疏浚与河道约束限制了河口地貌恢复并塑造克莱德湾未来的洪水风险

《Journal of Environmental Management》：Dredging and confinement limit estuarine geomorphological recovery and shape future flood risk in the Firth of Clyde

　　

低洼沿海河口支撑着世界上一些人口最稠密的地区。然而，此类河口日益受到人类开发和河流改造导致的疏浚（dredging）与河道约束（channel confinement）的影响，对洪水风险和长期（数百年尺度）地貌稳定性产生了不确定的后果。研究人员利用多年高分辨率水深测量（bathymetric surveys）与经过充分校准的克莱德湾（Clyde Estuary，英国）洪水模型相结合，研究了河道约束和疏浚如何共同影响洪水传播与河口地貌动力学（estuarine morphodynamics）。2016年至2025年间观测到的地貌变化表现出显著的空间和时间变异性。内河口最初经历净淤积，随后转为净侵蚀，受河流泥沙输送变化驱动，而外河口则维持了侵蚀与淤积之间的平衡。尽管床面高程发生了可测量的变化，模拟的洪水传播基本保持不变，仅与内河口淤积相关的微弱效应。河相关系理论（Regime Theory）揭示，克莱德湾呈现出空间差异化的平衡状态：外河口接近地貌平衡，而内河口因历史上为航运加深河道而实施的河道约束而处于不平衡状态。河道约束减小了河道横截面积，增强了系统冲刷河床的能力，表明其正开始向新平衡调整。本研究强调了诊断地貌平衡状态对于理解未来洪水动态潜在变化以及支持高度改造河口在气候变化下的可持续洪水风险管理的重要性。

**论文解读：克莱德湾地貌恢复受限与未来洪水风险的地貌学机制**

**研究背景与目的**
沿海河口地区承载着全球大量人口，同时也是人类活动干预最为强烈的区域。疏浚以维持航道水深、堤防与围垦以限制河道摆动，使得多数城市河口已不再是自然演化的系统，而是受人为控制、自然调整能力受限的工程化景观。克莱德湾（Clyde Estuary）位于英国西海岸，自18世纪以来持续进行大规模疏浚和河道渠化，是高度工程化河口的典型代表。然而，此类干预如何共同影响河口的长期地貌平衡（geomorphic equilibrium），以及是否能在未来海平面上升（sea-level rise, SLR）条件下维持可持续管理，尚缺乏系统性认识。本研究旨在结合多年水深数据与数值模拟，定量评估疏浚和河道约束对洪水传播及地貌演变的影响，并利用河相关系理论（Regime Theory）诊断克莱德湾的地貌平衡状态。

**研究方法概述**
研究人员获取了2016、2021、2024及2025年由格拉斯哥市议会和皮尔港（Peel Ports）委托测量、英国水文局（UKHO）验证的多波束测深数据，经清理、垂直基准统一至奥德耐斯基准（Ordnance Datum），并以1 m网格采用反距离权重（IDW）插值生成数字高程模型（DEM）。基于这些DEM，使用TUFLOW二维水动力模型（版本2020-10-AF-iSP-w64，由Fairhurst公司构建并率定）模拟极端河流主导和潮汐主导洪水，并叠加2100年RCP8.5高排放情景下0.85 m海平面上升。同时，利用Meyer-Peter Müller床面输沙公式将流量和水位转换为潜在泥沙通量，并依据O'Brien-Jarrett-Marchi关系（A = kP^α）提取66个横断面的潮棱体（tidal prism, P）与过水面积（cross-sectional area, A），评估河口的平衡偏离程度。

**研究结果**
**地貌变化时空特征**
2016–2025年期间，克莱德湾床面变化呈现显著空间差异：外河口侵蚀与淤积量级相近，表现为床面形态的均夷化；中河口出现深达2 m的显著侵蚀区；内河口（靠近格拉斯哥市区）净平均淤积1.26 m（误差δU_DoD=0.07 m）。分时段看，2016–2021年内河口净淤积1.1 m，2021–2024年中河口转为侵蚀，2024–2025年内河口转为净侵蚀0.15 m，表明动力条件变化导致沉积-侵蚀格局反转。

**洪水模拟影响**
利用不同年份水深模拟极端洪水，结果显示：极端河流主导洪水较2016年基准情景淹水范围增加约0.2–0.5%（0.02–0.05 km2），主要集中在内河口；极端潮汐主导洪水则减少约0.1–0.2%（0.02–0.03 km2），减少区域主要在外河口。尽管床面变化可测，但对洪水范围的整体影响十分有限，这与内河口淤积导致的过流能力轻微下降有关。

**河相关系（A-P）评估**
提取各模拟情景的潮棱体（P）与横截面积（A）发现，克莱德湾的A-P相关关系与英国西海岸8个河口经验关系（A = 0.08P^0.67）相比，整体处于不平衡状态；但与理论关系A = 0.0028P^0.85（α=0.85）较为接近。沿程分析显示，外河口（未约束段）点据接近平衡线，而内河口（约束段）显著偏离平衡，且偏离程度随时间增加。标准化主轴回归（SMA）得到A = 4.2×10^?6P^1.22（R2=0.93，p<0.05），斜率大于理论值，表明内河口倾向于侵蚀、外河口倾向于淤积，整体呈现剖面变平趋势。

**讨论与结论**
**4.1 地貌变化的驱动因素**
通过长时间序列水文数据和潜在泥沙通量计算，研究人员推测内河口2016–2021年的强淤积主要源于2020年大洪水带来的约1,100,000 m3河流泥沙；而2021–2024年中河口的强烈侵蚀则与该河段的维护性疏浚直接相关。潮汐过程对泥沙再搬运作用较小，河流是主要泥沙来源。

**4.2 地貌变化对洪水的影响**
内河口淤积使河道过流面积减小，从而轻微增加河流主导洪水的淹没范围；中河口侵蚀则增大河道容积，减少潮汐主导洪水的向下游传播。总体影响虽小，但表明床面演变与洪水风险之间存在联系。

**4.3 通过横截面积-潮棱体比例评估地貌平衡**
内河口log(P/A)为正值，指示潮棱体大于过水面积，系统趋向于通过下切或侧蚀增大A以恢复平衡；然而工程约束限制了侧向调整，导致垂向侵蚀加剧。外河口A与P大致相当，维持着侵蚀与淤积的动态平衡。SMA回归结果进一步支持内外河口的差异化调整模式。

**4.4 对河口环境管理的启示**
为使克莱德湾恢复平衡，内河口过水面积需增加约2000 m2，相当于河床下切17 m或两岸各侵蚀8.5 m（平均宽度约120 m）。第四纪冰碛物与砂岩地层表明下切具有地质可行性。研究指出，2016–2021年每年约486,000 m3的净沉积量与报告的年疏浚量300,000 m3大致匹配，但2024–2025年转为净侵蚀，暗示当前疏浚可能已无必要，应重新评估并可能减少或暂停疏浚，以顺应系统向平衡的自然调整。该结论对泰晤士河、长江、埃姆斯河等其他高度改造河口具有借鉴意义。

**研究结论**
基于多年高分辨率水深测量和校准水动力模型，本研究表明，数百年的人类改造已改变了克莱德湾的地貌平衡状态。内河口因18世纪的长期河道约束而偏离平衡，表现为过水面积相对潮棱体不足；维护性疏浚则产生较为局部的形态影响。泥沙动力学代理指标显示，2016–2025年的形态变化主要受河流泥沙输送变率控制，偶发性洪水提供了主导泥沙源。模拟极端洪水对床面变化的响应有限，但河相关系理论揭示河口仍处于不平衡状态：内河口有长期侵蚀趋势，外河口接近动态平衡。这凸显了将河口视为不断演化系统的管理需求，应结合泥沙收支、连续形态监测和定期疏浚需求评估，以支持在气候变化下更适应性的可持续管理。总体上，河相关系理论结合重复水深观测和水动力建模，为诊断高度改造河口的（非）平衡状态提供了可转移框架，有助于判断工程干预是维持河口功能还是加剧其偏离长期平衡，从而指导更具韧性的河口管理。