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1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制

程海峰 辛沛 刘杰 顾峰峰 王巍 韩露

程海峰, 辛沛, 刘杰, 顾峰峰, 王巍, 韩露. 2020: 1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制. 水科学进展, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
引用本文: 程海峰, 辛沛, 刘杰, 顾峰峰, 王巍, 韩露. 2020: 1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制. 水科学进展, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
Haifeng CHENG, Pei XIN, Jie LIU, Fengfeng GU, Wei WANG, Lu HAN. 2020: Morphological evolution and dynamic mechanics of the Jiuduansha Shoal (China) during 1959—2018. Advances in Water Science, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
Citation: Haifeng CHENG, Pei XIN, Jie LIU, Fengfeng GU, Wei WANG, Lu HAN. 2020: Morphological evolution and dynamic mechanics of the Jiuduansha Shoal (China) during 1959—2018. Advances in Water Science, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003

1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402101

详细信息
    作者简介:

    程海峰(1983-), 男, 安徽天长人, 副研究员, 博士研究生, 主要从事河口海岸河床演变方面研究。E-mail:ecsrc_chf@163.com

    通讯作者:

    辛沛, E-mail:pei.xin@outlook.com

  • 中图分类号: P343.5

Morphological evolution and dynamic mechanics of the Jiuduansha Shoal (China) during 1959—2018

Funds: 

The study is financially supported by the National Key R & D Program of China 2016YFC0402101

图(10)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-05
  • 网络出版日期:  2020-04-10
  • 刊出日期:  2020-07-01

1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402101

    作者简介:

    程海峰(1983-), 男, 安徽天长人, 副研究员, 博士研究生, 主要从事河口海岸河床演变方面研究。E-mail:ecsrc_chf@163.com

    通讯作者: 辛沛, E-mail:pei.xin@outlook.com
  • 中图分类号: P343.5

摘要: 基于近60年(1959—2018年)系列水下地形资料,研究九段沙成形以来的地貌演化特征和动力成因。结果表明:九段沙1959—1990年处于稳速淤涨、以低滩为主的自然演化状态;近30年(1990—2018年),0 m及以上高滩受植被生长和长江口深水航道治理工程作用快速淤涨,-1~-2 m滩面受干扰程度小、稳速淤涨;近20年(1998—2018年),-3 m及以下低滩受流域减沙和临近的大型涉水工程影响淤涨放缓并由淤积转冲刷,期间流域减沙使得九段沙淤积放缓滩地由低到高向上延伸。未来流域来沙可能进一步下降并维持在较低水平,九段沙将面临-3 m及以下低滩进一步冲蚀,-3 m以上滩地淤积放缓并由低到高逐渐转冲的风险。

English Abstract

程海峰, 辛沛, 刘杰, 顾峰峰, 王巍, 韩露. 2020: 1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制. 水科学进展, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
引用本文: 程海峰, 辛沛, 刘杰, 顾峰峰, 王巍, 韩露. 2020: 1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制. 水科学进展, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
Haifeng CHENG, Pei XIN, Jie LIU, Fengfeng GU, Wei WANG, Lu HAN. 2020: Morphological evolution and dynamic mechanics of the Jiuduansha Shoal (China) during 1959—2018. Advances in Water Science, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
Citation: Haifeng CHENG, Pei XIN, Jie LIU, Fengfeng GU, Wei WANG, Lu HAN. 2020: Morphological evolution and dynamic mechanics of the Jiuduansha Shoal (China) during 1959—2018. Advances in Water Science, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
  • 河口滩地是重要的自然资源, 是盐沼和红树林等生态系统赖以存在的物质基础。然而, 世界上大多数的河口湿地正面临着来自自然变化和人类活动的严峻挑战[1]。20世纪50年代以来, 长江口受流域水沙条件变化和河口涉水工程建设等人类活动影响显著[2], 持续的地面沉降、海平面上升、上游输沙量减少和密集的围垦使得长江口滩涂正面临高损失的危机[1]。九段沙位于长江河口的前缘, 是长江口及国际上重要的湿地, 其地貌演化情况近年来受到较为广泛的关注。李九发等[3]总结了九段沙形成之后50年沙头冲刷后退、沙尾淤涨延伸、南侧淤幅大于北侧, 沙洲持续淤涨、长轴位置移动不大的演化过程;杨世伦等[4-5]分析了九段沙湿地半个世纪的演化过程, 认为九段沙的自然演化存在趋势性渐变和非趋势性突变, 其形成演化与南北槽发育存在相互制约关系;谢小平等[6]基于海图与遥感影像的研究表明, 植物群落对九段沙形成演化具有一定影响, 九段沙正处于从沙洲向沙岛演化的成陆过程之中, 同时九段沙冲淤变化与流域来水来沙洪枯季变化及河口潮汐周期性变化有关[7];Wei等[8]研究发现, 1998—2014年九段沙相比长大更倾向于长高, 且受季节性径流变化和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)影响存在12个月和48个月的周期性变化;其他专家学者围绕九段沙局部时段或区域的冲淤变化及动力机理亦开展了诸多研究[9-12]。前人研究主要侧重涉水工程、流域水沙、河口潮汐、气候条件、植物群落中的某个要素对九段沙演化过程的影响, 而关于自然-人类活动多要素(流域来沙减少、河口涉水工程实施、植被生长演替等)作用下的九段沙长周期地貌演化特征及驱动机制, 目前尚缺少较为系统的分析和探讨。

    本文利用近60年(1959—2018年)九段沙及周边水域的系列水下地形资料, 结合流域来水来沙、周边涉水工程及植被生长的变化情况, 探讨九段沙自形成以来的冲淤演化特征及其动力成因, 研究结果将进一步加深对河口拦门沙浅滩演化规律的认识, 同时对九段沙发展趋势预判及湿地保护具有参考价值。

    • 九段沙位于长江口第三级分汊河道南、北槽之间的拦门沙河段, 是典型的江心沙洲滩地, 西接长江、东濒东海(图 1), 同时也是长江口最年轻的新生沙洲和重要的河口湿地。为加强九段沙湿地生态环境保护, 2005年国务院批准设立了上海九段沙湿地国家级自然保护区。

      图  1  研究区域

      Figure 1.  Study area

      与长江河口众多沙洲一样, 九段沙是长江河口发育过程中河床底沙推移堆积的产物[3]。20世纪50年代以前, 九段沙是长江口铜沙浅滩(现为横沙东滩)的组成部分之一, 1954年流域特大洪水使-5 m槽贯穿整个潮沟形成北槽, 九段沙开始作为一个独立的沙体成为长江口第三代新生沙岛[4]。本文主要针对九段沙-5 m(指理论基面高程, 下同)以上沙体的地貌演化情况开展研究, 九段沙包括上沙、中沙、下沙, 不含-5 m以上沙体已相对独立的江亚南沙。

      近期长江口水域实施了大量涉水工程, 河口演化受人类活动影响日益明显。1998年以来, 九段沙周边陆续实施了长江口深水航道治理工程(1998—2010年)、南汇边滩促淤圈围工程(1998—2004年)、横沙东滩促淤圈围工程(2003年起)、浦东机场外侧滩涂促淤圈围工程(2008—2010年)、南汇东滩促淤圈围工程(2013—2017年)和长江口深水航道减淤工程南坝田挡沙堤加高工程(2015—2017年)等(图 1)。

    • 收集整理了1959—2018年研究区域水下地形图 42幅, 包括1959—1990年海图 11幅(1: 100 000)和1998—2018年长江口航道管理局组织测量的地形图 31幅(1: 25 000)。采用地理信息系统软件ArcGIS进行图形数字化、数字高程模型(DEM)构建和空间分析, 并根据九段沙等高线范围计算沙体不同高程对应的形心位置(图形一阶矩)和形状方向(图形二阶矩), 以此来表征沙体平面位置的变化情况。

      收集了1950—2018年大通站年径流量和年输沙量数据、2001—2018年九段沙临近水域固定垂线水沙测验数据、1998年以来河口涉水工程实施以及植被调查情况等资料。利用上海河口海岸科学研究中心开发的长江口三维水沙盐耦合数值模型(SWEM3D)模拟九段沙水域水动力变化及其对河床冲淤的影响, SWEM3D模型基于无结构网格、半隐半显的有限体积法离散格式和满足无条件稳定的数值求解方法进行开发, 模型控制方程、离散求解及验证参见文献[13]。

      本文引入冲刷率、淤积率指标分析计算涉水工程实施和植被分布对九段沙冲淤演化的影响。冲刷率fe、淤积率fd分别为单位面积每天的冲刷量和淤积量, kg/(m2·d), 可指示在某种水动力场条件下地形发生冲刷和淤积的可能性大小, 其计算公式为:

      $$ {f_\text{e}} = \int_0^{{T_1}} m \left( {\frac{{{\tau _{\text{b}}}}}{{{\tau _{\text{e}}}}} - 1} \right){\text{d}}t/15\;\;\;\;\;\;{\tau _{\text{b}}} > {\tau _{\text{e}}} $$ (1)
      $$ {f_{\text{d}}} = \int_0^{{T_2}} {\alpha \omega \;{C_{\text{b}}}\left( {1 - \frac{{{\tau _{\text{b}}}}}{{{\tau _{\text{d}}}}}} \right){\text{d}}t/15} \;\;\;\;\;\;{\tau _{\text{b}}} < {\tau _{\text{d}}} $$ (2)

      式中: τb为实际底部切应力;τeτd为底部的临界淤积、起动应力, 均取0.4 N/m2m为冲刷系数, 取0.000 1;T1T2为冲刷及淤积的历时, 总计算周期取15 d(涵盖完整大小潮周期变化过程);α为沉降概率, 取1;ω为底部泥沙沉降速度, 取0.2 mm/s;Cb为单位含沙量, 取1.0 kg/m3(即不考虑含沙量变化的影响)。

      模型计算的上游径流过程为2017年7月5—20日大通站流量, 下游边界为对应时段外海边界潮位, 由调和函数计算给定。模型计算网格总数158 828个, 最小网格尺度约30 m, 垂线分层为10层, 时间步长120 s。模型计算采用地形为1998年、2008年长江口大范围地形测图, 测图比尺为1: 25 000。

    • 从九段沙成形以来的沙体面积统计结果(图 2(a))可以看出, 1959—2018年九段沙总体表现为淤涨扩大的发展态势。其中, +2 m、+1 m、0 m高滩面积1990年之后明显增加, 增幅分别达119.0 km2、142.7 km2、101.7 km2;-1 m、-2 m滩地面积增大趋势相对稳定;-3 m、-4 m、-5 m低滩淤涨态势1998年之后有所趋缓, 且2015年以来为减少态势, 近3年分别减少6.5 km2、14.2 km2、16.3 km2。从九段沙不同高程线包络面积的变化过程来看, +2~0 m高滩近30年淤涨明显, -1~-2 m滩地近60年淤涨态势基本稳定, -3~-5 m低滩近20年淤涨放缓且近3年由淤转冲。

      图  2  1959—2018年九段沙面积变化

      Figure 2.  Area changes of Jiuduansha Shoal(JDS) during 1959—2018

      九段沙成形以来不同年代面积变化速率情况(图 2(b))表明: 20世纪60到80年代, 九段沙淤积速率的代际差异不大, 总体均呈滩面高程越低、淤涨速度越快的特点;其中九段沙-2~-5 m低滩面积平均增速为3.2~4.2 km2/a, +1~+2 m高滩面积平均增速在0.2 km2/a以下。90年代, 沙体表现出与此前相反的变化特征, 即滩面高程越高、淤涨速度越快, 其中+1~+2 m高滩面积增速达4.9~7.0 km2/a, 而-2~-5 m低滩面积增速为1.5~3.7 km2/a。进入21世纪以来, 九段沙淤积速率整体呈逐渐放缓趋势, 与20世纪90年代相比, 2010年代沙体面积增速放缓幅度平均为2.4 km2/a, 同时-4~-5 m低滩面积已开始冲刷缩小, 面积减小速率为0.7~1.6 km2/a。近60年来九段沙经历了前30年“稳速淤涨、低滩淤速快”, 中间10年“高滩加速淤涨、淤速超过低滩”以及后20年“整体淤涨放缓、低滩出现冲刷”的三阶段变化。

    • 九段沙形成之后的40年(1959—1998年)基本处于自然演化状态[3], 总体表现为沙头冲刷后退, 沙尾淤积下延, 沙体南侧淤涨扩大明显、北侧基本稳定, 沙体向东南延展的变化态势(图 3(a))。

      图  3  九段沙地形冲淤变化

      Figure 3.  Bathymetric changes of JDS

      1998年以来, 九段沙周边主要实施了长江口深水航道治理工程、浦东机场及南汇东滩促淤圈围工程等大型涉水工程(图 1), 工程改变了九段沙原有的水流条件。近20年(1998—2018年), 九段沙北侧及高滩向北淤涨并向上、下游延伸(图 3(b));沙体南侧明显冲刷北退。其中, 长江口深水航道治理工程建设期间, 九段沙头部及北侧淤涨明显, 中部高滩有所淤积, 而南沿及沙尾冲刷(图 3(c));浦东机场及南汇东滩促淤圈围工程实施期间, 九段沙高滩继续淤涨, 中部南沿低滩明显冲刷北退, 上沙南沿亦有所冲刷(图 3(d))。

      综上, 九段沙已由前40年的“上冲下淤, 东延南扩”转变为近20年的“南冲北淤, 沙体北移”。

    • 据九段沙沙体形态变化图(图 4)可知, 1990年之前, 九段沙以低滩淤涨为主, 滩面高程越低, 淤涨幅度越大, 沙体呈坦化态势。1961—1990年, 九段沙-3 m、-4 m和-5 m低滩面积增幅均达110 km2左右, 而+2 m、+1 m高滩面积变化不大, 仅维持在3 km2和10 km2左右。

      图  4  九段沙沙体形态变化

      Figure 4.  Changes of the shape of JDS

      1990年之后, 九段沙则出现与此前相反的变化特点, 以高滩淤涨为主, 滩面高程越高, 淤涨幅度越大, 沙体呈陡化趋势。1990—2018年, 九段沙+2 m、+1 m高滩区域面积分别增加119.1 km2、142.7 km2, 而-3 m、-4 m和-5 m低滩区域面积增幅仅在27 km2左右。值得注意的是, 2015年以来, 九段沙高滩趋于稳定、低滩由淤转冲, 九段沙-3 m、-4 m和-5 m低滩区域面积分别减少6.5 km2、14.2 km2和16.3 km2

      上述分析表明, 九段沙沙体形态呈现出由前30年“低滩淤涨为主、沙体坦化”转变为后30年“高滩淤涨为主、沙体陡化”的演化特征。

      由九段沙0 m、-5 m等高线范围对应的形心位置和形状方向变化(图 5)可知, 九段沙0 m高滩、-5 m低滩的形状方向变化不大, 分别处于东偏南20°48′—28°06′和20°00′—28°30′之间, 可见沙体主要扩展方向基本维持在东南方向。

      图  5  九段沙不同高程形心位置及形状方向变化

      Figure 5.  Changes of the centroid position and graphics direction at different elevations of JDS

      九段沙0 m以浅沙体1980年基本合并成形, 1980—1998年其形心位置向下游、偏南方向(相对于形状方向, 下同)移动约2.2 km。1998—2018年, 0 m以浅沙体形心位置则向下游、偏北方向移动约1.7 km。

      九段沙-5 m以浅沙体形心位置1959—1998年向下游、偏南方向移动约3.8 km;1990—2018年, 形心位置则向北移动约0.7 km, 1998—2008年先偏北下移、2008—2018年则偏北上提。

      近60年, 九段沙形心位置总体由1998年之前“下移南偏”转变为之后“高滩下移北偏, 低滩先下移、后上提、总体北偏”的演化特征。

    • 1955—1985年、1986—2002年和2003—2018年大通站的多年平均输沙量分别为4.73亿t、3.40亿t和1.29亿t(图 6), 三峡工程运行后输沙量大幅减小, 2003—2018年较1986—2002年的减幅约达62%。

      图  6  长江大通站年径流量、输沙量变化

      Figure 6.  Changes of the annual runoff and sediment load at Datong hydrological station

      近年来, 自然及人类活动影响下流域入海沙量显著减少, 使长江下游潮汐段及河口段的含沙量呈现减少态势[14-15]。固定垂线含沙量监测数据(图 7, 测点位置见图 1)显示, 2001—2007年、2008—2014年和2015—2018年南港NG垂线的含沙量平均值分别为0.51 kg/m3、0.32 kg/m3和0.17 kg/m3。2002—2014年、2015—2018年南槽NC1垂线平均含沙量分别为1.22 kg/m3和0.27 kg/m3;2002—2014年、2015—2018年北槽BC垂线平均含沙量分别为0.56 kg/m3和0.24 kg/m3。南槽最大浑浊带区域的NC2、NC3垂线平均含沙量分别由2012年的2.05 kg/m3、1.91 kg/m3下降至2015—2017年的0.52 kg/m3、0.44 kg/m3。综上, 受流域来沙量显著减少的影响, 2001年以来九段沙及周围水域的含沙量也表现出下降态势, 尤其2015年以来的近3年含沙量明显偏低。

      图  7  九段沙周边水域含沙量变化

      Figure 7.  Changes of SSC near JDS and periphery water area

      河口含沙量下降会增强水流冲刷动力, 使得河口河床淤积速率减缓甚至向冲刷转变[15], 已有研究表明:长江口水下三角洲冲淤平衡临界的大通年输沙量为2.6亿~2.8亿t[16-17];长江三角洲形成和发育时期的长江年均输沙量为1.84亿~2.28亿t[18];九段沙沙尾浅滩由淤转冲的临界大通年输沙量约3.00亿t, 2000年为由淤转冲的转折年[19]。本研究分析认为, 长江口南支以下河槽冲淤转换临界的大通年均输沙量约为2.54亿t, 转折年为2003年。综上分析可知, 九段沙“近20年整体淤涨速率放缓、近3年低滩由淤转冲”的演化特征与长江流域来沙量减少及长时间维持较低量值密切相关。

    • 自然和人类活动不仅影响潮滩及水下三角洲的冲淤强度及分布, 甚至改变其冲淤特性。长江口区域的典型人类活动有长江口深水航道治理工程、横沙东滩促淤圈围工程、浦东机场及南汇东滩促淤圈围工程等。九段沙地貌演化受大型涉水工程建设影响较为明显[20-21], 本研究数学模型计算结果表明, 长江口深水航道治理工程、浦东机场和南汇东滩促淤圈围工程的实施对九段沙影响较为明显, 其余工程影响不大。

    • 长江口深水航道治理工程位于南港、北槽河段, 工程南导堤、南丁坝群及南坝田挡沙堤位于九段沙北缘(图 1)。从工程建设前后九段沙水域冲刷率、淤积率的变化情况(图 8)可以看出, 工程实施后, 九段沙沙体头部、北侧(工程南坝田区域)及九段沙窜沟的冲刷率明显减小、淤积率明显增大, 滩面淤积趋势较为显著;九段沙中下沙+2 m以下滩面北侧冲刷率亦略有减小、淤积率有所增大, 滩面总体趋于淤积;而九段沙中下沙体南沿及沙尾-2~-5 m低滩冲刷率有所增大、淤积率略有增加, 滩面总体趋于冲刷;此外, 九段沙+2 m以浅高滩冲刷率、淤积率变化不大。结合工程建设期九段沙地形冲淤变化(图 3(c))来看, 除九段沙上沙、中沙南沿局部区域受周边河势调整等因素影响[11]有所冲刷外, 冲淤趋势模拟结果与实际变化情况基本一致。可见, 一方面, 工程南导堤、南丁坝群及南坝田挡沙堤的建设掩护了九段沙头部及北侧边界、减弱了九段沙漫滩水流, 使得九段沙明显向北侧及上下游淤涨延伸;另一方面, 工程南导堤下段一定程度上约束了经九段沙下沙滩地进入北槽的涨潮流, 致使九段沙下沙南沿及尾部低滩趋于微冲。

      图  8  长江口深水航道治理工程实施前后冲刷率、淤积率变化

      Figure 8.  Changes of erosion rate and deposition rate caused by Yangtze Estuary deepwater channel improvement project

    • 浦东机场外侧滩涂促淤圈围工程和南汇东滩促淤圈围工程位于九段沙南侧的南槽南岸(图 1)。工程前后冲刷率、淤积率变化模拟计算结果(图 9)表明:工程实施后, 九段沙上沙及九段沙窜沟南沿低滩的冲刷率有所增加、淤积率有所减小, 滩面趋于冲刷;九段沙头部及尾部则趋于微淤;九段沙其余区域变化不大。工程实施期间九段沙地形冲淤变化(图 3(d))亦表现出九段沙中、上部南沿低滩冲刷北退的特征。浦东机场、南汇东滩促淤圈围工程束窄了南槽中下段河道宽度, 尤其圈围工程(围堤合拢出水)的束水作用较为明显, 致使对应区段南槽主槽的水流动力增强, 九段沙中上部南沿低滩持续受冲。

      图  9  浦东机场、南汇东滩促淤圈围工程实施前后冲刷率、淤积率变化

      Figure 9.  Changes of erosion rate and deposition rate caused by Pudong international airport and Nanhui reclamation engineering implement

      长江口深水航道治理工程和浦东机场、南汇东滩促淤圈围工程的建设改变了九段沙的冲淤趋势, 总体表现为九段沙头部及北侧趋于淤积、南侧略趋冲刷, 导致九段沙从前40年“上冲下淤, 东延南扩”的自然冲淤格局变为近20年“南冲北淤, 沙体北移”的工程主导冲淤格局。

    • 20世纪60—70年代, 九段沙尚属无植被生长的光滩, 沙体部分露出水面, 大潮期间被水淹没;80年代末, 局部高滩出现先锋植物藨草, 高程已达+2~+2.5 m;90年代, 九段沙上沙的高潮滩已有芦苇生长[6]。1997年4—5月, 浦东国际机场东移和九段沙生态工程在九段沙中沙和中下沙毗连地带种植0.4 km2芦苇和0.5 km2互花米草[22]。1998年以来, 随着九段沙滩面的淤积抬高, 植被进入快速演替扩散阶段, 其中互花米草因具有更广的生态幅和更强的竞争优势生长扩散最为明显, 并逐渐成为九段沙的优势植被群落[23-24]

      基于九段沙1998年水下地形及1998—1999年植被分布调查数据(+1.5~+2.8 m之间主要分布海三林藨草;+2.8 m以上主要分布芦苇和互花米草)[25], 概化模拟了相比无植被分布(植被生长区设为光滩), 有植被分布所引起的冲刷率、淤积率变化情况(图 10, 海三林藨草生长区域糙率取0.07;芦苇和互花米草生长区域糙率据糙率—水深关系选取[26])。由图 10可知, 相比无植被分布条件, 九段沙植被生长区域冲刷率明显减小, 淤积率明显增加;同时, 植被分布区外侧200~400 m以上(局部达1 km以上)宽度区域亦呈现明显的淤积趋势。可见, 植被的存在能够有效促进植被分布区的淤高及其前沿光滩的淤涨, 进而为植被自身的演替扩散提供新的空间。

      图  10  九段沙有无植被引起的冲刷率、淤积率变化

      Figure 10.  Changes of erosion rate and deposition rate of JDS with and without vegetation coverage

      20世纪90年代以来, 九段沙高滩植被成片式的生长演替对减弱水流动力、截留泥沙的作用较为明显, 加快了高滩的淤涨速率, 且在有一定的泥沙供给条件下, 九段沙植被群落演替与高滩淤涨扩大形成了相互促进的良性循环。

    • (1) 垂向演化  九段沙成形之初的30年, 上游来沙相对充足, 沙体总体处于稳速淤涨、以低滩为主的自然演化状态。20世纪90年代以来的近30年, 九段沙高滩植被生长演替和长江口深水航道治理工程南导堤建设, 明显减弱了滩面水流冲刷能力、增强了淤积能力, 加速了0 m及以上高滩快速淤涨。-1~-2 m滩面受流域减沙、涉水工程及植被生长的影响程度相对较小, 近30年总体仍呈稳速淤涨态势(淤涨速度与前30年相近)。而流域减沙引起的九段沙周边含沙量下降以及长江口深水航道治理工程和浦东机场、南汇东滩促淤圈围工程建设带来的九段沙南沿低滩水流冲刷能力增强, 使得-3 m及以下低滩近20年淤涨放缓且由淤转冲。

      由于流域减沙对河口河床作用遵循“先深后浅”的规律[15], 相较前30年, 九段沙近20年淤涨放缓滩地高程从20世纪90年代的-3~-5 m逐渐向上延伸至21世纪10年代的-2~-5 m, 且滩地高程越低, 淤涨放缓(甚至转为冲刷)的趋势越明显(图 2(b))。

      (2) 平面演化  九段沙前40年总体表现为“上冲下淤, 东延南扩”的演化特征, 而近20年受制于长江口深水航道治理工程和南槽南岸系列促淤圈围工程的实施, 九段沙头部及北侧水流冲刷能力减弱、淤积能力增强, 而南侧的水流冲刷能力则略趋增强, 沙体平面演化趋势转变为“南冲北淤, 沙体北移”的特征。

    • (1) 60年来, 九段沙呈现出“由前30年稳速淤涨、以低滩为主的自然演化状态转变为后30年0 m及以上高滩在植被演替和深水航道工程减弱水流动力的作用下快速淤涨、-1~-2 m滩面受干扰程度小总体稳速淤涨, 近20年-3 m及以下低滩在流域减沙和临近的大型涉水工程增强水流冲刷能力影响下减速淤涨且由淤转冲”的演化机制。

      (2) 九段沙从前40年“上冲下淤, 东延南扩”的河口江心沙洲自然演化状态转变为近20年“南冲北淤, 沙体北移”的工程主导演化状态, 长江口深水航道治理工程及浦东机场、南汇东滩促淤圈围工程的实施是九段沙冲淤格局及演化方向转变的主控因素。

      (3) 近20年, 九段沙淤积放缓滩地由低到高向上延伸, 反映出流域减沙对河口河床作用“先深后浅”的规律。未来, 受流域闸坝建设和水土保持等人类活动影响, 流域来沙可能进一步下降并维持在较低水平, 在不实施针对性保护措施的情况下, 九段沙-3 m及以下低滩将进一步冲蚀, -3 m以上滩地亦将淤积放缓并由低到高逐渐由淤转冲。

参考文献 (26)

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