三峽工程對現(xiàn)代長江三角洲地貌演化影響的初步研究

杜景龍，楊世倫，陳德超

（1.蘇州科技學(xué)院 環(huán)境學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點實驗室，上海 200062）

三峽工程對現(xiàn)代長江三角洲地貌演化影響的初步研究

杜景龍1，楊世倫2，陳德超1

（1.蘇州科技學(xué)院 環(huán)境學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點實驗室，上海 200062）

根據(jù)長江三峽蓄水前后十余年的入海泥沙通量和河口口門區(qū)沖淤的對比分析，初步探討三峽工程對長江河口三角洲地貌演化的影響。結(jié)果表明：（1）三峽水庫蓄水以來（2003-2008年），入庫懸沙73%以上被攔截在水庫里，因壩下游河床沖刷和支流來沙補(bǔ)給，三峽水庫蓄水導(dǎo)致大通站輸沙率下降49%；（2）1994-2000年、2000-2004年、2004-2008年，長江口門研究區(qū)（1 500 km2）凈淤積量分別為7.25×108m3（1.21億m3/a）、-1.03×108m3（-0.26億m3/a）和-0.20×108m3（-0.05億m3/a）；（3）2000年以來，河口門外水深超過7 m的大部分區(qū)域處于蝕退，尤以10-20 m區(qū)域侵蝕最為強(qiáng)烈，但河口灘地（5 m線以內(nèi)）較前一時段淤積加強(qiáng)。主要結(jié)論：三峽水庫蓄水加劇了長江入海泥沙的減少；入海泥沙減少是長江三角洲從淤積轉(zhuǎn)為侵蝕的主要原因，近幾年入海泥沙減少和河口口門區(qū)出現(xiàn)的沖刷有一半左右可歸因于三峽工程的運(yùn)行；河口灘地的逆勢淤積是近年一系列的河口重大工程影響的結(jié)果。

三峽工程；河口三角洲；輸沙率；地貌演化

Abstract：Based on the sediment supply from the Yangtze River and the analysis of the accretion and erosion of the subaqueous delta at the Yangtze River Estuary in ten years before and after the impoundment of Three Gorges Reservoir in June of 2003，we discussed the effect of Three Gorges Reservoir on the evolution of landform of the Yangtze Estuary delta.The results showed that，（1） From the impoundment of Three Gorges Reservoir（2003-2008），about 73 per cent of sediment from the upper reaches had been intercepted into the reservoir，nevertheless，influenced by river bed erosion of the lower reaches and by sediment supply from tributaries of the lower reaches，the impoundment of Three Gorges Reservoir had caused 49 per cent decline in the bedload sediment transport rate of Datong Station；（2） the net silt accumulation of the study area（1 500 km2） was 7.25×108m3（1.21×108m3/a），-1.03×108m3（-0.26×108m3/a）and-0.20×108m3（-0.05×108m3/a） respectively in 1994-2000yr，2000-2004yr and 2004-2008yr；（3） Most of the area over 7 m depth has been in erosion backward in the study area since 2000，especially the area of 10-20m depth.At the same time，the tidal-flat area（within 5 m isobath） accumulated more intensely than that did in the preceding period of time.The conclusions were that the impoundment of Three Gorges Reservoir accelerated the decrease of the sediment form the Yangtze River which was the main cause for the change from accretion to erosion of the subaqueous delta，and half of the new erosion in the study area was induced by Three Gorges Reservoir in recent years.The tidal-flat area had been accumulating but corrading in recent years due to a series of estuary major projects.

Keywords：Three Gorges Reservoir； the subaqueous delta； bedload sediment transport rate； evolution of landform

河口三角洲地貌演化受流域來水來沙狀況、河口自身的地貌發(fā)育規(guī)律、河口工程建設(shè)以及海洋動力條件等因素的綜合影響。近幾十年來，許多河流因流域筑壩、調(diào)水等人類活動導(dǎo)致入海泥沙急劇減少，使三角洲淤漲減慢或發(fā)生侵蝕（Trenhaile，1997）。尼羅河由于阿斯旺大壩等一系列水利工程的建設(shè)，95%以上的河流來沙被攔截在水庫里，導(dǎo)致三角洲強(qiáng)烈蝕退（Fanos，1995）。類似的還有美國的密西西比河（Coleman et al，1998） 以及我國的黃河（許炯心，2001）等。長江是世界重要河流之一，由于流域大量修建水庫等原因，長江近期也已出現(xiàn)入海泥沙銳減趨勢（Yang et al，2002），特別是2003年三峽水庫蓄水以來，大通輸沙率已降至1.54×108t/a（2003-2008年），僅相當(dāng)于20世紀(jì)50-70年代水平的1／3左右，在此背景下，長江三角洲的沖淤演變趨勢引起了學(xué)術(shù)界的熱切關(guān)注（Yang et al，2003；李從先 等，2004）。

長江三峽工程是世界上最大的河流水利樞紐工程，三峽工程對中下游河道及河口環(huán)境的影響一直是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的焦點（鈕新強(qiáng)等，2005；李鵬等，2007；張珍等，2010），但它們有的是基于三峽水庫蓄水前的資料進(jìn)行的預(yù)測性研究，有的僅就一期蓄水以來河口三角洲的沖淤進(jìn)行了初步的探討。本文根據(jù)1994-2008年長江口口門區(qū)地形測量資料，利用GIS軟件，對三峽工程運(yùn)行前后三角洲的沖淤變化進(jìn)行定量分析，結(jié)合三峽水庫入庫、出庫控制站及大通水文站的輸沙資料，揭示三峽水庫蓄水6年來對河口三角洲地貌演化的影響。

1 研究區(qū)概況

長江是世界級大河，其徑流量和輸沙量居世界第四位?，F(xiàn)代長江口口門寬約90 km，自徐六涇以下出現(xiàn)三級分叉、四口入海的格局，但長江95%以上的水沙是從南支系統(tǒng)的北港、北槽、南槽三口入海。在季風(fēng)沿岸流、潮流和波浪的作用下，長江入海泥沙有相當(dāng)一部分向江蘇和浙江沿海及外海擴(kuò)散，只有30%～50%沉積在口外水下三角洲（沈煥庭，2001）。本文的研究范圍包括河口淺灘及水下三角洲（圖1），圖1中的矩形區(qū)域用于沖淤量的計算，南北長約46 km，東西寬約32 km，總面積約1 500 km2。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 資料與研究方法

收集了中華人民共和國海事局測繪的1994年、2000年、2004年和2008年的長江口水下地形圖，4幅圖均為墨卡托投影和理論深度基準(zhǔn)面。利用MapInfo軟件進(jìn)行等深線的配準(zhǔn)、疊加和面積計算，沖淤量的計算在surfer8.0軟件中完成。由于崇明東灘和南匯東灘歷史上曾進(jìn)行過多次的圍墾，在計算由沖淤導(dǎo)致的各等深線（0 m和5 m）以上灘地面積的變化時，為了過濾圍墾的影響，選121°50′E經(jīng)線作為參照線，崇明東灘受測圖幅面的限制，選取31°33′N緯線作為參照線，在計算崇明東灘的面積時，計算等深線和這兩條參照線所包絡(luò)的面積；南匯東灘則計算各等深線和121°50′E經(jīng)線所包絡(luò)的面積；橫沙東灘計算的是橫沙島以東灘地的面積；九段沙計算的是等深線自身包絡(luò)的面積。流域各測站的流量、輸沙率（懸沙）和局部河段的河床沖淤數(shù)據(jù)來自長江水利委員會。

3 結(jié)果

3.1 沖淤量的變化

1994-2000年研究區(qū)以淤積為主，淤積區(qū)的面積占研究區(qū)總面積的71.9%，凈淤積量7.25×108m3，按干容重1.4 t/m3計算（惲才興，2004），1994-2000年期間泥沙總淤積量達(dá)到10.15×108t，平均每年淤積1.69×108t，占同期大通站入海泥沙量（3.3×108t/a） 的51.2%，可以理解為一半左右的長江入海泥沙淤積在這里，使得海底地形坡面平均每年淤高6.63 cm，6年累計淤高39.8 cm（表1）。淤積主要發(fā)生在10 m線以東地區(qū)，尤其是橫沙東灘臨近5 m線以東地區(qū)，淤積厚度達(dá)到1 m以上；研究區(qū)10～5 m線及橫沙東灘5～2 m線之間的大部分區(qū)域基本上為沖淤平衡區(qū)（沖淤幅度<0.5 m）；研究區(qū)西部灘、槽相間，沖淤亦基本呈條帶狀相間分布，但沖刷明顯占主導(dǎo)地位，如北港和北槽的下段和南槽口外是條帶狀的沖刷區(qū)，長軸與河槽的走向基本一致，橫沙東灘2 m線以內(nèi)部分區(qū)域也呈沖刷態(tài)勢（圖2）。

表1 研究區(qū)沖淤計算（-代表沖刷）

圖2 研究區(qū)沖淤厚度分布圖（負(fù)為沖刷）

2000-2008年研究區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷為主，淤積區(qū)所占面積由71.9%下降到45.9%，凈沖刷量1.23×108m3，即每年有0.2×108t底床泥沙損失，海底地形坡面平均每年刷深0.84 cm。淤積主要發(fā)生在崇明東灘、九段沙和橫沙東灘5 m以內(nèi)及附近區(qū)域，10 m線以東區(qū)域由主要的淤積區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷區(qū)或沖淤平衡區(qū)，南北槽和九段沙以東大片區(qū)域沖刷作用也明顯增強(qiáng)（圖2）。表1的分析表明，2000年以來，研究區(qū)由淤轉(zhuǎn)沖呈現(xiàn)前期沖刷的強(qiáng)度明顯高于后期的特征，2000-2004年，凈沖刷量為1.03×108m3，2004-2008年凈沖刷量只有0.2×108m3，而淤積區(qū)的面積回升了近8個百分點。

3.2 等深線的進(jìn)退

1994-2008年，研究區(qū)0 m線以內(nèi)灘地的面積始終處于淤積過程，1994-2000年，面積增長約74 km2，增長速率為12.3 km2/a；2000-2004年增長88 km2，增長速率為22 km2/a；2004-2008年增長77 km2，增長速率為19.3 km2/a。四大灘地都呈現(xiàn)較均衡的增長態(tài)勢（表2）。5 m線以內(nèi)灘地1994-2008年也處于淤積過程，但淤積的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于0 m線，14年間面積增長了5.17%（約120 km2），而同期0 m線面積增長了34.2%（約240 km2）。10 m、20 m線1994-2000年均向海淤進(jìn)，2000-2008年轉(zhuǎn)為蝕退（圖3）。1994-2000年，在矩形研究區(qū)范圍內(nèi)，10 m線向海淤進(jìn)56 km2，最大淤進(jìn)距離約3km；2000-2008年，10m線則向西蝕退66km2，最大蝕退距離接近10 km。近10余年0 m線的快速淤積主要是受附近海域重大工程的影響：1998年以來，長江口先后啟動了一大批重大工程，如北槽深水航道工程、崇明東灘和南匯東灘的促淤圍墾工程等，這些重大工程對附近海域的沖淤產(chǎn)生了較大的影響，受影響最大的首先是0 m線附近灘地，其次是5 m線以內(nèi)淺灘（楊世倫等，2007；杜景龍等，2008）。受北槽深水航道疏浚工程的影響，10 m線中下段深入北槽以內(nèi)，造成10 m線形態(tài)發(fā)生較大的變化，10 m線附近其它海域受工程的影響不大。

表2 不同年份0 m和5 m等深線以上灘地的面積

3.3 典型剖面的沖淤變化

圖3 研究區(qū)等深線變化

典型斷面的沖淤具有以下特征：1994-2000年各斷面上均以淤積作用為主，尤其是崇明東灘以東斷面（長約50 km）和南匯東灘斷面（長約40km），整個斷面全程淤積，床面平均淤高0.5 m左右；九段沙和橫沙東灘6 m線以外區(qū)域淤積作用也十分明顯。2000-2008年灘面的變化分兩個部分，上部淤積下部沖刷，尤以九段沙以東斷面和南匯東灘斷面最為典型，但各斷面沖淤轉(zhuǎn)換的深度不同，從北到南（崇明東灘、橫沙東灘、九段沙、南匯東灘）4個剖面的沖淤平衡水深點分別為11 m、10 m、7 m、5 m，崇明東灘的沖淤轉(zhuǎn)換平衡點最低（11 m水深），南匯東灘的沖淤轉(zhuǎn)換平衡點最高（5 m）。

4 討論

4.1 三峽水庫蓄水對大通站輸沙率的影響

自20世紀(jì)60年代末丹江水庫修建以來，長江大通站的輸沙率就開始呈下降趨勢（Yang et al，2002），特別是2003年三峽水庫蓄水以來，大通站輸沙率降至1.54×108t/a（2003-2008年），僅為1994-2002年3.14×108t/a的49%。近幾十年長江入海泥沙減少的主要原因是水庫的攔沙作用，其次是上游水土保持導(dǎo)致產(chǎn)沙量的降低（Yang et al，2005；Xu and Milliman，2006）。根據(jù)長江水利委員會的監(jiān)測資料，宜昌站2003-2008年的輸沙率（0.61×108t/a）比蓄水前的1994-2002年（3.74×108t/a） 下降84%。由表3知，三峽水庫蓄水后的2003-2008年入庫懸沙通量（2.11×108t/a） 比蓄水前的1994-2002年下降44%，因此上游來沙減少是造成2003-2008年大通站輸沙率降低的原因之一。

2003-2008年壩下游測站（黃陵廟水文站）年均輸沙率為0.58×108t/a，同期大通站的輸沙率為1.54×108t/a（表3），有接近1×108t/a的泥沙是下游河道沖刷和支流補(bǔ)沙作用的結(jié)果。因此三峽工程對大通站輸沙率的影響既不是簡單的有多少泥沙被攔截在水庫里的問題，也不是簡單的在大通站觀測到蓄水后有多少泥沙減少的問題，必須對三峽水庫蓄水以來上游來沙、庫區(qū)淤積以及中下游河道和湖泊的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行綜合的分析。在泥沙質(zhì)量守恒的假定下，懸沙的輸出量等于上游干流的輸入量加上兩側(cè)支流的補(bǔ)給量和區(qū)段內(nèi)河床的侵蝕量。蓄水前三峽庫區(qū)段輸出泥沙與輸入泥沙量持平，因此，假定三峽水庫不蓄水，2003年以來各年的出庫泥沙量將等于入庫泥沙量，根據(jù)黃陵廟站的懸沙濃度和從干流進(jìn)入洞庭湖的5站平均懸沙濃度之間的關(guān)系，推算從干流進(jìn)入洞庭湖的泥沙量；根據(jù)洞庭湖的水沙輸入量計算從湖泊進(jìn)入干流的泥沙量（城陵磯站）；同理，推算2003年以來三峽水庫不蓄水的假定情景漢口站的各年輸沙量，進(jìn)而推算大通站的各年輸沙量。采用 Yang等（2003） 和張珍（2007）等的方法，本文計算出2003-2008年三峽水庫蓄水引起大通站輸沙率減少0.78×108t/a。2003-2008年大通實測輸沙率比1994-2002年減少1.60×108t/a（表3）。因此，從1994-2002年時段到2003-2008年時段，大通輸沙率的減少49%是由于三峽工程的運(yùn)行，另51%是由于流域的其它人類活動和自然變化所致。

表3 三峽水庫泥沙淤積和大通站輸沙率

4.2 沖淤變化的原因

圖4 典型剖面的沖淤對比

近幾十年長江入海泥沙呈明顯減少趨勢，20世紀(jì)90年代比20世紀(jì)60年代輸沙量下降了1/3，在此背景下，長江口外水下三角洲淤積速率明顯減弱，從1958-1978年的5.5 cm/a下降到1978-1998年的1.1 cm/a（楊世倫等，2003）。本文計算的1994-2000年、2000-2004年和2004-2008年3個時段的大通站輸沙率分別為3.4×108t/a、2.49×108t/a和1.43×108t/a，對應(yīng)的研究區(qū)的沖淤速率分別為 6.63 cm/a、-1.41 cm/a 和-0.28 cm/a。1994-2000年的淤積速度較1978-1998年時段大，可能是因為計算區(qū)的范圍不同（后者計算區(qū)范圍較大，約6000平方公里，覆蓋了河口三角洲的大部分區(qū)域），隨后的2000-2004年時段和2004-2008年時段由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，可以推斷，這種由淤積向沖刷的轉(zhuǎn)換的主要原因是長江入海泥沙量的減少。而0 m線和5 m以內(nèi)灘地2000-2008年的持續(xù)淤漲則是受河口重大工程的影響（楊世倫等，2007；杜景龍等，2008）：1998年以來，長江口進(jìn)行了大量的工程建設(shè)，如深水航道工程、南匯東灘人工半島和圍墾工程、崇明東灘圍墾工程等。深水航道整治工程對九段沙和橫沙東灘沖淤的影響較大，南匯東灘人工半島和圍墾工程、崇明東灘圍墾工程分別對其所在的南匯東灘和崇明東灘0 m和5 m附近區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，而且影響的強(qiáng)度是潮間帶較潮下帶大。

2000-2008年，長江經(jīng)歷了三峽水庫蓄水這一重大事件（2003-2005年的一期蓄水和2006-2007年的二期蓄水），樓飛（2005） 對2000-2002年長江口外水下三角洲的沖淤研究表明，2000-2002年水下三角洲部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)侵蝕，但僅7～15 m水深區(qū)域出現(xiàn)微量沖刷，水深超過20 m的區(qū)域則保持淤漲，本文計算結(jié)果表明，水深超過7 m的大部分區(qū)域均處于蝕退，尤其10～20 m之間的區(qū)域侵蝕最為強(qiáng)烈。由此可以推斷，研究區(qū)出現(xiàn)大面積的侵蝕發(fā)生在2003年三峽水庫蓄水之后，三峽水庫蓄水加速了長江來沙的減少，從而導(dǎo)致研究區(qū)從淤積轉(zhuǎn)為沖刷并出現(xiàn)侵蝕加強(qiáng)的趨勢。

2000-2008年，研究區(qū)凈沖淤量-1.23×108m3，由于大通站泥沙減少的49%是由三峽工程蓄水引起的，而本研究區(qū)近幾十年的沖淤速率與大通站輸沙率之間存在良好的線性正相關(guān)（r=0.98）（Yang，2010），因此粗略估計近年研究區(qū)出現(xiàn)的沖刷有一半左右歸因于三峽工程運(yùn)行。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果還表明，研究區(qū)80%以上的沖刷量發(fā)生在2000-2004年，2004-2008年僅占16.3%，考慮到前兩年（2000-2002年）研究區(qū)基本處于沖淤平衡狀態(tài)（樓飛，2005），因此2003-2004年是研究區(qū)侵蝕最強(qiáng)烈的時期，該時期正是三峽水庫一期蓄水實施階段，庫區(qū)泥沙淤積1.12×108t/a，大通站輸沙率下降到1.77×108t/a，比工程前兩年（2000-2002年） 減少1.2×108t/a。2004年以后，盡管經(jīng)歷了三峽水庫的二期、三期蓄水，庫區(qū)泥沙淤積達(dá)到1.5×108t/a，黃陵廟水文站的出庫泥沙從2003-2004年的 0.76×108t/a下降到2005-2008年的0.49×108t/a，但由于下游河道的泥沙補(bǔ)給（懸沙的輸出量等于上游干流的輸入量加上兩側(cè)支流的補(bǔ)給量和區(qū)段內(nèi)河床的侵蝕量），大通站輸沙率（1.42×108t/a） 卻沒有明顯的下降（減少了0.35×108t/a）。因此，筆者認(rèn)為2004-2008年研究區(qū)的沖刷較前一階段弱的原因可歸結(jié)為：（1） 由于下游河流的補(bǔ)給，盡管大通站輸沙率仍然持續(xù)下降，但下降的梯度放緩；（2） 先沖容易后沖難，即沖刷接近極限后即使入海泥沙進(jìn)一步下降也可能不如前期侵蝕強(qiáng)烈；而且長江口素有“大沖之后必有大淤”的規(guī)律，一期蓄水后帶來的研究區(qū)的強(qiáng)烈沖蝕，在沒有顯著來沙下降的情況下，強(qiáng)烈的侵蝕很難再持續(xù)下去。

5 結(jié)論

（1） 研究表明，三峽大壩的攔沙效應(yīng)是顯著的，它將大部分上游來沙攔截在水庫中，三峽水庫蓄水以來（2003-2008年），入庫懸沙的73%被攔截在水庫里，盡管壩下游河床沖刷和支流補(bǔ)充了一部分泥沙，但是，這種補(bǔ)充遠(yuǎn)不足以補(bǔ)償大壩攔截的泥沙，因此，人海泥沙通量仍出現(xiàn)明顯下降。采用泥沙平衡法計算結(jié)果表明，相對于同期（2003-2008年）水庫不蓄水的假定情景，三峽水庫蓄水以來導(dǎo)致大通站輸沙率下降49%。（2）等深線進(jìn)退結(jié)果表明，2000-2008年，河口5 m線以內(nèi)的淺灘仍然處于淤積過程，但淤積的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于0 m線灘地，后者主要受河口重大工程的影響（5 m線也部分受到影響）；10 m、20 m線則受來沙減少的控制向海蝕退。（3）一期蓄水對大通站輸沙率的影響高于二期，再加上“先沖容易后沖難”的規(guī)律，研究區(qū)自三峽工程蓄水二期以來的侵蝕程度沒有一期蓄水后兩年強(qiáng)烈。隨著三期蓄水的繼續(xù)實施，大通站輸沙率的變化及三角洲的沖淤值得繼續(xù)關(guān)注。

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（本文編輯：郭箏）

Preliminary study on the effect of Three Gorges Reservoir on the evolution of landform of the Yangtze Estuary delta

DU Jing-Long1，YANG Shi-Lun2，CHEN De-chao1
（1.School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215011，China； 2.State Key Laboratory of Estuarine&Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

P641；X523

A

1001－6932（2012）05－0489－07

2011-12-30；

2012-04-12

國家自然科學(xué)基金重點項目（41130856）；建設(shè)部科技項目（2010-R2-13，2010-R2-30）。

杜景龍（1968-），男，博士后，副教授，主要從事海岸動力地貌及地理信息系統(tǒng)方面的研究。電子郵箱：jwuyue@163.com。