摘 要： 为研究流域来沙减少及人类活动影响下长江河口自然滩涂的冲淤演变趋势,以横沙浅滩为例,基于实测地形资料分析结果,建立了长江河口中长期动力地貌模型,并将其用于对横沙浅滩未来20 a的冲淤演变趋势进行预测。结果表明:(1)近年来横沙浅滩逐渐由冲淤相对平衡状态转变为冲刷状态,其南北两侧冲刷显着,滩面串沟发展已成形;(2)横沙浅滩未来仍将呈持续冲刷的态势,将致使滩体稳定性受到威胁;(3)有必要对横沙浅滩开展保护与治理研究,并适时启动人工保护措施。
关键词： 滩涂演变; 动力地貌; 演变趋势; 长江口;
1 、研究背景
长江口河段上起徐六泾,下至口外原50号标灯,是较为典型的潮汐型河口,其河床平面呈三级分汊、四口入海的复杂河势格局[1]。受径流、潮流相对强度不同以及泥沙组成在空间上存在较大差异等因素的影响,自然状态下的长江口河势、滩势极为动荡,各汊道主流频繁移位[2,3]。其中,横沙浅滩作为长江口宝贵的自然滩涂资源,近年来,受流域来沙量减少[4]及人类活动等因素的影响,滩体呈萎缩态势;而且滩面串沟发展[5],极可能会影响到区域河势的稳定,从而威胁到航道的安全运行。因此,研究新形势下横沙浅滩的冲淤演变特点并进行趋势预测,能为横沙浅滩的综合治理工作提供重要支撑。
目前,针对横沙浅滩的研究仍较少,而且大多集中在浅滩区吹填成陆的可行性研究方面。路川藤等基于非结构网格计算,分析了横沙浅滩成陆对南北港、南北槽过流能力的影响[6];曹慧江等研究了在横沙浅滩建港的可行性、综合效益及对周边区域的影响[7]。然而缺少对横沙浅滩自然演变趋势及其存在不利因素方面的研究。此外,也有学者结合北槽深水航道疏浚土处置问题对横沙浅滩的保护与治理进行了有益的探索。比如金镠等借鉴淤泥质海床的波浪黏弹性模型,结合连云港航道疏浚土实测流变特性参数,研究了在横沙浅滩采用不同密度疏浚土的消浪效果[8]。包起帆等研究了利用长江口北槽航道疏浚土进行横沙浅滩生态陆域塑造的可能性及优势[9]。
但是鉴于现阶段横沙浅滩的开发利用方向及其影响尚未明确,因此亟需要研究流域减沙背景下横沙浅滩未来的演变趋势及其可能会带来的影响,以便为后续保护与治理工作的开展提供重要依据。
本文利用长江河口实测水沙及地形资料,研究横沙浅滩近些年的冲淤演变规律及其主要影响因素,进一步建立了长江河口中长期动力地貌模型,以便对横沙浅滩未来的冲淤演变趋势进行模拟分析,并基于分析结果提出相应的保护与治理建议。
2 、研究区域概况
2.1、 地理位置
横沙东滩(含横沙浅滩)位于长江口横沙岛东缘,北港与北槽之间,滩体形态由西向东呈舌形分布(见图1),属于长江口三大浅滩之一。受长江上游水土保持工程及三峡工程运用的影响,长江河口来沙量大幅减少[4];同时长江口北港、北槽区域一系列河口综合治理工程的实施也极大程度地改变了横沙浅滩区域原有的水动力条件,比如北槽深水航道工程、横沙东滩综合整治工程等,引起横沙浅滩-5 m以上的沙体面积、体积明显减小[10]。此外,横沙浅滩还长期处于易侵蚀的环境中,滩面串沟呈持续发展的态势,滩体稳定性岌岌可危,其演变的不确定性极可能会影响到北港口门区域河势格局的稳定[9]。
图1 横沙浅滩示意
2.2、 历史演变特点
20世纪初期,铜沙浅滩在水流冲刷作用下解体后,横沙东滩及横沙浅滩才逐渐在1931,1935,1949年及1954年4次较大洪水的作用下形成了目前的东西走向、分隔北港与北槽的格局[11]11]。1973～1997年,横沙东滩逐渐由西向东淤涨,南北两缘经历了先淤后冲的演变过程,沙尾也逐渐向外海侧淤涨(见图2(a))。一方面,北港主流在横沙岛的顶托下冲刷团结沙,引起了横沙东滩北缘的淤涨,但随着北港深槽的向下游发展,横沙东滩北缘受主流影响又有所冲退;另一方面,横沙东滩窜沟的萎缩减弱了进入北槽的东南向落潮流,九段沙北缘逐渐由冲转淤,横沙东滩南缘则相应由淤转冲。总的来说,横沙东滩的历史演变特点与区域河势、滩势的变化紧密联系、相互影响。
3 、新形势下横沙浅滩平面形态调整特点
2000年以后,大通水文站的年输沙量出现了断崖式下降(见图3),长江口来沙量锐减,加之人类活动对河口影响的加深,导致横沙浅滩冲淤变化频繁,滩体总体呈萎缩态势,且滩面有串沟发展成形。因此本文重点研究新形势下横沙浅滩的平面形态调整过程。
图2 1973～1997年横沙浅滩-5 m等深线变化示意
图3 长江大通水文站年际输沙量变化示意
3.1 、等深线变化
根据2000～2017年横沙浅滩-5 m等深线的变化过程可知(见图4):横沙浅滩-5 m等深线近年来总体呈萎缩的态势。其中,2000～2006年,横沙浅滩-5 m等深线表现为北侧中下部持续蚀退、滩尾稍有外推,而滩体南侧已初步呈现串沟发育的态势;随后(2009～2017年)横沙浅滩-5 m等深线北侧中上部持续蚀退,滩尾基本稳定,但滩体南侧已形成了明显的串沟且仍有向上游发展的态势。总的来说,横沙浅滩虽处于自然状态,但等深线的变化过程与2000年以前相比已出现了明显变化,整体呈萎缩态势,且与周围河势、滩势的联系明显有所减弱,因此需引起重视。
3.2 、滩面冲淤变化
近年来,横沙浅滩稳中有涨的演变态势难以维持。根据2009～2017年横沙浅滩平面冲淤变化图可知:2009～2013年,浅滩滩面冲淤呈条状分布(见图5(a)),其中,南侧滩面在深水航道北导堤沿堤流及风浪的影响下呈持续冲刷的态势,冲刷范围上朔至N23潜堤附近;北侧滩面虽然在N23潜堤的掩护下,出现了一定范围的淤积,但潜堤头部处出现了显着的冲刷;滩尾区域呈冲淤相间分布,但主要表现为冲刷。2013年后(至2017年),浅滩滩面基本延续了前时段的冲淤特点(见图5(b)),但北侧滩面的冲刷程度有所加剧,这可能与流域来沙量的持续减少有关。总的来说,由于受口门区域复杂的风浪潮、工情及流域来沙量减少等因素的影响,致使横沙浅滩冲淤变化频繁、总体有所冲刷,不利于河势稳定及滩涂资源保护。
图4 2000～2017年横沙东滩-5 m等深线变化示意
4、 横沙浅滩冲淤演变趋势预测
4.1、 研究方法
相关研究表明:潮流、径流在长江河口中长周期地貌演变过程中起着主导作用[12]12],为此,可以采用数学模型对河口区域中长周期冲淤演变趋势进行模拟[13,14]13-14]。有鉴于此,本研究基于横沙浅滩实测地形冲淤分析结果,建立了长江河口中长期动力地貌模型,对横沙浅滩未来20 a的冲淤演变趋势进行预测;同时,在地貌模块中引入了“地貌加速因子”方法,通过进行敏感性分析及冲淤后的结果验证,可以保证地貌模拟的效率及可靠性。
本研究建立模型的计算区域覆盖了长江口、杭州湾及附近感潮河段,上游边界选取大通水文站;对外海边界,考虑到长江口地区受东海前进潮波的控制,取到-50 m等深线左右,以最大程度地消除外海边界对于计算区域的影响。模型中同时还考虑了粘性和非粘性沙组分,对悬沙粒径则参考相关研究成果[15,16]15-16]。此外,构建的模型中也考虑到了长江口各类重要水利工程的可能影响。
图5 2009～2017年横沙浅滩滩面冲淤变化示意
4.2 、模型验证
为保证中长期地貌演变模拟结果的准确性,模型验证主要包括水流、泥沙及横沙浅滩区域地貌冲淤反演。水动力、含沙量验证资料采用长江口2016年洪季、枯季实测水沙资料,地貌冲淤反演采用2013～2017年横沙浅滩实测地形资料。验证结果基本能反映长江口泥沙输运随涨落潮的周期性变迁的特点,同时也较好地反演了横沙浅滩的冲淤变化幅度,并在冲淤分布格局上也具有一定的一致性。部分验证结果如图6～8所示。
4.3 、横沙浅滩中长期冲淤演变模拟
为了模拟横沙浅滩2017～2037年的冲淤演变情况,根据地貌反演结果,将加速因子大小设置为30,上游大通站边界根据加速因子选取近几年洪季、枯季特征水沙过程,外海边界采用全球潮汐预报模型计算结果。图9给出了横沙浅滩2017～2037年的冲淤模拟结果,由图9可以看出:随着流域来沙量减少,对长江口地貌演变的影响逐渐显现,未来横沙浅滩呈现冲多淤少、整体冲刷的发展态势,其中,滩体北侧呈现出较明显的长距离冲刷;滩体南侧靠近深水航道北导堤串沟处仍呈冲刷的态势,幅度及范围与2009～2017年间的情势较相近,但有向北侧发展的趋势;滩面淤积区域分布的范围及幅度较近几年有明显减少。总的来说,横沙浅滩未来仍将呈现出冲多淤少的演变趋势,滩体体积持续减小,既不利于滩涂湿地的保护,还可能会威胁到口门区的河势及北槽深水航道的稳定。
图6 水动力验证
图7 含沙量验证
图8 2013～2017年横沙浅滩冲淤反演
图9 2017～2037年横沙浅滩冲淤演变预测结果
5 、保护与治理建议
上述分析结果表明:横沙浅滩区域的滩涂资源正在持续流失中,滩面冲淤变化频繁及串沟的发展给区域河势稳定会带来不确定性。一方面,横沙浅滩属于国务院批准的《上海城市总体规划(2017-2035年)》中明确的城市长远发展战略空间,是宝贵的自然滩涂资源;另一方面,通过维护横沙浅滩稳定以控制北港口门河势也是为“长江大保护”等国家发展战略服务的重要举措。因此,为了更好地在长江口区域为国家战略的实施提供河势控制、航道稳定、生态环境保护等方面的有力保障,建议对横沙浅滩加强动态监测,开展滩涂保护与治理对策研究,适时采取人工保护措施;同时,还可资源化利用深水航道疏浚土[9]9],进一步改善滩涂资源结构及质量,为城市经济社会发展预留空间。
6、 结 论
本研究利用长江口区域的实测水沙及地形资料,在分析横沙浅滩演变规律的基础上,建立了长江河口中长期动力地貌模型,并将该模型用于对横沙浅滩未来的冲淤演变趋势进行预测;同时,结合新时期长江口滩涂保护与治理的新要求,提出了相应的建议,并得出了如下结论。
(1) 1998年以前,横沙浅滩基本处于自然状态,其冲淤演变与河势、滩势变化密切相关;近年来,受流域来沙量锐减及人类活动的影响,横沙浅滩南北两侧持续冲蚀,滩面串沟发展,致使滩体稳定受到威胁。
(2) 通过建立长江河口中长期动力地貌模型,对横沙浅滩未来20 a的冲淤演变趋势进行了模拟,结果表明:未来横沙浅滩仍将以冲蚀为主,滩面串沟将进一步向北发展。
(3) 建议在横沙浅滩适时启动人工保滩措施,并结合航道疏浚土资源的利用来改善浅滩结构及质量,进一步稳定北港口门河势,保障深水航道安全运行。
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