论文专区┃长江河口南港采砂对河床稳定性的影响

【编者按：利用多波束测深及数字高程模型技术发现：南港主槽有若干长50～100m，深3～5m的采砂坑；瑞丰沙体南侧存在高0.5～1.2m，长约1800m的两级陡坎，陡坎下有长1850m、宽400m、体积124.5万立方米的滑坡体。近8年来，瑞丰沙冲刷减少3724万立方米。采砂坑、陡坎与滑坡体形成的主要受采砂及其引起的瑞丰沙顶部水沙通量调整控制，采砂引起瑞丰沙顶部过水断面增加8240m²，涨潮从南小泓分流0.96亿立方米，落潮从南港主槽分流1.43亿立方米。文章发表在《海洋测绘》2011年第1期上，依据实测资料分析了长江河口采砂活动对河床稳定性的影响，对可能导致的灾难后果进行说明， 为长江口河道采砂管理提供了基础参考数据，可以为相关管理部门科学决策提供依据，现编发给朋友们阅读了解。因为排版关系，文献序号略。李茂田，1971年出生，男，山东泰安人，博士，华东师范大学河口海岸研究院，主要从事河口海岸环境研究。】

文/李茂田 程和琴 周丰年 吴敬文 李伯昌

一、引言

20世纪80年代以前，地学和海岸工程界关注是较大时空尺度的地貌演变规律。1980年以来，流域人类活动对河口河床演变、河口生态环境的影响引起各界普遍关注。尤其以入海泥沙通量减少对河口海岸的演变、入海污染物对河口及近岸环境的影响成为地学和海岸工程界研究的焦点。相比之下，河口区以疏浚、促淤为主的采砂活动对河口河床演变、河势变化影响研究较为薄弱。大规模采砂，给防洪、航运、邮电通讯等带来严重危害，日益引起人们的重视。1998～2006年，长江口南港河道因长兴岛造船基地、港口建设及南港南岸大面积滩涂围垦工程，进行了大量的采砂，采砂量多达1000万立方米。本文根据2006年多波束高分辨率测深数据和1997、2003、2005年的水深数据，利用GIS与DEM相结合的方法，计算瑞丰沙微地貌及南港区域的冲淤变化；并结合2005年、2008年瑞丰沙体及其毗连南小泓的实测水文数据，分析采砂活动对瑞丰沙体及河床演变的影响。

二、研究区域与方法

长江口南港水道呈西北-东南走向，长兴岛南侧的瑞丰沙体将南港航槽分为复式河槽，瑞丰沙北侧水道为南小泓水道，瑞丰沙南侧为南港主槽，沙体与河道走向一致见图1。研究方法如下。

图1 调查区域及调查线、站位位置图

⒈ 地形调查与计算方法

2006年1月利用双频测深仪对南港25km测线进行了水深测量(见图1)，测量精度0.01m。分析航道采砂坑分布和特征。2006年6月采用SeaBat 9001S多波束测深系统对瑞丰沙中部区域测深调查，利用实测数据构建数字模型(DEM)，分析陡坎、滑坡体及瑞丰沙体中下部3个横断面(图1中Su、Sm和Sd)的地貌特征。根据1997、2003和2005年的南港海图，采用GIS和DEM综合方法，构建南港数字模型，并把南港河槽分割成南小泓、瑞丰沙和南港3个部分，计算不同年份的河槽容积或体积的变化，从上到下选取上(Cu)、中(Cm)和下(Cd)3个横断面进行比较(见图1)。地形计算：①淤容积和体积计算，用某一高程的水平面(一般取0m等深面)去切割已生成的数字高程模型，切割面以上的体积为砂体体积，切割面以下的为河槽容积；②冲淤计算，用后一年的体积减去前一年，计算净冲淤量；③断面计算，通过读取某一断面连续的网格数据，得到纵横断面水深和面积图。断面的边坡坡度、宽深比，边坡坡度α=坡高/坡水平距；宽深比。

⒉ 水文调查与计算方法

首先，对南港区域S2、S3(2005年5月)、S1点(2008年03月12日)的流速、流向进行了调查(图1)。其次对瑞丰沙中部纵断面涨落潮流量进行了计算，落潮流量计算公式为:

。

其中Q_l为瑞丰沙中部纵断面落潮流量，i为落潮开始时刻，j为落潮结束时刻，V_x为落潮开始起的第x分钟断面的平均流速，这里用定点垂线平均流速代替，S为0m线以下断面面积，其计算方法在下节中有说明。涨潮流量Q_z的计算方法同Q_l。

三、调查数据

⒈ 采砂坑

采砂坑有5个以上，分布范围跨度约1000m。采砂坑深3～4m，长40～120m，采砂坑边坡陡峭，坡度在0.2～0.45之间，即坡角在15°～40°之间，稳定性较差，见图2。

图2 2006年1月采砂坑的双频测深仪记录曲线图

⒉ 瑞丰沙体形态

南港瑞丰沙体南侧边缘从-5.8～10.5m的区域，沿WN-ES走向存在2条高度为0.5～1.2m垂直陡坎，陡坎长1800m，陡坎近乎垂直，稳定性差，陡坎前缘发育了明显的滑坡体。水下滑坡体分两级滑塌，长度1800m，宽度400m，面积0.56km²，从陡坎顶部到滑坡底部高度4m，滑坡体体积为124.5万立方米，见图3(上)。瑞丰沙南侧边坡陡峭，整个边坡呈下凹型，从上段到下段，坡度分别为1.3%、1.2% 和1.6%，边坡稳定性较差。瑞丰沙体的北侧区域，砂体坡度较缓，边坡呈上凸形，从上段到下段，坡度分别为0.6%、1%、1.2%，边坡稳定性较好一些，见图3(下)。

图3 2006年9月瑞丰沙中部高分辨率三维地形(上)及横剖面(下)的多波束测量纪录

⒊ 南港河床冲淤变化

等深线变化：南港2m、5m等深线代表了瑞丰沙体变化。10m的等深线代表了深槽的变化。

2005年与1997年相比，瑞丰沙体2m、5m等深线包络范围明显变小，故沙体体积明显减小，中部的2m、5m等深线向下游移动了300～500m，见图4(4)、(5)；南港主槽和南小泓河槽10m等深线包络范围明显变小，河槽淤积明显。另外，南小泓和南港主槽下游末端10m等深线都向下移动500m以上，而且南港主槽10m等深线与北槽10m区域贯通见图4(6)，南港下游区域呈现冲刷状态。

横断面变化:1997～2005年，瑞丰沙体从上游到下游，河床高程平均降低1～2m。南小泓水道(-5m以下)的总体淤积，中上段河床抬升1～5m；下游河槽刷深2～4m。南港宽4000多米的主槽，上段两侧淤高，深槽刷深2～5m，中下段总体淤高0.5～1.5m(图4(7)～(9))。

图4 1997～2005年南港水下地形演变特征

冲淤变化:2005年与1997年相比，南港主槽下游明显淤积。2005～1997年间，瑞丰沙体从上游到下游刷深2～5m，体积减少3724万立方米；南小泓河槽中上游淤积1～4m，下游冲刷2～4m，总体淤积531万立方米；南港主槽上游冲刷，中下游淤积，总体淤积3926万立方米。

⒋ 流速、流向变化

涨潮槽内流速均大于边滩顶部流速，S2涨潮时刻流向为300°，偏向瑞丰沙南侧南港主槽，落潮流向130°，偏向瑞丰沙北侧南小泓河槽。故涨潮期间，水流从南小泓涨潮槽内流经瑞丰沙中部进入南港主槽，落潮期间，水流从南港主槽流经瑞丰沙中部进入南小泓河槽见图5(上)。S1 与S2均在瑞丰沙中部(图1)，调查时间为枯季末洪季初，上游来水量基本相似，均为大潮期间。S1涨落潮最大流速和平均流速大于S2，说明自2005～2008年间，瑞丰沙中部涨落潮流速增加，流经瑞丰沙中部的流量增加见图5(下)。

图5 南港定点流速流向图

(上：2008年3月S1点流速流向，下：2005年4月S2、S3点流速流向)

⒌ 瑞丰沙中部流量变化

2005年瑞丰沙中部水深比1997年刷深3～5m，断面面积增加8240m²，故大潮期间一个潮周期内，瑞丰沙中部区域2005年比1997年涨潮经过流量增加0.96亿，落潮期间流量增加1.43亿，见图6。另外，瑞丰沙体中部横断面(图1(a)Cm)上，南小泓河槽面积为12000m²，南港河槽面积为49500m²，瑞丰沙中部因冲刷增加的断面面积分别占南小泓和南港主槽的68%和1.6%，由此可估算经中部增加断面的流量分别占南小泓和南港主槽流量的60%和1.5%。图6 瑞丰沙顶部过流断面及流量增加示意图。

四、结果分析

⒈ 瑞丰沙体陡坎的尺度为1m左右，远超过其测量精度，测量结果可靠。

⒉ 采砂坑、陡坎和滑坡体与采砂的关系

双频测深仪测量的采砂坑均为在大型采砂船作业区和作业时的测量结果(图2)，采砂坑边坡陡峭，长度40～120m。鉴于淤泥和粉沙质底质河床自然发育如此陡峭的边坡的可能性较小，因此确定为人类采砂所致。

瑞丰沙中部区域多波束测量发现的陡坎和明显的滑坡体(图3)，从成因上看有两种诱发因素，一是采砂活动采挖砂体边缘砂体导致边坡崩塌滑落，形成滑坡体和陡坎，陡坎和滑坡体是共生的。另一种因素是由于水流自然侵蚀砂体边缘，造成边坡坡度变陡，最后发生滑坡和陡坎。根据2005年断面调查资料，在涨急和落急时刻，瑞丰沙中段北南小泓河槽流速均比南侧南槽的流速大，说明瑞丰沙北侧水动力比南侧强，如果是水流侵蚀造成的陡坎和滑坡，因该发生在北侧，不应发生在南侧。北侧其外形呈上凸形，南侧在比北侧水动力弱的情况，自然发育的地貌应该也呈现上凸形，所以南侧陡坎、滑坡和下凹形的地貌成因系由采砂所致。

⒊ 采砂与南港主付槽冲淤关系

1997～2005年，瑞丰沙体明显的冲刷，南小泓河槽中上游淤积，下游冲刷，南港主槽相反，上游冲刷，中下游淤积。这种冲淤演变与瑞丰沙中段刷深、南北两侧河槽通过该中段断面的过水量增加直接相关。2005年与1997年比较，涨潮过程，南小泓涨潮槽水流通过瑞丰沙中部增加的断面向南港主槽输送流量达0.96亿立方米，这些水量可占南港主槽的流量1.5%，与南港主槽流量汇合，引起南港主槽上游段河槽的冲涮；南小泓流量从瑞丰沙中间被分流，使原来流向涨潮槽上游的流量减小，引起涨潮槽上段的淤积。落潮过程南港主槽的流量通过瑞丰沙中间向南小泓涨潮槽下游段输送1.43亿，占1997年前南小泓河槽落潮流量的60%，大大增加了南小泓河槽下游段的落潮流量，引起强烈的冲涮；南港主槽流量由于分流，占1997年前主槽流量的1.5%，导致中下游段流速减缓，出现淤积。演变与瑞丰沙中段刷深、南北两侧河槽通过该中段断面的过水量增加直接相关。1997～2005年，涨潮过程，南小泓涨潮槽水流通过瑞丰沙中部增加的断面向南港主槽输送流量达0.96亿立方米，这些水量可占南港主槽的流量。

五、结束语

长江河口南港瑞丰沙-吴淞口水域存在长大型深坑、瑞丰沙中部高度为0.5～1.2m，长1800m陡坎以及陡坎下长1850m，宽400m的滑坡体，均由采砂活动所致。测量结果反映了长江口大型采砂船对长江口河床稳定性的影响。同时采砂加剧了瑞丰沙的冲刷，1997～2005年，瑞丰沙区域体积减少3724万立方米；瑞丰沙中部过水断面增加8240m²，导致涨潮过程0.96亿立方米南小泓水量由此断面流向南港主槽，落潮过程1.43亿立方米南港主槽流量进入南小泓下游段。这种结果导致南小泓河槽中上游淤积，下游冲刷，南港主槽相反，上游冲刷，中下游淤积。因此，南港冲淤演变与人类采砂活动由密切关系。这些为长江口河道采砂管理提供了基础参考数据。