科研进展 | 长江水下三角洲冲淤及其对盐输运和热带气旋的响应

近期，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室汪亚平教授团队在海洋学主流期刊JGR-Oceans、Journal of Hydrology和Marine Geology发表系列原创成果，揭示了长江水下三角洲地貌变化的敏感区域及盐度锋和热带气旋的影响机理。

研究成果

河口三角洲地貌演化的主控因素包括陆源物质供应（淡水和沉积物）、海洋过程（潮汐、风浪等）以及人类活动（流域建坝、河口工程等）。近几十年来，由于河流沉积物供应的减少，世界大部分大河三角洲正面临侵蚀的风险。除了远端泥，水下三角洲前缘是河流沉积物向海搬运、堆积最远的区域，对受沉积物供应变化较为敏感。基于历史地形数据和浅地层地球物理探测资料，研究揭示了现代长江水下三角洲内的海底侵蚀可分为四个部分：区域i为杭州湾北部至南槽南部的向海区域及北支以外的向海区域，区域ii为南槽至北槽向海区域及东海大桥邻近区域，区域iii为北槽至北港的向海区域，区域iv为口外V形谷以东南和第iii区邻近的区域。其中，区域i、ii、iii为浅水区侵蚀，主要与入海沉积物减少和波浪作用有关（图1）；区域iv对应的是深水区侵蚀，主要受长期波流共同作用的影响（Feng等，2024）。

图1 现代长江水下三角洲侵蚀分区

此外，河口三角洲前缘位于盐淡过渡地带，存在强斜压效应。研究人员建立盐度坐标下长江口交换流与盐混合算法，发现常用的欧拉法会显著低估盐通量，这是因为欧拉法在计算净盐通量时没有包括潮泵作用导致的向陆盐通量。长江河口水体混合因巨大的径流量主要发生在口门附近河口三角洲前缘，河口水体混合在洪季强于枯季，不同河道分支内体积积分的河口水体混合与对应通道的淡水流入体积通量成正比。最强的混合发生在北港口门附近，约有58%的淡水从这里流入外海，是长江口主要的淡水通道（图2）。因此，在北港口外形成显著的盐度锋，尤其底部盐度锋常年处于10m等深线位置，这一区域附近为流速和沉积物辐聚区（Chang等，2024）。

图2 根据2018年7月（洪季，左图）和12月（枯季，右图）的模型结果计算得到的（a和b）大潮与（c）小潮平均的表层盐度和流速分布图（红色箭头代表每10个网格点的流速，黑色箭头代表月平均的风速）；d为底部盐度水平梯度，显示盐度锋位于10m等深线附近。在热带气旋途经长江口海域期间，风驱海流、潮流和风暴浪的耦合效应会在海底产生非常大的近底部剪应力（常超过海底沉积物的临界起动切应力），导致水下三角洲浅水海域发生强烈的海底侵蚀。已有研究表明，未来热带气旋将更频繁、更强烈地影响中纬度河口。研究人员通过在长江水下三角洲投放座底三脚架阵列（图3a）开展原位观测，发现长江水下三角洲前缘在热带气旋（2019年Danas台风，图3b）期间发生了快速侵蚀，然而侵蚀程度在空间上具有显著差异。为解释底床侵蚀在空间上的变化，理解其与河口动力之间的联系，研究人员构建了斜压水动力-沉积地貌耦合模型系统（FVCOM-SWAVE-SED），进一步探讨河口水下三角洲地貌的风暴响应机制。

图3 (a) 研究区：长江水下三角洲前缘。S1-S4为三脚架阵列位置。(b) 台风 Danas 过境期间的海表面风场。(c)在长江水下三角洲200 海里范围内经过的不同台风路径，红线为Danas的路径。原位观测结果表明，长江水下三角洲前缘在风暴期间可发生快速侵蚀（20mm d-1）。基于数值模型，揭示长江口水下三角洲地貌的风暴响应空间格局有两个显著特点：1) 北港外底部盐度锋面处易发生快速的底床淤积；2) 南槽外20-30m等深线附近侵蚀最为明显（图4）。进一步分析表明，热带气旋期间，沉积物再悬浮增强，在锋面流作用下，北港底部盐度锋面附近的沉积物通量辐聚增强，从而发生沉积物快速堆积。而在南槽外，内陆架自北向南变宽，在风暴下降流风场的作用下，会由地形诱导产生沉积物通量的辐散，从而导致该海区的快速侵蚀。类似侵蚀过程在长江口多数风暴期间普遍存在，因此未来热带气旋威胁的加剧可能会进一步导致该地区的侵蚀（Tang等，2023）。

图4.（a）热带气旋前、（b）热带气旋期间 和（c）热带气旋后床面高程变化率的空间分布。

研究团队及资助

上述成果的第一作者分别为华东师范大学河口海岸学国家重点实验室博士生汤碧璇、常洋和冯威，通讯作者包括汪亚平教授、张凡副研究员、刘世昊研究员，合作作者包括贾建军研究员、冯志轩研究员、杨海飞研究员、李为华高级工程师和邢飞博士后等。本研究得到国家自然基金委杰出青年科学基金、长江水科学联合基金和上海市教育委员会重大项目等资助。

文献信息

Bixuan Tang, Fan Zhang, Jianjun Jia, Zhixuan Feng, Jieping Tang, Fei Xing, Ya Ping Wang, 2023. The role of tropical cyclone on Changjiang River subaqueous delta geomorphology: A numerical investigation of tropical cyclone Danas (2019). Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2022JC019190.

Yang Chang, Xiangyu Li, Ya Ping Wang, Knut Klingbeil, Weihua Li, Fan Zhang, Hans Burchard, 2024. Salinity mixing in a tidal multi-branched estuary with huge and variable runoff. Journal of Hydrology, 634: 131094.

Wei Feng, Shihao Liu*, Weihua Li, Haifei Yang, Yufeng Chen, Ya Ping Wang, 2024. Seismic investigation uncovers formation and spatial distribution of seafloor erosional features on the Changjiang (Yangtze) River subaqueous delta. Marine Geology, 470: 107268.