（环境科学专业论文）全新世海进盛期以来珠江长时间尺度水沙变化过程研究.pdf

中文摘要 由于受水河口具有“沉沙池”和“过滤器”效应，河流输在古珠江河口湾内 淤积停留、建造和发育沉积形态，为长时间尺度模拟的验证提供了有力证据。在 1 7 0 0 多个钻孔记录和近2 0 0 个测年数据的基础上，根据珠江河口独特的地形动力 作用和演变特征，估算的6 0 0 0 a b p 以来的泥沙沉积总量为2 7 1 1 7 8 x1 0 8 t ，在未受 人为环境因子影响的情况下，珠江流域自然侵蚀的年输沙量约相当于现代年输沙 量的5 5 左右。取河流输沙约8 5 淤积停留在珠江河口计算，6 0 0 0 年来汇入河口 的泥沙总量约为3 1 9 0 0 1 0 8 t ：根据模拟结果求算得到的汇入珠江河口的泥沙总 量为3 0 1 0 8 1 0 8 t ，二者仅相差6 左右。 根据模拟结果，6 0 0 0 a b p 以来，珠江流域流量受控于各气候一环境阶段的自 然气候特征，变化幅度不大，随着文明的进步和人为环境因子影响的增强，输沙 量呈增长变化，特别是明末清初以来表现为加剧增大趋势。公元前2 3 0 0 年至公 元前1 0 年的相对高温期与公元1 3 0 0 1 1 1 9 7 年相对低温期的平均流量仅相差 3 3 4 m 3 s ，而汇入珠江河口的输沙量( 包括悬移质和推移质) 由4 6 9 4 1 0 4 t a 增 大到6 5 9 5 x1 0 4 t a ，增大了1 9 0 1 1 0 4 t a ，相当于现今珠江汇入河口区的输沙量 8 4 6 5x1 0 4 t a ( 1 9 6 0 2 0 0 0 年) 的2 2 4 6 。因此，6 0 0 0 年来，人为环境因子迭加 在自然因子作用机制之上是输沙量增大变化的主要原因，约4 5 现今输沙量是由 人类活动影响造成。 关键词：珠江，时空尺度，时变控制因子。水沙耦合概念模型，河口沉积验证 f i 英文摘要 a s t u d y o n l o n g t e r mp r o c e s s e sm o d e l t os i m u l a t e r u n o f fa n ds e d i m e n tf l u xo ft h ep e a r lr i v e rs i n c et h e h o l o c e n em a x i m u m t r a n s g r e s s i o n m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e n a m e ：l e i y a p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w uc h a o y u a b s t r a c t r u n o f fa n ds e d i m e n td e r i v e df r o md r a i n a g eb a s i nf l u xi n t ot h er e c e i v ee s t u a r ya n d o c e a ns i n c e 也eh o l o c e n em a x i m u mt r a n s g r e s s i o ni sn o to n l yo n ec o r er e s e a r c ho f g l o b a lc h a n g e ，b u ta l s oi sap r a c t i c a la n di m p o r t a n tp r o b l e mn e a r l yr e l a t e dt ot h e e s t u a r i n er e s p o n d e dl o n g t e r mm o r p h o d y n a m i ce v o l u t i o nt h r o u g hq u a n t i t i v ea n d p r o c e s s e sm o d e l i n ga p p r o a c h i nt h i s s t u d v t a k i n gt h ep e a r lr i v e rb a s i na n di t s e s t u a r i n ec o m p l e xs y s t e ma s b a c k g r o u n d ，c o m b i n e dm e t h o d so fe s t u a r i n em o r p h o d y n a m i c ，s e d i m e n t a r yg e o l o g y , r i v e r g e o m o r p h o l o g y , p a l e o b i o c l i m a t o l o g y a n dh i s t o r i c a lh u m a ne n v i r o n m e n t a l e f f e c t s a i ma ta n dt r yt of i n dab e s tw a yt os i m u l a t ea n dr e c o n s t r u c tt h e1 0 n g t e r m c h a n g eo f r u n o f f a n ds e d i m e n td i s c h a r g ew h i c hi n p u ti n t ot h ep e a r lr i v e rd e l t ad u r i n g l a s t6 0 0 0y e a r s t h ee s s e n t i a lt h e o r ya n d t e c h n i q u eo f s e v e r a ls c i e n c ep r o b l e m s s u c h a st h em a g n i t u d eo fp u r e n a t u r a l c a u s e ds e d i m e n tf l u x m a l nf a c t o r sa n di t sc o n t r o l r o l eo nw a t e rm a ds e d i m e n ty i e l d ，t h e c o n c e p t u a l f l o w s e d i m e n t a t i o n c o u p l e d p r o c e s s e sm o d e la n di t sa p p l i c a t i o nt or e c o n s t r u c tl o n g - t e r mc h a n g eo fw a t e ra n d s e d i m e n tf l u xo ft h ep e a r lr i v e r , a r es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e da n ds t u d i e d t h ep e a r lr i v e ri sas e l f - o r g a n i z e ds y s t e m r m m f ra n ds e d i m e n ty i e l dv a r i a b i l i t y d u e st ot h ec o m b i n ee r i e c t so f n a t u r a lf o r c e sa n dh u m a ne n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e a n d t h ev a r i a b i l i t ya n di t sc o n t r 0 1f a c t o r si nc l o s ei i n kt oc e r t a i ns p a t i a la n dt e m p o r a l s c a l e s g i v i n g al o n gt i m es p a n ，e g 1 0 0t o1 0 0 0y e a r s ，t h er u n o f fa n ds e d i m e n t d i s c h a r g ei s s t a b l ef o r mc h a n g ea r o u n dt h ea v e r a g ev n u et h r o v l g ht h ew h o l e p e r i o d m a i n l yc o n t r o l l e db y n a t u r ef o r c e si nf a rh i s t o r y h u m a ne n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ea n d i t st e m p o r a lr a t ea r ee q u a lt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct i m es c a l ei n t e r e s t e di nt h i ss t u d y t h e h u m a ne n v i r o n m e n t a le f f e c to ns o i le r o s i o nr e s i s t a n tc a p a b i l i t ys h o w sap e r s i s t e n t 、 a c c u m u l a t i v e ，a n dn o n r e v e r s i b l ec h a n g i n gf o r m t h e s ee f f e c t sc o m b i n e dw i t hn a t u r e r o l e sa n da l t e r i n gt h em a g n i t u d ea n de v e n to fs e d i m e n td i s c h a r g e a n dl e a d st oa i i l 英文摘要 l o n g - t e r mi n c r e a s i n gt r e n df r o mf o r m e rp e r i o d t on e x to n e b a s e do na n a l y s e sa n dc o n c e p t u a li l l a t i o no nt h ep h y s i c a lp r o c e s s e so fw a t e ra n d s e d i m e n ty i e l di nr i v e rs y s t e m al o n g - t e r mf l o w s e d i m e n t a t i o n c o u p l e dp r o c e s s m o d e li s b r o u g h tf o r w a r da n da p p l i e dt ot h ep e a r lr i v e rb a s i n a c c o r d i n gt o t h e i n t e r e s t p r o b l e m a n dc h a r a c t e r i s t i c s c a l e ，u s i n gr e p r e s e n t a t i v ep r e c i p i t a t i o n a n d e v a p o r a t i o na si n p u tc o n d i t i o n s ，s e v e r a lm a i nc o n t r o lf a c t o r sc h a n g i n gw i t ht i m ea r e i n t r o d u c e di nm o d e lc a l c u l a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ee m p i r i c a lr e g r e s s i v em o d e la n d e x t r a p o l a t et e c h n i q u ew h i c h m e t h o d sa r ew i d e l yu s e di nb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s r e c e n ts t u d i e so nt h es a m ep r o b l e m ，t h el o n g - t e r mc o n c e p t u a lp r o c e s s e sm o d e ih a s s i m p l i f i e ds t r u c t u r ea n df e w e rp a r a m e t e r sw i t hc l e a r l yp h y s i c a li m p l i c a t i o n s ，a n dt h e s i m u l a t e dr e s u l ti sm o r er e a s o n a b l ea n db e l i e v a b l e a sw ek n o w n ，t h ec o m p l e xp e a r lr i v e re s t u a r ya c t sa sd e p o s i t i o np o n da n d s e d i m e n tf i l t e r , m o s to ff l u v i a ls e d i m e n th a sb e e nr e c e i v e dt od e v e l o ps e d i m e n t a r y s y s t e mi nt h ep a l e o b a y a sar e s u l t ，i tp r o v i d e sau s e f u l a n dc o n v i n c i n gp r o o ft o v e r i f yt h el o n g t e r ms i m u l a t i o no fs e d i m e n td i s c h a r g e b a s e do nm o r et h a n _ 1 7 0 0 s e d i m e n t a r yc o r er e c o r d sa n dn e a r l y2 0 0c a r b o ni s o t o p ea g e s 、d e p e n d i n go n 血e s p e c i a lm o r o h o d y n a m i ca n de v o l u t i o n a r y f e a t t i r e so ft h ep e a r lr i v e re s t u a r i n e c o m p l e x t h et o t a ld e p o s i t e ds e d i m e n ti se s t i m a t e da b o u t2 7 1 1 7 8 1 0 6 t o n s ，a n dt h e t o t a ls e d i m e n tl o a dt r a n s p o r t e db v 也ep e a r lr i v e ri sa b o u t3 1 9 0 0 1 0 6t o n s a c c o u n t e dw i 也8 5p e r c e n tf l u v i a ls e d i m e n tl o a d sd e p o s i t e di np a l e o - b a ys i n c el a s t 6 0 0 0y e a r s i ti sa l s op r o v e dt h a tp u r e - n a t u r a l c a l l s e ds e d i m e n tf l u xi sa b o u t5 5 p e r c e n t so ft o d a y sa l l i l u a ls e d i m e n td i s c h a r g e d e p e n d i n go nt h es i m u l a t e dr e s u l t s ， t h es u mo fs e d i m e n t1 c a di sa b o u t3 0 1 0 8 1 0 6 t o n si n d u ti n t op a l e o b a yd u r i n gl a s t 6 0 0 0y e a r s c o m p a r e dt h el o n g - t e r mm o d e ir e s u l tw i t hm a g n i t u d ed e r i v e df r o m p a l e o b a ys e d i m e n t a r ye s t i m a t i o n ，t h er e l a t i v ed i s c r e p a n c y i so n l y6 p e r c e n t a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t e dr e s u l t ，t h el o n g - t e r mc h a n g eo fr u n o f fi sn o tr e m a r k a b l e i n1 a s t6 0 0 0y e a r s w h i c hi sd o m i n a t e db y1 0 n g t e l mn a t u r a le l i m a t e sc h a n g ei nt h e p e a r lr i v e rb a s i n n l eh u m a ne n v i r o r n n e n t a li n f l u e n c e s p l a y sa ni m p o r t a n t r o l eo nt h e s e d i m e n ty i e l dp r o c e s s e s w h i c ht h ee f f e c ti n t e n s i t yh a sac l o s e l yl i n k a g et oh i s t o r i c a l c u l t u r e p r o g r e s s i v ep a c e s e s p e c i a l l y , t h es e d i m e n td i s c h a r g ew a sr a p i di n c r e a s i n ga n d t h em a g n i t u d en e a rt op r e s e n tl e v e la f t e rt h ee n do f m i n gd y n a s t ya n dt h eb e g i n n i n g o f q i n gd y n a s t y c o m p a r e db e t w e e n2 3 0 0b c t o1 0b c a n d1 3 0 0a c t o1 8 9 7a c ，w h i c ht h ea i rt e m p e r a t u r ew a sh i g h e rt h a na n dl o w e rt h a np r e s e n tr e s p e c t i v e l y , t h e t o t a ls e d i m e n tl o a d4 6 9 4x1 0 + tp e ry e a rw a si n c r e a s e du pt o6 5 9 5 1 0 9 tp e ry e a r f r o mt h ef o r m e rp e r i o dt ot h el a t t e ro n e t h ed i 镌r e n c eo f s e d i m e n td i s c h a r g ei s1 9 0 1 x10 4 tp e r y e a rw h i c h i sa b o u t2 2 “p e r c e n t so fm o d e m m a g n i t u d e ( 8 4 6 5 1 0 4 tp e r y e a r ) i n19 6 0t o2 0 0 0 w h i l et h er l l r l o f fw a so n l y3 3 4m ，sd i s c r e p a n c yb e t w e e nt h e t w ot i m es p a n s a sar e s u l t ，i ti sh u m a ne n v i r o n m e n t a le f f e c t sp r i m e dt h en a t u r e c l i m a t er o l e st 1 1 a tc a u s e dt h es e d i m e n td i s c h a r g ei n c r e a s i n gi nl a s t6 0 0 0y e a r s a n d a b o u t4 5p e r c e n t so f t o d a y ss e d i m e n td i s c h a r g ew a s d e r i v e df r o mh u m a ni n f l u e n c e s k e yw o r d s ：p e a r lr i v e r , s p a t i a la n dt e m p o r a ls c a l e ，t i m e v a r y i n g d o m i n a t i v e f a c t o r , c o n c e p t u a l f l o w - s e d i m e n t a t i o n c o u p l e dp r o c e s s e sm o d e l ， e s t u a r i n es e d i m e n t a r y p r o o f i v 第1 章绪论 第1 章绪论 河口海岸带是全球变化的关键地区，是岩石圈、水圈、气圈、生物圈和技术 圈相互作用最敏感和最活跃的地带，而且，人类活动和气候变化对陆地、海洋的 物质( 流量、泥沙、生源要素等) 和能量( 径流、潮汐、波浪、风等) 的改变均 会直接或间接地作用于河1 3 海岸地区【1 4 】。相应地，河口海岸地区，特别是大河 河口三角洲，在地质基础、地形特征、气候变化、海平面升降、人类活动等因素 共同作用下的河流和海洋物质和能量的运动、沉积和形态演变过程，以及与之相 关的生物球化学过程、工程丌发利用现象，无不集中而深刻地体现着全球变化和 陆海相互作用的精髓。 河口海岸地区的现象和过程涉及不同时间尺度和空间尺度，时间尺度从秒、 分、时、日、月、季、年、年际、世纪、千年甚至到地质时间尺度，空间尺度包 括局地单元( 如通道、口门、拦门沙等) 、亚地域单元( 如河口湾和三角洲) 、区 域( 如大河流域及其河口三角洲体系) 甚至全球范围。因此，立足于对现代河口 三角洲“动力沉积一形态”的机理和过程，反演过去和未来特定时期的全球变化 及其在河口三角洲地区曾经的或可能的变化和响应，不仅是河口海岸学学科发展 的需要，而且也是河口海岸地区港口、航道、水利、环境和可持续发展的需要， 因而越来越多地引起了科学家和有关学者的高度关注【6 ，。7 】。 1 1 论文研究的缘起 “三角洲是河流送给海洋的礼物【8 】，。河流泥沙在全新世海侵过程中形成的古 河口湾内不断地充填堆积而建造发育了现代河口三角洲。三角洲的沉积造陆过程 取决于河流泥沙供给量及其时间变化和受水海盆的地形特征和海洋动力( 如潮 流、波浪及沿岸流等) 分散作用的相互平衡，正是由于陆海物质和能量的对比、 空间组合和时间变化造就了当今世界丰富多彩的河口三角洲类型和形态特征。 特定空间尺度的地形演进过程与特定时间尺度的作用密切联系【9 】。全新世海 侵盛期以来河口三角洲的发育演变，是历时长达数千年的大空间尺度( 亚地域级) 的动力沉积演进过程。然而，陆海物质( 流量、泥沙等) 和动力( 径流、潮流、 波浪、风) 及相关的泥沙输运、底床冲淤变化等发生在小时间尺度上的相互作用 过程，是如何驱动和塑造河口三角洲中、大时空尺度的演变行为和“动力一沉积 地形”特征呢? 而且，近十余年来，河口海岸地区长周期沉积动力过程的反演 第1 章绪论 ( 1 0 0 1 0 0 0 年甚至更长尺度) 和预测( 1 0 年尺度) 的理论和方法及其在全球变 化和陆海相互作用研究领域的优势日益凸显，成长为河1 2 1 海岸学的新的方向和生 长点【6 7 ，1 0 l 。因此，在把握全新世海侵盛期以来珠江河口三角洲动力沉积物理过 程的基础上，通过长周期的动力形态模拟方法再现或预测珠江河口三角洲的沉积 形态演变过程和未来的可能动态，无疑是项具有重大科学意义的前沿基础研究 课题。 珠江河口三角洲由“网河区”和“河口湾”组成，虽然两部分的动力作用沉积 发育和地貌形态极不相同，然而无论在历史过程还是现代过程两部分的联系却是 密不可分，具有举世独特的地形边界和沉积动力结构特征。特别是在众多散布于 三角洲和河口湾的基岩岛丘的约束和控制下，珠江河1 2 1 具有特殊的门的沉积 动力结构，对历史上、现代和未来的河1 2 1 三角洲沉积形态演变都有着长期而深远 的影响。 基于以上认识，吴超羽申请和主持的国家自然科学基金面上项目，着重开展 门的沉积动力学及其在珠江河口三角洲及河网形成中的作用。随后，吴超羽 继续申请并主持的国家自然科学基金重点项目，从多学科深层次结合的角度，开 展珠江河口三角洲的长周期动力沉积形态模型( p r d l t m m ，即l o n g - t e r m m o r p h o d y n a m i cm o d e l o f p e a r ! r i v e rd e l t a ) 的理论和方法的研究，定量地探讨珠 江河口沉积形态演进的机制和过程。作为课题组的一员，我参与了这些前沿课题 的讨论、申请和研究工作，本论文的研究发端于这些基础研究课题，同时也是这 些多学科相融合的研究课题的一个重要组成部分。 1 2 关键科学问题和研究目标 承前所述，以珠江河口为研究背景，开展1 0 0 - 1 0 0 0 年尺度的“动力沉积一 形态”混合模型研究，是具填补空白意义的基础课题【7 j 。其中，本文开展全新世 海侵盛期以来珠江流量、输沙量的量值大小及其时间变化过程的研究，不仅本身 是一项具有挑战性的研究工作，而且可以为p r d l t m m 提供合理的流量、输沙 量输入条件和改进沉积速率控制模块，量化地探讨珠江河口三角洲沉积发的空间 差异，有助于对“珠江流域河口三角洲一近岸海洋”这一有机联系着的陆、海物 质和能量系统获得有意义的新认识。 因此，本论文提出“全新世海进盛期以来珠江长时间尺度水沙变化过程研 究”，差毽型堂问题是：分析长时间尺度流域水沙变化的时变控制因子，建立长 时间尺度珠江流域水沙耦合概念模型，并进行过程模拟和验证。 围绕这一关键科学问题，本文的主要婴塞凼查包括： 第1 章绪论 ( 1 ) 现代珠江流域水沙通量及其时空特征； ( 2 ) 月年尺度珠江流域水沙耦合概念模型的应用与检验： ( 3 ) 长时间尺度流域水沙变化的时变控制因子及其作用机制； ( 4 ) 历史时期气候环境阶段的划分及其对概念模型参数的影响； ( 5 ) 长时间尺度珠江流域流量、输沙量的过程模拟、验证和分析讨论。 本文的研究目标是： ( 1 )分析6 0 0 0 a b p 以来珠江流域气候和人为环境因子的变化及其对流 域水沙过程的的影响，建立长时间尺度流域概念模型； ( 2 )模拟和再现1 0 0 1 0 0 0 年尺度汇入珠江河口三角洲的流量、输沙量 的量值及其阶段性变化。 1 3 科学意义 据全球海洋联合通量研究( j g o f s ) 估算，全球约8 5 的入海物质是经由 河流搬运的。大河流域汇入河口和海洋的流量和输沙量及其对河口三角洲沉积形 态发育过程，对全球变化和人类活动的响应十分敏感，是揭示河口三角洲陆海相 互作用的重要方面，而且，由于河流和泥对沙污染物有输送和吸附效应，河流水 沙通量的研究在不同的地球化学循环( 如碳循环) 以及污染物的迁移中也起着重 要作用o3 1 。因此，大河流域长时间尺度的流量、输沙量变化本身也是一个前沿 基础研究。 珠江流域及其河口三角洲是物质和能量相互作用而紧密联系成一体的自然 系统，特别地，对于全新世海侵盛期以来，河口三角洲长周期的水沙输入、动力 形态演变及其环境效应，不仅要将历史过程与现代过程相结合，更要定量与定性 相结合，探讨这一自然系统长时间尺度演变的机制和过程。因此，本文关键问题 的解决和研究目标的实现，不仅可以改进p r d l t m m 的输入控制条件，使 p r d l t m m 与其他长周期模型相比具有优势和特色，而且以p r d l t m m 为平 台，可以进一步探讨流域水沙输入与珠江河口三角洲沉积发育空间差异和时间过 程的响应关系，因而具有较大的发展空间和应用前景。 第1 章结论 参考文献 1g l o b a l c h a n g er e p o r t ，n o 3 3 ，l a n d - o c e a n i n t e r a c t i o ni nt h ec o a s t a l z o n e ( l o c i z ) i m p l e m e n t a t i o np l a n 【c e d i t e db yjc p e r n e t t aa n djd m i l l i m a n ，1 9 9 4 ，1 2 1 5 2 李凡海岸带陆海相互作 j ( l o i c z ) 研究及我们的策略【j 】地球科学进展，1 9 9 6 ，l i ( 1 ) ： 1 9 2 3 3 张永战，朱大奎海岸带全球变化研究的关键地区 j 】海洋通报，1 9 9 7 ，1 6 ( 3 ) ：6 9 8 0 4 沈焕庭，朱建荣论我国海岸带陆海相互作用研究【j 】海洋通报，1 9 9 9 ，1 8 ( 6 ) ：1 1 1 7 5 李春初，雷亚平全球变化与我国海岸带研究问题【j 】地球科学进展，1 9 9 9 ，1 4 ( 2 ) ：1 8 9 1 9 2 6 ，d ev r i e n dh j ，c a p o b i a n e om ，c h e s h e r t e ta 1 a p p r o a c h e st ol o n g - t e r mm o d e l i n go f c o a s t a l m o r p h o l o g y ；ar e v i e w 【j c o a s t a le n g ，1 9 9 3 ，2 1 ：2 2 5 - 2 6 9 7 w ucy ，b a ny ，r e nj ，e ta 1 as t u d yo nt h ep e a r lr i v e rd e l t ai nt h el a s t6 0 0 0y e a r s ：a l o n g - t e r mm o d e l i n ga p p r o a c h 【c 】i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nt i d a l d y n a m i c s a n d e n v i r o n m e n t ( t i d a l i t e 2 0 0 2 ) ，h a n g z a h o u ，c h i n a , 2 0 0 2 8 、w r i g h tld ，c o l e m a njm m i s s i s s i p p i r i v e rm o u t hp r o c e s s e s ：e f f l u e n td y n a m i c sa n d m o r p h o l o g i cd e v e l o p m e n t 【j 】j o u r g e 0 1 1 9 7 4 ，8 2 ( 6 ) ：7 5 1 9l a r s o nm ，k r a u snc p r e d i c t i o no fc r o s s - s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r ta td i f f e r e n c es p a t i a la n d t e m p o r a ls c a l e s 【j 】m a r g e 0 1 1 9 9 5 ，1 2 6 ：1 l l - 1 2 7 1 0 e m p h a s y sc o n s o r t i u m m o d e l i n ge s t u a r ym o r p h o l o g ya n dp r o c e s s ：f i n a l - r e p o r t , 2 0 0 0 ， 2 2 2 11 ，w a l l i n gd e ，e s t i m a t i n gt h ed i s c h a r g eo fc o n t a m i n a n t st oc o a s t a lw a t e r sb yr i v e r s ：s o m e c a u t i o n a r yc o m m e n t s ( j 】m a r i n ep o l l u t i o nb u l l e t i n 1 9 8 5 ，1 6 ：4 8 - 4 9 2 】2 胡敦欣我国海洋通量研究【j 】地球科学进展，1 9 9 6 ，1 1 ( 2 ) ：2 2 7 - 2 2 9 1 3 ，l u d w i n gw - p r o b s tjl r i v e rs e d i m e n td i s c h a r g et ot h eo c e a n ：p r e s e n t - d a yc o n t r o l sa n d g l o b a lb u d g e l sf j 】，a m e r i c a nj o u r n a lo f s c i e n c e ，1 9 9 8 ，2 9 8 ：2 6 5 - 2 9 5 、 4 第2 章研究动态、资料和方法 第2 章研究动态、资料和方法 2 1 长周期动力形态模拟研究进展 长周期动力地形模型我们可以给出以下初步定义：它是一种以物理机制分析 为基础、以过程模型为主的耦合模型，将小尺度过程上的流体动力、泥沙输运和 沉积、地形冲淤变化耦合，采用数值计算约减技术，对特定时、空尺度研究对象 引入合理的控制模块，以模拟和预测长时间尺度上的动力地形演变过程1 1 l 。 正因为河口海岸地区动力地形演变具有不同时间、空间尺度相互耦合的特 征，而长周期动力地形演变趋势及其环境效应往往又是河口海岸地区防洪减灾、 口门治理、疏浚围垦、海洋工程等在进行决策和评价时最为关心的热点和难点问 题，中、长时间尺度的动力形态模型在近数十年来在地貌、海岸工程、河口海岸、 数学地质等领域引起了诸多学者的普遍关注，取得了令人鼓舞的研究成果【1 4 l 。 目前，以季节、年为典型尺度的中长时间尺度的动力地形模型的理论和方法 较为成熟。荷兰学者d ev r i e n d 自1 9 8 6 年提出中尺度二维海岸演变模型，随后 对模型的基本概念、整合机制，模拟理论和方法、模拟约减技术等方面进行了深 入研究2 卅。这方面的研究在国内几乎空白，仅见曾庆存、郭冬建。等1 7 , 8 1 假定一 个理想的入湖( 海) 河口，对河床演变和三角洲的发育过程进行了5 0 年数值模 拟试验研究。 在地质年代时间尺度( 1 0 5 年以上) 的沉积演变方面，q u i q u e r e z 等翻发展了 两相岩层扩散模型d i b a f i l l ，是建立在地质年代尺度上的时段平均的泥沙分散 过程基础上的泥沙输运、沉积和成岩的仿真模型；d a b r i o 等【l0 】在西班牙海岸在 研发了类似模型用于开敞海岸层序发育、岩相和海岸演化研究。 总之，中、长时间尺度动力地形模型是国际前沿研究，国外研究对象主要集 中在岸线变迁、海岸平衡剖面、潮汐通道演化和海盆充填层序等方面，时间尺度 也多为季节、年或地质年代尺度。而w u e ta l 开发并用来模拟6 0 0 0 a b p 以来珠 江河口三角洲动力地形演变的混合过程模型( p r d l t m m ) ，从其研究对象及时 间尺度上来看，均为具有填补空白作用和重大科学意义的研究。同时，将全新世 海侵盛期以来流域汇入河口三角洲的流量、输沙量用于长周期地形动力模型的输 入控制，在p r d l t m m 也是首次实现，从而不同于其他长周期模型用现代观测 。曾庆存院士、郭冬建博士1 9 9 5 年来中山大学地球与环境科学学院作相关学术报告。 5 第2 帝研究动态、资料和方法 平均值作为输入的简化处理。 2 。2 长时间尺度流域水沙变化研究现状 影响流域水沙变化的因素主要有两大类：一类是气候因素，另一类是人类活 动因素。根据研究对象的时空尺度和目的的不同，可将现有研究成果分为三类： ( 1 ) 小流域短时间尺度的水文泥沙过程模型研究。以气候因子( 降雨强度、 降雨历时、蒸发散能力等) 为驱动力结合土壤3 层( 地表径流、壤中流和地下径 流) 或2 层( 地表径流和地下径流) 模拟场次暴雨或月时间的产流产沙过程，用 于分析流域产流产沙机制和评价小流域水土保持治理的效益，例如美国通用土壤 流失方程( u s l e ) ，t a n k 模型、s a c r a m e n t o 模型、新安江模型和陕北模型等。 与g i s 和数字高程( d e m ) 技术相结合，向精细化、分布式模拟和预测发展是 这些小尺度物理模型的最近动向。 ( 2 ) 统计模型和产流产沙影响因子分析。利用实测资料序列，选择影响流 域产流产沙的自然和社会经济因素，建立经验关系，着重探讨森林水文效应、水 土保持效益，分析农田、坡地、城市化、工矿、道路等土地利用对特定流域水文 泥沙过程的作用机制和影响强度。也有学者根据实测资料序列通过灰色模型和人 工智能模型进行月至年尺度的预测研究。这类研究有一定的成因机制分析，但是 对资料要求较高，目前也只是在中、小流域有较多的研究成果。 ( 3 ) 大河流域甚至全球尺度的长期水沙变化研究。这类研究往往与全球变 化和海岸带陆海相互作用研究相联系，是在分析自然因素和人类活动因素对水沙 规律的影响机制的基础上，建立概念模型甚至结合全球气候模式( g c m s ) 研 究全球入海泥沙通量及其环境效应。 第( 1 ) 、( 2 ) 类的研究成果非常丰富，为本文开展长时间尺度珠江流域流量、 输沙量变化研究提供大量的物理过程依据。结合论文关键问题和研究目标，以下 就第( 3 ) 类研究的现状及存在问题展开论述。 2 2 1 国外动态 与河口三角洲动力沉积特性和淤积形态演变密切相关的入海水沙通量历来 就是河口海岸领域倍受关注的课题。在全球变化及其环境效应研究热点的刺激 下，特别是“全球海洋联合通量研究( j g o f s ) ”和“海岸带陆海相互作用( l o c i z ) ” 两个核心研究计划的先后推出，进一步推动了这一课题的研究热潮。 早在1 9 6 7 年，d o u g l a s t u l 就已经认识到有必要对河流输沙及其控制因子进行 研究，分析了人类活动、植被变化和流域产沙的作用机制。随后，w i l s o n n 】提出 了以降雨量为参数的年平均水沙通量预测模型，更多的学者指出流域高差和地形 第2 章研究动态、资料和方法 特征对泥沙通量有非常重要的影响【l 。”】。更有意义的是，有学者将河流泥沙入海 通量问题引向全球尺度，并与河口海岸带长周期动力地形演变联系起来1 7 七”。 k r i s h n a s w a m y 等2 2 , 2 3 1 采用数理统计方法对波多黎各亚德金流域的年均产沙量进 行了模拟和预测研究。s y v i t s k i 等【2 4 j 研发了h y d r o t r e n d 模型，以气候为主 要驱动因子，考虑径流量、流域面积、高差等要素，再现了科罗拉多河流域末次 冰期盛期时( 1 8 0 0 0 a b p ) 的输沙量。与此同时，e i n s e l e 等【1 9 1 也阐述了地表侵蚀 和封闭湖泊泥沙沉积体系的定量关系的基本概念，并取得了初步研究成果。随后， s y v i t s k i 和m o r e h e a d l 2 5 】运用h y d r o t r e n d 模型对加利福尼亚e e l 河入海泥沙 量变化进行了估算，m o r e h e a d 和s y v i t s k i l 2 6 将河流入海泥沙与e e l 河口外陆架海 沉积层序发育进行了沉积动力学模拟。 自1 9 9 2 年始，s y v i t s k i 等学者组成的i n s 吖a r ( i n s t i t u t eo f a r c t i ca n da l p i n e r e s e a r c h ) 研究组倡导进行全球变化和l o c i z 研究，于1 9 9 2 。1 9 9 7 年研发了 h y d r t r e n d 模型，在世界其他流域( 如台湾l a n g y a n g 流域、北极地区，甚至 缺乏观测站点的流域) 预测了入海泥沙通量和应用于海岸演变过程模拟【2 ”。而 且，在i n s t a a r 研