长江中下游河道下切如何影响河口动力地貌？ 最新研究揭示流域极端洪水引起北支“洪而不蚀”

　　2020年长江流域遭遇自1954年、1998年以来最强烈的极端洪水，大通站峰值流量高达 84,300 m3/s。按传统认识，如此量级的长江洪水进入河口，理应增强落潮动力、冲刷北支主槽，并在一定程度上“冲开”长期萎缩淤浅的北支，对其持续淤积起到缓解甚至充填修复作用。
 
　　但华东师范大学河口海岸全国重点实验室戴志军研究员团队的最新研究指出：在北支已经长期淤积、涨潮占优的背景下，长江中下游河床下切，反而“削弱”了洪水对北支的天然冲刷功能。
 
　　自三峡及上游水库群运行以来，大通至徐六泾河段平均下切约 2.19 m。下游河床刷深后，洪水下泄更“顺”、沿程水位抬升减弱，到达河口时进入北支的径流量和落潮水量被进一步摊薄。Delft3D 四组情景实验显示：与常态比较，单纯极端洪水可使北支分流比提高 170.0%；但当“2020 年洪水”叠加“2020年已下切的河床”后，分流比反而比“未下切+洪水”情景降低 7.1%。也就是说，河床下切把洪水本来应具有的“冲淤充填”能力打了个折扣。或许这正是北支“洪而不蚀”的关键原因。
 
　　历史上长江大洪水尚能通过强径流进入北支、带动落潮输沙，减缓其淤浅；而如今，中下游河道已被水库调度和河床下切“改造”，洪水能量极可能更多被主河槽吸收，北支得到的径流份额更小、落潮冲刷集中于局部。研究结果表明，2020年极端洪水仅在弯道顶点主槽、顺直段深泓和口门沙坎等落潮动力聚焦区造成零星冲刷，整体北支展现了净淤积——年均水深由3.35 m降至2.91 m，0 m 以下河槽容积减少约6000万m³。
 
　　换言之，北支长期处在“涨潮带沙、落潮带不出”的淤积状态上；过去长江洪水是其天然的“清道夫”，现在中下游河床下切让这位清道夫的“峰头被削平”。持续的潮汐输入、围垦束窄的河道形态与上游来沙减少的共同作用，把洪水增强的落潮动力“过滤”成：局部冲、内部淤、主槽浅、深槽填。因此，这项研究的重要价值可能是：在受工程深度干预的潮控河口，极端洪水并不一定等于“冲刷解淤”。就北支而言，洪水对淤积的缓解效应正在减弱；若中下游下切与河口围垦继续发展，未来即便再遇特大洪水，北支也更可能表现为“局部冲蚀、整体淤填”。
 
　　相关成果以Morphodynamic response to extreme basin flooding and its mechanism in a tide-dominant estuary为题，发表在国际著名期刊Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics。华东师范大学河口海岸全国重点实验室张萍博士后为论文第一作者，戴志军研究员为论文通讯作者，其他作者包括河海大学水科学研究院储鏖副教授、华东师范大学河口海岸全国重点实验室梅雪菲研究员、博士毕业生汤茹男、硕士研究生任晓琼。
 
一、洪水前后北支地貌变化
 
　　洪水发生的年度地貌对比分析发现，北支呈现“局部冲、内部淤、主槽浅、深槽填”特征，其冲淤格局呈空间异质性。年均水深由3.35 m降至2.91 m，河槽容积净减少6000万m3，整体呈净淤积现象。冲淤格局表明，上游河段（崇头洲头CMZT-青龙港QLG）以沉积作用为主，沉积厚度大多超过1 m，而局部区域则出现零散的侵蚀斑块。中游河段在（青龙港QLG-灵甸港LDG）弯道顶点附近发生显著侵蚀，随后在平直河段（灵甸港LDG-头兴港TXG）河道侵蚀作用变弱。下游河段（头兴港TXG-连兴港LXG）则普遍淤积，多数沉积厚度超过0.5 m，而靠近口门的沙脊则发生侵蚀并向海迁移。
 
图1 北支地貌变化：2020年5月至2021年5月期间北支的水深变化（A-C）及沿河道深泓线的水深变化（D-E）
 
二、潮控北支的动力地貌响应
 
　　洪水前后表层沉积物的变化为理解北支地貌响应提供了重要证据。洪水前（2020年6月），北支床沙总体呈现向下游变细的趋势：上段和中段弯道区平均粒径多为3-5φ，下段顺直段普遍超过7φ，富含粉砂和黏土。洪水后（2020年8月），上段和中段表层沉积物明显粗化、分选变好，表明细颗粒物质受径潮动力被再分选；而下段则因水流放缓、潮汐输沙，成为细颗粒泥沙的汇聚区。
 
　　潮汐特征变化进一步揭示了洪水的动力效应。研究采用北支传播速度、沿程潮差变化率（RTR）和历时不对称性（γ）三个指标进行阐述。洪水前（6月）， LDG–STG 河段高潮传播速度为 15.06 m/s，QLG–LDG河段为7.92 m/s，而洪水后（8月）分别降至11.94 m/s和升至11.31 m/s。洪水期间，上段潮差沿程变化率减小幅度大于中段，而下段表现为增大；历时不对称性（γ）增大，即落潮历时普遍长于涨潮历时，且洪水引起落潮历时增长。上述变化表明，洪水改变了潮汐传播与落潮输水能力，但并未消除下段的涨潮优势。
 
图2  2020年洪水前（6月）和洪水后（8月）表层沉积物的空间分布（A、B）与沉积物类型变化（C、D）
 
图3  2020年涨落潮期间北支的月均高、低水位潮波传播速度（A、B）、潮差沿程变化率（C）及历时不对称性（D）
 
三、四种情景下的归因分析
 
　　2020年北支极端洪水期间的动力地貌响应，既发生在极端流域洪水条件下，也发生在长江中下游河道下切条件下，仅凭野外观测数据难以辨别洪水作用与河床下切的影响。因此，为量化极端洪水、河道下切及洪水与河道下切两者耦合作用的贡献，研究设计了四组Delft3D情景实验：S1（多年平均径流+2002年未下切地形）、S2（多年平均径流+2020年已下切地形）、S3（2020年极端洪水+2002年未下切地形）、S4（2020年极端洪水+2020年已下切地形）。通过两两对比，实现对“下切贡献”“洪水贡献”“耦合贡献”的定量归因。
 
　　模拟结果表明：与S1方案相比，S2方案“2020年已下切的河床”使分流比降低了11.3%，这表明在平均径流条件下，河道下切状态降低了北支的径流分流比。与S1方案相比，S3方案“2020年洪水”使分流比增加了170.0%，落急流速上升37.03%，平均潮差下降 3.75%。北支整体泥沙输移量减少 6.16%，泥沙输移方向在CMZT处由向陆转为向海输运，但在LXG附近仍保持向陆输运，这表明上游河道局部出现向海输运，但总体向陆输移的格局未发生改变。S4情景“2020年洪水”叠加“2020年已下切的河床”相较于S3方案仅“2020 年洪水”，分流比减小 7.1%，表明长江中下游下切引发北支分流比减小，洪水能量极可能更多被主河槽吸收。
 
图4 四种情景下的水动力及泥沙输移响应。（A）分流比；（B）平均潮差；（C）泥沙输移；（D、E）相对于S1的涨急与落急流速的空间变化。正的泥沙输移表示向陆地方向的输移
 
四、洪水与河道下切耦合的北支地貌变化机制
 
　　极端洪水条件下，北支地貌响应受增强径流与持续性潮汐动力的共同调控，并受制于长江中下游河床下切带来的河道演变、流域供沙条件及北支河槽形态的叠加影响。上游洪水径流本可驱动北支细颗粒床沙发生再悬浮与分选；在弯道顶点、中段深泓、口门沙坎等落潮动力集中区域，泥沙随落潮流向海输移，形成冲刷态势。但中下游河床下切削弱了洪水向北支的径流分配，叠加围垦塑造的固定河槽边界与下游强劲潮汐输沙补给的双重约束，泥沙向海输出“受限”，被搬运的泥沙转而在河道展宽段、浅槽及河槽边缘重新落淤。
 
　　显然，2020年极端洪水难以在北支形成向海冲刷或单向向海输沙梯度，而是引发泥沙沿程再分配，呈现冲淤相间的空间格局：局部区域冲刷与床沙再悬浮作用增强，但中下游河床下切造成北支径流动力“削弱”，大量泥沙滞留于河道内部或下游发生淤积，北支长期处在“涨潮带沙、落潮带不出”的淤积状态上，最终把洪水增强的落潮动力“过滤”。该机制与观测结果吻合，即北支整体表现为局部冲刷、深槽淤浅、整体淤积，同时表层沉积物粗化。
 
图5 不同情景下北支地貌变化模式示意图
 
　　研究首次系统揭示了长江中下游河道变迁对北支地貌的调整机制，为理解人类活动与气候变化双重压力下潮控河口的洪水响应提供了重要科学依据。未来，可以结合事件尺度的连续地形监测与同步水沙观测，发展能够直接模拟河床演变的耦合模型，以更精确地预测极端洪水、潮汐、风暴潮与海平面上升联合作用下的河口地貌演化趋势。
 
　　本研究得到了国家自然科学基金重点项目（42430406）等基金的资助。