容積1958年達(dá)21.97 億m3，60年代迅速減小至17.09 億m3，70年代后期至94年不斷上升，94年后小幅度下降。顯然，南港與北港上段河槽容積展現(xiàn)先降后升再降的過(guò)程，且變化幅度按0 m、2 m、5 m 順序減小；北港下段0 m、2 m 河槽容積變化過(guò)程呈先升后降趨勢(shì)，與北港上段相反，5 m 河槽容積變化與北港上段整體趨勢(shì)相似。自1994年三峽工程啟動(dòng)后，以此為代表的人工水利設(shè)施對(duì)長(zhǎng)江口水沙條件變化影響顯著，河槽容積自94年后逐漸減少，反映了河槽地貌形態(tài)變化與水沙條件變化間的關(guān)系。

表1 不同時(shí)期南、北港河槽容積

圖3 南、北港河槽容積變化

圖4 北港下段河槽容積變化

河槽縱斷面變化如圖5 所示北港上段最大水深14～19 m，10 m 深槽最遠(yuǎn)可延伸至121.959 °E，至攔門沙處水深開(kāi)始淤淺，與1958年相比，60年代河槽淤積，1994年以前河槽緩慢浚深，2004年前后再次淤積。南支水流進(jìn)入北港時(shí)，無(wú)論是中央沙北水道還是新橋通道都與北港主槽形成角度，呈東北—西南向，水流直沖崇明南岸，在橫向環(huán)流作用下崇明南岸一側(cè)河床不斷沖蝕，長(zhǎng)興島北側(cè)淺灘淤積，北港主泓緊靠崇明南岸。南港最大水深16～22 m，10 m 深槽變化幅度較大，最遠(yuǎn)可延伸至121.876°E。自1958年以來(lái)，南港出現(xiàn)不同程度的淤積，70年代后期出現(xiàn)過(guò)-20 m 狹長(zhǎng)深槽，然而范圍極小，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。1958年圖件上，南港主槽深浚，河道順直，60年代南港10 m 深槽發(fā)生形變，上半段深槽向南，下半段深槽北擺，整體呈反向“z”型，70年代后期10 m 深槽分成南、北兩部分，北側(cè)深槽由東向西逐漸變淺，等深線閉合，呈漲潮槽性質(zhì)，稱為南小泓。南港主槽與南小泓間有水下沙體沉積，水下沙體不斷發(fā)展，一度與江亞南沙10 m 等深線相接。

北港下段北側(cè)存在一條與北港下段主槽相異的分支。此分支經(jīng)歷形成—消亡—再形成的復(fù)雜過(guò)程。1958年該分支發(fā)展較好，5 m 槽伸向北港上段，0 m 河槽容積12.08 億m3，可以清晰辨別0 m、2 m 分水沙體存在。60年代5 m 槽萎縮嚴(yán)重，分水沙體的2 m 等深線與北港上段相接，70年代后期分水沙體0 m 等深線亦與北港上段相接，無(wú)法辨別分水節(jié)點(diǎn)，1989年該分支已經(jīng)消失。1994年該分支重新出現(xiàn)，5 m 槽形成但范圍極小，至2006年該分支發(fā)展，可明顯辨別分水沙體。

圖5 南、北港縱斷面變化圖

2.2 南、北槽河槽容積變化

北槽最大水深9～13 m，多出現(xiàn)在122.05°E 附近。南槽最大水深介于7～11 m，多出現(xiàn)在南槽入口處附近。1958年圖件上南港主泓指向南槽，北槽入口陰沙分布不利于水流進(jìn)入北槽，此時(shí)南槽5 m 河槽容積1.88 億m3，較北槽0.998 億m3稍大。隨著南岸邊灘淤積，南槽入口與南港主槽形成角度，加之南港下半段10 m 深槽北擺，北槽入口陰沙消失，南港主泓逐漸指向北槽。60年代后，南港深槽逐漸伸向北槽，北槽0 m 河槽容積至1994年達(dá)到25.97 億m3，2 m、5 m 河槽容積于1989年達(dá)到14.31 億m3與4.06 億m3，94年后北槽容積有大幅度下降過(guò)程。從北槽縱斷面可知，自1958年起北槽水深發(fā)展，有沖刷之勢(shì)，在122.05°E 附近有小范圍10 m 深槽形成，此處乃北槽轉(zhuǎn)彎點(diǎn)。此點(diǎn)向東，北槽呈西北—東南向，與漲潮流方向相近，同時(shí)與向西一段的北槽具有一定角度。漲潮流行經(jīng)此處在橫向環(huán)流作用下沖刷河床，形成范圍較小的深槽。九十年代末啟動(dòng)長(zhǎng)江口深水航道治理工程對(duì)南北槽水沙條件產(chǎn)生較大影響，河槽容積隨之減小。

圖6 南、北槽河槽容積變化

表2 不同時(shí)期南、北槽河槽容積

南槽0 m、2 m 河槽容積波動(dòng)顯著，5 m 河槽容積呈明顯下降趨勢(shì)。由于南岸邊灘淤積，使其在水下部分不斷擴(kuò)大，0 m、2 m 河槽容積的增加實(shí)際上是0～5 m 河槽邊灘范圍擴(kuò)大所致，5 m 河槽容積的變化才是真正反映南槽主槽沖淤的直接指標(biāo)。從南槽斷面可知，自1958年后，南槽主泓水深不斷減小，深槽呈淤積態(tài)勢(shì)。

圖7 南、北槽縱斷面變化圖

3 南、北港及附近橫斷面分析

3.1 單一U 型河槽向W 復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變

南、北港河槽在演變過(guò)程中，均出現(xiàn)單一U型槽向W 型復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。1958年圖件上南港河槽順直開(kāi)闊，60年代南港10 m 深槽成反向“z”型，70年代后期南港主槽北側(cè)新10 m 深槽形成，西至121.636°E，東達(dá)121.809°E，稱為南小泓。1989年后南小泓10 m 槽有萎縮趨勢(shì)，然而其5 m 等深線不斷向西蔓延，2004年已達(dá)到121.567°E深入中央沙內(nèi)。南港主槽與南小泓之間有沙體沉積，沙體范圍擴(kuò)大直至與江亞南沙10 m 等深線相接。同樣的情況也出現(xiàn)于北港上段。1958年至80年代期間，北港上段主槽始終緊靠崇明南岸。80年代中期，北港上段10 m 深槽退縮至121.737°E，堡鎮(zhèn)以下北港主槽北側(cè)出現(xiàn)10 m 深槽，延伸至121.935°E，兩深槽間有5 m 等深線閉合的沉積沙體。此后，沙體進(jìn)一步沉積出現(xiàn)了0 m、2 m 等深線閉合的沉積沙體，沙體北側(cè)10 m 深槽在演變中逐漸萎縮，5 m 等深線卻向西蔓延，2004年已至121.649°E。

復(fù)式河槽形成的原因可歸結(jié)為由漲落潮流路分異而引起緩流區(qū)泥沙沉積，從而導(dǎo)致W 型復(fù)式河槽的出現(xiàn)。58年南支主泓走北港，南港入口陰沙遍布，在徑流與潮流相互博弈中，南港河槽內(nèi)漲潮流優(yōu)勢(shì)明顯。在科氏力作用下，漲潮流偏向北岸，落潮流偏向南岸，出現(xiàn)漲落潮流路分異，漲潮流與落潮流之間形成緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)水流流速降低，攜沙能力減弱，泥沙淤積形成水下沙體，潮汐的周期特性使部分沙體獲得出露水面的機(jī)會(huì)，使松散沉積物固結(jié)，鞏固沙體成形。而北港上段復(fù)式河槽出現(xiàn)與南港顯然有時(shí)間差，這與主泓不斷擺動(dòng)有關(guān)，主泓擺動(dòng)直接影響徑流作用的強(qiáng)弱。北港上段在1989年才出現(xiàn)復(fù)式河槽雛形，并不斷發(fā)展。

3.2 科氏力在河槽演變中的作用

江亞南沙形成經(jīng)歷四個(gè)過(guò)程：南岸邊灘淤積，南槽主泓偏移，水流深切邊灘，漲落潮流路分異鞏固沙體。從圖件及橫斷面（圖8） 可知，來(lái)自南港的泥沙進(jìn)入南槽后，邊界條件進(jìn)一步開(kāi)闊，為泥沙沉積提供必要條件，南岸邊灘淤積上溯且越靠近口外水下邊灘面積越大，南槽主泓也隨之向正東方向擺動(dòng)，與南港主槽角度增大。當(dāng)兩者達(dá)到一定限度后，水流對(duì)水下地貌的改造運(yùn)動(dòng)開(kāi)啟，水下邊灘嚴(yán)重阻擋落潮流行進(jìn)，長(zhǎng)此以往水下邊灘被切出一道深槽，深槽不斷發(fā)展最終與南槽貫通。漲落潮流路分異形成的緩流區(qū)泥沙開(kāi)始沉積，為新興沙體發(fā)展提供優(yōu)良環(huán)境。

北港河槽上段與南支接口處演變過(guò)程復(fù)雜，南支陰沙下移，沙體合并，水道消亡。南港與南支接口處大部分時(shí)期深槽暢通，時(shí)而被沙體遮擋。1958年南支主泓走北港，南港入口陰沙遍布，嚴(yán)重影響南支水流進(jìn)入南港，南支水流從新橋水道和中央沙北水道進(jìn)入北港，經(jīng)中央沙北水道的水流向南橫切出一條水道，10 m 深槽直逼南港，稱之新崇明水道。中央沙、石頭沙等相互靠近合并，崇明水道逐漸萎縮，至20 世紀(jì)70年代便已消亡。同時(shí)，由于沙體合并使南港入口深槽貫通，80年代寶山水道已形成。南支水流從新橋水道和新橋通道進(jìn)入北港，至90年代中期10 m 深槽與南支貫通，水深優(yōu)良。2004-2006年間新瀏河沙靠近長(zhǎng)興島，新橋通道淤淺，10 m 深槽被阻斷。

圖8 三級(jí)分汊節(jié)點(diǎn)橫斷面PQ

圖9 復(fù)式河槽橫斷面MN

圖10 二級(jí)分汊節(jié)點(diǎn)橫斷面ABC

4 結(jié)論

（1） 河口河槽演變是由于水沙變化而引起的地形地貌變化，是河口河槽開(kāi)發(fā)和治理的核心問(wèn)題。陳吉余等通過(guò)分析海圖對(duì)19 世紀(jì)中期至20 世紀(jì)中期百年尺度的長(zhǎng)江河口河槽演變過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。從20 世紀(jì)中期至今，長(zhǎng)江口水沙條件變化顯著，人類活動(dòng)影響逐步增強(qiáng)，本文通過(guò)近50年海圖分析探討人類活動(dòng)對(duì)河口河槽演變的影響，認(rèn)為長(zhǎng)江口南、北港河槽容積變化特征相同，整體上略有下降趨勢(shì)，局部性波動(dòng)明顯。在流域來(lái)水來(lái)沙逐漸減少的背景下，分汊型河槽內(nèi)呈現(xiàn)出較為完整的復(fù)式河槽形成過(guò)程。徑流與潮流的相互博弈是復(fù)式河槽出現(xiàn)的內(nèi)因，而影響徑流作用與潮流作用的主要因素是南支主泓擺動(dòng)和漲落潮流路分異。南、北港復(fù)式河槽的出現(xiàn)與科氏力關(guān)系密切，是長(zhǎng)江口多級(jí)分汊格局形成的縮影。

（2） 南、北槽河槽容積在20 世紀(jì)80-90年代期間呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的特征。隨著南港主泓北擺，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里北槽不斷沖刷，而南槽主槽處于緩慢淤積的過(guò)程，流域來(lái)沙在南岸邊灘堆積促使南岸邊灘不斷淤長(zhǎng)，致使南槽主槽與南港主槽之間角度增加，水流條件與地貌條件不甚協(xié)調(diào)并逐步改造地貌條件，深切南岸邊灘加之漲落潮流路分異從而形成江亞南沙，鞏固了分汊型河槽的分流節(jié)點(diǎn)。長(zhǎng)江口二級(jí)分流節(jié)點(diǎn)處地貌演變復(fù)雜，總體可歸納為上游沙體下移，沙體合并，水道消亡。

（3） 近期河口河槽演變受人工設(shè)施影響顯著。三峽工程自94年開(kāi)工以來(lái)，以此為代表的人工設(shè)施創(chuàng)造了來(lái)水來(lái)沙不斷減少的大環(huán)境。河口河槽向外海延伸發(fā)展受到水沙條件的制約。以北槽為主的深水航道工程束狹河槽，有助于維護(hù)航道深浚，然而丁壩產(chǎn)生的膚面阻力與形體阻力改變了分水分沙條件，北槽河槽容積在工程進(jìn)行后明顯下降與南槽逼近，南槽河槽容積則穩(wěn)定發(fā)展。

Alexander S K,Michael D M,Weathers H D,2012.Epositional dynamics in a river diversion receiving basin: The case of the West Bay Mississippi River Diversion. Estuarine, Coastal and Shelf Science,(106):1-12.

Anindita D,Dubravko J,Masamichi I,et al,2012.Impacts of Mississippi River diversions on salinity gradients in a deltaic Louisiana estuary:Ecological and management implications.Estuarine, Coastal and Shelf Science,(111):17-26.

陳吉余，潘定安，蘇法崇，等，1988.長(zhǎng)江口北港河槽演變分析.見(jiàn)：陳吉余等編著.長(zhǎng)江河口動(dòng)力過(guò)程和地貌演變，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，390-403.

陳吉余，徐海根，1988.長(zhǎng)江河口南支河段的河槽演變.見(jiàn)：陳吉余等編著.長(zhǎng)江河口動(dòng)力過(guò)程和地貌演變，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，375-389.

陳吉余，惲才興，徐海根，等，1979.兩千年來(lái)長(zhǎng)江口發(fā)育的模式.海洋學(xué)報(bào)，1（1）：103-111.

鞏彩蘭，惲才興，虞志英，2003.長(zhǎng)江口南港底沙輸移及其對(duì)南、北槽分汊口的影響.海洋工程，21（3）：62-67.

金元?dú)g，1990.河口分汊的定量表達(dá)及其基本模式.地理學(xué)報(bào)，45（1）：56-67.

金元?dú)g，1992.節(jié)點(diǎn)和巖島對(duì)河口分漢的影響.臺(tái)灣海峽，11（4）：353-358.

金元?dú)g，沈煥庭，1991.分汊河口形成的基本條件.海洋湖沼通報(bào)，（4）：1-9.

金元?dú)g，沈煥庭，1993.科氏力對(duì)河口分漢的影響.Marine Science，（4）：52-56.

劉杜娟，葉銀燦，李冬，等，2010.基于GIS 的長(zhǎng)江口南支下段河勢(shì)演變及穩(wěn)定性分析.海岸工程，29（3）：19-27.

孫志林，金元?dú)g，1996.分汊河口的形成機(jī)理.水科學(xué)進(jìn)展，7（2）：144-450.

吳華林，沈煥庭，胡輝，等，2002.GIS 支持下的長(zhǎng)江口攔門沙泥沙沖淤定量計(jì)算.海洋學(xué)報(bào)，24（2）：84-93.

徐曉君，楊世倫，李鵬，2008.河口河槽和口外海濱對(duì)流域來(lái)沙減少響應(yīng)的差異性研究——以長(zhǎng)江口南槽-口外海濱體系為例.海洋通報(bào)，27（5）：100-104.

許全喜，童輝，2012.近50年來(lái)長(zhǎng)江水沙變化規(guī)律研究.水文，32（5）：38-47.