世界河口三角洲地貌演變動力機制綜述

黎 兵

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

近百年來，世界大河三角洲普遍出現地面沉降或海岸侵蝕問題[1-2]，三角洲城市遭受洪澇災害、岸線蝕退、濕地損失和基礎設施破壞等的風險顯著增大[3-4]。作為全球最廣泛的生態系統——灘涂在過去30年內消失了16%[5]。這些關乎城市生態安全的威脅促使三角洲地貌演變研究成為數十年來的國際熱點。

為了揭示三角洲演化動力機制，并預測其發展趨勢，密西西比河[6]、湄公河[7]、亞馬遜河[8]、黃河[9]和長江[10-11]等世界大河三角洲都開展了大量研究。然而，針對流域水庫截沙的影響[12]、河口工程的貢獻[13]以及海岸侵蝕的發展趨勢[14]等關鍵科學問題仍存在著激烈爭論，河口三角洲地貌演變過程極其復雜的一面逐漸被國內外學者接受[15]。

1 三角洲地貌演變動力機制的復雜性

多數學者認為，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，是當前導致大河三角洲地貌退化的主導因素。而河流入海輸沙量被認為存在一個閾值，是河口三角洲地貌能否保持平衡的關鍵[17-19]。然而，隨著各角度研究的深入，前述觀點不斷面臨新的挑戰，影響河口地貌演變的大量其它重要因素逐漸被揭示出來，包括氣候條件、沉積物、三角洲規模、三角洲地形和河口工程等諸多不同方面，使得問題的復雜性和爭議進一步凸顯。Harrison等[15]針對新西蘭落潮三角洲進行了長達5年的視頻觀測，甚至得出在年際時間尺度上，三角洲地貌演變與任何特定的環境因素均沒有顯著相關性的結論，為該領域的廣泛爭議提供了注腳。

1.1 氣候條件

流域大洪水、熱帶氣旋和風暴事件等氣候影響的研究更加受到關注。Kim等[20]和Mei等[21]認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]進一步論證了熱帶氣旋導致的流域降雨是影響河流入海輸沙的重要因素，對河口三角洲地貌發展具決定性作用；Dai等[23]和Hu等[24]則強調了短期風暴事件會大幅加劇海床侵蝕，進而改變河口地貌。

1.2 底質沉積物

針對底質沉積物的影響也開展了系列研究，取得豐富成果。如不同動力條件主導形成的底質地層層序和沉積相控制著灘涂地貌的演化[25]；底質沉積物中砂質和泥質含量的差異甚至會形成兩種截然不同的河口地貌類型[12,26-27]；亞馬遜河三角洲化學過程形成的自生黏土礦物對沉積物重量的貢獻達到3%以上[28]；沉積物絮凝作用強烈影響三角洲地貌，沉積物粘性差異決定了三角洲地貌的不同類別[1]。

長江口地區表層沉積物臨界侵蝕剪切應力隨深度變化緩慢[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 三角洲形態與河口工程

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

1.4 入海泥沙減少的爭議

對于當前最敏感的入海泥沙減少問題，Nittrouer等[12]甚至認為河流入海輸沙減少并未構成事實，通過河流下游的補償，輸入河口三角洲的沙量在未來數百年內都不會急劇減少。這與長江末端565km河槽在15年內（1998-2013）侵蝕了25.9×108t泥沙[36]，為長江口提供了泥沙補償的特征是一致的。

然而，近年美國Elwha河上兩座巨型水庫被拆除后，Ritchie等[37]對水庫原來攔截的泥沙開展了為期5年的跟蹤監測，發現這些水庫中約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（10%）堆積在河流中。至少說明入海泥沙量與流域水庫攔截泥沙的作用關系密切。這與流域水庫截沙不會減沙入海泥沙的觀點存在沖突，進一步凸顯了河口三角洲地貌控制因素的復雜性。對長江口而言，Jia等[38]認為過去百年來長江輸運入海的泥沙30%都堆積在河口地區。

1.5 三角洲地貌演變趨勢的爭議

由于對三角洲地貌演變主導機制的認識不同，對其發展趨勢的判斷自然存在爭議。主要存在三種觀點：（1）河流入海泥沙進一步減少，疊加海平面持續上升的影響，河口三角洲在未來幾十年[10,29]甚至10多年內[35]將發生強烈侵蝕。即使河流入海輸沙量得到恢復，三角洲的強烈侵蝕仍然不可避免[6]；（2）由于河流或河口外[12,23,39]的泥沙補償，以及表層沉積物下部沉積物侵蝕臨界剪切應力的大幅增強[30]，河口三角洲地貌侵蝕將緩慢進行。密西西比河三角洲在未來600年內減沙幅度甚至不會超過17%[12]，三角洲退化和土地損失將不會那么悲觀；（3）因為大洪水和風暴潮等極端氣候事件的不可預測性，河口三角洲未來變化趨勢具不確定性[21,40]。

2 長江河口三角洲地貌演變的主導機制

作為世界大河三角洲，長江三角洲過去取得了豐富的研究成果，受到國內外特別關注。主要原因在于：（1）長江口地區積累了1842年以來的大量歷史海圖[41]；（2）建國后對長江口水下地形、動力條件和流域水文條件[42-44]都進行了持續監測；（3）長江口地區建設了大量重大工程[45]。這些條件對恢復長江口地貌演化過程、識別流域人類活動和河口工程影響都提供了有利條件。

2.1 長江河口的復雜動力條件

過去的研究恢復了水動力影響下河口泥沙的堆積和侵蝕過程。徑潮流在攔門沙地區相遇形成消能帶降低水動力利于泥沙沉積導致攔門沙發育，河水水團和陸架水團混合形成河口混合水團，出現鹽水楔和最大渾濁帶[33]，進而加速細粒沉積物發生絮凝沉降促進了攔門沙的發育[46]。已有研究也在長江水下三角洲前緣發現沉積物粗化現象[47]，被認為是細粒泥質沉積物被水流攪動發生再懸浮搬離，而粗粒沉積物難于起動滯留原地所致，是海床侵蝕的結果[11,47]。

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

2.2 地貌演變的主導機制

結合水沙變化，前人根據利用數據年份的不同將長江口地貌演變過程劃分成各自不同的演化階段，并討論了主要控制機制。

多數學者[10,17,23,35,53,57]認為，過去數十年來，研究區淤積速率不斷降低，并在三峽大壩蓄水的2003年前后（由于利用數據年份不同，介于1997～2007年間）發生由淤積主導向侵蝕主導的轉變。

Yang等[29]通過對長江口流體動力學進行監測為長江口外的凈侵蝕提供了證據。其結果顯示，正常天氣期間河床剪切應力超過侵蝕臨界值的時間占總觀測時間的63%，風暴高峰期間甚至達到100%，且在幾米深度內，隨深度增加的臨界侵蝕剪切應力增加非常緩慢。對其原因，流域50,000個大壩（尤其是三峽水庫）建設導致的入海輸沙減沙[17]被認為是長江三角洲地貌發生退化的主導因素。

在這一背景下，預測未來數十年長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]，甚至有模型預測河口內和口門地區將在2030年前發生大規模侵蝕[35]。

也有學者持不同觀點，認為長江口水下三角洲受流域水庫建設等人類活動的影響微乎其微，長江中下游河道侵蝕泥沙進行了補償[36]，其已由泥沙的“匯”轉變為“源”，被侵蝕的泥沙中50%進入河口地區[39]，加之河口外侵蝕也為河口地區的泥沙堆積提供了重要來源[10,23]，使得河口門地區對來沙減少的響應至少滯后10年[58]，對未來地貌演變趨勢的判斷更強調特大洪水或風暴潮等極端事件的影響[21,23,39,40]。

因此，對長江河口演變機制的研究目前仍處于激烈爭論中，導致對未來的研判尚不明確。我們基于1997-2015年長江口全區水下地形數據計算的侵蝕和淤積通量對比初步結果顯示，研究區呈現總體趨于穩定的特征，但部分年份（2011-2013）出現顯著侵蝕的異常。顯然，為進一步揭示其變化規律，加強河口地貌監測必不可少。長江河口三角洲的變化趨勢將對上海這個特大城市的生態安全帶來巨大影響，動力機制的不確定性也要求上海在生態之城建設中尤其需要重視能夠適應極端環境變化的“韌性”。

3 結論與建議

數十年來，包括長江三角洲在內的世界大河三角洲地貌變化及其動力機制和發展趨勢研究已成為國際熱點，吸引了廣泛關注，并取得豐富成果。對三角洲地貌侵蝕風險增大的現狀已達成共識，但其影響因素多樣，除海平面變化和流域水庫截沙外，大洪水、風暴潮、熱帶氣旋、三角洲規模、沉積地層、沉積物組成、河口地形、河口工程甚至河口化學沉積等大量因素的重要作用也被識別了出來，導致對三角洲地貌發展趨勢的研判存在激烈爭論，凸顯了河口三角洲地貌演變動力機制的復雜性。分析其原因，主要在于缺乏持續的大范圍地貌監測數據支持，而且，各個影響因素長期處于變化之中，一個因素造成的影響往往被其它因素導致的結果所掩蓋。因此，建議未來加強河口三角洲地貌監測，并在不同動力機制研究的基礎上，深化不同因素間相互影響和反饋機制的研究。

此外，河口三角洲動力機制的復雜性也為世界三角洲城市安全增加了不確定性，規劃建設能夠適應多重極端環境的韌性城市是大勢所趨，尤其值得上海等特大三角洲城市著重關注。