郭興杰，嚴(yán)學(xué)新，王寒梅，沙偉，秦渭華，唐迎洲，徐健

( 1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國家海洋局東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心，上海 200137；3. 上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200233)

1 引言

長江河口呈“三級分叉，四口入?！被緫B(tài)勢，且由于其毗鄰上海市，人類活動頻繁，對海岸帶地形演化有一定的驅(qū)動效應(yīng)。灘涂是由河口及近海地區(qū)長期泥沙沉降堆積而形成[1]，但是這種特殊地貌相對尺度較小，脆弱性也很明顯[2]。過去十來年沿江沿海區(qū)域高速發(fā)展，灘涂圈圍成為很多地區(qū)緩解土地利用壓力的重要途徑[3]，其不僅是土地資源，也是重要的生態(tài)資源，研究河口灘涂的演化規(guī)律關(guān)系到其周圍航運(yùn)通暢、生態(tài)保護(hù)以及近岸工程等安全性。

長江口復(fù)雜的動力沉積環(huán)境塑造了多種形式的地形，其演變機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，既受到徑流、河海兩相輸沙、潮汐、潮流、波浪等影響，也受到汊道分流分沙、鹽淡水交互、異重流等影響，許多學(xué)者從水沙測量、沉積物采集、地形勘測等形式對長江口地貌進(jìn)行了較豐富的研究[4-9]，由于潮灘地形數(shù)據(jù)監(jiān)測的難度和經(jīng)費(fèi)的限制，對灘涂地形演化的系統(tǒng)性和連續(xù)性測繪和研究一直較少[10-13]，一些學(xué)者利用遙感技術(shù)對崇明東灘地形進(jìn)行研究[14-16]，以及圍墾工程后影響評估[10，17-18]，由于崇明東灘及其周邊是國家級自然保護(hù)區(qū)和中華鱘保護(hù)區(qū)，所以近年來很多研究都集中在生物生態(tài)的研究上[18-21]。

長江口河段屬于水運(yùn)和資源高度利用河段，人類活動影響較為明顯，受地形數(shù)據(jù)測量難度和精度的限制，對近期崇明東灘及周圍地形演化需要進(jìn)一步深化研究。因此，本文利用高分辨率單波束測深數(shù)據(jù)和遙感圖像，并結(jié)合GIS分析方法對崇明東灘演化研究，以期回答以下問題：（1）在自然演化和人類活動雙重影響下，近年來崇明東灘的演化格局及其演化機(jī)理機(jī)制；（2）徑流輸沙、風(fēng)暴潮、水庫、圍墾等因素等對地形演變的驅(qū)動效應(yīng)；（3）東灘演化和人類活動的相互關(guān)系。

2 研究區(qū)概況與方法

2.1 研究區(qū)的選擇與概況

長江口主要水動力由潮流控制，大型灘涂基本發(fā)育于攔門沙河段。本文研究區(qū)為崇明東灘圍墾區(qū)外緣區(qū)域，包括北港北沙區(qū)域，在崇明東灘及相鄰區(qū)域間存在一個(gè)北港北汊道（圖1）。研究區(qū)北側(cè)為長江口北支，近年來不斷束窄淤淺；南側(cè)為北港下段，對岸為橫沙東灘大型圍墾區(qū)；西側(cè)為崇明島，1950年以來進(jìn)行了大量圍墾工程，2005年東灘作為國家自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，外緣為中華鱘自然保護(hù)區(qū)；東側(cè)經(jīng)佘山島瀕臨東海海域。研究區(qū)受到工程和自然演化因子的共同影響。

2.2 徑流水沙特征

長江口來水來沙可由大通站控制，統(tǒng)計(jì)2001-2017年《長江泥沙公報(bào)》大通站水沙數(shù)據(jù)。長江口近年來徑流輸沙量有所減弱，1960-1986年之間輸沙量與徑流量基本保持正相關(guān)關(guān)系，在1986年后大通站徑流量變化不大，但是其輸沙量開始減少，尤其是1998年之后，輸沙量減幅增大[9，13]，2006年之后輸沙量在逐年波動，但是基本趨于穩(wěn)定，年輸沙量基本維持在 1.0×108～1.2×108t（圖 2）。

2.3 研究方法

本文遙感影像數(shù)據(jù)收集于上海市測繪院地理信息公共服務(wù)平臺，地形數(shù)據(jù)為上海市地質(zhì)調(diào)查研究院實(shí)測，測量時(shí)間為每年的4-6月，定位系統(tǒng)采用SHCORS系統(tǒng)，潮灘測量采用CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測量，測量范圍為一線海塘到WGS-84坐標(biāo)的0 m線位置，測點(diǎn)間距約5 m，測線間距略大，約為2 km；0 m以下地形利用丹麥Teledyne ODOM公司的單波束測深儀測得，儀器精度約1～10 cm±1%測深，并結(jié)合美國天寶公司的R8雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行間距為500 m的斷面測量，單波束測點(diǎn)間距約5 m，測深數(shù)據(jù)經(jīng)過多潮位站修正，部分海上潮位站為測量時(shí)臨時(shí)設(shè)置（圖1）。坐標(biāo)采用理論最低潮面，WGS-84坐標(biāo)。平面定位最大和最小誤差分別是±1.99 m和±0.95 m。

遙感影像數(shù)據(jù)直接接入ArcGIS平臺處理作圖，地形數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中進(jìn)行插值和網(wǎng)格化處理，采用Kriging法插值，并建立DEM地形模型，在地形模型中提取斷面，地形相減形成沖淤模型。數(shù)據(jù)選擇年份為2011年、2013年、2015年和2017年，為更好的定量對比崇明東灘的地形變化，本文研究區(qū)域選取固定面積的區(qū)域進(jìn)行對比研究，圍墾堤壩為研究區(qū)邊界，選擇最新圍墾后的研究區(qū)定量計(jì)算面積（圖1）。水動力數(shù)據(jù)利用上海市地質(zhì)調(diào)查研究院與三峽大學(xué)合作的灘涂相關(guān)專題研究計(jì)算所得，采用MIKE21_FM模塊，東灘附近網(wǎng)格局部加密，并對中浚、九段沙東、雞骨礁和小洋山4個(gè)潮位站水位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果

3.1 歷史地形演化

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the research area

圖2 2001-2016年大通站水沙量統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of water and sediments of the Datong Station in 2001-2016

1842年崇明東灘呈向東延伸的“舌狀”邊灘，后1907年在北港攔門沙段北側(cè)出現(xiàn)陰沙，1960年陰沙淤積出露成為心灘明沙，稱為團(tuán)結(jié)沙，后團(tuán)結(jié)沙“北淤南蝕”，向西側(cè)灘涂并靠發(fā)展，1979年人工筑壩堵汊，團(tuán)結(jié)沙與東灘連在一起。由于團(tuán)結(jié)沙筑壩堵汊工程的實(shí)施，改變了其周圍水流特性，原團(tuán)結(jié)沙外側(cè)受漲潮流的沖刷形成第二個(gè)離灘沙體，經(jīng)過多年的發(fā)育成為北港北沙，與崇明東灘之間的汊道稱為北港北汊道。1842年至今，崇明東灘不斷淤漲，但是近年來淤積速率逐漸趨緩[11-12]。

3.2 地形橫向擺動變化

研究區(qū)外側(cè)基本以-5 m等深線為邊界，邊灘沙尾整體向南偏移，而東灘以0 m等深線為邊界沙尾向北偏移。北港北汊道南側(cè)河槽較窄，深度約在-5～-6 m之間，北側(cè)河槽漸寬，深度約在-2～-3 m，河道整體呈“北寬淺，南窄深”的格局，研究區(qū)靠近北支一側(cè)灘涂坡度較陡，靠近北港一側(cè)坡度較緩（圖3）。

對崇明東灘0 m、-2 m和-5 m等深線進(jìn)行對比，2011-2013年間崇明東灘北側(cè)0 m和-2 m等深線略有侵蝕向南偏移，后2013-2017年逐漸向北偏移淤積，沙尾處2011-2017年間逐年向外延伸，其中2013-2017年淤積最為明顯。在北港北汊道北側(cè)口門處形成一些-2 m心灘；北港北沙南側(cè)在2013年形成一個(gè)-2 m的陰沙心灘，在2013-2017年間逐漸淤積變大，有與北港北沙并靠的趨勢；北港北沙變化相對較小；-5 m等深線變化相對較小，只在佘山島附近略有侵蝕現(xiàn)象（圖 4）。

圖3 2011-2017年研究區(qū)地形變化Fig. 3 Topographic changes of the research area in 2011-2017

計(jì)算崇明東灘等深線包絡(luò)面積，可知在2011-2013年間0 m、-2 m等深線包絡(luò)面積變小，但是在2013-2017年間包絡(luò)面積逐漸增大，0 m、-2 m等深線變化趨勢基本一致；-5 m等深線變化很小，基本沒有趨勢性變化，所以研究區(qū)-5 m等深線并未向外延伸長大（圖 5）。

3.3 地形沖淤變化

2011-2013年間崇明東灘出現(xiàn)小幅度沖刷，尤其是在崇明東灘北側(cè)區(qū)域，沖刷較為明顯，中間北港北汊道局部淤積，而南側(cè)北港北沙區(qū)域變化較小，局部沖淤交替，無明顯趨勢；2013-2015年間崇明東灘和北港北沙淤積明顯，崇明東灘一側(cè)淤積更為明顯，北港北汊道略為沖刷；2015-2017年間崇明東灘繼續(xù)淤積，研究區(qū)南側(cè)淤積大于北側(cè)（圖6）。

圖4 研究區(qū)內(nèi) 0 m（a）、-2 m（b）和-5 m（c）等深線變化Fig. 4 Changes of 0 m (a), -2 m (b) and -5 m (c) contour lines in the study area

圖5 研究區(qū) 0 m（a）、-2 m（b）和-5 m（c）等深線包絡(luò)面積變化Fig. 5 Envelope area variation of 0 m (a), -2 m (b) and -5 m (c)contour lines in the study area

為準(zhǔn)確研究研究區(qū)內(nèi)地形變化，在研究區(qū)上、中、下沿著單波束測線分別作了3條剖面，具體位置見圖1，AA′剖面靠近北支口門水域，整體變化平緩，呈淤積態(tài)勢，靠近崇明島一側(cè)淤積更為明顯；BB′剖面在沙體中間，整個(gè)剖面基本呈淤積狀態(tài)，在靠近沙尾處坡度增大，2011-2015年間出現(xiàn)明顯的淤積；CC′剖面在北港北沙南側(cè)，地形起伏變化大，在上段呈局部沖刷，中下段呈淤積狀態(tài)，2011-2017年間崇明東灘和北港北沙基本為淤積長高態(tài)勢（圖7）。

4 討論

從上述結(jié)果中可知崇明東灘和北港北沙近年來基本呈淤積態(tài)勢，只在2011-2013年產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象。河勢的穩(wěn)定是由于水流、泥沙和地形長期相互作用的結(jié)果，任何一個(gè)因素的改變都會打破河流原有的態(tài)勢。近年來河口河槽的演化受人類活動影響明顯，人類活動打破原有的河流演化平衡，后河道經(jīng)過自適應(yīng)演化再次達(dá)到新的平衡，整個(gè)演化過程為平衡-不平衡-平衡。分析人類活動各個(gè)因素的影響，以期對河口演化格局進(jìn)行預(yù)測預(yù)判。

4.1 地貌特征發(fā)育成因

4.1.1 動力地貌特征

由于徑流和潮流相互作用，在流速滯留點(diǎn)形成攔門沙，且徑流攜帶泥沙在離開口門時(shí)失去兩側(cè)岸線的約束，導(dǎo)致泥沙落淤，所以在此處極易形成灘涂。Dyer和Huntley[22]認(rèn)為泥沙供應(yīng)是灘涂形成的主要原因，長江口泥沙來源由“河海雙向來沙”共同決定，徑流和潮流動力變化一起塑造了潮灘地形。關(guān)于河口潮灘的成因，一般認(rèn)為漲落潮流路的時(shí)空分異形成橫向環(huán)流，而橫向環(huán)流又是泥沙沉降聚集的主要原因[23]。

Dyer和Huntley[22]研究認(rèn)為在河口口門，潮流通道呈漲潮優(yōu)勢發(fā)展方向，而潮流沙脊呈落潮優(yōu)勢發(fā)展方向。本文研究區(qū)內(nèi)崇明東灘“舌狀”沙脊的尾端，-5 m等深線向南偏移，0 m等深線向北偏移。研究區(qū)周圍存在3個(gè)主要潮流通道，分別為北支口門南汊道、北港北汊道、北港南汊道3條主要潮流通道，由于北支整體為漲潮槽[24]，而南汊道位于北支口門，更接近海域，所以北支口門南汊道基本以漲潮優(yōu)勢為主。茅志昌等[12]根據(jù)實(shí)測資料認(rèn)為北港北汊道是一個(gè)漲潮槽，在崇明東灘沙尾處，北港北汊道的落潮流和北支口門南汊道的漲潮流交匯，漲落潮流路不同會形成一個(gè)橫向環(huán)流，所以淤積明顯，并且沙尾也沿著北港北汊道落潮流的方向發(fā)展。而在北港北沙-5 m沙尾處，由于北港下段落潮流與北支口門南汊道漲潮流交匯，也形成一個(gè)環(huán)流，此區(qū)域沙尾亦向落潮流方向發(fā)展（圖8），這些結(jié)果都可以與Dyer和Huntley[22]的研究結(jié)果相論證。

圖6 研究區(qū)內(nèi)地形沖淤變化Fig. 6 Changes of erosion and siltation in the study area

圖7 研究區(qū)內(nèi)剖面變化Fig. 7 Changes in the sections of the study area

圖8 研究區(qū)內(nèi)潮流模型Fig. 8 Divergence of flood and ebb current in the study area

4.1.2 北港北汊道成因分析

根據(jù)4.1.1節(jié)地貌特征發(fā)育成因可知，崇明東灘外緣極易形成沙體，過去歷史上崇明東灘外側(cè)一直發(fā)育有獨(dú)立沙體，過去是團(tuán)結(jié)沙，在東灘和團(tuán)結(jié)沙之間存在一個(gè)漲潮的汊道，在漲潮流的作用下，團(tuán)結(jié)沙向西淤漲，汊道束窄，由于汊道的萎縮，漲潮流對東灘一側(cè)有一定的頂沖作用，導(dǎo)致東灘岸線侵蝕，后1979年人為實(shí)施“種青促淤、阻汊連島”工程，團(tuán)結(jié)沙與崇明東灘并靠[14]。

團(tuán)結(jié)沙和東灘并靠后，在東灘外側(cè)又逐漸發(fā)育了北港北沙，北港北沙和東灘之間為北港北汊道，過去認(rèn)為北港北汊道是一條發(fā)展的漲潮槽，任其發(fā)展的話，可能對青草沙水庫鹽淡水交換以及周圍沙體發(fā)育產(chǎn)生較大的影響[25]，但是由于汊道兩側(cè)東灘和北港北沙的淤積發(fā)展，直接擠壓了北港北汊道北沿，且北港和北支口門南汊道交匯形成的次級環(huán)流也不斷推動了北港北沙的淤積發(fā)育，現(xiàn)在北港北汊道河槽中在2015-2017年間發(fā)育一些-2 m深的陰沙心灘，汊道由漲潮槽轉(zhuǎn)化為落潮槽，未來此河槽將延續(xù)淤積態(tài)勢，并且也將導(dǎo)致未來北港北沙和崇明東灘的并岸。

團(tuán)結(jié)沙和北港北沙都是東灘外側(cè)獨(dú)立沙體，在發(fā)育成因和機(jī)理上有很多相似性，但也存在一定的差異，首先發(fā)育規(guī)模不同，團(tuán)結(jié)沙規(guī)模約為北港北沙的1/3～1/2，其次周圍圍墾工程的影響也有所不同，團(tuán)結(jié)沙淤漲的過程中，漲潮流對崇明東灘東側(cè)岸線沖刷，導(dǎo)致岸線局部后退，但在北港北沙發(fā)育淤漲的過程中，北港北汊道先發(fā)展展寬，后由于崇明東灘2014-2016年間圍墾區(qū)在其北側(cè)，導(dǎo)致北側(cè)東灘向東淤漲，直接擠壓北港北汊道，東灘主要為人為驅(qū)動淤漲，而北港北沙自然驅(qū)動淤漲，兩大沙體的淤漲直接導(dǎo)致北港北汊道萎縮，潮流由過去的漲潮優(yōu)勢轉(zhuǎn)為現(xiàn)今的落潮優(yōu)勢。

Cheng等[26]對潮流主控的河口河槽側(cè)向環(huán)流的不對稱性影響進(jìn)行研究，并提出以Keh來判斷河口河槽的穩(wěn)定性，Zhong等[27]利用黃海西南沿岸的潮汐通道實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算Keh參數(shù)，判斷潮汐通道的穩(wěn)定性。本文利用Keh對北港北汊道2011-2017年間河槽穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，并計(jì)算寬深比，對北港北汊道的演化趨勢和穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，

式中，f是科里奧利參數(shù)（，ω=7.27×105rad，其中北港北汊道緯度約φ=31.30°）；B是河槽寬度；U是河槽最大流速，由MIKE21中水動力模塊計(jì)算并驗(yàn)證后所得；g=9.8 m/s2；H是河槽斷面最大水深；根據(jù)文獻(xiàn) [26]可知，β為一個(gè)恒定常數(shù)，β=7.7×10-4，而Sc為潮汐通道側(cè)向鹽度梯度差，由于文獻(xiàn)[27]研究區(qū)距離本研究區(qū)較近，所以也參照該取值Sc=8。根據(jù)平均水深和河寬計(jì)算寬深比。

根據(jù)表1可知，北港北汊道寬深比較大，斷面bKeh小于1，而斷面cKeh大于1，斷面位置見圖9。根據(jù)文獻(xiàn)[26]研究可知，Keh越大河槽的側(cè)向環(huán)流不對稱性越強(qiáng)，河槽擺幅大，河槽越不穩(wěn)定，斷面bKeh在2011-2017年間逐漸減小，河槽擺幅小，河槽萎縮趨勢；斷面cKeh在2011-2017年間河槽不穩(wěn)定，整體變化趨勢亦不明顯，北港北汊道整體為萎縮趨勢，且2011-2017年間寬深比也整體以變小為主。

表1 北港北汊道斷面參數(shù)Table 1 Cross-sectional parameters of North Branch of North Harbour

圖9 北港北汊道斷面位置Fig. 9 Profiles location of North Branch of North Harbour

4.2 沙體發(fā)育擾動分析

4.2.1 流域來沙的影響

來沙量是決定灘涂地形變化的重要因素，長江口流域來沙減少對下游河道演化有一定的影響，導(dǎo)致下游局部發(fā)生沖刷和崩岸現(xiàn)象[28]，從大通站輸沙量和灘涂面積變化幅度關(guān)系（圖10）可知，長江徑流輸沙對灘涂淤積影響相對較小，甚至研究區(qū)內(nèi)淤積面積與來沙量變化結(jié)果截然相反，所以徑流來沙減少對潮灘的影響較小。

圖10 研究區(qū)內(nèi)沙體面積與徑流輸沙的相對關(guān)系Fig. 10 The relationship between shoal area and sediment discharge in the study area

4.2.2 風(fēng)暴潮影響

根據(jù)上海市水務(wù)局防汛信息可知，2012年長江口發(fā)生過一次較大的臺風(fēng)，并引起風(fēng)暴增水，且崇明東灘和北港北沙區(qū)域正好靠近東海區(qū)域，受風(fēng)暴潮影響，引起地形的局部強(qiáng)烈沖淤變化，可能是導(dǎo)致2011-2013年間研究區(qū)地形沖刷原因。

4.2.3 圍墾工程影響

崇明東灘是長江口重要的圍墾區(qū)之一，過去是上海市主要的土地來源之一。本文研究時(shí)間為2011-2017年，通過崇明東灘衛(wèi)片對圍墾堤壩進(jìn)行整理描繪，以2011年的海堤線為基準(zhǔn)，整理逐年新增的圍墾堤壩（圖11）。近年來由于保護(hù)區(qū)的成立，東灘圍墾速率相對放緩，且2011-2017年間的圍墾基本集中于崇明東灘北邊灘，這些圍墾阻斷了潮溝水系的交流，導(dǎo)致泥沙在圍墾區(qū)外淤積，也加快了東灘的淤積速率。

北支近年來束窄萎縮也是導(dǎo)致崇明東灘淤積的另一個(gè)主要原因，由于徐六涇節(jié)點(diǎn)的圍墾工程限制了北支的分流比，且崇明東灘北沿也進(jìn)行了一些較大規(guī)模的圍墾工程[12]，直接束窄了北支河道，兩個(gè)因素共同導(dǎo)致北支萎縮淤積，而北支的淤積也引起了崇明東灘的淤積態(tài)勢。

圖11 2011-2017年間崇明東灘圍墾工程Fig. 11 The reclamation project in Chongming Eastern Beach from 2011 to 2017

由于北港青草沙水庫的建設(shè)，增加了北港河槽的曲率，引起側(cè)向環(huán)流對稱性的調(diào)整，導(dǎo)致北港落潮流向南偏移量增大，根據(jù)“凹岸沖刷，凸岸淤積”的演化規(guī)律，落潮流對北側(cè)崇明東灘影響變得更小，另外近年來橫沙通道由于沖刷而導(dǎo)致的落潮分流增加[29]，這些北港河槽的變化都是導(dǎo)致北港北沙淤積的因素。

5 結(jié)論

通過2011-2017年高精度地形的持續(xù)測量和GIS研究等分析了長江口崇明東灘前緣區(qū)域的演化，并結(jié)合近年來的水沙、風(fēng)暴潮以及一些工程影響因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）2011-2017年間崇明東灘和北港北沙出現(xiàn)大范圍淤積，研究區(qū)整體南側(cè)地形變化大于北側(cè)，但是-5 m等深線包絡(luò)面積幾乎沒有變化，灘涂處于明顯的“長高不長大”格局；研究區(qū)中間北港北汊道中出現(xiàn)心灘，呈淤積發(fā)展趨勢。

（2）徑流來沙對研究區(qū)地形變化影響有限，海相來沙是其淤積的主要物源。潮流是研究區(qū)地貌變化的主要動力，研究區(qū)內(nèi)由于3條汊道漲落潮時(shí)空分異而形成的兩大環(huán)流是形成此地形形態(tài)的主要原因。

（3）人類活動是研究區(qū)動力變化的主要驅(qū)動因素，崇明東灘、北支南沿的圍墾工程直接導(dǎo)致北支和崇明東灘的淤積，其次水庫工程導(dǎo)致北港河槽曲率改變和橫沙通道落潮分流比增加都是引起北港北沙淤積的另一個(gè)因素。兩大灘涂的淤積直接擠壓北港北汊的發(fā)展，北港北汊淤積可能會引起兩大沙體的并靠。未來如果沒有風(fēng)暴潮等極端因素影響，此區(qū)域會繼續(xù)延續(xù)淤積長高態(tài)勢。