長江口南支河床容積對來沙量減少的響應(yīng)規(guī)律研究

繳 健，楊嘯宇，丁 磊，黃宇明, 2，王逸飛

(1. 南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210024; 2. 武漢大學，湖北 武漢 430072)

河口作為河流入?？?，其形態(tài)受到徑流、潮汐、波浪以及上游來沙量等多種因素共同影響[1]。而河口河床容積是反映河口段水沙動力與河床斷面自適應(yīng)調(diào)整的一個重要指標[2]。長江口作為我國最大的河口，其河床沖淤變化影響著周邊地區(qū)社會的經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境等[3]，受到廣泛關(guān)注。隨著長江流域水土保持、上游水庫攔蓄調(diào)節(jié)、沿江用水增加及氣候變化，上游來沙大幅減少[4]，加之三峽工程運用后的蓄水攔沙作用，長江中下游干流河道發(fā)生了不同程度的沖刷調(diào)整[5]。目前上游來沙量減小的影響已在長江口逐漸顯現(xiàn)，水沙條件趨勢性變化對深水航道[6]、水源地[7]和灘涂圈圍[8]等河口工程安全運行將帶來一定影響。已有研究表明，流域輸沙率與長江口泥沙沉積通量之間有較好的相關(guān)性[9]，但不同地區(qū)的水下地形變化對來沙量的變化響應(yīng)具有很大的差異性。通過分析1950—2000年來沙量與地形資料，長江來沙量減少而徑流量基本不變，使得徑流沖刷力相對增強，導致河口區(qū)水下沙洲沖刷、河槽容積增加，長歷時的上游來沙量減少將導致河口地區(qū)的溯源沖刷，河口下游受影響最早然后逐漸波及上游[10]。但三峽建成后，水沙情勢有了新的變化，來沙量減小疊加局部工程的作用使得河床容積變化規(guī)律更加復雜[11]，河口河床容積與來沙量減小的時空響應(yīng)規(guī)律不明確。為此，以長江口河床容積對來沙量減少的響應(yīng)規(guī)律為研究目標，選擇工程影響相對較少的長江口南支作為研究區(qū)域，采用1987年至2020年大通輸沙量進行分析，再通過南支斷面地形資料統(tǒng)計1978—2018年不同高程下的容積變化，隨后建立上游來沙量與不同空間尺度以及不同時間尺度下長江口河床容積變化關(guān)系。

1 研究區(qū)域

長江口南支河段上起徐六涇，下至吳淞口，全長70.5 km，以七丫口為界分為上、下兩段。上段白茆沙汊道段，長約35.0 km，為雙分汊河型；下段長約35.5 km，又稱三沙河段(扁擔沙、新瀏河沙、中央沙)，為多分汊河型。扁擔沙分河道為南支主槽和新橋水道。南支主槽偏靠右岸，上與白茆沙南水道平順銜接。

選取1978年、1984年、1992年、1997年、1998年、2001年、2002年、2003年、2006年、2011年、2016年、2018年共12次不同時期南支水下斷面資料進行分析，其中靠近新瀏河沙(NG-X系列斷面)共8個斷面無1978年以及2018年資料，高程系統(tǒng)采用1985年國家高程系統(tǒng)，斷面布置見圖1。

圖1 研究區(qū)域以及斷面布置示意Fig. 1 Study area and section layout diagram

2 上游來沙量變化分析

2.1 大通站水沙變化

大通站是長江干流最下游一個具有系統(tǒng)水文觀測的永久性水文站，通常把大通站的輸沙量作為長江的入海沙量。三峽工程自2003年建成蓄水以來，大通站多年平均徑流量未出現(xiàn)明顯趨勢性減小。近年來隨著長江上游水土保持工程及水庫工程的建設(shè)，長江流域來沙呈現(xiàn)明顯減少趨勢。以葛洲壩工程和三峽工程蓄水為節(jié)點，輸沙量呈現(xiàn)明顯的三階段變化特點，其中1951—1985年平均年輸沙量為4.70億t，1986—2002年平均年輸沙量為3.40億t，2003—2020年平均年輸沙量為1.32億t，見圖2。三峽水庫蓄水前，汛期(5月至10月)沙量占年輸沙量的87.92%；三峽水庫蓄水后，汛期沙量占年輸沙量的78.74%，沙量減小幅度明顯?？菁据斏沉靠傮w較小，蓄水后枯季輸沙量有所減小但幅度不大。三峽水庫蓄水前后月輸沙量對比見圖3。

圖2 大通水文站年輸沙量歷年變化過程Fig. 2 Variation process of annual sediment transport of Datong Station

圖3 大通站三峽水庫蓄水前、后月均輸沙量對比Fig. 3 Comparison of monthly average sediment transport of Datong Station before and after the operation of the Three Gorges Dam

2.2 徐六涇站水沙變化

自1984年以來，在徐六涇水文斷面進行了數(shù)次洪季含沙量測量，圖4為1984—2019年各次測量漲潮以及落潮平均的含沙量變化。1984年漲、落潮平均含沙量分別為1.82 kg/m3和1.85 kg/m3；1984—2002年漲、落潮平均含沙量略有下降，分別為1.05 kg/m3和0.96 kg/m3；2003年以后徐六涇站水文斷面漲、落潮平均含沙量均呈現(xiàn)減小的態(tài)勢，2003—2012年漲、落潮平均含沙量分別為0.35 kg/m3和0.29 kg/m3；2003—2019年漲潮、落潮平均含沙量分別比1984—2002年減少67%和69%。因此，徐六涇的含沙量與大通站的輸沙量具有明顯的響應(yīng)關(guān)系。

圖4 徐六涇洪季漲潮、落潮平均含沙量Fig. 4 Average sediment concentration of flood and ebb tide of Xuliujing

3 長江口南支河床容積變化特征分析

首先對不同年份徐六涇至中央沙河段0 m以下河床容積進行統(tǒng)計，由于部分斷面1978年以及2018年缺測，統(tǒng)計時間范圍為1984—2016年，見圖5?？梢钥闯?，從1984年至2016年，0 m以下河床整體處于沖刷狀態(tài)，22年間容積增大約10億 m3。其中，1984—2003年19年間增加約5億m3，2003年后13年間增大約5億m3。因此可以看出，2003年三峽建成蓄水后，河床沖刷速率較之前有了明顯增加。

圖5 徐六涇至中央沙河段0 m以下容積Fig. 5 Volume below 0 m between Xuliujing and Zhongyangsha

由于長江口南支河床地形復雜，淺灘與深槽交錯，為了深入分析灘槽容積變化，將0～-5 m高程的河床作為淺灘，-10 m高程以下河床作為深槽，對南支灘槽容積變化分別進行分析，見圖6。可以看出，1984—2016年淺灘容積變化趨勢與深槽有明顯區(qū)別，淺灘容積略有減小，總體變化在1億m3以內(nèi)，這與白茆沙和中央沙淺灘守護工程有關(guān)；而深槽的容積具有明顯的增加趨勢，1984—2016年增大約9億m3，其中2003年后增大約5億m3。由此可見，隨著2003年以來上游來沙量減少，南支河段0 m以下容積增大約5億m3，這主要反映在-10 m以下深槽的大量沖刷，1984年后深槽的沖刷量約占0 m以下河床沖刷量的90%，2003年后深槽的沖刷量約占0 m以下河床沖刷量的95%。

圖6 徐六涇至中央沙河段淺灘深槽容積Fig. 6 Volume of shoal and channel between Xuliujing and Zhongyangsha

4 河床容積對來沙量變化的時空響應(yīng)關(guān)系

4.1 長江口南支段河床容積與不同年份來沙量的關(guān)系

為了研究長江口河床容積對上游來沙量變化的響應(yīng)關(guān)系，首先建立大通站當年來沙量與0 m以下河床容積關(guān)系，見圖7(a)?？梢钥闯觯笸ㄕ镜膩砩沉颗c南支河段的河床容積變化有較為明顯的相關(guān)性，隨著來沙量減小，河床容積有了明顯增加，其相關(guān)系數(shù)為0.74。為了研究長江口河床容積對上游來沙量變化的響應(yīng)時間，分別計算斷面數(shù)據(jù)測量時間對應(yīng)的大通站前1年、2年、3年以及4年平均來沙量，建立其與河床容積關(guān)系，圖7(b)～(e)分別為南支河段0 m以下河床容積與大通站近5年輸沙量的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.85、0.83、0.77，可見前1年平均大通輸沙量與南支0 m以下河床容積的相關(guān)性最好，與前2年、前3年、前4年平均輸沙量的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，說明相關(guān)性也逐漸變?nèi)?圖7(f))。

圖7 0 m以下河床容積與不同年份來沙量關(guān)系Fig. 7 Relationship between volume below 0 m and sediment load in different years

為探討淺灘和深槽對上游來沙的響應(yīng)關(guān)系，分別對0～-5 m河床容積和-10 m以下河床容積與上游來沙量的相關(guān)性進行分析，計算表明，0～-5 m河床容積與當年及過去4年大通站輸沙量的相關(guān)性很弱，相關(guān)系數(shù)在0.01～0.19之間，0～-5 m河床容積與前1年來沙量關(guān)系見圖8；-10 m以下河床容積與大通站前1年的平均輸沙量相關(guān)性最好(圖9)。由此可見，深槽容積與0 m以下河床容積有相同規(guī)律，即與前1年平均來沙量有良好的響應(yīng)關(guān)系，而淺灘容積則與來沙量變化無明顯相關(guān)性。

圖8 0～-5 m河床容積與前1年來沙量關(guān)系Fig. 8 Relationship between volume between 0～-5 m and sediment load in the previous year

圖9 -10 m以下河床容積與前1年來沙量關(guān)系Fig. 9 Relationship between volume below -10 m and sediment load in the previous year

根據(jù)結(jié)果分析可知長江口南支河床容積與前一年平均上游來沙量相關(guān)關(guān)系最為顯著，可以初步說明來沙量減小對河床容積的影響效應(yīng)具有約1 a的滯后性。

4.2 南支不同河段河床容積與來沙量的關(guān)系

長江口南支受到徑潮流共同作用，動力條件復雜，漲潮槽、落潮槽以及淺灘交替，不同段的地貌、動力特征不同，為了進一步明晰長江口南支不同區(qū)段的河床深槽容積變化特征，利用測量資料統(tǒng)計徐六涇段、白茆沙水道段(包括白茆沙北水道和南水道)、南支主槽段和中央沙段(包括中央沙左汊和右汊)0 m以下容積，再建立河床容積與前1年平均來沙量的關(guān)系，河道分段示意見圖10。

圖10 長江口南支河段容積變化統(tǒng)計Fig. 10 Statistics of volume change in the North Branch of the Yangtze Estuary

不同河段0 m以下河床容積與一年前平均來沙量關(guān)系見圖11。徐六涇段，白茆沙北水道、南水道，南支主槽上、下段和中央沙左汊、右汊的河床容積與來沙量的相關(guān)系數(shù)分別為0.75、0.00、0.63、0.92、0.70、0.16、0.76。其中，相關(guān)性最強的是南支主槽上段，中央沙右汊次之。相關(guān)性最弱的是白茆沙北水道與中央沙左汊。在長江口南支中，白茆沙北水道與中央沙左汊潮落分流比低，均不是主要落潮通道。因此，在長江口南支中，主河槽的河床容積與上游來沙量，尤其是前一年的平均含沙量有較好的相關(guān)性，而白茆沙北水道以及中央沙左汊的河床容積變化與上游來沙量無相關(guān)性。

圖11 不同河段0 m以下河床容積與一年前平均來沙量關(guān)系Fig. 11 Relationship between volume below 0 m in different water reaches and sediment load in the previous year

5 結(jié) 語

收集并分析了長江大通站的泥沙通量以及徐六涇站的含沙量資料，統(tǒng)計了不同高程下的河床容積隨時間變化特征，建立了不同區(qū)段、不同高程河床容積與上游不同時段平均來沙量的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1)對三峽工程建成前后的大通站水沙變化以及徐六涇站的含沙量變化進行統(tǒng)計分析，大通輸沙量呈現(xiàn)明顯的三階段變化特點，2003—2020年的年輸沙量較三峽工程建成前有大幅減少；同樣，徐六涇站洪季含沙量較三峽工程建成前大幅減少。大通站來沙量減小對徐六涇站當年洪季含沙量有直接的影響。

2)分析了1984—2016年長江口南支河段河床容積變化，三峽建成蓄水后，南支河段0 m以下河床沖刷速率有明顯增加，其中95%的容積變化來自于深槽(-10 m以下)，而淺灘(0～-5 m)河床容積變化很小。

3)建立不同時間尺度大通來沙量與南支河床容積的相關(guān)關(guān)系，南支0 m以下以及-10 m以下河床容積與前1 a大通平均輸沙量的相關(guān)性最好，來沙量減小對長江口河床容積的影響效應(yīng)具有約1a的滯后性。建立前1年大通平均輸沙量與南支不同河段河床容積的相關(guān)關(guān)系，南支主槽上段與上游來沙量相關(guān)關(guān)系最好，主要落潮通道與上游來沙量相關(guān)性較好，非主要落潮通道(白茆沙北水道、中央沙左汊)與上游來沙量無相關(guān)性，來沙量減小對長江口南支河床容積的影響主要體現(xiàn)在落潮主通道。