余文疇,張志林

(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010； 2.長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

三峽蓄水后清水下泄對長江中下游產生長距離的沖刷，目前已經發(fā)展到長江下游。長江口的水沙條件將怎樣變化及其對河床演變產生什么樣的效應是泥沙研究者普遍關注的問題；同時，近期長江口宏大規(guī)模的諸多河道整治工程的實施在這個變化中發(fā)揮了怎樣的作用，也是工程實踐中治河工作者探知的重要問題。為此，本文首先針對來水來沙和邊界條件二要素，對比分析了三峽蓄水前后長江下游大通站與長江口徐六涇站水沙條件的變化，進而結合近期長江口實施的大量河道整治工程，根據(jù)全面而系統(tǒng)的河道觀測資料，研究了長江口河床演變最活躍的河床地貌——基本河槽的沖淤變化，旨在從宏觀上掌握三峽蓄水后長江口河床沖淤量及其強度、沖淤分布、形態(tài)變化及調整趨向。本文尚屬一項基礎性分析工作，文中的初步認識，可為各界對三峽蓄水后長江口演變與治理的進一步深入研究提供借鑒。

1 長江口近期來水來沙和邊界條件的變化

長江口近期來水來沙條件和邊界條件都有較大的變化。一是長江三峽水庫運行后，長江中下游來水來沙條件有了顯著的變化；三峽水庫的調度使得年內徑流過程具有新的特點，即汛期徑流減小，枯期增大，中水期延長；而來沙條件變化更大，年輸沙量和含沙量大幅減小，這種影響一直波及到長江口。另一方面，根據(jù)《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)和地區(qū)發(fā)展需要，長江口實施了一系列圈圍工程、岸線調整工程和航道整治工程，極大地改變了其邊界條件。

表1 長江下游大通站三峽蓄水前后水沙特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of water and sediment discharge at Datong Station before and after Three Gorges impoundment

1.1 來水來沙條件

1.1.1 大通站水沙條件

大通水文站為長江干流最下游的一個控制站。由于大通以下流域面積甚小，只占全流域的5%，區(qū)間支流匯入的徑流和泥沙量均很小，故歷來習慣將大通站的水文泥沙統(tǒng)計特征作為長江口的來水來沙條件。三峽水庫蓄水后，根據(jù)1950—2002年和2003—2018年兩時段水沙特征(見表1)對比，大通站的來水來沙條件發(fā)生了以下變化[1]：

(1)徑流量與年內分布。據(jù)統(tǒng)計，三峽蓄水后2003—2018年大通站年平均徑流量為8 597億m3，比蓄水前1950—2002年年平均徑流量9 051億m3減小了5.0%，這既有氣候的因素，也有近期水文系列較短的因素，估計未來在上、中、下游引、調水的情況下，年徑流量仍會有小幅減小。蓄水后年內分布汛期(5—10月份)占全年的63.3%，減小了3個百分點，其中10月份的減小相對較大，枯期(12、1、2、3月份)則有明顯增大。兩個時段相比，歷年最大流量大幅減小，歷年最小流量則大幅增大。

(2)輸沙量與含沙量。兩時段相比，大通站年平均輸沙量大幅減小，由4.27億t減小為1.34億t，減少了68.6%，最大和最小年輸沙量分別減小68.1%和69.8%；年內分布汛期(5—10月份)減少幅度也超過2/3，枯期減少幅度相對較小，但也達1/4。兩時段年平均含沙量和最大含沙量分別減小67.4%和68.5%。

可以概括，三峽蓄水后比蓄水前時段大通站年徑流量有所減小，其主要影響因素為三峽水庫調度。蓄水后大通站沙量大幅減小，年平均輸沙量、最大和最小年輸沙量、年平均含沙量和最大含沙量的減小幅度都達到2/3以上(在67.4%～69.8%之間)。徑流年內分布的調整和沙量大幅度減小是三峽蓄水后來水來沙條件變化的一大特點。

1.1.2 徐六涇站與大通站水沙條件對比

進入21世紀以來，長江口水文水資源勘測局加強了長江口潮汐水流的水文泥沙觀測，徐六涇站自2005年以來有了較系統(tǒng)的漲、落潮流觀測與統(tǒng)計資料，2011年以來又有了潮流的輸沙資料，從而與大通站水沙條件對比提供了基礎?，F(xiàn)將上述資料與大通站的資料進行初步的對比和分析[2]。

(1)大通站徑流量與徐六涇站潮流凈泄量。根據(jù)2005—2018年的資料，上述兩站徑、潮流量的對比呈現(xiàn)較好的對應關系(見圖1)。

圖1 2005—2018年徐六涇站與大通站年均、月均徑、 潮量對應關系Fig.1 Relations between annual/monthly runoff and annual/monthly tidal current discharge at Datong Station and Xuliujing Station from 2005 to 2018

從年際變化來看，徐六涇站年凈泄量較大通站年徑流量大0.22%～7.40%，歷年平均增幅為3.17%，即年平均增多水量272億m3。從兩站歷年月平均值對比來看也呈現(xiàn)較好的對應關系。年內各月數(shù)值大小的排序，兩站是一致的；除5、6月份外，都是徐六涇站月凈泄量大于大通站月徑流量，增大2.04%～7.18%，而5、6月份平均值分別偏小2.30%和2.57%。

(2)大通站輸沙量與徐六涇站凈泄沙量和含沙量。徐六涇站只有8年資料統(tǒng)計值，但兩站年、月輸、泄沙量的對比關系(圖2)，也呈現(xiàn)較好的趨勢性。從各月輸、泄沙量對比來看，除1、10、12月份徐六涇站凈泄沙量大于大通站輸沙量(大1.83%～10.1%)外，其他9個月都是小于大通站(約小5.17%～41.9%)。歷年平均含沙量，徐六涇站、大通站分別為0.114 kg/m3和0.138 kg/m3；兩站月均含沙量的對比關系也較好；各月來看，也是除1、10、12月份外，都是徐六涇站小于大通站的月均含沙量(小2.91%～40.4%)。

圖2 2011—2018年徐六涇站與大通站月均輸沙量、 月均含沙量對應關系Fig.2 Relations of monthly sediment discharge and monthly sediment concentration between Datong Station and Xuliujing Station from 2011 to 2018

綜上所述，通過分析大通站三峽蓄水前后水沙資料，并與三峽蓄水后徐六涇站與大通站輸、泄沙量和含沙量資料進行對比可以認為，三峽蓄水后長江口潮流凈泄量在年內分布有所調整，而年泄沙量和含沙量則有大幅度減小。

1.2 河床邊界條件

進入21世紀以來，長江口河床邊界條件發(fā)生了較大變化，在長度約為150 km河道內，修建了許多規(guī)模宏大的整治工程。這些整治工程主要是圍繞《規(guī)劃》中的河勢控制工程，包括徐六涇節(jié)點及白茆沙河段整治工程、南北港分流口整治工程、南支邊灘整治工程、北支整治工程、護岸工程以及深水航道整治工程等。

概括起來，具體實施的工程項目有3類：一是圈圍工程，二是岸線整治工程，三是江心洲整治與航道整治工程。主要工程見圖3。

1.2.1 長江口各河段圈圍工程

(1)徐六涇節(jié)點段新通海沙圈圍工程。堵塞了支汊，河寬由5.7 km縮窄至4.7 km，進一步增強了徐六涇節(jié)點穩(wěn)定性[3]。

(2)徐六涇節(jié)點展寬段常熟邊灘圈圍工程。穩(wěn)定了該段河漫灘河岸，有利于岸線保護和利用[4]。

(3)南槽出口南岸南匯嘴促淤圈圍工程。對堤外累積淤長的河漫灘實施促淤圍圈，一定程度上束窄了口門形態(tài)[5]。

(4)北港下段和北槽之間橫沙東灘促淤圈圍工程。對向海域持續(xù)淤長的灘涂進行促淤圈圍，使北港出口段右岸和北槽左岸邊界向口外延伸[6]。

(5)北支崇明島側新躍沙、興隆沙至黃瓜沙促淤圈圍工程。束窄了河槽，減小漲潮量和咸水上溯[7]。

(6)北支海門靈甸港及燈桿港圈圍工程。靈甸沙并岸，控制河勢[8]。

以上工程均不同程度束窄了平灘河槽的寬度。

1.2.2 岸線整治工程

(1)太倉岸灘岸線整治工程。圈圍了堤前廣闊的河漫灘，大大束窄了河道，控制了白茆沙汊道南水道的崩岸和河勢[9]。

(2)北支海門港岸線調整工程。歸順岸線，控制河勢[10]。

(3)北支啟東三條港至連興港岸線調整工程。歸順岸線，控制河勢[11]。

以上工程不同程度束窄了平灘河槽的河寬并控制了河勢。

圖3 長江口河勢圖Fig.3 Regime of Yangtze River estuary

1.2.3 江心洲整治與航道整治工程

(1)南北港分流口新瀏河沙護灘工程。穩(wěn)定了南港進口河勢條件。

(2)北港進口青草沙水庫圈圍工程。堵塞支汊，穩(wěn)定了北港進口河勢條件。

(3)新瀏河沙與中央沙之間南沙頭通道護底工程?？刂圃撏ǖ肋^流條件。

(4)中央沙頭圈圍工程。與新瀏河沙潛堤、青草沙圍堤、南沙頭潛壩護底一起，構成南、北港進口段的下邊界，有利于控制河勢[12]。

以上工程均有利于控制河勢。

(5)白茆沙汊道洲頭護灘航道整治工程。屬南京以下12.5 m深水航道整治項目，主要為遏制洲頭后退，穩(wěn)定洲體，改善航道條件[13]。

(6)北槽內深水航道整治和九段沙頭分流堤工程。屬長江口深水航道整治項目，先后實施了三期整治工程，已達到12.5 m水深的整治目標[14]。

以上兩項均取得了很好的航道整治。

圖4 長江口河段分段示意圖與整治工程位置Fig.4 Segments of the Yangtze River estuary and locations of regulation projects

通過以上工程的實施，長江口已基本達到了控制河勢、歸順岸線、改善航道條件的整治目標。

根據(jù)以上對河床演變二要素分析，可以認為，在河道整治改變邊界條件的變化中，較大的圈圍工程是依據(jù)《規(guī)劃》中“因勢利導”整治原則實施的，而一般的圈圍和岸線整治工程對平灘河槽的束窄均較小，就浩瀚的長江口而言影響較小，工程的實施對近岸河床將產生一定的沖刷；另外，航道整治工程的束窄與疏浚將直接對本河槽產生沖刷影響。需要強調的是，三峽蓄水后流域來水過程有一定調整，而來沙大幅度減少的水沙條件是一個影響長江口水文泥沙運動以至引起長江口區(qū)域內河床沖淤演變的全局性因素，必然會對河床沖淤變化產生較大的影響。以下就長江口近期基本河槽沖淤變化和形態(tài)調整進行分析。

2 基本河槽近期沖淤變化

長江口河床地貌研究表明[15]，以-5 m為特征等高線以下的基本河槽，是承受各種來水來沙條件和潮汐動力條件下水流泥沙運動作用的河床基本部分，是無時無刻不在發(fā)生床面運動和沖淤變化的部位，作為堆積地貌的基礎，它的沖淤變化常常影響著堆積形態(tài)的穩(wěn)定性，所以說基本河槽的形態(tài)及其變化是長江口河床演變分析中的首要方面。通過本節(jié)分析，可以對長江口基本河槽近期內河床沖淤及其分布和形態(tài)變化有個宏觀認識。

2.1 基本河槽河床沖淤量

進入21世紀以來，長江口水文水資源勘測局加強了對長江口全范圍水道地形的觀測。為了對三峽蓄水后長江口基本河槽沖淤變化進行宏觀上的全面分析，取2002年和2018年測圖分別代表蓄水前、后的地形(見圖3)，并將長江口區(qū)段分成9個特征段(見圖4)，統(tǒng)計和對比了兩次測圖各分段-5 m特征線以下河床容積，獲得各分段河床的沖淤量見表2。

由表2可以看出，長江口近期(約16 a)各分段河床總體上均發(fā)生了明顯的沖刷，總沖刷量為13.71億m3(不含北支，下同)。這一沖刷量超過了三峽蓄水后荊江河段2003—2018年的總沖刷量[15](11.38億m3)；而且基本河槽內各分段(除新橋水道外)均發(fā)生了1.0億m3以上的沖刷量。

從單位河長的沖刷量來看，以新川沙河口為界，上段沖刷大于下段。其中，每千米河長沖刷量最大排名前兩位的是南支主槽和徐六涇節(jié)點段，分別為1 040萬m3/km和949萬m3/km，其次是南港河段和白茆沙汊道段，分別為831萬、789萬m3/km，其他如北港上段、北港下段、南槽段和北槽段都在230萬～360萬m3/km之間，只有新橋水道總體為微淤，單位河長淤積為24.6萬m3/km。至于橫沙通道，因其幾乎與長江主流垂直，且長度僅8.07 km，單位河長沖刷僅16.1萬m3/km，在以下分析中略之。

表2 -5 m以下基本河槽2002—2018年河床容積與河床沖刷分布Table 2 Distributions of riverbed volume and scour of basic channel below -5 m depth from 2002 to 2018

從單位河長年平均沖刷量來看，沖刷強度也是頗大的。徐六涇節(jié)點段、白茆沙汊道段、南支主槽和南港河段的沖刷強度分別為59.3萬、49.3萬、65.0萬和52.0萬m3/(km·a)，遠大于荊江河段三峽蓄水后的平均沖刷強度20.5萬m3/(km·a)；北港上段、南槽段和北港下段、北槽段分別為22.8萬、20.0萬m3/(km·a)，和15.9萬、14.4萬m3/(km·a)，也分別大于和接近下荊江的平均值16.3萬m3/(km·a)。

長江基本河槽近期沖刷量和沖刷強度如此之大，是與以上闡述的來水來沙和邊界條件的變化相應的，即一系列的圈圍工程、岸線整治工程、江心洲整治和航道整治工程的實施，束窄了河道，縮小了河漫灘寬度，從而加強了基本河槽內水流動力對近岸河床的沖刷作用；更應強調的是，三峽蓄水后“清水下泄”使長江中下游直至長江口來沙大幅減小，在長江口徑流和潮汐雙重動力作用下，來自上游徑流的能量和來自口外潮汐的能量疊加，在含沙量大幅度減小的情況下，水流挾沙力的富余加強了河床的沖刷作用?；竞硬鄣膹娏覜_刷必然會在宏觀上產生形態(tài)的明顯變化和調整。

2.2 基本河槽沖淤分布

表3列出了長江口各分段2002年與2018年基本河槽不同部位的容積和河床沖淤分布情況，可見除了極個別部位外(如白茆沙汊道段和新橋水道-5～-10 m河床淤積)，其他各分段所有部位宏觀上均為沖刷，這是長江口近期河床演變的主要特征。

雖然在總體上基本河槽內的沖刷分布在-5～-10 m、-10～-15 m和-15 m以下(分別相當于潛邊灘與潛心灘、淺灘和深槽等河床地貌部分，以下相應稱為上層、中層和下層)的沖刷量分別為4.688億、5.619億和3.407億m3，各占總沖刷量的34.2%、41.0%和24.8%。但進一步分析可知，具體的沖刷部位卻很不相同：總體來看，新川沙河口以上的沖刷，在上、中、下3層都有發(fā)生，新川沙河以下則多發(fā)生在中、上層；各分段之間均有不同的分布特點，具體分析如下：

(1)徐六涇節(jié)點段和南支主槽，上、中、下層均有沖刷，上層河床沖刷占30%左右，表現(xiàn)為展寬；而中、下層沖刷均占30%～40%，河床既沖寬又沖深。

(2)白茆沙汊道段，上層淤積，汊道河寬束窄，中、下層河床沖刷特別是下層沖深占76%，這與左汊(北水道)淤衰、右汊(南水道)沖刷發(fā)展、尤其是右汊過度沖深的演變特性相關。

以上(1)、(2)在新川沙河口上段，主要表現(xiàn)為中、下層沖刷更為顯著。

(3)北港上段，上層河床略有沖刷，中、下層顯著沖刷，特別是中層河床沖刷很大，占69%，這與青草沙圈圍堵塞支汊有關。

表3 -5 m河槽2002—2018年河床沖淤量與河床形態(tài)變化統(tǒng)計Table 3 Statistics of riverbed scour and deposition and riverbed morphology change of basic channel at -5 m depth from 2002 to 2018

(4)南港河段，主要沖刷在中層，占50%，其次是上層占34%，下層也有一定的沖刷，這與南港入流改善和瑞豐沙沖蝕有關。

以上(3)、(4)為新川沙河口以下的上段，主要沖刷在中層。

(5)北港下段，主要是上層河床沖刷，占70%，中層也有一定的沖刷，占29%，下層沖刷甚微，這主要是因為接近口門段潮流作用強所致，也與橫沙東灘促淤圈圍工程的作用有關，顯然其影響主要在上層，對下層作用很小。

(6)北槽段，沖刷只發(fā)生在上、中層，分別占45%和55%，下層沒有沖刷，中層沖刷較大與深水航道整治有關。

(7)南槽段，沖刷絕大部分發(fā)生在上層，占83%，中層也有一定的沖刷，下層幾乎沒有沖刷，其上段沖刷與江亞南沙左汊發(fā)展有關，下段沖刷與南匯邊灘促淤圈圍有關。

以上(5)、(6)、(7)為3個入海段，反映了在強潮流的作用下，同時受到整治工程的影響，主要沖刷基本都在上層，其次是中層，北槽段則因受航道整治工程束窄影響較大而使中層沖刷相對較大。

以上沖淤分布具有一定的規(guī)律性，體現(xiàn)出長江口愈往上游段受徑流動力作用相對較大，而愈往下游口門受潮汐動力作用相對較大對河床沖刷的部位亦不同的特性。

上述三大片各分段與筆者曾對長江口水流泥沙運動分為三區(qū)基本相應[16-17]。

(8)新橋水道，由于屬于漲潮槽，處于緩慢淤積態(tài)勢，上層淤積河寬束窄，中層和下層均有少量沖刷。

3 基本河槽形態(tài)調整

長江口各分段基本河槽形態(tài)變化見表3。

(1)河槽面積與平均河寬。由表3可知，長江口各分段基本河槽的面積與平均河寬都有明顯的調整，而且面積與河寬的變化具有一致性?；竞硬勖娣e與平均河寬增大的河段一般都是處于自然狀態(tài)下的演變，如南支主槽、南港河段和南槽。基本河槽的面積與平均河寬減小的河段都是整治工程所致，面積減少與河寬變小最大的是北槽段，分別減小了61.3 km2和1.17 km，均減小了25.7%，其次是北港下段。前者顯然是深水航道整治工程所致，后者應是橫沙東灘圈圍的結果。只有新橋水道為漲潮槽，總體為淤積狀態(tài)，其面積的萎縮和河寬的減小是其自然演變的特性。

(2)河槽平均水深。由表3可知，在河床總體沖刷下，長江口各分段的平均水深普遍增大。結合以上對平均河寬的分析，可見無論其河寬減小還是增大，平均水深都顯著增加。這反映了來水來沙條件變化的影響占主導地位，平均水深增加1.0 m以上的有徐六涇節(jié)點段、白茆沙汊道段、南港河段和北槽段，其他各分段的增加也都在0.5～1.0 m之間。

4 基本河槽河床演變趨向

(1)基本河槽將向繼續(xù)沖刷的方向發(fā)展。在《規(guī)劃》的指導下，隨著洲灘圈圍工程和岸線整治工程的進一步實施，河勢的穩(wěn)定性將得以進一步加強；同時，在流域來沙大幅減小的作用下，長江口河床已受到普遍沖刷，預計在今后一段時間內基本河槽將繼續(xù)受到沖刷。

(2)基本河槽形態(tài)將向寬深比繼續(xù)減小的方向發(fā)展。從表3中2002年與2018年基本河槽上、中、下3層容積所占百分數(shù)的比較來看，各段上層均明顯減小，下層則均有增大，而中層以新川沙河口為界，以上各段是變化不大，以下各段主要是中層明顯增加，體現(xiàn)了調整形式的不同。

(3)沖刷后基本河槽中上、中、下3層容積權重格局沒有大的變化，基本河槽在沖刷后，各分段上、中、下3層容積所占百分數(shù)雖然都有調整，但3層百分數(shù)為大、中、小的格局仍未變化。未來是否仍保持這一格局或發(fā)生新的調整有待觀察和研究。

5 結 論

進入21世紀以來，長江口河床邊界條件發(fā)生了較大變化，概括起來具體實施的工程項目有3類：一是圈圍工程，二是岸線整治工程，三是江心洲整治和航道整治工程。通過以上工程的實施，長江口已基本上達到了控制河勢、歸順岸線、改善航道條件的整治目標。

在新來水來沙條件和河床邊界條件下，長江口基本河槽發(fā)生了全面的沖刷，河床沖刷量和沖刷強度均較大，沖刷分布有其一定的規(guī)律性，即新川沙河口以上的沖刷，在上層(-5～-10 m)、中層(-10～-15 m)、下層(-15 m以下)都有發(fā)生；而新川沙河口以下則多發(fā)生在中、上層，在接近口門的入海段主要發(fā)生在上層，體現(xiàn)出長江口愈往上游段受徑流動力作用相對較大，而愈往下游口門受潮汐動力作用相對較大對河床沖刷的部位亦不同的特性。

長江口各分段基本河槽的面積與平均河寬都有明顯的調整。基本河槽面積與平均河寬增大的河段一般都是處于自然狀態(tài)下的演變，基本河槽的面積與平均河寬減小的河段都與整治工程有關。各分段基本河槽斷面形態(tài)調整的共性是以刷深為主，平均水深普遍增大。不管各分段原先斷面寬深比大小如何，在新水沙條件下該值均減小，表明長江口基本河槽斷面形態(tài)在宏觀上普遍變得相對窄深。

在《規(guī)劃》的指導下，隨著洲灘圈圍工程和岸線整治工程的進一步實施，河勢的穩(wěn)定性將得以進一步加強；同時，在流域來沙大幅減小的作用下，長江口河床已受到普遍沖刷，預計今后一段時間內，在徑流能量和口外潮汐能量疊加以及含沙量減小的大環(huán)境下，基本河槽將繼續(xù)受到沖刷。