近十年來長江口北支動(dòng)力地貌演化過程

近十年來長江口北支動(dòng)力地貌演化過程摘要：北支是長江河口重要的分汊河道之一，其演化關(guān)系到通航條件、生態(tài)保護(hù)及河口工程的安全性，是水利學(xué)和海洋學(xué)界共同關(guān)注的話題。本文收集2007~2017年間河道實(shí)測斷面數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)對北支演化及其影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：2007-2017年間長江□北支整體以侵蝕為主，共侵蝕泥沙量約13.97x106t,年均侵蝕厚度約0.46cm,空間上呈中上段侵蝕，下段淤積，口門“北沖南淤”的變化特征；流域輸沙減少和大量圍墾采砂是北支近期河槽侵蝕和潮流沙脊消失的主要驅(qū)動(dòng)因素，河道寬度和曲率的變化是引起北支沖淤空間差異的主要原因，地轉(zhuǎn)偏向力對□門演化影響明顯。鑒于北支的侵蝕演化已影響到灘涂濕地的發(fā)育，故建議未來北支周圍省市應(yīng)堅(jiān)持“長江大保護(hù)”和“長三角一體化”等國家戰(zhàn)略，協(xié)同保護(hù)北支的灘涂濕地。關(guān)鍵詞：長江口；北支；地形；侵蝕；動(dòng)力地貌；演化過程；驅(qū)動(dòng)因素河口位于陸域、海洋和河流的過渡地帶，擁有豐富的河道、灘涂、濕地等獨(dú)特的河口生態(tài)資源，也是重要的水運(yùn)航道。長江口呈“三級分汊，四口入?！被靖窬郑?］o北支位于長江口第一級分汊口北汊道，西起崇明島頭，東至入?？冢L約79km，平面呈喇叭形，水深較淺，發(fā)育大量的心灘和邊灘［2'31，也是長江口重要的支航道之一。歷史上長江口北支曾是長江口主要的分流汊道之一，但受河道兩側(cè)人類活動(dòng)和長期地轉(zhuǎn)偏向力的影響，北支處于不斷淤漲衰退的演化趨勢［21，落潮分流比從1915年的15%轉(zhuǎn)變?yōu)?959年的0.7%，并成為潮控型漲潮優(yōu)勢河道［4-51，1999年以來的分流量穩(wěn)定在1%以下［61。由于長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，北支兩岸經(jīng)歷大量圍墾工程［7-81。許多學(xué)者從北支水沙輸運(yùn)機(jī)制［9-111、北支沉積物變化特征［8'12-131、地形地貌演化［14-191、人類活動(dòng)影響［2,7'81等方面進(jìn)行了深入研究，但對近期北支演化特征研究較少，且相關(guān)分析在不同時(shí)期驅(qū)動(dòng)因素也不盡相同，鑒于此，研究近年來北支河道演化特征具有重要的學(xué)術(shù)意義。本文利用高分辨率單波束測深數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS分析方法對崇明東灘演化過程進(jìn)行研究，希望解決以下問題：近十年來長江口北支演化特征；大型工程對地形演變的影響；長江口北支的灘涂濕地保護(hù)策略。1數(shù)據(jù)來源與研究方法本文地形數(shù)據(jù)為長江上海航道處實(shí)測，定位系統(tǒng)采用SHCORS系統(tǒng)，利用單波束測深儀，儀器精度約（1?10cm）±1%測深，并結(jié)合GPS接收機(jī)進(jìn)行間距約1km的斷面測量，測深數(shù)據(jù)經(jīng)過多潮位站修正。坐標(biāo)采用理論最低潮面，北京54坐標(biāo)。平面定位最大和最小誤差分別約±1.99m和±0.95m。采集數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件中Kriging法進(jìn)行插值和網(wǎng)格化處理，并建立DEM地形模型，在地形模型中提取斷面，地形模型相減形成沖淤模型。數(shù)據(jù)選擇年份為2007年和2017年，為更好地定量對比長江口北支的地形變化，本文研究區(qū)域選取固定面積的區(qū)域進(jìn)行對比研究，具體邊界位置見圖1，選擇固定邊界內(nèi)研究區(qū)定量計(jì)算體積，具體計(jì)算邊界見圖1b，相鄰兩年體積相減，得到體積差，與研究區(qū)面積相除，得到?jīng)_淤厚度，研究區(qū)泥沙容重選用1.4t/m3［201，計(jì)算北支沖淤厚度變化。2北支地形演化特征2.1歷史地形演化長江口北支河道的形成和演化與崇明島的發(fā)育有較大關(guān)系，歷史上北支大部分時(shí)期處于自然演化態(tài)勢，人類活動(dòng)影響較小，1915年北支上口0m等深線河寬約5.8km，-10m等深線基本覆蓋北支河段，分流比約占長江口整體徑流量的25%；1954年由于長江大洪水的造床作用，南2?3 ?1?2 曰0?1 口.2?0 剖面位置圖1研究區(qū)域示意圖Fig.1Schematicdiagramofthestudyarea支河道被沖深加寬，南支分流比增加，而北支分流角繼續(xù)增大，徑流分流比減少，20世紀(jì)60年代后北支兩側(cè)圍墾工程增加，加速了北支的萎縮程度，北支逐漸由河控型河道變化為潮控型河道，徑流分流比逐漸下降至1%左右，潮流帶來的泥沙逐漸淤堵河道，河道逐年淤淺［18,21］。2.2地形沖淤變化從圖2長江口北支沖淤變化結(jié)果可見，2007?2017年地形變化可分為3個(gè)不同河段，分別為中上段、下段、口門段。北支中上段河道較窄，基本以侵蝕為主，局部河段侵蝕(-)/m-<-2 --1--0.5--0.5--0.2=-0.2~0淤積(+)/m=0-0.2-0.2~0.5"0.5-1"1-2->2圖22007~2017年長江口北支沖淤變化Fig.2ErosionanddepositionchangesintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuaryfrom2007to2017淤積，近十年間沖淤變化在0.5~1m之間，其中侵蝕范圍明顯大于淤積范圍，最大侵蝕或者淤積區(qū)發(fā)生于靠岸一側(cè)，侵蝕深度在1~2m之間；中下段為淤積河段，此河段河寬逐漸加寬，發(fā)生明顯的淤積，北側(cè)淤積大于南側(cè)，淤積厚度在0.5~1m之間，河道中間形成了一個(gè)窄的侵蝕條帶，條帶侵蝕深度在1m以上；口門河段呈“北沖南淤”態(tài)勢，存在明顯的沖淤分界線，侵蝕區(qū)范圍略大于淤積段范圍，北側(cè)侵蝕深度在0.5~1m之間，而南側(cè)淤積厚度大部分大于1m。2007年長江口北支河道容積約為0.66km3,2017年河道容積增大，約為0.67km3,研究區(qū)十年內(nèi)侵蝕量為13.97x106t，研究區(qū)面積為218.61km2,年均侵蝕速率為0.46cm。2.3典型斷面變化特征在研究區(qū)內(nèi)選擇5個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，其中AA'斷面在北支上口門，分析河道徑流入口斷面變化，BB'和CC'斷面都在北支河道轉(zhuǎn)折位置，在轉(zhuǎn)折角兩側(cè)分別進(jìn)行斷面分析，DD'斷面位于淤積區(qū)，位于崇啟大橋西側(cè)位置，EE'斷面位于北支下口門位置，監(jiān)測口門斷面變化。AA'斷面兩側(cè)變化相反，江蘇省滸通港一側(cè)發(fā)生明顯淤積，岸邊最大淤積厚度約8m，而崇明島一側(cè)發(fā)生侵蝕，最大侵蝕厚度在3m左右（圖3a）；BB'斷面在江蘇省中興村一側(cè)發(fā)生侵蝕，侵蝕深度在3m左右，而崇明島一側(cè)發(fā)生淤積，淤積厚度在1.5m左右（圖3b）；CC'在靠近江蘇省崇海鎮(zhèn)一側(cè)發(fā)育有一條深泓，在2007~2017年間深泓發(fā)生侵蝕增加，最大侵蝕深度在3m左右，深泓寬度也增寬，而崇明島一側(cè)沒有明顯的沖淤變化（圖3c）；DD'斷面位于淤積區(qū)，在2007年河道中間發(fā)育有一個(gè)心灘，但是在2017年，心灘基本消失，周圍發(fā)生明顯淤積，淤積厚度在1m左右（圖3d）；EE'斷面位于北支下口門，靠近江蘇省江海村一側(cè)發(fā)生明顯侵蝕，侵蝕深度在1.5m左右，而崇明島一側(cè)發(fā)生淤積，淤積厚度在0.5m左右，整體侵蝕略大于淤積（圖3e）。3北支演化驅(qū)動(dòng)因素從上述結(jié)果可知，2007~2017年間長江口北支近年來整體呈侵蝕態(tài)勢，局部中上段發(fā)生侵蝕，下段發(fā)生淤積，口門段發(fā)生“北沖南淤”變化特征。一般而言，河勢的穩(wěn)定是由于水流、泥沙和地形長期相互作用的結(jié)果，任何一個(gè)因素的改變都會(huì)打破河流原有的態(tài)勢。近年來長江口演化受人類活動(dòng)影響明顯，人類活動(dòng)打破原有的河流演化平衡，后河道經(jīng)過自適應(yīng)演化再次達(dá)到新的平衡，整個(gè)演化過程為平衡一不平衡一平衡［3,22］。3.1泥沙來源及與地形沖淤的關(guān)系動(dòng)力和泥沙來源是決定河道演化的主要因素，北支的水沙來源一般為長江徑流輸入和近海沿岸流輸送。由于圖32007?2017年長江口北支典型斷面水深變化Fig.3WaterdepthchangesoftypicalsectionsintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuaryfrom2007to20171954年大洪水對南支的沖刷作用，南支河道擴(kuò)大，基本成為長江徑流的主要分流口，加之20世紀(jì)60年代后，北支兩側(cè)大量圍墾工程的建設(shè)，北支的徑流分流比減少至1%左右，北支河道與長江主河道夾角基本接近90°（圖4），所以減少了北支中徑流攜帶的泥沙量，但流域輸沙仍然是北支重要的泥沙來源之一。由于長江上游攔水大壩工程、南水北調(diào)工程和一些水土保持工程的實(shí)施，長江泥沙輸運(yùn)量減少至過去的28%［3,23］，長江口整體懸沙含量較低，而根據(jù)趙捷等［4］分別于2009年和2010年在長江口徐六徑、南支崇西、北支永隆沙懸沙觀測可知，長江口徐六徑懸沙含量最低，北支永隆沙懸沙含量遠(yuǎn)大于南支崇西，最大懸殊在10倍以上，且北支口外存在蘇北沿岸流，蘇北沿岸流搬運(yùn)廢黃河三角洲泥沙，輸送至長江口［24］，在漲潮作用的輸送下，進(jìn)入北支，導(dǎo)致北支淤積變淺，是北支淤積的另一個(gè)重要物源之一。圖4長江口北支上口分流角特征Fig.4Diversionangle'scharacteristicsofupperentranceintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuary北支中上段以侵蝕為主，下段以淤積為主，根據(jù)北支的兩個(gè)泥沙來源，徑流輸沙減少可能是導(dǎo)致北支中上段侵蝕的主要原因之一，而沿岸流輸沙為北支下段淤積提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。3.2河道形態(tài)影響河道形態(tài)也是決定地形演化的主要因素，根據(jù)前述結(jié)果可知，北支中上段沖刷，下段淤積，中上段河寬較窄，下段逐漸變寬，動(dòng)力減弱，漲潮流泥沙在中下段大量淤積，上溯的過程中，隨著河寬變窄，流速增大，動(dòng)力增強(qiáng)，泥沙不容易落淤，所以導(dǎo)致中上段侵蝕大于淤積。長江口北支上段基本為侵蝕態(tài)勢（圖5a），在北支河道轉(zhuǎn)角位置也出現(xiàn)典型的“凹岸沖刷、凸岸淤積”現(xiàn)象（圖5b），局部河道由于從窄河道進(jìn)入寬河道后發(fā)生淤積現(xiàn)象。侵蝕(-)/m-<-2?-2?-1--1--0.5?-0.5~-0.2--0.2-0淤積(+)/m?0~0.2口0.2?0.5"0.5-1-1-2->2圖5長江口北支重要河段沖淤變化Fig.5ErosionanddepositionchangesoftheimportantsectionsintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuary3.3地轉(zhuǎn)偏向力影響北支河道主要由漲潮流控制［7,19］，尤其是口門位置，漲潮流動(dòng)力較強(qiáng)，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，漲潮流向右偏轉(zhuǎn)，動(dòng)力較強(qiáng)，導(dǎo)致江蘇省一側(cè)發(fā)生侵蝕，而崇明島一側(cè)主要由落潮流影響，北支落潮動(dòng)力較弱，發(fā)生淤積現(xiàn)象，而南側(cè)為崇明東灘位置，近年來崇明東灘基本為淤積態(tài)勢［3］，河道寬闊、地轉(zhuǎn)偏向力和多汊道交匯共同作用導(dǎo)致南側(cè)發(fā)生淤積現(xiàn)象。3.4人類活動(dòng)影響人類活動(dòng)已成為影響長江口地形演化的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，灘涂圍墾是典型的長江口人類活動(dòng)，也是河口演化的主要驅(qū)動(dòng)力。崇明北側(cè)邊灘是長江口重要的圍墾區(qū)之一，也是上海市主要的土地來源之一，從1958~2005年間，北支兩側(cè)進(jìn)行了大量的圍墾工程（表1），共計(jì)圍墾491.4km2。本文研究時(shí)間為2007~2017年，通過文獻(xiàn)［3］遙感影像可知，崇明北沿在2011?2017年間北支兩側(cè)仍然進(jìn)行了大量圍墾工程。表1長江口北支灘涂圍墾統(tǒng)計(jì)Table1StatisticsoftidalflatreclamationwithintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuary時(shí)間工程位置圍墾面積（km2）1958?1966年通海沙651958?1970年崇明北沿2931962~1970年江心沙301968?1982年永隆沙20.41972?1985年江濱沙3.71978?1992年興隆沙13.91992?1999年圩角沙19.51997?2000年靈甸沙8.11998年新躍沙4.92005年崇明北湖32.9北支兩側(cè)的圍墾工程極大的束窄了河道河寬，也減弱了河道的擺動(dòng)幅度，加速了河道的淤積萎縮程度，其次口門位置河寬較大，2007年存在一條明顯的潮流沙脊，此區(qū)域?yàn)槊黠@的漲落潮主流路不同的復(fù)式河道，由于北支口門南側(cè)圍墾工程的實(shí)施［3］，束窄了河道，此區(qū)域發(fā)生明顯的淤積現(xiàn)象，但是河道中間的潮流沙脊基本消失(圖6)。潮流沙脊侵蝕崇明島b2017崇明島崇明島0510km潮流沙脊c2007-2017江蘇水深淤積現(xiàn)象，但是河道中間的潮流沙脊基本消失(圖6)。潮流沙脊侵蝕崇明島b2017崇明島崇明島0510km潮流沙脊c2007-2017江蘇水深/m2~3■1~2 -0~lo-2?0侵蝕(-)淤積(+)/m■v-2?-2~-1--1—0.5°-0.5~-0.2°-0.2~0口0~0.2頃.2~0.5曰0.5~1-1-2->2a2007圖62007~2017年間長江口北支下段潮流沙脊消失特征Fig.6DisappearingcharacteristicsoftidalsandridgeatthelowersectionintheNorthBranchofYangtzeRiverEstuaryfrom2007to2017北支在2007~2017年間發(fā)生整體侵蝕，與過去淤積［7,17-19］演化趨勢不同，北支口門位置崇明東灘發(fā)生淤積，且其主要沙源來自海域來沙，且北支口內(nèi)懸沙量并未發(fā)生明顯減少，但是整體侵蝕卻大于淤積，可能與近期周圍大量圍墾工程相關(guān)，圍墾工程就近河道采集泥沙進(jìn)行促淤，導(dǎo)致長江口北支發(fā)生持續(xù)侵蝕，在長江大保護(hù)的號召下，北支兩側(cè)圍墾工程將逐漸減少,未來北支受海域來沙的長期影響，淤積衰退仍然是北支的主要演化趨勢。得出以下結(jié)論：長江口北支在2007~2017年間整體發(fā)生侵蝕，其中，中上段侵蝕明顯，下段輕微淤積，入?？陂T呈“北沖南淤”的特征，期間共侵蝕泥沙量約13.97x106t，年均侵蝕厚度約0.46cm,侵蝕峰值發(fā)生于北支上段，年均最大侵蝕為10~20cm。影響北支演化的主要泥沙物源來自長江流域和蘇北沿岸流的泥沙輸送，河道轉(zhuǎn)角位置