1972—2013年杭州灣北岸金山深槽演變特征與穩(wěn)定性分析

鄭璐，張偉，王軍*，何曉峰

(1.華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；3.上海石化海堤管理所，上海 200540)

1972—2013年杭州灣北岸金山深槽演變特征與穩(wěn)定性分析

鄭璐1，2，張偉3，王軍1，2*，何曉峰3

(1.華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；3.上海石化海堤管理所，上海 200540)

運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)1972-2013年金山深槽的沖淤特征、演變機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)長(zhǎng)期來(lái)看，15 m深槽區(qū)以沖刷為主，沖刷區(qū)占總面積的88.05%，沖刷量(120.35×106m3)遠(yuǎn)大于淤積量(3.76×106m3)，年均凈沖刷速率為7.46 cm/a；深槽整體向縱深發(fā)展，縱長(zhǎng)增加了7.34 km，展寬增加近1 km，且有明顯向南展寬趨勢(shì)；抗沖刷沉積層使得深槽在強(qiáng)潮沖刷下具有一定的穩(wěn)定性，平均和最大深度波動(dòng)幅度較小，平均深度維持在21.01～23.59 m，最大深度在46.90～51.00 m間且分布集中。(2)短期來(lái)看，特定地形條件下的沖淤變化明顯受人類(lèi)活動(dòng)所致水沙變化的影響。2002-2012年，年均凈沖刷速率高達(dá)22.14 cm/a，2012-2013年，沖淤基本平衡。(3)基于15 m、20 m、25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)幅度的穩(wěn)定分析可知，深槽大部分區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定區(qū)范圍均占65%以上，但在第6次圍堤西側(cè)和城市沙灘前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，擺動(dòng)幅度較大，建議加強(qiáng)附近水文監(jiān)測(cè)以及海堤安全評(píng)估。

杭州灣；金山深槽；時(shí)空演變；穩(wěn)定性分析

1 引言

杭州灣北岸位于上海南翼，東臨東海，西有錢(qián)塘江注入，并聚集有上海石油化工股份有限公司和化學(xué)工業(yè)等多個(gè)支柱和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，對(duì)上海甚至全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。金山深槽是杭州灣喇叭狀強(qiáng)潮河口北岸形成的漲潮槽[1]，是河口灣重要的水下地貌類(lèi)型，平均水深超過(guò)22 m，離岸較近，其向岸擺動(dòng)會(huì)對(duì)沿岸產(chǎn)生安全威脅，也影響到新港口建設(shè)、海上運(yùn)輸?shù)冉?jīng)濟(jì)活動(dòng)，因此對(duì)金山深槽的演變特征與穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要意義。

許多學(xué)者對(duì)杭州灣北岸的沖淤變化進(jìn)行了研究。曹沛奎等[2]利用動(dòng)力、地貌和沉積相結(jié)合方法分析杭州灣北岸沖刷槽特征、水流結(jié)構(gòu)和泥沙輸移過(guò)程，指出沖刷槽縱向延伸和垂向增深較小，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。倪瑋等[3]基于杭州灣大范圍潮流數(shù)值模擬結(jié)果，從河口邊界形態(tài)、水下地形、外海潮型等方面，探討影響杭州灣北岸深槽的潮流動(dòng)力要素，發(fā)現(xiàn)自然及人為因素對(duì)深槽的塑造存在影響。謝東風(fēng)等[4]也對(duì)杭州灣長(zhǎng)期的演變特征進(jìn)行了研究。這些研究對(duì)分析金山深槽演變特征、穩(wěn)定性等具有重要意義，但金山深槽作為杭州灣重要的構(gòu)成部分，其長(zhǎng)期的演變規(guī)律是什么？穩(wěn)定性如何？需要利用長(zhǎng)期資料進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文基于金山深槽40多年的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，圍繞以上兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展如下研究：(1)金山深槽沖淤?gòu)?qiáng)度分析；(2)金山深槽重點(diǎn)斷面沖淤特征分析；(3)金山深槽空間形態(tài)演變分析；(4)從地質(zhì)地貌、水文泥沙和人類(lèi)活動(dòng)3方面，對(duì)金山深槽演變機(jī)制進(jìn)行探討；(5)基于15 m、20 m、25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)幅度對(duì)深槽進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。

2 研究區(qū)概況

杭州灣北岸是長(zhǎng)江三角洲南緣的組成部分，一方面受長(zhǎng)江下泄泥沙的影響，三角洲迅速向東延展，杭州灣北岸岸線不斷東進(jìn)，向漏斗狀海灣轉(zhuǎn)化；另一方面，灣口地形改變使外海潮流愈益受到約束，灣內(nèi)潮動(dòng)力增強(qiáng)，又引起灣內(nèi)地形的改變。東海潮波主要分南、中和北3股涌入灣內(nèi)，南股經(jīng)鎮(zhèn)海和大魚(yú)山間水道自東南向西北沿庵東灘地入灣；中股于大魚(yú)山和崎嶇列島間的海域向西進(jìn)入灣內(nèi)；北股則經(jīng)由大衢山和嵊泗間水道，經(jīng)崎嶇列島，貼杭州灣北岸入灣。在強(qiáng)勁的潮流作用下，金山以西沿岸依次發(fā)育著金山、全公亭、乍浦和秦山等一系列深槽，全公亭深槽可以作為金山深槽延續(xù)部分[2](圖1a)。

東海潮波在大、小金山間不斷輻集，潮波變形、潮差增大，漲潮流輻聚，在狹道水流渦動(dòng)作用下，下切海床形成金山深槽(研究范圍為15 m以深深槽區(qū)，東起大、小金山，西至滬浙交界處的白沙灣)。深槽主體由多個(gè)深潭串連而成，主槽線大致呈E-W方向，與漲落潮流方向一致(見(jiàn)圖1b)。明嘉靖年間，深槽西端尚未越過(guò)金山嘴正南。嘉靖以后，深槽隨著潮勢(shì)的增強(qiáng)不斷向西伸展。至清雍正、乾隆年間，伸展至金山衛(wèi)前沿。1931年，20 m深槽區(qū)由金山衛(wèi)伸展至戚家墩前沿，1953年越過(guò)金山灘嘴，1972年又向西延伸1 km。1972年以來(lái)，上海石化圍堤、南匯灘的促淤工程、興建水庫(kù)等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的干擾較大，對(duì)金山深槽的演變和穩(wěn)定性有深刻的影響。至2013年，15 m深槽區(qū)全長(zhǎng)約16.76 km，寬度2.22～4.20 km，面積約38.06 km2，平均水深22.63 m，最大水深51 m，離岸最近約300 m，0～20 m灘坡坡度1∶35，20～45 m最大坡度1∶8.4，深槽臨岸，岸坡陡峻，其演變和穩(wěn)定性備受關(guān)注。

圖1 金山深槽位置、地形圖和杭州灣北岸岸線變遷1)Fig.1 Location and topography of the Jinshan Trough and changes of coastline in the north shore of Hangzhou Bay①第1次圍堤；②第2次圍堤；③第3次圍堤；④第4次圍堤；⑤第5次圍堤；⑥第6次圍堤①The first levee;②the second levee;③the third levee;④the fourth levee;⑤the fifth levee;⑥the sixth levee

1) 惲才興，虞志英，胡方西，等. 上海石化前沿金山深槽及岸灘穩(wěn)定性研究(研究報(bào)告)，2002.

3 數(shù)據(jù)與方法

文中使用的1972、1982、1992、2002、2012和2013年近岸水下地形及測(cè)站點(diǎn)水文泥沙數(shù)據(jù)由實(shí)測(cè)獲得。地形數(shù)據(jù)基準(zhǔn)面為理論最低潮面，以ArcGIS10.1軟件為支撐，采用Kriging空間插值方法(柵格單元大小10 m×10 m)，利用3D Analyst和Spatial Analyst模塊對(duì)地形數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，具體包括沖淤面積、沖淤量、沖淤速率、等深線以及6個(gè)典型斷面的形態(tài)分析等；在穩(wěn)定性分析時(shí)利用Data Management Tools工具集，在研究區(qū)繪制845個(gè)等距平行線，平行線被15 m、20 m、25 m等深線截得線段的中點(diǎn)即為等深線包絡(luò)區(qū)的中軸點(diǎn)，中軸點(diǎn)集構(gòu)成中軸線，依據(jù)中軸線擺動(dòng)幅度進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。由于1972年上海石化開(kāi)始圍堤建設(shè)，沿岸涉水工程先后完工，1972-2013年間岸線變化，為便于對(duì)比研究，統(tǒng)一采用2013年岸線。

4 研究結(jié)果

4.1 金山深槽沖淤?gòu)?qiáng)度分析

通過(guò)GIS構(gòu)建的地形數(shù)字高程模型(DEM)，對(duì)1972-2013、1972-1982、1982-1992、1992-2002、2002-2012和2012-2013年金山深槽沖淤變化特征進(jìn)行分析。按沖淤?gòu)?qiáng)度，劃分3類(lèi)沖淤區(qū)：沖刷區(qū)(沖刷強(qiáng)度大于0.5 m)、淤積區(qū)(淤積強(qiáng)度大于0.5 m)和沖淤穩(wěn)定區(qū)(沖淤?gòu)?qiáng)度在±0.5 m間)，統(tǒng)計(jì)了沖淤特征數(shù)據(jù)(表1)，并繪制了6個(gè)時(shí)段的沖淤變化圖(見(jiàn)圖2)。

表1 15 m以深金山深槽沖淤特征統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of erosion-accretion characteristics of the Jinshan Trough deeper than 15 m

注：負(fù)值表示沖刷，正值表示淤積。

1972-2013年，深槽以沖刷為主，淤積與沖刷區(qū)面積比為0.06，沖刷區(qū)占總面積的88.05%，沖刷量(120.35×106m3)遠(yuǎn)大于淤積量(3.76×106m3)，年均凈沖刷速率為7.46 cm/a(表1)。深槽整體向縱深方向發(fā)展，尤其西側(cè)15 m以深區(qū)均為強(qiáng)沖刷區(qū)(大于3 m)，且有向南沖刷趨勢(shì)；深槽東側(cè)近岸有延伸向城市沙灘碼頭東側(cè)的沖刷區(qū)，且沖刷范圍延伸至15 m等深線以淺區(qū)域，東南部大小金山間延伸出的大片沖刷區(qū)與西部沖刷區(qū)幾乎相連于一體(見(jiàn)圖2a)。

其間，1972-1982年，深槽以淤積為主，淤積與沖刷區(qū)面積比為1.60，淤積區(qū)占總面積的51.63%，淤積量(36.90×106m3)大于沖刷量(17.36×106m3)，年均凈淤積速率為8.63 cm/a(表1)。深槽西部延伸區(qū)以強(qiáng)沖刷為主，中部和大小金山間大部分區(qū)域以淤積為主，沖刷區(qū)零星分布(見(jiàn)圖2b)。

1982-1992年，深槽以沖刷為主，淤積與沖刷區(qū)面積比為0.24，沖刷區(qū)占總面積的70.01%，淤積量(12.60×106m3)小于沖刷量(54.05×106m3)，年均凈沖刷速率為12.53 cm/a(見(jiàn)表1)。深槽西側(cè)沖刷出15 m以深的槽溝，與東側(cè)深槽幾乎相連；碼頭前和近岸一側(cè)15 m等深線附近為強(qiáng)沖刷區(qū)，中部和大小金山附近沖刷淤積區(qū)交錯(cuò)分布，南側(cè)主要為弱沖刷區(qū)(圖2c)。

1992-2002年，深槽以沖刷為主，沖刷與淤積區(qū)面積比為0.71，沖刷區(qū)面積為12.07×106m2，占總面積的43.64%，東側(cè)沖刷區(qū)沖刷強(qiáng)度較大，淤積量(16.80×106m3)小于沖刷量(54.69×106m3)，年均凈沖刷速率增加為13.70 cm/a(見(jiàn)表1)。金山深槽在近岸一側(cè)15 m等深線附近為強(qiáng)淤積區(qū)，西部和大金山西南側(cè)為強(qiáng)沖刷區(qū)(圖2d)。

2002-2012年，深槽處于沖刷狀態(tài)，淤積與沖刷區(qū)面積比為0.04，沖刷區(qū)面積為33.35×106m2，占總面積的87.19%。淤積量(2.09×106m3)遠(yuǎn)小于沖刷量(86.79×106m3)，年均凈沖刷速率高達(dá)22.14 cm/a(見(jiàn)表1)。深槽區(qū)域普遍沖刷，且沖刷強(qiáng)度較大(圖2e)。

2012-2013年，深槽沖淤基本平衡，淤積與沖刷區(qū)面積基本相當(dāng)，沖淤穩(wěn)定區(qū)面積為22.72×106m2，占總面積的60.22%，淤積量(6.99×106m3)和沖刷量(7.46×106m3)相當(dāng)，年均凈沖刷速率為3.26 cm/a(見(jiàn)表1)，強(qiáng)沖淤區(qū)零散分布(圖2f)。

4.2 金山深槽斷面沖淤特征分析

為了深入分析深槽的沖淤特征，設(shè)置5個(gè)平行等距的橫向斷面和1個(gè)縱向斷面(見(jiàn)圖1)，Ⅰ～Ⅴ斷面起點(diǎn)為岸堤，Ⅵ斷面起點(diǎn)為深槽西端。斷面Ⅰ處(見(jiàn)圖3a)，2002年沖刷至15 m以深，2012年深槽兩側(cè)拓寬，底部持續(xù)下切，2013年底部稍有回淤，整體上沖刷展寬加深；斷面Ⅱ處(見(jiàn)圖3b)，深槽向南沖蝕展寬，離岸1 500～2 500 m處沖刷劇烈，斷面由1972年的“凸”型，沖刷為2012年“凹”型，底部不斷下切加深，深槽近岸一側(cè)坡度變陡，2002年后深槽主軸南偏；斷面Ⅲ處(圖3c)沖淤基本平衡，斷面形態(tài)變化不大，底部和南側(cè)稍有沖刷；斷面Ⅳ處(圖3d)，深槽有向南拓寬加深趨勢(shì)，近岸一側(cè)斷面形態(tài)基本一致，2012年稍有沖刷，離岸一側(cè)沖淤變化頻繁，斷面形態(tài)波動(dòng)較大，尤其是2002-2012年沖刷較為劇烈；斷面Ⅴ處(圖3e)，深槽基本上沖刷加深，尤其是南側(cè)沖蝕厚度較大，且主軸南偏；斷面Ⅵ處(圖3f)，深槽整體沖蝕加深，逐漸向西拓展延伸，縱向延伸方向有4個(gè)串聯(lián)的槽溝，其中大、小金山間近50 m的槽溝沖淤變化頻繁且整體以沖刷為主。

圖3 金山深槽不同斷面處沖淤特征分析Fig.3 The erosion-accretion characteristics of cross sections of the Jinshan Trough

4.3 金山深槽空間形態(tài)演變分析

1972年，上海石化開(kāi)始建設(shè)海堤，人工節(jié)點(diǎn)未形成，25 m以深區(qū)統(tǒng)一成槽，深槽有向岸發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)西側(cè)貼岸正東方向延伸的北支槽，深槽范圍較小，平均深度為23.59 m，最大縱長(zhǎng)9.42 km，延伸至第6次圍堤最西端，容積為2.10×108m3(圖4a，表2)。1982年，隨著石化圍堤的建成，挑流作用促使水流偏向南支槽，南邊坡不斷向外推移，南支槽向西延伸，北支槽萎縮，寬度變窄，不同等深線包絡(luò)面積不同程度的減少(圖4b，圖5)，平均深度為22.46 m，容積減少為1.81×108m3(見(jiàn)表2)。1992年，深槽明顯向西南延展，6次圍堤前兩個(gè)35 m槽溝幾乎相連，不同等深線包絡(luò)面積顯著增加(圖4c，圖5)，15 m等深線包絡(luò)的面積增加近10×106m2，平均深度減小為21.01 m，容積增加為1.99×108m3(見(jiàn)表2)。2002年，30 m等深線統(tǒng)一成槽，北支槽逐漸萎縮，但東側(cè)向南沖刷且大金山島西南側(cè)沖刷出25 m槽溝，容積增加為2.14×108m3(圖4d，表2)。2012年，深槽向西南延展，15 m等深線貫通整個(gè)研究區(qū)域，不同等深線包絡(luò)面積均增加(圖4e，圖5)，容積增加近1×108m3(見(jiàn)表2)；與2012年相比，2013年深槽未發(fā)生明顯的變化(圖4f)。長(zhǎng)期來(lái)看，深槽縱長(zhǎng)由1972年的9.42 km增加到2013年的16.76 km(見(jiàn)表2)，展寬增加了近1 km；平均深度和最大深度波動(dòng)幅度較小，平均深度維持在21.01～23.59 m，最大深度范圍較為集中，基本分布在第6次圍堤?hào)|側(cè)前約900 m的范圍內(nèi)，維持在46.90～51.00 m，容積基本呈增加趨勢(shì)?？傊?，40多年來(lái)，金山深槽不斷向縱深方向發(fā)展，且向南展寬。局部深潭增深和縱向延伸，是水動(dòng)力和邊界條件相互作用的反映，東段30 m以深深潭仍在發(fā)展，說(shuō)明漲潮槽發(fā)育趨勢(shì)尚未減弱。

圖4 各年份深槽地形圖Fig.4 The topographic maps of JinshanTrough in different years

表2 15 m以深深槽幾何形態(tài)指標(biāo)Tab.2 Geometrical morphology indexes of the Jinshan Trough deeper than 15 m

注： 2012和2013年深槽最大縱長(zhǎng)和展寬是測(cè)量范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2) 虞志英，李身鐸，張偉，等. 上海石油化工股份有限公司三次圍堤保灘加固工程海床穩(wěn)定性分析研究(研究報(bào)告)，2006.

圖5 金山深槽不同等深線包絡(luò)面積Fig.5 The envelope areas within different isobaths of the Jinshan Trough

5 討論

5.1 金山深槽演變機(jī)制分析

5.1.1 地質(zhì)地貌因素

金山深槽的發(fā)育除特定的地形、水流條件外，還與所在沉積地層存在著密切關(guān)系。據(jù)金山地質(zhì)鉆孔揭示，深槽穿越的地層為長(zhǎng)江三角洲相和淺海相的沉積地層，在深槽兩側(cè)，由表層向下近60 m的沉積層，可分為5層(見(jiàn)表3)，第3層的陸相暗綠色、黃褐色亞黏土層具有較好的抗沖刷能力，雖然深槽已經(jīng)切過(guò)此層，但對(duì)深槽的擴(kuò)展和穩(wěn)定仍然起著良好的屏障作用，在海運(yùn)碼頭前已被黃色亞砂土替代，抗沖性較差；第4層的濱海相黃色粉細(xì)砂層，對(duì)深槽邊坡維護(hù)極為不利，并引起槽內(nèi)沖淤頻繁交替；第5層沉積時(shí)期較早經(jīng)水下密實(shí)作用，具有較強(qiáng)抗沖性，目前制約著深槽內(nèi)局部深潭下蝕的極限深度。因此深槽沿線穿越的上述海底沉積層中，以上更新統(tǒng)上部的陸相黃綠色亞黏土層及上更新統(tǒng)中部的濱海相灰色亞黏土層為主要邊界層，是控制著深槽橫向擺動(dòng)及下切深度的主要地層。深槽北側(cè)岸線相對(duì)穩(wěn)定，這與水流的長(zhǎng)期穩(wěn)定及沉積地層上存在著上更新統(tǒng)陸相硬黏土層的保護(hù)作用有關(guān)2)。金山深槽發(fā)育歷史悠久，深厚沉積層是其發(fā)育的地質(zhì)基礎(chǔ)。

5.1.2 水文泥沙因素

水文方面，杭州灣的強(qiáng)潮水動(dòng)力條件是金山深槽發(fā)育的基本動(dòng)力。石化前沿水域?qū)儆诜钦?guī)淺海半日潮流性質(zhì)，具有明顯往復(fù)性，主要成逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，表層?xùn)|部具有明顯漲潮優(yōu)勢(shì)性質(zhì)，愈往東及深槽邊緣區(qū)愈明顯，西部有落潮優(yōu)勢(shì)流性質(zhì)，分界線大致在第6次圍堤近岸水域，底層漲潮優(yōu)勢(shì)流向西延伸的范圍比表層遠(yuǎn)2)。近岸潮流流向與岸線相近，漲落潮主流方向基本上順岸在一條直線上，僅在凸岸處漲落潮主軸向有一交角(見(jiàn)圖1b)。隨著水深的增加，流速相應(yīng)地增加，深槽邊緣流速大于近岸區(qū)，且深槽水深較大，垂向流速變化明顯，表層流速最大，向下減少(見(jiàn)表4)。潮波進(jìn)入淺海后，水深變淺，摩擦力增大，由于相位差異分潮波變形導(dǎo)致潮流不對(duì)稱(chēng)[5—6]，杭州灣外寬內(nèi)窄的地形進(jìn)一步加劇這種趨勢(shì)，造成落潮歷時(shí)總體上大于漲潮，深槽西部(9401站)比東部(9406站)更明顯(見(jiàn)表5)。一般，漲潮流在河口深槽區(qū)加強(qiáng)，在淺水區(qū)落潮流占優(yōu)勢(shì)[7]。金山深槽延伸段均為漲潮流速大于落潮流速，而在近岸區(qū)部分水域出現(xiàn)落潮流速大于漲潮流速(見(jiàn)表4)。在廣泛潮間帶河口，優(yōu)勢(shì)流會(huì)產(chǎn)生變化，通常在河口形成一個(gè)漲潮槽以抑制落潮槽的進(jìn)一步發(fā)展[8]。1983年，全公亭深槽尾部測(cè)站點(diǎn)顯示落潮最大流速為1.99 m/s，漲潮最大流速為1.88 m/s，為落潮流占優(yōu)勢(shì)2)，金山深槽及其上游沿灘坡伸展的全公亭深槽，很可能與以上機(jī)制有關(guān)，有待深入研究。

表3 金山深槽沉積地層Tab.3 The sedimentary stratum of the Jinshan Trough

表4 2006年金山水域測(cè)站分層平均流向、流速[流速：m/s，流向：(°)]Tab.4 The average tidal current velocity and speed at each layers’ stations in Jinshan waters in 2006 [velocity：m/s，direction：(°)]

表5 金山水域漲、落潮流歷時(shí)平均值(大潮)Tab.5 The average duration of ebb/flood tidal current in Jinshan waters

金山深槽附近海底表層沉積物主要有3種類(lèi)型：粉砂質(zhì)砂和粉砂在深槽及其西部范圍內(nèi)，沉積物粒徑較粗；泥質(zhì)粉砂沉積在深槽東部和南部，其細(xì)物質(zhì)來(lái)自長(zhǎng)江口泥沙擴(kuò)散[9]；粉砂質(zhì)和粉砂質(zhì)泥主要分布在灘坡上，受潮流和風(fēng)浪作用，顆粒偏粗，分選較好。表層沉積物分布反映水動(dòng)力的強(qiáng)弱和泥沙來(lái)源，深槽內(nèi)的粗物質(zhì)主要來(lái)自于本區(qū)地層的沉積物2)。由于水動(dòng)力條件復(fù)雜，寬淺的河槽和岸坡由疏松的輕亞黏土和粉砂組成，使得深槽產(chǎn)生大沖大淤的變化，北岸深槽自形成以來(lái)，基本上向縱深方向發(fā)展，尤其是深槽西部的粉砂質(zhì)砂、粉砂，抗沖刷能力較弱，在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)勁水流作用下，將砂粒掀動(dòng)，隨潮流向西搬運(yùn)，深度加深，在海床上形成潮流脊、沙坡等微地貌，微地貌是海岸帶動(dòng)力地貌過(guò)程的重要指標(biāo)[10]，在一定程度上反映了流場(chǎng)水動(dòng)力和泥沙條件，趙寶成[11]利用旁側(cè)聲納圖像和多波束水下地形測(cè)量揭示的金山深槽水下微地貌分布以及其指示的海床侵蝕分布與文中圖2和圖4所反映的地貌類(lèi)型及沖淤特征較為一致。

由于三峽水庫(kù)攔沙、長(zhǎng)江上游水土保持、人工采沙及中游河道泥沙淤積等因素，長(zhǎng)江輸沙量明顯減少，大通站1972-1982、1982-1992、1992-2002和2002-2012年的平均輸沙量分別為4.44、4.05、3.09和1.51億噸，流域來(lái)沙量顯著減少。2000年以來(lái)，影響金山深槽沖淤的宏觀自然因素主要是長(zhǎng)江口下泄泥沙的減少。另外，受大面積促淤攔沙造地工程影響，如南匯邊灘從1994-2004年先后實(shí)施的大規(guī)模圈圍促淤造地工程，圈圍高程一般在0 m低灘線上，2004年的臨港圈圍工程圍堤線落在-2 m潮下帶淺灘上，更間接地減少了輸入杭州灣的泥沙量。金山水域漲潮平均含沙量一般大于落潮(表6)，漲潮槽為上游輸沙通道，常態(tài)下的補(bǔ)沙機(jī)制喪失時(shí)，災(zāi)變性補(bǔ)沙的變率增大，造成深槽區(qū)強(qiáng)沖刷。

表6 1994年金山水域含沙量Tab.6 Sediment concentration of Jinshan waters in 1994

5.1.3 人工圍堤和碼頭建筑物的影響

金山海岸歷史上屬侵蝕型海岸，岸線變化較大(見(jiàn)圖1a)，直至清代后期道光年間筑戚家墩盤(pán)頭壩，形成人工節(jié)點(diǎn)，才使一直后退的海岸趨向穩(wěn)定(見(jiàn)圖1b)。1972-1980年，上海石化完成了1、2次圍堤工程，使向海凸出點(diǎn)由戚家墩向西南方向移動(dòng)2.6 km，形成新的人工節(jié)點(diǎn)，由于工程位于老海堤以?xún)?nèi)，影響范圍局部，1972-1982年深槽以淤積為主。1980-1990年，第3、4、5、6次圍堤相繼完成，石化岸線外推1 200～1 600 m，戚家墩以西石化岸段形成另一條新的人工岸線，其走向與金山深槽走向基本一致，很大程度上制約了深槽的橫向向岸擺動(dòng)，在節(jié)點(diǎn)西移過(guò)程中，小金山北股流也向西南方向偏轉(zhuǎn)，與通過(guò)金山門(mén)的南股流匯合，補(bǔ)充南股流能量，加強(qiáng)水流渦動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)海底沖刷作用。對(duì)深槽地形的影響主要表現(xiàn)為1982-1992年的深槽面積擴(kuò)大，15 m等深線明顯向西南擴(kuò)展，深槽以沖刷為主。1992-2002年，圍墾工程的影響削弱，深槽大范圍淤積內(nèi)縮，但東側(cè)潮流沖刷強(qiáng)度大，沖刷量仍較大。近年來(lái)石化東側(cè)金山城市沙灘圈圍工程的建設(shè)，引起東部岸線凸出，出現(xiàn)了新的人工節(jié)點(diǎn)，引起近岸潮流強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致石化圍堤至城市沙灘圍堤前沿的沖刷，再加上長(zhǎng)江來(lái)沙量減少，2002-2012年深槽的普遍強(qiáng)沖刷，金山深槽由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，這與前人研究結(jié)果一致[12]。2012-2013年，隨著海床的不斷調(diào)整，沖刷減弱，沖淤基本趨于平衡。

1983年經(jīng)八路以西先后修建大小化工碼頭，碼頭棧橋頭長(zhǎng)1 050 m，至水深8.5 m處。1990年，化工小碼頭西100 m外建一座電廠煤碼頭，引橋長(zhǎng)1 556.6 m，至水深11.7 m處，1995年又修建化工碼頭一座。碼頭工程引起局部地形變化，如第5次圍堤前的碼頭建設(shè)，導(dǎo)致水流繞行，加強(qiáng)對(duì)碼頭前海床的沖刷，15 m等深線繞過(guò)碼頭，但碼頭前開(kāi)始出現(xiàn)沖刷槽(見(jiàn)圖4e和4f)。

上海石化廠6次圍堤和碼頭建設(shè)等海岸工程，一方面使局部地形改變，如深槽北支槽的逐漸消亡(見(jiàn)圖4)等，另一方面，人為邊界條件的固定使得深槽區(qū)潮流流路束窄，北岸水流流向較為穩(wěn)定，對(duì)深槽地形的影響表現(xiàn)為，深槽北岸及中部(斷面Ⅲ)地形的較穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。但是，由于圍堤等工程，會(huì)導(dǎo)致流道縮窄，潮波變形加劇、漲潮歷時(shí)縮短、高潮位抬升[13]和潮流流速增加。邊界條件改變[14]致使水流流路及其強(qiáng)度的改變，必然引起堤外潮波的能量分配與潮不對(duì)稱(chēng)性特征重塑，使地形處于頻繁動(dòng)態(tài)變化中，如深槽西側(cè)和東南側(cè)的沖淤變化(見(jiàn)圖3)。

5.2 金山深槽穩(wěn)定性分析

深槽穩(wěn)定性受自然與人為因素的影響，其中，主要因素為人類(lèi)活動(dòng)。除本區(qū)域的因素外，杭州灣大環(huán)境變化的影響也不可忽視，如長(zhǎng)江三峽、南水北調(diào)工程引起長(zhǎng)江入海泥沙量減少導(dǎo)致的海岸侵蝕，南匯圍灘造陸及跨海大橋建設(shè)對(duì)杭州灣北部海床的影響等。一旦穩(wěn)定性遭到破壞，深槽將通過(guò)調(diào)整沖淤、空間形態(tài)等以獲得新的平衡。根據(jù)深槽特性(海床物質(zhì)組成、自然或人為控制節(jié)點(diǎn)、水文、泥沙等)，調(diào)整可能會(huì)擴(kuò)展至相鄰的全公亭和乍浦深槽等。

由圖5可見(jiàn)，長(zhǎng)期來(lái)看，不同等深線包絡(luò)面積呈增加趨勢(shì)。15 m、20 m和25 m深槽區(qū)1972年來(lái)已統(tǒng)一成槽，與其他等深線變化趨勢(shì)基本一致，且15 m、20 m和25 m等深線包絡(luò)面積較大，可以反映出深槽整體長(zhǎng)期位置和范圍等的穩(wěn)定性變化。在不考慮海平面上升、風(fēng)暴潮等極端情況下，通過(guò)對(duì)6個(gè)年份15 m、20 m和25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)幅度的統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)表7)，對(duì)深槽穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量的評(píng)估(見(jiàn)圖6)。

圖6 金山深槽穩(wěn)定性評(píng)估Fig.6 Stability evaluation of the Jinshan Trough

表7 基于15 m、20 m、25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)幅度的深槽穩(wěn)定性分析Tab.7 Stability analysis of trough based on the central axis’ swing amplitude of trough deeper than 15 m，20 m and 25 m

由于水沙處于動(dòng)態(tài)中，穩(wěn)定狀態(tài)下的深槽也會(huì)在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，但在外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，穩(wěn)定性就會(huì)被打破，中軸線會(huì)擺動(dòng)偏離平衡位置，故將各深槽區(qū)擺動(dòng)最小值與平均值構(gòu)成的區(qū)間規(guī)定為深槽的穩(wěn)定區(qū)間；由于15 m、20 m、25 m等深線離岸距離最近約為300 m，故將擺動(dòng)范圍在平均值和300 m之間的定為較穩(wěn)定區(qū)間；擺動(dòng)值大于300 m的定為不穩(wěn)定區(qū)間。15 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)范圍為0.16～908.43 m，平均值為94.93 m，值數(shù)共有3 316個(gè)，在穩(wěn)定區(qū)間的占68.78%，較穩(wěn)定區(qū)間的占24.34%，不穩(wěn)定區(qū)間的占6.88%，主要集中分布在第3、4、5次圍堤前，1972-1982、1982-1992、2002-2012年向岸擺動(dòng)，1992-2002年離岸擺動(dòng)。20 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)范圍為0.10～570.41 m，平均值為70.63 m，值數(shù)共有2 351個(gè)，在穩(wěn)定區(qū)間的占67.21%，較穩(wěn)定區(qū)間的占28.92%，不穩(wěn)定區(qū)間的占7.66%，主要分布在城市沙灘前和第6次圍堤前：城市沙灘前有向岸擺動(dòng)和深槽南側(cè)的離岸擺動(dòng)，主要是因?yàn)槌鞘猩碁┙队醒由煜虼a頭東側(cè)的沖刷槽，導(dǎo)致1982-1992、2002-2012年有向岸擺動(dòng)，深槽向南展寬，2002-2012年離岸擺動(dòng)；第6次圍堤前主軸線隨著深槽向西南擴(kuò)展離岸擺動(dòng)。25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)范圍為0.11～420.11 m，平均值為52.57 m，值數(shù)共有2 206個(gè)，在穩(wěn)定區(qū)間的占65.41%，較穩(wěn)定區(qū)間的占34.18%，不穩(wěn)定區(qū)間的占0.41%?？梢?jiàn)，深槽大部分區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，但第6次圍堤西側(cè)和城市沙灘前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，擺動(dòng)幅度較大，應(yīng)加強(qiáng)附近水文監(jiān)測(cè)以及海堤安全評(píng)估。

6 結(jié)論

利用1972、1982、1992、2002、2012、2013年水下實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，分析在杭州灣復(fù)雜水沙條件下，金山深槽近40余年的沖淤演變特征、演變機(jī)制及穩(wěn)定性，結(jié)論如下：

(1)長(zhǎng)期來(lái)看，1972-2013年，深槽淤積區(qū)與沖刷區(qū)面積比為0.06，沖刷區(qū)占總面積的88.05%，以沖刷為主，沖刷量(120.35×106m3)遠(yuǎn)大于淤積量(3.76×106m3)，年均凈沖刷速率為7.46 cm/a，深槽整體向縱深發(fā)展，且有向南展寬趨勢(shì)。短期來(lái)看，深槽的沖淤變化復(fù)雜，尤其是2002-2012年，年均凈沖刷速率高達(dá)22.14 cm/a，2012-2013年，沖淤基本平衡。由6個(gè)斷面的沖淤特征可見(jiàn)，金山深槽整體上下切加深，在斷面Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ處向南展寬，并向西沖刷伸展。

(2)深槽的空間形態(tài)分析中，深槽縱長(zhǎng)由1972年的9.42 km增加到2013年的16.76 km，增加了7.34 km，展寬增加近1 km；平均和最大深度波動(dòng)幅度較小，平均深度維持在21.01～23.59 m，最大深度范圍較為集中，基本分布在第6次圍堤?hào)|側(cè)前約900 m的范圍內(nèi)，維持在46.90～51.00 m，深槽的容積基本呈增加趨勢(shì)。金山深槽的發(fā)育與所在沉積地層存在著密切關(guān)系，也受特定的地形、水沙條件、人工圍堤、碼頭工程、促淤造地工程、水庫(kù)攔沙等的影響。

(3)深槽穩(wěn)定性分析中，15 m、20 m、25 m深槽區(qū)中軸線擺動(dòng)值在穩(wěn)定區(qū)間的均在65%以上，深槽大部分區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在第6次圍堤西側(cè)和城市沙灘前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，擺動(dòng)幅度較大，應(yīng)加強(qiáng)附近水文和海堤安全監(jiān)測(cè)。

致謝：本文在寫(xiě)作過(guò)程中得到了華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室虞志英教授、華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院許世遠(yuǎn)教授、陳振樓教授的悉心指導(dǎo)，也感謝審稿專(zhuān)家對(duì)稿件提出寶貴修改意見(jiàn)，在此致以誠(chéng)摯感謝!

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The evolution characteristics and stability analysis of Jinshan Trough in the north shore of Hangzhou Bay during 1972 to 2013

Zheng Lu1，2，Zhang Wei3，Wang Jun1，2，He Xiaofeng3

(1.SchoolofGeographicSciences，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China; 2.KeyLaboratoryofGeographicInformationScienceofMinistryofEducation，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China; 3.ShanghaiPetrochemicalComplexSeawallManagement，Shanghai200540，China)

The erosion-accretion evolution pattern and mechanism within the Jinshan Trough is analyzed using GIS technology，aiming to imply the sediment transport characteristics in a complex hydrodynamic condition from a spatial-temporal view. Data during 1972-2013 was collected. Analysis results show that: (1) In the long term，the evolution in areas deeper than 15 m is dominated by erosion，accounting for 88.05% of the total trough area，and the erosion amount (120.35×106m3) is larger than that of accretion (3.76×106m3)，with the average net erosion rate reaching up to 7.46 cm/a. Generally，for the Jinshan Trough as a whole，it is extending lengthwise and broadening southward obviously. The maximum length of it increased by 7.34 km; the maximum width has also nearly 1 km. Nevertheless，the anti-scouring deposit layer in the Jinshan Trough has somehow promoted a rough equilibrium of erosion and accretion even with continuing effects of the strong tidal currents during the last four decades. Besides，the average depth ranges from 21.0 to 23.59 m with a slight fluctuating amplitude，and the maximum depth from 46.90 to 51.00 m and are spatially aggregated. (2) With a basis of specific topography，the short-term erosion-accretion pattern are drastically affected by the water and sediment condition changes due to human activities. During 2002 to 2012，the net erosion rate is as high as 22.14 cm/a. On the whole，the erosion and accretion pattern in the Jinshan Trough keeps balanced during 2012 to 2013. (3) By analyzing the swinging values of the central axis in areas deeper than 15 m，20 m and 25 m respectively，it is revealed that most parts of the Jinshan Trough are in a stable state，which accounts for more than 65% of the whole trough. However，unstable areas are distributed at the west of the Sixth Coastal Levee and the city beach，where the water depth fluctuates with a larger amplitude. As a proposal provided by our research，intent hydrographic monitoring and accurate evaluation of seawalls’ safety are required for the near future.

Hangzhou Bay; Jinshan Trough; spatial and temporal evolution; stability analysis

2014-11-10；

2015-01-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71373084)；全球變化研究重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951204)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZZ035)。

鄭璐(1991—)，女，河南省桐柏縣人，從事沿海災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究。E-mail:51130801055@ecnu.cn

*通信作者：王軍(1975—)，男，陜西省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市自然地理、沿海災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究等。E-mail:jwang@geo.ecnu.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.012

P736.14

A

0253-4193(2015)09-0113-13

鄭璐，張偉，王軍，等. 1972—2013年杭州灣北岸金山深槽演變特征與穩(wěn)定性分析[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(9):113-125，

Zheng Lu，Zhang Wei，Wang Jun，et al. The evolution characteristics and stability analysis of Jinshan Trough in the north shore of Hangzhou Bay during 1972 to 2013[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(9):113-125，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.012