长江口水沙变化与冲淤分析

长江口水沙变化与冲淤分析

长江河口位于长江三角洲的中部，是中国长江流域经济带与沿海地区经济的交汇处。该地区水土资源富集,区域经济发达,水陆交通便利,社会文化水平较高,是我国率先实现现代化和全面进入小康社会最有希望的地区之一。最近,在长江水利委员会和长江技术经济学会主办的“贯彻实施水法暨长江治理开发战略研讨会”上,长江水利委员会主任蔡其华明确提出“突出3大亮点,加快治江步伐,为全面建设小康社会提供可靠的支撑和保障”的战略思路,将长江口综合治理开发作为长江流域继三峡、南水北调之后第3个跨世纪的宏伟工程。为治理好、开发好、保护好我国第1大河口长江河口的水土资源和环境,现侧重从水沙条件和河床地形变化规律探讨长江河口综合治理开发中的有关问题。1海运开发的不稳定因素长江河口是世界上径流和潮流相互作用比较明显的典型多级分汊河口(图1),从徐六泾至河口口门鸡骨礁155km长的区段内,河势变化尚未稳定,90km宽的口门段及盐淡水交汇频繁的拦门沙地区,河道尚未成形,滩槽泥沙交换活跃,给深水航道治理工程带来较大的难度。这些不稳定因素的具体表现为汊道冲淤多变;江心洲滩活动迁移;河口环流导致的盐水入侵呈现北支倒灌,南支由西向东,口门楔入由东向西,在南、北港中下段相向会聚的模式;1985年以来长江入海泥沙量明显减少引起三角洲前缘岸滩及海床出现冲刷等。上述因素明显制约了长江口水土资源的合理开发利用,从该区域社会经济高强度开发需求和资源可持续利用出发,长江河口综合治理开发战略应考虑以下几项迫切需求和问题。1.1三期工程措施长江口深水航道治理是上海国际航运中心的重大基础设施之一,工程主体部位在南港-北槽。工程总体规模为:各类堤坝型整治建筑物总长将达133.34km,基建疏浚土方24386万m3,计划总工期8年左右(1998—2005年),总投资约155亿人民币。通过分期实施,航道水深从一期工程前的7m逐步增深至8.5m、10m,最终达到12.5m或者更深的要求,以确保第3、第4代集装箱船能全天候通航,第5、第6代集装箱船及10万吨级散装货船乘潮通航。其近期功能和效益是吸纳长江三角洲的集装箱箱源,带动江苏省南京以下沿江港口群和城市群经济振兴及上海市北翼深水泊位的建设;远期为长江干流水运事业的现代化提供保障。目前一期工程(1998年1月—2000年12月)已如期完成,并产生了明显的效益;二期工程正在加紧实施,三期工程的前期工作正在积极准备,主管部门着手分析南、北港分流口的河势变化及南北槽分流口园园沙通道的稳定性。此外,根据上海市城市建设规划和黄浦江生态环境的要求,一些大型造船工业基地正在向长江口水域转移,如长兴岛南岸由中国港口总公司、中国海运总公司、中国船舶总公司布设的振华港机厂,江南船厂已经利用和规划深水岸线达10km以上、崇明岛南岸南门至堡镇之间的深水岸线利用,上海船厂已经率先规划建造5～10万吨级的船舶修造基地;长江口南支江苏境内河段,随着常熟经济开发区、太仓经济开发区、南通经济技术开发区向临江滨水地区发展,一些深水泊位、现代化港区、大型电厂及加工工业的大型水工建筑物正在快速建设。为此,长江口治理开发目标中河势稳定的第1用户为水运事业,整治工程的重点应通过稳定河势,努力实现长江口深水航道和深水岸线可持续利用。1.2工程水域部分关键技术问题为配合我国沿海大通道的建设和带动长江三角洲南北两翼的社会经济同步发展,近年来,上海市和江苏省在长江河口规划的两个越江大通道(沪崇越江通道和苏通大桥)工程已先后立项和招标。上海市崇明越江通道工程位于长江口南北港的下段,南起浦东新区五号沟,以隧道形式跨越南港8.5km水域,至长兴岛新开港登岸,再经长兴岛前卫农场以桥梁形式跨越9.5km的北港水域,北达崇明陈家镇奚家港,越江通道全长25km(其中长兴岛陆域及两端接线公路长约7km),工程总投资122亿人民币。该工程水域部分存在两大关键技术问题,一是南港隧道埋深受长江南港主槽最大冲淤深度的制约(初步研究河床最大冲刷高程为-25～-30m)和瑞丰沙嘴通风井建筑物的安全稳定问题;二是北港复式河槽主槽迁移对主桥孔选位的影响。江苏省苏通大桥位于长江口徐六泾河段(常熟电厂下游约3km处),2002年10月已经立项,水域部分桥长6km,其中桥梁工程长约3km(主桥全长2088m,主通航孔跨度1088m,大桥基础埋深达80m,通航孔净空高度62m),总投资62.7亿元人民币,建设工期6年,计划2008年底建成。该项工程水域部分的技术问题为如何防治节点河段深水急流对河床及桥梁的冲刷。长江口综合治理开发战略中的徐六泾河段治理方案要考虑河床稳定性对大桥的影响,也要考虑大桥工程对邻近河床地形冲淤的影响,以及规划岸线的临界河宽。1.3完善上海太湖流域水环境改革开放以来,随着上海市和长江三角洲地区的经济建设的快速发展,城市化和工业化水平提高,相应的水资源和水环境问题成为区域经济和社会可持续发展的主要制约因素。如上海市已成为水质型缺水城市,全市80%的原水取自黄浦江上游,松浦大桥取水口的水质为Ⅲ类,黄浦江下游水质基本为Ⅳ类,个别河段为Ⅴ类,从2030年预计年总用水量200亿m3需求考虑,上海市必须加大第2水源地长江口优质水的开发利用。处在长江三角洲经济发达地区的太湖流域,目前70%以上的河道受到污染,中、小城市河道水质基本上均属于Ⅳ类及Ⅴ类以下水体。太湖的水质恶化速度惊人,差不多每隔10年水质降低一级(Ⅱ类水质水域1982年占全湖面积的70%,1995年Ⅲ类水质水域占全太湖的70%),湖泊水体的富营养化状况严重,中西部水面已属富营养型,改善水质除加大太湖流域水环境治理力度外,太湖流域管理局提出的引江济太工程措施,第1期工程从常熟望虞河口引水,把长江口作为太湖流域东部的后备水源地。根据1979年春季盐水入侵影响望虞河河口水质的典型实例,北支盐水入侵对南支水源地建设的影响要继续加强研究、监测和预防,并提出切实可行的治理方案。1.4上海市土地现状长江丰沛的径流和泥沙给处于河口区的上海市提供了得天独厚的围海造陆条件。近2000年来,上海市有62%的土地由长江泥沙堆积而成。根据大通站1951—2000年水、沙观测资料统计,其多年平均径流量为9050亿m3,多年平均输沙量为4.245亿t,如按入海泥沙量的50%沉积在河口口门地区估算,每年约有1.33亿m3的泥沙参与成陆过程。若将这些泥沙集中堆积成5m厚(干容重为1.60km/m3)的立方体,则成陆面积可达26.6km2(约合每年2.67×103hm2)。上海市是全国土地资源最紧缺的省市,全市6340.6km2的陆域面积常年居住着1674万人口,人均土地面积仅为0.038hm2。近半个世纪以来,城市发展、工业建设及民居点扩大占用的耕地面积达1.67×105hm2,平均每年占用土地3.2×103hm2,而建国以来上海市在沿海滩涂和沙岛围垦成陆的土地面积为8.53×104hm2,占城镇及工业发展用地的51%,形成了用地速率高于造地速率,造地速率(平均每年1.72×103hm2)高于潮间带滩地的自然淤长速率,这种土地资源开发利用长期超负荷的局面已造成大片河口湿地的丧失。为此,国务院已对上海市用地速率进行了控制,即2001—2010年期间,上海市用地速率限制在每年2.53×103hm2,并要求在10年间围滩造陆4.02×104hm2,用生地加倍偿还熟地,此外,还需要通过工程措施和生物措施促淤固滩7.33×104hm2。目前长江口中高潮滩面积为266km2,0m以上潮间带滩涂面积为2699km2,在长江入海泥沙量不断减少的条件下,促淤造地,围滩成陆难度相应提高,这就要求迅速提高围海工程的技术和施工工艺。1.5泥沙量的变化据长江河口潮区界大通水文站(距离河口口门624km)1951—2000年多年观测资料,近半个世纪年平均入海径流量为9050亿m3,入海输沙量为4.245亿t,其中1985—2000年,年平均径流量为9183.8亿m3,年输沙量为3.523亿t,水体中的年平均含沙量从20世纪50—70年代的0.547kg/m3减少为90年代的0.362kg/m3,年径流总量比多年平均值增加1.5%,年输沙总量比多年平均值减少17%,这与长江干支流水库及电站建设蓄水拦沙作用有关。随着三峡工程、南水北调及上游其他水电站工程的建设,长江河口入海泥沙量估计将会出现继续减少的趋势。长江入海泥沙的减少已造成杭州湾北岸的全面侵蚀和长江三角洲前缘海床的冲刷,如杭州湾北岸自1989年以来,海床冲刷的年速率平均为10～15cm。预计随着长江干流水流造床能力的调整,长江下游及河口河床的冲刷和下切强度会逐渐增大,河口潮滩的淤涨速度也会相应减缓,这就需要修订护岸工程和护底工程规划以及控制围滩促淤工程的规模。2长江口水沙运动的复杂性2.1长江口洪水机制长江河口水量丰沛,泥沙运动活跃,河床冲淤多变,其中径流和洪水对造床过程起着重要的作用,根据多年资料统计相关分析,当大通站最大洪峰流量超过60000m3/s时(长江河口段造床流量为60400m3/s),长江河口河床有明显的冲淤变化;当长江发生全流域洪水过程或者大通站最大洪峰流量超过70000m3/s时,长江河口各汊道的分流、分沙比就会发生大的调整,新生汊道及横向切滩串沟频频出现,河口拦门沙滩顶水深增大,如1788年(全流域洪水过程)的洪水作用,使长江口南支主泓分流量及落潮水流进一步加强(18世纪中叶以后长江口主泓由北支改走南支);1849年洪水使得南港口门水深增大;1860年及1870年洪水(全流域洪水过程),使长江口北港代替南港成为长江口的入海主汊;1864—1865年,北港口门拦门沙滩顶水深达7.32m,南港则出现较大规模的淤积过程;1931年全流域洪水和1935年区域性洪水使长江口南港水道增深成为长江口入海的主汊,长江口通海航道由北港改走南港。1954年洪水(20世纪长江最大的洪水过程),大通站最大洪峰流量达92600m3/s,长江口出现新生汊道北槽水道,为长江河口三级分汊、四口分流格局的形成奠定了基础。1998年及1999年的洪水,属20世纪末长江流域仅次于1954年的大洪水(大通站最大洪峰流量分别为81700m3/s和84500m3/s),长江河口河床地形有明显变化的迹象:北支上口进一步淤浅;白茆沙中部切滩,白茆沙南水道分流量增加;南北港分流口新浏河沙切滩形成新浏河通道;横沙通道冲刷加深,-10m等深线贯通。此外,1949年(大通站最大洪峰流量68500m3/s),1962年(大通站最大洪峰流量68300m3/s),1973年(大通站最大洪峰流量70000m3/s),1983年(大通站最大洪峰流量72600m3/s),1988年(大通站最大洪峰流量63700m3/s)等区域性洪水过程,促使南北港分流口的中央沙北水道、新崇明水道、新宝山水道、南门通道、新桥通道相继发展,河口拦门沙河段北槽中段横沙东滩串沟(1973年形成)及南槽上口江亚南深槽(1983年洪水后成形,1988年洪水后-5m等深线贯通)的出现,相应伴生北槽和南槽下段的淤积过程。长江口洪水造床作用的动力机制为水面纵比降增大,输水量与输沙量比值增加导致水体含沙量减少,水流的挟沙能力递增。为此,河口综合开发治理要充分考虑各河段河槽断面及容积的行洪能力和纳潮量,以防止大冲大淤带来的河势急剧变化的负面效应。2.2潮位与潮差:现代文化背景下长江河口成形河槽演变的特点为径流与洪水塑造河床,潮量维持断面和水深。在径潮流相互作用过程中,由于受到地转偏向力即科氏力的影响(北半球偏右),通常是涨潮动力轴偏北,落潮动力轴偏南,这就促使潮波传播过程受径流阻力不均匀分布影响导致过水断面南北两侧存在涨落潮水位及流速过程的位相差,从而导致涨落潮动力轴流路分歧,这是长江河口分汊和河槽分化为复式河槽的主要动力机理。-就南支而言,由于扁担沙体的阻隔,新桥水道为涨潮槽性质,南支主槽为落潮槽,前者先涨先落,后者晚涨晚落,南北两岸的潮汐和潮流有明显的位相差异。正常水文条件下,石洞口与南门港之间的平均潮位和平均潮差的差值分别为8和16cm;20世纪70年代和80年代,南港和北港分别由瑞丰沙沙体、青草沙及堡镇-六沙体将单一河槽分化为复式河槽,南北两岸的潮位与潮差的差值也明显起来,如长兴与高桥潮位与潮差的差值分别为8.6和7.0cm。南北两岸横向比降的存在必然导致江心洲滩的漫滩水流,如洪水年落潮主槽水位明显增高(长江口南港高桥水文站,洪水年汛期各月平均高潮位和平均低潮位比正常年洪水期高出20cm左右),这就为横向串沟和通道的形成提供了必要的动力条件,因此,在考虑河口整治工程方案时要考虑复式河槽的河床形态及由动力轴分异造成的水面横比降应如何适应。2.3地形冲淤分析近半个世纪以来,由于一系列护岸工程及沙岛合并成陆,河岸边界得到有效控制,河势变化不稳定因素主要为河槽中的活动沙迁移不定(床沙平均粒径一般为0.11～0.15mm)。根据数字化系列地形图冲淤计算,南支和南北港底沙输移呈现成形沙体和隐形沙体两种形式,前者以-5m等深线圈围的暗沙作为识别标志,沙体头部及尾部下移速度年平均约200和350m;后者以冲淤图上3m厚的环形沙包的移动轨迹作为推断依据,计算结果,南、北港隐形淤积体的多年平均净下移速度为2000m左右,输移路线与落潮主流方向一致,淤积沙体的形成主要发生在洪水年和洪水期,它与河口落潮水面纵比降增大引起的河床局部冲刷直接相关。当活动沙体和隐形沙体形成,其下游河床就出现相当时段的淤积过程。为此,长江口整治工程的难点为控制底沙输移的强度和路径。2.4水流沿海沉积相长江口拦门沙河段河道尚未成形,水沙运动模式为涨潮漫滩,落水归槽,涨落潮流往复运动,盐淡水交汇形成的纵向环流和滩槽水沙交换依托的平面环流交织在一起,使河口泥沙运动呈现复杂的形式。如河口最大浑浊带与浮泥形成过程,主要是风天大潮海况条件下波流共同作用引起细颗粒泥沙的再悬浮,盐淡水交汇地带的泥沙絮凝沉降使滞流点附近出现近底高含沙量区组合而成。通海航道拦门沙浅滩水深出现洪淤枯冲规律受两个因素制约,一是洪季流域来沙中的悬移质大部分在口门地区沉降,潮滩和浅水地区由于流速值较小,有利于泥沙积聚。二是夏秋台风季节,暴风浪将潮滩表层沉积物冲刷上扬,并随落潮流归槽落淤,而潮滩冲淤的年周期变化、季节性周期变化及暴风周期变化更增加了河口口门地区泥沙运动的复杂性。2.5北支道消失,积极开展长江口北支为典型的萎缩型河口潮汐汊道,18世纪中叶,长江入海主汊转入南支水道以来,崇明岛呈现南坍北涨趋势,北支的水文、泥沙特征,河型和河势发生根本性变化。1915年,长江口北支分流量占南北支总量的25%,1923年降为23%,1931、1935、1949及1959年洪水过程由通州水道变化,促使北支上口通海沙和江心沙淤涨,使得北支上口分流角与分流比明显改变。1958年洪季及1959年洪季,北支的分流比分别为7.5%和3.5%,枯季分流比为1.8%。20世纪60年代及70年代崇明岛北岸大规模围垦加快了北支中上段的束窄、淤浅和河床抬高。河床抬高、潮波剧烈变形产生的涌潮使北支水、沙、盐在1971—1987年间明显倒灌进入南支。1988年洪水过程后,北支分流比有所增大,但随20世纪90年代北支上段海门围垦工程的实施,水、沙、盐倒灌现象又日益加重。根据近期北支河槽容积变化计算,1987年以来,全河段0m以下年淤积量为2871万m3,其中中、上段淤积趋势更显突出,如不加控制和治理,北支汊道的消亡有可能在2150年以前兑现。北支水、沙、盐倒灌进入南支有双重负面效应,一是盐水入侵严重影响长江南支淡水水源地的建设,二是泥沙倒灌在北支上口形成舌状淤积体影响白茆沙河段的河势稳定性,为此,长江口综合整治一期工程应该将北支治理放在重要的地位。3淡水水源地建设中的突出问题长江河口综合治理与开发,其涉及的面非常广,有深水航道治理和维护问题;深水岸线的防护和有序开发利用问题;淡水水源地建设中的边滩水库与江心水库的选址问题;南支越江通道的河床稳定性问题;北支水、沙、盐倒灌治理问题;滩涂围垦与海滨湿地保护协调问题;河口盐淡水交汇区生态环境问题;引江济太工程及沿江污水合理排放问题等等。现将工程规划阶段涉及的问题简述如下。3.1建筑岸线冲淤徐六泾节点河段整治工程有效范围上限为徐六泾,下限为七丫口,该工程方案应考虑:①节点河段的设计河宽和设计水深;②南通河段河床冲淤变化对该河段可能产生的影响;③苏通大桥工程建筑物与河工建筑物及沿岸建筑物之间的相互影响;④常熟经济开发区及南通经济技术开发区岸线利用对河势变化的影响;⑤白茆沙固滩促淤工程与江心洲河型的形成问题;⑥白茆沙南北水道分流、分沙比确定及北支上口引淡压咸工程措施等。3.2发展河口和堤下流域内的涌潮问题如前所述,北支水、沙、盐倒灌是长江口南支水源地建设及白茆沙河段河床不稳定的隐患,其治理方略可以从4个角度考虑:一是在北支上、中、下段筑坝封堵,有利方面是根绝盐水倒灌进入南支的祸害,并加快南通、海门、启动与上海越江通道的连接,但存在堤坝上下游的淤积、两岸排灌系统大调整及河口生态环境和水产资源破坏的负面效益;二是在北支下段建筑挡咸蓄淡的节制闸,有利方面是闸上河段成为一个淡水湖,可从根本上解决崇明、海门、启动淡水水源的问题,但闸下淤积问题单靠落潮开闸放水难以维护,两岸引排系统也需要相应调整;三是在口门修建双导堤工程,通过束窄河宽减少北支的进