突发洪水期间涡旋沙洲的流体动力学控制及其沉积响应

《CATENA》：Hydrodynamic controls and sedimentary responses of eddy bars during outburst floods

　　• 两种突发性洪水的模拟峰值水位与洪峰标记相符。• 不稳定的水文图驱动了流分离区域内的动态涡旋行为。• 相位谱（PSD）显示速度信号具有宽带宽和非周期性特征。• 漩涡坝层序保留了湍流脉动，作为洪水诊断的证据。

引言
突发性洪水作为一种极端的地表灾害，对人类生命和基础设施构成严重威胁，并在短时间内极大地重塑了地球和火星的地貌景观（Ahmed等人，2022；Carling等人，2009a；Goudge等人，2019；Goudge等人，2021；Lang等人，2013；Liu等人，2019）。它们也被认为是支持地貌演化灾难性解释的关键因素（Dong等人，2024）。迄今为止记录的最大突发性洪水的峰值流量超过了10^6立方米/秒（Baker，2013；Carrivick和Tweed，2019；Larsen和Lamb，2016；O'Connor等人，2013；O'Connor等人，2020；Yang等人，2022）。峰值流量超过10^6立方米/秒的洪水被称为“巨洪水”（Baker，1996；Baker，2002）。这些高能量的洪水与山间峡谷滑坡的触发密切相关（Cook等人，2018；Dong等人，2024；Lapotre等人，2016；Larsen和Montgomery，2012；Turzewski等人，2019；Yang等人，2022），并在沉积物的长距离传输和沉积中起主导作用（Hu等人，2022b；Korup，2012；Li等人，2022）。在第四纪时期，与劳伦蒂德冰盖、芬诺斯堪的亚冰盖和英国冰盖等相关的冰坝和冰碛坝形成的冰川湖的反复排洪产生了多次巨洪水，这些洪水深刻重塑了前冰川景观（Benito和O'Connor，2003；Komatsu等人，2016；Meinsen等人，2011；Winsemann等人，2016）。此外，频繁发生的强烈突发性洪水事件也被观察到会引发河流侵蚀（Zhang等人，2022），导致流域内的地貌模式重组（Mangeruda等人，2004）。此外，大量淡水进入海洋可能会破坏温盐环流并引发突发性的全球气候变化（Praetorius等人，2020）。因此，更好地理解巨洪水的动力学非常重要。

在东喜马拉雅地区，自第四纪以来，已经广泛报道了灾难性的突发性洪水事件和堵塞山谷的冰坝（Korup和Montgomery，2008；Liu等人，2018a；Liu等人，2018b；Montgomery等人，2004；Yang等人，2025；Yang等人，2022），并且被认为是雅鲁藏布峡谷高侵蚀率的主要驱动因素（Finnegan等人，2008；Korup和Montgomery，2008；Lang等人，2013；Larsen和Montgomery，2012）。值得注意的是，有人提出该地区一次巨洪水事件产生的侵蚀量相当于正常年平均流量条件下1000-4000年的侵蚀量（Lang等人，2013）。此外，现代冰川湖的频繁突发性洪水（GLOFs）也被认为对喜马拉雅地区的河流侵蚀和峡谷演化有显著贡献（Cook等人，2018）。

除了造成强烈的侵蚀外，突发性洪水在下游流动过程中还会迅速沉积大量沉积物，形成独特的大规模沉积地貌，其中巨型沙洲最为常见。这些巨型沙洲可以根据其形态和形成环境分为四种类型：漩涡沙洲、悬垂沙洲、扩张沙洲和点状沙洲（Carling，2017）。巨型沙洲往往保存得很好，因为它们通常沉积在远离主流的河谷侧湾中（Carling，2013）。

作为最常见的巨型沙洲类型之一（Carling，2017），由突发性洪水形成的漩涡沙洲在世界各地的主要河流中都有广泛记录，例如长江（Huang等人，2024）、雅鲁藏布河（YTR）（Liu等人，2022；Turzewski等人，2019；Wu等人，2020；Yang等人，2022）以及智利的Río Baker流域（Benito和Thorndycraft，2020）。漩涡沙洲的形成被认为与携带高浓度沉积物的水流在河道边界处遇到再进入区域时发生分离有关（Alvarez和Grams，2021）（图1）。水流分离在边界区域产生低速的循环涡旋，导致显著的局部水动力减弱（Alvarez等人，2017；Carling，1989）。这种减弱促进了快速沉积物的堆积，最终形成了填充再进入区域的漩涡沙洲（Carling，2017；Liu等人，2022）（图1）。因此，由突发性洪水形成的漩涡沙洲的沉积层序可以解释为涡旋结构的印记，因为它们保留了关于洪水期间水动力条件的关键信息（Carling，2013；Russell等人，2007）。

一些研究从形态学角度报道了漩涡沙洲（Benito和Thorndycraft，2020；Huang等人，2024；Jiang等人，2021；Yang等人，2022）以及它们对山区河流系统可能的长期影响（Morey等人，2023）。Liu等人（2022）进行了水槽实验，研究了不同水文图对流分离区域（FSZs）内漩涡沙洲形态、层理和水力特性的影响，并证明水文图形状的变化可以显著影响沙洲的形成和相关沉积特征。理解漩涡沙洲的形成需要详细研究FSZs内发展的涡旋结构（Carling，1989；Liu等人，2022）。

突发性洪水过程的数值模拟为深入理解涡旋的形成和发展提供了宝贵的见解。在各种建模方法中，二维（2D，浅水方程）平均深度的水动力模型具有较高的计算效率和适用性，适用于计算网格分辨率大于10米的区域尺度突发性洪水模拟（Carrivick，2006；Denlinger和O'Connell，2010；George，2011；Guan等人，2024；Roberts等人，2015；Yang等人，2022）。这种模型可以有效地捕捉大空间和时间尺度上的流分离和涡旋结构的演变特性。相比之下，尽管三维（3D）水动力模型（纳维-斯托克斯方程）能够提供更详细的流场细节，但其高昂的计算成本和复杂的边界条件要求限制了它们在大规模水动力模拟中的应用（Ishikawa等人，2022；Li等人，2024）。2D模型在保持一定物理真实性的同时，允许快速识别和分析复杂3D河床上的表面流模式（Bohorquez和Darby，2008；Bohorquez等人，2019b；Cao等人，2004；Carling等人，2010；Larsen和Lamb，2016；Morey等人，2022；Turzewski等人，2019；Xia等人，2017）。这种能力使其适用于模拟强烈不稳定的流动，如突发性洪水（David等人，2022；Dong等人，2024；Fassett和Goudge，2021；Pico等人，2022；Santos-González等人，2021；Sattar等人，2025；Zhang等人，2024；Zhang等人，2023）。

尽管先前的研究表明涡旋发生的FSZs是漩涡沙洲发展的关键位置（例如，Benito和Thorndycraft，2020；Liu等人，2022），但目前对涡旋水动力学与沉积物沉积之间的关系研究还不够充分。特别是在自然山区河流的尺度上，流分离、涡旋演化和漩涡沙洲形成之间的物理联系仍不清楚，定量研究有限。许多关于突发性洪水数值模拟的研究主要集中在主流流场的整体特征上，而对流分离区域的识别和跟踪及其沉积响应的描述不够充分（Bohorquez等人，2019a；Larsen和Lamb，2016；Morey等人，2022；Turzewski等人，2019；Yang等人，2022；Zhang等人，2022）。

根据之前的地层和年代重建，已经确定了两次由Jiedexiu（JDX）古湖爆发引起的全新世巨洪水，这些洪水流入了雅鲁藏布河（YTR）的中游（Yang等人，2022），以供进一步研究。为此，本研究通过整合2D水动力模拟和实地调查，重点研究了发生在YTR中游的两次巨洪水事件。主要目标是重建和反演JDX突发性洪水的水动力学，以限制流条件的时空演变及其地貌影响。具体来说，本研究计划回答两个问题：（1）突发性洪水在流分离区产生涡旋后，涡旋是如何发展和演变的？（2）涡旋的水动力学是否能指示漩涡沙洲的沉积？本研究的结果还有助于更好地理解涡旋重新附着点和沿流分离线的流体波动如何影响漩涡沙洲内的沉积序列。特别是，这些结果可以为沿YTR分布的巨型沙洲的起源提供更有力的证据，并提供水动力指标的细节，以便更好地理解山间峡谷突发性洪水沉积的机制。

背景和区域环境
雅鲁藏布河发源于青藏高原西南部的Gyima Yangzoin冰川，全长超过2000公里，是世界上最长的河流之一（Yao等人，2010）。在YTR流域内，陡峭的峡谷与广阔的河谷交替出现，河流的河道坡度变化显著，形成了独特的气候环境。在YTR的中下游，Gyaca峡谷、Langxian峡谷和Yarlung Tsangpo峡谷...

实地调查
自2018年以来，我们对雅鲁藏布河中游的两次突发性洪水事件进行了多次实地调查，在此期间识别出了17个漩涡沙洲（图2，图S4-S20）和43个高水位突发性洪水沉积物（图4，表S2）。使用DJI Mavic 3 Pro无人机（UAV）获取了漩涡沙洲的厘米级高分辨率图像和地形数据（图1）。通过结合UAV数据提取了漩涡沙洲的表面积...

水文图和最高水位比较
我们使用了第3.2.1节描述的方法来计算决口处的峰值流量，得到事件1的峰值流量为1.09 × 10^6立方米/秒，事件2的峰值流量为0.45 × 10^6立方米/秒（图3）。在大坝下游大约150公里处，重建的峰值流量可以与Yang等人（2022b）报告的古洪水估计值进行比较，他们使用了一维后退水模型，估计事件1和2的峰值流量分别为约1.0 × 10^6立方米/秒和0.3 × 10^6立方米/秒（图3）...

涡旋的形成和演变
对两次突发性洪水的模拟表明，涡旋的形成、形态和持续性不仅受洪水规模的影响，还受更广泛的水动力和地貌控制因素的影响。除了水文图的总体行为（如上升阶段的相对持续时间、峰值阶段的长度和退缩速率）外，再进入区域的形态和FSP的位置也可能起到重要作用...

结论
本研究结合了二维水动力建模与地貌和沉积学观测，研究了全新世突发性洪水期间雅鲁藏布河中游流分离区的行为。结果表明，在不稳定的洪水条件下，流分离区形成了不同的涡旋配置，从相对稳定的单涡旋系统到以分裂、合并和快速变化为特征的多涡旋系统...

作者贡献声明
Zewen Yang：写作 - 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，方法论，调查，正式分析，概念化。Weiming Liu：写作 - 审稿与编辑，监督，资源获取，调查，资金获取，正式分析，概念化。Paul.A. Carling：写作 - 审稿与编辑，可视化，监督，正式分析，概念化。Anna Yang：写作 - 审稿与编辑，方法论，调查，正式分析。Hao Wang：写作...

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能导致影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了中国西藏自治区科技项目（XZ202601ZY0214）、国家自然科学基金[项目编号W2412138]和中国科学院山地灾害与工程韧性重点实验室科技研究计划（项目编号KLMHER-Z05和KLMHER-TO6）的支持。Zewen Yang衷心感谢中国 Scholarship Council（CSC，编号202504910239）的财务支持。

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