《Journal of Hydro-environment Research》：Sediment transport mechanisms in sediment-starved subaqueous deltas: insights from storm-induced gravity flows
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黄河废弃三角洲冬季风暴驱动的水下侵蚀机制研究。通过现场观测和数值模拟发现，重力流贡献了约49%的泥沙输运，其侵蚀速率是平静期的6.8-31.1倍。揭示了在缺乏河流泥沙输入的三角洲，风暴引起的重力流仍主导侵蚀过程，为类似环境下的海岸防护提供理论依据。
胡春野|张帆|李进|刘晓蕾|邢飞|李仁志|吴浩|于海宇|王雅萍
中国华东师范大学海洋科学学院，河口与海岸研究国家重点实验室，上海
摘要
全球的水下三角洲正日益受到侵蚀的威胁，这一现象是由风暴加剧和河流沉积物供应减少双重压力驱动的。一个没有来自其流域沉积物输入的废弃河流三角洲，为研究三角洲侵蚀过程提供了一个理想的案例。本研究基于在中国废弃的黄河三角洲进行的实地测量，在典型天气条件和冬季风暴期间，直接观察到了风暴驱动的沉积物动态。在风暴期间，观察到了流体泥层、波浪引起的海床液化以及重力流。流体泥层的形成通过两种机制实现：波浪引起的液化与强烈的底部剪切应力相结合；以及在弱波浪作用下的悬浮沉积物沉降。为了更系统地评估重力流的动力学，我们通过引入额外的传输过程改进了之前的分析模型。利用该模型，我们首次量化了在沉积物匮乏的三角洲中，重力流在10米等深线区域内的总沉积物传输中贡献了约49%，尽管这种现象仅发生在18天观测期的约7%时间内。这些结果表明，即使在沉积物匮乏的水下三角洲中，风暴驱动的重力流也能形成并发挥关键作用，控制沉积物平衡。我们的发现为了解在风暴加剧条件下沉积物匮乏的三角洲的沉积物动态提供了新的见解，并为理解其长期形态演变提供了框架。
引言
河流三角洲是数亿人的家园，是陆地与水域交界处最具经济和生态价值的低洼环境之一（Besset等人，2019年；Edmonds等人，2020年；Nienhuis等人，2020年）。然而，随着全球变暖和海平面上升，以及由于流域筑坝导致河流沉积物供应减少，河流三角洲及其居民面临着日益增加的风险，包括风暴加剧、沿海洪水、湿地丧失和海岸线后退（Darby等人，2016年；Edmonds等人，2020年；Syvitski等人，2009年）。为了减轻这些风险并应对土地损失，全球许多三角洲采取了填海造地、垃圾填埋和海岸工程等措施（Besset等人，2019年；Nienhuis等人，2020年）。作为陆地三角洲向海洋延伸的部分，水下三角洲在消散波浪能量方面起着关键作用（Allison等人，2005年；Bergillos等人，2016年）。它们为河流沉积物向大陆架的传输提供了坡度（Kineke等人，1996年；Sternberg等人，1996年），并对维持整个三角洲系统的形态稳定性尤为重要（Maloney等人，2020年；Zhu等人，2024年）。然而，尽管在沿海和河口地区有大量的水动力和沉积物动态观测数据，但对水下三角洲的专门研究仍然很少。特别是，对浑水中波浪边界层内海床高程变化的系统测量以及悬浮沉积物浓度的可靠估计非常有限，这使得水下三角洲的形态状态和演变难以确定（Giosan等人，2014年；Syvitski等人，2022年；Zhu等人，2024a）。因此，更全面地了解水下三角洲中的沉积物传输和形态演变对于阐明其在维持三角洲稳定性和韧性方面的作用至关重要。
风暴是河流三角洲地区最具破坏性的灾害之一（Day等人，2007年；Orton等人，2012年）。风暴对水下三角洲的影响深远，包括几个关键机制：1）波浪引起的海床沉积物再悬浮（Dail等人，2007年；Harris等人，2005年；Yang等人，2011年；Z?inescu等人，2019年）和海床液化（Jaramillo等人，2009年；Lambrechts等人，2010年；Liu等人，2022年）；2）风驱动的沿岸沉积物传输（Bergillos等人，2016年；Boudet等人，2017年；Tamura等人，2010年），这些过程重新分配沉积物（Walker和Hammack，2000年；Yang等人，2023年）并将沉积物沉积在低能量区域（Anthony，2015年）；3）由流体泥层下坡运动产生的重力流，导致横向沉积物传输（Geyer等人，2000年；Harris等人，2005年；Kineke等人，1996年；Ma等人，2008年；Traykovski等人，2000年）。尽管过去由于水下三角洲的坡度较缓，重力驱动的沉积物传输被忽视，但最近的研究通过改进的观测技术强调了其重要性（Flores等人，2018年；Hale和Ogston，2015年；Liu等人，2022年；Yu等人，2024年）。
流体泥是一种由细粒沉积物组成的密集悬浮物，通常在沉积物供应充足且流速较低的情况下在底部附近形成（McAnally等人，2007年）。可以通过声学后向散射系统（ABS）或在多个高度放置的光学后向散射仪器来识别流体泥（Hale和Ogston，2015年；Kineke等人，1996年；Liu等人，2022年；Traykovski等人，2000年）。由流体泥层下坡运动产生的重力流可导致沉积物在大陆架上沉积，这在包括亚马逊河（Kineke等人，1996年；Sternberg等人，1996年）、伊尔河（Ogston等人，2000年；Scully等人，2002年；Traykovski等人，2000年）和黄河（Wright等人，2001年）在内的多个水下三角洲中都有观察到。这些观察表明，重力流可以由环境波浪和洋流维持，以及陡峭的大陆架坡度（Scully等人，2002年；Wright等人，2001年），而由重力流驱动的横向沉积物传输是将沉积物从浅水区输送到更深水下三角洲区域的主要机制（Allison等人，2005年；Ogston等人，2000年；Scully等人，2002年；Wright和Friedrichs，2006年）。然而，在重力流事件期间观察水下三角洲遭受严重侵蚀仍然具有挑战性且有限（Flores等人，2018年；Liu等人，2022年；Tang等人，2023年）。此外，由重力流驱动的沉积物传输的贡献很少被研究（Harris等人，2005年；Scully等人，2003年）。因此，重力流在三角洲侵蚀中的作用仍不清楚。
黄河以其巨大的沉积物负荷而闻名，在人类大规模干预之前，每年向海洋输送约12×10^9吨沉积物，占全球陆地河流沉积物输送量的约6%（Milliman和Syvitski，1992年；Qian和Zhou，1965年）。从公元1128年到1855年，古老的黄河在流入南海的过程中形成了一个巨大的三角洲（Xue，1993年）。1855年，由于河流改道，黄河被引回渤海（图1a），使该三角洲变成了一个废弃的三角洲（Liu等人，2013a；Ren和Shi，1986年；Saito等人，2000年；Xue，1993年）。随着河流沉积物供应的突然中断，废弃的三角洲海岸线在最初的几十年里每年后退超过600米，而在20世纪50年代修建海堤后，后退速度降至每年不到20米（Zhu等人，2024a）。尽管陆地上的三角洲已经稳定，但水下三角洲仍持续受到侵蚀，特别是在15米等深线附近，这一区域持续向内陆移动（Zhou等人，2014年）。该地区冬季风暴频繁发生，并且由于气候变化，在最近几十年里风暴强度有所增加（Young和Ribal，2019年）。观察发现，在冬季风暴期间，废弃黄河三角洲附近的江苏北部海岸地区会出现流体泥和重力流（Li等人，2024a；Yu等人，2017年）。长期数值模拟表明，由气候变化驱动的强烈冬季风暴是水下三角洲持续侵蚀的主要原因（Zhu等人，2024a）。这些发现暗示了冬季风暴引发的重力流在AYRD长期形态演变中的潜在重要性。
河流沉积物输入的急剧减少（Anthony等人，2014年；Wang等人，2011年；Yang等人，2020年）和风暴的加剧（Anthony，2015年；Young和Ribal，2019年）对全球沉积物匮乏的水下三角洲构成了巨大威胁。因此，了解风暴条件下的沉积物传输机制和形态动力学至关重要。AYRD的水下三角洲为解决这一问题提供了一个宝贵的自然实验室。基于冬季风暴期间的实地观察，我们识别出了关键过程，包括流体泥的形成、海床液化和重力流。本研究的目标是：1）使用海床变化模型识别风暴驱动的快速形态变化；2）检测风暴期间这些形态变化事件中的流体泥及相关重力流；3）通过分析模型量化重力流对沉积物传输的贡献，从而阐明其在沉积物匮乏的水下三角洲风暴驱动形态演变中的作用。我们的结果表明，即使在沉积物匮乏的水下三角洲中，重力流仍然可以形成并发挥关键作用，为在河流沉积物输入减少和风暴加剧条件下风暴驱动的沉积物动态提供了宝贵的见解。
方法
为了说明如何整合不同的方法组成部分以实现我们的三个研究目标，我们在图2中提供了工作流程的概览。以下小节详细描述了每个组成部分。
风、波浪和洋流
在观测期间，最大风速达到了18.04米/秒，平均风速为6.64米/秒（图5a）。当风速超过1米/秒时，识别出了三个风暴期（图5b）。根据每个风暴期的平均风速，这些风暴按时间顺序分类为：轻微风暴（平均风速=1.29米/秒；从12月12日7:00到12月13日5:40），中等强度风暴（平均风速=1.47米/秒；从12月16日18:00到12月18日7:00），以及强风暴（平均风速=1.88米/秒；从12月24日6:00开始）。
波浪引起的海床液化及其对海床侵蚀的影响
当表面重力波产生过多的孔隙水压力时，通常会发生海床液化，从而削弱海床结构（Green和Coco，2014年；Mehta，1996年）。粘性较高的海床（粘土含量低于30%）更容易发生液化（Liu和Jeng，2016年）。相反，如果粘土含量超过临界阈值，液化的可能性降低，且液化深度随着粘土比例的增加而减小（Kirca等人，2014年；Liu和Jeng，2016年）。结论
本研究提供了AYRD水下三角洲中风暴驱动的沉积物动态的直接观测证据，这是一个沉积物输入极少的系统。三次冬季风暴产生了流体泥层、波浪引起的海床液化和重力流。通过一维模型模拟的海床高程变化与观测结果吻合良好，显示侵蚀速率比平静条件下的侵蚀速率高6.8至31.1倍。这些结果表明，在
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胡春野：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法学，正式分析，数据管理。张帆：撰写——审稿与编辑，监督，软件，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。李进：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，调查，正式分析。刘晓蕾：撰写——审稿与编辑，可视化，监督，资源，项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号42293261、42277138和42476161）和上海市科学技术委员会（编号23ZR1420300）的支持。作者感谢Haifei Yang、Benwei Shi、Shihao Liu、Wei Feng、Zhishang Li、Penghua Qiao、Yang Zhang、Min Tian和Shaoxin Chen在野外工作、沉积物样本分析和实验室浊度校准方面的帮助。我们特别感谢
