楊海飛，張志林，李伯昌

（長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局，上海 200136）

流域來沙是河口地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，地貌形態(tài)的變化主要依靠水動力作用。懸沙濃度是泥沙和水動力耦合作用的直接體現(xiàn)，其分布特征反映了泥沙在水動力作用下的搬運(yùn)、沉積和再懸浮過程，是河口地貌演變的重要影響因子[1-2]。在長江口地區(qū)，泥沙的回淤問題一直困擾著航道和港口工程。細(xì)顆粒的泥沙還易吸附營養(yǎng)鹽、污染物等，在河口區(qū)匯集，對河口水域環(huán)境產(chǎn)生很大影響[3-5]。

作為中國最大的河流入海口，長江口的河流和海洋動力的相互作用十分強(qiáng)烈[6]。據(jù)大通站（長江入海前最后一個(gè)控制性水文站）多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)七十年代（流域來沙大幅降低前）長江年均入海徑流量和輸沙量分別約為9×1011m3和5×108t，分別位列同期世界河流的第五和第四位[7]?？陂T地區(qū)多年平均潮差約2.7m, 多年平均風(fēng)速約6m/s，引水船測站多年平均波高約1.0m，波高自內(nèi)向外逐漸增大。長江口波浪類型主要包括風(fēng)成浪和涌浪兩種，其受季風(fēng)變化影響顯著。長江徑流、潮流和波浪是長江口地區(qū)泥沙運(yùn)動的主要動力因素[8-9]。

1 研究區(qū)域與樣品采集概況

長江口的懸沙濃度研究一直是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，尤其是自三峽水庫等大型水庫建成蓄水以來，流域來沙銳減，長江口門地區(qū)的懸沙濃度響應(yīng)研究顯得尤為重要。不少學(xué)者通過實(shí)地水樣采集、儀器觀測或遙感影像反演等手段，已經(jīng)對長江口的懸沙濃度展開了相關(guān)研究工作[2,6,10-14]?；诒韺討疑硵?shù)據(jù)，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)長江口的懸沙濃度自徐六涇向外呈先增大后減小的空間分布特征，在攔門沙最大渾濁帶區(qū)域達(dá)到最大，最大可達(dá)2 g/L[13-14]。相比于徐六涇以上河段，懸沙濃度在徐六涇以下河段存在量級上的飛躍，由小于0.1 g/L迅速增大至大于1 g/L[6]。在北槽渾濁帶區(qū)域，垂向平均含沙量自上而下，由0.23 g/L逐漸增大至0.72 g/L[15]。雖然已有不少研究表明杭州灣的泥沙來自長江口，但相比于長江口水域，杭州灣的懸沙濃度又要明顯更高[16]。

因長江河口在徐六沿節(jié)點(diǎn)以下開始分漢，河勢呈“三級分汊、四口入海”的格局，口門區(qū)域凈寬可達(dá)90 km。因長江口區(qū)域范圍寬廣，多點(diǎn)同步取樣或觀測困難，且人力和物資消耗巨大，所以以往的研究往往是依靠少數(shù)典型代表測點(diǎn)數(shù)據(jù)、或僅僅針對長江口某一局部區(qū)域展開分析，研究成果可能存在一定的不完整性和片面性[6,11,14-15]。本次研究主要是基于長江口區(qū)域2011年洪、枯季實(shí)測的大潮懸沙濃度數(shù)據(jù)，并結(jié)合杭州灣水域部分測站的懸沙濃度數(shù)據(jù)[17]，來分析長江口—杭州灣懸沙的空間分布特征。本次研究共涉及23個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采樣點(diǎn)分布如圖1。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本此研究中所用數(shù)據(jù)來源主要有：長江口深水航道治理分流分沙比水文測驗(yàn)，上游來沙量變化對長江口航道的影響研究水文測驗(yàn)，枯季長江河口水文綜合調(diào)查水文測驗(yàn)，長江口深水航道養(yǎng)護(hù)工程長江口北槽水域水文測驗(yàn)，長江口北支水域水、沙、鹽、水質(zhì)監(jiān)測水文測驗(yàn)等。

2.2 研究方法

（1）懸沙水樣采集

圖1 長江口—杭州灣取樣點(diǎn)布置示意圖Fig.1 The sampling locations in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

為減小長江流域來沙以及長江口風(fēng)浪能量強(qiáng)度的季節(jié)性變化對長江口懸沙濃度平面分布的影響，本文中長江口懸沙濃度的平面分布數(shù)據(jù)是基于2011年洪、枯季實(shí)測的大潮垂線平均值。具體采樣流程如下：各固定測驗(yàn)垂線在測流期每小時(shí)采用橫式采樣器采取懸移質(zhì)含沙量水樣，采樣點(diǎn)位及層次與測流相同；采樣器采用容積為1000 ml的橫式采樣器；取水樣后，立即裝入預(yù)先清潔干凈的容器內(nèi)并蓋緊。

其中杭州灣部分的灘滸、小洋山、蘆潮港、大戢山和綠化山站點(diǎn)的數(shù)據(jù)根據(jù)李鵬等的文獻(xiàn)補(bǔ)充[17]，這5個(gè)站點(diǎn)的樣品采于2008-2009年，每天兩次采集表層懸沙樣。

（2）懸沙水樣處理及計(jì)算

水樣經(jīng)過充分沉淀后，作洗鹽處理；以焙干稱重法進(jìn)行分析，烘干溫度控制110℃，干燒杯按規(guī)范烘烤2小時(shí)，干燥冷卻至室溫后用1/10000電子天平稱重。

懸沙濃度計(jì)算：Cs=(Wbsj-Wb)/V。其中：Cs，懸沙濃度；Wbsj，烘杯、泥沙重量（g）；Wb，烘杯、重量（g）；V，水樣體積（L）。

3 結(jié)果與討論

3.1 懸沙濃度分區(qū)對比分析

本部分內(nèi)容共涉及23個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的懸沙濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1；同時(shí)基于懸沙濃度數(shù)據(jù)，繪制了長江口—杭州灣懸沙濃度的平面分布柱狀圖（圖2）。

從圖2可以看出，長江口—杭州灣懸沙濃度分布存在明顯的空間差異。懸沙濃度在北支的崇明中段達(dá)到最大，為2.07 g/L；在長江口外側(cè)最小，最遠(yuǎn)測點(diǎn)的懸沙濃度僅約0.06 g/L。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，南支系統(tǒng)的懸沙濃度平均值為0.47 g/L，而北支懸沙濃度則達(dá)1.32 g/L，約為南支系統(tǒng)的2.8倍。杭州灣表層懸沙濃度平均值為0.82 g/L，實(shí)際垂線平均值則更大，從內(nèi)側(cè)（1.3g/L）向外（0.70g/L）懸沙濃度呈逐漸降低趨勢（圖2）。就南支系統(tǒng)而言，懸沙濃度的分布也存在空間差異性。南槽懸沙濃度最大，約為1.08 kg/m3，南支上段最小約為0.21 kg/m3，僅為南槽的1/5。而南支系統(tǒng)其余區(qū)域，懸沙濃度一般均在0.5 kg/m3以上。南支系統(tǒng)內(nèi)，攔門沙區(qū)域懸沙濃度平均值為0.62 g/L，約為南支上段（0.21 g/L）的3倍；在南支上段，北岸懸沙濃度平均約為0.26 g/L，南岸平均約為0.12 g/L，北岸為南岸2倍多。

表1 長江口-杭州灣各測點(diǎn)懸沙濃度統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of Suspended Sediment Concentration (SSC)in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

圖2 長江口—杭州灣懸沙濃度平面分布柱狀圖Fig.2 The histograms of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

3.2 懸沙濃度沿程變化規(guī)律

在北支系統(tǒng)，北支口測點(diǎn)懸沙濃度最小，為0.49 g/L；沿程向外逐漸增大，至北支中段達(dá)到最大為2.07 g/L；繼續(xù)向外，則迅速降至0.89 g/L。在南支—北港系統(tǒng)，懸沙濃度也總體呈先增大后減小趨勢。南支口測點(diǎn)最小僅為0.25 g/L，在北港下段達(dá)到最大約為1.20 g/L，至北港外圍測點(diǎn)懸沙濃度降至0.29 g/L，略高于南支口測點(diǎn)（圖3）。

圖3 長江口懸沙濃度沿程變化圖Fig.3 The longitudinal variations of SSC in the Yangtze Estuary

據(jù)已有數(shù)據(jù)，在南支—南港—北槽和南支—南港—南槽系統(tǒng)，懸沙濃度的沿程呈逐漸增大趨勢，這一規(guī)律與上述先增大后減小變化規(guī)律并不矛盾。該現(xiàn)象主要是因?yàn)槿笔?、北槽外圍測點(diǎn)數(shù)據(jù)，懸沙濃度沿程變化規(guī)律的后半段未能完整展示。

長江口懸沙濃度向外側(cè)先增大后減小的空間分布規(guī)律主要是由于口門區(qū)域最大渾濁帶的存在，最大渾濁帶是在河口口門區(qū)域特殊條件（包括地形、水動力、鹽淡水混合等）下形成的[1,9]。

3.3 懸沙濃度分布場及相應(yīng)機(jī)理

據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，繪制了長江口懸沙濃度分布場圖（圖4），以揭示長江口懸沙濃度分布的一般規(guī)律。不難發(fā)現(xiàn)，長江口—杭州灣的懸沙濃度存在明顯的空間分布差異，其中各分區(qū)（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州灣）的差異尤為明顯。北支的懸沙濃度整體上要大于南支系統(tǒng)，南支系統(tǒng)內(nèi)攔門沙區(qū)域要明顯大于南支上段，南支上段還存在南、北兩岸梯度差異，杭州灣內(nèi)懸沙濃度則整體要大于長江口區(qū)域?？傮w而言，各分支系統(tǒng)自口內(nèi)向口外基本呈先增大后減小趨勢，該趨勢總體與以往研究成果基本一致[6,9,16]，但本次研究布點(diǎn)更為密集、同步性更好，且在細(xì)節(jié)上更進(jìn)一步。

圖4 長江口—杭州灣懸沙濃度平面分布場圖Fig.4 The spatial distribution of SSC in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay

一般情形下，河流水體的懸沙濃度隨著河道展寬、泥沙落淤，水體含沙量會隨之下降。圖3中南支—北港系統(tǒng)第2至第4測點(diǎn)，懸沙濃度存在一定下降趨勢，正是反映上述機(jī)理。但就長江口—杭州灣整體而言，該區(qū)域的懸沙濃度更多地反映的是海洋性，即海洋動力導(dǎo)致的泥沙再懸浮作用主導(dǎo)了該區(qū)域的懸沙濃度空間分布。以北支為例，長江每年經(jīng)北支入海的徑流量小于5%，泥沙來源本十分有限。但北支潮汐作用十分強(qiáng)勁，北支現(xiàn)已基本演變成潮汐控制的潮流通道。長江口南支向外海擴(kuò)散的泥沙及蘇北向南沿岸流攜帶的泥沙隨漲潮流進(jìn)入北支，此外強(qiáng)潮作用下潮流動力對底層泥沙的剪切作用，導(dǎo)致北支泥沙大量再懸浮，以上綜合作用是北支懸沙濃度遠(yuǎn)大于其余分區(qū)的主要原因[18-19]。杭州灣的潮汐作用強(qiáng)勁，高懸沙濃度現(xiàn)象的形成機(jī)理與北支相似。在南支系統(tǒng)，攔門沙水域水深較淺、潮汐和風(fēng)浪作用較強(qiáng)，局地泥沙的再懸浮是該區(qū)域形成最大渾濁帶的重要原因[16]。

綜上，長江口—杭州灣水域，懸沙濃度更多地表現(xiàn)為海洋性，受海洋動力主導(dǎo)，即便在現(xiàn)如今流域來沙大量減少的背景下，長江口水域懸沙濃度依然保持在較高的水平。

4 總結(jié)

（1）長江口—杭州灣的泥沙基本均來自長江入海泥沙。在長江口自徐六涇以下至口門，雖然河道繼續(xù)展寬但懸沙濃度沒有因?yàn)槁溆俣^續(xù)降低；相反，懸沙濃度在口門區(qū)域呈不斷增高的現(xiàn)象，繼續(xù)向口外則明顯減小。這主要是由于口門區(qū)域最大渾濁帶的存在，最大渾濁帶是在河口口門區(qū)域特殊條件（包括地形、水動力、鹽淡水混合等）下形成的。

與此同時(shí)，長江口—杭州灣水域的懸沙濃度還存在明顯的分區(qū)差異（北支、南支、南、北港、南、北槽和杭州灣等）。北支明顯大于南支系統(tǒng)，南支系統(tǒng)內(nèi)攔門沙區(qū)域明顯大于南支上段，杭州灣水域則整體大于長江口區(qū)域。

（2）長江的輸水輸沙量一直位列世界大型河流前列，但在長江口—杭州灣區(qū)域，水體的懸沙濃度要明顯大于長江徑流，該區(qū)域的懸沙濃度由海洋動力主導(dǎo)。局地的泥沙再懸浮和遷移對水體含沙量進(jìn)行了大量補(bǔ)充，使得長江口—杭州灣水域的懸沙濃度在流域來沙銳減的背景下依然居高不下。因此，長江口—杭州灣的懸沙濃度，最主要的是表現(xiàn)為海洋性，其空間分布特征受海洋動力作用控制。