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近三十年长江口横沙岛潮滩湿地地貌演变对河口工程的响应
魏伟, 骆蓓菁, 丁玲     
上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200335
摘要: 由于人类活动的不断加剧和入海泥沙的日益减少,我国部分河口潮滩湿地已面临严重的侵蚀退化风险,给沿岸城市发展带来巨大威胁,实现河口潮滩湿地的科学管理和合理利用极为紧迫。本研究利用1990—2017年多期长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前后区域海图地形数据,使用ArcGIS地理配准、等深线数字化、数字高程模型建立和叠加分析等功能分析长江口横沙岛潮滩湿地地貌、等深线形态与地形冲刷-淤积厚度的时空变化过程。研究结果表明,长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程的实施,改变了横沙岛潮滩湿地周边水域的水文泥沙动力条件,使得地貌冲淤时空特征发生变化:1)深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程的实施极大地推动了特征等深线的向外延伸,其中0、2和5 m等深线包络面积年均最大增长率(2009—2013年)分别是工程前(1990—1998年)的42.13、280.73和235.65倍,0~1、1~2、2~3、3~4及4~5 m等深线包络体积整体呈现1990—1998年、1998—2009年、2009—2013年增加,2013—2017年较为明显减少,潮滩湿地"长高不长大"的趋势;2)冲刷-淤积频率特征表现为工程前微淤(1990—1998年)、工程后微淤(1998—2009年)、淤积增加明显(2009—2013年)及微冲(2013—2017年),长江入海泥沙通量的减少对2 m等深线以深区域的潮滩发育可能产生一定影响。
关键词: 河口潮滩湿地    特征等深线    地貌冲淤    工程影响    横沙岛    长江口    
Three Decadal Morphodynamic Responses of Hengsha Island Tidal Flat Wetland to Adjacent Engineering in Yangtze Estuary
Wei Wei, Luo Beijing, Ding Ling     
Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co. Ltd, Shanghai 200335, China
Abstract: In recent years, with the intensification of human activities and reduction of sediment into the sea, some estuarine tidal flat wetlands in our country have been facing serious erosion and degradation, which poses a huge threat to the development of coastal cities. Therefore, the scientific management and rational use of estuarine tidal flat wetlands are extremely urgent. In this study, the regional chart topography data before and after the multi-phase of Yangtze Estuary deepwater channel north dyke project and the Hengsha Island land forming and silting promoting project from 1990 to 2017 were used to analyze the evolution of the wetland landforms in Hengsha Island, and the ArcGIS geographic registration, contour digitization, digital elevation model establishment, and overlay analysis were used to analyze the landform isobaths changes in morphology, terrain erosion-sediment thickness, and spatiotemporal changes of Hengsha Island. The result indicates that the implementation of the north guide dike project of the deepwater channel of Yangtze Estuary and the land forming and silting promoting project of Hengsha Island has changed the hydrological and sediment conditions to certain extent in the waters around the tidal flat wetlands of Hengsha Island, and its status of landscape erosion and deposition: 1) It has greatly promoted the outward orientation of the characteristic isobaths. The maximum annual growth rate of 0, 2, and 5 m isobaths envelope area (2009-2013) is 42.13, 280.73, and 235.65 times that of the project (1990-1998). The overall envelope volume of 0-1, 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 m isobaths shows an overall increase in 1990-1998, 1998-2009, and 2009-2013, and the tidal flat wetland shows a trend of "growing up but not extending". 2) The frequency characteristics of erosion-deposition are micro-deposition before engineering (1990-1998), micro-deposition after engineering (1998-2009), significant increase in deposition (2009-2013), and micro-erosion (2013-2017). At the same time, the reduction of sediments from Yangtze Estuary into the sea may have produced a certain impact on the development of tidal flats below the 2 m isobaths.
Key words: estuarine tidal wetland    characteristic isobaths    geomorphic erosion and deposition    engineering effects    Hengsha Island    Yangtze Estuary    

0 引言

河口潮滩湿地是河流携带的细颗粒泥沙沉积在入海口形成的地貌堆积体,为海陆交互的敏感地带,其演变受到自然环境和河口建设工程的多重影响[1]。潮滩系统具有抵御风暴、稳定海岸线、提供栖息地等重要功能。近年来,随着入海泥沙通量减少、相对海平面上升、沿海开发及其诱发的侵蚀加剧等综合胁迫影响,全球很多潮滩湿地地貌过程和生态系统正承受着冲刷-淤积地貌状态的转换和再均衡[2]

自20世纪70年代长江入海泥沙通量开始减少,加之近些年长江口大规模促淤围垦工程和深水航道工程的实施,导致河口及杭州湾潮滩淤涨减缓,甚至出现由淤转冲的现象[3]。研究深水航道、围垦工程对局地水深、河势稳定、潮滩地貌变化及生态环境等方面的影响,有助于理解长江口潮滩湿地自然演变规律和对人类工程的响应特征。

横沙岛及其东侧延展潮滩位于长江口中端,是上海重要的后备土地资源及潮滩湿地围垦区。该潮滩湿地形成于19世纪40—60年代,最初于1880年开始围垦,1958年后的海塘加固和修筑护岸工程使得横沙岛的岸线和潮滩逐渐稳固[4-6]。近期有关研究分析了长江口北槽深水航道北导堤工程及横沙岛促淤围垦工程对横沙东滩及邻近河势演变的影响。如:桑永尧等[5]发现长江口北槽深水航道北导堤工程的实施使白条子沙至横沙东滩沟滩面出现淤积,而横沙东滩窜沟以东潮滩滩面难以淤高;杜景龙等[7]认为北导堤工程使横沙东滩窜沟扭曲、萎缩,白条子沙及以东区域淤积加剧,促淤围垦工程的实施使横沙东滩淤涨速率显著提升;陈海英等[8]发现近期横沙浅滩5 m等深线滩涂资源有减少趋势,特别是2014年以后,5 m等深线以上的沙体体积下降十分明显。但现有研究主要停留在横沙六期围垦工程前(2013年),聚焦于潮滩特征等深线包络体积及冲淤频率方面的研究较少。在新时期下,横沙岛潮滩湿地冲淤演变趋势如何响应陆海水沙变异和局地工程成为亟待解决的科学问题,这对横沙岛及长江口其他河口工程的后续围垦开发利用设计和后评估十分必要。本研究收集长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前后多期海图资料,通过数字化矢量海图构建数字高程模型,对比分析当前长江入海泥沙通量减少与多期河口工程影响下横沙岛潮滩湿地地貌变化时空特征及综合过程,以期为长江口滩涂地貌演变、河槽治理和湿地生态环境保护提供科学依据。

1 研究区域概况

横沙岛及其东侧延展潮滩是长江口四大潮滩之一(图 1ab)。自20世纪50年代起,横沙东滩陆续成为横沙岛的延伸部分。以122°00′E为界,将横沙东滩分成两部分,西部为白条子沙及其以东浅水水域,称横沙东滩,东部为横沙浅滩,两者地貌上的分界线为横沙东滩窜沟(图 1b)[6-7]。随着长江口深水航道治理工程的开展,在横沙岛潮滩湿地区域连续实施了一系列成陆-促淤工程(表 1),阻断了横沙浅滩与东滩的地貌分界线——横沙东滩窜沟。近期很多研究以横沙东滩N23导堤为界(图 1c),西侧滩涂称为横沙东滩,东侧滩涂称为横沙浅滩[8]。本文以122°00′E为界分析横沙东滩及横沙浅滩的地貌变化过程。

a. 长江流域—长江口;b. 长江口和横沙岛周围地貌特征(1998年);c. 邻近横沙岛的人造工程(2017年)。 图 1 研究区概况图 Fig. 1 Map of the study area
表 1 横沙东滩已建工程概况表 Table 1 Hengsha East Shoal completed projects
项目 施工时间
北导堤加高工程 1998-01—2000-07
N23护滩堤工程 2003-06—2004-08
横沙东滩一期促淤工程 2003-12—2005-03
横沙东滩二期促淤工程 2006-03—2007-09
横沙东滩三期圈围工程 2006-08—2008-01
横沙东滩四期促淤工程 2008-03—2009-06
横沙五期大道 2009-03—2001-01
横沙东滩六期圈围工程 2011-09—2013-01
横沙东滩七期圈围工程 2015-11—2018-12

横沙岛潮滩湿地南北侧北港与北槽涨落潮的差异使横沙东滩区域潮流强劲,成为滩面泥沙输运及滩槽物质交换的主要动力,一定程度上促进横沙东滩窜沟发育,限制滩面淤高。另外该区域波浪以风浪为主,使得横沙东滩长期受到强烈的破波水流作用,滩面难以淤高[4, 9]

2 研究数据和方法

本文收集国家海事局测绘的1990、1998、2009、2013和2017年的长江口海图地形数据,经扫描后利用ArcGIS地理配准、等深线数字化、数字高程模型建立和叠加分析等功能[10],构建横沙岛及其邻近区域5 m等深线以浅数字高程模型,提取横沙岛潮滩湿地0、2和5 m等深线, 同时统计计算横沙周边区域潮滩湿地0、2和5 m等深线包络面积多年变化和年均变化率,以及0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络的体积、年均变化率, 分析横沙岛周边潮滩湿地冲淤厚度、冲刷-淤积频率及空间分布特征,以揭示长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前后30 a来横沙岛周边潮滩湿地地貌冲淤变化过程和趋势。

3 横沙岛周边潮滩湿地冲淤变化 3.1 0 m以浅潮滩湿地面积变化

海图数字化0 m等深线计算出横沙浅滩的面积如表 2所示。1990—2009年横沙浅滩的滩地面积保持相对稳定,变幅不大,其中1990—1998年微增,年均变化速率与年变化率分别为0.92 km2/a、2.98%,1998—2009年微减,年均变化速率与年变化率分别为-0.72 km2/a、-1.87%;2009—2013年横沙浅滩0 m线以上面积增加明显,年均变化速率与年变化率分别为4.08 km2/a、13.46%;2013—2017年横沙浅滩0 m线以上面积增加较明显,年均变化速率与年变化率分别为2.55 km2/a、5.45%。

表 2 横沙浅滩0 m以浅潮滩湿地面积的历年变化 Table 2 Annual changes in tidal wetland areas shallower than 0 m isobath of Hengsha Shoal 
km2
1990 1998 2009 2013 2017
30.85 38.21 30.33 46.66(堤外) 56.84(堤外)
3.2 0、2和5 m等深线包络面积变化

横沙岛潮滩湿地0、2和5 m等深线包络面积历年变化、年均变化率如表 3图 2所示。工程前(1990—1998年),潮滩湿地0、2和5 m等深线变化较缓慢,包络面积年均增长率分别为0.270%、0.020%和0.008%(量值较小,柱状图无法显示)。工程后2009—2013年的0、2和5 m等深线包络面积年均增长率分别是工程前的42.13、280.73和235.65倍,工程不仅极大促进了0 m等深线向外扩张,使得潮滩淤涨,对2、5 m等深线浅海区域的影响甚至远超于0 m潮滩区域。工程前横沙岛潮滩湿地2、5 m等深线变化率接近于0,工程后1998—2009年的0、2和5 m等深线包络面积年均增长率分别是工程前的11.39、49.14和54.16倍。北导堤工程、横沙东滩围垦促淤工程极大地促进了0 m潮滩区域的推进,对浅海水下地形影响更甚。值得注意的是,2013—2017年潮滩0、2和5 m等深线出现淤涨速率减缓甚至侵蚀后退现象。

表 3 横沙岛0、2、5 m等深线包络面积的历年变化 Table 3 Annual changes in 0, 2, 5 m isobath envelope area of Hengsha Island 
km2
等深线 1990 1998 2009 2013 2017
0 m 128.46 131.24 174.78 233.34 243.81
2 m 273.65 274.09 303.82 365.59 363.27
5 m 531.11 531.45 556.77 596.83 567.45
图 2 横沙岛0、2、5 m等深线包络面积年均变化率 Fig. 2 Annual average rate of variation of 0, 2, 5 m isobath envelope area of Hengsha Island

图 3为横沙岛特征等深线分布的多年变化。1990年0 m等深线包络区域主要为横沙岛西侧潮滩、横沙岛东边滩、白条子沙及横沙浅滩区域,横沙东滩窜沟走向总体为NW—SE方向;窜沟5 m等深线平均宽度为460 m,2 m等深线宽度约1 000 m。1998年0 m等深线包络区域变化不大,白条子沙0 m等深线区域向横沙东滩窜沟方向延伸,窜沟西侧区域出现一片0 m等深线包络区域;相较于1990年,横沙东滩窜沟方向呈顺时针旋转,窜沟5 m等深线平均宽度约350 m,2 m等深线宽度增长至约1 100 m;横沙浅滩0 m等深线包络区域有向北东方向扩大的趋势。2009年由于圈围工程,横沙岛东边滩与白条子沙西侧区域被围垦在堤内,堤外白条子沙区域0 m等深线区域向横沙东滩窜沟挤压,横沙东滩窜沟5 m等深线完全消失,2 m线宽度仅约为320 m;横沙浅滩0 m等深线包络区域被N23导堤隔断,相较于1998年,横沙浅滩0 m等深线包络面积有减少的趋势,在北导堤工程北侧区域及N23导堤区域出现狭长的2 m等深线。相较于2009年,2013年0 m等深线包络面积继续扩大,北导堤南侧潮滩0 m等深线向北槽推进趋势明显,横沙东滩窜沟已经消亡,N23导堤东侧横沙浅滩0 m等深线包络面积也有扩大趋势。相较于2013年,2017年北导堤南侧潮滩0 m线继续向北槽推进,横沙岛潮滩湿地北侧围堤5 m等深线向导堤逼近,呈现深水逼岸的趋势,N23导堤东侧横沙浅滩0 m等深线包络面积继续扩大。

图 3 横沙岛不同时期特征等深线分布 Fig. 3 Characteristic isobaths distributions in different periods of Hengsha Island
3.3 不同等深线包络体积变化

包络体积历年变化、历年平均变化率的计算结果分别如表 4图 4所示。相同年份区间,横沙0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积整体上1990—1998年、1998—2009年、2009—2013年增加,而2013—2017年减少较为严重。1990—1998年各等深线包络体积都在递增,1~2 m等深线包络体积增加较为明显,年均变化率为2.22%;1998—2009年除0~1 m等深线包络体积微减,年均变化率为-0.09%外,其余等深线包络体积增加明显;2009—2013年各等深线包络体积激增,主要表现在0~1和1~2 m等深线包络体积,年均变化率高达6.23%和5.98%;2013—2017年除0~1 m和1~2 m等深线包络体积增加外,其余都出现明显减少,2~3、3~4和4~5 m的年变化率分别为-0.68%、-0.84%和-0.81%,侵蚀现象较为明显。总体来说,工程后特别是2009—2013及2013—2017年,0~1和1~2 m变化率均高于2~3、3~4、4~5 m,表现为“长高不长大”的空间特征。

表 4 横沙岛潮滩湿地0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积历年变化 Table 4 Annual changes in 0-1、1-2、2-3、3-4 and 4-5 m isobaths envelope volume of Hengsha Island 
104m3
年份 0~1 m 1~2 m 2~3 m 3~4 m 4~5 m
1990 17 686.90 19 613.65 30 225.03 37 711.53 46 564.03
1998 18 471.74 23 102.36 30 573.43 37 825.60 47 221.40
2009 18 288.58 25 251.78 35 974.50 43 102.15 51 242.35
2013 22 842.55 31 294.95 40 676.68 47 708.18 54 821.69
2017 24 253.53 31 818.26 39 563.14 46 106.74 53 051.22
a. 相同年份不同等深线;b. 不同年份相同等深线。 图 4 横沙岛0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积历年平均变化率 Fig. 4 Annual average variation rate in 0-1, 1-2, 2-3, 3-4 and 4-5 m isobath envelope volume of Hengsha Island

不同年份间,2009—2013年的不同等深线包络体积变化率最大,远高于其余年份。0~1 m等深线包络体积变化率从1990—1998年到1998—2009年减少,从0.55%减至-0.09%,2009—2013年突增,年均变化率为6.32%,2013—2017年递增减缓,年均变化率为1.54%;1~2 m等深线包络体积除2009—2013年异常,年均变化率为5.98%,其余年份逐年递减;2~3 m等深线包络体积除2013—2017年减少之外,其余年份逐年递增;3~4 m与4~5 m等深线包络体积趋势相近, 于2009—2013年达到增长率峰值,并均在2013—2017年出现降低的现象,年均变化率分别为-0.84%和-0.81%。

3.4 潮滩湿地地貌空间特征及冲刷-淤积频率 3.4.1 潮滩湿地地貌空间特征

图 5图 6为横沙岛潮滩湿地水深变化和冲淤部位分布图。北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程建设前,1990—1998年,淤积区域主要为白条子沙和横沙浅滩区域,白条子沙水深1~2 m的区域(图 5a)很大一部分淤高至0~1 m(图 5b),淤积厚度超过50 cm,横沙浅滩有将近50%的区域淤高50~100 cm(图 6a),2和5 m等深线向口外推进明显(图 5ab)。横沙东滩窜沟区域冲刷较为剧烈,冲刷宽度最宽处超过9 000 m,窜沟淘深趋势明显,部分区域侵蚀厚度超过100 cm(图 6a)。白条子沙北侧区域近岸处出现侵蚀,北港河槽距离白条子沙1.3 km区域出现一条平行于北港河槽的条形淤积带(图 6a)。横沙通道(图 1c)近横沙岛以淤积为主,垂直于岸线淤积宽度为400~1 100 m不等(图 6a)。

图 5 横沙岛潮滩湿地水深变化 Fig. 5 Bathymetric changes of depth tidal wetland areas of Hengsha Island
图 6 横沙岛潮滩湿地冲淤部位分布图 Fig. 6 Erosion and deposition distribution in tidal wetland areas of Hengsha Island

北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程后,1998年横沙东滩窜沟为NS方向(图 5b),2009年窜沟接近于WE方向,出现平行于北导堤工程的深槽,长度达4.8 km(图 5c)。1998年横沙浅滩0~2 m区域呈椭圆形(图 5b),2009年该区域椭圆形长轴向口外延伸,短轴方向0~2 m区域有变窄的趋势,横沙浅滩2和5 m等深线向口外推进速率极为明显,2 m等深线向海推进距离最远高达5 km,5 m等深线向海推进距离最远高达2.2 km(图 5c)。横沙东滩三期东侧水域出现大片侵蚀带(图 6b)。横沙东滩北侧存在一条东西向的侵蚀带,侵蚀宽度100~1 600 m不等,北港河槽淤积明显,大片区域淤积厚度超过50 cm(图 6b)。横沙通道近横沙岛处出现微侵蚀现象,北导堤工程南侧潮滩淤积明显,大片区域淤高超过50 cm(图 6b)。

2009年横沙浅滩等深线呈现较完整的椭圆形(图 5c),2013年横沙浅滩N23导堤转角处区域出现NW—SE方向深槽,椭圆形南侧被“切割”(图 5d)。北侧围垦大堤外出现长条状的沿堤侵蚀带,侵蚀带长达20 km,大片区域侵蚀厚度超过100 cm,侵蚀区域宽度接近700 m(图 6c)。北导堤区南侧淤积现象明显,淤积厚度远高于50 cm,淤积宽度高达2.2 km,形成宽而长的淤积带;原横沙东滩窜沟被围垦导堤完全隔断,在N23导堤转角处新形成NW—SE方向的“新窜沟”,冲刷带长达23 km,一直延伸至北槽(图 6c)。除此之外,横沙浅滩区域大片淤积厚度超过50 cm,淤高效应明显(图 6c)。横沙通道近横沙岛侧侵蚀现象明显,若无海堤保护,侵蚀将可能继续向陆拓展。

2013—2017年横沙浅滩区域以侵蚀为主,虽然部分区域淤积超过50 cm,但呈现零星错乱分布(图 6d)。2017年“新窜沟”有加深的趋势,横沙浅滩NW—SE方向的3、2和1 m等深线增加现象明显(图 5e)。南侧堤坝外近岸处出现狭长的淤积区域,宽度平均约为420 m,北港南侧近岸处以冲刷为主,大片区域冲刷厚度超过100 cm(图 6d)。北导堤南侧近岸处潮滩出现侵蚀现象,但侵蚀厚度不大,为0~25 cm不等,横沙通道近横沙岛处以冲刷为主(图 6d)。整个横沙岛潮滩湿地淤积区域相较于2009—2013年大幅减少,2013—2017年间长江口可能出现水动力条件特别强的情况,特别是2016年长江径流的大幅增加可能产生一定的影响。

长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程建设后(1998—2017年),除去N23导堤转角处新形成NW—SE方向的“新窜沟”产生的侵蚀现象外,整个横沙浅滩出现明显的淤积现象。北港南侧除近岸处出现淤积外,远岸处北港河槽不断加深,这和近些年来北港下段河槽南偏有关,呈深水逼岸的趋势[6],横沙岛成陆-促淤工程一定程度上保护了横沙北侧岸线的稳定。横沙通道河槽加深,横沙岛近岸处潮滩湿地也略微侵蚀。

3.4.2 潮滩湿地地貌冲刷-淤积频率

图 7可见:长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前(1990—1998年),自然状态下横沙岛潮滩湿地整体呈现微淤状态,年均淤积峰值出现在0~10 cm区间,占比超过40%,年均淤积值-10~0 cm也出现较大比例,地貌并未出现剧烈变化的峰值;工程后1998—2009年整体地貌冲刷-淤积频率分布与1990—1998年类似,年均淤积峰值出现在0~10 cm区间占比最大,年均淤积值10~20 cm占比相较于1990—1998年提升超过5%,年均淤积值-10~0 cm与-20~-10 cm占比显著下降;2009—2013年地貌冲刷-淤积频率分布表现为强烈的淤积趋势,整体淤积占比超过56%,年均淤积值超过50 cm占比接近8%,年均淤积值-10~0 cm占比最大,为21%;2013—2017年潮滩湿地地貌冲刷-淤积频率分布呈现微侵蚀的现象,侵蚀占比接近于70%,年均淤积值-10~0 cm占比最大,为38%,年均侵蚀值超过50 cm表现为较大的比例,数值大于5%。

图 7 横沙岛潮滩湿地地貌年均冲刷-淤积频率分布图 Fig. 7 Annual average rate of erosion and deposition frequency in tidal wetland areas of the Hengsha Island
4 讨论 4.1 工程前后地貌阶段变化过程

长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前(1990—1998年),横沙浅滩0 m等深线包络面积缓慢增长,横沙岛潮滩湿地冲淤接近于平衡状态。横沙岛潮滩湿地南侧有冲有淤,淤积区域主要分布在横沙岛东边滩和白条子沙南缘以及横沙浅滩(图 6a),横沙通道近横沙岛侧也以淤积为主;冲刷区域主要位于横沙东滩窜沟至北槽窜口处(图 6a)。涨落潮过程中北港和北槽的水沙交换是横沙东滩窜沟淘深的主要原因,大量的水沙下泄给予泥沙沉降在白条子沙和横沙浅滩的机会[4, 11]

北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程后,1998—2009年,横沙浅滩0 m等深线面积微减,0、2和5 m等深线包络面积年均变化率分别是工程前的11.39倍、49.14倍、54.16倍(图 2),0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积年均变化率是工程前的-16.97%、44.81%、11.57、33.64和4.45倍。两大工程对2~5 m的浅海区域影响远高于0~2 m区域。淤积区域主要分布在横沙浅滩、北导堤南侧与北港河槽,横沙岛潮滩北侧围堤外侧出现一条狭长的冲刷带,这是涨潮流作用下泥沙被掀起上溯的结果[7]。1998—2009年横沙东滩滩面横比降得以调整,滩面水流受阻,东西向水面纵比降加大,同时在原横沙东滩窜沟区域形成大片冲刷槽(图 6b)。

2009—2013年是潮滩湿地地貌演变对工程响应最剧烈的区间,无论是0、2和5 m等深线包络面积年均变化率还是0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积年均变化率均远高于工程前,这可能因为横沙东滩2009年前一期、二期和三期促淤工程(图 1c表 1)与横沙浅滩距离稍远,影响较小,并未出现大幅度淤积现象。随着横沙七期圈围工程(紧邻横沙浅滩)的实施,横沙浅滩0 m等深线向外扩张明显,各特征等深线包络的面积急剧增加,打破原有的自然演变规律,淤积效应明显。2009—2013年的0、2和5 m等深线包络面积年均变化率是工程前的42.13倍、280.73倍、235.65倍;0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积年均变化率是工程前的11.60倍、3.46倍、27.00倍、80.76倍、10.88倍。

2013—2017年,潮滩0、2和5 m等深线包络面积年变化率出现下降甚至倒退,0~1、1~2 m等深线包络体积虽然在增加,但0~5 m等深线包络体积整体上减少,意味着潮滩堆积体的侵蚀,年均变化率相较于2009—2013年下出现了明显下降,表现为北港河槽、横沙东滩“新窜沟”和横沙通道近横沙岛侧的持续侵蚀,横沙浅滩虽有淤积,但整体面积占比不大。可能原因:一是长江流域泥沙减少的影响[12];二是2016年长江径流量明显高于往年,上游来水增加,落潮流势得到增强,盐淡水交会和涨落潮优势流转换地带下移[13];三是一些学者研究认为航道工程与围垦工程促使最大浑浊带向海延伸,随着工程落成,局部水沙条件自适应,这种现象越明显[14]

4.2 河口工程对地貌变化过程的整体影响

工程后1998—2009、2009—2013和2013—2017年冲淤图均在横沙岛潮滩湿地南侧北导堤附近淤积现象较为剧烈,这在1998—2017年冲淤图表现尤为显著(图 6e)。横沙岛潮滩湿地北侧北港南沿区域,1990—1998年有冲有淤、1998—2009年近岸处以侵蚀为主,2009—2013年以侵蚀为主、2013—2017年以近岸处淤积为主,该区域冲刷-淤积状态的转换比较频繁。横沙东滩和横沙浅滩基本以粉砂物质组成[4, 15],抗冲性差,潮滩冲刷淤积状态转换对北港水动力变化比较敏感。近些年来,北港的主泓线虽总体保持稳定,但北港主槽在堡镇转弯下泄水流直冲横沙北岸,使得北港下段青草沙水库下端至横沙东滩主泓线不断向横沙岛北侧区域逼近[6, 9],1998—2017年(图 6e)北港南沿侵蚀现象较为严重,横沙岛成陆及促淤工程的北侧堤在一定程度上保护了北港南沿的稳定性。

两大工程实施前,横沙通道近岸处以淤积为主,北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程后,多年间横沙通道近岸处及河槽冲刷趋势加剧,在N23导堤转角处新形成NW—SE方向的“新窜沟”,这在1998—2017年冲淤图(图 6e)表现较为明显。北港与北槽潮波传播速率不同,涨落潮过程中北港与北槽不断进行水沙交换。原来北港与北槽水沙交换主要通过横沙东滩窜沟及横沙通道进行,北港入海的径流分出一部分由横沙东滩窜沟进入北槽[16-17]。两大工程的实施封堵了横沙东滩窜沟的水沙交换通道,使得北港进入横沙通道的流量增加,有20%的流量从北港北汊入海[17],也束窄了河道,加大了潮流的局部壅水,使得局部水动力增强而引起地形冲刷[18](图 6e)。其次,这部分水沙通量势必寻找新的下泄通道,一是加大横沙通道的下泄,二是在N23导堤转角处形成NW—SE方向的“新窜沟”,以满足巨大的水沙通量需求。工程实施后,工程周边水域流速变化较明显,北港、北槽与横沙通道在涨落潮时期的平均流速都在增大,尤其是北港与北槽,流速的增大使得两大水道的河床不断受到冲刷[19]图 6e中北港表现为河槽的淘深,北槽除去北导堤工程近岸侧的淤积外,深水航道区域表现为冲刷,利于航槽维护。丁坝群的阻水作用对进入北槽的水流产生阻力,促使长江口入海径流在河口流量的再分配,北槽入海的径流由60%降低到40%,相应地,南槽径流从40%增加到60%[20-21]

整体来说,在长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前,受长江流域入海泥沙通量减少的影响,横沙岛潮滩湿地淤涨推进速率减缓。两大工程的实施在一定程度上改变了横沙岛潮滩湿地周边水域的水文泥沙动力条件,使得横沙岛的冲淤形势发生变化。长江口深水航道北导堤工程建设后,导堤阻塞了横沙东滩窜沟,再加上丁坝群对波浪的拦截和消耗作用[20, 22],使得北导堤工程南侧潮滩湿地泥沙沉降下来,达到促淤的效果。两大工程的围堤封堵了横沙东滩窜沟,横沙通道河槽加深,N23导堤转角处形成NW—SE方向的“新窜沟”。然而近期2013—2017年,横沙岛潮滩湿地2和5 m等深线包络面积及2~5 m等深线包络体积均出现了减少现象,冲刷-淤积频率也偏向侵蚀的趋势,这可能受长江入海泥沙通量减少的影响[3, 9]。局部人为工程干预对河口的影响是持续减弱的,其导致邻近河床沉积物分布重新调整与适应,并向新的动态平衡演变,然而上游流域泥沙通量的急剧减少将对河口潮滩湿地及其地貌演变产生持续、深刻的影响,这也对现阶段淤积性潮滩湿地的科学利用与保护研究提出新的挑战[23]

5 结论

本文通过1990—2017年五期长江口横沙岛及其邻近地区地形海图数据,使用地理信息空间分析功能分析了陆海水沙变异与河口工程建设多重影响下横沙岛潮滩湿地地貌演变规律。主要结论如下:

1) 长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程的实施极大地推进了特征等深线的向海推进。工程后(2009—2013年)0、2和5 m等深线包络面积年均最大增长率是工程前(1990—1998年)的42.13、280.73和235.65倍;0~1、1~2、2~3、3~4和4~5 m等深线包络体积整体上1990—1998、1998—2009、2009—2013年增加,2013—2017年减少较为明显,整体潮滩滩体表现为“长高不长大”的趋势。

2) 地貌冲刷-淤积总量及其频率分布表现为工程前微淤(1990—1998年)、工程后微淤(1998—2009年)、淤积增加明显(2009—2013年)、微冲(2013—2017年),长江入海泥沙减少对2 m等深线以深的区域潮滩发育可能产生一定的影响。

3) 横沙两大工程的实施,改变了横沙岛潮滩湿地周边水域的水文泥沙条件,使得地貌冲淤形势发生变化。成陆-促淤工程北侧大堤加强了横沙北侧潮滩湿地的稳定性,北导堤工程促进了横沙南侧潮滩湿地的淤涨,而横沙东滩窜沟被工程封堵,造成了横沙通道和N23导堤东侧海域的水动力增强,横沙通道冲刷趋势加剧,N23导堤转角处形成NW—SE方向的“新窜沟”。

本研究聚焦长江口深水航道北导堤工程与横沙岛成陆-促淤工程前后横沙岛潮滩湿地地貌演变过程分析,研究成果揭示人类阶段性持续围垦和长江流域来沙减少影响下的潮滩时空特征和潜在的演变趋势,可为河口潮滩湿地地貌发育提供理论参考,对工程影响下河势稳定、航道水深、潮滩冲淤影响的后评估具有重要实践意义。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200114
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

魏伟, 骆蓓菁, 丁玲
Wei Wei, Luo Beijing, Ding Ling
近三十年长江口横沙岛潮滩湿地地貌演变对河口工程的响应
Three Decadal Morphodynamic Responses of Hengsha Island Tidal Flat Wetland to Adjacent Engineering in Yangtze Estuary
吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(4): 1193-1203
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2021, 51(4): 1193-1203.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200114

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收稿日期: 2020-05-05

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