(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海 200136； 2.上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,上海 200062)

長(zhǎng)江口是我國(guó)最大的河流入?？?，長(zhǎng)江每年輸海泥沙約4.35億t(大通站，1951～2000年)，其中約99%均為細(xì)顆粒懸浮泥沙[1-2]。細(xì)顆粒的懸浮泥沙在河口地區(qū)極易再懸浮、搬運(yùn)和重新沉降，給河口地區(qū)的港口和航道工程帶來(lái)很大困擾[3-4]。此外，上游輸送的細(xì)顆粒泥沙表面還易粘附污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽，富集于河口，對(duì)長(zhǎng)江口水環(huán)境造成很大影響[5]。幾十年來(lái)因防洪、發(fā)電和航運(yùn)等需求，長(zhǎng)江流域建成超過(guò)50 000座水庫(kù)，其中影響最大、最受關(guān)注的就是2003年建成蓄水的三峽水庫(kù)。相比于建壩前(1986～2002年：3.40億t)，長(zhǎng)江的入海輸沙量在建壩后(2003～2016年：1.40億t)減少約60%[6]。

在此新水沙形勢(shì)下，長(zhǎng)江河口三角洲的響應(yīng)研究成為當(dāng)下地學(xué)的研究熱點(diǎn)，而長(zhǎng)江口懸沙濃度的研究無(wú)疑是其中尤為重要的一環(huán)。在河口地區(qū)，懸沙濃度是水動(dòng)力作用驅(qū)使下，泥沙再懸浮能力的直接體現(xiàn)。懸沙濃度的大小決定了淤積量的大小，而淤積量與侵蝕量的競(jìng)爭(zhēng)則決定了底床是凈淤積還是侵蝕[7]。部分學(xué)者通過(guò)局地取樣、遙感影像反演和現(xiàn)場(chǎng)儀器觀測(cè)等手段，在長(zhǎng)江口區(qū)域開(kāi)展了懸沙濃度的時(shí)空變化和再懸浮研究[8-10]?；诒韺討疑碀舛葦?shù)據(jù)，陳沈良等(2004)發(fā)現(xiàn)杭州灣水域懸沙濃度要明顯高于長(zhǎng)江口區(qū)域，灘滸測(cè)站表層懸沙濃度約為1.6 kg/m3，約為同期徐六涇水文站的12倍[8]。楊忠勇等(2017)對(duì)長(zhǎng)江口南港某橫斷面進(jìn)行5個(gè)定點(diǎn)水沙觀測(cè)，得出南港南側(cè)主槽的懸沙濃度要低于北側(cè)副槽，且懸沙濃度的波動(dòng)頻率為半日分潮波動(dòng)頻率的2倍[9]?；陂L(zhǎng)江口南槽懸沙濃度和流速、地貌的耦合分析，研究發(fā)現(xiàn)懸沙濃度的變化與水流速度和河床剪切應(yīng)力顯著相關(guān)[10]。

然而，受限于長(zhǎng)江口范圍寬廣、觀測(cè)難度較高，以往對(duì)懸沙濃度變化的研究主要根據(jù)不同季節(jié)、不同潮型或少量測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料來(lái)分析，對(duì)于泥沙長(zhǎng)時(shí)間尺度和大范圍的空間分布狀況，還缺乏全面深入的認(rèn)識(shí)。為此，本論文收集了長(zhǎng)江口水域多個(gè)測(cè)站多年的垂線懸沙資料，用以分析和探討懸沙濃度的時(shí)空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江河口在徐六涇節(jié)點(diǎn)以下開(kāi)始分汊，河勢(shì)呈“三級(jí)分汊、四口入?！钡母窬?見(jiàn)圖1)。長(zhǎng)江口區(qū)域范圍寬廣、地形復(fù)雜，口門外側(cè)最大寬度可達(dá)90 km，水下沙脊林立。目前，長(zhǎng)江超過(guò)95%的徑流和泥沙均從南支系統(tǒng)入海。因長(zhǎng)江口徑流與潮流動(dòng)力均十分強(qiáng)勁，泥沙在咸淡水混合作用下于口門區(qū)域形成最大渾濁帶[11-12]。長(zhǎng)江口門附近多年平均潮差和波高分別為2.7 m和1.0 m，最大潮差和最大波高則分別可達(dá)4.6 m和6.2 m。長(zhǎng)江口區(qū)域多年平均風(fēng)速在4～5 m/s之間，最大風(fēng)速為36 m/s[7,13]。

圖1 長(zhǎng)江口取樣點(diǎn)位置分布Fig.1 Sampling locations in the Yangtze Estuary

2 樣品采集與分析方法

本此研究的采樣點(diǎn)分布如圖1所示，共51個(gè)測(cè)點(diǎn)。這些測(cè)點(diǎn)在空間上具有一定的代表性，在時(shí)間上雖然不完全同步，但每次取樣均會(huì)持續(xù)至少一個(gè)完整的潮周期，可以基本過(guò)濾個(gè)別樣品的偶然性對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)律的影響，所以時(shí)間上的不完全同步并不會(huì)影響大尺度的時(shí)空對(duì)比。考慮到不是每個(gè)測(cè)點(diǎn)每年均測(cè)有完整的洪、枯季或大、小潮數(shù)據(jù)，本文在進(jìn)行時(shí)空變化分析時(shí)，盡量以樣品數(shù)據(jù)量豐富的年份或季節(jié)為例，以減小數(shù)據(jù)源不足而產(chǎn)生的誤差。

野外觀測(cè)期間，在每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻利用橫式采樣器采集水樣，采樣器容積為1 000 mL。水樣采集方法為六點(diǎn)法，采樣深度分別為表層、0.2h(h為水深)、0.4h，0.6h，0.8h和底層。水樣經(jīng)過(guò)充分沉淀后，作洗鹽處理；以焙干稱重法進(jìn)行分析，烘干溫度為110℃，干燒杯按規(guī)范烘烤2 h，干燥冷卻至室溫后稱重。垂線平均含沙量的計(jì)算通常采用垂線上各測(cè)點(diǎn)的流速加權(quán)平均法計(jì)算，對(duì)于憩流時(shí)段附近，因流速較小，按分層測(cè)點(diǎn)含沙量算術(shù)加權(quán)平均計(jì)算。文中所涉及的風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲中長(zhǎng)期氣象預(yù)報(bào)中心，網(wǎng)址為 http://www.ecmwf.int/。

3 結(jié)果與討論

3.1 平面空間分布

長(zhǎng)江口懸沙濃度的平面空間分布數(shù)據(jù)主要是基于2002～2004年和2011年枯季實(shí)測(cè)的大潮數(shù)據(jù)。該時(shí)段長(zhǎng)江流域來(lái)沙較少，測(cè)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)江口風(fēng)浪能量強(qiáng)度基本處于同一水平，對(duì)長(zhǎng)江口懸沙濃度平面分布的影響較小。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1，平面分布見(jiàn)圖2。

表1 長(zhǎng)江口懸沙濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC) in the Yangtze Estuary

注：Xuliujing(徐六涇)測(cè)站數(shù)據(jù)為2003年2月平均值。

從徐六涇-口門-口外，懸沙濃度在北支與南支(含南、北港和南、北槽)均呈先增大再減小的分布規(guī)律，北支的懸沙濃度整體上大于南支。據(jù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，懸沙濃度在南支平均約為0.64 kg/m3，在北支平均為1.45 kg/m3，北支約為南支系統(tǒng)的2.3倍。長(zhǎng)江口懸沙濃度的最大值(2.15 kg/m3)出現(xiàn)在北支中段，懸沙濃度最小值(0.10 kg/m3)出現(xiàn)在長(zhǎng)江口外側(cè)最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)。杭州灣北側(cè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)懸沙濃度平均為2.15 kg/m3，明顯大于長(zhǎng)江口區(qū)域(見(jiàn)圖2)。

懸沙濃度的空間分布在南支內(nèi)也存在明顯的差異。南支上段平均懸沙濃度最小(僅約0.15 kg/m3)，南槽區(qū)域的懸沙濃度則整體最大(平均為0.93 kg/m3)，約為南支上段的6倍。而南支系統(tǒng)其余區(qū)域，懸沙濃度一般均在0.6～0.7 kg/m3之間。

3.2 年際變化

自2002年以來(lái)，長(zhǎng)江8月徑流量(大通站數(shù)據(jù))呈周期性波動(dòng)，但總體無(wú)明顯升高或降低趨勢(shì)，平均流量約為42 100 m3/s(見(jiàn)圖3)。長(zhǎng)江8月輸沙量在各年份之間的波動(dòng)趨勢(shì)與徑流量基本一致，但輸沙量總體呈下降趨勢(shì)。相對(duì)于2002年8月的約0.70億t輸沙，2003年8月暴跌至0.18億t，主要?dú)w因于三峽大壩建成蓄水，大量泥沙被攔截在水庫(kù)之中。此后數(shù)年，因長(zhǎng)江中下游河床沖刷補(bǔ)給，長(zhǎng)江入海輸沙量迅速回升，但補(bǔ)給量不足以抵消三峽大壩的攔沙量，長(zhǎng)江輸沙量總體仍呈波動(dòng)下降趨勢(shì)[6]。大通站懸沙濃度與輸沙量變化規(guī)律基本一致，大壩建成之后呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，近5 a來(lái)則處于相對(duì)穩(wěn)定的低水平。

圖2 長(zhǎng)江口懸沙濃度平面分布Fig.2 The distribution of SSC in the Yangtze Estuary

長(zhǎng)江口懸沙濃度的年際變化是基于2001年至2018年實(shí)測(cè)洪、枯季的大潮垂線平均數(shù)據(jù)。分析基于6個(gè)采樣點(diǎn)(Xuliujing、bzk、NGN4、BG3、NC2和CB2)數(shù)據(jù)，分別位于徐六涇、北支口、南北港和南北槽(見(jiàn)圖1)?？紤]到近十幾年來(lái)，長(zhǎng)江口洪季的輸沙量基本占全年輸沙量的50%以上[14]，同時(shí)洪季觀測(cè)數(shù)據(jù)較多，本部分內(nèi)容將主要以洪季為例展開(kāi)分析。

基于已有數(shù)據(jù)，徐六涇測(cè)點(diǎn)懸沙濃度總體呈下降趨勢(shì)。相比于2003年前的8月懸沙濃度(0.22 kg/m3),2017年懸沙濃度下降幅度達(dá)64%,僅為0.08 kg/m3。其中2006年因流域來(lái)水來(lái)沙量銳減(見(jiàn)圖4)，徐六涇站懸沙濃度處于極低水平(0.07 kg/m3)，隨后年份因輸沙量增加，懸沙濃度有所回升。北支口(bzk)測(cè)點(diǎn)洪季懸沙濃度亦呈明顯降低趨勢(shì)。2003年前約為1.42 kg/m3，后逐漸降為2008年的0.79 kg/m3和2010年的0.35 kg/m3。南港(NGN4)、北港(BG3)、南槽(NC2)、北槽(CB2)和北港中下段(bgx2和BG2)測(cè)點(diǎn)懸沙濃度在2016年之前整體呈減小趨勢(shì)，個(gè)別年份存在一定波動(dòng)。2016年之后，懸沙濃度又均呈逐年回升趨勢(shì)。

徐六涇測(cè)點(diǎn)受上游來(lái)水來(lái)沙減少影響顯著，2006～2009年期間懸沙濃度出現(xiàn)明顯降低。低懸沙濃度出現(xiàn)的時(shí)間段與三峽大壩的建成蓄水時(shí)間相比滯后約3 a，原因可能是河道侵蝕對(duì)長(zhǎng)江入海輸沙的補(bǔ)充，使得徐六涇測(cè)站懸沙濃度沒(méi)有迅速響應(yīng)三峽水庫(kù)的蓄水[6]。

注：數(shù)據(jù)點(diǎn)位位于南槽，經(jīng)緯度為： 122°E， 30.875°N。圖3 8月大通站徑流量、輸沙量和懸沙濃度及長(zhǎng)江口風(fēng)速的年際變化Fig.3 Variations of annual runoff, sediment flux and SSC at Datong Station, and wind speed in the Yangtze Estuary during August

而口門攔門沙區(qū)2016年以來(lái)各測(cè)站懸沙濃度的增大，則可能歸因于近幾年8月風(fēng)速和波浪強(qiáng)度的增大。如前所述，口內(nèi)測(cè)站表現(xiàn)為河流性，其懸沙濃度的年際變化主要取決于流域來(lái)水來(lái)沙的變化；而口門攔門沙區(qū)域懸沙濃度的變化除了受流域來(lái)水來(lái)沙影響，還受局地風(fēng)浪影響。

以南槽測(cè)點(diǎn)(NC2)為例，懸沙濃度與風(fēng)速密切相關(guān)。在風(fēng)速較大的2006，2011，2013年和2018年，懸沙濃度均有很好的響應(yīng)(見(jiàn)圖5)。風(fēng)浪的再懸浮作用對(duì)水體懸沙濃度有很大程度的補(bǔ)充，懸沙濃度年際變化的不確定性增強(qiáng)。雖然風(fēng)浪作用導(dǎo)致了某些特定年份懸沙濃度的波動(dòng)，但不會(huì)改變流域來(lái)沙減少引起懸沙濃度總體下降的大趨勢(shì)。

3.3 討 論

洪季，長(zhǎng)江口內(nèi)徐六涇測(cè)站的懸沙濃度演變趨勢(shì)與長(zhǎng)江入海水體懸沙濃度(大通站)的下降趨勢(shì)基本一致。而長(zhǎng)江口門攔門沙區(qū)域由于受局部地形、外海風(fēng)浪等其他因素的影響，懸沙濃度變化趨勢(shì)的不確定性較強(qiáng)，但仍呈總體減小的趨勢(shì)。

注：(1)Xuliujing(徐六涇)站2008年之前數(shù)據(jù)為8月期間水文測(cè)驗(yàn)漲落潮平均值，數(shù)據(jù)引自《長(zhǎng)江口河道演變規(guī)律與治理研究》[15]，2008年之后數(shù)據(jù)為8月的平均值，每天一個(gè)數(shù)據(jù)；其余測(cè)點(diǎn)2003年前為2001～2003年6～9月期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)；某些測(cè)點(diǎn)因地形變化，位置有所變動(dòng)，同時(shí)為盡量整合利用數(shù)據(jù)，部分鄰近點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。圖4 長(zhǎng)江口典型測(cè)點(diǎn)8月懸沙濃度的年際變化Fig.4 Annual variations of SSC at some typical stations during August in the Yangtze Estuary

圖5 南槽測(cè)點(diǎn)懸沙濃度與風(fēng)速變化序列Fig.5 Annual variations of SSC and wind speed during August in South Passage

枯季，長(zhǎng)江輸沙量基本僅占據(jù)全年輸沙量的5%～10%之間，而枯季長(zhǎng)江口風(fēng)浪作用的影響卻較洪季增強(qiáng)，所以枯季長(zhǎng)江輸沙對(duì)長(zhǎng)江口懸沙濃度的影響減小，而風(fēng)浪對(duì)懸沙濃度的影響作用卻增大，導(dǎo)致長(zhǎng)江口枯季懸沙濃度的年際變化趨勢(shì)的不確定性更強(qiáng)。

考慮到長(zhǎng)江流域內(nèi)大壩、水庫(kù)的修建以及水土保持工作仍在繼續(xù)，長(zhǎng)江口徑流水體的懸沙濃度將會(huì)繼續(xù)降低[6]，推測(cè)長(zhǎng)江口洪季懸沙濃度的年際變化將會(huì)繼續(xù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，并在流域輸沙量穩(wěn)定后趨于穩(wěn)定；而枯季懸沙濃度的年際變化不確定性較強(qiáng)，主要取決于當(dāng)年風(fēng)浪強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

(1) 新水沙形勢(shì)下，長(zhǎng)江口懸沙濃度存在明顯的空間分布差異。縱向上，自徐六涇至口門再至口外，懸沙濃度呈先增大后減小趨勢(shì)；橫向上，懸沙濃度差異巨大，南支的懸沙濃度平均約為0.64 kg/m3，北支平均為1.45 kg/m3，杭州灣北側(cè)則平均高達(dá)2.15 kg/m3。

(2) 長(zhǎng)江口洪季懸沙濃度的年際變化基本呈下降趨勢(shì)?？趦?nèi)徐六涇測(cè)點(diǎn)下降趨勢(shì)尤為明顯，相較于建壩前(0.22 kg/m3)，2017年(0.08 kg/m3)降幅高達(dá)64%。2016年之前，北支口、南港、北港和南港、北槽測(cè)點(diǎn)懸沙濃度亦基本呈下降態(tài)勢(shì)，但2016年之后有所回升?？陂T受風(fēng)浪因素影響較大，泥沙再懸浮作用較強(qiáng)，懸沙濃度的年際變化因各年份風(fēng)浪的強(qiáng)度變化存在一定的波動(dòng)，不確定性較強(qiáng)。