近10年來長江河口北港上段河道水域水動力及含沙量變化特征

劉高偉，程和琴，計娜，喬遠英，胡浩，王冬梅

（華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

河口水沙變化是河口海岸研究的一個基本問題，同時也是評價河口大型工程項目實施后對河口影響的基本內容（翟曉鳴等，2007；何超等，2008）。長江河口屬中等強度潮汐河口，呈“三級分汊，四口入?！钡暮觿莞窬郑惣嗟?，1979）。早期沈煥庭等（1979） 對整個長江口的水沙變化作過研究。一些學者（左書華等，2006；翟曉鳴 等，2007；何超 等，2008） 利用2003、2005年的實測數據對長江口的懸沙濃度進行過分析。對北港的單獨研究（武小勇等，2006；劉瑋祎等，2011；李伯昌 等，2012），大多數是關于河勢演變分析的，而對水沙變化的分析研究甚少。

北港是長江河口第二級分汊的北汊，是長江口四口入海通道之一。受徑流、潮流、波浪及科氏力等動力條件的影響，水流泥沙運動形勢相當復雜（于東生等，2004），直接影響口內諸多工程安全。近10年來隨著經濟的迅速發展，流域筑壩建庫、調水及水土保持工程使得長江河口來沙量急劇減少，目前大通站年平均輸沙量為1.56×108t（中華人民共和國水利部，2003-2012）。北港周邊圍墾、水庫、深水航道及橋梁等大型工程的建設，已經改變了北港上段河道水域原有水沙格局。目前水沙現狀如何，亟待開展研究。本文擬根據最新長江口北港上段河道水域洪、枯季大潮水沙實測數據及歷史水沙資料，利用潮汐—潮流比較法進行同化處理，分析該水域水沙現狀及其變化特征，并探討近10年來水沙變化的影響因素，為今后河口治理、護岸、港口航道等工程的建設與防護提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 歷史資料收集

為了分析近10年來北港上段河道水域水沙變化特征并探討其影響因素，本文收集了1999年2月（武小勇等，2006；劉瑋祎，2007）、2002年9月（胡靜，2007）、2003年2月（K0311測點） 和7月、2004年2月和9月（H0411測點）、2005年11月（徐敏 等，2012）、2006年2月（K0611測點）、2007年1月（K0711測點） 和7月（H0711測點）、2010年7月（徐敏等，2012） 北港上段河道以及近十幾年大通站的來沙量資料（中華人民共和國水利部，1999，2003-2007，2011-2012），具體測點位置如圖1所示。

1.2 現場測量

2011年12月9-10日和2012年6月6-7日利用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP） 同時對青草沙水庫北側（S1測點）、長江大橋以東（S2測點）、崇明東灘南側（S3測點） 作水流連續定點26h同步測量；2011年12月11-12日和2012年6月8-9日對橫沙島北側（S4測點） 進行準同步測量，測點位置如圖1所示。其中流速和流向采用六點法測量，垂線平均流速和流向根據六點法加權計算得到。

圖1 研究區域及測點位置圖

1.3 水樣采集及含沙量分析

水樣分層采集時采用“六點”法：表層（水面下0.5m）、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層（離床面0.5m），當水深H＜3m時，采用“三點”法，即表層、中層和底層。逐時于整點時刻分層采集水樣，按照各層水樣600ml，送實驗室經45μm濾紙過濾、105℃恒溫箱內烘干，再放入干燥缸里冷卻6～8min后稱重并計算單位水體的含沙量，各時刻的垂線平均含沙量采用六點法加權平均計算。

1.4 數據同化處理

本文采用潮汐—潮流比較法將相同潮型不同潮差下的流速歸算到相同潮差下的流速進行分析。以工程前測點附近潮位站潮差為標準，將工程后實測流速（此時段對應測點附近潮位站的潮差） 按潮差正比關系換算出相對流速（胡方西，1980；劉瑋祎，2007）。

1.5 優勢流計算

優勢流最早見于Simmons等（1969） 的研究，即在感潮河口將各測點的全潮流速過程線中落潮單寬流量過程線包絡面積除以漲潮和落潮單寬流量絕對值之和，若商大于50%，代表落潮優勢流為主，商小于50%，為漲潮優勢流為主，其商為50%時，表明漲落潮流量相等，這個位置為滯流點位置（沈煥庭等，1986；楊云平等，2011）。

優勢流計算公式：

優勢流=平均落潮流歷時×平均落潮流速/（平均落潮流歷時×平均落潮流速+平均漲潮流歷時×平均漲潮流速）

2 北港上段河道水域水沙現狀特征

2.1 洪、枯季大潮潮流特征

2.1.1 漲、落潮平均歷時

北港上段河道水域（S1、S2、S3、S4測點）漲潮平均歷時洪季為3.7h，枯季為5h（圖2a）；落潮平均歷時洪季為8.5h，枯季為7.7h（圖2b）。

2.1.2 垂線平均流速

潮周期內北港上段河道水域各測點洪季垂線平均流速均大于枯季（圖2c）。漲潮垂線平均流速洪季為0.56m/s，枯季為0.74m/s；落潮垂線平均流速洪季為1.07m/s，枯季為0.71m/s。

圖2 2012年6月洪季、2011年12月枯季大潮北港上段河道水域各測點

2.1.3 優勢流

北港上段河道水域洪、枯季優勢流均大于0.5（圖2d），說明北港上段河道落潮占主導優勢。

2.1.4 流速垂向分布

北港上段河道水域各層平均流速從表至底呈逐漸減小的變化趨勢，垂線分布結構大致呈對數型流速分布（李瑞杰等，2012） （圖3）。洪季從表至底各測點流速相差較大，在0.24～0.33m/s之間（圖3a）；枯季從表至底流速之差除橫沙島北側（S4測點） 為0.07m/s外，其余各測點從表至底流速之差在0.26～0.43m/s之間（圖3b）。

2.2 洪、枯季大潮含沙量特征

2.2.1 垂線平均含沙量

圖3 2012年6月洪季（a）、2011年12月枯季（b） 大潮北港上段河道水域各測點平均流速垂向分布圖

潮周期內北港上段河道水域垂線平均含沙量枯季高于洪季。其中青草沙水庫北側（S1測點） 垂線平均含沙量洪季為0.286kg/m3、枯季為0.670kg/m3，長江大橋以東（S2測點） 洪季為0.427kg/m3、枯季為0.743kg/m3，崇明東灘南側（S3測點）洪季為0.707 kg/m3、 枯季為1.096 kg/m3， 橫沙島北側（S4測點） 洪季為0.204kg/m3、枯季為0.694kg/m3（圖4）。

圖4 2012年6月洪季、2011年12月枯季大潮北港上段河道水域各測點垂線平均含沙量分布圖

2.2.2 含沙量垂向分布

一般而言長江口各層平均含沙量由表至底逐漸增大，由于復雜水動力條件作用使得平均含沙量的垂線結構很少符合Rouse公式的指數分布形式（李瑞杰等，2012），可大致歸納為準直線型、斜線型、拋物線型和混合型（李九發等，2000）。洪季崇明東灘南側（S3測點） 垂向分布呈拋物線型，青草沙水庫北側（S1測點）、長江大橋以東（S2測點） 含沙量洪季時垂向變化范圍較小，大致呈斜線型，橫沙島北側（S4測點） 呈混合型（圖5a）；枯季總體上含沙量垂向分布變化范圍較大，青草沙水庫北側（S1測點） 垂向分布呈拋物線型，長江大橋以東（S2測點）、橫沙島北側（S4測點） 基本呈斜線型，崇明東灘南側（S3測點） 呈混合型（圖5b）。

圖5 2012年6月洪季（a）、2011年12月枯季（b） 大潮北港上段河道水域各測點含沙量垂向分布圖

2.3 流速、含沙量之間相關關系

2011年12月和2012年6月兩次測驗中泥沙顆粒極細，大潮時懸沙D50粒徑范圍為4～8 μm，屬粉沙類，受流速的影響很大（陳珺等，2012）。以青草沙水庫北側（S1測點） 為例說明北港上段河道水域流速、含沙量之間的相關關系。S1測點流速垂線平均含沙量變化特征表現為洪季落潮大于漲潮、枯季落潮小于漲潮，含沙量的峰值滯后于流速落急、漲急1～2h，含沙量的最小值也出現在落憩、漲憩后的1～2h（圖6a，b）。整體而言，洪季泥沙運動更為劇烈，但泥沙含量變化率小于流速變化率，泥沙依附于水流運動。

圖6 青草水庫沙北側（S1 測點） 洪季（a）、枯季（c） 大潮垂線平均含沙量及流速過程線

3 近10年來北港上段河道水域水沙變化特征

3.1 潮流變化特征

3.1.1 洪季大潮

2004-2012年北港上段河道水域落潮優勢增強，漲、落潮垂線平均流速均減小，漲潮流速減少更為明顯。2004年漲潮垂線平均流速為0.87m/s，2007年減至0.79m/s，2012年大幅度減至0.43m/s；2004年落潮垂線平均流速為1.40m/s，2007年減至1.04m/s，2012年基本不變為1.03 m/s； 垂線平均流速落/漲2004年為1.61，2007年略減至1.32，2012年又大幅度增至2.40（表1）。

3.1.2 枯季大潮

2003-2011年北港上段河道水域落潮優勢增強，2011年漲、落潮垂線平均流速均比2007年略大，但比2003年小，且漲潮流速減少更為明顯。2003年漲潮垂線平均流速為1.13m/s，2006年略減至1.09m/s，2007年大幅度減至0.69m/s，2011年略增至0.78m/s；2003落潮垂線平均流速為0.90m/s，2006年增至1.02m/s，2007年又減至0.84m/s，2011年為0.89m/s；垂線平均流速落/漲2003年為0.80，2007年增至1.22，2011年為1.14（表1）。

表1 2003—2012年北港上段河道水域垂線平均流速及垂線平均含沙量

3.2 含沙量變化特征

3.2.1 洪季大潮

2004-2012年北港上段河道水域漲、落潮垂線平均含沙量呈逐漸減少的趨勢。2004年漲潮垂線平均含沙量為0.385kg/m3，2007年略減至0.368kg/m3，2012年減至0.267kg/m3；2004年落潮垂線平均含沙量為0.420kg/m3，2007年減至0.325kg/m3，2012年減至0.292kg/m3；垂線平均含沙量落/漲2004年為1.09，2007年減至0.88，2012年為1.09（表1）。

3.2.2 枯季大潮

2003-2011年北港上段河道水域漲、落潮垂線平均含沙量均呈“先減少后增多”的變化趨勢，且漲潮含沙量變化幅度較落潮大。2003年漲潮垂線平均含沙量為0.458kg/m3，2007年減至0.310kg/m3，2011年增至0.774kg/m3；落潮平均含沙量2003年為0.287kg/m3，2007年略減至0.265kg/m3，2011年增至0.591kg/m3；垂線平均含沙量落/漲2003年為0.63，2007年增至0.85，2011年又降至0.76（表1）。

4 水沙變化影響因素分析

長江水量豐富，輸沙量較大，巨量的水沙下泄使長江河口成為高濁度、細顆粒泥沙為主要特征的河口，而且對其及鄰近海域的水文、泥沙、沉積和生態環境等有重大影響（翟曉鳴等，2007；李九發等，2000；何超等，2008）。水沙變化往往會受到流域來水來沙季節性變化以及近年來流域筑壩建庫、南水北調和河口圍墾、建庫筑港、深水航道、建橋等大型工程的影響（楊忠勇等，2012；楊志宏等，2013）。

4.1 流域來水來沙季節性變化

據多年來大通站水文站統計，大通站的徑流量和輸沙量主要集中在5-10月（洪季），分別占全年的60%～80%和70%～99%（中華人民共和國水利部，1999，2003-2012）。1999至2012年大通站實測輸沙量緊隨月徑流量的變化而變化（圖7a），北港上段河道水域垂線平均流速洪季比枯季大，而垂線平均含沙量洪季卻小于枯季（圖7b），并且北港洪、枯季大潮垂線平均流速與大通站洪、枯季月徑流量變化趨勢相同（圖7a， b）。由于1998至2009年南、北港的落潮分流比維持在50%左右（楊婷等，2012），可見影響北港流速洪、枯季變化的主要因素并不是分流比，而是大通站徑流量的洪、枯季變化，并且落潮垂線平均流速與大通站徑流量呈正相關，漲潮垂線平均流速與大通站徑流量呈負相關。

圖7 （a） 1999年至2012年長江口大通站實測月徑流量與輸沙量；（b） 1999年至2012年長江口北港大潮實測垂線平均流速及含沙量

長江河口泥沙來源包括上游流域來沙、口外海濱來沙、河口淺灘和部分底沙再懸浮等（李九發等，1994；沈煥庭等，2001）。盡管流域來沙是河口泥沙來源之一，但北港洪、枯季含沙量變化趨勢與大通站洪、枯季月輸沙量變化并不同步（圖7a，b）。這主要是由于北港上段分流較多、分沙較少，即分沙量占的比例很少，且動力條件以徑流為主，泥沙再懸浮比較微弱，使得北港上段河道水域洪、枯季含沙量變化并沒有大通站洪、枯季含沙量變化明顯。

綜上所述，大通站洪、枯季月徑流量的變化直接影響到北港洪、枯季垂線平均流速的大小，由于北港上段河道分沙量較少，使得北港上段河道洪、枯季含沙量變化不明顯。

4.2 大型工程建設

受中央沙圈圍、青草沙水庫以及長江大橋的建設影響，近期北港河寬縮窄明顯，上段北岸岸灘有一定程度的沖刷（劉瑋祎等，2011）。由于斷面的束水作用，北港主槽呈展寬、刷深之勢（李伯昌等，2012）。

2003、2004年青草沙水庫建設前期及2004年底長江大橋開工時，北港河勢基本處于自然演變狀態，洪、枯季大潮漲、落潮垂線平均流速較大（表1）。2007年6月青草沙水庫開工建設，長江大橋處于建設期，此時北港河勢受工程影響發生變化，與2003、2004年相比，洪枯季漲、落潮垂線平均流速略減（表1）。2011、2012年青草沙水庫及長江大橋已投入運行，此時北港工程周邊地形的變化基本又重新達到平衡（付桂等，2007），與2007年相比，洪季大潮漲潮垂線平均流速減小、落潮基本不變；枯季大潮漲、落潮垂線平均流速略增（表1）。2012年6月洪季流速減少可能與S1測點的位置有關，S1位于青草沙沙尾，離主河道有一定距離，與主河道流速相比會偏小，但北港上段河道優勢流明顯增強。

可見，2003-2012年北港上段河道漲、落潮流速發生變化的時段恰好與工程建設前、建設中、建設后相對應。由此推測，青草沙水庫、長江大橋以及周圍促淤圍墾工程的建設是導致北港落潮優勢增強的主要原因；而含沙量變化受工程建設的影響較小。

4.3 流域來沙量減少

長江河口洪季入海泥沙量遠遠大于枯季（圖7a），且北港上段河道水域水動力主要以徑流為主，徑流攜帶大量泥沙流經北港上段，隨后便繼續向口外擴散。2003年以來長江口入海徑流量變化不大，而入海泥沙量基本呈遞減趨勢（竇希萍等，2011；李保等，2012；杜景龍等，2013）。入海泥沙量減少，再加上南、北港分沙比變化不大（楊婷等，2012），則經北港上段河道向口外擴散的泥沙也將減少。這與2003至2012年北港上段河道洪季含沙量有所減少相符?？菁鹃L江徑流量減少，北港上段河道徑流作用減弱，潮流作用加強，由于2011年12月青草沙水庫北側（S1測點） 位于青草沙沙尾，此處沙體受潮流、徑流動力擾動較大，使得水體含沙量增多，這可能是枯季含沙量變大的主要原因。

綜上所述，入海泥沙量的減少是影響北港上段河道洪季漲、落潮垂線平均含沙量減少的主要因素，而枯季大潮漲、落潮含沙量增多可能受風浪掀沙影響。

5 結論

（1） 目前，北港上段河道優勢流大于0.5，說明落潮流占主導優勢；北港上段河道水域流速垂線結構類型基本呈對數型流速分布，含沙量垂線結構類型因測點不同而異。

（2） 長江河口水沙變化特征具有明顯的季節性變化，北港上段河道水域垂線平均流速洪季明顯大于枯季，垂線平均含沙量枯季大于洪季；在一個潮周期中，含沙量大小與流速大小呈現一定的相關關系，含沙量與流速存在一定的滯后性，滯后時間為1～2h。

（3） 青草沙水庫、長江大橋以及周圍促淤圍墾工程建設后，北港上段河道水域漲、落潮流速減小，尤其是漲潮流速減小更為明顯，落潮優勢增強，由于測點S1離主河道有一定距離，使得流速有所減少；洪季大潮漲、落潮垂線平均含沙量減少，枯季大潮漲、落潮垂線平均含沙量增多。

（4） 流域徑流量的季節性變化是造成北港流速洪季大、枯季小的主要原因；大型工程的建設是北港洪、枯季落潮優勢增強的主要原因；含沙量變化較為復雜，主要受流域來沙量減少、風浪掀沙等因素影響，同時工程建設對北港含沙量也有一定影響。

致謝：本文在前期資料收集過程中得到了張二鳳和袁慶老師，楊忠勇博士、宋澤坤碩士、周瑩碩士、郭興杰碩士的大力幫助，謹致謝忱！

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