世界河口三角洲地貌演变动力机制综述

世界河口三角洲地貌演变动力机制综述摘要：河口三角洲是世界人口集中、经济最发达的地区。数十年来广泛出现海岸侵蚀的地貌退化现象，导致世界三角洲城市受到潜在安全威胁，也使得三角洲地貌演变的动力机制研究成为国际热点。以往的大量研究揭示了三角洲地貌演变受到气候条件、底质沉积物、三角洲形态、河口工程甚至化学沉积等众多因素的控制，在三角洲主导动力机制和发展趋势上出现了激烈争论，长江河口三角洲情况尤其突出。这凸显了河口三角洲地貌控制因素的复杂性，也为三角洲城市未来的生态安全带来不确定性。建议未来加强河口地貌监测和不同控制因素间反馈机制的研究，并在城市规划建设中着重强调能够适应多重极端环境的“韧性”。关键词：河口三角洲；地貌演变；动力机制；发展趋势；研究综述近百年来，世界大河三角洲普遍出现地面沉降或海岸侵蚀问题［1-2］，三角洲城市遭受洪涝灾害、岸线蚀退、湿地损失和基础设施破坏等的风险显著增大*］。作为全球最广泛的生态系统——滩涂在过去30年内消失了16%［5］。这些关乎城市生态安全的威胁促使三角洲地貌演变研究成为数十年来的国际热点。为了揭示三角洲演化动力机制，并预测其发展趋势，密西西比河［6］、湄公河［7］、亚马逊河区、黄河［9］和长江［10-11］等世界大河三角洲都开展了大量研究。然而，针对流域水库截沙的影响［12］、河口工程的贡献［13］以及海岸侵蚀的发展趋势［14］等关键科学问题仍存在着激烈争论，河口三角洲地貌演变过程极其复杂的一面逐渐被国内外学者接受1三角洲地貌演变动力机制的复杂性多数学者认为，海平面上升"、地面沉降［6］，尤其是河流输沙量减少［4］的影响，是当前导致大河三角洲地貌退化的主导因素。而河流入海输沙量被认为存在一个阈值，是河口三角洲地貌能否保持平衡的关键"19］。然而，随着各角度研究的深入，前述观点不断面临新的挑战，影响河口地貌演变的大量其它重要因素逐渐被揭示出来，包括气候条件、沉积物、三角洲规模、三角洲地形和河口工程等诸多不同方面，使得问题的复杂性和争议进一步凸显。Hamson等［15］针对新西兰落潮三角洲进行了长达5年的视频观测，甚至得出在年际时间尺度上，三角洲地貌演变与任何特定的环境因素均没有显著相关性的结论，为该领域的广泛争议提供了注脚。1.1气候条件流域大洪水、热带气旋和风暴事件等气候影响的研究更加受到关注。Kim等［20］和Mei等［21］认为流域大洪水提供的泥沙可减轻三角洲侵蚀的影响，甚至完全改变河口地貌；Darby等［22］进一步论证了热带气旋导致的流域降雨是影响河流入海输沙的重要因素，对河口三角洲地貌发展具决定性作用；Dai等［23］和Hu等［24］则强调了短期风暴事件会大幅加剧海床侵蚀，进而改变河口地貌。1.2底质沉积物针对底质沉积物的影响也开展了系列研究，取得丰富成果。如不同动力条件主导形成的底质地层层序和沉积相控制着滩涂地貌的演化［25］；底质沉积物中砂质和泥质含量的差异甚至会形成两种截然不同的河口地貌类型［12,26'27］；亚马逊河三角洲化学过程形成的自生黏土矿物对沉积物重量的贡献达到3%以上［28］；沉积物絮凝作用强烈影响三角洲地貌，沉积物粘性差异决定了三角洲地貌的不同类别［1］。长江口地区表层沉积物临界侵蚀剪切应力随深度变化缓慢［29］，与邻近的苏北海岸带2cm以深侵蚀临界剪切应力较2cm以浅显著增大［30］的特征截然不同，显示了不同地层特征的重要性。1.3三角洲形态与河口工程此外，三角洲规模、入海河槽分汊口和三角洲前缘淤积作用也被认为对地貌演变的影响显著。已有研究认为规模大的三角洲比小的进积速率更快［31］，入海河槽分汊口的分水分沙对区域地貌具控制性作用［32］,而三角洲前缘堆积会通过减小纳潮量降低冲砂能力，加剧淤积，抵消河流上游减沙对河口的影响［33］。对长江口而言,河口航道工程［34-35］也被认为增强了长江河口的潮流作用，是加剧三角洲地貌演变的重要原因。1.4入海泥沙减少的争议对于当前最敏感的入海泥沙减少问题，Nittrouer等［12］甚至认为河流入海输沙减少并未构成事实，通过河流下游的补偿，输入河口三角洲的沙量在未来数百年内都不会急剧减少。这与长江末端565km河槽在15年内(1998-2013)侵蚀了25-9x108t泥沙［36］，为长江口提供了泥沙补偿的特征是一致的。然而，近年美国Elwha河上两座巨型水库被拆除后，Ritchie等［37］对水库原来拦截的泥沙开展了为期5年的跟踪监测，发现这些水库中约65%的泥沙被侵蚀了，其中绝大部分(90%)都输送到了海岸带，只有极少数(10%)堆积在河流中。至少说明入海泥沙量与流域水库拦截泥沙的作用关系密切。这与流域水库截沙不会减沙入海泥沙的观点存在冲突，进一步凸显了河口三角洲地貌控制因素的复杂性。对长江口而言，Jia等［38］认为过去百年来长江输运入海的泥沙30%都堆积在河口地区。1.5三角洲地貌演变趋势的争议由于对三角洲地貌演变主导机制的认识不同，对其发展趋势的判断自然存在争议。主要存在三种观点：(1)河流入海泥沙进一步减少，叠加海平面持续上升的影响，河口三角洲在未来几十年［10,29］甚至10多年内［35］将发生强烈侵蚀。即使河流入海输沙量得到恢复，三角洲的强烈侵蚀仍然不可避免［6］；(2)由于河流或河口外［12'23'39］的泥沙补偿，以及表层沉积物下部沉积物侵蚀临界剪切应力的大幅增强［30］，河口三角洲地貌侵蚀将缓慢进行。密西西比河三角洲在未来600年内减沙幅度甚至不会超过17%［12］，三角洲退化和土地损失将不会那么悲观；(3)因为大洪水和风暴潮等极端气候事件的不可预测性，河口三角洲未来变化趋势具不确定性［21,40］。2长江河口三角洲地貌演变的主导机制作为世界大河三角洲，长江三角洲过去取得了丰富的研究成果，受到国内外特别关注。主要原因在于：(1)长江口地区积累了1842年以来的大量历史海图［41］；(2)建国后对长江口水下地形、动力条件和流域水文条件［42-44］都进行了持续监测；(3)长江口地区建设了大量重大工程［45］。这些条件对恢复长江口地貌演化过程、识别流域人类活动和河口工程影响都提供了有利条件。2.1长江河口的复杂动力条件过去的研究恢复了水动力影响下河口泥沙的堆积和侵蚀过程。径潮流在拦门沙地区相遇形成消能带降低水动力利于泥沙沉积导致拦门沙发育，河水水团和陆架水团混合形成河口混合水团，出现盐水楔和最大浑浊带［33］，进而加速细粒沉积物发生絮凝沉降促进了拦门沙的发育［46］。已有研究也在长江水下三角洲前缘发现沉积物粗化现象［47］，被认为是细粒泥质沉积物被水流搅动发生再悬浮搬离，而粗粒沉积物难于起动滞留原地所致，是海床侵蚀的结果［11'47］。此外，已有研究普遍认为研究区动力条件和滩槽泥沙交换非常复杂［41,48］，呈现明显的大小潮周期和季节性变化特征［49-50］，其动力变化和悬沙分布扩散受到河口地形控制，不同河槽的动力过程存在明显区别［51］，而南北支、南北港和南北槽三个分汊口被认为是控制长江口河势变化最重要的“牛鼻子”［52-53］。长江径流影响主要限于河口内，而河口门主要受到涨落潮控制［33］。对于河口工程影响，深水航道治理工程严重改变了长江口水动力条件［35,54］，南汇东滩围垦工程［52］和南北港分汊口控制工程［55］对河槽影响显著，河口工程在影响水下三角洲演变方面将发挥越发重要的作用［13洞。影响因素和动力条件多样，使得长江口地貌演化过程和控制机制的研究更加复杂。2.2地貌演变的主导机制结合水沙变化，前人根据利用数据年份的不同将长江口地貌演变过程划分成各自不同的演化阶段，并讨论了主要控制机制。多数学者［10,17'23'35'53,57］认为，过去数十年来，研究区淤积速率不断降低，并在三峡大坝蓄水的2003年前后(由于利用数据年份不同，介于1997~2007年间)发生由淤积主导向侵蚀主导的转变。Yang等［29］通过对长江口流体动力学进行监测为长江口外的净侵蚀提供了证据。其结果显示，正常天气期间河床剪切应力超过侵蚀临界值的时间占总观测时间的63%,风暴高峰期间甚至达到100%，且在几米深度内，随深度增加的临界侵蚀剪切应力增加非常缓慢。对其原因，流域50,000个大坝(尤其是三峡水库)建设导致的入海输沙减沙［17］被认为是长江三角洲地貌发生退化的主导因素。在这一背景下，预测未来数十年长江口水下三角洲滩涂淤涨减缓，口外侵蚀将加剧［10,11,17,47,57］,甚至有模型预测河口内和口门地区将在2030年前发生大规模侵蚀［35］。也有学者持不同观点，认为长江口水下三角洲受流域水库建设等人类活动的影响微乎其微，长江中下游河道侵蚀泥沙进行了补偿［36］，其已由泥沙的“汇”转变为“源”，被侵蚀的泥沙中50%进入河口地区［39］，加之河口外侵蚀也为河口地区的泥沙堆积提供了重要来源［10,23］，使得河口门地区对来沙减少的响应至少滞后10年［58］，对未来地貌演变趋势的判断更强调特大洪水或风暴潮等极端事件的影响［21，23,39,4气因此，对长江河口演变机制的研究目前仍处于激烈争论中，导致对未来的研判尚不明确。我们基于1997-2015年长江口全区水下地形数据计算的侵蚀和淤积通量对比初步结果显示，研究区呈现总体趋于稳定的特征，但部分年份(2011-2013)出现显著侵蚀的异常。显然，为进一步揭示其变化规律，加强河口地貌监测必不可少。长江河口三角洲的变化趋势将对上海这个特大城市的生态安全带来巨大影响，动力机制的不确定性也要求上海在生态之城建设中尤其需要重视能够适应极端环境变化的“韧性”。3结论与建议数十年来，包括长江三角洲在内的世界大河三角洲地貌变化及其动力机制和发展趋势研究已成为国际热点，吸引了广泛关注，并取得丰富成果。对三角洲地貌侵蚀风险增大的现状已达成共识，但其影响因素多样，除海平面变化和流域水库截沙外，大洪水、风暴潮、热带气旋、三角洲规模、沉积地层、沉积物组成、河口地形、河口工程甚至河口化学沉积等大量因素的重要作用也被识别了出来，导致对三角洲地貌发展趋势的研判存在激烈争论，凸显了河口