【摘 要】
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通海河槽作为连接河流与海洋之间的“桥梁”,是河口地区陆海相互作用的关键地带和主要载体。作为我国沿海经济对外开放最为发达的上海,长江河口河槽在其中发挥了最为重要的水运价值。然而因流域泥沙剧减与河口高强度人类活动,长江河口各大河槽地貌均已发生重大变化,尤其对于长江河口一级分支——北支,长三角地区人类活动的频繁介入已导致北支河槽发生质变,由最初的落潮型河口完全转变为涨潮型河口。目前,北支河槽净输沙向陆的
【基金项目】
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国家自然科学联合重点基金《长江口潮滩湿地动力地貌演变过程及其受损生态修复研究》(项目编号:U2040202); 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项《中美大河河口滩涂稳定性及城市安全生态防护比较研究》(项目编号:2018YFE0109900); 上海市国际科技合作基金项目《长江口崇明生态岛滩涂消能机制及其生态堤防
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通海河槽作为连接河流与海洋之间的“桥梁”,是河口地区陆海相互作用的关键地带和主要载体。作为我国沿海经济对外开放最为发达的上海,长江河口河槽在其中发挥了最为重要的水运价值。然而因流域泥沙剧减与河口高强度人类活动,长江河口各大河槽地貌均已发生重大变化,尤其对于长江河口一级分支——北支,长三角地区人类活动的频繁介入已导致北支河槽发生质变,由最初的落潮型河口完全转变为涨潮型河口。目前,北支河槽净输沙向陆的特性导致北支淤积愈发严峻,航运明显受阻。此外,频繁的围垦工程致使北支两岸滩涂面积以及水域面积持续减少,影响生态环境的同时也加剧涨、落潮流路分歧,进一步恶化北支沉积环境,加剧北支萎缩进程。因此,开展北支河槽沉积地貌变化对人类活动的响应研究,这对因势利导改善北支通航环境尤为重要。基于此,本文利用北支1982-2020年期间现场实测沉积物和涨、落潮资料,1958-2020年期间多年水深地形资料,结合1955年至今长江大通站入海水沙以及南北支分流分沙数据。通过粒度实验、McLaren一维沉积物输运模型、经验正交函数(EOF)以及基于ArcGIS平台的空间计算等地学分析方法与技术,阐述北支沉积环境变化特征和泥沙输运趋势,探讨北支地貌变化过程及其影响机制。同时,基于上述研究合理预测北支未来发展格局,总结并提出北支未来整治方案。主要结论包括:(1)自1982年以来,北支河槽沉积物整体呈现逐年细化趋势,其中洪水事件对北支河槽沉积物年内粗化有明显驱动作用。北支河槽沉积物整体平均中值粒径从1982年的4.3φ至2011年的4.8φ再至2020年6月的5.8φ,沉积物粒径逐年变细。1982年北支沉积物类型以砂为主,其中砂组分含量占比达68.8%。2011年北支沉积物类型以砂质粉砂、粉砂质砂为主,相比于1982年,粉砂组分含量增加24.3%。2020年6月北支沉积物类型以泥、粉砂质砂、砂质粉砂为主,砂组分较1982年锐减37.4%。2020年8月长江特大洪峰后北支沉积物整体平均中值粒径为4.8φ,较6月沉积物整体粗一个粒级。同时,洪水使北支沉积物有分选变好,偏态负偏,粒径频率累计分布曲线峰型向窄转变的趋势。(2)北支始终存在净输沙向陆的输运趋势。洪水没有改变北支泥沙净输运方向,但对北支净输沙向陆的输运趋势有明显阻滞影响。基于McLaren一维沉积物输运模型结果发现:1982、2011以及2020年6月北支皆存在净输沙向陆的输运趋势。2020年8月洪峰后模型结果显示,北支河槽泥沙输运方向没有改变,但洪水的介入削弱北支整体自下而上的净输运趋势。北支沉积物EOF分析进一步表明,2020年8月与同年6月相比径流作用明显加强。同时,洪水带来的粗颗粒沉积物以及冲刷作用对北支河槽沉积物分布有显著影响。(3)1958-2020年,北支河槽整体逐年变浅,5 m以深河槽容积急剧缩减。北支地貌在经历上世纪大幅淤积后,于2005年后淤积开始减缓。基于1958-2020年数字高程模型(DEM)计算发现:北支平均水深从1958年的5.9 m减少到2020年的3.3 m,减少约44.0%。5 m以深河槽容积由1958年的3.7亿m3下降到2020年的0.56亿m3,缩小近6.6倍。历年各剖面地形显示北支航道逐年变窄北偏。1958-2005年内,北支以净淤为主,淤积量达7.6亿m3。2005年至今,北支冲淤并存,冲淤量明显减少。围垦引发的河弯角度减小、河宽缩窄、滩涂面积减少以及涨、落潮流不对称加剧是导致北支淤积的主要因素和影响机制。2003年三峡大坝运行导致长江河口来沙量急剧减少以及口门中缩窄工程或是北支近年来淤积减弱的主要因素。(4)北支未来动力-沉积-地貌演变格局基本维持,建议对北支裁弯取直和恢复潮间带滩涂,以延长北支寿命。根据沉积物逐年细化的沉积特征以及净输沙向陆的输运趋势,结合2020年洪水与涨潮流的“博弈”结果,未来北支作为潮控型河口的河槽性质没有改变,涨潮流仍是北支主要动力来源。但受制于口门束窄,涨、落潮流差异相应减弱。受制于上游来沙减少以及外海细颗粒泥沙上溯,未来北支沉积物整体可能呈现进一步细化趋势。同时,北支始终存在净输沙向陆的泥沙净输运趋势,未来北支地貌变化仍以淤积为主。建议未来北支治理方向遵循“先期人工干预,后期生态修复”的理念。通过疏浚北支入口、对弯曲河段进行裁弯取直、恢复北支中下段潮间带滩涂、归顺涨、落潮流路等方法进一步增强北支落潮流优势,已达到维持北支河槽容积的目的。
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