应用地理信息系统研究长江口南港底沙运动规律

巩彩兰，恽才兴
(华东师范大学 河口海岸国家重点实验室)

摘 要：利用地理信息系统软件强大的数据输入和空间数据分析功能，将长江口南港1988年至2000年的海图数字化，通过最小距离内插得到栅格水深图，并且通过相邻两年海图对应位置水深值相减，得到河床冲淤变化图，在此基础上定量分析成形沙体的特征，河道容积变化、河道淤积部位和底沙输移路线、预测下一年河道淤积部位、输沙率等。研究表明GIS技术是定量研究底沙运动的一种有效手段，长江口南港近12年内河道发生淤积，底沙主要来自洪水和落潮流冲刷上游河床底部，再在下游堆积形成新的淤积体。长江口南港底沙输移趋势以进入下游南槽为主，少量进入北槽。

关键词：地理信息系统；长江口南港；底沙运动；冲淤变化

作者简介：巩彩兰(1974-)，女，山西阳泉人，博士，主要从事河床演变、海洋遥感和海岸GIS研究。

长江河口属分汊河口，徐六径以下呈三级分汊四口入海的格局与丰沛的径流和宏丰的潮量密切相关。多年来，入海汊道冲淤多变、成形河槽逐步分化、洲滩迁移频繁等河床过程常与底沙运动联系在一起，在地貌形态上表现为河口沙岛、心滩、沙咀及水下沙体接踵排列，这对港口、航道建设和治理有很大影响，特别是南港底沙输移对南北槽的影响已引起工程界的极大关注。以往由于受观测方法和仪器条件的限制，加上底沙运动本身的复杂性，这方面的定量研究受到限制[1]。特别是底沙对河道冲淤变化的影响分析，成为长江口深水航道工程建设的一个技术难点。定量研究底沙运动的方法通常有：野外直接测定；通过研究沙波形态变化估算底沙推移速度[2、3]；利用推移质方程进行估算[4～6]；人工示踪沙实验等方法[7、8]。但不够理想。本文应用地理信息系统技术的空间数据输入和分析功能，通过对研究区域近13年海底地形图的数字化分析得到计算机可视化的栅格海图和数字化冲淤图，已经可以实现对底沙输移路线、输移速率和输移量的定量计算，并且能够预测未来正常年份底沙的输移方向、路径等。

1 研究方法

1.1 栅格水深图和数字化冲淤图成图方法 (1)通过美国ESRI公司的地理信息系统软件“Arcinfo”的数据输入功能，将浏河口至九段沙南港河口段1988年～2000年，共12年39张海图数字化，获取带有每个点的水深值和线段属性信息的矢量数据；(2)应用美国RSI公司的图象处理软件“ENVI”，采用与数字化时相同的投影坐标系(如本研究统一采用1954年北京坐标系)，用线性最小距离内插法，进行一定的采样后，得到带有水深值信息和经纬度位置信息的栅格格式的水深图；(3)发挥图象处理软件的算术运算功能将两年的水深图上相同位置的水深值相减，得到河床冲淤演变图，并以不同色标或不同的图案表示冲刷或淤积的范围和等级；(4)为了图件编辑和打印方便，将水深图和冲淤图转到Arcinfo的图象编辑、显示软件“Arcview”进行整饰处理。

1.2 底沙输移定量分析方法 长江口南港河段主要有5个成形沙体：上新浏河沙、下新浏河沙、老浏河沙、瑞丰沙咀和江亚南沙(见图1).对成形沙体特征的定量研究，其原理与求积仪及数方格法基本相同，差别在于通过栅格海图可在计算机上自动计算沙头(沙尾)不同等深线年推移距离和沙体推移速率(单位为m/a).而图象分析软件具有统计所选区域的平均水深值和面积的功能，可以很容易得到成形沙体的面积和体积年变化率，并以-5m等深线包容的沙体体积变化率估算成形沙体的输沙率。
　　将1988年至2000年间每两年的栅格水深图相减，得到12张时间连续的数字化冲淤图，分析这些冲淤图可以发现，年淤积厚度＞3m的淤积体可以作为判别长江口南港底沙运动的标志，而淤积厚度＜3m的淤积体主要散布在河道各处，对主航道淤积状况不会产生太大影响。所以本次研究以淤积厚度＞3m的淤积体来研究底沙运动的运动规律。
  
图1 长江口南港栅格水下地形(2000年)
 

对于影响河床冲淤变化的隐形活动淤积体输移速率的定量分析，可通过系列数字化冲淤图进行量测，为此笔者将1988年至2000年相邻年份的12张时间连续的数字化冲淤图，选择每张冲淤变化图上＞3m的淤积体的重心来量算其每年相对向下移动距离，再取其时间平均值作为这13年间底沙的平均输移速率，(单位为m/a).

河床局部淤积体输沙率计算方法：数字化冲淤图上展现的隐形淤积体，可以统计每相邻两年冲淤变化图上，淤积厚度＞3m活动淤积体的体积，再除以时间，则得到淤积体输沙率，单位：m3/s.这里忽略了＜3m的淤积体的体积，得到的输沙率比实际输沙率小，如果是基于大比例尺的地形图得到的数字化冲淤图，则可以统计所有淤积体得到较精确的输沙率，这里由于研究范围较大所以仅提供一种计算输沙率的方法。对于潮汐河口，该计算方法较采用常规方法计算单宽输沙率更具实际意义。

利用栅格水深图和数字化冲淤图量算河道容积变化也相当方便。鉴于长江口南港河段已成为复式河槽，而-5m以浅河道代表中央沙脊变化情况，故将-5m以深河道容积作为南港主槽的河道容积；为分析研究南港底沙输移过程，本次研究将长江口南港分为上段、中段和下段，分别计算3段河道的年容积变化。

2 底沙输移定量分析结果

2.1 成形沙体特征的定量分析结果 通过统计分析，得到近年来成形沙体的平均移动速率(见表1).由表可见：从1988年(上新浏河沙从1991年开始出现)到2000年13年间，4个沙体均随落潮流向下移动，新、老浏河沙沙头向下移动速率较大，分别为年均189.70m、343.69m和292.50m，新浏河沙、江亚南沙沙尾的年平均移动速率相对于沙头的移动速率要大，分别达到368.48m，424.20m、480.57m.老浏河沙沙体平均厚度变厚，其余沙体均变薄。从沙体面积和体积变化看，13年来4个成形沙体中上新浏河沙在逐渐增长，其余沙体均在缩小，其中下新浏河沙和江亚南沙体积缩邢多。沙体的消长反映了南港底沙输移的活动性。

表1 成形沙体特征变化统计


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时间 沙体名称 沙头移动速率/(m/a) 沙尾移动速率/(m/a) 平均厚度变化/(m/a) 面积变化/
(km2/a) 沙体体积变化/(106m3/a)

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1991年～2000年 上新浏河沙 189.70 368.48 -0.09 0.29 0.31
新浏河沙 343.69 424.20 -0.1 -0.85 -4.15
1988年～2000年 老浏河沙 292.50 -68.08 0.08 -0.20 -0.70
江亚南沙 79.36 480.57 -0.12 -1.35 -10.12

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　　说明：沙头、沙尾移动速率负值表示上移，正值表示下移；水深、面积和体积变化负值表示减少，正值表示增加
 

2.2 活动淤积体的定量分析结果
2.2.1 活动淤积体位置、输移路线 根据1988年到2000年之间相邻年份的冲淤演变图，可以得到大于3m活动淤积体的位置和面积、体积变化等信息。本研究区域，淤积部位集中出现在新浏河沙心滩和瑞丰沙咀以及宝山水道。1988年～1994年之间相邻年份的6张冲淤图上出现的淤积体从上到下编号为：沙体a、b、c、d、e，在输移路线图上，在淤积体编号前面再冠以其出现的年份，如：99 00i表示1999年～2000年的冲淤变化图上出现的淤积体i；1993年～1994年的水流将原来的淤积体多数冲散，所以从1994年～1995年的冲淤图上重新编号即命名为：沙体f、g、h、i进行研究。将每年冲淤图上的淤积体的中心部位用线连接起来，就可以得到底沙的输移路线图(见图2，图3).
  
图2 长江口南港主要淤积体位置及输移路线图(1988～1994)
 

2.2.2 活动淤积体输移速率 通过量算从1988年到2000年每两年的冲淤变化图上淤积体的移动距离，得到所有淤积体在该时间段内的移动速率平均为1959.657m/a(见表2)，可以说淤积体的移动速率具有很大的随机性，它与淤积体所处的河床部位及上游的来水来沙条件有关，如1994年～1995年的冲淤演变图上出现的活动淤积体94-95h到1995年～1996年的冲淤图竟然推移了6873.76m，当然这种情况属于特殊，计算沙体推移速率预测公式时，还应该考虑洪水对原存淤积体的冲刷作用，洪水年过后，底沙有可能在新的位置堆积，如1993年～1994年的冲淤图上，多数淤积体被冲散，到下一年又在新的位置淤积。
2.2.3 淤积体平均输沙率 淤积体输沙率统计结果表明：1988年～2000年之间，每相邻两年的冲淤变化图上出现的主要淤积体a，b，c，d，e，f，g，h，i，其输沙率变化趋势是一年高一年低，总体是变高的(见表3).
  
图3 长江口南港主要淤积体位置及输移路线(1995～2000)
 

表2 活动淤积体平均移动速率统计


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时间 活动沙体年平均移动速率/(m/a)

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1988年～1994年 沙体a 1263 沙体b 1451.38 沙体c 1909 沙体d 1733.27 沙体e 2539.83
1994年～2000年 沙体f 1852 沙体g 1686.54 沙体h 2863.6 沙体I 2338.4  
1988年～2000年     所有沙体平均 1959.657    

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表3 典型淤积体平均输沙率统计


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时间 1988年～1994年 1994年～2000年

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活动淤积体名称 a b c d e f g h i
平均输沙率/(m3/s) 0.09 0.09 0.14 0.08 0.17 0.16 0.22 0.11 0.55

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2.2.4 河道淤积部位预测和淤积体移动方向预测 根据12年间南港河道主要淤积体的输移速率和输移方向，综合考虑每年的水文条件，通过统计分析的方法，对12年的39个沙体进行分析，推算2001年淤积体的位置如图3所示，输移方向是通过量算多年淤积体的输移方向，推算下一年的淤积体的位置而求得，下移距离和淤积厚度、淤积体的面积、体积都是根据多年平均值进行相关分析得出的统计数据，该结果有待实测资料进一步验证和完善。

表4 2001年活动淤积体预测


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活动淤积体名称 下移距离/m 方向 淤积厚度/m 淤积面积/km2 淤积体积/m3

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99-00f 1794.17 113.20° 4.38 1.41 3.31
99-00g 1631.18 131.50° 4.55 2.02 9.28
99-00h 1762.42 109.20° 3.81 0.65 2.91
99-00i 2151.45 111.50° 4.20 2.81 11.98

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图4 1988年～2000年长江口南港河道容积变化柱状
2.3 长江口南港分段计算河道容积变化 将南港分为上、中、下3个河段，上段为中央沙头至吴淞口断面，中段为吴淞口至马家港断面，下段由马家港断面至园园沙南角。(见图1).南港河道容积分段计算结果如图4所示：上段有9年发生淤积，3年发生冲刷，而且淤积量远大于冲刷量；中段5年发生淤积，7年发生冲刷，12年总的淤积量大于冲刷量；下段6年发生淤积，6年发生冲刷，12年内总冲刷量远大于淤积量。图上最后一组柱体表示1988年～2000年南港河道容积12年平均变化情况，由此可见12年间南港河道有冲有淤，上段和中段都是进入的泥沙量大于出去的泥沙量，下段发生较大程度冲刷，河道容积增大，12年间南港总体是淤积量大于冲刷量。从冲淤图和泥沙输移路线图上可以看出，南港下段冲出去的泥沙多数进入南槽，少量进入北槽。

3 结束语

通过底沙运动定量分析结果表明长江口南港1988年～2000年底沙运动活跃，底沙输移路线集中在南港主槽，成形沙体向下运动的速率较大，而成形沙体面积和体积变化有减小的趋势，说明南港底沙来源主要是上游河段河床冲刷形成的。洪水对河床冲刷作用非常大，如1995年洪水将淤积体下冲6873.76m之多，多数年份南港河道容积减小，表明南港发生淤积的年份较发生冲刷的年份多，但是12年来南港各段河道容积均变小，说明12年内总的淤积泥沙量大于冲刷量。利用多种计算机软件组合方法研究底沙运动问题是一种大胆尝试。它可以从底沙整体运动角度对底沙输移过程实现定量化和可视化。如果结合潮流和来水来沙等动力资料进行研究，将更加准确和科学。

参 考 文 献：

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