长江口南汇东滩滩地地貌演变分析

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泥沙研究2007年12月JournalofSedimentResearch第6期长江口南汇东滩滩地地貌演变分析1,2,322刘杰,陈吉余,陈沈良(11上海河口海岸科学研究中心,上海201201;21华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;31河口海岸交通行业重点实验室,上海201201)摘要:南汇东滩位于长江口与杭州湾的交汇带,受长江径流、来沙、波浪、潮汐和人类活动的影响,滩地地貌演变复杂。近百年来,南汇东滩北冲南淤,呈整体向东南伸展的演变趋势。波浪和潮流的共同作用,控制着南汇东滩滩坡和滩地走向,形成了岸、滩、槽平面发散的地貌形态。近年来,受长江口深水航道治理工程的影响,南汇东滩上段冲刷,下段淤积,地貌形态总体变化不大。没冒沙是南汇东滩上的次生沙体,形成于上个世纪的20年代,形成以来虽经历复杂的演变过程,但多年来沙嘴(或沙脊)的位置和走向基本保持稳定。南汇东滩平缓且稳定的滩坡、丰富的泥沙供应和适当的潮流、波浪动力是没冒沙长期稳定的内在机理。关键词:长江口;南汇东滩;没冒沙;水库中图分类号:TV14813文献标识码:A文章编号:04682155X(2007)06200472061前言长江每年约有4亿吨的泥沙下泄,在河口区形成巨大的水下三角洲和宽广的潮滩。南汇东滩就是2其中最宽阔的潮滩之一,-5m等深线以内的滩地面积约630km,是上海开发浦东、拓展城市空间的宝[1]贵土地资源。近年来,随着上海新一轮发展,城市工业向沿江、沿海区域转移,南汇东滩促淤围垦工程实施强度因此增大。继在南汇东滩围垦的土地上建设浦东国际机场以后,近5年来大型促淤围垦工程2并起,0m等深线以上约170km的滩地分别被促淤和围垦。1998年实施的长江口深水航道治理工程也改变了南槽上段的边界和水流动力条件。这些变化都将引起南汇东滩的沉积响应,对南汇东滩滩地地貌演变产生深刻影响。为进一步开发、利用和保护南汇东滩的水土资源,有必要对南汇东滩滩地的历史演变和近期的工程影响进行分析。近年来,南汇东滩水域虽已开展了不少研究工作,对该区域的水文泥沙特征和滩槽泥沙交换有了比[2-6]较深入的认识。然而,对于南汇东滩滩地地貌变化研究的仍较少,尤其是对次生沙体没冒沙的发育和演变规律还缺乏足够的认识。[7]2003年初,陈吉余院士提出“建设没冒沙生态水库、开拓上海市的新水源”设想,得到上海市有关领导的高度重视。本文主要根据现场资料分析,重点探讨南汇东滩滩地的演变规律,为规划中的没冒沙生态水库建设提供科学的参考依据,同时也将进一步丰富对长江河口动力过程和地貌演变规律的认识。2研究区域概况南汇东滩位于长江口和杭州湾之间,其北侧为长江口南槽,南侧为杭州湾,地貌形态表现为北窄南宽,水下沙嘴呈向东方向的整体态势,0m至-5m等深线最大距离约15km,滩坡坡度达1P3000。0m、-2m、-5m等深线基本都保持和南汇嘴相同的外形,呈圆弧状突出的犁头型,但它们各自突出的部位收稿日期:2006205207基金项目:河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目(2005409111)作者简介:刘杰(1975-),男,安徽州人,工程师,在读博士,主要从事河口海岸工程泥沙研究。47 并不处于同一纬度,0m线略偏南,-5m线偏北,-2m居于两者之中。南汇东滩的北侧发育一条线状沙脊,称之为没冒沙,-2m等深线以上的脊身长约为25km,脊顶最大高程多年保持+015m左右,落潮时一般不露出水面(图1)。没冒沙与岸之间有一浅槽,多年平均水3深在-215～-3m之间。利用该浅槽修建水库,容积可达2亿m以上,除可供浦东城市生活、生产用水[7]外,而且还可为浦东地区改善河流生态服务,所以称之为没冒沙生态水库。图1研究区域Fig.1Studyarea3资料与方法本文主要依据1913、1952年和2000年南汇东滩的海图地形数据及1920年以后不同时期测量的没冒沙区域地形图。同时,还收集了长江口深水航道治理工程实施以后的多次地形图。在对各地形图进行数字化的基础上建立数字高程模型,进行冲淤的对比和冲淤量的统计。4结果411南汇东滩根据1913、1952和2000年海图对比,发现南汇东滩不同年份-5m等深线突出部位都发育有不同方向的次生沙嘴,如1913年的次生沙嘴S1伸向东南;1952年的S2伸向东北,S3向东南;2000年的S4向东伸展。这种次生沙嘴反映了某一时期局部的泥沙淤积方向,不代表南汇东滩整体的伸展方向。若忽略次生沙嘴,进行平滑处理,则0m、-5m等深线突出端点的连线和纵轴线P(约130°)接近正交,且各年连线相互平行,且近年的连线位于早年连线之东南(图2)。这一移动规律,反映南汇东滩整体以130°方向向东南伸展,其中前39年(1913-1952)伸展速率约82mPa,后48年(1952-2000)伸展速率约62mPa。南汇东滩不同区段的冲淤变化趋势不同。北段边滩呈冲刷缩窄趋势,-5m线以1913年距岸最宽,1952年居中,2000年最窄,明显反映了该段边滩不断受冲刷缩窄的状况,其中1913-1952年冲窄了约3km,随后的48年冲刷速率减缓。中段受同期北段冲刷泥沙下泄的影响,1913-1952年向外淤涨,1952年至2000年大幅度蚀退,最大后退距离近5km。南段-5m等深线明显向东南伸展,若以-5m线的推进距离计算,从1913年到2000年向前推进了215km,伸展速率约为30mPa。根据滩地面积计算(表1),不同时期-5m等深线以上的滩地面积无明显变化。0m以上的滩涂面积随岸线变迁和人工围涂不断缩小;0m～-5m等深线之间的面积随着0m以上滩涂缩减而有所扩大。2但两者之和,即-5m等深线至岸线所包围的滩地总面积变化不大,三个年份的平均值为633km,其中48 图2南汇东滩滩地演变Fig.2GeomorphicevolutionofNanhuieasternmudflat1913年的面积偏离均值最大,约占均值的2%。由此认为,南汇东滩在长期演变过程中,-5m等深线以2上的滩地面积保持着比较稳定的状态,2000年面积缩减是因为人工围涂了80km的缘故。2表1南汇东滩滩地面积变化PkmTable1AreasofNanhuieasternmudflat年份岸至0m线0m线至-5m线岸至-5m线191322739261919521774676442000131424555(635)长江口深水航道治理一期工程位于北槽上段,于1998年1月开工,2001年6月建成(图1)。工程实施后封堵了江亚北槽,南、北槽由二级分流变成一级分流,分流嘴上提至江亚南沙头部。工程实施后尽管南槽下断面分流比总体上变化不大,但上段面的分流比却有明显的增加,最大达13%(表2),致使南3槽上段发生明显地冲刷,其中1997年到2002年南槽上段就有近8500万m泥沙被侵蚀掉。受其影响,南汇东滩北段冲刷,中段淤积,中浚以上的-5m等深线向岸后退,最大距离达950m。中段以下-5m等深线向外海淤长,最大距离达115km。表2一期工程实施后南槽分流比变化Table2FlowdischargeratioofSouthChannel日期1998181999131999182000132000192001142001110200213上断面P%391238391647194911511452195214下断面P%461347163816421945194616471650153根据计算,1997年至2002年南汇东滩上段A1区约有1000万m泥沙被侵蚀掉,平均冲刷幅度达019m。中段(A2区)上冲下淤,冲淤量总体保持平衡;下段(A3区)发生较为明显的淤积,5年间共淤积3约7500万m泥沙,平均淤厚达0145m,年淤积速率达9cmPa。412没冒沙没冒沙位于南汇东滩的北侧-2m至-5m等深线之间,其头部位于三甲港以下约3km处,尾部止于大治河河口,离岸距离约1km至8km。南汇东滩岸线的长期稳定是没冒沙发育和稳定的基础。上世纪50年代以前,长江口岸线基本为自然演变状态,人工海堤单薄。尽管如此,根据历史海图统计(表3),南汇东岸岸线(三甲港至大治河)多年保持稳定,走向约为332～152度。49 图31997年至2002年南汇东滩冲淤变化Fig.3Thesedimentthicknessofdepositionorerosionfrom1997to2002表3南汇东滩(三甲港至大治河)岸滩线走向变化(°)Table3Directionsofshorelines0mand-5misobath年份1915192019261931193519451961196519731980岸线1521521511511521521521531531520m等深线143141151151147147150151149149-5m等深线135136—13613715137141131—13619世纪60-70年代长江河口经历两次大的洪水,北港上段冲开,主泓由南港移向北港。此后进入南港的径流减弱。20世纪初期长江主泓转入南港,上游大量底沙沿南港下泄。从海图对比可知,1915年到1920年南汇东滩0m以上的高滩地淤长速度加快,0m线与岸线(三甲港至大治河)之间的平均宽度由1915年的4km增加至1920年的6km(图4(a)),夹角增大至11度(表3)。在NNE波浪作用下,0m以上滩地受到强烈冲刷。从1926年的海图上可以看出,在原0m以上的滩地上冲刷出一条-2m浅槽,走向约325～145度,其外侧为0m沙嘴,是没冒沙的雏形(图4(b))。1945年后随九段沙成形,南港进入南槽的落潮水流南偏,0m沙嘴根部受到水流冲刷,根部冲断,形成与岸隔离的岸外沙体,就是现在的没冒沙(图4(b)、图4(c))。随后几十年,没冒沙虽随着南槽的冲淤而变化,但其地貌形态总体仍保持稳图4没冒沙地形演变过程Fig.4GeomorphicevolutionofMeimaotidalridge50 定。近期没冒沙主要受长江口深水航道治理工程的影响,头部冲刷,尾部淤积,整体向下移动,0m以上滩地面积略有减小。1999年2月到2003年8月头部0m和-2m线分别后退约213km和116km(表4)。表4没冒沙头部0m和-2m线蚀退距离和速度Table4Erosionof0mand-2misobathattheheadofMeimaotidalridge距离Pm速度Pm·a-1日期0m-2m0m-2m199912-1999189684201936840199918-200118155165155165200118-20031812109886054945讨论南汇东滩位于长江口南岸,是长江口和杭州湾北部近岸水沙交汇的地带。长江巨量的泥沙来源决定长江口是一个泥沙源,而杭州湾因其自身流域来沙极少,成为泥沙汇。南汇东滩是长江口与杭州湾之[2]间泥沙输运和交换的通道,长江口泥沙净向杭州湾的输移,决定着南汇东滩向东南伸展的演变趋[2]势。南汇东滩的演变除受到上游来水来沙的影响外,还受口外波浪和潮流的双重作用。随着近岸滩地水深变浅,波浪作用相应增强。南汇东滩滩坡平缓,波浪在潮间带内较易破碎。根据长江口多年平均波高018m计算,波浪破碎水深约为116m。长江口中浚站多年平均中潮位约为+210m,因此,南汇东滩0m以上的滩地及岸线受波浪影响强烈,而水下潮滩和主槽则主要受潮流动力控制。长江口波浪以风浪为主,根据大戢山和引水船波浪站统计结果,常浪向为NNE和SE,强浪向为NNE。NNE向波浪使岸线南偏,而涨、落潮水流使岸线东偏,二者共同制约着南汇东滩岸线、滩坡和滩地的走向(图5)。图5南汇东滩岸、滩走向Fig.5Directionsofshorelineandmudflat[9,10]从地貌形态、沉积物粒度特征和发育条件来看,没冒沙是典型的潮流脊。南汇东滩平缓且稳定的滩坡、丰富的泥沙供应和适当的潮流动力是没冒沙长期稳定的内在机制。除此之外,没冒沙的长期稳[4,5]定与南汇东滩泥沙输移的平面环流有关。根据前人研究,-2m以下的滩地为落潮优势流和优势沙,且随着滩地水深的增加,落潮优势沙逐渐加大。-2m以上的滩地为涨潮优势流和优势沙,且从低潮滩到高潮滩,涨潮优势沙逐渐加大。在一个潮周期内形成一个顺时针方向的泥沙输移环流系统,而没冒沙基本位于该环流的中间。根据现场水文测验资料,-2m以上的边滩水流较-5m以下的主槽水流先涨2h左右,先落1h左右。涨转落、落转涨期间在南汇东滩上分别形成逆时针和顺时针方向的平面环流,在环流中心形成长时间低流速区,也有利于没冒沙的淤长维持。南汇东滩滩坡的长期稳定是没冒沙得以长期稳定的地形基础。根据计算,没冒沙头部所在的南汇51 东滩滩坡坡度约5P1000。长江口深水航道治理一期工程实施后,南槽上段冲刷,导致该处的岸滩滩坡变陡,没冒沙头部因此后退约2km,但其头部基本仍维持在南汇东滩5P1000的滩坡处。没冒沙处于不断淤长的南汇东滩上,但多年来其脊(滩)顶最大高程维持在+015m左右,且上游侧(头部)滩顶高于下游侧(尾部),保持向东南倾斜的态势。这与长江口多年稳定的波浪强度和潮差大小密切相关。6结语近百年来,南汇东滩北冲南淤,-5m以上的滩地面积变化不大,呈整体向东南伸展的演变趋势。南汇东滩滩地平阔,虽然潮流是近岸滩地塑造的主要动力,但随着滩地向岸,水深变浅,波浪作用相应增强,在潮间带和岸线的走向上,产生的影响也逐渐加大。在波浪和潮流的双重作用下,南汇东滩形成了滩坡平缓,岸、滩、槽走向不同、平面发散的地貌形态。近年来,南汇东滩冲淤变化受长江口南槽变化的影响显著,但其地貌形态总体仍保持稳定。长江口深水航道治理一期工程实施后,南槽上段因动力增强,河槽冲刷,南槽中段总体平衡,下段大面积淤积。南汇东滩上段因南槽上段的冲刷而冲刷,下段随主槽淤积而淤积。没冒沙是在南汇东滩上的次生沙体,自上个世纪20年代形成以来虽经历了复杂的演变过程,但多年来沙嘴(或沙脊)的位置和走向基本保持稳定。丰富的泥沙供应是没冒沙发育和长期稳定的物质基础。有一定强度的定向往复潮流是维持没冒沙“潮流脊”形态的动力条件。波浪强度和潮差大小则是决定没冒沙脊(滩)顶高程的重要因素。南汇东滩滩坡的长期稳定是没冒沙得以长期稳定的地形基础。参考文献:[1]陈吉余.开发浅海滩涂资源拓展我国的生存空间[J].中国工程科学,2000,2(3):27-31.[2]陈吉余,陈沈良,丁平兴.长江口南汇水下沙咀的泥沙输移途径[J].长江流域资源与环境,2001,10(2):166-172.[3]陈沈良,谷国传,虞志英.长江口南汇东滩淤涨演变分析[J].长江流域资源与环境,2002,11(3):239-244.[4]恽才兴.长江河口潮滩冲淤和滩槽泥沙交换[A].长江河口动力过程和地貌演变[C].上海:上海科学技术出版社,1988.229-236.[5]李九发.长江河口南汇潮滩泥沙输移规律[J].海洋学报,1990,12(1):75-82.[6]ChenS.L.Seasonal,Neap2springVariationofSedimentConcentrationintheJointAreabetweenYangtzeEstuaryandHangzhouBay[J].ScienceinChina(SeriesB),2001,44(supp.):57-62.[7]陈吉余,曹勇,刘杰,陈沈良.建设没冒沙生态水库,开拓上海市的新水源(Ⅰ)建库设想的提出[J].华东师范大学学报(自然科学版),2004,(3):82-86.[8]陈吉余,恽才兴,徐海根,等.两千年来长江河口发育模式[J].海洋学报,1979,1(1):103-111.[9]刘振夏,夏东兴.潮流脊的初步研究[J].海洋与湖沼,1983,14(3):286-296.[10]夏东兴,刘振夏.潮流脊的形成机制和发育条件[J].海洋学报,1984,6(3):361-367.StudyongeomorphologyevolutionofNanhuieasternmudflat1,2,322LIUJie,CHENJi2yu,CHENShen2liang(11ShanghaiEstuarineandCoastalScienceResearchCenter,Shanghai201201;2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;31KeyLaboratoryofEstuarie&CoastalEngineering,MinistryofCommunications,Shanghai201201,China)Abstract:Nanhuieasternmudflat,whichhascomplicateddynamicconditions,sedimenttransport,sedimentologicalprocessesandmorphologicalevolution,islocatedinthetransitionalzonebetweentheYangtzeEstuaryandtheHangzhouBay.Thecomparisonofbathymetricchartsshowthattheflathasunitarilyextendedtowardssoutheastinthepast100years.Theshorelineandflataredominatedbythewavesandtidecurrentsandexhibitradialscattergeomorphologyandflatslope.Asasub2sandbar,Meimaosandridgeformedinthe1920shadexperiencedcomplexgeomorphologicalevolution,butitslocationanddirectionofsandridgeremainstable.ThestabilizationofMeimaosandridgeissourcedfromtheflatslopeofNanhuieasternmudflat,abundantsedimentsupplementandproperdynamicsofwavesandtidalcurrents.Keywords:theYangtzeEstuary;Nanhuieasternmudflat;Meimaosandridge;Reservoir52