河口海岸地处海陆交互区域, 是地球系统的重要组成部分。三角洲是重要的河口海岸子系统, 也是人类文明的重要发源地之一; 三角洲城市群是当今社会的人口密集区和经济重地, 对社会、经济发展, 生态系统维持具有不可替代的作用, 国际未来地球海岸计划(Future Earth Coasts)更是将“三角洲”作为针对特殊海岸带区域的5大“科学热点”之一[1-2]。

在自然背景下, 河口三角洲形成演化受原始地形、河流入海物质通量、河口沉积动力过程及海面变化等因素的共同影响[3]。全球范围内全新世三角洲演化具有一定的共性, 主要发育于高海面以来的6~7 ka时期, 其系统特征表现为海面相对稳定、陆域和海域沉积物来量数量级基本恒定[4-5], 同时也具有鲜明的区域特征[6]。自20世纪50年代以来, 气候变化和高强度人类活动使得河口地形、入海物质通量、沉积动力过程及海面变化等因素都变得更加复杂[7-8]; 频发的极端气候事件对三角洲演化进程也有深刻的影响, 进一步降低了三角洲系统特征的可预测性[5]。

在全球气候、海面变化和人类活动不断增强的背景下, 陆相沉积物输入的减少及海相动力的增强已导致河口三角洲沉积物源-汇模式转变, 世界范围内的三角洲呈现出转淤为冲、沉降加剧、生态退化加重的情势[9-10], 表明河口三角洲的系统状态正在发生转换, 海岸带经济、社会的现有发展模式或将难以持续。以地处长江三角洲的上海为例, 交通、城市建筑的拥挤程度逐年增长, 生产用地已接近极限, 围垦也使得海岸带生态系统结构和功能逐步退化[11], 三角洲物理增长的可持续性及其对经济社会发展支撑力的可持续性都受到了严峻的挑战。另一方面, 在全球气候与海面变化的背景下, 海岸带灾害呈现加剧趋势; IPCC预测的平均全球海面上升幅度约为3 mm/a, 其背后隐藏的危机对当代人似乎仍很遥远, 而海面变化是两极冰盖的系统行为, 格陵兰冰盖目前面临着系统崩溃、短时间融化殆尽的风险, 未来海面变化事件对河口三角洲系统将有远程效应。此外, 流域和河口的大规模人类活动, 也将三角洲地区日益集中的财富暴露于自然灾害的威胁之下。因此, 针对这种新情况, 迫切需要对海岸带、特别是河口三角洲演化过程的相关基础科学问题展开研究, 揭示河口三角洲系统状态转换的过程和机理, 提出新的理论和应对策略, 预测新状态下的三角洲演化趋势, 以此为基础构建人与自然高度和谐、资源高效利用并优化配置、生态系统健康稳定、可持续地支撑经济社会文化发展及繁荣的三角洲状态, 实现未来“海岸带蓝图重绘”、特别是“三角洲蓝图重绘”。

河口三角洲是由河流携带的沉积物在河口交汇处堆积而成, 包括陆上三角洲和水下三角洲, 以及经过浪、潮、流等海洋动力改造后的有关堆积体的总和[12]。传统地貌学家依据陆上三角洲的形态和海洋动力组合, 识别出河控、潮控和浪控等三个端元, 认为三角洲不外乎上述端元及其过渡类型[13](图 1), 这是一种静态的认识。Penland等[14]首次将相对海面变化纳入到三角洲的分类研究中, 标志着强调海面变化动态研究的开始。从现代过程的视角来看, 三角洲系统可由一系列边界条件和动力过程的组合所决定的状态函数来刻画, 如海面变化、沉积物供给、三角洲生长空间、海岸动力、河口羽状锋特征等[7, 15]。换言之, 早期静态分类方案可视为对三角洲在某一时空尺度的“拍照”行为, 而系统的、深刻的理解应包括时间和空间的变化, 即三角洲系统状态的改变会使得某种形态的三角洲演变为另外一种形态[16]。例如, 始于潮控环境的三角洲生长壮大之后, 可能会直面开敞的陆架环境而演变为浪控型[17]。

总结起来, 近期三角洲研究的进展主要体现在如下几个方面: ①基于物质守恒原理和统计资料, 建立经验化、半定量模型来刻画三角洲演化, 或者发展特定参数化的定量模型, 来探索三角洲地貌发育的过程和机理; ②采用约简技术, 进行千年尺度的三角洲演化模拟; ③考虑人类活动和全球变化影响, 提出三角洲状态评估和应对策略。

中国学者对三角洲研究也做出了重要贡献, 获得的主要新认识包括: ①河口三角洲形成需要有一个沉积物临界入海通量, 其值与三角洲演化的阶段有关[18]; ②河流三角洲的范围实际上可以远超过经典河口三角洲区域, 其演化是按照河口湾、河口三角洲、水下三角洲、陆架远端泥的顺序, 全新世高海面时期之后, 首先入海沉积物充填河口湾, 然后堆积河口与水下三角洲, 再往后沉积物大规模溢出河口, 被陆架环流沿岸输送至较远场所, 形成泥质沉积[19]; ③河流三角洲被定义为特定河流的入海物质在河口和邻近陆架所形成的堆积体, 据此认为远端泥是其重要的组成部分, 其揭示了河流三角洲演化的阶段性[20-21]; ④低海面时期的河流三角洲, 也可能是由陆上三角洲、水下三角洲和远端泥所组成, 因此, 有必要建立区分水下三角洲和远端泥的沉积指标[20]。

从地貌学角度看, 长江三角洲范围由三个部分组成。首先是陆上三角洲, 包括百年尺度内处于冲淤演变的区域, 如河口沙岛、海岸湿地等。其次是水下三角洲, 其范围自口门向外, 前端最远可达50~60 m等深线附近。第三部分是远端泥沉积, 沿浙闽海岸向西南一直延伸到台湾海峡中部。长江三角洲沉积体的形成、演化与海面变化、流域物源供应和气候变化等有着密切的关系[22]。

长江三角洲体系开始形成于距今7~8 ka, 随着海面的持续上升而生长, 但沉积物堆积速率低于海面上升速率, 三角洲前缘的梯度逐渐增加; 6 ka年以来海面基本稳定, 相对有限的长江入海沉积物主要用于充填长江中下游流域河谷和冲积平原以及河口的沉积盆地, 河口-陆架沉积体系的生长速率较低[3]; 距今2 ka左右, 人类活动开始加强、流域水土流失不断加剧, 长江入海沉积物显著增加并进入开敞陆架区, 使长江三角洲和东海内陆架泥区进入了快速生长阶段。然而, 如果人类活动是影响入海沉积物通量的决定因素, 理论上在沉积物物源供应充足条件下, 长江三角洲的演化模式为向海持续淤长(图 2), 即2 ka年以来长江三角洲河口向海推进速率应该一直呈现显著增加的态势, 但是历史记录研究表明南汇东部岸线在AD 1172~1733和崇明东滩在AD 825~ 1762期间却呈现缓慢的推进状态, 推进速率只有2 m/a左右[23]。可见长江三角洲长期的岸线变迁具有阶段性, 且影响岸线变迁的因素十分复杂, 还需要考虑海面升降、气候变化和沉积物来量变化等因素。

目前, 国内外学者针对长江三角洲平原海岸特征与演化、沉积动力过程与海岸地貌演变、海面上升造成的海岸浸淹、动力加强导致的海岸侵蚀、水库与调水工程导致河流入海水沙减少, 入海输沙量减少引起的沉积-地貌体系变化、风暴潮与盐水入侵灾害、陆源污染与海岸环境变化等均进行了广泛的研究[21, 26-28]。但是, 上述研究的基本前提是认为整个长江三角洲系统状态保持稳定、或保持淤涨或冲淤平衡的基础之上; 至于系统状态失衡乃至冲淤状态发生转换后, 长江三角洲及其邻近沉积体系相互关系的调整, 沉积动力环境的变化, 以及地形、地貌、生态系统的改变尚缺乏深入研究。

我们认为, 长江三角洲系统状态转换具体表现在如下四个方面: ①维持长江三角洲整体向海推进的沉积物供应条件已经不复存在, 水下三角洲已进入蚀退状态[29]; ②人类活动对长江河口地形和地貌的改造(如围填海、深水航道治理工程等), 深刻地影响了长江口的地貌格局, 改变了沉积物分配和河口动力; ③陆上开发活动(地下水开采与城市建设)加剧了地面沉降, 使得相对海面上升的危害与风险加剧; ④全球变暖导致海面上升加速, 极端事件发生的频率和强度增加, 海岸带风险管理的压力日益增大[30]。

由此可见, 基于长江三角洲的系统状态稳定而获得的有关三角洲演化、沉积物输运、沙洲-潮滩淤涨的理论, 乃至沿岸围垦规划、海岸防护和生态保护等资源环境策略都已不能适应当前情况, 因而需要对三角洲系统状态转变中的三角洲输入条件的变异与响应、长江三角洲系统源汇状态的改变及动力机制、地貌冲淤演化等问题进行深入研究。

在全球变暖的背景下, 海面正在加速上升, 严重威胁着沿海地区城市的生存发展。尤其是长江三角洲等经济发达、人口密集区域, 海面上升所带来的问题更为严重。中国国家海洋局沿海海面监测数据显示[31], 1980—2017年中国沿海相对海面平均上升速率为3.3 mm/a, 高于同期全球水平。而上海沿海海面相比于常年(1993—2011年)上升60 mm, 且各月波动较大, 其中10月海面更是到达1980年以来同期最高值。如果考虑两极冰盖动态及其远程效应, 未来海面上升速率可能会更高。

海面上升将导致沿海地区海岸和潮滩的侵蚀, 引发咸水入侵等问题, 如果叠加上热带风暴的影响, 可能引发更为严重的风暴潮和洪涝灾害, 威胁着长江三角洲地区的人口和居住地安全[32]。数值模拟显示, 长江口海面上升10~16 cm后, 崇明岛所受影响最大, 最高排涝水位将上升3~5 cm, 长兴岛次之, 横沙岛所受影响最小[33]。综合分析表明, 按照IPCC对海面上升的预测结果, 2050年崇明东滩6%~20%的面积将会被淹没, 而2100年将达到11%~39%[34]。长时间尺度来看, 海面上升和地面沉降是洪涝灾害的主要影响因素[35], 因此三角洲演变对海面上升的响应不容忽视, 需要有更准确的预测和完备的应对预案。

自1975年以来, 长江三角洲的工程建设活动呈明显增加趋势, 如北槽深水航道工程, 长兴岛青草沙水库工程, 横沙东滩、崇明东滩和南汇东滩围垦工程等一系列人类活动, 加上长江流域的大坝建设调节入海水沙总量及其年内分配, 深刻地影响了长江口的地貌格局[36], 改变了沉积物分配和河口动力[37], 影响了潮滩演变[38]。

20世纪50年代以来, 上海已围垦约1 000 km2的潮滩, 相当于全市陆地面积的15%[29]。这一时期长江三角洲潮滩面积整体上呈降低趋势, 但存在区域性差异:崇明东滩、横沙浅滩及南汇边滩面积减少, 而九段沙潮滩面积几乎翻倍。人类活动对于河口三角洲地形和岸线变化的影响较为复杂, 在短时间尺度上是主导因素, 在河口三角洲演化模拟中, 应将人类活动纳入三角洲模拟的边界条件或驱动因子, 才能对长江三角洲系统演化进行更为准确的预测。

长江水下三角洲作为长江入海沉积物向浙闽沿岸泥区输运的中转站, 即使在达到地貌均衡态(生长极限)的情况下, 仍需要一定数量的流域沉积物供给, 以提供给浙闽沿岸泥区和长江河口的潮滩。研究表明, 长江三角洲沉积环境保持稳定的临界输沙率为3.0×108 t/a量级[39]。由于流域开发、南水北调工程、梯级建坝拦截沉积物的影响, 长江大通站沉积物通量已经减少到器测记录以来的最低值:三峡大坝截流以来大通站平均年输沙量(1.4×108 t/a, 2003—2016年)仅约为60 a平均值(3.9×108 t/a, 1951—2010年)的1/3。目前维持长江三角洲整体向海推进的沉积物供应条件已经不复存在[39-41], 水下三角洲局部区域已进入蚀退状态[42], 系统状态已经发生了从量变到质变的变化。然而, 上述水沙通量数据均是在距离河口600 km以上的大通水文站获得的, 这忽略了从大通到河口段受潮汐影响的面积可观的流域。为了更加精确地估算出长江水沙入海通量, 今后应该加强在河口区, 特别是徐六泾断面的通量观测[43]。

因研究的时空尺度不同, 对河口区沉积物输运和堆积过程的认识仍存在差异。长江三角洲因河流来沙减少而呈现的侵蚀主要集中在内河口区, 河口浅滩区在近几十年中始终淤涨[45]。有研究表明, 建坝对河口潮滩冲淤进退的影响不大, 河口最大浑浊带稳定且充足的悬沙足以支撑潮滩淤涨[37, 46-47]。而有学者主张, 入海沉积物的减少将伴随长江河口潮滩的侵蚀[48]。总而言之, 长江河口响应远端人类活动的冲淤过程仍存争议, 并以浅滩及水下三角洲区域最为突出。

因局地沉积动力条件和工程影响程度的差异, 长江三角洲不同区域的地貌响应过程也明显不同:北支内涨潮优势愈发显著, 河槽不断充填; 北港受工程干扰相对较弱, 常态下沙洲发育、河道弯曲, 因极端洪水事件而伴有一定时期的沙洲消亡、河道顺直; 北槽受深水航道工程影响而经历主泓加深、岸滩淤高的变化; 南槽随江亚南沙深入而上段刷深、中-下段淤浅, 不断向复式河槽转变[49-53]。相对而言, 目前长江口冲淤演变的模拟研究空间尺度较小[54-56], 时间尺度较短, 中长期的研究工作较少[57]。为更好地了解长江三角洲整体沉积物搬运和堆积过程, 应定量刻画这些物理过程的长期变化趋势, 基于构建的物理过程模型, 分析由此引发的滩面悬沙-床沙交互及沉积物输运的空间模式转变, 最终预测在中长时间周期上滩面地形冲淤格局和河口潮滩的时空分布特性与岸线进退变化。

世界上许多大型的河口三角洲, 如埃及尼罗河口(Nile)、美国密西西比河口(Mississippi)、越南湄公河口(Mekong)、西班牙埃布罗河口(Ebro)等, 因其社会和环境的重要性而受到众多关注和研究。尼罗河是人类活动控制河流入海沉积物通量最典型的例子, 其受人类工程影响之前河流上游年平均输沙量为1.24亿吨, 其中93%的沉积物进入三角洲地区和地中海。然而随着1968年阿斯旺水坝运行之后, 几乎全部(> 98%)的沉积物被拦蓄在坝内[58]。与之类似, 长江三角洲也面临着同样的问题。根据1958—2015年长江口水下地形实测数据分析, 长江口水下三角洲在此期间历经了淤积-平衡-剧烈波动三个阶段, 波动的主要原因是流域来沙的持续减少以及极端气候作用, 而水下10 m以上的区域已进入侵蚀状态[59]。

河口三角洲是关键的“源-汇”区域, 其可作为流域物质入海的“汇”, 同时三角洲沉积物可再悬浮、搬运、沉积到陆架边缘海成为“源”[60]。当河流输沙率发生变化时, 水下三角洲的沉积速率也随之变化, 而这一变化也将影响三角洲生物地球化学循环过程, 从而导致三角洲地区某些元素源汇性质的改变[15]。目前长江三角洲已进入退蚀阶段, 其源汇功能将有所调整, 在这一背景下, 对于长江三角洲地貌格局、河口-海岸-陆架各地貌单元演化、土地、航道、港口的稳定性等均会产生一定程度的影响。因此我们也应在源汇调整的背景下研究这些过程, 以确保更加精确的认识三角洲演化过程。

泥质沉积是分析环境变化的重要沉积记录[61], 远端泥是在河口可容空间被沉积物充填满之后、溢出并输运到较远处形成的泥质沉积, 是三角洲的一个重要组成部分, 其沉积特征揭示了河流三角洲演化的阶段性[20-21]。河口近端水下三角洲和相邻的远端泥均具有斜层理的地层特征, 这是判断三角洲沉积的重要依据, 且两者具有同源性, 因此远端泥应被纳入三角洲整体。一般来说, 远端泥的沉积物可能有三种归宿:进入远端泥向陆侧的潮滩、通过陆架穿刺锋向外陆架输运、沉积在远端泥前缘形成斜层理。其中, 厘定这些沉积物不同归宿路径输出的量级和堆积的时间尺度是关键科学问题[62-63]。

有学者认为远端泥形成于陆架宽、陆架流活跃、沉积物补给丰富的环境背景中, 沉积物输入的时间控制着其演化阶段, 并通过对比长江、黄河、珠江远端泥泥层厚度、斜沉积内部构造及斜沉积顶部水深深度、沉积速率/年龄, 认为珠江、长江和黄河的远端泥分别处于幼发期、生长期和成熟期[20]。越来越多的研究表明, 远端泥和其相应河口水下三角洲之间具有密切的联系, 如浅地层剖面、沉积物柱状样和数值模拟结果均揭示长江三角洲沉积与浙闽沿岸泥质沉积的形态连续性及系统关联性[64-65]。

长江三角洲在距今约7 500 a开始发育, 具有明显的阶段性, 每个阶段都形成了完整的三角洲体[24](如图 2)。长江口沙岛演化模式可总结为“涨落潮路径分歧, 河口河道分岔, 北翼沙岛并岸, 南翼沙岛生长”[66]。随着岸线向东推进, 河口沙坝-沙岛体系从最开始的红桥期逐渐演化为现今崇明期和长兴期。九段沙是长江口第三代新生沙岛, 正式形成于1954年, 是南北槽流水相互作用下南港下段演化的结果。形成半个世纪以来, 九段沙的面积、高程、轮廓均发生了巨大的变化, 其冲淤频繁且复杂, 近年来由于流域来沙的减少以及深水航道工程的建设, 九段沙整体上呈现北淤南冲, 但沙洲主体位置移动极小[67]。

以“动态”的眼光来看, 不同稳定状态下的长江口沙岛应呈现不同的演化特性, 把握三角洲系统状态演化下的沙岛演化模式调整是对当前沙岛演化体系的重要补充。未来需在明确长江三角洲状态转换节点的基础上, 诊断状态转化后沙岛生长、发育、消亡与岛间水道流路转变、刷深、淤浅的联动过程, 剖析影响沙岛伸缩及迁移的关键物理过程(径流、潮流、波浪及沉积物供应等)及生物过程(植被等), 特别是植被覆盖、极端洪水、人工护岸等的影响, 以确定对应三角洲稳定状态下的沙岛空间分布的动态平衡模式, 从而全面把握沙岛动态演化过程。其中, 沙岛高程生长极限及其主控因素是关键科学问题。

潮滩对于潮汐的响应具有尺度效应。从潮周期尺度来看, 小潮间的低水位可削弱风暴诱发的滩面侵蚀, 因此风暴的地貌效应可被潮汐调制[68]。而在潮滩演化过程中, 波浪也发挥着重要作用[69-70]。

河口型潮滩由于受到上游径流的显著影响, 也具有显著的季节变化。长江口芦潮港附近固定位置的沉积物季节变化过程、及沉积物粒径与高程变化的交互模式, 揭示了潮滩的季节性冲淤特性受河流入海沉积物、风浪条件和植被生长的年内变化控制[23, 71]。也有学者利用小波分析, 定量分析了长江径流波动控制下的长江口九段沙海缘进退周期[72]。

在十年至百年时间尺度上, 现阶段的研究仍显不足, 诸如河口潮滩演化对大坝的响应强度等重要问题尚未取得广泛共识。有学者认为三峡工程的运行对长江口九段沙演化的影响轻微[46]; 而另有学者则认为其影响强烈[48], 流域内大坝建设所致河流入海沉积物锐减是局部区域侵蚀加剧的重要因素[42, 73]。尽管三峡工程运行后长江向河口输运的沉积物锐减, 但总体上口内浅滩区仍保持淤涨态势, 今后应定量分离流域人类活动和自然因素的影响[45, 49]。

长江三角洲深受全球气候、海面变化和人类活动的影响, 是研究系统状态转换下三角洲演化机理的极佳区域。如上所述, 针对长江三角洲演化过程的研究已有丰硕成果, 但在诸多领域仍存有争议。为重绘未来长江三角洲蓝图, 需深入探讨当今复杂情况下长江三角洲的演化趋势。为此, 我们提出以下三点研究展望(图 5)。

首先, 按照系统科学的观点来理解三角洲状态转换的过程、机制、动力学含义, 提高对三角洲系统行为、未来演化趋势的预测能力。我们认为, 应构建出“动态”的三角洲时空演化新理论, 即河口三角洲谱系理论。通过“河流沉积物+径流+可容空间”构建河口三角洲的本征态模式, 在此基础上, 叠加其他因素, 如海面变化、人类活动、沉积物特征、潮汐、波浪、植被等形成河口三角洲的“衍生态”模式, 从而给出不同系统状态下的三角洲谱系及相关变量的定义域。基于三角洲谱系理论的“系统状态转换”模拟, 将给出新状态下三角洲演化的时间和空间系列, 突破传统三端元分类、静态描述的三角洲经典理论。

其次, 重视浅海现场观测新方法、数值模拟新技术的建立和发展, 结合物理海洋、海洋地质、海洋工程、沉积地质、遥感和环境科学等多学科交叉综合运用。建立从海底到海面的综合立体观测系统, 在近底部高浊度和浅水湍流特征观测、海底重力流输运和远端三角洲泥质堆积的定量化研究等方面取得突破, 实现从“过程”到“产物”贯通的三角洲沉积体系研究。通过物理过程、边界条件和初始条件概化, 对三角洲演化进行过程和机制刻画。在此基础上, 进行10~100 a的中长期三角洲岸线、沙岛、最大浑浊带演化预测, 为长江三角洲未来发展蓝图重绘提供理论依据。

最后, 长江三角洲系统状态转换的新理论新方法研究, 需要转化为长江三角洲蓝图重绘的科学依据。长江三角洲蓝图重绘的内涵, 是针对系统状态转换而调整原先的经济社会发展模式, 要点是更加合理地利用自然资源, 重建健康生态系统, 保障对长江经济带发展支撑力的可持续性。以此为目标, 后续仍需加强以下方面的研究: (1)耦合经济社会发展指标和生态环境评估体系, 发展三角洲空间资源的高效、可持续利用模式; (2)构建先进的资源管理体系, 扩大可再生资源的比例, 实现资源最低消耗发展模式; (3)开发人口高密度区生态系统重建方针, 提升三角洲产品与服务价值。除此之外, 河口三角洲地处大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的交汇地带, 其系统行为及其状态转换对于各圈层的细微变化极为敏感。在当前气候变化和人类活动加剧的大背景下, 河口三角洲的蓝图重绘更应综合考虑各圈层未来演化趋势及其交互作用过程中某些变化在河口三角洲的潜在放大效应, 包括三角洲动态演替及状态演化在内的三角洲蓝图重绘的基本理念也应推及至大气科学、海洋科学和环境科学等多学科。