长江口南槽悬沙纵向和横向输运过程与机制研究

李致尚，李占海，李霞，杨海飞，施韩臻，卢婷，汪亚平，

（1.华东师范大学 河口海岸国家重点实验室，上海 200241; 2.上海浦河工程设计有限公司，上海 200333；3.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023）

河口作为河流的尾闾，是连接陆地与海洋的枢纽，也是地球四大圈层（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）能量和物质交换的重要过渡地带，在全球物质和能量交换中有重要意义[1]。河口沉积动力过程是影响河口地貌、初级生产和生态系统的重要因素，受到沉积地貌学、生态学和港口航道工程专家和管理者的关注[2-3]。悬沙作为河口水体中的重要组分，对水质、生物地球化学和地貌动力学有广泛的影响，其输运过程和归宿是河口沉积动力研究的基本问题。长江作为世界性大型河流，携带的巨量悬沙在中等潮汐强度的河口沉降，形成了广袤的河口三角洲沉积体系。近几十年来因筑坝、通航、围垦等人类活动的强烈改造，流域来沙持续减少，对河口悬沙浓度分布格局、悬沙输运过程、最大浑浊带形成、三角洲塑造产生显著影响[4-5]。

河口悬沙输运与堆积受诸多环境因素控制，如径流、潮汐、波浪、陆架环流、水体层化、河口锋面和地形等[6]，经历沉降、再悬浮、输运和堆积等过程[7-8]。径流和潮汐相互作用形成的平流和潮泵作用是影响悬沙净输运的两个关键因素，其中平流控制河口及其上游河流与海洋之间的水平悬沙交换过程[9]。潮泵效应是由于潮汐-地形相互作用，悬沙浓度涨落潮不对称并与流速存在相位差，致使潮周期内悬沙从口外向口内、即向河口滞流点和拦门沙海域净输移，有助于形成最大浑浊带[10-13]。河口悬沙输运的常规观测模式包括船载ADCP 和浊度仪的垂向剖面测量，由于仪器观测盲区的限制难以获取近底部流速信息。前人多使用传统通量分析方法计算时空平均通量来说明河口最大浑浊带悬沙输运机理[14-18]，其不足是缺少近底层悬沙输运的重要信息。由于河口水体流速、盐度、悬沙浓度等垂向差异较大，不仅需要从时空平均的角度研究河口悬沙输运的机理，更需要关注垂向各层尤其是近底部区域的悬沙输运信息。在海底布设三脚架，搭载高频声学单点流速仪(Nortek ADV)和浊度计进行补充观测可以解决这一问题。通过近底部悬沙输运的详细观测，有助于获得更准确的悬沙输运通量，对理解最大浑浊带形成、航道疏浚和保护海岸有重要意义[19-20]。

长江口南槽拦门沙海域是最大浑浊带的核心区域[21]，其悬沙浓度显著高于上下游。最大浑浊带位置可在一定范围内迁移[22]，对河口水道、浅滩以及拦门沙的形成、发育、演变有重要的作用[23-24]，是河口近岸区域的布局规划、港口航道建设、渔业养殖中需要考虑的重要因素[25-26]。前人采用通量机制分解法对最大浑浊带悬沙输运进行了较多研究，指出河口环流、平流作用、潮泵作用和再悬浮是大多数河口悬沙输运的主要机制[13-14，18，27]。沈健等[15]认为长 江 口南槽由于潮 汐作用较强，斯托克斯漂移流和潮汐捕集作用是影响南槽最大浑浊带的主要因素；而北港的径流作用较强，平流作用和重力环流是最大浑浊带形成的主要因素[28]。随着北槽深水航道工程和南汇圈围工程建设，南槽上部径流作用、分流比加强，即使在枯季平流输运也是悬沙输运的贡献最大者，潮泵效应次之；南槽最大浑浊带海域多处于淤积状态[4，29]。

纵向流速一般强于横向流速，它对河口水体中营养盐、悬沙、污染物等物质的输运更为重要，前人的研究多关注河口纵向过程，对横向悬沙输运过程了解相对较少[16-17，30-31]。已有研究发现，横向斜压力、潮流以及它与地形之间的相互作用、科氏力等引起的横向流在悬沙输运中也起到非常重要的作用[32-35]。为了准确认识长江口的悬沙输运模式，本文主要基于2017 年10 月在南槽4 个站位，包括近底部三脚架观测的全水深剖面沉积动力观测数据，采用Scully等[36]和Sommerfield 等[30]改进的通量机制分解方法，定量计算垂向各层的悬沙净通量，分离得到平流通量和潮泵通量的时间序列，进而定量分析悬沙净输运驱动因子的贡献，探讨纵向和横向悬沙输运的时空分布特征和输运机理，有助于深化对南槽最大浑浊带海域水沙输运过程和机理的认识，为河口海岸的水利工程建设、资源开发及生态环境保护等提供科学参考。

1 研究区概况

长江河口分为南支和北支，近百年来南支水道变化剧烈，沙洲淤长，最终呈现“三级分汊、四口入海”的地貌分布格局[37-38]。长江河口作为天然“过滤器”，受长江巨量径流和外海潮流相互作用影响，河口及其邻近海域呈现周期性分层现象[39]。长江下游潮区界大通站测得径流量约为1×104～6.5×104m3∕s，年均径流总量约9 000 亿m3（1950－2021 年）；受季风气候影响，洪季（5－10 月）径流量偏大，枯季（11 月至次年4 月）径流量偏小[40-44]。口内为不正规半日潮，口外为正规半日潮[45-46]。细颗粒沉积物在口门处持续堆积形成拦门沙，该海域平均潮差约为2.66 m，最小潮差为0.17 m，最大潮差为4.62 m[47-49]。

作为长江河口重要的水沙入海通道和航槽（图1（b）），南槽分流比约占25%，且发育最大浑浊带[47]。此外，南槽河槽沉积物以砂质粉砂为主，上段北侧为粉砂质砂，南侧为粉砂，下段南汇边滩主要为砂质粉砂，九段沙下游为粉砂。主槽沉积物中值粒径平均为53.6 μm，边滩为40.3 μm，大体呈槽粗滩细的分布特征[50]。该海域以往复流为主，具有显著涨落潮不对称特征，以落潮流占优势；落潮流的平均历时为7.1 h，涨潮流平均历时则为5.4 h[45]。近年来，由于北槽深水航道和九段沙区域水利工程建设的影响，南槽上部分流比显著增强，对南槽水动力特征、悬沙输运格局、最大浑浊带的发育均有影响[51]。

图1 长江口位置（a）沉积动力过程锚系观测站位（b）（图中深度基准为理论最低潮面）

2 材料与方法

2.1 现场观测采样

2017 年10 月19 日（大潮）至29 日（小潮），在长江口南槽进行了两个时段的沉积动力过程锚系观测（图1（b））。此期间，大通径流量约3.85×104m3∕s。2017 年10 月20 日7 时至10 月22 日8 时为第一时段，2 船同步在沿南槽河道N1、N2站位进行观测；2017 年10 月23 日9 时至10 月26日7 时为第二时段，3 船同步在跨槽断面N6、N2、N7 三站进行观测。每次观测持续2～3 日，每条测船携带三脚架观测系统一套、开展近底部边界层观测（仪器配置具体见表1）。其中在N2站进行了覆盖大、小潮的长时间观测，时间段为2017 年10月20 日7 时至10 月29 日0 时。观测中，使用船侧装载的自表向底发射的声学多普勒流速剖面仪（TRDI ADCP）以及座底三脚架上的声学单点流速仪（Nortek ADV）进行流速和流向测量；在每个整点时刻，使用光学后向散射浊度计OBS-3A 和温盐深仪SBE25-CTD 进行浊度、盐度和温度剖面观测，近底部浊度数据通过底部三脚架搭载的悬沙剖面测量仪ASM-Ⅳ（德国ARGUS，NTU 量程0～4 000，浊度精度为10%）和OBS-3A 补充获得。同步使用采水器采集表、中、底3层水样。

表1 仪器安装和设置信息表

2.2 浊度标定

现场采集水样带回室内用于浊度计标定，建立浊度和质量悬沙浓度的关系（图2）。当悬沙浓度过高时，浊度与悬沙浓度之间的关系有一定变化，因此按浊度数值高低分段来获得标定曲线；总体上各测站浊度与悬沙浓度具有较好的线性关系。

图2 长江口各测站的浊度T与悬沙浓度C之间的关系

2.3 数据处理

由于ADCP 获取的流速剖面存在近底部盲区，采用座底三脚架搭载的ADV 作为补充观测。对获取的每一水层流速数据进行5 min平均获取平均流速；以潮流椭圆的长轴方向为主流向，可计算出涨、落潮流的主流向（纵向）和次流向（横向）流速。为便于数据统计分析，将按照相对水深六点法提取出对应水层的流速、悬沙浓度数据。垂线平均流速和悬沙浓度按照式（1）和（2）所示进行计算：

式中：Uˉ和Cˉ代表垂向平均流速和垂向平均悬沙浓度，U0、U0.2、U0.4、U0.6、U0.8、U1以及C0、C0.2、C0.4、C0.6、C0.8、C1分 别 代 表 相 对 水 深 表 层、0.2H、 0.4 H、0.6 H、0.8 H、底层的流速和悬沙浓度值。

为便于分析，第一时段观测的潮周期选取为2017 年10 月20 日8 时 至10 月21 日9 时（记 为DC1），第二时段观测的潮周期选取为10 月23 日11 时至10 月24 日12 时（记为DC2）。由于N7 站位为整点半进行剖面测量，因此第二时段N7站位的潮周期选取为10 月23 日11.5 时至10 月24 日12.5 时，时间相近也归于DC2期间同N6和N2站位对比分析讨论。此外，在N2站进行了覆盖大小潮的长时间观测，选取10 月21 日11 时至10 月22 日12时为大潮的典型时段（记为DC），10月27日0时至10月28日1时为小潮的典型时段（记为XC）。

按不同时空过程的悬沙输运机制进行通量分析，考查各输运分量在总通量中的贡献，从而阐明河口最大浑浊带悬沙输移机理[21]。本文采用改进的通量分析方法[30，36]，将净悬沙通量FT定义为平流分量FA和潮泵分量FP之和，该方法可以详细研究各时段和垂向各层位平流和潮泵作用对净悬沙通量（kg∕（m·s-1））的相对影响，并能得到观测时段的累计动态变化，这是以往基于时空平均角度的传统通量分解法所不具备的。Scully 等[36]和Sommerfield等[30]提出了如下公式：

其中U和C分别为沿程流速和含沙量的瞬时值，瞬时沿程流速分解成潮变化流速U′和潮平均流速(＜U＞)之和，瞬时悬沙浓度也同样分解为C′和（＜C＞），其中U′和C′表示与潮汐平均值的偏差，z 为水深。潮平均‘＜＞’可通过使用34 h Butterworth 算法的低通滤波器对时间序列进行滤波[52]。流速的潮平均（低通滤波）结果称为余流，悬沙浓度的潮平均（低通滤波）结果称为潮平均悬沙浓度，二者的乘积代表平流通量。平流通量和潮泵通量同瞬时流速和悬沙浓度具有相同的时空分辨率。一般来说，河口余流和悬沙通量主要受重力环流影响，即向海正压流和向陆斜压流。余流的斯托克斯漂移分量并没有从速度时间序列中去除，斯托克斯补偿流产生的悬沙通量包含在FA中。本文规定，主流向（沿槽纵向）正值表示向陆输运（涨潮方向），负值代表向海输运（落潮方向）；次流向（跨槽横向）正值表示跨槽向西南向，负值表示跨槽向东北向。本文中，悬沙总通量（简称总通量）代表的是观测期间内不考虑输运方向的悬沙输移总量，取观测时间内的绝对值之和；净悬沙通量（简称净通量）是指考虑去潮后观测期间内悬沙向某个方向的净输移量。

3 结果

3.1 流速与悬沙浓度

观测期间N1、N2、N6、N7 站位的平均水深分别约为7.67 m、8.51 m、7.18 m、6.79 m，主流向呈东南-西北方向，N1 站位涨（落）潮流流向约为310°（130°），N2 站位涨（落）潮流流向约为315°（135°），N6 站位涨（落）潮流流向约为308°（128°），N7 站位涨（落） 潮流流向约为296°（116°）。

N6、N2 和N7 站位组成跨河道的横向断面（图1（b）），其中N6 北侧靠近主槽，南侧紧邻浅滩，N7 站位北侧靠近九段沙，南侧汇入主槽。N1、N2、N6 和N7 站位流速最大值出现在水位最高与最低前1～2 h，憩流出现在最高和最低水位后1～2 h（图3）。总体来说，各站位涨、落潮流速最大值出现在表层，横向流速弱于纵向流速；与纵向流速结构特征不同，横向流速高值主要出现在憩流期间（图3（b1）－（b7））。滩槽流场分布特征具有显著时空差异，空间上流速呈现“槽内大，浅滩小”特征；时间上大潮纵向流速是小潮的1.8倍，横向流速是小潮的1.4 倍（表2）。观测期间各站位涨潮历时5～6 h，落潮历时为7～8 h，流速纵向上落潮流占优，横向上向西南边滩占优（表2），具有明显的涨落潮历时不对称和流速不对称特征。潮波变形和观测期间较强的入海径流量是导致涨落潮流速、历时不对称的重要原因。

表2 长江口南槽观测站位潮周期垂向平均流速和悬沙浓度

图3 各站位纵向、横向和N2站位大潮、小潮的流速剖面图和悬沙浓度剖面图

水体近底部出现周期性高悬沙浓度，呈现周期性层化状态；强层化期间，近底部区域悬沙更加富集、难以向上层扩散。涨潮期间，底部高悬沙浓度的出现时间N1 站比N2 站滞后约1 h，落潮期间则相反（图3（c4）和（c5））。N2 站位水动力最强，较强的水动力使得水体的垂向掺混增强，导致更多的悬沙悬扬，整体悬沙浓度偏高（图3 和表2）。靠近浅滩区域的N1、N6 和N7 站位的潮周期垂向平均悬沙浓度分别是0.91 kg∕m3（DC1）、0.62 kg∕m3（DC2）和0.71 kg∕m3（DC2），靠近主槽的N2 站位潮周期垂向平均悬沙浓度在3 个大潮阶段分别为1.35 kg∕m3（DC1）、0.88 kg∕m3（DC2）和1.23 kg∕m3（DC），悬沙浓度场空间上表现为“槽内高，浅滩低”，垂向上表现为“指数型”或“L型”特征（图5（c1）－（c5）和图8（a）、（A）），时间上大潮期间悬沙浓度是小潮期间的5倍（表2），表明潮相和水动力强度的变化对悬沙浓度变化具有重要的影响。高悬沙浓度出现于涨、落急纵向流速较大时刻，憩流期间的悬沙浓度相对较低，表明潮周期内有显著的再悬浮和沉降作用[53]。

张丽芬等[52]对长江口纵向流速做了不同滤波周期的低通滤波计算，发现当滤波周期为34 h时，低通滤波函数已能基本消除周期性潮流信号、得到有效的纵向余流数据，随滤波周期的持续增大（36～40 h）余流数值没有发生显著变化。因此，本文参考其方法选取34 h 为滤波周期对各站位的流速和悬沙浓度进行低通滤波，分别获取余流和潮平均悬沙浓度，结果见图5 和图8。纵向向海和横向向西南余流主要集中于各站位的中上层（图5（d1）－（d5）、（e1）－（e5）和图8（c）、（f）、（C）、（F）），这也是导致垂向平均后余流纵向落潮占优、横向向西南占优的原因（图4（a）和（b））；潮平均悬沙浓度剖面显示，大部分悬沙聚集在中底部区域（图5（c1）－（c5）和图8（a）、（A）），近底部区域潮平均悬沙浓度最大值可达2.86 kg∕m3，较高的潮平均悬沙浓度表明了最大浑浊带区域近底部具有丰富的沉积物源。

图4 N2站位基于4阶Butterworth低通滤波计算的流速（纵向和横向）以及悬沙浓度结果

3.2 悬沙输运

3.2.1 纵向悬沙输运特征分析

大潮期间，纵向上南槽拦门沙海域各站位垂向皆表现为落潮占优，并未出现纵向余环流，水体混合程度较高（图5（d1）－（d5））。由于涨落潮不对称和沉降滞后，大量悬沙被落潮流向口外挟带；N1、N6 和N7 站位垂向各层位落潮阶段的悬沙浓度基本大于潮周期平均悬沙浓度，而涨潮阶段基本小于潮周期平均悬沙浓度。但N2站由于靠近主槽，且DC1 和DC 为天文大潮期间，径潮流在河口交汇强烈，涨潮期间近底部潮流较强，湍流混合相对较强，再悬浮作用显著，悬沙浓度较高并高于落潮期间（图5（c2）和图8（a））。

洪季南槽各站位纵向净通量剖面在垂向上呈现“底层大，中表层小”特征（图5），且悬沙输运的主导因子具有显著的空间和垂向差异，各站位整个水柱通量和近底层悬沙通量（纵向横向）见表3。纵向上，N1、N2 和N6 站位由平流作用主导悬沙向海净输运（图5 和图6），潮平均沿深度积分平流通量分别为-0.73 kg∕（m·s-1）、-2.68 kg∕（m·s-1）、-0.63 kg∕（m·s-1），占总通量的62.02%、94.83%、82.23%；而靠近九段沙的N7站位由潮泵作用主导悬沙净向陆输运，潮平均沿深度积分潮泵通量达0.91 kg∕（m·s-1），占总通量的58.82%。受强入海径流量的影响，4站位的平流通量纵向上各层位皆为向海输运，沿深度积分平流通量在大潮期间累积增加，增加趋势基本不变（图5和图6）。平流作用是N1站位0.6 H水层和N7站位0.4 H水层以上水体悬沙向海输运的主导机制，以下水层则变为由潮泵输运占据主导作用，且在近底层潮泵输运最为显著（图10），近底层区域潮周期平均潮泵通量分别达-0.22 kg∕（m·s-1）（DC1） 和0.28 kg∕（m·s-1）（DC2），占近底部悬沙总通量的64.28%和59.22%（表3），可能是由于中底部急流侵蚀，再悬浮和滞后效应显著导致潮泵输运占优，中底层的强潮泵通量也是导致N1 和N7 站位沿深度积分累积潮泵通量曲线向海和向陆的原因（图5 和图6）。受科氏力作用影响，涨潮流偏北，南槽下部呈复式河槽，南侧为落潮槽，北侧为涨潮槽，中部发育浅滩[50]，位于落潮槽内的N6 和N2 站位在DC2 期间，潮汐作用开始减弱，径流作用占优，垂向各层平流通量在总通量中占主要地位。

表3 各站位不同潮周期整个水柱和近底部悬沙通量/（kg·m-1·s-1）

图6 第一时段和第二时段观测期间各站位沿深度积分瞬时和累积悬沙通量时间序列（纵向和横向）

3.2.2 横向悬沙输运特征分析

横向流速与纵向流速显著不同，4 个站位皆出现横向环流结构。其中，N1 和N6 站位在涨潮期间出现表层向西南，底层向东北的横向环流；N2 站位涨落潮期间皆出现表层向西南，底层向东北的横向环流，且横向流速表底层差距在4 个站位中最大。N7 站位涨潮期间的环流结构与其他站位相反，且落潮期间出现了方向相反的双环流结构（图5（b1）－（b5）和（e1）－（e5））。

各站位潮平均沿深度积分悬沙通量结果显示（表3），横向悬沙通量在更靠近浅滩的N1、N6 和N7 站位比纵向悬沙通量小一个量级，而靠近主槽的N2 站位的横向悬沙通量比纵向悬沙通量稍弱，且比其他3 个站位横向悬沙通量高出一个量级（图5（g3）－（g5）、图6（b3）－（b5）和图6（d3）－（d5））。N1 站位悬沙输运受潮泵作用影响较强，潮泵通量为-0.16 kg∕（m·s-1）（DC1），占总通量的76.66%。N2、N6 和N7 站位则由平流作用主导悬沙向西南净输运，但N6、N2 和N7 的潮泵通量在滩槽交界附近汇合（图5（g3）－（g5）和6（d3）－（d5））。N6、N2 和N7 站位的平流通量分别为0.14 kg∕（m·s-1）（DC2）、2.20 kg∕（m·s-1）（DC1） 和1.32 kg∕（m·s-1）（DC2）、0.14 kg∕（m·s-1）（DC2），占总 通 量 的60.14% （DC2）、89.86% （DC1） 和93.36%（DC2）、66.06%（DC2）。沿深度积分总通量总体上向西南偏移，其大小在浅滩附近减小，暗示了横向搬运沉积物的局部补给。

横向上各站位垂向各层平流通量主要向西南边滩输运，但由于横向余环流的影响导致N1和N2站平流通量在中底层有所不同（图5（e1）、（e2）、（g1）和（g2））。N1、N2和N6站位垂向各层潮泵通量皆向东北输运，N1站位0.4 H水层和N6站位0.6 H水层以上悬沙受平流作用控制向西南边滩输运，以下水层受潮泵作用控制向东北输运（图5（g1）和（g3）），近底层潮泵效应显著（图10（b）和（d）），潮周期平均潮泵通量分别为-0.026 kg∕（m·s-1）（DC1）、-0.015 kg∕（m·s-1）（DC2），占近底层总通量的74.34%、77.54%（表3）。N2 站位垂向各层悬沙皆向西南边滩净输运，平流作用占优，潮泵作用较弱，与累积潮泵通量曲线在潮周期内稳定的状态一致（图6（d2）和（d4））。N2站位由于靠近主槽，近底部区域受地形束缚作用，横向流速较弱，横向上输沙很弱，相较于上部各层位显著降低（图5（g2）、（g4）和图10（a）、（c）、（e）、（g）），近底部横向悬沙净通量对整个水柱悬沙净通量贡献只有-1.39% （DC1）、0.47% （DC2）、-1.18%（DC）、-0.02%（XC）（表4）。N7 站位0.2 H～0.4 H水层潮泵作用与平流作用相当，但方向相反（图5（g5）），且西南向输运的悬沙主要由中底层贡献，近底层潮周期平均悬沙总通量为0.066 kg∕(m·s-1)（DC2），对整个水柱悬沙输运贡献达30.45%（表3）。值得关注的是，近底层悬沙在N2 站位和N6 站位之间净辐聚（图7（d3）－（d5）、图10（c）和图12），为拦门沙的堆积提供了重要物源。

表4 近底部悬沙输运量占整个水柱悬沙输运量的比重/%

图7 各站位纵向、横向和N2站位大潮、小潮的近底层瞬时和累积悬沙通量时间序列和潮平均净悬沙通量（纵向和横向）

3.2.3 悬沙通量的大小潮变化

以长时间观测站N2为例分析大、小潮期间各参数的垂向分布（图8）。大潮期间，水体呈持续性混合状态，潮汐应变可忽略[52]，未出现纵向余环流（图5（d1）－（d5）和图8（c）），而横向余流剖面显示出存在较弱的近底层向东北，中表层向西南的横向余环流（图8（f））。小潮期间，水体呈周期性层化状态，对垂向混合抑制增强，南槽中部存在潮汐应变，斜压作用主导纵向上形成了表层向海，底层向陆的纵向余环流（图8（C））。大潮期间，N2 站位横向上出现了中表层向西南，近底层向东北的净悬沙通量结构以及在小潮期间纵向上出现了近底层向陆，中表层向海的净悬沙通量结构，或许是由于余环流的形成导致（图8（g）和（D））。

图8 N2站位大小潮期间涨落潮平均流速、悬沙浓度以及余流、潮平均悬沙浓度和悬沙通量的垂向剖面（纵向和横向）

图9 N2站位水深时间序列和悬沙通量时间序列（纵向横向），黄色区域A、C、E、G为大潮期间（DC）。淡黄色区域B、D、F、H为小潮期间（XC）

N2 站位悬沙通量垂向各层位悬沙皆受平流作用主导（图8（d）、（g）、（D）、（G）和图10（b）、（d）、（f）、（h）），但大潮期间比小潮期间高一个量级，具有显著的大小潮变化。横向上，净通量剖面结构在大小潮期间基本一致，平流作用和潮泵作用都将悬沙向西南边滩输运（图8（g）和（G））。纵向上，N2 站位观测期间的沿深度积分最大瞬时潮泵通量出现在大潮期间，达19.77 kg∕（m·s-1），潮泵作用最显著，沉积物在强水动力环境下易被起动掺混至高速潮流中，受潮泵作用向陆输运（图8（a）和（d）），潮平均沿深度积分潮泵通量达0.53 kg∕（m·s-1）（表3）。但受高径流量影响，大潮期间整个水柱悬沙向海净输运，潮平均沿深度积分的净悬沙通量达-3.21 kg∕（m·s-1），平流通量为-3.74 kg∕（m·s-1），占总通量的87.63%。小潮期间，悬沙仍受平流作用主导向海净输运，潮平均沿深度积分平流通量为-0.13 kg∕（m·s-1），占总通量的63.21%，潮泵通量为-0.08 kg∕（m·s-1）（表3），由大潮期间的向陆泵送占优转为小潮期间的向海泵送占优。小潮期间水动力强度显著降低，纵向潮周期垂向平均流速是大潮的0.4 倍（表2），再悬浮强度相对较弱，水体悬沙浓度也显著降低（图8（A））。

图10 各站位纵向、横向和N2站位大小潮的潮平均净悬沙通量及平流通量和潮泵通量占总通量的比重（纵向和横向）

近底层纵向平流通量由大潮期间向海输运转为小潮期间的向陆输运，潮泵通量由大潮期间的向陆泵送占优转为小潮期间的向海占优（图7（c6）和（c7））。横向上，大小潮期间平流作用皆将悬沙向东北输运，但潮泵通量由大潮期间的向东北泵送占优转为小潮期间向西南占优（图7（d6）和（d7）），小潮加强了近底层悬沙从河口下游向陆迁移至最大浑浊带区域的总体趋势（图10（e）和（g））。

对N2站位沿深度积分总悬沙净通量时间序列分解可知（图9（b））。纵向上，平流通量随着潮相改变增长减慢，累积曲线趋于平缓（图9（c）），且在纵向上基本保持向海输运，横向上维持向西南边滩输运。潮泵通量的大小和方向随着径潮流相互作用和沉积物来源的变化而变化[30，54-56]，大中潮期间，纵向上潮泵作用将悬沙向陆泵送占优，当潮相改变，潮流减弱，径流作用更加显著时，小潮期间则转为向海占优，累积潮泵通量曲线随之逆转为向海方向（图9（c）），但横向上一直处于向西南边滩泵送占优。虽然纵向沿深度积分悬沙通量比横向大（图8、图9和表3），但是纵向潮泵累积通量曲线在大潮期间与平流累积通量曲线反向，抵消了部分悬沙向海平流通量，因此对更靠近主槽的N2站位而言，在两个方向上的累积总输运量相当（图9（c）和（e））。

4 讨论

随着全球变暖、海平面上升以及日益增加的人类活动的影响，大河三角洲的流域来沙持续减少，普遍面临冲淤转换的风险。对长江口而言，由于流域建坝、调水等人类活动，自20世纪80年代以来悬沙年平均输运量呈明显的下降趋势[55-57]，人类活动作为“第三驱动力”对河口的影响在不断增强[58-59]。自2003 年三峡大坝建成之后，大量悬沙滞留于库区，出库悬沙减少，长江入海悬沙的减少更为显著[60-61]，影响了物质交换和河口资源可持续性[62]。大通站观测资料表明2003－2009年长江入海悬沙仅为1950s－1980s 的30%[63]。本文研究发现，洪季南槽中部拦门沙海域净悬沙通量基本向南，推测悬沙向南净输运的格局为南槽下段南汇边滩不断向海淤长提供了重要物源（图11）。由平流主导的西南向悬沙供给有助于南汇滩涂抵御、延缓海平面上升和径流输沙减少引起的滩涂侵蚀。同时，潮泵效应使悬沙向滩槽交界处汇聚的趋势对最大浑浊带的发育有促进作用。林益帆等[64]和Li 等[65]基于通量分解法和建立箱式模型指出，南槽洪季中上部区域悬沙浓度高值主要是由平流输运引起的，悬沙受平流主导向海净输运。同时，受北槽深水航道工程和南汇围垦工程的影响，南槽的分流比大幅增加，河道上段水流集中，落潮流动增强，呈现出“上段冲蚀加深、中段微冲、下段河槽束窄、两侧浅滩淤积”的状态，且南汇边滩进一步淤积发展，连成一个整体且有向东展宽的趋势[4，66]，佐证了本文的分析结果。

图11 各站位沿深度积分净悬沙通量概念图

最大浑浊带的形成与河口涨落潮不对称、余环流、再悬浮和沉降过程密切相关[67-68]。张丽芬等[52]通过对2018 年洪枯季南槽上中下游三个站位的实测资料分析（图1（b）），提出了长江口南槽拦门沙海域存在两种河口纵向余环流模式，即在洪季形成于拦门沙外坡的经典单环流，而在枯季形成由拦门沙内、外坡环流构成的双环流，这种环流结构可显著影响河口滞流点及最大浑浊带悬沙的时空分布。本文观测位置N2 与其研究中的测站A2 相近，靠近主槽并处于拦门沙内坡（图1（b）），洪季大潮和小潮的纵向余流结构与其研究结果一致。结合其口外A3 站位存在表层向海、底层向陆的纵向余环流的研究结果，推测存在上、下游区域悬沙净输移方向相反并最终导致其在某一区域富集的悬沙输运格局，为最大浑浊带形成提供物源。

长江口南槽最大浑浊带悬沙输运格局具有显著的洪枯季差异。洪季拦门沙海域受径流主控，枯季则转为以潮汐作用为主。洪季滞流点位置位于拦门沙滩顶附近，上游丰富的来沙与最大浑浊带的高悬沙浓度会促进拦门沙海域的淤积；枯季潮汐作用增强，滞流点位置上移，上游来沙减少，拦门沙滩顶受到冲刷[54，69]。枯季南槽处于淤积状态，再悬浮通量较小，平流输运在整个悬沙输运过程中贡献最大，潮泵效应输运项次之，存在中上部向陆、下部向海的悬沙输运模式，这种模式可能在枯季短期引起悬沙在南槽拦门沙海域堆积[16-17，29，52]。

虽然悬沙纵向输移是河口输沙输运的主导过程，但其横向变化也不能忽略，它可能导致浅滩区域的悬沙净捕集[33，70]。通过比较纵向和横向的悬沙净通量，可以评估纵向和横向输沙的相对重要性。在本研究中，靠近主槽区域的累积横向悬沙净通量在观测期间内与累积纵向悬沙净通量相当，这表明在控制河口沉积过程方面，横向输运有时可达到与纵向输运相当的水平。此外，在长江口南槽西南边滩与主槽交界附近的近底部观测到了净输沙通量的辐聚区（图10（c）和图12），促进了河口最大浑浊带的发育。由于现场观测资料的时空局限性，未来需结合数值模拟开展悬沙输运对不同动力过程下的多情景分析，厘清复杂地形影响下长江口南槽最大浑浊带发育过程和演变趋势。

图12 近底层横向悬沙输运模式图

5 结论

本文主要基于洪季在长江口南槽纵、横断面上同步锚系站的沉积动力过程观测，试图厘清南槽拦门沙海域纵向和横向的水沙输运时空分布特征和输运机理。本研究获得的主要结果如下：

（1）洪季长江口南槽拦门沙海域滩槽水沙分布特征具有显著的时空差异。大潮期间，流速呈现“槽内大，浅滩小”特征，悬沙浓度场表现为“槽内高，浅滩低”。靠近西南边滩和主槽区域都出现了表层向西南，中底层向东北的横向余环流，靠近主槽区域的横向余环流较弱。受洪季径流量影响，小潮期间南槽拦门沙海域水体呈周期性层化状态，出现表层向海、底层向陆的纵向余环流。

（2）洪季南槽拦门沙海域悬沙（沿水柱积分）基本向南净输运，与南汇边滩向海淤长的趋势一致，可能是其重要的沉积物来源。净悬沙通量也表现为“槽内大，浅滩小”特征。纵向上，西南边滩和主槽区域的平流通量对悬沙总通量的贡献较大，而靠近九段沙区域则是潮泵通量的贡献较大；横向上，悬沙净输运主要由平流主导，但横向余环流的形成会导致表、底层平流通量抵消，最终产生由单向潮泵通量控制的悬沙净通量。

（3）潮泵通量的大小和方向与径潮流相互作用有关，并可能随沉积物来源变化而变化。主槽区域潮泵通量纵向上由大、中潮期间向陆泵送占优转为小潮期间向海净输运占优，横向上基本维持向西南边滩输运占优。大潮期间潮泵通量横向上表现为在滩槽交界处汇合的特征，有助于最大浑浊带形成。

（4）近底层（底床之上约0.30 m 范围内）净悬沙通量呈现从浅滩向主槽净辐聚的格局，净辐聚的过程是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因，可能是拦门沙和最大浑浊带得以形成和维持的重要机制。浅滩区域近底层悬沙净输运基本由潮泵作用控制，且对整个水柱潮泵通量贡献显著，而主槽区域仍受平流作用控制，但受地形束缚影响近底层横向悬沙通量显著减少，对整个水柱横向上悬沙输运贡献较少。

致谢：毛建闪、吕润清、陈元杰、赵培培、张文祥、张赛赛、徐圣、唐杰平、陈德志、徐尧、吴昊、兰庭飞、鲁号号、周亮、杨阳、杨照祥、刘帧桥、梅亚萍、薛成凤、石勇、刘强、艾乔和莫力佳在野外调查和室内实验提供了帮助，一并致谢！