河口潮滩是河流多源泥沙输运沉积在河流入海口形成的地貌堆积体, 为近岸海洋与陆地相互作用的敏感区域与关键地带。潮滩的动力地貌过程反映了河海特殊的水动力、泥沙输运及沉积过程, 是河口过程研究的核心内容之一(程天文等, 1985; 计娜等, 2013; Maan et al, 2016; Zhou et al, 2017)。潮滩不仅为沿岸人类社会发展提供了宝贵的国土资源与空间, 也是地表水沙输运与生物地球化学循环的重要载体, 更成为沿岸区域抵御风暴潮等灾害的缓冲屏障(袁兴中, 2001; 袁兴中等, 2002; 袁琳等, 2015; 赵秧秧等, 2015)。然而, 近年来随着全球环境变化和海岸带人类社会开发活动的增强, 世界许多大型河口因河流入海泥沙的持续减少、海平面上升、促淤围垦规模加剧和河口工程持续开展等, 河口生态环境和潮滩沉积地貌系统大都面临多重压力影响的侵蚀风险(季子修等, 1994; 袁兴中, 2001; 时连强等, 2006; 李九发等, 2007; Nicholls et al, 2010; 吕巍巍等, 2012; 田清等, 2012; Coco et al, 2013; 战超等, 2013)。已有研究表明, 如何从动力地貌角度有效刻画区域水平尤其是微观尺度的滩面地貌变化过程是理解潮滩宏观和长期地形冲刷-淤积机制的关键所在(Malvárez et al, 2004; 任杰等, 2006; 郭永飞等, 2013; Hu et al, 2015; Luan et al, 2017)。

长江河口是我国最大的河口, 丰沛的入海泥沙和河口复杂的水沙动力过程相耦合, 形成发育了规模和形态各异的河口潮滩(陈吉余等, 1979)。南汇潮滩一般分为东滩和南滩(以石皮勒断面为界), 是上海最为重要的后备土地资源与潮滩围垦区, 也是长江河口淤涨最快的陆缘边滩(陈沈良等, 2003a)。对南汇南滩动力地貌过程研究主要聚焦在近岸水沙输移过程、南汇地貌冲淤变化、入海水沙变化及围垦工程对地貌演变的影响等方面(陈沈良等, 2002; 冯凌旋等, 2011); 近期研究认为潮滩的地貌演变很可能受沿岸水动力、长江入海泥沙和近岸工程的综合影响(赵建春等, 2009; 李九发等, 2010; 刘曙光等, 2010)。当前的研究大都采用历史海图、南汇间断性观测剖面、遥感影像以及数学模型分析区域潮滩的演变或一次台风后的地形冲淤变化过程(杨世伦等, 2002; 向卫华等, 2003; 付桂等, 2007; 刘杰等, 2007; 韩震等, 2009; 刘高伟等, 2015), 然而涉及数据的精度和南汇地貌变化的复杂性, 譬如重复观测的剖面很难代表整个潮滩地貌的变化。为提高观测精度与研究客观性, 在诸多涉及河口海岸地貌演变的研究中已应用LiDAR(Light Detection and Ranging)测量技术获取高精度地貌数据, 如分析台风过程前后滩面恢复过程、观测潮间带地形及其影响因素和构建盐沼地表数字高程模型等(Anthony et al, 2008; Hladik et al, 2012; 徐锐等, 2015; 邢超锋等, 2016; Ge et al, 2017; Xie et al, 2017)。基于此, 本文利用地面LiDAR技术获取大潮低潮期间潮滩地貌高分辨率的点云数据, 通过构建滩面数字高程模型, 分析当前流域入海泥沙减少和近岸工程构建背景下的南汇南滩动力地貌变化过程, 以加深对潮滩月际尺度的地貌过程理解, 为新时期河口滩涂的开发提供重要依据。

1 研究区域概况

南汇潮滩是长江河口最重要的陆缘边滩, 位于河口与杭州湾重要的水沙输运通道上, 是区域涨潮分流、落潮合流的交互地带(陈沈良等, 2003a)。近百年来整体边滩北冲南淤、向东南方向延伸发育, 根据水沙动力环境的差异, 可分为东滩和南滩(图 1a, b)(陈沈良等, 2002)。本文选取南汇南滩为研究对象, 地处入海三角洲南翼转角处, 研究范围长、宽分别约为1200m和550m(图 1c); 研究潮滩地处南汇嘴, 该区域先后开展多期多阶段的促淤圈围工程, 于2003年修建完成整个圈围筑堤工程后, 南汇嘴0m浅滩完全消失(李九发等, 2010)。研究区域上沿为海堤, 堤内是围垦区, 海堤外约40m有沿岸促淤护脚抛石, 潮滩沿堤西北侧潮间带生长有米草和藨草等盐沼植被(图 1c)。研究区潮滩滩面平缓, 为相对开敞型潮滩, 近岸潮汐为不规则半日潮, 平均潮差为3.20m(芦潮港, 1997—2002年)(付桂等, 2007)。洪季涨落潮垂线平均流速为0.91m/s和1.01m/s, 枯季平均流速为0.93m/s和0.61m/s; 洪季涨落潮垂线平均含沙量为1.231kg/m³和2.839kg/m³, 枯季平均含沙量为1.669kg/m³和1.308kg/m³ (刘高伟等, 2015)。研究区内底沙主要以粉砂质砂为主, 近岸水体悬沙和底沙中值粒径分别为5—9mm和6—53mm(赵建春等, 2009)。

2 数据资料及分析方法 2.1 数据资料

本文使用地面LiDAR的RIEGL-VZ4000三维激光扫描仪获取研究区潮滩高精度地貌测量点云数据。观测时间范围为2016年4月到2017年5月, 期间2016年9月和2016年10月两个时段由于实验室激光扫描仪外借缺测, 潮滩地表高程点云数据完整覆盖了年内的四个季节, 仪器扫描精度为15mm。同时, 研究获取了与地貌同步监测的芦潮港逐日实测潮位数据(2016年4月—2017年5月, 吴淞基面), 资料来自上海市水务局。此外, 因长江潮区界大通逐日水沙同步资料获取的困难性, 本文利用1999年1月1日—2014年12月31日的大通逐日水文资料以分析入海水沙对区域地貌变化的可能影响, 资料来自长江水文局。

2.2 分析方法

主要是对LiDAR获取的潮滩地貌点云数据处理和潮间带地貌变化分析, 具体步骤为:

(1) 构建潮滩真实地貌数字高程模型。通过扫描仪获取的原始地貌点云数据需要经过多重处理才能达到潮滩动力地貌演变分析的要求, 首先将LiDAR测量的地表点云数据的高程换算统一以吴淞基面为基准。随后将多时段点云数据拼接, 主要通过粗拼接(Coarse Registration)和多站精细调整(Multi Station Adjustment)功能在RISCAN PRO 2.0软件中实现, 来获取具有相同地理坐标和相同绝对空间位置的滩面点云数据; 进一步利用地形过滤(Terrain filter)功能和手动删除方法共同去除扫描点云的噪点, 并切割出研究范围内(图 1c)的地表点云。基于去除区域潮滩地表植被的高精度地貌点云, 在ArcGIS 10.2软件中构建潮滩地表高程模型共计12期。

(2) 潮滩各分带平均高程-面积-体积计算。选取研究区域MHWN(平均小潮高潮, 2.7m)和MLWN(平均小潮低潮, 1.8m)水位线将潮滩自陆向海划分为潮滩上部、中部和下部, 其中潮滩上部上边界为海堤, 下部下边界为大潮期间低潮线。基于构建的多期潮滩地表高程数字模型, 计算潮滩各分带自2016年4月到2017年5月地貌的逐月平均高程、体积和面积。其面积指各分带潮滩的二维平面投影面积, 体积是指潮滩地表曲面和高程基准0m平面共同包络形成的三维体积。

(3) 计算地貌侵蚀-淤积厚度和冲淤量。基于多期的潮滩地表数字高程模型, 分别计算后一个月份大潮地貌高程相对前一个月滩面高程的变化, 表示月际潮滩地貌的侵蚀-淤积厚度, 同时计算2017年4月—2016年4月和2017年5月—2016年5月地表高程的变化, 表示年内潮滩地貌的侵蚀-淤积厚度。此外, 基于侵蚀-淤积厚度计算每个月大潮期间地貌的淤积量、冲刷量和净冲淤量, 以及逐月的累计淤积量、累计冲刷量和累计净冲淤量。结合月际和年内整体潮滩以及各分带的冲淤分布和冲淤量, 分析研究潮滩在该时段内的地貌演变过程。

(4) 提取特征等高线和典型剖面线高程。自海向岸选取1.5m、2.5m和3.5m共3条等高线, 分析潮特征滩高程平面的变化趋势与特征。同时在研究区域西侧、中侧和东侧分别提取3条典型剖面线的高程, 分析潮滩潮间带地貌在不同时期的横向变化特征, 反映剖面高程向海或向陆的演变趋势。其中剖面线横向长分别为460m、540m和550m(图 1c)。

3 结果 3.1 潮滩月际地貌变化过程

基于LiDAR地貌点云构建的潮滩数字高程模型显示, 研究区滩面沿着平均小潮高水位(MHWN)和平均小潮低水位(MLWN)线存在明显的高低潮滩纵向分界带, 沿岸西北侧高程较高、向海及整体滩面东南侧较低; 从陆至海研究区域依次可划分为潮滩上部、中部和下部(图 2)。2016年4月潮滩上部和中部西宽东窄, MHWN、MLWN线走向与岸线基本一致, 其中MLWN线中部部分向海凸出(图 2a)。2016年5月高水位线和低水位线东西两侧位置与上一个月保持基本一致, 而低水位线中部约500m向海整体推进约52m, 同时其凸出处岸线向岸后退超过50m(图 2b)。2016年6月和2016年7月相比于2016年4月其高水位线基本稳定(仅最西侧至拐点处300m范围向岸迁移13—25m), 低水位线整体继续向岸退缩(东侧250m基本稳定), 最宽处超过120m(图 2c—d)。2016年8月低水位线中西部在向岸退缩的同时, 潮滩中部形成一个长、宽各约为280m和95m的中间有凹陷的环形包络区(指示圈内高程比周围区域较高)(图 2e)。2016年11月东侧高水位和低水位线270m范围内位置调整较小, 中段至西段均出现不同幅度较显著的向岸迁移, 以低水位线中段为甚(图 2f)。2016年12月水位线平面变化较小, 高水位线西侧L形拐角被显著向岸削平, 变得较为平缓; 低水位线西侧部分区域向岸扩展(图 2g)。

类似2016年8月, 低水位线在2017年1月在潮滩中部形成长约450m、宽约200m的巨型包络区, 包络区面积达64000m²(为2016年8月的3.3倍)(图 2h)。2017年2月高水位线保持稳定, 而低水位线中西段越过上月的包络区大规模地向海延展, 其西侧变化幅度较小, 整体平面位置向海域东南向凸出(图 2i)。2017年3月低水位线西侧继续向海推进, 岸线具有平滑调整的趋势, 平滑后的岸线仍呈不规则波状(图 2j)。2017年4月仅低水位线位置变化明显, 中西段2/3段不同规模向岸迁移, 而东侧1/3的区域向东南海域推进(图 2k)。2017年5月高水位线除西侧270m向岸退缩外总体不变, 而低水位线位置的不等较小的调整变化幅度较为多重, 以平面位置线均匀化为主(图 2l)。总体而言, 2016年4月—2016年12月高低水位线逐渐向岸移动, 2017年1月后低水位线大幅度地向海移动(图 2)的准周期性振荡过程。即潮滩在夏季是处于弱侵蚀调整时期, 冬季是处于阶段性淤积时期, 其侵蚀-淤积的过程由冬季持续淤积(12月—次年2月), 春季为淤积减缓, 夏季为侵蚀后退, 秋季侵蚀减缓。

3.2 潮滩各分带高程、面积-体积的变化特征

研究区潮滩平均高程总体上呈现显著增高的趋势, 2016年4月—2017年1月高程在1.88—1.94m波动, 2017年2月—2017年5月伊始迅速增加到2.02m, 之后虽有部分降低、但仍高于波动调整阶段, 相比于2016年4月增长幅度均超过5.10%, 总体上观测期间潮滩整体平均高程增加约10cm(图 3a)。同时, 潮滩上部平均高程总体上也明显增加, 尤其是2016年4月8月, 之后小幅下降, 在2017年2月又出现最高峰(图 3b)。潮滩中部平均高程呈现持续下降趋势(图 3c)。潮滩下部平均高程出现和上部一致的特征, 在2017年2月出现峰值, 增长超过9.00%(图 3d)。

此外, 从各分带潮滩面积统计看, 潮滩上部面积持续减少, 在2017年1月达到最小值(降幅达28%), 2017年2月后略有增加、波动较小(图 4a—b)。中部面积在2016年4月— 11月持续减小, 2016年11月后大幅度快速增加, 2017年2月— 5月保持稳定(图 4a, 4c)。下部面积经历先增加(2016年4月—11月), 后减小(2016年12月—2017年2月), 再稳定(2017年3月—5月)的变化过程, 其总面积受中部潮滩的扩张为减小(图 4a, 4d)。图 6综合各分带平均高程和面积变化分析, 最为显著的是, 在2016年11月—2017年2月期间上、中、下部潮滩面积分别减小、增大、减小, 说明在此时段内高低水位线分别向岸、向海移动; 在整个研究期间内因潮滩中部的范围逐渐扩大, 上部和下部分别呈现小幅缩窄和显著减少(向海推进)的变化特征(图 5)。

3.3 潮滩月际冲刷-淤积演变过程

从月际地貌变化来看, 2016年5月潮滩地貌相比于2016年4月, 在海堤中东侧与海堤成逆时针15°的区域有明显的侵蚀带, 同时在西北侧有3—10 cm的大范围冲刷区; 在研究区域西侧近岸侧(盐沼植被生长区)有10—30 cm的显著淤长带(西宽东窄), 潮滩下部西南区出现3—10cm的明显淤积(图 6a)。2016年6月西侧沿堤淤积带持续大面积淤积, 之前中部-西侧的冲刷带纵向贯通整个滩面, 侵占绝大部分中部潮滩并向海向发展, 潮滩下部的淤涨区面积减小(图 6b)。2016年7月整个滩面除了近岸的部分区域外, 中下部潮滩大部分区域呈现明显的冲刷, 尤其是研究区海向外围区域(图 6c)。2016年8月潮滩存在明显的中侧贯通的净侵蚀(0—40 cm)和弱淤积(0.2—2cm)带, 该地貌带向岸延展至研究区中侧沿海堤侧, 致使潮滩上部中段发生明显侵蚀, 此外潮滩下部向海侧发生0.5—25cm的淤积(图 6d)。2016年11月相较于2016年8月, 由于相隔3个月潮周期, 滩面出现大面积冲刷, 贯通的中部近岸侧侵蚀发育最为显著(西侧出现淤积), 同时出现与该带相交35°的连海型弱侵蚀带, 之前持续淤积的潮滩上部西侧部分区域出现超过30 cm的侵蚀(图 6e)。2016年12月规模较大(10—30cm)的侵蚀区出现在潮滩上部, 向海中部冲刷较弱(2—10 cm), 之前贯通的出现较为明显的淤积现象(图 6f)。2017年1月潮滩上部淤涨明显, 研究区中部的弱淤积区被潮滩中部西侧圈状的强冲刷区和下部海向中东侧的弱侵蚀区所包围(图 6g)。2017年2月整体潮滩出现显著淤积(5—30cm), 尤其是潮滩上部西侧和之前出现冲刷的中部西侧区域, 同时沿着平均小潮高水位线中西侧和研究区沿堤中部形成范围较小的侵蚀区(图 6h)。2017年3月之前形成的高水位线附近的侵蚀带向岸移动, 在潮滩中部纵向形成弱侵蚀带, 两个侵蚀带连接在研究区西侧形成的侵蚀区(图 6i)。2017年4月之前中西部的侵蚀范围向东侧侵进(图 6j)。2017年5月高水位线中段的侵蚀段依然存在, 潮滩中、下部侵蚀区主要出现在西、中侧(图 6k)。在逐月尺度上, 潮滩最显著的淤积发生在2017年1月到2017年2月, 冬春和夏秋季分别呈现淤积和弱冲刷调整的状态, 同时冲刷带的空间位置与海堤的相对走向保持基本一致。从年内尺度看, 2017年4月—2016年4月和2017年5月—2016年5月变化具有相似的特征, 在研究潮滩近岸西-中部形成侵蚀区(10—80cm), 其平面面积明显小于淤积区; 在潮滩上部沿堤西侧出现强淤积带(20—85cm), 较弱的淤积区(5—30 cm)出现在大面积的中-东部潮滩(图 6l, 6m)。

潮滩月际冲刷-淤积量显示, 2016年4月—2017年1月净淤积量呈现波动的状态, 在2017年2月急剧增加; 2016年5月、2016年8月、2016年12月和2017年2月相比于各自上一个观测大潮出现较大的净淤积, 尤其是2017年2月; 2016年7月、2016年11月、2017年1月和2017年4月均出现较大不等的净冲刷; 其累计净冲淤量在2017年2月后基本保持在83000—58000m³(图 7), 结合研究潮滩2016年4月—2017年5月的总面积-体积的差值计算, 整个滩面平均垂向淤积厚度约10.2cm。明显地, 潮滩累计净冲淤总量与滩面体积具有一致的变化趋势与过程, 集中反映了南汇南滩在2017年1月—2月的强淤积事实和夏秋季冲淤波动调整的总体特征。

3.4 潮滩等高线的平面变化

2016年4月三条等高线(3.5m、2.5m和1.5m)分别位于潮滩上、中、下部, 走向基本与岸线一致; 3.5m线在近岸中部存在自西向东明显的凹陷、向外凸出和东侧缺失的特征, 2.5m线与海堤围成的滩面西宽东窄(150m和30m), 1.5m线自西向东逐渐向海延伸(图 8a)。2016年5月的3.5m和2.5m线基本稳定, 1.5m向海移动3—50m, 在潮滩下部东侧出现1.5m新的等深线, 指示该区域显著的侵蚀过程; 2016年6月的3.5m线西侧向海移动而中东侧稳定, 2.5m基本保持不变, 1.5m线海向中部继续向海迁移(10—30m), 此外上月新生的1.5m继续向岸变动、其最外边界线已越过上月最上等深线(图 8a)。2016年7月的3.5m和2.5m线基本维持原先的平面位置, 但潮滩下部之前因研究边界切割而分离的1.5m等深线已经连接完整, 该线整体向岸退缩约20—50m; 2016年8月的3.5m线西段480m向海小幅度移动, 1.5m线也向海迁移(东南向最显著)、重新分割为两段, 2.5m线基本稳定; 2016年11月的3.5m和2.5m线小幅度向岸移动, 尤其是2.5m线的中段约410m, 1.5m线西侧150m向岸移动、西-中段800m向海移动、东段250m向岸移动、之前分离的部分向海推进殆尽(图 8b)。2016年12月的3.5m和2.5m线稳定, 1.5m线中段和东、西段分别小规模向岸、向海移动。

2017年1月的1.5m线中东段显著向岸移动20—120m, 并连接成整体弧形线; 2017年2月的1.5m线大幅度向海移动35—130m, 3.5m线近岸西侧生成向海延伸的沙咀线(图 8c)。2017年3月的3.5m线新生沙咀线继续向海移动、变得平滑, 2.5m线基本稳定, 1.5m线明显西侧和东侧向海移动; 2017年4月的3.5m和2.5m线在之前的位置西侧向岸移动、东侧较为稳定, 1.5m线西-中段近850m继续向岸扩展、东侧与海堤呈大角度的区间向岸退缩; 2017年5月上部3.5m、2.5m和1.5m西侧线平面位置没有较大变化, 1.5m线中侧约500m向岸移动的同时东侧有250m的区域有明显的向海凸出特征(图 8d)。总体上, 潮滩上部西侧3.5m等高线向海推进15—60m, 近岸盐沼植被较为发育, 中侧线向岸持续退缩5—30m; 2.5m等高线东段330m基本稳定, 中—西侧明显向岸移动20—45m; 1.5m等深线仅西段150m向岸移动约25m, 其余近1000m范围大幅度(45—160m)向海推进。整体呈现较高等高线向岸退缩、较低等高线向海推进的特征。

4 讨论 4.1 近年来长江入海水沙季节变化和潮滩演变的关系

长江巨量入海泥沙的补给是河口岸-滩-槽及水下三角洲持续淤涨的重要基础。随着流域上游三峡大坝等梯级水库的建设、蓄水和水土保持工作进行, 大通水文控制站年入海泥沙总量由年均4.33亿吨(1950—2000年)下降到2004年的1.47亿吨、2016年的1.52亿吨(水利部长江水利委员会, 2017)。入海输沙量的年内分布也发生显著改变, 1999—2002年入海泥沙主要集中在7—9月份, 多年平均占比分别为24.09%、18.02%和19.10%, 阶段性的2003—2006年、2007—2010年和2011—2014年年内输沙依然7—9月最多、但其占年内总输沙量的比例不同程度降低, 尤其是9月份; 此外1—5月、12月的输沙比不同程度增加(图 9)。从分阶段月际总输沙量来看, 1—4月份总输沙量略有增加, 5—12月输沙总量呈现显著降低趋势(图 9)。虽然长江入海泥沙在夏季明显减少, 但研究潮滩并未在整体上出现滩面剧烈侵蚀的现象, 而是呈现地貌波动调整的过程, 同时较大规模的淤积过程出现在入海泥沙略有增加的冬季(图 2、5、6、8)。更多相关的研究显示尽管长江入海泥沙急剧减少, 但水下三角洲未受到明显侵蚀, 在2002—2009年还呈现高淤积状态(Dai et al, 2014), 同时河口最大浑浊带含沙量和河口南槽悬沙浓度没有降低趋势(Dai et al, 2013; Zhu et al, 2015)。南汇边滩地处长江口和杭州湾的交互区域, 近年来虽受近岸工程综合影响, 其水域水沙环流和沿岸流有所改变(Dai et al, 2015), 但整个东滩-南槽-最大浑浊带的涨落潮流和余流输运动力环境较为稳定(李九发, 2007)。这可能为南汇潮滩的持续淤积提供了重要的泥沙来源和稳定的水沙动力环境; 尤其是在长江入海泥沙减少的背景下, 先前沉积在河口三角洲前缘的泥沙很可能通过再悬浮向陆输运(Dai et al, 2014)。

4.2 近岸潮流和天气过程对潮滩的塑造

长江河口是中等强度的潮汐河口, 口门宽阔、纳潮量巨大, 河口河势-滩槽格局显著受涨落潮过程的控制(陈沈良等, 2003a; 付桂等, 2007)。南汇南滩地处长江口和杭州湾涨潮分流和落潮合流的影响区域, 滩面纵向往复流作用明显, 其涨潮流速大于落潮流速、涨潮含沙量大于落潮含沙量, 存在长江入海泥沙在涨潮流的输运下的向岸回输(陈沈良等, 2003b; 刘高伟等, 2015)。伴随着涨落潮周期的泥沙净输移, 给南滩滩地淤涨提供了良好的动力泥沙沉积环境, 同时, 岸-滩-槽和受潮滩面的沉积地貌和沉积过程被涨落潮流的流向影响, 研究区域潮滩滩面月际、年内纵向形成的冲刷带和潮滩淤积沙坝的走向就和涨落潮流向和强度具有一致性。2016年4月—2017年5月形成的强冲刷区贯通潮滩上部中侧和潮滩中部西侧, 与海堤约成15°, 在潮滩上部西侧植被上涨区形成强淤积带。根据芦潮港2016年4月—2017年5月的实测潮位资料统计显示, 2016年4月—2016年9月平均潮位持续升高, 2016年9月—2017年2月平均潮位又连续降低, 在2017年2月达到最低值(图 10a-b)。

季节性的, 潮位在夏秋明显高于冬季约30cm, 这就导致研究区中部和上部在夏秋季节易受强劲落潮流的影响, 造成滩面冲刷, 而冬季则因潮位较低, 地貌格局的调整横向下移, 潮滩上部受到的扰动作用减弱。潮位下降, 中部和上部则大都处在涨潮流形成的泥沙峰末端, 即泥沙容易沉降在此处, 从而在一定程度促使潮滩整体发生淤积。此外, 波浪近岸破碎、掀起滩面泥沙, 伴随着涨落潮流输移, 对于南汇南滩地貌调整作用明显(赵建春等, 2009), 研究区域的波浪以风浪为主(陈沈良等, 2003a)。夏季受东南向岸风的影响, 有利于潮流上滩和波浪掀沙的过程, 对于沟-滩地貌的调整有显著影响; 冬季平均潮位较低, 同时受离岸风(风区较短)的影响, 涨潮优势流增强、波浪掀沙作用减弱, 其有利于形成表层向海、底层向岸的水沙环流结构, 由此加速潮滩的淤积。此外, 如夏季台风、风暴潮等事件性的天气过程也会对较短时间尺度(月内)的潮滩地貌冲淤造成显著影响, 事件后南汇潮滩由于泥沙输移和均衡调整作用滩面会得到恢复, 其对于年内尺度整体潮滩的冲淤演变过程影响程度有限。

4.3 促淤围垦工程的局地地貌效应

近年来南汇南滩在平均小潮高潮位附近兴建围垦海堤, 围垦范围持续向海域推进。由于潮滩较高处生长盐沼植被(藨草、米草等)和与海堤纵向平行的护脚抛石存在, 潮滩上部泥沙堆积情况较为显著(图 11)。在一个潮周期内, 潮流携带泥沙向岸输移, 随着近岸滩面高程增加和潮流流速减缓, 泥沙逐渐沉降和滞留在滩面, 在落潮时潮流流速较小, 其波流剪切应力小于沉降泥沙的起动应力, 泥沙被滞留下来, 形成净输运; 尤其是在高潮滩处的植被区域, 迅速降低潮流流速、衰减波能、泥沙显著淤积(陈沈良等, 2003a; 付桂等, 2007; Zhu et al, 2014; 刘高伟等, 2015)。值得注意的是, 尽管堤外自海向滩面的泥沙趋向岸输移, 但由于潮流涨落潮方向与海堤呈一定的角度, 涨潮时潮波自东向西传播, 遇到海堤后而折向西南传播, 由此在研究区域潮滩上部中侧到潮滩下部西侧形成贯通的落潮流通道, 潮流流向受海堤影响的改变造成了上部中侧泥沙侵蚀而护脚抛石裸露, 在抛石外侧向海区形成明显的冲刷带。根据现场地貌监测拍摄的照片分析亦显示, 从2016年4月到2017年5月沿堤侧近岸抛石区被显著侵蚀, 其位于研究区域潮滩上部中侧(图 11a, b); 在潮滩上部西侧2016年2月—2017年5月发育明显的沿岸侵蚀沟, 在大潮落潮时有明显积水, 并在高潮滩植被生长发育区域下呈现显著淤积的现象(图 11c, d)。从滩面典型剖面变化的角度上亦可反映年内的潮滩局地地貌的变化。剖面1高程从2016年4月到2017年5月在0—110m出现显著的增加, 110—300m显著下降, 300—460m也出现增加, 指示潮滩西侧上部显著淤积, 中部和下部陆侧小范围发生较大幅度侵蚀, 而下部海向持续淤涨发育(图 12a—c)。剖面2在临近海堤侧0—90m地貌高程显著降低, 90—540m呈现自陆向海规模较为一致且逐渐增加的平缓淤积(图 12d—f)。剖面3在0—210m和280—550m高程剖面线显著淤积增高, 210—280m小规模冲刷降低, 潮滩下部200—350m范围发育明显海向的沟-滩地貌(图 12g—i)。综合来看总研究区域西侧潮滩中部至中侧潮滩上部形成一条贯通的冲刷沟滩地貌, 并在东侧部潮滩下部发育溯陆的小规模侵蚀区域, 对应不同区域的潮滩剖面线发生变化。此外, 位于研究区域西侧的东海大桥的修建亦对南汇南滩潮滩地貌的演变有一定程度的影响, 这有待进一步的研究。

4.4 南汇侵蚀/淤积波的演变对南滩地貌的影响

南汇南滩地处长江河口和杭州湾北岸, 动力地貌演变同时受长江入海泥沙补给和杭州湾沿岸水流的制约, 20世纪90年代以来南汇岸段持续淤长, 其较大时空尺度频繁的水沙动力地貌侵蚀/淤积演变对近岸局地潮滩地貌的调整具有显著的影响。南汇嘴向海存在一个沙尖外指的高位沙体(摇头沙), 其大小和走向显著影响着临近岸滩的水沙动力过程, 当“摇头沙”向南突出时诱发淤积波, 使沙体西侧的南汇南滩发生淤积(淤积波), 当向东或东南时诱发冲刷(侵蚀波)(贺松林等, 1996)。侵蚀/淤积波的形成受两股水量的相互影响, 如长江南槽水流强于杭州湾流时, “摇头沙”沙咀向南突出, 南汇岸段受“摇头沙”沙体的遮蔽发生淤积(刘苍字等, 2000)。近年来受长江河口深水航道工程和南汇东滩促淤围垦工程的影响, 南槽分流分沙比明显增加, 导致河槽上段发生冲刷, 对应的泥沙输移至中下段, 河槽下段及邻近南汇岸滩加速淤积(谢华亮等, 2015), 这为“摇头沙”沙体的南伸提供了有利的水沙动力和地貌发育环境。总的来看, 海堤外潮间带动力地貌的演变必然受邻近海域水沙动力条件的影响, 需要明确海域水下沙体调整的显著影响, 从不同视角和尺度出发, 探究促淤围垦工程和自然作用耦合影响下的南汇南滩地貌的演变过程及机制。

5 结论

基于2016年4月—2017年5月南汇南滩大潮低潮期间地面LiDAR测量点云数据, 本文构建高精度的月际潮滩滩面的数字高程变化模型, 结合芦潮港在对应期间的日实测潮位资料与长江大通水文站1999—2014年输沙量, 分析了南汇南滩近期动力地貌变化过程, 主要结论包括:

(1) 南汇南滩在研究期间处于淤涨和扩大的状态, 滩面持续向海推进并保持10 cm/a的垂向淤积速率。其中潮滩中部面积呈增大趋势, 而潮滩上部和下部的面积呈减小趋势。

(2) 南滩潮间带地貌侵蚀-淤积存在明显的时空间分异现象。滩面具有明显的夏秋季弱侵蚀调整、冬春季强淤积推进的季节性特征, 最强淤积厚度在2017年1月—2月, 其次是2016年4月—5月、2016年11月—12月, 夏季冲淤波动及滩面调整较强。空间上在潮滩上部中侧-中部西侧形成贯通的冲刷带(10—80cm), 在潮滩上部沿堤西侧出现强淤积带(20—85cm), 以及中-东部潮滩出现大面积较弱的淤积区(5—30cm)。

(3) 长江入海泥沙通量的季节性变化并非控制区域潮滩地貌过程的主因, 局部动力环境和“摇头沙”的南伸是维持南汇淤积的重要因素。此外, 地貌的空间分异也和近岸受海域影响的潮流变化有关。