长江口年代际冲淤演变趋势预测与应对策略
时间：2023-02-09 18:15:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
栾华龙，丁平兴，姚仕明，渠 庚，柴朝晖，雷文韬
(1.长江科学院河流研究所，湖北 武汉 430010；
2.水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010；
3.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)
受河流来沙减少、海平面上升、地面沉降等因素影响，世界范围内许多河口三角洲正由淤涨型向蚀退型转变[1]。同时，河口三角洲地区大型工程建设，包括滩涂围垦、航道整治、化石能源开采等，都对河口地形变化产生直接影响。国外学者针对世界上48个主要河口三角洲的风险评估表明，目前河口治理的短期政策难以适应全球气候变化与人类活动双重胁迫，呼吁加强合作研究进而提出长远对策[2]。我国的黄河口、长江口和珠江口均被列入高风险之列，在流域及局地人类活动的影响下，面临不同程度的河势调整与侵蚀问题[3]。当水沙动力条件变化时，河口本身存在一定的自适应调整过程[4-5]，通常需要几年甚至近百年才能趋于稳定。河口冲淤演变格局是其综合利用的基础，如何合理预测未来年代际演变趋势从而应对不断变化的新形势，已成为广泛关注的焦点[6-7]。
长江口是我国经济最发达、城市化水平最高的地区之一，在长江流域及我国社会经济发展中占有举足轻重的地位。自然条件下，长江口演变受径流、潮流及风暴潮等多重作用，水沙动力过程复杂多变，呈现多级分汊的地貌形态和滩槽交错的河势格局。过去几十年来，对长江口演变规律和机理的认识不断深化，促进了长江口综合效益的持续发挥[8-10]。然而近十几年来，受水文气象条件变化、上游水利工程调度运用及河口区人类活动的综合影响，长江口入海泥沙通量减少，水体含沙量下降，前缘潮滩淤涨放缓[11]，水下三角洲局部由淤转冲[12-13]，滩槽河势格局发生新的变化。针对不同情景下长江口未来几十年的演变趋势预测，一些学者对长江口局部区域开展了数值模拟研究，如九段沙[14]、前缘潮滩[15]、南支河段[16]、拦门沙地区[17]等，尤其深化了对整治工程影响及冲淤平衡趋向的认识[17]，但目前对整个长江口在年代际时间尺度上的冲淤格局变化趋势预测的系统研究还较为缺乏。
长江口是区域社会经济发展的重要载体，其河势及滩槽稳定关乎沿江城市防洪安全、供水安全、航运安全、生态安全等诸多方面。因此，迫切需要认识多因素影响下的长江口年代际冲淤演变趋势，考虑与长江口综合整治开发规划修编相协调，本研究采用规划水平年(2035年)为预测模拟时间节点，同时延长模拟时间至2050年，针对未来冲淤演变可能产生的不利影响探讨应对策略。研究成果能够提升河口海岸中长期演变模拟水平，为新形势下长江口综合治理与保护提供技术支撑，具有较强的科学意义和应用需求。
长江口地处东海和黄海交界处，长江携带巨量的径流和细颗粒泥沙在此入海，由于河床纵比降(约0.097×10-4)平缓、两岸地势低洼，在径流、潮流的交互作用下塑造成大型的平原河口三角洲，陆地和水域面积分别约为30 000 km2和10 000 km2[18]。长江口在徐六泾以下河槽展宽，呈三级分汊、四口入海的平面形态，共有北支、北港、北槽、南槽4个入海通道，口门位置宽度达90 km(图1)。
图1 长江口区域概况Fig. 1 Overview of the Changjiang Estuary
1.1 长江口水文泥沙条件
长江口动力条件以径流、潮流相互作用为主。20世纪50年代以来，长江入海径流量年际间没有趋势性变化，输沙量则持续下降，三峡蓄水后降幅约为67%[19]。水沙通量的年内分配出现相应调整和变化，汛期和汛后蓄水期月均径流量小于三峡工程蓄水前，枯水期增加泄量，入海径流量有所增大，径流过程趋于“坦化”[图2(a)]；
汛期输沙量显著减小，沙峰基本消失，洪、枯季含沙量差异大幅减小[图2(b)]。长江口为中等强度潮汐河口，口门位置平均潮差和最大潮差分别为2.67 m和4.62 m(南槽中浚站)；
长江口进出潮量巨大，在平均径流量和平均潮差条件下，北支和南北港总纳潮量达263 000 m3/s，是年均径流量的9倍[9]。由于长江下游河道坡降平缓， 潮波向上游传播范围(大通)远超盐水入侵界面(徐六泾)。潮区界位于距离河口约600 km的大通附近，潮流界位于江阴附近，潮区界和潮流界的位置随季节性的径流量变化而相应移动。风浪对地形影响主要位于长江口门局部浅水区域。
图2 不同时期大通水文站径流和含沙量Fig. 2 Monthly freshwater discharge and suspended sediment concentration at Datong Station during different periods
1.2 长江口整治工程情况
近20 a来，长江口进入综合整治与开发利用的快速发展期，陆续实施了以河势控制、水源地建设、航道建设、滩涂围垦为主的四大类工程，包括长江口深水航道治理工程、青草沙水库、白茆沙潜堤工程、新浏河沙护滩及南沙头通道潜堤工程、横沙东滩及南汇边滩促淤圈围工程等。
1.3 长江口年代际冲淤演变特征
在之前的研究中已对长江口年代际冲淤演变过程进行了定量分析[20]，划分口内河段与拦门沙地区(图1)，分析了演变特征的空间差异。长江口年代际演变过程具有显著的时空差异，口内河段自20世纪80年代由淤转冲，拦门沙地区在1997—2010年期间维持净淤积，但最新研究表明，该区域已于2007年前后发生冲淤转换[21]；
1958年以来，河口整体上经历快速淤涨、淤积减缓、冲淤平衡和总体冲刷的阶段性转变。流域来沙持续减少、20世纪90年代连续洪水以及近期大型河口整治工程建设是冲淤演变格局的主要驱动因子。
1.4 模型简介与预测情景设置
长江口年代际冲淤演变预测模型基于Delft3D模型系统，该系统耦合了水动力、物质输运、波浪及地貌等模块[22]，水动力模块采用水深平均2D模式，计算结果为其他子模块提供水动力信息。地貌模块中引入“地貌加速因子”方法，可实现年际至年代际时间尺度的冲淤演变模拟，但加速因子取值需结合模拟区域的水沙动力特性及河床冲淤规律进行敏感性试验来确定，通常一个潮周期内加速后的地形变化不宜超过水深的10%[23]。模型范围覆盖整个长江河口(上至潮区界大通)、杭州湾及邻近海域(图3)，驱动力包括河流径流和8个主要天文分潮，考虑河流水沙条件的季节性变化和多种泥沙组分(粘性沙和非粘性沙)。之前的研究已对冲淤演变模型进行了充分率定与验证，能够复演长江口径流、潮流动力过程及过去50 a冲淤演变，满足精度要求，并可以用于未来演变趋势预测，长江口年代际地貌冲淤演变模型详细介绍及验证结果参见文献[24]。
图3 长江口数值模型计算网格Fig. 3 Numerical model grids of the Changjiang Estuary
预测模拟以2015年实测地形作为初始地形，考虑河流水沙条件变化、相对海平面上升等因素，对长江口2015—2035年和2035—2050年冲淤演变趋势进行预测模拟。针对未来长江口入海水沙通量，Yang等(2010、2014)通过综合考虑三峡工程和南水北调工程影响，利用统计方法预测到2050年长江年均径流量将下降约4.8%，输沙量在不同工况将下降至1.0×108～1.2×108t/a左右，本研究预测模拟情景采用上述研究成果，径流量和输沙量年均值分别取26 582 m3/s和1.25×108t/a(极端低来沙量取1.0×108t/a)[25-26]，并基于2003年以来多年月平均值对年内过程进行分配。所有情景均考虑因海平面上升和地面沉降引起的相对海平面上升，其中地面沉降速率取值3.5 mm/a[27]；
海平面上升依据《2018年中国海平面公报》[28]，公报中预测未来30 a长江口海平面上升75～155 mm，上升速率为2.5～5.2 mm/a。
综合预测模拟边界条件的选取，共设置了6组不同的情景(表1)。其中：情景1、情景2对应2015—2035年，年均输沙量取值为1.25×108t，相对海平面上升分为低、高两种情况；
情景3～6对应2035—2050年，初始地形采用情景1的预测结果，年输沙量取值为1.25×108t和1.00×108t，相对海平面上升分为低、高两种情况。
表1 预测模拟情景设置
2.1 2015—2035年冲淤演变趋势
由图4(a)可以看出，2015—2035年长江口总体上将以冲刷为主，尤其口内河段主槽和沙体边缘冲深较明显，少数浅滩局部区域有所淤积。口内河段主槽和低滩冲刷，扁担沙切滩窜沟冲刷扩大，下扁担沙尾被冲刷分散，新桥水道下段冲刷，淤积部位主要位于高滩及沙体头部，南港瑞丰沙尾及主槽也有所淤积。拦门沙地区南北槽进口段和北港下段延续近期冲刷状态，北港口局部形成一个淤积带，这可能与模型预测的北港下段主槽冲刷偏高且冲刷的泥沙随落潮流输移至此并堆积形成有关。北港口外和南北槽口外水下三角洲冲刷带维持冲刷态势。长江口前缘四大潮滩呈现不同的演变趋势，崇明东滩整体冲刷，5 m等深线向陆一侧蚀退，崇明东滩汊道5 m等深线被冲开；
横沙浅滩整体以淤涨为主，5 m等深线向东南角淤涨扩大；
九段沙平面形态整体变化较小，江亚南沙冲刷萎缩，5 m等深线范围减小，沙体向海一侧有所冲刷，5 m等深线后退；
南汇边滩以淤积为主，5 m等深线范围向外略有扩大。
情景1与情景2冲淤分布格局比较类似，差异主要体现在局部区域的冲淤强度[图4(b)]。相对海平面上升速率不同对口内河段影响较小，但速率更快有利于泥沙在口门地区淤积和冲刷带的冲刷，淤积部位主要包括北港、北槽和南槽的中下段，横沙东滩等区域。
2.2 2035—2050年冲淤演变趋势
由图5可以看出，到2050年长江口总体仍维持冲刷为主的演变格局。口内河段徐六泾南侧主槽、南支上段主槽和北港上段继续冲刷下切，白茆沙、扁担沙和新浏河沙5 m等深线萎缩减小，沙头及南缘持续冲刷；
上、下扁担沙之间的窜沟继续扩大，新桥水道冲刷加强，下扁担沙尾被切滩冲蚀；
新浏河沙形态变化不大，瑞丰沙趋于萎缩。拦门沙地区北港与南北槽的主槽维持冲刷状态；
北港北汊继续冲刷扩大；
横沙东滩5 m等深线以浅区域以淤积为主，沙体形态变化不大；
九段沙向海一侧蚀退，沿南导堤南侧发育形成涨潮沟；
南汇边滩东侧5 m等深线冲刷后退。
河流来沙量持续下降对冲淤演变趋势影响显著，更低来沙量时淤积显著减小，冲刷增强，来沙量减小对河床冲淤的影响沿程逐渐递减，对口内河段的影响大于拦门沙地区[图5(c)]。相对海平面上升速率更高时对口内河段冲淤影响不大，但对拦门沙地区泥沙淤积有一定促进作用，对河流来沙减少引起的冲刷起到一定抵消作用[图5(b)、(d)]。
图4 2015—2035年情景1冲淤演变趋势模拟结果及其与情景2的差异Fig. 4 Model results of morphological evolution trend in Scenario 1 and the difference with Scenario 2 during 2015-2035(a)为情景1冲淤演变趋势，(b)为情景1与情景2冲淤差异。
图5 2035—2050年情景3冲淤演变趋势模拟结果及其与情景4、5、6的差异Fig. 5 Model results of morphological evolution trend in Scenario 3 and the difference with Scenario 4, 5 and 6 during 2035-2050(a)为情景3冲淤演变趋势，(b)为情景3与情景4冲淤差异，(c)为情景3与情景5冲淤差异，(d)为情景5与情景6冲淤差异。
2.3 泥沙冲淤量变化趋势
2015—2035年，口内河段和拦门沙地区均为净冲刷(图6)，情景1、情景2口内河段年均净冲刷量均为-0.580×108m3/a，低于2002—2015年均值(-0.616×108m3/a)[16]；
拦门沙地区年均净冲刷量分别为-0.240×108m3/a和-0.222×108m3/a，表明海平面上升速率更高时，拦门沙地区冲刷强度有所降低，降幅约为7.5%。
2035—2050年，所有情景中口内河段均保持净冲刷状态，拦门沙地区则出现不同冲淤状态(图6)。情景3、情景4河流来沙量维持目前水平(1.25×108t/a)，口内河段净冲刷量分别约为-0.722×108、-0.729×108m3/a，情景5和6河流来沙量减小到1.00×108t/a，净冲刷量分别增大到-0.839×108、-0.846×108m3/a，增幅均为约16.0%。不同海平面上升速率对口内河段冲淤量的影响很小，冲淤量变化幅度低于1.0%。拦门沙地区在目前来沙量条件下略有淤积，净淤积量约为0.083×108m3/a，随着海平面上升速率增大，净淤积量增大至0.103×108m3/a；
当年均来沙量下降到1.00×108t时，拦门沙地区则转为净冲刷，净冲刷量约为-0.055×108m3/a，高海平面上升速率条件下，净冲刷量减小至-0.035×108m3/a。
图6 不同情景下口内河段和拦门沙地区冲淤量Fig. 6 Sediment volume changes in inner estuary and mouth bar area under different scenarios
2.4 新冲淤格局下长江口应对策略探讨
上述研究表明，受流域来沙持续减少影响，长江口已出现冲淤格局转换，在未来持续低来沙量条件下，冲刷还将进一步发展，有可能威胁长江口河势稳定及沿江经济社会的可持续发展。新时期长江口综合治理与保护需充分重视新的冲淤格局，结合冲淤演变趋势预测模拟结果及可能产生的不利影响，提出如下应对策略：
2.4.1 稳定长江口当前易变且关键控制性的滩槽格局 长江口径流、潮流动力条件复杂，包括扁担沙、新浏河沙、瑞丰沙等在内的多个大型活动沙体仍冲淤多变，局部河势不稳定性增加[29]。针对扁担沙演变趋势中出现的切滩和沙尾冲蚀，需加强窜沟附近的水文地形原型观测，研究提出兼顾生态环境需求的扁担沙堵汊和固滩方案，抑制切滩进一步发展，阻止沙尾冲蚀的同时维持新桥通道的稳定，缓解青草沙水库围堤前沿冲刷。针对新浏河沙及瑞丰沙冲刷萎缩，从恢复复式滩槽形态并长期维持的角度，自上而下进行治理，考虑将已建新浏河沙固沙潜堤工程南侧潜坝向下游延伸至吴淞口附近，稳定新浏河沙和瑞丰沙南缘并平顺南港主流，减小对瑞丰沙尾的顶冲作用，这有利于维持南港主航道水深条件。在长江口实施大型整治工程可能改变局部水动力场并引发新的冲淤变化[20，30]，因此在对工程方案进行论证和设计时应兼顾上下游河势、水生态环境、水生物洄游通道等多目标需求，对可能产生的不利影响应采取补救措施予以减轻或消除。
2.4.2 加强对局部冲刷萎缩的长江口重要滩涂保护 预测模拟结果显示，2015—2035年崇明东滩低潮滩有所蚀退，北港北汊冲刷扩大，到2035年5 m等深线被冲开并上下贯通，到2050年冲刷态势有所增强，汊道下段甚至会出现二级分汊[图4(a)、图5(a)]。李路(2011)系统研究了北港北汊冲刷加深对盐水入侵的影响，结果表明当汊道加深3 m时大潮和小潮涨潮盐通量分别增加11.9%和16.9%，且小潮期间底层盐水入侵强于大潮期间，进一步数值试验表明风应力是造成这一异常现象的主要原因[31]。因此，未来北港北汊冲刷扩大的趋势将增强北港盐水入侵，威胁青草沙水库取水安全。建议充分重视崇明东滩汊道的冲刷发展态势，适时采取工程措施改善局部流态，抑制水流对汊道的冲刷。九段沙向海侧发生一定程度蚀退，威胁潮滩湿地安全，可考虑实施生态补沙，减缓沙体局部冲刷萎缩。
2.4.3 评估新水沙情势及冲刷格局下长江口重大工程安全 长江口分布有众多大型整治工程，如青草沙水源地工程、北槽深水航道工程等，工程安全是发挥长江口综合效益的前提条件。预测模拟结果表明，随着扁担沙尾与新桥通道冲刷下移，青草沙水库围堤前缘将发生淘刷，围堤失稳风险增大；
九段沙向海一侧沿南导堤冲刷形成涨潮沟，横沙东滩沿北导堤同样冲刷形成窜沟，持续冲刷可能威胁航道整治建筑物的稳定[32]。因此，建议密切关注上述区域的冲刷发展态势，对水库围堤和深水航道导堤稳定进行评估，适时采取工程手段抑制冲刷的进一步发展。
2.4.4 开展长江口水下三角洲冲刷监测与致灾研判 长江口外发育有广阔的水下三角洲，该区域冲淤变化对河流供沙变化十分敏感。研究表明，1997年以后北港口外10～20 m及南槽口外5～10 m范围内形成冲刷带，局部最大冲刷深度超过2 m[13]。根据本研究预测模拟，冲刷带区域未来将继续发生冲刷，最大冲深可达数米。由于长江口水下三角洲区域分布有众多浅埋油气管道和通信光缆[33]，其中部分经过冲刷带区域，床面持续冲刷将增大线缆暴露和毁坏风险。因此，建议加强浅埋管线区域的海底地形动态监测和冲淤变化跟踪分析，对冲刷可能产生的灾害进行提前研判和预警，并在实施新的浅埋作业时尽量避开冲刷较强的区域。
2.4.5 尽快启动新格局环境下长江口海堤稳定及其标准再评估 长江口地区的海堤是抵御洪水、风暴潮及海浪侵袭的第一道防线，肩负着防汛安全的重要任务。其中，上海市海堤由崇明岛、长兴岛、横沙岛及长江南岸、杭州湾北岸组成，长达508 km，其达标建设始于1997年，大多数堤段在2000年初开工，于2007—2010年期间建成，现状防洪标准为100年一遇高潮位叠加11级或12级台风浪[34]。由冲淤趋势预测模拟结果可知，长江口局部近岸河床将发生显著冲刷，如南汇边滩上段(南槽进口段)、崇明岛南沿、北支中段等[图4(a)、图5(a)]，近岸持续冲刷不仅直接威胁堤身稳定，还会使水下岸坡变陡，减弱波浪能量耗散，进而增大波浪对海堤的冲击和越浪风险。根据《海堤工程设计规范》[35]，堤顶高程由设计高潮位、波浪爬高及安全加高值叠加确定，设计潮位及设计波高通常根据历史实测资料的频率分析确定重现期。由于长江口地区的大多数海堤建设未考虑上游来沙锐减引起的近岸河床冲刷，现状海堤的防洪标准在新的冲刷格局下已不再适用。建议尽快启动长江口海堤稳定及其防洪标准的再评估，对一些受冲刷影响显著的堤段实施提标改造。由于对海堤进行大规模的加高加固不仅经费投入大，而且与当前长江大保护以及生态优先、绿色发展的新要求不符。因此，应完善新格局环境下海堤生态化建设的技术规范体系，加强生态海堤构建关键技术研发和示范应用，探索兼具防潮减灾、生态服务、临水景观等复合功能的生态海堤建设模式。
近半个世纪以来，长江口年代际冲淤演变存在显著的空间差异，其中，口内河段河床冲淤剧烈，汊道演替、沙体淤涨迁移，随着河流输沙量下降，在20世纪80年代发生冲淤转换；
拦门沙地区对河流减沙响应缓慢，前缘潮滩持续淤涨，近20 a受大型整治工程影响而出现短暂淤积反弹，近期已转变为净冲刷状态。在长江口新的冲淤格局下，为定量预测未来演变趋势，本研究基于Delft3D建立了长江口年代际冲淤演变数值模型，基于该数值模型，设置未来不同河流输沙量和相对海平面上升的情景，预测了长江口到2035年、2050年的演变趋势。预测结果表明，到2035年长江口整体上以冲刷为主，尤其口内河段主槽和沙体边缘冲深较明显，少数浅滩局部区域有所淤积；
到2050年，口内河段保持净冲刷状态，拦门沙地区在现状来沙量条件下略有淤积，但是极端低来沙量条件下仍为净冲刷状态，海平面上升仅对拦门沙地区产生一定“促淤”作用，但难以改变其净冲刷状态。结合趋势预测结果，对长江口滩槽格局稳定、重要滩涂保护、重大工程安全评估、水下三角洲冲刷致灾研判及长江口海堤标准再评估等提出了对策建议。
