论文专区▏长江河口南港河段沙波观测研究

【编者按；利用SeaBet7125多波束测深系统，对长江河口南港河段进行了沙波的高分辨率观测研究。结果表明；南港河段沙波发育广泛。统计的沙波中，最小波高0.12m，最大波高达3.12m，最小波长为3.12m，最大波长为127.89m，其中，南港上段、南港中段主航道、南港下段沙波陡坡有向海倾斜的趋势，而南港中段主航道南侧沙波陡坡有向陆倾斜的趋势。本文发表在《海洋测绘》2015年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。郑树伟，男，1988年出生，山东河东人，华东师范大学，博士研究生，主要从事水下工程地貌研究。】

文/郑树伟 程和琴 吴帅虎 胡浩 刘高伟 陆雪骏

一、引言

海底沙波是一种重要的微地貌地形，其脊线方向与海底主水流方向垂直^[1]，它的存在与运动对河口区冲淤变化、海底输油管道安全等影响显著^[2-3]，同时，它的发育演化与底流强度、床底、物质来源等关系密切^[4]，因此，沙波的观测研究对航道疏浚及近岸工程设施建设具有重要的现实意义。我国的沙波研究起于20世纪80年代^[5]，随后，众多研究学者在长江口^[6-7]、东海扬子浅滩^[8]、琼州海峡^[9]、南海北部^[10-11]、莱州湾^[12]、海南岛西南^[2]等海域进行了广泛研究并取得翔实的成果。

长江河口深水航道工程及其上延至南京河段工程的展开，造成了长江河，段水沙环境的改变，进而影响了该水域水沙运动的自然进程，前人对此进行了相关研究^[13-15]。其中，南港及圆圆沙河段是上海航运的重点和海洋工程装备制造业基础设施密集的区域^[16]，分布有多条重要航道(如长兴水道、外高桥航道、圆圆沙航道等)和多个港区(如外高桥港区、宝山港区。因此，南港及圆圆沙河段因水沙环境变化而引发的河势及航道冲淤变化备受关注^[17-20]。基于此，本文利用SeaBat 7125高分辨率多波束测深系统重点对长江口南港河段以走航方式进行数据采集，并分析了该河段沙波的形态、分布等特征，为深入研究沙波的演变规律及其对重大工程建设的响应提供了基础参考数据。

二、 研究区现状与数据处理

1. 研究区现状

南港起自吴淞口，下至南北槽分流口，继而被江亚南沙及九段沙分为南、北槽^[18]。20世纪 80年代以前，长江口南港河段基本上处于自然演变状态，人类工程活动以对主航道的疏浚维护的主，之后，随着长江口重大工程的启动(如长江口深水航道治理工程、中央沙促淤圈围工程、青草沙水源地工程等)，人类工程活动对长江口南港及以下河段的水沙环境及地形演变产生了深远的影响^[21]。研究表明；近30年来，因自然(如海平面变化、水沙来量的季节分配不均)或人类活动(长江流域及河口区大型工程的建设)的影响，长江口年际、年内来水来沙量变化明显，导致南港乃至整个长江口的水沙环境演变极其复杂且频繁^[22]。如瑞丰沙的演变。导致南港中线段主泓线于2005年北移。南港段深水航道轴线也于2009年进行了调整。而瑞丰沙中部窜沟体的冲蚀，导致部分南港南岸淤浅^[18]。因此，2014年7月10～17日，利用丹麦RESON公司生产的SeaBat7125高分辨率多波束测深系统对长江口南港、北港、南槽及北槽河段地形进行了走航式观测研究，并进行了同步数据采集。

2. 数据采集及后处理

利用定制钢架将换能器固定安装在船体左侧，并用缆绳兜底加固，扫测时船速控制在1.5～2m/s。

姿态仪利用固定板安装于船体重心位置，并将其顶面中心作为坐标原点。关于定位系统的安装，应位于测船最高处^[23]，限于实际情况，两个天线头及差分GPS的天线头均用钢管固定于船顶，该船船顶四周无遮挡物。鉴于测区范围广，本文利用横沙、吴淞口潮位站水位数据进行校正，本文选取南港河段5条剖面(a、b、c、d、e)走航观测数据进行重点分析。

利用为PDS2000软件进行数据后处理，所有原始数据经过PDS2000去除跳点数据，利用野外采集的校准线进行横摇、艏摇和纵摇的校准。利用当日的横沙和吴淞口站的水位数据对水位进行校正。

三、结果分析

南港(不包括南、北槽)外形近似矩形^[24]。在南港河段近平行于河岸的方向上选取航线(图1)，依据航线上连续分布的沙波对研究河段进行分区；(1)南港上段沙波段；包括航线a-3段和b-3段；(2)南港中段沙波段；包括航线a-2段、b-2段、c-2段、d-1段、d-2段以及e-1段；(3)南港下段沙波段；包括a-1段、b-1段和c-1段。由于水动力条件、仪器等造成的误差不可避免^[25]，本文未对南港河段沙波分布间断点及波高<0.1m的沙波进行统计分析。对沙波的波高(H)、波长(L)、沙波指数(L/H)、迎水坡投影(a)、背水坡投影(b)、对称指数(a/b)等进行统计分析。南港河段沙波统计数据见表1。由表1可知，南港河段沙波的波长介于3.12～127.89m，波高介于0.12～3.12m，迎水坡投影值介于1.16～110.89m，背水坡投影值介于1.02～54.50m，对称指数介于0.38～6.52，沙波指数介于6.09～54.50。

1. 南港上段沙波形态特征

该河段沙波主要由两个沙波群组成。其中，航线a-3段沙波(图2)大致从121.56°E向下游至121.58°E，大部分沙波脊线较平直，近SW-NE走向，少量沙波脊线有分叉现象，与河道方向近乎垂直，平均波高为0.53m，平均波长为8.14m，沙波指数平均值为15.43。而航线b-3(图3)沙波形态特征与其差别较大，b-3处沙波与区内其他沙波群相比，具有波长较长，波高较高，沙波指数大等特点，如沙波脊线弯曲，沙波剖面较缓(图3(b))，平均波高为1.70m，平均波长55.53m，平均沙波指数33.62，平均对称指数为1.76，该段沙波最大波长为127.89m(对应波高2.88m)，最高波高为3.12m(对应波长为91.06m)。其分布大致从121.58°E向下游至121.61°E，位于主航道中。

2. 南港中段沙波形态特征

该段沙波以二维直线形沙波为主，沙波走向近SW-NE。其中，航线a-2、b-2和c-2段沙波形态特征相近(图4)，其位于121.64°E与121. 69°E之间，大部分沙波脊线平直，少量脊线呈弯曲状(图4(a))，平均波高为1.06m，平均波长为19.85m，平均对称指数1.99，平均沙波指数19.66。 而d-1、d-2和e-1的沙波形态与之相比差别较大，此处沙波主要分布在主航道南侧，与区内其他沙波群相比，具有波长较短，波高较小等特点，且其大部分沙波脊线模糊，但大体走向依然近似为SW-NE(图5，平均波高0.32m，平均波长7.36m，对称指数0.83，陡坡具有向陆倾斜的趋势(图5(b))。沙波指数为22.82。

3. 南港下段沙波形态特征

该段沙波的波高、波长等差别不大，多波束扫描图像呈现航线a-1、b-1和c-1的沙波的形态相似，大部分沙波走向呈SW-NE，沙波脊线较清晰。该区沙波的密度较大，少量沙波脊线分叉现象明显见图6(a)。对沙波参数进行统计发现；波高平均值a-1段为0.51m，b-1段为0.50m，c-1段为0.48m，波长平均值a-1段为6.71m，b-1段为7.39m，c-1段为6.26m，沙波指数平均值分别为13.84，15.46和13.63，对称指数分别为1.83、1.57、1.65。

四、结束语

本文利用SeaBat7125高分辨率多波束测深系统对长江口南港河段进行观测，得到的主要结论如下；在长江河口南港河段有沙波的广泛发育。该区沙波的波长介于3.12～127.89m，波高介于0.12～3.12m，迎水坡投影值介于1.16～110.89m，背水坡投影值介于1.02～54.50m，对称指数介于0.38～6.52，沙波指数介于6.09～54.50。其中，南港上段沙波具有波长较长，波高较高，沙波指数大，沙波脊线弯曲等特点，且最大波长和最大波高出现在该河段，南港中段主航道南侧沙波呈现波长较短，波高较低，沙波脊线不清晰，具有向陆倾斜的趋势等特点；而南港其他河段沙波脊线较清晰，整体走向近SW-NE，沙波陡坡具有向海倾斜的趋势此类沙波在统计的沙波中占的比重最大(>90%)。

由于多波束数据的采集受限于走航线路，上述结论均指多波束扫测区域，且本次观测研究未将南港河段吴淞口以上及其他区域零星分布的沙波计算在内，如长兴岛马家港段、新桥通道段等。野外考察中，由于水动力条件、仪器等造成的误差不可避免，多波束数据的精度也受到一定的限制，因此，底形高度变化<0.1m 的波动没有进行统计。

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