徐祎凡， 欒震宇， 陳煉鋼， 金 秋， 陳黎明， 胡騰飛

(1.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029； 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029)

1 概 述

長(zhǎng)江口是中國(guó)第一大河口，水下地形復(fù)雜，其水動(dòng)力條件既受到上游徑流條件影響，也受到外海潮波影響。而與此同時(shí)，長(zhǎng)江入海攜帶的泥沙則是維持長(zhǎng)江口沿岸以及其河口沖積地貌整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1]。根據(jù)大通水文站的資料顯示，20世紀(jì)70年代以來(lái)，長(zhǎng)江下游水體泥沙含量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)[2]，而在2003年三峽工程蓄水以后經(jīng)長(zhǎng)江口入海的泥沙量更是急劇減少。作為世界最大的河流水利樞紐工程[3]，三峽大壩對(duì)長(zhǎng)江中下游、河口以及近海沿岸區(qū)域有著深遠(yuǎn)的影響，這就使其成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，但目前研究結(jié)果大多還是定性的，對(duì)長(zhǎng)江口區(qū)域水下地形沖淤變化的具體情況還研究較少[4-9]。本文根據(jù)專業(yè)測(cè)繪部門測(cè)量的2006年和2012年2次長(zhǎng)江口澄通河段水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后澄通河段水下地形的沖淤變化在空間上進(jìn)行了定量分析，同時(shí)結(jié)合大通水文站的泥沙和流量資料，探討長(zhǎng)江入海泥沙減少對(duì)長(zhǎng)江口澄通河段水下地形沖淤的影響。

2 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江口澄通河段西起鵝鼻咀，東至徐六涇，全長(zhǎng)96. 8 km。由福姜沙汊道段、如皋沙群汊道段和通州沙汊道段組成。河道左岸依次是江蘇省靖江市、如皋市、以及南通市，右岸為江蘇省江陰市、張家港市和常熟市。長(zhǎng)江口澄通河段江面寬闊，洲灘及水下暗沙眾多，河道多汊分流，在徑流、潮流等多種動(dòng)力因素的作用下，河道演變復(fù)雜。隨著近年來(lái)沿江兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿岸各市加大了該河段的整治力度，目前澄通河段河勢(shì)總體穩(wěn)定。隨著三峽建壩蓄水后，長(zhǎng)江入海泥沙量急劇減少，這將對(duì)澄通河段內(nèi)眾多沙洲的發(fā)展變化產(chǎn)生影響，而沙洲的變化將對(duì)河床的沖淤變化產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到長(zhǎng)江主航道深槽的擺動(dòng)，使得通航安全受到威脅。

3 數(shù)據(jù)與方法

本文中采用的空間數(shù)據(jù)為2006年和2012年2次測(cè)量的長(zhǎng)江口澄通河段水下地形數(shù)據(jù)，為橫軸墨卡托投影和1954年北京坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高距為1 m，采用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括對(duì)地形資料進(jìn)行數(shù)字化，等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入、編輯和修正，進(jìn)而建立澄通河段2006年和2012年的數(shù)字高程模型。因研究區(qū)域主要針對(duì)澄通河段河道水下地形，所以將河道中福姜沙、民主沙以及長(zhǎng)青沙和橫港沙進(jìn)行了剔除。此外，為研究河道沖淤變化的空間差異性，本文把澄通河段劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為福姜沙水道(包括福北、福中和福南水道)、瀏海沙水道、通州沙水道(通州沙東水道、通州沙西水道)以及狼山沙水道(狼山沙東水道、狼山沙西水道)，結(jié)合水沙數(shù)據(jù)對(duì)它們的沖淤變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。大通站2007—2011年水沙資料來(lái)自水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局。

圖1和圖2分別為2006年和2012年長(zhǎng)江口澄通河段水下地形圖。

圖1 2006年長(zhǎng)江口澄通河段水下地形

圖2 2012年長(zhǎng)江口澄通河段水下地形

4 研究與分析

4.1 河道沖淤量和垂向沖淤速率

澄通河段河道沖淤分布情況較為復(fù)雜，河道沖刷面積為284.91 km2，占整個(gè)河道面積的55.54%，淤積面積為228.11 km2，占河道面積的44.46%。凈沖刷體積為1.89×108m3，按照干容重1.4 t/m3，2006—2012年，澄通河段凈沖刷量為2.65×108t，平均年沖刷量為0.53×108t。整個(gè)河道平均沖刷厚度為0.37 m，年均凈沖刷速率為6.17 cm/a。澄通河段沖淤分布見(jiàn)表1。

表1 2006—2012年澄通河段沖淤分布

2006—2012年澄通河段水下地形沖淤分布見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，河道沖刷部分主要集中在深泓線區(qū)域，而淤積部分主要位于河道中的沙洲附近。

圖3 2006—2012年澄通河段水下地形沖淤分布

4.2 河道沖淤的空間差異

福姜沙水道的河道面積約為81.61 km2，其中沖刷和淤積面積分別為48.05 km2和33.56 km2，凈沖刷體積為5.82×107m3，沖刷區(qū)域主要集中在福北水道東部和西部、福中水道以及雙澗沙等區(qū)域，淤積區(qū)域主要分布在福南水道、福中水道中部。瀏海沙水道的河道面積約為99.87 km2，其中沖刷和淤積面積分別為51.8 km2和48.07 km2，凈沖刷體積為3.86×107m3，沖刷區(qū)域主要集中在如皋中汊、瀏海沙水道中部至東部，而淤積區(qū)域主要分布在長(zhǎng)青沙北部和東部。通州沙水道的河道面積約為203.57 km2，其中沖刷和淤積面積分別為118.12 km2和85.45 km2，凈沖刷體積為2.84×107m3，沖刷區(qū)域主要集中在通州沙東水道中部和西水道，而淤積區(qū)域主要分布在通州沙東水道的南部和北部以及通州沙。狼山沙水道的河道面積約為127.97 km2，其中沖刷和淤積面積分別為66.94 km2和61.03 km2，凈沖刷體積為6.4×107m3，沖刷區(qū)域主要集中在各條水道，分別為福山水道、狼山沙西水道和狼山沙東水道，而淤積區(qū)域主要分布在狼山沙和鐵黃沙。

根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出，澄通河道中福姜沙水道和狼山沙水道垂向沖刷強(qiáng)度較高，凈沖刷厚度分別為0.71 m和0.5 m，凈沖刷速率為11.83 cm/a和8.24 cm/a。而福姜沙水道和狼山沙水道沖刷面積分別占區(qū)域的58.88%和52.31%。各水道沖淤分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各水道沖淤情況

4.3 典型剖面沖淤變化

研究中，在澄通河段選取4個(gè)典型斷面。其中斷面1位于福北水道和福中水道，斷面2位于瀏海沙水道，斷面3位于通州沙水道，斷面4位于狼山沙水道。通過(guò)圖4至圖7可以看出，斷面1、2、3為復(fù)式斷面，而斷面4為馬鞍形斷面。

圖4 2006年和2012年斷面1對(duì)比

圖5 2006年和2012年斷面2對(duì)比

圖6 2006年和2012年斷面3對(duì)比

圖7 2006年和2012年斷面4對(duì)比

通過(guò)斷面1可以看出，福北水道左岸在2006—2012年處于淤積狀態(tài)，位于河道中部寬度約為1.5 km范圍則處于沖刷狀態(tài)，而位于河道右岸雙澗沙附近的福中水道有約400 m寬的區(qū)域呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。斷面2顯示在，瀏海沙水道的深槽位置發(fā)生擺動(dòng)，其向左擺動(dòng)了近1 km，而原本只有200 m深槽區(qū)域由于沖刷作用發(fā)生了擴(kuò)展，深槽區(qū)拓寬了近900 m。在斷面3中，天生港附近的通州沙東水道右側(cè)深槽處于刷深狀態(tài)，距離左岸約2 km的深槽區(qū)域在2006—2012年發(fā)生了淤積，而深槽右側(cè)的河道則處于被沖刷的狀態(tài)。斷面4狼山沙西水道河槽向左擺動(dòng)明顯，且在距離左岸約7 km處的深槽發(fā)生明顯的淤積現(xiàn)象，而近右岸的深槽經(jīng)沖刷作用拓寬明顯。

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，1985年之前大通水文站記錄的來(lái)沙量處于較高的水平，年平均輸沙量達(dá)到4.33億t，而在這之后，其來(lái)沙量就處于整體下降的趨勢(shì)，特別是在三峽水庫(kù)蓄水以后，2003—2005年大通站輸沙量降至1.90×108t/a，而根據(jù)本次研究數(shù)據(jù)，2007—2011年期間除了2010年長(zhǎng)江發(fā)生流域大洪水，造成來(lái)水來(lái)沙量升高以外，大通站輸沙量整體繼續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，由1.34×108t/a降至0.69×108t/a。相關(guān)研究表明，在三峽水庫(kù)蓄水后，洞庭湖泥沙淤積明顯減弱且中下游主要支流輸沙量增加。2007—2011年大通站流量和輸沙量變化見(jiàn)圖8。

圖8 2007—2011年大通站流量和輸沙量變化

隨著長(zhǎng)江中上游以三峽水庫(kù)為代表的梯級(jí)水庫(kù)群的建成并蓄水發(fā)電，加之長(zhǎng)江中上游流域水土保持措施的持續(xù)加強(qiáng)，長(zhǎng)江口區(qū)域的來(lái)沙量將持續(xù)處于較低的水平[10]，這將導(dǎo)致澄通河段河道的沖刷，這對(duì)澄通河段的穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定影響[11]，在今后的一段時(shí)期，長(zhǎng)江口區(qū)域水下地形整體上將繼續(xù)保持沖刷狀態(tài)。

5 結(jié) 論

2006—2012年，澄通河段的河道地形整體呈現(xiàn)沖刷的狀態(tài)，這主要是由于長(zhǎng)江流域人類活動(dòng)特別是上游梯級(jí)水庫(kù)群建成蓄水后，造成大量來(lái)沙被沉淀在庫(kù)區(qū)，下游來(lái)沙量減少造成的。根據(jù)大通站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大通站年輸沙量由2007年的1.34億t降至2011年的0.6億t；澄通河段在2006—2012年河道呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，平均沖刷厚度約為0.37 m，凈沖刷體積為1.89×108 m3；福中水道和福北水道分別發(fā)生了沖刷和淤積，其中沖刷和淤積面積分別為48.05 km2和33.56 km2；瀏海沙水道的深槽位置發(fā)生擺動(dòng)，右側(cè)河道變寬，天生港附近的通州沙東水道右側(cè)深槽處于刷深狀態(tài)；而狼山沙東水道河槽向左偏移明顯，河道沖刷和淤積面積分別為66.94 km2和61.03 km2，凈沖刷體積為6.4×107 m3。