王寧舸，龔 政，張長寬，趙 堃，耿 亮

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098; 2.江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210098)

淤泥質(zhì)潮灘地貌演變中的水動力及生物過程研究進展

王寧舸1，龔 政2，張長寬1，趙 堃1，耿 亮1

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098; 2.江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210098)

淤泥質(zhì)潮灘對于海岸防護、增加土地資源、保持生物多樣性等具有重要作用。從淤泥質(zhì)潮灘演變的主要驅動因子——潮流、波浪、生物作用及地下過程四個方面回顧和總結了潮灘演變動力地貌過程的相關研究進展，提出應關注潮灘短期演變規(guī)律、波浪與浮泥作用機理、生物生長與潮灘演變定量關系，以及地下過程作用機理等。

淤泥質(zhì)潮灘；動力地貌過程；潮流；波浪；生物作用；土壤固結

Abstract:Mudflats play an important role in coast protection,increasing the availability of land resources and keeping biodiversity.An overall study was conducted to review and summarize the contributions of tide,waves,biological effects and subsurface processes to the morphodynamic evolution processes of mudflats.Further interests were proposed including the short-term evolution of tidal flats,interplay mechanisms between wave and fluid mud,quantitative relationship between biological growth and tidal flat evolution,and mechanisms of subsurface process.

Keywords:mudflats; morphodynamic process; tide; wave; biological effects; soil consolidation

淤泥質(zhì)潮灘往往發(fā)育在沿海河口、三角洲，及堡堤內(nèi)側、潟湖、海灣等半封閉低能海岸，細顆粒泥沙供給充分，潮間帶區(qū)域沉積物以粉沙或淤泥等細顆粒泥沙為主，灘面寬闊平坦，廣泛分布于英國西部及東南海岸、荷蘭西北海岸、中國渤海灣和江蘇中部沿海等各地，其在增加潛在土地資源[1]、提高海岸防護能力[2]、保持豐富的生態(tài)環(huán)境[3]等方面具有重要價值。潮灘具有豐富的底質(zhì)類型、復雜的水動力環(huán)境與多樣的生物資源，在各因子的共同作用下發(fā)生著生物-水動力-地貌過程的演變。首先，細顆粒、寬級配泥沙是灘面的主要組成，泥沙分選作用使得不同區(qū)域底質(zhì)的運動特性各異[4]；其次，潮流、波浪以及相對海平面上升等水動力作用決定了岸灘形態(tài)的宏觀和中長期過程，短歷時風暴潮和臺風浪影響著潮灘地貌的局部和短期過程[5-7]；潮灘上大量的底棲動物與鹽沼植物也通過各種生命活動影響著水沙動力環(huán)境，對潮灘局部地形塑造產(chǎn)生了重要影響[8-9]；此外，鹽沼植物生長與地下水位變化等所導致的地下土層收縮、膨脹也不可忽視，且由于地下水過程滯后與黏性泥沙滲透性差的特點，地下過程影響更為顯著[10-11]。

淤泥質(zhì)潮灘處于多因子共同作用的動力環(huán)境，潮灘演變過程復雜。本文分別從潮流、波浪、生物作用及地下過程四個方面對淤泥質(zhì)潮灘地貌演變物理及生物過程的研究進展進行回顧，并提出未來研究工作的關注方向。

1 潮流作用下潮灘動力地貌過程研究

1.1潮流作用下潮灘地貌特征

在潮流輸沙堆積下，潮灘上易形成廣闊的淤泥質(zhì)海床，波浪經(jīng)過淤泥床面后迅速衰減，因此潮流動力是淤長型泥質(zhì)潮灘沉積的支配動力[12-14]。由于潮流的作用，堆積型潮灘往往呈現(xiàn)出一定的形態(tài)特征，其中上凸型剖面較為常見[15]，隨著潮流輸沙作用的進一步增強，潮灘剖面形態(tài)可進一步發(fā)展為雙凸型，并且上下凸點分別位于平均高、低潮位線附近[16-17]。為了更好地認識凸型剖面形態(tài)的動力地貌過程，已經(jīng)開展了許多數(shù)值模擬研究，總體以橫向一維模型為主。如Pritchard等[18]建立了橫向潮流作用下泥沙輸運一維模型，表明在潮流輸沙控制下，潮灘剖面呈上凸型，凸點位于平均海平面以上。Liu等[19]考慮了大小潮周期變化和大潮高潮位附近的沉積物填充作用，發(fā)現(xiàn)充足的泥沙供應利于潮灘向雙凸型剖面發(fā)展。樊社軍等[20-21]則從堆積岸灘下潮流的時空分布規(guī)律出發(fā)，依據(jù)潮流底切力的近線性時空分布模型，模擬出了“S”型潮灘剖面，即存在上下凸點。盡管這些一維模型總體反映了橫向潮流作用下的潮灘剖面，但與沿岸潮流控制情況下的潮灘演變規(guī)律還存在偏差。因此，龔政等[22]基于平面二維潮灘動力地貌演變數(shù)學模型，進一步模擬了雙凸型剖面的形成過程，分析了沿岸潮流輸沙對岸灘橫剖面的影響。

對潮灘地貌特征的描述還包括坡度、寬度等，其變化與外海潮汐、潮流動力聯(lián)系緊密，其中潮差和不對稱性影響最甚。首先，潮差的變化直接影響潮流對潮灘的作用范圍，從而可對岸灘地貌進行調(diào)整。Roberts等[23]通過數(shù)值模擬研究了潮灘剖面形態(tài)與水動力條件間的關系，表明在穩(wěn)定泥沙供應下，較大潮差引起的水動力作用加劇了潮下帶的沖刷，使灘面坡度變陡，但其對潮灘寬度影響較小，Pritchard等[18]針對寬度問題也得出了同樣的結論。不過，另有研究有不同發(fā)現(xiàn)，即在一定的外源條件下，灘面寬度與潮差呈正相關[24]。這兩者間矛盾其實源于對泥沙問題的不同假定，前者以細顆粒泥沙為主，后者結合江蘇沿海的實際情況考慮了砂的成分，不同的泥沙輸運過程導致了灘面形態(tài)的差異，由于關注點不同，兩個結論各有其意義。另一方面，潮流不對稱性通過漲落潮流速和憩流歷時的不對稱引起泥沙的凈輸送[25]，從能量梯度角度看則是潮流能量時空差異產(chǎn)生的能量傳遞[26]，進而影響潮灘地貌走向。具體來說，不對稱潮波可使灘面變陡，且落潮占優(yōu)利于灘面向岸蝕退[18]。

1.2潮流沉積動力過程

潮流運動與泥沙輸運共同塑造了堆積岸灘特有的地貌特征，其演變模式受潮流沉積動力過程控制。首先，堆積型岸灘地貌特征的形成根本上是潮流驅動下泥沙沉積分布過程的結果，因此典型堆積剖面上凸點的形成可能與灘上沉積速率的差異有關。高抒等[14]結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析與坡度公式推導，認為上凸點通常位于沉積速率最高分布區(qū)，而充分的泥沙供給更加大了沉積分布的差異，有利于提高上凸型的顯著性。相類似，雙凸型剖面的形成歸因于平均高、低潮位處的兩個沉積峰區(qū)。由于植被減流與漲憩流等影響，較弱的潮流動力提供了泥沙落淤的良好環(huán)境而形成上凸點；漲潮流挾沙上岸后受底摩阻作用流速銳減，泥沙大量沉積而形成下凸點[16,22]。此外，潮流同樣以泥沙為媒介控制著潮灘坡度與寬度。高抒等[14]認為地形變化與潮流沉積動力過程間的相互反饋起到了重要作用，即漲潮占優(yōu)促使泥沙于靠海側優(yōu)先沉積，由此展寬變緩的岸灘進一步強化了潮流不對稱性，而隨著潮流向岸輸沙效果的遞進，高潮位淤積得到加強，潮灘展寬趨緩反而受到抑制，在這兩種正負反饋的共同作用下，形成了具有和緩的穩(wěn)定坡度的潮灘剖面。這一理論也為Roberts[23]和Pritchard[18]等關于潮灘寬度獨立于潮差的觀點提供了一定支持。

大小潮周期變化也是驅動潮灘地貌演變的直接因素，并在一定程度上控制著地貌演化規(guī)律[27-28]。大小潮變化過程既是潮位的高低變化，也是潮流動力的強弱更替。大潮期沉積下來的泥沙，尤其是高位灘地，由于小潮期潮位的降低與潮流動力的減弱，性質(zhì)易于密實而難以起動，使得灘面偏于淤長，直到大潮再次來臨，灘面逐步恢復[16]。如Black[29]在亨伯河口潮間帶進行了大小潮周期水沙連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)不同潮情對灘面的塑造能力存在差異，小潮難以起動底質(zhì)使得高潮位淤長，其沖刷過程需要大潮過程來實現(xiàn)?？偟膩碚f，針對潮灘大小潮周期變化及其沉積動力過程的研究還較為有限。

綜上，潮流依托其特有的動力特征，對潮灘地貌演變產(chǎn)生了重要影響。但當前針對潮流作用下潮灘短期演變規(guī)律的研究成果較少，關注點多為潮流作用下“平衡態(tài)”地貌特征，潮流短期周期性變化等產(chǎn)生的“動態(tài)”作用還無法體現(xiàn)，因此潮灘短期演變規(guī)律有待進一步研究?，F(xiàn)場觀測與潮流周期性變化作用下短期過程數(shù)值模擬相結合的思路可作為一種研究方向。

2 波浪作用下潮灘動力地貌過程研究

波浪作為淤泥質(zhì)海岸演變的主要動力之一，其高頻的水動力作用對潮灘地貌的塑造能力同樣不可忽視。

2.1波浪作用下潮灘剖面特征與浮泥運動

水沙間相互作用歸結于水質(zhì)點與泥沙顆粒間的相互作用。由于波浪水質(zhì)點所特有的周期性橢圓運動軌跡，波浪對淤泥質(zhì)潮灘的塑造能力不同于潮流，這主要表現(xiàn)在侵蝕沖刷效果和地形塑造上。大量現(xiàn)場觀測資料明確表明，高頻的波浪運動是岸段長期侵蝕的主要塑造動力，其通過掀沙作用控制著潮灘向上凹型侵蝕剖面發(fā)展，并隨著泥沙供給的減少，潮灘灘腳持續(xù)沖刷而向岸后退[14-15,30-31]。同時，線性波作用為主數(shù)學模型也模擬得出了岸灘的凹型侵蝕剖面特征[23]，而為了更貼近實際淺海區(qū)的波浪運動特征，波浪破碎和淺水變形等非線性作用也加以考慮，如樊社軍等[20-21]建立了侵蝕型岸灘上的波浪衰減模式，并通過破波帶內(nèi)外沖刷率的不同分布模擬了波浪作用下上凹侵蝕剖面的形成過程，發(fā)現(xiàn)凹點在波浪沖刷作用下自低潮位線逐步向岸推移。由此可見，在波浪作用下潮灘易向凹型侵蝕剖面發(fā)展。

浮泥常見于潮灘環(huán)境中，它是黏性細顆粒泥沙在沉降過程中，由于絮凝至一定濃度后形成的蜂窩狀絮團結構，表現(xiàn)為高含沙水體，并與上層水體存在清晰界面[32]。在波浪作用下，浮泥層易產(chǎn)生界面波，并隨波浪運動產(chǎn)生質(zhì)量輸移，但同時由于泥沙的黏性作用，波浪在傳播過程中能量耗散而迅速衰減，兩者間相互作用極為復雜，對泥沙輸運和岸灘演變具有重要影響[33]。

2.2潮灘環(huán)境下波浪作用的機制和特征

當前，針對單一波浪作用的研究已相對成熟，理論與現(xiàn)場觀測對于波浪邊界層、底部切應力等問題均有明確揭示[34-38]。相比之下，潮灘環(huán)境下波浪作用機制復雜許多，波浪與潮流間相互作用增強了水動力的復雜性，而這正是侵蝕岸灘演變與泥沙運動的驅動力。

由于波浪與潮流間非線性作用的特征，兩者共同作用下的水流結構與泥沙運動等問題并非簡單的線性疊加，因此，浪流聯(lián)合作用機制受到廣泛關注。首先，該方面問題體現(xiàn)在波流間的相互影響。在研究流對波的影響時，常將波周期內(nèi)潮流運動視作準恒定流，因而流對波的作用主要表現(xiàn)為波浪色散關系的變化，形態(tài)上是波浪的“拉伸”或“壓縮”[39-40]。對于波影響下的潮流運動，常以輻射應力的形式引入淺水波方程，表現(xiàn)為水質(zhì)點周期運動后凈流動的疊加[41-42]。但這兩種影響并非獨立存在，彼此的相互反饋使得浪流綜合作用效果更加復雜，其聯(lián)合作用機制還未體現(xiàn)，為此，底部邊界層的求解得到重視，它是近底層泥沙運動研究的重要基礎。早期研究中，波流共同作用下邊界層的計算模型常以零方程模型和單方程模型為主。這兩種模型形式較為簡單，計算速度快，國內(nèi)外已有豐富成果[43-46]，但由于紊動黏性系數(shù)設置上的局限，模型無法準確描述強紊動條件下的波流相互作用機理。相比之下，雙方程模型結合了較多紊動條件，更符合實際邊界層結構，尤其是k-ε方程已獲得廣泛應用，如吳永勝等[47]利用k-ε方程求解了粗糙床面上波流聯(lián)合作用下紊流邊界層的紊動結構，模擬了波流非線性耦合運動，并與實驗資料吻合良好。諸裕良等[48]建立了波流共同作用下垂向一維紊流邊界層數(shù)學模型，進行了邊界層內(nèi)流速與含沙量的模擬?？v觀研究成果，紊動邊界層的計算在一定程度上能夠有效反映波浪、潮流間相互作用及其綜合作用機制，但由于波流頻率與運動特性的巨大差異，該問題的求解仍處于探索階段。

基于波流相互作用特征，浪流聯(lián)合作用下的潮灘演變問題歸根到底是泥沙運動問題，許多學者從不同角度作了研究。求解底部切應力是研究泥沙運動的重要手段，早期大多成果[49]基于河流泥沙運動理論對浪流聯(lián)合下床面底切力作了簡單的疊加，由于缺乏對單向水流與波流共存水體間水流結構本質(zhì)差異的認識，這些成果存在不同程度的偏差。之后，不同學者基于對波流問題的不同認識進一步作了研究。國際上，Grant和Madsen[43]、Christoffersen和Jonsson[50]分別提出了積分方法和分離方法的求解理論。在國內(nèi)，李玉成等[51]從波浪在水流傳播過程中底摩阻損失角度分析了底切力的強度，并與實驗資料進行了對比。曹祖德等[52-53]直接考慮了浪流間相互作用的影響，構建了底部切應力公式，并為方便應用逐步作了簡化。此外，泥沙輸運問題與岸灘演變聯(lián)系緊密。由于對波流相互作用及近底層泥沙運動的未知，該問題的解決常存在經(jīng)驗性。關于浪流聯(lián)合作用下的輸沙問題存在多種求解思路，因次分析法是其中之一，即建立和求解描述各物理量內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學關系式，劉家駒[54]就應用該方法建立了包含風吹流、潮流、波浪、泥沙沉速及水深等多項參數(shù)的水體挾沙力公式，但這種方法依賴于實測資料驗證，公式存在一定的區(qū)域性和工程性限制。此外，能量平衡法也有所應用，較有代表性的如竇國仁等[55]、羅肇森[56]，通過疊加作用于懸沙上的波、流能量，推導出了挾沙力公式，該方法回避了波流相互作用的微觀機制。除以上思路，也有一些學者從泥沙臨界起動參數(shù)角度對泥沙運動作了研究[57-58]，但總體看來，對于浪流聯(lián)合作用下泥沙運動問題仍沒有較系統(tǒng)的認識，岸灘演變模式的深入也受到限制，因此，波流相互作用機制作為基礎研究亟待推進。

2.3風暴潮作用下潮灘地貌演變規(guī)律

風暴潮是由強風或氣壓驟變所導致的海平面異常升高現(xiàn)象[59]，這種極端天氣下產(chǎn)生的高強度浪流聯(lián)合作用對潮灘地貌的塑造比正常天氣情況高出1-2個數(shù)量級，其影響往往超過潮灘整個季節(jié)的變化[60,7]，它是潮灘地貌短周期演變的重要形式之一。目前，關于風暴潮作用下泥沙運動與岸灘演變的研究逐漸成為熱點，但深度相對不足。

由于風暴惡劣天氣和強水動力作用為風暴潮過程的監(jiān)測帶來了巨大困難，針對岸灘演變研究一般以風暴潮過后的現(xiàn)場實測為主。一些學者[61-63]對美國北卡羅來納沿海Duck岸灘、墨西哥海岸以及阿根廷沿岸進行了斷面觀測，發(fā)現(xiàn)風暴潮作用下岸灘近岸區(qū)域沖刷而離岸側淤積形成沙壩，岸灘形態(tài)均呈“上沖下淤型”。事實上，岸灘演變形式并不單一，不同類型潮灘對風暴潮作用存在不同的地貌響應。其中，侵蝕型岸灘以風浪作用為主，近岸區(qū)的沖刷與回流對泥沙的搬運是造成潮灘“上沖下淤”的原因，而潮流作用使堆積型岸灘向相反方向發(fā)展，即“下沖上淤”，但總的來說，在風暴潮作用下潮間帶先普遍沖刷，然后再局部淤積形成不同形態(tài)[61]。除斷面觀測外，還有許多研究[64]以灘面沉積結構的變化為主線，總結了風暴潮后灘面泥沙組成變化規(guī)律，但缺少與水動力過程的緊密聯(lián)系，未對潮灘地貌演變過程作進一步分析，對于揭示風暴潮作用下潮灘演變機制缺乏說服力。

雖然現(xiàn)場觀測成果擴大了研究者對于風暴潮作用機理的認識，但由于觀測成本高、難度大，潮灘環(huán)境復雜，以及缺少岸灘初始資料等原因，風暴潮作用下潮灘演變機制的深入研究需要采用新的研究手段。近些年來，一些學者[65-68]分別運用物模和數(shù)模作了嘗試，并獲得了一定成果。如Palmsten等[65]通過在波浪水槽中增水造波復原了美國東北海岸的風暴潮襲擊過程。趙秧秧等[68]采用垂向二維概化模型對比了正常天氣和臺風期間的潮灘沉積分布特征。盡管這些流體模型與真實風暴潮動力過程依然存在理論性差異，但為后續(xù)研究的開展與新模式的起動打下了基礎。

總的來說，波浪作用易于潮灘向侵蝕剖面發(fā)展，但浪流聯(lián)合作用與風暴潮等水動力過程使岸灘演變機制更為復雜。因此，包括風暴潮等極端水動力條件在內(nèi)的浪流聯(lián)合作用機制及其對岸灘演變的影響需作深入探討。此外，當前針對波浪作用的研究還多限于平衡剖面和中長期演變，波浪季節(jié)性變化在潮灘短期演變中的作用體現(xiàn)極少[30,69]，對此亟須加強。

3 潮灘地貌演變生物作用機理

淤泥質(zhì)海岸作為部分生物群的棲息場所，為生物的繁衍提供了良好的生長條件。隨著灘上生物規(guī)模的持續(xù)擴大，生物作用對潮灘演變的影響持續(xù)增強，生物與潮灘演變的耦合作用逐漸受到關注。根據(jù)不同的生物類別，生物作用可分為底棲動物影響和植物影響兩類。

3.1底棲動物對潮灘演變的影響

當前，針對底棲動物影響的探索多從沉積學與動力學兩個角度出發(fā)，沉積學方面主要為生物對淺土層泥沙的搬運，這種活動使泥沙摻混迅速，并極大地改變了地下土層的分層信息，生物作用的這種特點已逐漸形成共識[70]。但該沉積構造研究無法反映潮灘演變的動力過程，相比之下底棲動物影響的動力學特點則聯(lián)系更緊密，它對灘面變化有直接作用。根據(jù)塑造灘面形式的不同，其影響可分為生物擾動(bioturbation)、生物侵蝕(bioerosion)和生物沉積(biodeposition)三種。

首先，室內(nèi)環(huán)形水槽試驗為生物擾動的研究打下了基礎，通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，底棲動物的掘洞和食底泥等習性會導致灘面泥沙不穩(wěn)定[71]，Ciutat等[72]將這種擾動歸結為床面糙率的增大以及水流對床面剪切作用的增強，致使泥沙起動流速大幅降低。但另一方面，底棲動物密度的變化對泥沙臨界起動切應力影響并不大。這看似矛盾的兩個問題，實際上有其合理的依據(jù)，Andersen等[73]對此作了解釋，他指出兩者的區(qū)別在于床面沖刷率受動物擾動強度的影響，床面糙率增大使灘面易于侵蝕，而沖刷臨界切應力僅與顆粒本身起動狀態(tài)有關，生物活動難以改變這種特性。相比之下，生物侵蝕對床沙失穩(wěn)的作用形式有所不同。一方面底棲動物通過對底質(zhì)的風化和搬運直接造成灘面侵蝕[74]，另一方面，部分食草動物通過食草活動削弱植物的掩護效果，間接造成泥沙侵蝕[75-76]，同時植物量的降低使其釋放的高分子黏聚物大量減少，弱化了泥沙間黏結強度，導致泥沙易于起動[77]，而這種形式是以降低泥沙臨界起動切應力為手段的。對比可知，生物擾動和生物侵蝕作用通過不同機制改變了泥沙的運動特性，使灘面偏于沖刷，但受限于模型尺度問題，室內(nèi)試驗成果還僅停留在泥沙起動方面，難以模擬底棲動物影響下的潮灘演變過程。鑒于此，數(shù)模發(fā)揮了一定作用，它將上述規(guī)律引入數(shù)學模型，簡單地反映了底棲動物對潮灘演變的影響，根據(jù)生物作用方式的不同，規(guī)律的選取有不同側重。如Wood和Widdows[78-79]在數(shù)模中引入生物擾動下床沙起動流速公式，從起動流速變化角度模擬了岸灘對不同生物密度的響應，表明高生物量使得灘面穩(wěn)定性降低，潮灘發(fā)育受潮間帶水沙過程控制。Orvain等[80]則將生物侵蝕的影響視作弱化的泥沙起動切應力，通過數(shù)模發(fā)現(xiàn)，泥沙易于起動將影響潮灘剖面的長期演變。

對于灘面的侵蝕擾動，生物沉積作用往往能進行一定彌補，其作用機制同樣與生命活動密切相關。水體營養(yǎng)物質(zhì)由懸浮食性無脊椎動物吸收與分解后，其殘余物以糞?；蚣偌S等生物沉積物的形式排出，并逐步落淤至灘面，這一過程即為生物沉積[81-82]，而這種形式的沉積效率與生物量關系緊密。周毅等[83]通過對櫛孔扇貝生物沉積的現(xiàn)場觀測，證實了灘面沉積量對生物量的正響應關系。除了以排泄物的形式沉積外，生物沉積的更大貢獻是增大懸沙沉速[84]，Andersen等[85]發(fā)現(xiàn)這歸因于生物活動導致的泥沙?；^程。針對此，Ulrik Lumborg等[86]利用平面二維模型進一步探討了泥沙?；绊?，認為這種現(xiàn)象將加速泥沙沉降，并可彌補底棲動物造成的侵蝕擾動而使灘面偏于淤積。隨著研究的不斷深入，當前也有學者[87]認為生物沉積的研究還需要同時考慮沉積物的侵蝕與腐蝕問題，并通過相關模擬作出了一定證實。

總體而言，底棲動物對潮灘演變影響的研究還處于初級階段，但對它的認識正逐步加快。

3.2鹽沼植物對潮灘演變的影響

相比于底棲動物影響，鹽沼植物對灘面的影響通常表現(xiàn)為促淤，由于其作用形式較為直觀，國內(nèi)外在該方面已有許多發(fā)現(xiàn)[88-91]，在定性層面已廣為共識?；谧陨砉逃械男螒B(tài)阻力特征，鹽沼植物，尤其是中大型植株的促淤作用可能與水動力強度的削弱關系緊密，其中消浪和減流受到關注，早期分析就揭開了對植物消能的初步認識[92-93]。隨后，關于植物影響的研究逐漸加快，如M?ller等[94]在英格蘭北諾福克地區(qū)，針對植物消浪進行了光灘與植被區(qū)的現(xiàn)場對比觀測，結果顯示，波浪經(jīng)鹽沼植物后的衰減程度是光灘的近3倍。之后的波浪水槽試驗又進一步模擬了植被對風暴潮等極端高水位下特大浪的影響，同樣存在近60%的波浪衰減[95]，共同揭示了植物極強的消浪作用。然而，也有部分研究強調(diào)，當植物被淹沒時，波能的損失相對有限[96]，但這應與植株高度和水深間比值有關。類似于消浪效果，植物的減流促淤作用也較明顯。水動力現(xiàn)場觀測表明，植被的存在能有效降低潮流流速[96]，但這種減流效果與灘面植被密度相關，Widdows等[97]通過米草水槽試驗，發(fā)現(xiàn)減流效果隨米草密度增大而迅速增強，但超過一定界限后，減流的增強幅度對密度差異并不敏感，不過盡管如此，此時極限減流效果也已超過80%。隨著流速的下降與水體挾沙力的減小，泥沙將大量落淤，莊武藝等[98]和曹昀[99]分別通過現(xiàn)場觀測和物理模型發(fā)現(xiàn)了這一減流促淤現(xiàn)象。綜合植物消浪和減流作用，植被冠層內(nèi)的水體紊動將沿途大幅下降[100]，其帶來的“平靜”水環(huán)境有助于泥沙沉降和底質(zhì)穩(wěn)定。

除上述手段外，植物的促淤作用還可通過莖葉黏附懸沙與釋放細胞外聚合物來實現(xiàn)，與前者相比，這兩種方式更直接地從泥沙角度維持著灘面穩(wěn)定，但其貢獻相對較低，針對此的研究也較為有限。英國泰河口、諾福克鹽沼灘以及長江口九段沙地區(qū)曾有關于植被黏附懸沙的觀測工作，結果顯示植被莖葉表面含有一定淤積量，但與灘面沉積量相比，這種促淤貢獻微弱[101-102,96]。相較于植被對懸沙的黏附作用，細胞外聚合物(extracellular polymeric secretions，EPS)的釋放更難以被察覺。實際上這種聚合物以碳水化合物膠體為主，通過植被分泌并與底質(zhì)混合后能夠增強黏性泥沙的黏聚力[103]，已有的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀測均從EPS中含有的碳水化合物和葉綠素a出發(fā)，證實了EPS含量與沉積物穩(wěn)定性之間的緊密聯(lián)系[104-105]，并進一步發(fā)現(xiàn)，EPS通過合成一種黏性涂層來增強顆粒間的黏聚力，進而提高泥沙抗侵蝕能力[106]。上述植被固土的生物學與動力學機制，顯示鹽沼植物通過增強底質(zhì)穩(wěn)定性、削弱水動力強度，直接與間接地維持著灘面穩(wěn)定。

事實上，鹽沼植被的固灘作用還不僅僅是植被到地貌的單向過程，兩者間雙向動力反饋機制更是地貌演化的重要環(huán)節(jié)[107]。植被固灘下逐漸增加的灘面高程反過來使植被受到的水動力侵蝕影響減小，從而有利于植被更好地生長及擴張[91]，這是典型的生態(tài)動力地貌耦合過程。因此，鹽沼植被被認為是“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，它能改變生長環(huán)境使其更適應自身發(fā)展[108]。但由于以往認知程度與計算能力的限制，雙向作用機制研究還較為有限。近年來，隨著該研究熱潮的興起，國外已取得一定成果。Allen等[109]提出，潮灘地貌動態(tài)變化過程表現(xiàn)為垂向高程演變和橫向植被區(qū)域演變，數(shù)學模型的大量運用為后續(xù)研究提供了有力途徑，成果包括植被與地貌耦合作用機制[91]、植被存活率對海平面上升的響應[110-111]、鹽沼灘發(fā)育界限[112]以及植被生長與擴張條件[113-114]等，進一步揭示了鹽沼植被作用機制，當前Delft3D的研究人員也正在開發(fā)植被模塊，以求加快植被作用研究的進程。但由于數(shù)學模型與真實環(huán)境的較大差異，模型成果還需要實測資料加以驗證，因此開展植被與地貌耦合作用現(xiàn)場觀測很有必要。

總體看來，動植物依賴其各自的生命活動對潮灘水文泥沙動力特性產(chǎn)生了不同程度的影響，進而對潮灘演變作出重要貢獻，生物作用機制的揭示與眾多經(jīng)驗成果的獲取為數(shù)學模型中參數(shù)設定以及泥沙輸運的定量化研究提供了條件[91,109,115]。但是，由于生物和泥沙間相互作用復雜，加上不同生物影響存在差異，生物和潮灘地貌演化的耦合機制亟待深入探索。同時，目前我國在該方面研究總體仍處于起步階段，較國外成果明顯不足，因此腳步也亟須跟進。

4 潮灘演變過程中地下過程作用機理

通常認為，淤泥質(zhì)潮灘地下土層相對密實穩(wěn)定，其厚度變化微弱，故灘面高程變化受表面沖淤過程控制，即表面沖淤可代表灘面高程變幅。但在實際潮灘環(huán)境中，地下土層，特別是淺土層區(qū)并非完全密實，季節(jié)更替、潮水周期性漲落，以及植被根系生長變化與地下水頻繁的滲入或排出，可能會導致土層明顯的膨脹或收縮，進而影響灘面高程變化，甚至控制灘面高程變化，地下土層中的這種作用統(tǒng)稱為潮灘地下過程。

4.1地下過程初步探索

早在20世紀60年代，Kaye和Barghoorn[116]就對潮灘土層沉降和壓實過程作了描述，并認為由于地下過程的存在，垂向淤積并不能很好代替灘面高程變化，但受限于觀念與觀測技術，這一觀點未得到有效證實。基于地下過程的概念，地下過程的量化可通過灘面高程變幅與表面沖淤的差值間接體現(xiàn)，而當兩者變化均較小或接近時，則需要高精度儀器加以監(jiān)測。Sedimentation-Erosion Table(SET)[117]和Marker Horizons(MH)[118]觀測方法首先被相繼提出，其中，SET是一種可對灘面高程變化進行長期監(jiān)測的高精度儀器，其測量精度達±1.5 mm，而MH可用以準確測量表面沖淤幅度。盡管測量精度得到滿足，但這兩者在設計之初僅關注于灘面上的變化。隨后Cahoon等[119-120]對SET進行了改進，且更名為Rod Surface-Elevation Table(RSET)以更準確表達儀器的測量概念，并與MH相結合構建了RSET-MH觀測方法，更直接地將地下過程作為研究對象，這種技術手段為之后的探索打下了重要基礎。

Cahoon等[121]于20世紀90年代中期借助SET-MH方法發(fā)現(xiàn)了灘面高程變幅與沖淤變化的不對等性，并首次量化了地下過程的影響，用具體數(shù)值對Kaye和Barghoorn的觀點作出了證實。之后，靳闖等[122]在江蘇中部潮灘也同樣發(fā)現(xiàn)了地下過程的存在，實測數(shù)據(jù)還表明，潮間上帶區(qū)域中地下過程與表面沖淤的貢獻強度相當，它對灘面高程變化的影響不容忽視。這些結論初步證實了地下過程的真實性和影響強度，為后續(xù)研究奠定了認識基礎。

4.2地下過程影響因素與作用機理

地下水與植物根系等構成了潮灘基本地下環(huán)境，地下過程的發(fā)生可能與這種環(huán)境的變化有直接聯(lián)系。

首先，潮灘上頻繁的潮水漲落驅動著地下水位高低變化過程，孔隙水不斷的滲入和排出可能引起土層較大變化，進而作用于灘面高程，地下過程這種潛在的作用機制受到關注。而對此研究的相關方法也已相對成熟，主要通過測量灘面高程變化、表面沖淤變幅和地下水位變動來分析地下過程對高程的影響。如Whelan等[123]針對此在美國沙克河旁紅樹林灘地進行了灘面高程與地下水位變化定期觀測，結果顯示，灘面高程變化與水位變動過程極其吻合，兩者相關程度達0.90，表明地下水漲落控制著灘面高程走向，而淺土層厚度的變化揭示了這種控制作用的中間過程。Cahoon等[10]通過現(xiàn)場觀測也再次驗證了地下過程的這種作用形式，地下水位劇烈下降導致土層大幅壓縮沉陷，致使灘面高程迅速下降。

此外，植被生長變化也可通過地下過程的形式對灘面高程產(chǎn)生一定影響。Cahoon等[11]在洪都拉斯海灣群島進行了對比觀測，研究發(fā)現(xiàn)龍卷風席卷后灘面植被的大量死亡使得地下土層迅速壓縮，表面的持續(xù)淤積無法阻止灘面高程大幅下降；而受較小影響的潮灘地區(qū)，依靠植被的生長發(fā)育呈現(xiàn)良好的淤長過程，這可能與植被地下生物量的作用關系緊密[124]。Mckee等[125]則通過分析不同灘地的植被發(fā)育狀況和土層營養(yǎng)信息，力求更具體地揭示植被在地下過程中的作用及其對高程變化的貢獻。事實上，這些僅有的研究還不能提供充分的事實證明，離揭示作用機制還相距較遠，但其開創(chuàng)性地提出了植物的地下過程作用形式，為今后的研究揭開了一個新方向。

與波、流和生物作用的研究相比，目前針對地下過程的認識和探索較少，尤其在地下過程作用形式和機制方面更鮮有涉足，但地下土層變化的存在及其對灘面走向的重要影響已是事實，特別在海平面上升背景下，地下過程可能導致的潮灘損失將成為灘涂發(fā)育研究必須考慮的關鍵因素之一[126-128]。因此，地下過程應是潮灘演變研究中不可規(guī)避的科學問題，對它的深入研究將是潮灘動力地貌過程問題的重要補充。

5 結論與展望

潮流、波浪、生物、地下過程四種驅動因子，在淤泥質(zhì)潮灘演變中角色不同，貢獻度各異。大尺度、周期性的潮流運動控制著潮灘整體與局部地形塑造。波浪運動極強的掀沙效果推動岸灘向侵蝕型剖面發(fā)展。不同生物群的生命活動改變了潮灘的水沙動力條件，促進了灘上局部變化和中長期演變。地下土層潛在的沉降和收縮膨脹現(xiàn)象，影響著部分潮灘區(qū)域的高程走向，打破了對潮灘發(fā)育過程和特點的常規(guī)認識。盡管這些成果不斷豐富著對潮灘演變規(guī)律的認識，但仍難以詳細、全面地揭示潮灘演變動力機制，部分科學問題還有待進一步研究。

潮灘動力地貌演化中尚待解決的重要科學問題包括：

1)潮灘短期演變規(guī)律，包括大小潮變化、季節(jié)性變化等，此外，短歷時風暴潮等影響需作重點研究。

2)浪流相互作用機制及其聯(lián)合作用下的浮泥形成機制(尤其是絮凝作用)，浮泥對潮灘地貌演化的作用等。

3)生物、泥沙相互作用的機制及其與地貌演變耦合作用機理。

4)地下過程對潮灘演變的作用。如與地下水和植物生長有關的地下過程作用機制，不同土層和潮灘區(qū)域地下過程的貢獻能力。

需重視研究各種人類活動的影響，如圍墾、抽取地下水、引種互花米草等如何通過影響潮差、潮流、波浪、生物-泥沙作用、壓實和沉降作用等影響潮灘地貌演化，并通過現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬和水槽實驗等多樣化方法開展研究。

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Hydrodynamic and biological processes that control the morphodynamic evolution of mudflats:an overview

WANG Ningge1,GONG Zheng2,ZHANG Changkuan1,ZHAO Kun1,GENG Liang1

(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Coast Ocean Resources Development and Environment Security (Hohai University),Nanjing 210098,China)

P737.12; P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.014

1005-9865(2016)01-0104-13

2015-02-13

國家自然科學基金資助項目(51379003)；國家自然科學基金資助項目(51179067)；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0841)

王寧舸(1990-)，男，江蘇南京人，碩士生，主要從事海岸潮灘系統(tǒng)演變動力機制研究等。E-mail：wangnghhu@foxmail.com

龔 政。E-mail：gongzheng@hhu.edu.cn