世界河口三角洲地貌演變動(dòng)力機(jī)制綜述

黎 兵

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

近百年來(lái)，世界大河三角洲普遍出現(xiàn)地面沉降或海岸侵蝕問(wèn)題[1-2]，三角洲城市遭受洪澇災(zāi)害、岸線蝕退、濕地?fù)p失和基礎(chǔ)設(shè)施破壞等的風(fēng)險(xiǎn)顯著增大[3-4]。作為全球最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)——灘涂在過(guò)去30年內(nèi)消失了16%[5]。這些關(guān)乎城市生態(tài)安全的威脅促使三角洲地貌演變研究成為數(shù)十年來(lái)的國(guó)際熱點(diǎn)。

為了揭示三角洲演化動(dòng)力機(jī)制，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，密西西比河[6]、湄公河[7]、亞馬遜河[8]、黃河[9]和長(zhǎng)江[10-11]等世界大河三角洲都開展了大量研究。然而，針對(duì)流域水庫(kù)截沙的影響[12]、河口工程的貢獻(xiàn)[13]以及海岸侵蝕的發(fā)展趨勢(shì)[14]等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題仍存在著激烈爭(zhēng)論，河口三角洲地貌演變過(guò)程極其復(fù)雜的一面逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者接受[15]。

1 三角洲地貌演變動(dòng)力機(jī)制的復(fù)雜性

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，海平面上升[16]、地面沉降[6]，尤其是河流輸沙量減少[4]的影響，是當(dāng)前導(dǎo)致大河三角洲地貌退化的主導(dǎo)因素。而河流入海輸沙量被認(rèn)為存在一個(gè)閾值，是河口三角洲地貌能否保持平衡的關(guān)鍵[17-19]。然而，隨著各角度研究的深入，前述觀點(diǎn)不斷面臨新的挑戰(zhàn)，影響河口地貌演變的大量其它重要因素逐漸被揭示出來(lái)，包括氣候條件、沉積物、三角洲規(guī)模、三角洲地形和河口工程等諸多不同方面，使得問(wèn)題的復(fù)雜性和爭(zhēng)議進(jìn)一步凸顯。Harrison等[15]針對(duì)新西蘭落潮三角洲進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5年的視頻觀測(cè)，甚至得出在年際時(shí)間尺度上，三角洲地貌演變與任何特定的環(huán)境因素均沒(méi)有顯著相關(guān)性的結(jié)論，為該領(lǐng)域的廣泛爭(zhēng)議提供了注腳。

1.1 氣候條件

流域大洪水、熱帶氣旋和風(fēng)暴事件等氣候影響的研究更加受到關(guān)注。Kim等[20]和Mei等[21]認(rèn)為流域大洪水提供的泥沙可減輕三角洲侵蝕的影響，甚至完全改變河口地貌；Darby等[22]進(jìn)一步論證了熱帶氣旋導(dǎo)致的流域降雨是影響河流入海輸沙的重要因素，對(duì)河口三角洲地貌發(fā)展具決定性作用；Dai等[23]和Hu等[24]則強(qiáng)調(diào)了短期風(fēng)暴事件會(huì)大幅加劇海床侵蝕，進(jìn)而改變河口地貌。

1.2 底質(zhì)沉積物

針對(duì)底質(zhì)沉積物的影響也開展了系列研究，取得豐富成果。如不同動(dòng)力條件主導(dǎo)形成的底質(zhì)地層層序和沉積相控制著灘涂地貌的演化[25]；底質(zhì)沉積物中砂質(zhì)和泥質(zhì)含量的差異甚至?xí)纬蓛煞N截然不同的河口地貌類型[12,26-27]；亞馬遜河三角洲化學(xué)過(guò)程形成的自生黏土礦物對(duì)沉積物重量的貢獻(xiàn)達(dá)到3%以上[28]；沉積物絮凝作用強(qiáng)烈影響三角洲地貌，沉積物粘性差異決定了三角洲地貌的不同類別[1]。

長(zhǎng)江口地區(qū)表層沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力隨深度變化緩慢[29]，與鄰近的蘇北海岸帶2cm以深侵蝕臨界剪切應(yīng)力較2cm以淺顯著增大[30]的特征截然不同，顯示了不同地層特征的重要性。

1.3 三角洲形態(tài)與河口工程

此外，三角洲規(guī)模、入海河槽分汊口和三角洲前緣淤積作用也被認(rèn)為對(duì)地貌演變的影響顯著。已有研究認(rèn)為規(guī)模大的三角洲比小的進(jìn)積速率更快[31]，入海河槽分汊口的分水分沙對(duì)區(qū)域地貌具控制性作用[32]，而三角洲前緣堆積會(huì)通過(guò)減小納潮量降低沖砂能力，加劇淤積，抵消河流上游減沙對(duì)河口的影響[33]。對(duì)長(zhǎng)江口而言，河口航道工程[34-35]也被認(rèn)為增強(qiáng)了長(zhǎng)江河口的潮流作用，是加劇三角洲地貌演變的重要原因。

1.4 入海泥沙減少的爭(zhēng)議

對(duì)于當(dāng)前最敏感的入海泥沙減少問(wèn)題，Nittrouer等[12]甚至認(rèn)為河流入海輸沙減少并未構(gòu)成事實(shí)，通過(guò)河流下游的補(bǔ)償，輸入河口三角洲的沙量在未來(lái)數(shù)百年內(nèi)都不會(huì)急劇減少。這與長(zhǎng)江末端565km河槽在15年內(nèi)（1998-2013）侵蝕了25.9×108t泥沙[36]，為長(zhǎng)江口提供了泥沙補(bǔ)償?shù)奶卣魇且恢碌摹?/p>

然而，近年美國(guó)Elwha河上兩座巨型水庫(kù)被拆除后，Ritchie等[37]對(duì)水庫(kù)原來(lái)攔截的泥沙開展了為期5年的跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些水庫(kù)中約65%的泥沙被侵蝕了，其中絕大部分（90%）都輸送到了海岸帶，只有極少數(shù)（10%）堆積在河流中。至少說(shuō)明入海泥沙量與流域水庫(kù)攔截泥沙的作用關(guān)系密切。這與流域水庫(kù)截沙不會(huì)減沙入海泥沙的觀點(diǎn)存在沖突，進(jìn)一步凸顯了河口三角洲地貌控制因素的復(fù)雜性。對(duì)長(zhǎng)江口而言，Jia等[38]認(rèn)為過(guò)去百年來(lái)長(zhǎng)江輸運(yùn)入海的泥沙30%都堆積在河口地區(qū)。

1.5 三角洲地貌演變趨勢(shì)的爭(zhēng)議

由于對(duì)三角洲地貌演變主導(dǎo)機(jī)制的認(rèn)識(shí)不同，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)的判斷自然存在爭(zhēng)議。主要存在三種觀點(diǎn)：（1）河流入海泥沙進(jìn)一步減少，疊加海平面持續(xù)上升的影響，河口三角洲在未來(lái)幾十年[10,29]甚至10多年內(nèi)[35]將發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕。即使河流入海輸沙量得到恢復(fù)，三角洲的強(qiáng)烈侵蝕仍然不可避免[6]；（2）由于河流或河口外[12,23,39]的泥沙補(bǔ)償，以及表層沉積物下部沉積物侵蝕臨界剪切應(yīng)力的大幅增強(qiáng)[30]，河口三角洲地貌侵蝕將緩慢進(jìn)行。密西西比河三角洲在未來(lái)600年內(nèi)減沙幅度甚至不會(huì)超過(guò)17%[12]，三角洲退化和土地?fù)p失將不會(huì)那么悲觀；（3）因?yàn)榇蠛樗惋L(fēng)暴潮等極端氣候事件的不可預(yù)測(cè)性，河口三角洲未來(lái)變化趨勢(shì)具不確定性[21,40]。

2 長(zhǎng)江河口三角洲地貌演變的主導(dǎo)機(jī)制

作為世界大河三角洲，長(zhǎng)江三角洲過(guò)去取得了豐富的研究成果，受到國(guó)內(nèi)外特別關(guān)注。主要原因在于：（1）長(zhǎng)江口地區(qū)積累了1842年以來(lái)的大量歷史海圖[41]；（2）建國(guó)后對(duì)長(zhǎng)江口水下地形、動(dòng)力條件和流域水文條件[42-44]都進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)；（3）長(zhǎng)江口地區(qū)建設(shè)了大量重大工程[45]。這些條件對(duì)恢復(fù)長(zhǎng)江口地貌演化過(guò)程、識(shí)別流域人類活動(dòng)和河口工程影響都提供了有利條件。

2.1 長(zhǎng)江河口的復(fù)雜動(dòng)力條件

過(guò)去的研究恢復(fù)了水動(dòng)力影響下河口泥沙的堆積和侵蝕過(guò)程。徑潮流在攔門沙地區(qū)相遇形成消能帶降低水動(dòng)力利于泥沙沉積導(dǎo)致攔門沙發(fā)育，河水水團(tuán)和陸架水團(tuán)混合形成河口混合水團(tuán)，出現(xiàn)鹽水楔和最大渾濁帶[33]，進(jìn)而加速細(xì)粒沉積物發(fā)生絮凝沉降促進(jìn)了攔門沙的發(fā)育[46]。已有研究也在長(zhǎng)江水下三角洲前緣發(fā)現(xiàn)沉積物粗化現(xiàn)象[47]，被認(rèn)為是細(xì)粒泥質(zhì)沉積物被水流攪動(dòng)發(fā)生再懸浮搬離，而粗粒沉積物難于起動(dòng)滯留原地所致，是海床侵蝕的結(jié)果[11,47]。

此外，已有研究普遍認(rèn)為研究區(qū)動(dòng)力條件和灘槽泥沙交換非常復(fù)雜[41,48]，呈現(xiàn)明顯的大小潮周期和季節(jié)性變化特征[49-50]，其動(dòng)力變化和懸沙分布擴(kuò)散受到河口地形控制，不同河槽的動(dòng)力過(guò)程存在明顯區(qū)別[51]，而南北支、南北港和南北槽三個(gè)分汊口被認(rèn)為是控制長(zhǎng)江口河勢(shì)變化最重要的“牛鼻子”[52-53]。長(zhǎng)江徑流影響主要限于河口內(nèi)，而河口門主要受到漲落潮控制[33]。對(duì)于河口工程影響，深水航道治理工程嚴(yán)重改變了長(zhǎng)江口水動(dòng)力條件[35,54]，南匯東灘圍墾工程[52]和南北港分汊口控制工程[55]對(duì)河槽影響顯著，河口工程在影響水下三角洲演變方面將發(fā)揮越發(fā)重要的作用[13,56]。影響因素和動(dòng)力條件多樣，使得長(zhǎng)江口地貌演化過(guò)程和控制機(jī)制的研究更加復(fù)雜。

2.2 地貌演變的主導(dǎo)機(jī)制

結(jié)合水沙變化，前人根據(jù)利用數(shù)據(jù)年份的不同將長(zhǎng)江口地貌演變過(guò)程劃分成各自不同的演化階段，并討論了主要控制機(jī)制。

多數(shù)學(xué)者[10,17,23,35,53,57]認(rèn)為，過(guò)去數(shù)十年來(lái)，研究區(qū)淤積速率不斷降低，并在三峽大壩蓄水的2003年前后（由于利用數(shù)據(jù)年份不同，介于1997～2007年間）發(fā)生由淤積主導(dǎo)向侵蝕主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。

Yang等[29]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)為長(zhǎng)江口外的凈侵蝕提供了證據(jù)。其結(jié)果顯示，正常天氣期間河床剪切應(yīng)力超過(guò)侵蝕臨界值的時(shí)間占總觀測(cè)時(shí)間的63%，風(fēng)暴高峰期間甚至達(dá)到100%，且在幾米深度內(nèi)，隨深度增加的臨界侵蝕剪切應(yīng)力增加非常緩慢。對(duì)其原因，流域50,000個(gè)大壩（尤其是三峽水庫(kù)）建設(shè)導(dǎo)致的入海輸沙減沙[17]被認(rèn)為是長(zhǎng)江三角洲地貌發(fā)生退化的主導(dǎo)因素。

在這一背景下，預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)十年長(zhǎng)江口水下三角洲灘涂淤漲減緩，口外侵蝕將加劇[10,11,17,47,57]，甚至有模型預(yù)測(cè)河口內(nèi)和口門地區(qū)將在2030年前發(fā)生大規(guī)模侵蝕[35]。

也有學(xué)者持不同觀點(diǎn)，認(rèn)為長(zhǎng)江口水下三角洲受流域水庫(kù)建設(shè)等人類活動(dòng)的影響微乎其微，長(zhǎng)江中下游河道侵蝕泥沙進(jìn)行了補(bǔ)償[36]，其已由泥沙的“匯”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸础?，被侵蝕的泥沙中50%進(jìn)入河口地區(qū)[39]，加之河口外侵蝕也為河口地區(qū)的泥沙堆積提供了重要來(lái)源[10,23]，使得河口門地區(qū)對(duì)來(lái)沙減少的響應(yīng)至少滯后10年[58]，對(duì)未來(lái)地貌演變趨勢(shì)的判斷更強(qiáng)調(diào)特大洪水或風(fēng)暴潮等極端事件的影響[21,23,39,40]。

因此，對(duì)長(zhǎng)江河口演變機(jī)制的研究目前仍處于激烈爭(zhēng)論中，導(dǎo)致對(duì)未來(lái)的研判尚不明確。我們基于1997-2015年長(zhǎng)江口全區(qū)水下地形數(shù)據(jù)計(jì)算的侵蝕和淤積通量對(duì)比初步結(jié)果顯示，研究區(qū)呈現(xiàn)總體趨于穩(wěn)定的特征，但部分年份（2011-2013）出現(xiàn)顯著侵蝕的異常。顯然，為進(jìn)一步揭示其變化規(guī)律，加強(qiáng)河口地貌監(jiān)測(cè)必不可少。長(zhǎng)江河口三角洲的變化趨勢(shì)將對(duì)上海這個(gè)特大城市的生態(tài)安全帶來(lái)巨大影響，動(dòng)力機(jī)制的不確定性也要求上海在生態(tài)之城建設(shè)中尤其需要重視能夠適應(yīng)極端環(huán)境變化的“韌性”。

3 結(jié)論與建議

數(shù)十年來(lái)，包括長(zhǎng)江三角洲在內(nèi)的世界大河三角洲地貌變化及其動(dòng)力機(jī)制和發(fā)展趨勢(shì)研究已成為國(guó)際熱點(diǎn)，吸引了廣泛關(guān)注，并取得豐富成果。對(duì)三角洲地貌侵蝕風(fēng)險(xiǎn)增大的現(xiàn)狀已達(dá)成共識(shí)，但其影響因素多樣，除海平面變化和流域水庫(kù)截沙外，大洪水、風(fēng)暴潮、熱帶氣旋、三角洲規(guī)模、沉積地層、沉積物組成、河口地形、河口工程甚至河口化學(xué)沉積等大量因素的重要作用也被識(shí)別了出來(lái)，導(dǎo)致對(duì)三角洲地貌發(fā)展趨勢(shì)的研判存在激烈爭(zhēng)論，凸顯了河口三角洲地貌演變動(dòng)力機(jī)制的復(fù)雜性。分析其原因，主要在于缺乏持續(xù)的大范圍地貌監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持，而且，各個(gè)影響因素長(zhǎng)期處于變化之中，一個(gè)因素造成的影響往往被其它因素導(dǎo)致的結(jié)果所掩蓋。因此，建議未來(lái)加強(qiáng)河口三角洲地貌監(jiān)測(cè)，并在不同動(dòng)力機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，深化不同因素間相互影響和反饋機(jī)制的研究。

此外，河口三角洲動(dòng)力機(jī)制的復(fù)雜性也為世界三角洲城市安全增加了不確定性，規(guī)劃建設(shè)能夠適應(yīng)多重極端環(huán)境的韌性城市是大勢(shì)所趨，尤其值得上海等特大三角洲城市著重關(guān)注。