三峽水庫蓄水后長江口懸沙濃度變化及傳遞效應(yīng)分析

三峽水庫蓄水后長江口懸沙濃度變化及傳遞效應(yīng)分析

流域水庫工程的建設(shè)是一個全球現(xiàn)象。例如,埃及尼羅河上修建阿斯旺大壩及調(diào)水工程后,入海沙量減小了約98%;美國科羅拉多河上修建胡佛等大壩后,入海泥沙幾乎斷絕;中國灤河修建潘家口水庫及“引灤濟津”工程后,入海沙量減少了94%。類似例子較多。美國舊金山河口SuisunBay和Sacramento-SanJoaquinRiverDelta懸沙濃度1975-2010年期間為階段性減少趨勢。德國北部EMSEstuary懸沙濃度1990-2010年和1954-2005年期間均為增加趨勢。德國ElbeEstuary和WeserEstuary最大渾濁帶懸沙濃度分別減小了27.2%和33.0%。Mekong河在1993年修建Manwan大壩后11年中,進(jìn)入河口的沙量明顯減少,同時懸沙濃度也相應(yīng)降低。葡萄牙瓜亞納河在阿爾克瓦大壩建成后,河口最大渾濁帶向上游移動了8~16km。Dyer研究認(rèn)為典型河口在輸入沙量較低的情況下,也能保持較高的懸沙濃度。綜上,在人類活動影響下,流域入海沙量變化已引起河口區(qū)域懸沙濃度出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整。近年來,長江流域人類活動顯著增加,長江流域入海沙量呈現(xiàn)銳減趨勢,伴隨進(jìn)入河口沙量的減少,勢必引起河口區(qū)域懸沙濃度出現(xiàn)調(diào)整?；趯崪y數(shù)據(jù)顯示:20032005年與1982年長江口懸沙單測點比較,發(fā)現(xiàn)近期明顯較1982年減小;2009年與2003年前長江河口海濱和杭州灣區(qū)域測點相比較,懸沙濃度存在減小趨勢。1998-2001年期間徐六涇、佘山和橫沙測點懸沙濃度未出現(xiàn)下降,得以維持的原因為再懸浮作用;長江口2003年和2004年洪、枯季散點懸沙濃度與多年均值(1950-2002年大通水文站懸沙濃度平均值)比較并未出現(xiàn)減小;1959-2002年22個測次數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)東海區(qū)懸沙濃度存在減小趨勢,減幅近岸區(qū)高于陸架區(qū)域;2006年和2003年比較,徐六涇和南支河段懸沙濃度分別由蓄水前0.40~0.50kg/m3和0.445kg/m3下降到蓄水后0.0602kg/m3和0.148kg/m3,海域懸浮物濃度變化不大;DaiSB等初步闡述了長江口典型測點懸沙濃度與入海沙量銳減的非同步性關(guān)系;東海洋山港懸沙濃度1998-2004年為0.90kg/m3,2005-2008年均值為0.75kg/m3,減小約16.66%,其減小與入海沙量多寡有關(guān);LiP等建立了懸沙濃度與徑流水量和沙量,潮差及波浪之間關(guān)系,徑流水量和沙量與懸沙濃度關(guān)系顯著,尤其是沙量關(guān)系;長江口和杭州灣交匯處蘆潮港2002-2005年表層懸沙濃度為減小趨勢?；谶b感影像數(shù)據(jù)顯示:1989-2008年期間20個遙感影響數(shù)據(jù)顯示,2006-2008年長江口海濱區(qū)域懸沙濃度出現(xiàn)減少;1974-2009年15個衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),長江口表層懸沙濃度減小40%,且與入海沙量銳減存在較好的一致性;1979-2008年期間長江口最大渾濁帶懸沙濃度(d>0.70kg/m3)面積為減小趨勢,且與入海沙量銳減呈現(xiàn)較好的一致性;20002010年遙感信息數(shù)據(jù),長江口和杭州灣表層水體懸沙濃度表現(xiàn)為減小趨勢,洪季減小幅度大于枯季;2007-2011年春季蘇北區(qū)域懸沙濃度未出現(xiàn)減小趨勢,可能與長江入海懸浮泥沙有關(guān)。綜上,長江口入海沙量銳減環(huán)境下,河口區(qū)域懸沙濃度是否減少仍是存有爭議的科學(xué)問題,對不同區(qū)域懸沙濃度響應(yīng)的同步性和差異性有待于進(jìn)一步深入研究。本文基于1950-2013年期間60余年觀測數(shù)據(jù),研究長江口懸沙濃度變化過程,揭示流域入海沙量銳減條件下,長江口懸沙濃度響應(yīng)的同步性和差異性,并對其原因進(jìn)行探討。1研究區(qū)域和水文特征的變化1.1研究領(lǐng)域1.2懸沙濃度數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)來源:1950-2013年長江流域入海水量和沙量數(shù)據(jù)來自長江水利委員會水文年鑒,1958-2002年攔門河段懸沙濃度數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院海洋研究所,2003-2012年數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn),文獻(xiàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了標(biāo)注。北槽和南槽懸沙濃度數(shù)據(jù)來自于上海河口海岸科學(xué)研究中心,數(shù)據(jù)時間為1999-2012年,均為8月份,包含了大潮、中潮和小潮過程。在人類活動影響的時段劃分內(nèi)包含了不同潮型和徑流的組合,在統(tǒng)計上有效削弱了徑流和潮流組合差異引起的誤差。1.3峽水庫不同季節(jié)動態(tài)長江流域入海水量和沙量以大通水文站為代表,1950-2013年入海水量無明顯趨勢性變化,由于2003-2013年為中枯水年份,水量較1985-2002年期間減小約8.05%(圖2a)。入海沙量為階梯性和趨勢性減少,2003年后三峽水庫蓄水加劇了這一階段性減小趨勢。入海沙量階梯性變化與流域水庫蓄水利用時間相對應(yīng),分界年份為1968年、1986年和2003年分別對應(yīng)丹江口水庫、葛洲壩和三峽水庫(圖2a)。雖然流域水庫工程修建加劇了入海沙量的減小趨勢,但不能完全歸結(jié)于水庫工程修建,上游水土保持、中下游江湖關(guān)系調(diào)整、河道采砂等影響也是重要因素。長江口潮汐和波浪特征以綠華山為代表,1996-2011年期間潮差和平均潮位無明顯的趨勢性變化,波浪的波高略有減小(圖2b)。以潮差/徑流量加以分析徑流和潮流水動力過程,1996-2011年潮徑比為增加趨勢,說明2003-2012年長江流域入海徑流偏低,使得潮流相對增強,進(jìn)而徑流和潮流水動力平衡位置向口內(nèi)上溯。1.4懸沙濃度測定結(jié)果選取徐六涇、橫沙、佘山、灘滸、小洋山和大戟山測站2003年前后數(shù)據(jù)對比海域懸沙濃度是否變化。結(jié)果表明:徐六涇站點近期(2003年后)和早期(2003年前)相比減幅約56%,佘山站位減少約5%,其余測站減幅在20%~30%(圖3)。上述測站未能覆蓋整個口外海域,進(jìn)一步整理1959-2010年實測數(shù)據(jù),攔門沙向海外邊選取122°30′斷面,海域環(huán)境選取123°00′斷面表征,蘇北斷面為32°斷面,杭州灣斷面為30°斷面(圖3)。結(jié)果表明,1959-2010年期間,122°30′和123°00′斷面懸沙濃度略有減少,但幅度較小。蘇北斷面懸沙濃度為減少趨勢,但其懸沙濃度數(shù)值較長江口口外海域及攔門沙河段小約1個數(shù)量級,即蘇北斷面懸沙濃度的變化對長江口海域影響較小。杭州灣斷面懸沙濃度變化不大,無明顯趨勢性。綜上,長江口海域環(huán)境懸沙濃度略有減小,但幅度較小。2長江河口懸沙量變化2.1影響徐六經(jīng)濟的主要時段統(tǒng)計徐六涇1958-2009年懸沙濃度數(shù)據(jù),徐六涇和大通站懸沙濃度存在較好的一致性關(guān)系,即伴隨大通站懸沙濃度銳減而減小(圖4),表明入海沙量的減小通過傳遞效應(yīng)已影響至徐六涇。將數(shù)據(jù)劃分1958-1984年、1998-2002年和2003-2009年3個時段(表1),結(jié)果表明:洪季和年均徐六涇和大通站懸沙濃度均為減小趨勢,枯季徐六涇變化不大,大通站略有減小;2003-2009年徐六涇和大通站年均懸沙濃度較1998-2002年期間減幅為35.5%和37.3%,洪季減幅分別為56.1%和53.3%,即徐六涇和大通站懸沙濃度減小是同步的。2.2兩時期液壓減幅對比南支進(jìn)口1958-2012年期間懸沙濃度為減少趨勢,1958-2002年期間懸沙濃度數(shù)值較大,其后2003-2012年數(shù)值較小,兩時期相比減幅為69%,同時期大通站減幅為66%,減幅相近(圖5a)。因此,南支進(jìn)口懸沙濃度減小與大通站懸沙濃度銳減具有較好的同步性。南港和北港懸沙濃度均存在減小趨勢,南港、北港和大通站懸沙濃度2003-2011年較1958-2002年期間分別減小37%、43%和62.6%,南港和北港懸沙濃度減幅小于大通站,同步性響應(yīng)的基礎(chǔ)上,存在一定的差異性(圖5b)。2.3水動力變化不大下北支懸沙分布1958-2011年青龍港斷面懸沙濃度潮周期、漲潮和落潮平均懸沙濃度均為減小趨勢(圖6),而在相同潮差下,2003-2011年平均懸沙濃度較1958-2002年期間減小(圖7)。19832005年三條港斷面懸沙濃度為減小趨勢,1991年之后減小趨勢不明顯(圖8)。北支落潮徑流分流比小于5%,主要受潮流控制,但多年青龍港和三條港的優(yōu)勢流百分?jǐn)?shù)變化不大,表明北支徑流量和潮流量變化是同步的,即水動力變化不大。水動力變化不大情況下,北支懸沙濃度得以維持的物源基礎(chǔ)為流域、海域及再懸浮作用。上文分析,北支徑流和潮流水動力強度變化不大,且徐六涇、南支河段和口外海域懸沙濃度均為減小趨勢,即北支外部環(huán)境懸沙濃度是減小的。北支河段2003年和2007年懸沙和床沙均為細(xì)化趨勢,即再懸浮作用加強。整體上,北支的懸沙濃度仍存在減小趨勢,表明北支再懸浮作用引起的懸沙濃度增量仍不能完全抵消流域和海域懸沙濃度減小量,因此北支懸沙濃度減小是由于流域和海域懸沙濃度減小引起的。3長江口懸砂泥漿濃度變化3.1懸沙分布情況結(jié)果在農(nóng)業(yè)季節(jié)內(nèi)整理長江口攔門沙河段1958-2012年懸沙濃度數(shù)據(jù),范圍為121°30′~123°00′E,30°45′~31°45′N。時間上劃分為1958-1984年、1985-2002年和2003-2012年3個時段。1958-1984年期間數(shù)據(jù)測點較少,僅分析懸沙濃度峰值區(qū)域的變化。結(jié)果表明:1985-2002年和20032012年洪季分別為0.65kg/m3和0.50kg/m3,減幅為23.1%(圖9a);枯季分別為0.37kg/m3和0.34kg/m3,減幅為8.1%(圖9b),年均分別為0.42kg/m3和0.33kg/m3,減幅為21.4%(圖9c)。1985-2002年期間大通站懸沙濃度為0.39kg/m3,2003-2012年期間為0.17kg/m3,減幅為56.4%。無論年均、洪季和枯季懸沙濃度減幅小于同時期大通站,且洪季減幅大于枯季,表明攔門沙河段懸沙濃度與入海懸沙濃度銳減存在差異性。懸沙濃度的峰值區(qū)域活動在121°30′~122°30′E區(qū)間,2003-2012年年均和洪季峰值區(qū)域核心位置較1985-2002年期間向口內(nèi)上溯約1/6經(jīng)度,枯季核心位置變化不大,上溯距離洪季>年均>枯季。3.2長江口南槽懸砂濃度變化3.3懸沙分布及與進(jìn)出潮難以同步受到影響長江口北槽選取1999-2009年懸沙濃度數(shù)據(jù)(圖11),北槽上斷面1999-2005年潮、落潮懸沙濃度均值為0.65kg/m3和0.50kg/m3,2006-2009年期間漲、落潮懸沙濃度均值為0.57kg/m3和0.46kg/m3,上斷面懸沙濃度為減小趨勢,漲潮和落潮減幅為13.8%和8.0%,減幅均小于攔門沙河段的減幅。北槽中斷面位于北槽航槽中部區(qū)域,與14號測點位置相近。1999-2005年漲、落潮懸沙濃度均值為0.64kg/m3和0.55kg/m3,2006-2009年期間漲、落潮懸沙濃度為0.89kg/m3和0.80kg/m3,漲潮和落潮懸沙濃度分別增加了0.25kg/m3和0.25kg/m3,增幅分別為39.1%和47.3%。因此,北槽懸沙濃度與入海沙量銳減既表現(xiàn)了同步性,也體現(xiàn)了非同步的差異性。將北槽懸沙濃度分為2000-2002年、2005-2008年和2009-2012年3個時段,,每年數(shù)據(jù)選取時間為8月份,包含完整的大潮、中潮和小潮過程。漲潮懸沙濃度變化規(guī)律為(圖12):9和17號測點為持續(xù)的減小趨勢;10、12和15號測點先減小后增加,整體為減小趨勢;14號為持續(xù)增加趨勢。落潮懸沙濃度變化規(guī)律為:9、10和17號為持續(xù)減小趨勢;12和15號測點為先減小后增加,整體為減小趨勢;14號測點為持續(xù)的增加趨勢。潮平均懸沙濃度變化規(guī)律為:9號測點為持續(xù)的減小趨勢,2005-2008年和2009-2012年較20002002年期間分別減小約36.4%和41.9%,2005-2012年較2000-2002年期間整體減幅為39.5%;17號測點為減小趨勢,2005-2008年和2009-2012年較2000-2002年期間分別減小28.4%和34.4%,2005-2012年較2000-2002年期間整體減幅為32.4%;10、12和17號測點為先減小后增加,但整體為減小趨勢,2009-2012年期間較2000-2002年期間減幅分別為48.4%、47.2%和18.0%;14號測點為增加趨勢,2005-2008年和2009-2012年較2000-2002年期間增幅分別為67.4%和87.2%。綜上,長江口徐六涇、南支、南港和北港、攔門沙及口外海域懸沙濃度均為減小趨勢,且越向河口減幅減小,與大通站泥沙量減幅差異逐漸加大。攔門沙河段的南槽和北槽的中段懸沙濃度為增加趨勢,與長江流域入海大通站及河口懸沙濃度銳減表現(xiàn)為較強的差異性。4懸沙濃度峰值區(qū)域的移動長江口泥沙來源除了流域和海域之外,懸沙和床沙交換過程的再懸浮作用引起的縱向輸運,灘槽交換引起的橫向輸移兩個泥沙來源平衡著流域和海域來沙銳減產(chǎn)生的影響。懸沙濃度峰值區(qū)域的移動主要與徑流和潮流水動力強弱有關(guān),徑流增加向海移動,潮流增加向陸上溯。長江口不同區(qū)域水動力和泥沙來源不同,使得懸沙濃度對入海沙量的響應(yīng)既表現(xiàn)出同步性,也表現(xiàn)出差異性。4.1懸沙分布和沉積相的分析1985-2002年和2003-2012年入海水量分別為8936億m3/y和8215億m3/y,減幅約8.05%,潮差增加了2.7%,即在徑流和潮流水動力對比過程中,徑流和潮流水動力平衡位置將向口內(nèi)移動,使得懸沙濃度峰值區(qū)域出現(xiàn)相應(yīng)上溯。葉綠素與懸沙濃度分布存在較好關(guān)系,已觀測到長江口葉綠素分布峰值區(qū)上溯,說明懸沙濃度峰值也相應(yīng)上溯。長江口北槽深水航道回淤強度中心位置也在向上游移動,即懸沙落淤積部位發(fā)生變化,同時這一過程與北槽滯流點位置的變化也是對應(yīng)的。長江口鄰近陸架區(qū)域砂-泥分界線間接反應(yīng)了水動力作用下的沉積物顆粒特征變化,近期該分界線也為上溯趨勢,即懸沙峰值區(qū)域向口內(nèi)移動。在地貌上,長江口前緣沙島淤漲速率減緩,甚至侵蝕,而水下三角洲已出現(xiàn)侵蝕趨勢,也反應(yīng)河口區(qū)懸沙濃度的減小。4.2懸沙分布和粒徑分析長江口I、II和III縱向懸沙濃度樣品(圖13)表明:I號測線懸沙濃度峰值核心區(qū)域出現(xiàn)在北槽中段,漲急和落急過程中懸沙濃度小于0.75kg/m3覆蓋為整個河段,存在于表層~0.6H水體之間,0.8H~底層懸沙濃度高于0.75kg/m3,且自上至下為先增加后減小分布形式;II號測線懸沙濃度峰值區(qū)域在南槽中段,懸沙濃度小于0.75kg/m3數(shù)值分布在表層~0.8H水體,底層懸沙濃度大于0.75kg/m3,為先增加后減小的分布形式;III測線懸沙濃度分布與I和II測線相似。長江口I、II和III測線均存在懸沙濃度較高的峰值區(qū)域,其數(shù)值明顯高于其上游和下游區(qū)域。在地貌定義上為攔門沙河段,水動力作用上為滯流點活動區(qū)域,在泥沙輸運上定義為渾濁帶或是滯流點活動區(qū)域,即這一區(qū)域懸沙濃度較高的原因主要為水體近底層懸沙和表層床沙存在明顯交換和再懸浮。懸沙和床沙交換、再懸浮過程短周期與水動力有關(guān),長時段受懸沙和床沙組成和顆粒的變化影響。作者研究過2005年和2007年北槽變化,徑流和潮流水動力越強,懸沙濃度越高,再懸浮和交換作用越大。懸沙和床沙組成上,懸沙和床沙級曲線過程相差懸殊,中值粒徑差異較大,則底層泥沙的交換量越小,即懸沙濃度越小。I測線南支和南港上段懸沙和床沙中值粒徑差異較大,南港下段差異較小,北槽上段懸沙和床沙差異較大,中段差異有增大趨勢(圖14a)。II測線南支和南港上段測點懸沙和床沙中值粒徑差異較大,南港下段和南槽的差異較小,即南槽懸沙和床沙的交換作用較強(圖14b)。III測線床沙中值粒徑逐漸減小,交換作用向下游逐漸加強(圖14c)。研究表明,長江口南支、南港、北港、南槽和北槽區(qū)域懸沙中值粒徑伴隨流域入海細(xì)顆粒懸沙量銳減為減小趨勢,懸沙顆粒向細(xì)化趨勢發(fā)展。同時期床沙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),長江口區(qū)域床沙整體為粗化現(xiàn)象,而懸沙粒徑近期表現(xiàn)為細(xì)化趨勢。4.3深水航道中段懸沙分布灘體和深槽泥沙交換作用廣泛存在于河口區(qū)域,并影響著局部的懸沙分布和數(shù)值大小。南匯邊灘和南槽交換,近期南匯邊灘不斷圍墾和圍凃等擠壓南槽,河道變窄,使得邊灘表層床沙懸浮作用增加,灘槽交換作用明顯。同時九段沙南側(cè)受到?jīng)_刷,大量泥沙在落潮水流作用下偏于南槽主槽,對南槽懸沙濃度起到一定補充,這一過程主要發(fā)生在南槽中段。南槽中段懸沙濃度的增加主要受灘槽交換的影響,其作用大于流域和海域來沙銳減引起的懸沙濃度減少量,以及河槽粗化使得再懸浮作用減弱引起的懸沙濃度減少量,使得南槽中段懸沙濃度為增加趨勢。北槽與周圍九段沙、橫沙東灘進(jìn)行泥沙交換,1998-2009年長江口北槽實施了深水航道整治工程,觀測到南導(dǎo)堤和北導(dǎo)堤均存在越堤水量和沙量,且集中于北槽的中部,其中中部越堤沙量占整個過程的43.1%,長度比例為29.7%(29.7%為中段統(tǒng)計長度14.2km與全長47.8km的百分比),說明中段越堤沙量明顯強于上段和下段。同時北槽上段懸沙和床沙中值粒徑差異較大,中下段相差較小,表明上段泥沙再懸浮作用小,中下段再懸浮作用較強。研究表明北槽懸沙中值粒徑為減小趨勢,而床沙上段明顯粗化,中下段略有粗化趨勢,即泥沙再懸浮作用相應(yīng)減弱。北槽上段、中段和下段懸沙濃度變化趨勢不同,上段和下段的減小主要是在流域和海域來沙減小,同時床沙粗化使得懸沙和床沙再懸浮交換作用減小所致,中段增加則主要受越堤沙量引起的增加大于流域和海域來沙銳減,懸沙細(xì)化和床沙粗化再懸浮作用減幅。近期國內(nèi)學(xué)者通過物理模型研究認(rèn)為,無論南匯邊灘是否有圍凃工程,九段沙的底沙均能越堤進(jìn)入北槽深水航道,但促淤工程將使得九段沙頭部進(jìn)去北槽航道的泥沙略有減小,但中部進(jìn)入北槽航道的泥沙略有增加。金繆等研究認(rèn)為灘槽交換對北槽的回淤影響較大,橫向水流高濃度懸沙輸運造成12.5m深水航道中段2000~3000萬m3回淤量是可能的。長江口北槽南側(cè)導(dǎo)堤2007年和2008年越堤沙量為296.6Mt/y和317.1Mt/y,直接影響著北槽區(qū)域的懸沙濃度變化,尤其是中段。因此,越堤沙量是北槽中段懸沙濃度增加的主要原因。5懸沙分布的特征基于對長江河口1950-2013年期間懸沙濃度數(shù)據(jù)分析,得到長江口懸沙濃度變化與流域入海沙量銳減響應(yīng)的同步性和差異性,并對引起這一變化的成因進(jìn)行探討。結(jié)果表明:(1)長江流域入海水量變化不大,無明顯的增減趨勢,但2003-2012年較1985-2002年由于長江中枯水年份,水量減小約8.05%;入海沙量呈現(xiàn)階梯性銳減,三峽水庫蓄水后加劇了這一減小趨勢。(2)長江口徐六涇斷面懸沙濃度呈減小趨勢,徐六涇和大通站2003-2009年較19982002年期間洪季分別減小56.1%和53.3%。年均減小分別為35.5%和37.3%,兩站減幅相近,表現(xiàn)較好的同步性。(3)長江口南支和北支、南港和北港、攔門沙河段及口外海域域的懸沙濃度均為減小趨勢,減幅越向河口幅度越小,均小于同時期流域入海沙量減幅,即表現(xiàn)出同步性,南槽和北槽中段懸沙濃度的增加,又存在差異性。(4)2003-2012年長江口攔門沙河段懸沙濃度較1985-2002年期間年均、洪季和枯季分別減小21.4%、23.1%和8.1%,且懸沙濃度峰值區(qū)域受徑流和潮流水動力作用2003-2012年較1985-2002年上溯約1