長江口橫沙淺灘及鄰近海域含沙量與沉積物特征分析

徐海根， 虞志英， 鈕建定， 李身鐸， 鄭建朝

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.中交第三航務(wù)工程勘察有限公司，上海 200032）

0 引 言

擬選橫沙淺灘挖入式港池及外航道位于長江口橫沙淺灘及鄰近海域.長江全長6 300 km，流域面積180萬km2，流域來水來沙豐富.長江口潮汐強(qiáng)度屬于中等.口門多年平均潮差2.66 m，最大潮差4.62 m.長江口潮量巨大.在多年平均流量和平均潮差的情況下，洪季大潮進(jìn)潮量有53億m3，枯季小潮進(jìn)潮量也達(dá)13億m3.長江河口河流作用顯著，海洋作用強(qiáng)勁，兩者相互作用和相互制約，導(dǎo)致在河口口門泥沙集聚和沉積，形成河口攔門沙系，包括攔門沙航道和攔門沙淺灘，兩者相間分布.攔門沙淺灘有崇明東灘、橫沙東灘和橫沙淺灘、九段沙等.橫沙東灘和橫沙淺灘以N23丁壩分界，以西與橫沙島相接，稱橫沙東灘，以東為橫沙淺灘.長江口攔門沙向海方向?yàn)榫薮蟮拈L江水下三角洲.面積達(dá)1萬km2以上，下界水深30～50 m，北面與蘇北淺灘相接，南面連接杭州灣海底平原.它是長江入海泥沙擴(kuò)散沉積形成的一個(gè)巨大地貌單元.

1 含沙量

橫沙淺灘含沙量具有長江口攔門沙淺灘含沙量的共同特征.含沙量不僅受上游來水來沙的影響，更加受到臺(tái)風(fēng)、寒潮、波浪和潮汐潮流的巨大影響.我們?cè)卩徑馁苌剿恼緩?998年到2001年連續(xù)三年觀測(cè)含沙量資料（見表1），得到多年平均含沙量為0.459 kg／m3.佘山水文站在崇明東灘5 m水深處，可以代表橫沙淺灘5m水深處的含沙量總體水平.20世紀(jì)80年代，上海市海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查時(shí)，橫沙淺灘5 m水深處含沙量為0.5 kg／m3，與上述數(shù)據(jù)相當(dāng)［1，2］.橫沙淺灘含沙量季節(jié)性變化明顯（見圖1）.7月最小，11月最大，月均值前者為0.21 kg／m3，后者為0.74 kg／m3.11月最大含沙量曾出現(xiàn)過17.29 kg／m3.含沙量的季節(jié)性變化，顯然不是上游來水來沙變化為主因，而是臺(tái)風(fēng)暴潮和寒潮大風(fēng)影響的結(jié)果.

表1 1998—2001年佘山站含沙量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic table of concentration of Sheshan Station from1998 to 2001 kg·m－3

橫沙淺灘鄰近海域含沙量降低.如表2所示，北港口門含沙量比口外大.含沙量向海方向急劇降低，在洪季北港口門平均含沙量為0.786 kg／m3，口外20 m等深線附近僅為0.153 kg／m3.

圖1 佘山全年含沙量Fig.1 Monthly suspended sediment concentration at Sheshan Station

表2 1982年含沙量同步觀測(cè)結(jié)果Tab.2 Observed suspended sediment concentration in 1982 kg·m－3

1982年洪季平均含沙量分布如圖2所示.大潮含沙量大，小潮含沙量小；含沙量等值線大潮外推，小潮內(nèi)移；含沙量分布向海方向急劇降低.

圖2 洪季大小潮平均含沙量分布圖（kg·m－3）Fig.2 Distribution of average concentration of flood season（kg·m－3）

1982年枯季平均含沙量分布如圖3所示.大潮含沙量大，小潮含沙量?。缓沉康戎稻€大潮外推，小潮內(nèi)移；含沙量平面分布，向海方向急劇降低.

圖3 枯季大小潮平均含沙量分布圖（kg·m－3）Fig.3 Distribution of average concentration of dry season（kg·m－3）

根據(jù)圖2和圖3分析，含沙量季節(jié)性變化明顯.冬季含沙量比夏季大.0.2 kg／m3含沙量等值線，洪季大潮分布在20 m等深線以西，枯季大潮可東移到40 m等深線附近.

1998年北槽深水航道建設(shè)工程開始，橫沙東灘促淤圈圍工程跟著開工建設(shè)，到2004年橫沙淺灘及鄰近海域的含沙量有如下的分布特征.如表3所示，橫沙淺灘5 m水深以淺地區(qū)，平均含沙量均在0.5 kg／m3至1.0kg／m3；在橫沙淺灘東側(cè)前沿水深5～10 m的雞骨礁附近含沙量明顯降低，平均含沙量降至0.5 kg／m3以下.實(shí)測(cè)最大含沙量分布在底層，可達(dá)1.0kg／m3以上［5］.

表3 2004年含沙量同步觀測(cè)結(jié)果Tab.3 Observed suspended sediment concentration in 2004 kg·m－3

2004年北槽口及附近海域含沙量平面分布如圖4所示.從中可以看出，北槽口含沙量大，向海方向急劇降低.0.1 kg／m3含沙量等值線介于10 m和20 m等深線之間，含沙量等值線走向與地形等深線走向相似.

長江流域來沙近年發(fā)生了顯著變化，對(duì)河口含沙量已經(jīng)產(chǎn)生了影響.長江多年平均徑流總量約9 000億m3，年內(nèi)分布具有季節(jié)性（見圖5）.流域來沙，在各種因素的影響下近年呈現(xiàn)減少趨勢(shì).以安徽大通站為例，年均輸沙量1951—1989年為4.71億t，1990—2000年為3.46億噸，2000—2009年為1.92億t，2006年為0.848億t，2011年僅為0.77億t（見表4和圖6）.流域來沙減少已致長江口口內(nèi)含沙量降低，鄰近海域也有所降低［4］.長江口鄰近海域海底地形出現(xiàn)沖刷帶，可能與流域來沙減少有關(guān).不過，這方面還得進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和研究工作.

圖4 2004年長江口全潮平均含沙量分布圖Fig.4 Distribution of average tidal concentration of Changjiang Estuary in 2004

表4 長江大通站輸沙量Tab.4 Sediment discharge of Changjiang Datong Station

圖5 大通站年徑流量變化過程Fig.5 Annual runoff of the Changjiang River in Datong Station

圖6 大通站年輸沙量變化過程Fig.6 Annual sediment discharges of the Changjiang River in Datong Station

2 沉積物

橫沙淺灘及鄰近海域動(dòng)力條件和泥沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，沉積環(huán)境也有多樣，因此沉積物類型較多.沉積物類型，粗至細(xì)砂，細(xì)至粘土，各種類型都有.如細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土和粘土［2，3，5，7］.但是，它們分布有序，很有規(guī)律.

橫沙淺灘基本上由粉細(xì)砂物質(zhì)組成.圖7為取樣站，表5為顆粒分析成果表.有細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂組成.個(gè)別灘地也有粘土質(zhì)粉砂等細(xì)物質(zhì)沉積，但不是主要的.

圖7 橫沙淺灘沉積物取樣站位圖Fig.7 Sediment sampling stations around Hengsha Shoal

1982年橫沙淺灘及鄰近海域沉積物平面分布如圖8所示.橫沙淺灘由粉砂質(zhì)砂組成.攔門沙航道由粘土質(zhì)粉砂組成.鄰近海域水下三角洲由粉砂和粘土質(zhì)粉砂等細(xì)顆粒物質(zhì)組成.

2004年橫沙淺灘及鄰近海域沉積物平面分布如圖9所示.橫沙淺灘由粉砂質(zhì)砂組成.攔門沙航道由粘土質(zhì)粉砂組成.鄰近海域5～10 m等深線之間沉積物由粉砂組成，10 m等深線以深的水下三角洲由粘土質(zhì)粉砂組成.

表5 沉積物粒度分析成果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of sediment grain size

圖8 1982年長江口底砂D50（mm）分布圖Fig.8 Distributions of Changjiang Estuary sediment（D50）in 1982

圖9 2004年長江口底砂D50（mm）分布圖Fig.9 Distributions of Changjiang Estuary sediment（D50）in 2004

長江口表層沉積物中泥的百分含量平面分布圖（見圖10）和砂的百分含量平面分布圖（見圖11），是20世紀(jì)80年代上海市海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查沉積調(diào)查的資料.從中可以看出，橫沙淺灘表層沉積物泥的百分含量不足10%或20%，砂的百分含量在50%～80%以上.橫沙淺灘鄰近海域水下三角洲表層沉積物中泥的百分含量在50%以上，砂的百分含量不足20%.應(yīng)予指出，長江口東北部分，東經(jīng)122°30′以東和北緯31°20′以北一大片海域，泥的百分含量不足10%，砂的百分含量大于80%，是一個(gè)粗顆粒沉積物的存在區(qū).

橫沙淺灘擬建挖入式港池建議提出以后［6］，中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司在橫沙淺灘及鄰近海域布置和進(jìn)行了4個(gè)工程地質(zhì)鉆孔（見表6，圖12和圖13），為研究工程區(qū)域沉積物垂向分布提供了資料［7］.

地質(zhì)歷史上，長江口經(jīng)過復(fù)雜的變化.冰后期海侵，長江口成為溺谷.河流入海泥沙堆積，溺谷變成河口灣，再變成三角洲河口.三角洲河口發(fā)育階段，河口攔門沙發(fā)育（包括攔門沙航道和攔門沙淺灘），水下三角洲發(fā)育.

C3孔可以代表河口攔門沙沉積剖面.表層為河口攔門沙航道沉積，物質(zhì)細(xì)，粉質(zhì)粘土，第二層為河口攔門沙淺灘沉積，物質(zhì)粗，粉細(xì)砂.根據(jù)歷史海圖分析，1842年北港口航道在佘山附近入海，現(xiàn)在北港口航道已在佘山以南，已經(jīng)移到以前的橫沙淺灘位置.根據(jù)目前橫沙淺灘表層沉積物對(duì)比分析，實(shí)際上第二層粗物質(zhì)粉細(xì)砂與目前灘面表層沉積物相似.所以C3孔可以代表橫沙淺灘沉積物的沉積剖面.橫沙淺灘粉細(xì)砂沉積層的底板高程約在雞骨礁（122°22.9′E、31°10.4′N）理論最低潮面下13.20 m 左右.第三層、第四層、第五層，物質(zhì)變細(xì)，粉質(zhì)粘土、淤泥粘土到粘土，為全新世水下三角洲沉積.底板高程約在雞骨礁理論最低潮面下48.50 m左右.第六層，物質(zhì)有所粗化，粉質(zhì)粘土夾粉砂，屬晚更新世沉積地層.

圖10 長江口沉積物泥百分含量分布圖Fig.10 Distributions of Changjiang Estuary mud percentage concentration

圖11 長江口沉積物砂百分比含量分布圖Fig.11 Distributions of Changjiang Estuary sand percentage concentration

表6 勘探點(diǎn)位置表Tab.6 Locations of drilling cores

C1孔位于橫沙淺灘以東鄰近海域，在10 m等深線以外的水下三角洲上.第一層，淤泥；第二層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；第三層，淤泥質(zhì)粘土；第四層，粘土.都是細(xì)顆粒沉積物，都屬第四紀(jì)全新世水下三角洲沉積.與C3孔水下三角洲沉積剖面相似.底板高程在雞骨礁理論最低潮面下58 m左右.第四層向下的地層為晚更新世沉積地層.

C2孔介于C1孔和C3孔之間，在橫沙淺灘東側(cè)5 m等深線附近.第一層為粉細(xì)砂，屬于河口攔門沙淺灘沉積.第二層，淤泥質(zhì)粘土；第三層，粘土，屬于水下三角洲沉積.這與C3、C1的水下三角洲沉積剖面相似.底板高程在雞骨礁理論最低潮面下46.80 m左右.該層以下為晚更新世沉積地層.

實(shí)際上，C3、C2、C1三個(gè)鉆孔可以構(gòu)成從橫沙淺灘到水下三角洲的一個(gè)沉積縱剖面.剖面上部河口攔門沙淺灘沉積，以灰色粉細(xì)沙為主，局部為灰黃色，飽和，松散～稍密，砂質(zhì)不純，顆粒較均勻，含云母和貝殼碎片，夾粘性泥層.剖面下部呈現(xiàn)灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，切面較光滑，夾少量粉砂層，含少量有機(jī)質(zhì)，偶見粉砂小團(tuán)塊，搖振見反應(yīng)，韌性中等，再現(xiàn)灰色淤泥質(zhì)粘土，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，切面光滑，有光澤，夾少量粉砂或粉土微粒層，含少量貝殼碎片，無搖振反應(yīng)，韌性高，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)＜1；最后為灰色粘土，飽和，軟塑，土質(zhì)均勻，切面光滑，有光澤，夾粉砂微粒層，含少量貝殼碎片，無搖振反應(yīng)，韌性高，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)2～5擊.

構(gòu)成的沉積縱剖面，從橫沙淺灘到水下三角洲，沉積物有兩大類型，上部為河口攔門沙淺灘沉積，物質(zhì)粗，向海方向尖滅；下部為水下三角洲沉積，物質(zhì)細(xì)，遍及橫沙淺灘和水下三角洲.晚更新世地層在全新世地層之下，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)高.這種沉積物沉積剖面結(jié)構(gòu)對(duì)橫沙淺灘挖入式港池和外航道建設(shè)十分有利.

C4孔位于橫沙淺灘南側(cè)10 m等深線附近，依然顯示河口淺灘沉積和水下三角洲沉積的二元結(jié)構(gòu)特征.但是，在雞骨礁理論最低潮面下48.00m以下的晚更新世地層確為粉細(xì)砂，并不是其余3個(gè)鉆孔所顯示的粉質(zhì)粘土夾粉砂，說明晚更新世沉積地層平面變化比較復(fù)雜.在現(xiàn)有資料情況下，C3、C2、C1沉積物垂向分布特征，已經(jīng)包涵了橫沙淺灘及鄰近海域，而且沉積物分布有序、規(guī)律，可以作為擬選工程橫沙淺灘挖入式港池和外航道建設(shè)的沉積物分布的特征資料.疏松沉積層，可控性好，對(duì)擬建工程建設(shè)有利.

3 小 結(jié)

綜合以上討論分析，可得：① 長江口在河流和海洋相互作用與相互制約下，形成了龐大的河口攔門沙系和水下三角洲兩大地貌單元.擬選橫沙淺灘挖入式港池和外航道就在河口攔門沙淺灘和水下三角洲上.② 橫沙淺灘5 m水深處含沙量在0.459 kg／m3左右.大潮含沙量大于小潮，冬季含沙量大于夏季，臺(tái)風(fēng)暴潮、寒潮大風(fēng)對(duì)淺灘地區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)作用明顯.鄰近海域含沙量低，向海方向急劇減小.含沙量大潮大于小潮，冬季大于夏季.近年來長江流域來沙呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，鄰近海域含沙量也因此有所降低，局部海床有所沖刷.③ 橫沙淺灘表層沉積物粗，以粉細(xì)砂為主，水下三角洲表層沉積物細(xì)，以粘土質(zhì)粉砂為主.根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析，C3孔、C2孔、C1孔顯示的沉積物垂向分布，全新世地層可以分為兩層，上層由粉細(xì)砂組成，屬于河口攔門沙淺灘沉積，下層由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粘土組成，屬于水下三角洲沉積.都是疏松沉積層，可挖性好，對(duì)橫沙淺灘挖入式港池和外航道建設(shè)有利.

上述意見僅根據(jù)現(xiàn)有資料所做的初步分析.實(shí)際上，含沙量和沉積物特征及其分布十分復(fù)雜，隨著研究工作進(jìn)展，還應(yīng)做更多、更廣泛的調(diào)查研究工作.

［1］ 陳吉余.中國河口海岸研究與實(shí)踐［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］ 陳吉余.上海市海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報(bào)告［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.

［3］ 郭蓄民，許世遠(yuǎn)，王靖泰，等.長江河口地區(qū)全新統(tǒng)的分層與分區(qū)［G］／／嚴(yán)欽尚，許世遠(yuǎn).長江三角洲現(xiàn)代沉積研究.上海：華東師范大學(xué)出版社，1987.

［4］ 何青.河口泥沙［M］／／陳吉余.21世紀(jì)的長江河口初探.北京：海洋出版社，2009.

［5］ 虞志英.長江口北槽口外水下地形［G］／／沉積環(huán)境變化和對(duì)三期外航道的影響.上海：華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2004.

［6］ 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.上海國際航運(yùn)中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報(bào)告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2012.

［7］ 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.上海新港區(qū)選址（橫沙）項(xiàng)目研究前期工作報(bào)告［R］.上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.