高浊度河口水沙动力互馈作用研究
河口是陆海水沙汇聚之地，细颗粒泥沙来源丰富，动力强劲，易于形成最大浑浊带及高浊度水体。最大浑浊带对河流入海泥沙、营养盐和污染物等物质具有重要的捕获和过滤作用，影响陆海相互作用及河口动力地貌演变。
长江口最大浑浊带的含沙量平均可达1 kg/m3，近底层含沙量甚至高达10-100 kg/m3。这样高的含沙量及其垂向梯度预计可能增加水体密度及其层化，进而影响动力结构。以往研究认识到垂向盐度和含沙量密度梯度具有紊动制约效应，会减小床面有效阻力，从而有利于潮汐传播。此外在河口航道疏浚导致的水深增加影响下，潮汐动力与垂向含沙量密度梯度相互作用可促进近底高浓度发育，进而导致河口从较低浊度向较高浊度转型的“雪球效应”。这一现象发现于潮控的中小型河口，对于长江口而言，其独特性在于径流大、潮汐强，河流来沙为主，径流和潮汐及盐淡水相互作用强，河口人类活动剧烈且多样，河口面临河流减沙及含沙量减少的变化。因此问题是：盐度密度梯度作用背景下，高含沙量密度效应如何作用？是否因减沙及含沙量减小而发生阻力反弹，从而影响动力结构变化？
针对这些问题，以长江河口这一高浊度河口为研究对象，结合实测潮汐、泥沙和地形数据，同时建立三维水沙动力数值模型开展系列机制探讨模拟研究（图1），系统认识了近30年来长江河口潮汐动力变化、含沙量响应特征及水沙相互特征与机理，揭示了悬沙密度效应对河口水动力的重要反馈作用及人类活动影响等作用机制。
长江口水沙动力演变特征与机理
基于长江河口近30年潮汐、含沙量和地形等长序列实测数据（图2），结合潮汐动力数值模拟，分析了长江河口口内和拦门沙的潮汐动力与含沙量分布响应差异。
研究结果表明因流域减沙，口内含沙量减幅高达70%，河槽冲刷加剧，二者分别导致床面阻力的增大和减小，对潮汐传播起到相反的作用，而潮汐传播在1990-2010与2010-2020两个阶段分别表现为衰减减弱和增强，可与各期间占主导的水深增大与含沙量减小对应，体现了流域减沙的控制作用下河口动力与地貌之间的耦合调整过程。拦门沙区域具有显著的滞后响应特征（Zhu et al., 2019），其潮汐动力变化也在2010前后两个阶段表现不同，其中，1996-2010年潮汐衰减增强，2010年后潮汐衰减较弱，两个阶段潮汐变化受地形变化影响较小，但分别与各期间阻力的增大与减小一致。模拟得出前期航道疏浚工程实施期间导堤和丁坝引起的形态阻力增大40%，与此同时，河槽近底高浓度逐渐发育，并在2010年后高含沙制紊减阻60%占主导地位，反映了拦门沙潮汐演变对地形、含沙量和工程等变化的复杂响应关系。该研究探讨了流域减沙影响下含沙量时空变化对潮汐衰减的影响，阐明了长江河口潮汐动力变异的分段响应特征，揭示了流域减沙和河口工程导致的阻力变化对潮汐空间分段响应的控制机理。研究成果发表于Journal of Geophysical Research: Oceans（Zhu et al., 2021a）。
高浊度水体水沙相互作用机理
最大浑浊带含沙量在流域减沙和河口航道疏浚等工程的共同影响下在表底层表现出复杂的响应过程，针对纵垂向含沙量引起的密度梯度差异对水动力的影响，采用数值模型解析背后的作用机理。然而，考虑到含沙量纵垂向结构受到径潮流来沙供给及床面泥沙交换的双重影响，其中床面泥沙交换由于河床侵蚀和固结等复杂泥沙动力难以模拟，且常用的数学模型设置初始床面模拟的浑浊带发育演变对径潮动力的敏感性较低，本研究设置无初始床面（“来沙供给限制”模式），并简化床面泥沙交换过程为物理参数后使模型达到径潮流动力作用下的相对平衡，经现场水沙动力和地形观测数据验证，建立了三维水沙动力地貌数值模型，探索了径潮流主控的大型高浊度河口悬沙密度效应。
研究发现悬沙密度效应显著影响最大浑浊带的纵向延伸及泥沙捕集，这分别与纵向、垂向含沙量密度梯度效应密切相关，纵向、垂向含沙量密度梯度反馈作用于水动力环流、潮差和盐度层化，分别对最大浑浊带发育演变起到抑制和促进作用（图3）。此外，悬沙密度效应在潮汐不对称和床面泥沙交换作用下，影响最大浑浊带泥沙的捕集和位置的移动（图4），悬沙密度效应在涨憩占优的潮汐不对称作用下促进最大浑浊带向口内移动，近底泥沙浓度升高显著增强河口环流对泥沙捕集的贡献，改变了最大浑浊带泥沙捕集的主控机制。该研究揭示了高浊度河口含沙水体密度梯度对层化环流结构及泥沙输移的反馈作用机理，研究成果发表于Journal of Geophysical Research: Oceans（Zhu et al., 2021b, 2022）。
研究亮点小节
结合实测水沙地形数据分析和三维水沙动力数值模型，阐明了长江河口中长期潮汐动力衰减时空响应特征，明晰了流域减沙引起的河口冲刷和河口工程形态阻力对潮汐分段响应的控制机制，揭示了高浊度河口悬沙密度效应对水动力层化、环流结构和泥沙输移影响的作用机理。本研究探索了水沙动力耦合作用过程和机理，为系统认识河口水沙动力及地貌演变和人类活动影响研究奠定基础。
研究工作受到科技部中荷战略合作项目“转型中的河口三角洲 Coping with deltas in transition”（No. 2016YFE0133700, PSA-SA-E-02）、国家自然科学基金重点项目（No. 51739005和U2040216）和上海市科委重点研究资助项目（No. 19QA1402900, 20DZ1204700）的支持。
- Zhu, C., Guo, L., van Maren, D.S., Tian, B., Wang, X., He, Q. and Wang, Z.B., 2019. Decadal morphological evolution of the mouth zone of the Yangtze Estuary in response to human interventions. Earth Surface Processes and Landforms, 44(12), 2319-2332.
- Zhu, C., Guo, L., van Maren, D.S., Wang, Z.B. and He, Q., 2021a. Exploration of decadal tidal evolution in response to morphological and sedimentary changes in the Yangtze Estuary. Journal of Geophysical Research: Oceans, 126(9), p.e2020JC017019.
- Zhu, C., van Maren, D.S., Guo, L., Lin, J., He, Q. and Wang, Z.B., 2021b. Effects of sediment-induced density gradients on the estuarine turbidity maximum in the Yangtze Estuary. Journal of Geophysical Research: Oceans, 126(5), p.e2020JC016927.
- Zhu, C., van Maren, D.S., Guo, L., Lin, J., He, Q. and Wang, Z.B., 2022. Feedback effects of sediment suspensions on transport mechanisms in an estuarine turbidity maximum. Journal of Geophysical Research: Oceans, p.e2021JC018029.
作者介绍：朱春燕，2021年博士毕业于荷兰代尔夫特理工大学，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室博士后。主要从事人类影响下河口水沙和动力地貌演变研究，在Earth Surface Processes and Landforms和Journal of Geophysical Research: Oceans发表第一作者论文4篇，在2021国际细颗粒泥沙会议(INTERCOH)获最佳报告Krone奖提名，在2021国际河口海岸学会议(ICEC)获最佳海报奖。入选博士后国际交流计划引进项目。