淤泥质潮滩地貌演变中的水动力及生物过程研究进展

王宁舸，龚 政，张长宽，赵 堃，耿 亮

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098; 2.江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室，江苏 南京 210098)

淤泥质潮滩地貌演变中的水动力及生物过程研究进展

王宁舸1，龚 政2，张长宽1，赵 堃1，耿 亮1

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098; 2.江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室，江苏 南京 210098)

淤泥质潮滩对于海岸防护、增加土地资源、保持生物多样性等具有重要作用。从淤泥质潮滩演变的主要驱动因子——潮流、波浪、生物作用及地下过程四个方面回顾和总结了潮滩演变动力地貌过程的相关研究进展，提出应关注潮滩短期演变规律、波浪与浮泥作用机理、生物生长与潮滩演变定量关系，以及地下过程作用机理等。

淤泥质潮滩；动力地貌过程；潮流；波浪；生物作用；土壤固结

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

淤泥质潮滩往往发育在沿海河口、三角洲，及堡堤内侧、潟湖、海湾等半封闭低能海岸，细颗粒泥沙供给充分，潮间带区域沉积物以粉沙或淤泥等细颗粒泥沙为主，滩面宽阔平坦，广泛分布于英国西部及东南海岸、荷兰西北海岸、中国渤海湾和江苏中部沿海等各地，其在增加潜在土地资源[1]、提高海岸防护能力[2]、保持丰富的生态环境[3]等方面具有重要价值。潮滩具有丰富的底质类型、复杂的水动力环境与多样的生物资源，在各因子的共同作用下发生着生物-水动力-地貌过程的演变。首先，细颗粒、宽级配泥沙是滩面的主要组成，泥沙分选作用使得不同区域底质的运动特性各异[4]；其次，潮流、波浪以及相对海平面上升等水动力作用决定了岸滩形态的宏观和中长期过程，短历时风暴潮和台风浪影响着潮滩地貌的局部和短期过程[5-7]；潮滩上大量的底栖动物与盐沼植物也通过各种生命活动影响着水沙动力环境，对潮滩局部地形塑造产生了重要影响[8-9]；此外，盐沼植物生长与地下水位变化等所导致的地下土层收缩、膨胀也不可忽视，且由于地下水过程滞后与黏性泥沙渗透性差的特点，地下过程影响更为显著[10-11]。

淤泥质潮滩处于多因子共同作用的动力环境，潮滩演变过程复杂。本文分别从潮流、波浪、生物作用及地下过程四个方面对淤泥质潮滩地貌演变物理及生物过程的研究进展进行回顾，并提出未来研究工作的关注方向。

1 潮流作用下潮滩动力地貌过程研究

1.1潮流作用下潮滩地貌特征

在潮流输沙堆积下，潮滩上易形成广阔的淤泥质海床，波浪经过淤泥床面后迅速衰减，因此潮流动力是淤长型泥质潮滩沉积的支配动力[12-14]。由于潮流的作用，堆积型潮滩往往呈现出一定的形态特征，其中上凸型剖面较为常见[15]，随着潮流输沙作用的进一步增强，潮滩剖面形态可进一步发展为双凸型，并且上下凸点分别位于平均高、低潮位线附近[16-17]。为了更好地认识凸型剖面形态的动力地貌过程，已经开展了许多数值模拟研究，总体以横向一维模型为主。如Pritchard等[18]建立了横向潮流作用下泥沙输运一维模型，表明在潮流输沙控制下，潮滩剖面呈上凸型，凸点位于平均海平面以上。Liu等[19]考虑了大小潮周期变化和大潮高潮位附近的沉积物填充作用，发现充足的泥沙供应利于潮滩向双凸型剖面发展。樊社军等[20-21]则从堆积岸滩下潮流的时空分布规律出发，依据潮流底切力的近线性时空分布模型，模拟出了“S”型潮滩剖面，即存在上下凸点。尽管这些一维模型总体反映了横向潮流作用下的潮滩剖面，但与沿岸潮流控制情况下的潮滩演变规律还存在偏差。因此，龚政等[22]基于平面二维潮滩动力地貌演变数学模型，进一步模拟了双凸型剖面的形成过程，分析了沿岸潮流输沙对岸滩横剖面的影响。

对潮滩地貌特征的描述还包括坡度、宽度等，其变化与外海潮汐、潮流动力联系紧密，其中潮差和不对称性影响最甚。首先，潮差的变化直接影响潮流对潮滩的作用范围，从而可对岸滩地貌进行调整。Roberts等[23]通过数值模拟研究了潮滩剖面形态与水动力条件间的关系，表明在稳定泥沙供应下，较大潮差引起的水动力作用加剧了潮下带的冲刷，使滩面坡度变陡，但其对潮滩宽度影响较小，Pritchard等[18]针对宽度问题也得出了同样的结论。不过，另有研究有不同发现，即在一定的外源条件下，滩面宽度与潮差呈正相关[24]。这两者间矛盾其实源于对泥沙问题的不同假定，前者以细颗粒泥沙为主，后者结合江苏沿海的实际情况考虑了砂的成分，不同的泥沙输运过程导致了滩面形态的差异，由于关注点不同，两个结论各有其意义。另一方面，潮流不对称性通过涨落潮流速和憩流历时的不对称引起泥沙的净输送[25]，从能量梯度角度看则是潮流能量时空差异产生的能量传递[26]，进而影响潮滩地貌走向。具体来说，不对称潮波可使滩面变陡，且落潮占优利于滩面向岸蚀退[18]。

1.2潮流沉积动力过程

潮流运动与泥沙输运共同塑造了堆积岸滩特有的地貌特征，其演变模式受潮流沉积动力过程控制。首先，堆积型岸滩地貌特征的形成根本上是潮流驱动下泥沙沉积分布过程的结果，因此典型堆积剖面上凸点的形成可能与滩上沉积速率的差异有关。高抒等[14]结合现场数据分析与坡度公式推导，认为上凸点通常位于沉积速率最高分布区，而充分的泥沙供给更加大了沉积分布的差异，有利于提高上凸型的显著性。相类似，双凸型剖面的形成归因于平均高、低潮位处的两个沉积峰区。由于植被减流与涨憩流等影响，较弱的潮流动力提供了泥沙落淤的良好环境而形成上凸点；涨潮流挟沙上岸后受底摩阻作用流速锐减，泥沙大量沉积而形成下凸点[16,22]。此外，潮流同样以泥沙为媒介控制着潮滩坡度与宽度。高抒等[14]认为地形变化与潮流沉积动力过程间的相互反馈起到了重要作用，即涨潮占优促使泥沙于靠海侧优先沉积，由此展宽变缓的岸滩进一步强化了潮流不对称性，而随着潮流向岸输沙效果的递进，高潮位淤积得到加强，潮滩展宽趋缓反而受到抑制，在这两种正负反馈的共同作用下，形成了具有和缓的稳定坡度的潮滩剖面。这一理论也为Roberts[23]和Pritchard[18]等关于潮滩宽度独立于潮差的观点提供了一定支持。

大小潮周期变化也是驱动潮滩地貌演变的直接因素，并在一定程度上控制着地貌演化规律[27-28]。大小潮变化过程既是潮位的高低变化，也是潮流动力的强弱更替。大潮期沉积下来的泥沙，尤其是高位滩地，由于小潮期潮位的降低与潮流动力的减弱，性质易于密实而难以起动，使得滩面偏于淤长，直到大潮再次来临，滩面逐步恢复[16]。如Black[29]在亨伯河口潮间带进行了大小潮周期水沙连续观测，发现不同潮情对滩面的塑造能力存在差异，小潮难以起动底质使得高潮位淤长，其冲刷过程需要大潮过程来实现。总的来说，针对潮滩大小潮周期变化及其沉积动力过程的研究还较为有限。

综上，潮流依托其特有的动力特征，对潮滩地貌演变产生了重要影响。但当前针对潮流作用下潮滩短期演变规律的研究成果较少，关注点多为潮流作用下“平衡态”地貌特征，潮流短期周期性变化等产生的“动态”作用还无法体现，因此潮滩短期演变规律有待进一步研究。现场观测与潮流周期性变化作用下短期过程数值模拟相结合的思路可作为一种研究方向。

2 波浪作用下潮滩动力地貌过程研究

波浪作为淤泥质海岸演变的主要动力之一，其高频的水动力作用对潮滩地貌的塑造能力同样不可忽视。

2.1波浪作用下潮滩剖面特征与浮泥运动

水沙间相互作用归结于水质点与泥沙颗粒间的相互作用。由于波浪水质点所特有的周期性椭圆运动轨迹，波浪对淤泥质潮滩的塑造能力不同于潮流，这主要表现在侵蚀冲刷效果和地形塑造上。大量现场观测资料明确表明，高频的波浪运动是岸段长期侵蚀的主要塑造动力，其通过掀沙作用控制着潮滩向上凹型侵蚀剖面发展，并随着泥沙供给的减少，潮滩滩脚持续冲刷而向岸后退[14-15,30-31]。同时，线性波作用为主数学模型也模拟得出了岸滩的凹型侵蚀剖面特征[23]，而为了更贴近实际浅海区的波浪运动特征，波浪破碎和浅水变形等非线性作用也加以考虑，如樊社军等[20-21]建立了侵蚀型岸滩上的波浪衰减模式，并通过破波带内外冲刷率的不同分布模拟了波浪作用下上凹侵蚀剖面的形成过程，发现凹点在波浪冲刷作用下自低潮位线逐步向岸推移。由此可见，在波浪作用下潮滩易向凹型侵蚀剖面发展。

浮泥常见于潮滩环境中，它是黏性细颗粒泥沙在沉降过程中，由于絮凝至一定浓度后形成的蜂窝状絮团结构，表现为高含沙水体，并与上层水体存在清晰界面[32]。在波浪作用下，浮泥层易产生界面波，并随波浪运动产生质量输移，但同时由于泥沙的黏性作用，波浪在传播过程中能量耗散而迅速衰减，两者间相互作用极为复杂，对泥沙输运和岸滩演变具有重要影响[33]。

2.2潮滩环境下波浪作用的机制和特征

当前，针对单一波浪作用的研究已相对成熟，理论与现场观测对于波浪边界层、底部切应力等问题均有明确揭示[34-38]。相比之下，潮滩环境下波浪作用机制复杂许多，波浪与潮流间相互作用增强了水动力的复杂性，而这正是侵蚀岸滩演变与泥沙运动的驱动力。

由于波浪与潮流间非线性作用的特征，两者共同作用下的水流结构与泥沙运动等问题并非简单的线性叠加，因此，浪流联合作用机制受到广泛关注。首先，该方面问题体现在波流间的相互影响。在研究流对波的影响时，常将波周期内潮流运动视作准恒定流，因而流对波的作用主要表现为波浪色散关系的变化，形态上是波浪的“拉伸”或“压缩”[39-40]。对于波影响下的潮流运动，常以辐射应力的形式引入浅水波方程，表现为水质点周期运动后净流动的叠加[41-42]。但这两种影响并非独立存在，彼此的相互反馈使得浪流综合作用效果更加复杂，其联合作用机制还未体现，为此，底部边界层的求解得到重视，它是近底层泥沙运动研究的重要基础。早期研究中，波流共同作用下边界层的计算模型常以零方程模型和单方程模型为主。这两种模型形式较为简单，计算速度快，国内外已有丰富成果[43-46]，但由于紊动黏性系数设置上的局限，模型无法准确描述强紊动条件下的波流相互作用机理。相比之下，双方程模型结合了较多紊动条件，更符合实际边界层结构，尤其是k-ε方程已获得广泛应用，如吴永胜等[47]利用k-ε方程求解了粗糙床面上波流联合作用下紊流边界层的紊动结构，模拟了波流非线性耦合运动，并与实验资料吻合良好。诸裕良等[48]建立了波流共同作用下垂向一维紊流边界层数学模型，进行了边界层内流速与含沙量的模拟。纵观研究成果，紊动边界层的计算在一定程度上能够有效反映波浪、潮流间相互作用及其综合作用机制，但由于波流频率与运动特性的巨大差异，该问题的求解仍处于探索阶段。

基于波流相互作用特征，浪流联合作用下的潮滩演变问题归根到底是泥沙运动问题，许多学者从不同角度作了研究。求解底部切应力是研究泥沙运动的重要手段，早期大多成果[49]基于河流泥沙运动理论对浪流联合下床面底切力作了简单的叠加，由于缺乏对单向水流与波流共存水体间水流结构本质差异的认识，这些成果存在不同程度的偏差。之后，不同学者基于对波流问题的不同认识进一步作了研究。国际上，Grant和Madsen[43]、Christoffersen和Jonsson[50]分别提出了积分方法和分离方法的求解理论。在国内，李玉成等[51]从波浪在水流传播过程中底摩阻损失角度分析了底切力的强度，并与实验资料进行了对比。曹祖德等[52-53]直接考虑了浪流间相互作用的影响，构建了底部切应力公式，并为方便应用逐步作了简化。此外，泥沙输运问题与岸滩演变联系紧密。由于对波流相互作用及近底层泥沙运动的未知，该问题的解决常存在经验性。关于浪流联合作用下的输沙问题存在多种求解思路，因次分析法是其中之一，即建立和求解描述各物理量内在联系的数学关系式，刘家驹[54]就应用该方法建立了包含风吹流、潮流、波浪、泥沙沉速及水深等多项参数的水体挟沙力公式，但这种方法依赖于实测资料验证，公式存在一定的区域性和工程性限制。此外，能量平衡法也有所应用，较有代表性的如窦国仁等[55]、罗肇森[56]，通过叠加作用于悬沙上的波、流能量，推导出了挟沙力公式，该方法回避了波流相互作用的微观机制。除以上思路，也有一些学者从泥沙临界起动参数角度对泥沙运动作了研究[57-58]，但总体看来，对于浪流联合作用下泥沙运动问题仍没有较系统的认识，岸滩演变模式的深入也受到限制，因此，波流相互作用机制作为基础研究亟待推进。

2.3风暴潮作用下潮滩地貌演变规律

风暴潮是由强风或气压骤变所导致的海平面异常升高现象[59]，这种极端天气下产生的高强度浪流联合作用对潮滩地貌的塑造比正常天气情况高出1-2个数量级，其影响往往超过潮滩整个季节的变化[60,7]，它是潮滩地貌短周期演变的重要形式之一。目前，关于风暴潮作用下泥沙运动与岸滩演变的研究逐渐成为热点，但深度相对不足。

由于风暴恶劣天气和强水动力作用为风暴潮过程的监测带来了巨大困难，针对岸滩演变研究一般以风暴潮过后的现场实测为主。一些学者[61-63]对美国北卡罗来纳沿海Duck岸滩、墨西哥海岸以及阿根廷沿岸进行了断面观测，发现风暴潮作用下岸滩近岸区域冲刷而离岸侧淤积形成沙坝，岸滩形态均呈“上冲下淤型”。事实上，岸滩演变形式并不单一，不同类型潮滩对风暴潮作用存在不同的地貌响应。其中，侵蚀型岸滩以风浪作用为主，近岸区的冲刷与回流对泥沙的搬运是造成潮滩“上冲下淤”的原因，而潮流作用使堆积型岸滩向相反方向发展，即“下冲上淤”，但总的来说，在风暴潮作用下潮间带先普遍冲刷，然后再局部淤积形成不同形态[61]。除断面观测外，还有许多研究[64]以滩面沉积结构的变化为主线，总结了风暴潮后滩面泥沙组成变化规律，但缺少与水动力过程的紧密联系，未对潮滩地貌演变过程作进一步分析，对于揭示风暴潮作用下潮滩演变机制缺乏说服力。

虽然现场观测成果扩大了研究者对于风暴潮作用机理的认识，但由于观测成本高、难度大，潮滩环境复杂，以及缺少岸滩初始资料等原因，风暴潮作用下潮滩演变机制的深入研究需要采用新的研究手段。近些年来，一些学者[65-68]分别运用物模和数模作了尝试，并获得了一定成果。如Palmsten等[65]通过在波浪水槽中增水造波复原了美国东北海岸的风暴潮袭击过程。赵秧秧等[68]采用垂向二维概化模型对比了正常天气和台风期间的潮滩沉积分布特征。尽管这些流体模型与真实风暴潮动力过程依然存在理论性差异，但为后续研究的开展与新模式的起动打下了基础。

总的来说，波浪作用易于潮滩向侵蚀剖面发展，但浪流联合作用与风暴潮等水动力过程使岸滩演变机制更为复杂。因此，包括风暴潮等极端水动力条件在内的浪流联合作用机制及其对岸滩演变的影响需作深入探讨。此外，当前针对波浪作用的研究还多限于平衡剖面和中长期演变，波浪季节性变化在潮滩短期演变中的作用体现极少[30,69]，对此亟须加强。

3 潮滩地貌演变生物作用机理

淤泥质海岸作为部分生物群的栖息场所，为生物的繁衍提供了良好的生长条件。随着滩上生物规模的持续扩大，生物作用对潮滩演变的影响持续增强，生物与潮滩演变的耦合作用逐渐受到关注。根据不同的生物类别，生物作用可分为底栖动物影响和植物影响两类。

3.1底栖动物对潮滩演变的影响

当前，针对底栖动物影响的探索多从沉积学与动力学两个角度出发，沉积学方面主要为生物对浅土层泥沙的搬运，这种活动使泥沙掺混迅速，并极大地改变了地下土层的分层信息，生物作用的这种特点已逐渐形成共识[70]。但该沉积构造研究无法反映潮滩演变的动力过程，相比之下底栖动物影响的动力学特点则联系更紧密，它对滩面变化有直接作用。根据塑造滩面形式的不同，其影响可分为生物扰动(bioturbation)、生物侵蚀(bioerosion)和生物沉积(biodeposition)三种。

首先，室内环形水槽试验为生物扰动的研究打下了基础，通过试验观察发现，底栖动物的掘洞和食底泥等习性会导致滩面泥沙不稳定[71]，Ciutat等[72]将这种扰动归结为床面糙率的增大以及水流对床面剪切作用的增强，致使泥沙起动流速大幅降低。但另一方面，底栖动物密度的变化对泥沙临界起动切应力影响并不大。这看似矛盾的两个问题，实际上有其合理的依据，Andersen等[73]对此作了解释，他指出两者的区别在于床面冲刷率受动物扰动强度的影响，床面糙率增大使滩面易于侵蚀，而冲刷临界切应力仅与颗粒本身起动状态有关，生物活动难以改变这种特性。相比之下，生物侵蚀对床沙失稳的作用形式有所不同。一方面底栖动物通过对底质的风化和搬运直接造成滩面侵蚀[74]，另一方面，部分食草动物通过食草活动削弱植物的掩护效果，间接造成泥沙侵蚀[75-76]，同时植物量的降低使其释放的高分子黏聚物大量减少，弱化了泥沙间黏结强度，导致泥沙易于起动[77]，而这种形式是以降低泥沙临界起动切应力为手段的。对比可知，生物扰动和生物侵蚀作用通过不同机制改变了泥沙的运动特性，使滩面偏于冲刷，但受限于模型尺度问题，室内试验成果还仅停留在泥沙起动方面，难以模拟底栖动物影响下的潮滩演变过程。鉴于此，数模发挥了一定作用，它将上述规律引入数学模型，简单地反映了底栖动物对潮滩演变的影响，根据生物作用方式的不同，规律的选取有不同侧重。如Wood和Widdows[78-79]在数模中引入生物扰动下床沙起动流速公式，从起动流速变化角度模拟了岸滩对不同生物密度的响应，表明高生物量使得滩面稳定性降低，潮滩发育受潮间带水沙过程控制。Orvain等[80]则将生物侵蚀的影响视作弱化的泥沙起动切应力，通过数模发现，泥沙易于起动将影响潮滩剖面的长期演变。

对于滩面的侵蚀扰动，生物沉积作用往往能进行一定弥补，其作用机制同样与生命活动密切相关。水体营养物质由悬浮食性无脊椎动物吸收与分解后，其残余物以粪粒或假粪等生物沉积物的形式排出，并逐步落淤至滩面，这一过程即为生物沉积[81-82]，而这种形式的沉积效率与生物量关系紧密。周毅等[83]通过对栉孔扇贝生物沉积的现场观测，证实了滩面沉积量对生物量的正响应关系。除了以排泄物的形式沉积外，生物沉积的更大贡献是增大悬沙沉速[84]，Andersen等[85]发现这归因于生物活动导致的泥沙粒化过程。针对此，Ulrik Lumborg等[86]利用平面二维模型进一步探讨了泥沙粒化影响，认为这种现象将加速泥沙沉降，并可弥补底栖动物造成的侵蚀扰动而使滩面偏于淤积。随着研究的不断深入，当前也有学者[87]认为生物沉积的研究还需要同时考虑沉积物的侵蚀与腐蚀问题，并通过相关模拟作出了一定证实。

总体而言，底栖动物对潮滩演变影响的研究还处于初级阶段，但对它的认识正逐步加快。

3.2盐沼植物对潮滩演变的影响

相比于底栖动物影响，盐沼植物对滩面的影响通常表现为促淤，由于其作用形式较为直观，国内外在该方面已有许多发现[88-91]，在定性层面已广为共识。基于自身固有的形态阻力特征，盐沼植物，尤其是中大型植株的促淤作用可能与水动力强度的削弱关系紧密，其中消浪和减流受到关注，早期分析就揭开了对植物消能的初步认识[92-93]。随后，关于植物影响的研究逐渐加快，如Möller等[94]在英格兰北诺福克地区，针对植物消浪进行了光滩与植被区的现场对比观测，结果显示，波浪经盐沼植物后的衰减程度是光滩的近3倍。之后的波浪水槽试验又进一步模拟了植被对风暴潮等极端高水位下特大浪的影响，同样存在近60%的波浪衰减[95]，共同揭示了植物极强的消浪作用。然而，也有部分研究强调，当植物被淹没时，波能的损失相对有限[96]，但这应与植株高度和水深间比值有关。类似于消浪效果，植物的减流促淤作用也较明显。水动力现场观测表明，植被的存在能有效降低潮流流速[96]，但这种减流效果与滩面植被密度相关，Widdows等[97]通过米草水槽试验，发现减流效果随米草密度增大而迅速增强，但超过一定界限后，减流的增强幅度对密度差异并不敏感，不过尽管如此，此时极限减流效果也已超过80%。随着流速的下降与水体挟沙力的减小，泥沙将大量落淤，庄武艺等[98]和曹昀[99]分别通过现场观测和物理模型发现了这一减流促淤现象。综合植物消浪和减流作用，植被冠层内的水体紊动将沿途大幅下降[100]，其带来的“平静”水环境有助于泥沙沉降和底质稳定。

除上述手段外，植物的促淤作用还可通过茎叶黏附悬沙与释放细胞外聚合物来实现，与前者相比，这两种方式更直接地从泥沙角度维持着滩面稳定，但其贡献相对较低，针对此的研究也较为有限。英国泰河口、诺福克盐沼滩以及长江口九段沙地区曾有关于植被黏附悬沙的观测工作，结果显示植被茎叶表面含有一定淤积量，但与滩面沉积量相比，这种促淤贡献微弱[101-102,96]。相较于植被对悬沙的黏附作用，细胞外聚合物(extracellular polymeric secretions，EPS)的释放更难以被察觉。实际上这种聚合物以碳水化合物胶体为主，通过植被分泌并与底质混合后能够增强黏性泥沙的黏聚力[103]，已有的室内试验和现场观测均从EPS中含有的碳水化合物和叶绿素a出发，证实了EPS含量与沉积物稳定性之间的紧密联系[104-105]，并进一步发现，EPS通过合成一种黏性涂层来增强颗粒间的黏聚力，进而提高泥沙抗侵蚀能力[106]。上述植被固土的生物学与动力学机制，显示盐沼植物通过增强底质稳定性、削弱水动力强度，直接与间接地维持着滩面稳定。

事实上，盐沼植被的固滩作用还不仅仅是植被到地貌的单向过程，两者间双向动力反馈机制更是地貌演化的重要环节[107]。植被固滩下逐渐增加的滩面高程反过来使植被受到的水动力侵蚀影响减小，从而有利于植被更好地生长及扩张[91]，这是典型的生态动力地貌耦合过程。因此，盐沼植被被认为是“生态系统工程师”，它能改变生长环境使其更适应自身发展[108]。但由于以往认知程度与计算能力的限制，双向作用机制研究还较为有限。近年来，随着该研究热潮的兴起，国外已取得一定成果。Allen等[109]提出，潮滩地貌动态变化过程表现为垂向高程演变和横向植被区域演变，数学模型的大量运用为后续研究提供了有力途径，成果包括植被与地貌耦合作用机制[91]、植被存活率对海平面上升的响应[110-111]、盐沼滩发育界限[112]以及植被生长与扩张条件[113-114]等，进一步揭示了盐沼植被作用机制，当前Delft3D的研究人员也正在开发植被模块，以求加快植被作用研究的进程。但由于数学模型与真实环境的较大差异，模型成果还需要实测资料加以验证，因此开展植被与地貌耦合作用现场观测很有必要。

总体看来，动植物依赖其各自的生命活动对潮滩水文泥沙动力特性产生了不同程度的影响，进而对潮滩演变作出重要贡献，生物作用机制的揭示与众多经验成果的获取为数学模型中参数设定以及泥沙输运的定量化研究提供了条件[91,109,115]。但是，由于生物和泥沙间相互作用复杂，加上不同生物影响存在差异，生物和潮滩地貌演化的耦合机制亟待深入探索。同时，目前我国在该方面研究总体仍处于起步阶段，较国外成果明显不足，因此脚步也亟须跟进。

4 潮滩演变过程中地下过程作用机理

通常认为，淤泥质潮滩地下土层相对密实稳定，其厚度变化微弱，故滩面高程变化受表面冲淤过程控制，即表面冲淤可代表滩面高程变幅。但在实际潮滩环境中，地下土层，特别是浅土层区并非完全密实，季节更替、潮水周期性涨落，以及植被根系生长变化与地下水频繁的渗入或排出，可能会导致土层明显的膨胀或收缩，进而影响滩面高程变化，甚至控制滩面高程变化，地下土层中的这种作用统称为潮滩地下过程。

4.1地下过程初步探索

早在20世纪60年代，Kaye和Barghoorn[116]就对潮滩土层沉降和压实过程作了描述，并认为由于地下过程的存在，垂向淤积并不能很好代替滩面高程变化，但受限于观念与观测技术，这一观点未得到有效证实。基于地下过程的概念，地下过程的量化可通过滩面高程变幅与表面冲淤的差值间接体现，而当两者变化均较小或接近时，则需要高精度仪器加以监测。Sedimentation-Erosion Table(SET)[117]和Marker Horizons(MH)[118]观测方法首先被相继提出，其中，SET是一种可对滩面高程变化进行长期监测的高精度仪器，其测量精度达±1.5 mm，而MH可用以准确测量表面冲淤幅度。尽管测量精度得到满足，但这两者在设计之初仅关注于滩面上的变化。随后Cahoon等[119-120]对SET进行了改进，且更名为Rod Surface-Elevation Table(RSET)以更准确表达仪器的测量概念，并与MH相结合构建了RSET-MH观测方法，更直接地将地下过程作为研究对象，这种技术手段为之后的探索打下了重要基础。

Cahoon等[121]于20世纪90年代中期借助SET-MH方法发现了滩面高程变幅与冲淤变化的不对等性，并首次量化了地下过程的影响，用具体数值对Kaye和Barghoorn的观点作出了证实。之后，靳闯等[122]在江苏中部潮滩也同样发现了地下过程的存在，实测数据还表明，潮间上带区域中地下过程与表面冲淤的贡献强度相当，它对滩面高程变化的影响不容忽视。这些结论初步证实了地下过程的真实性和影响强度，为后续研究奠定了认识基础。

4.2地下过程影响因素与作用机理

地下水与植物根系等构成了潮滩基本地下环境，地下过程的发生可能与这种环境的变化有直接联系。

首先，潮滩上频繁的潮水涨落驱动着地下水位高低变化过程，孔隙水不断的渗入和排出可能引起土层较大变化，进而作用于滩面高程，地下过程这种潜在的作用机制受到关注。而对此研究的相关方法也已相对成熟，主要通过测量滩面高程变化、表面冲淤变幅和地下水位变动来分析地下过程对高程的影响。如Whelan等[123]针对此在美国沙克河旁红树林滩地进行了滩面高程与地下水位变化定期观测，结果显示，滩面高程变化与水位变动过程极其吻合，两者相关程度达0.90，表明地下水涨落控制着滩面高程走向，而浅土层厚度的变化揭示了这种控制作用的中间过程。Cahoon等[10]通过现场观测也再次验证了地下过程的这种作用形式，地下水位剧烈下降导致土层大幅压缩沉陷，致使滩面高程迅速下降。

此外，植被生长变化也可通过地下过程的形式对滩面高程产生一定影响。Cahoon等[11]在洪都拉斯海湾群岛进行了对比观测，研究发现龙卷风席卷后滩面植被的大量死亡使得地下土层迅速压缩，表面的持续淤积无法阻止滩面高程大幅下降；而受较小影响的潮滩地区，依靠植被的生长发育呈现良好的淤长过程，这可能与植被地下生物量的作用关系紧密[124]。Mckee等[125]则通过分析不同滩地的植被发育状况和土层营养信息，力求更具体地揭示植被在地下过程中的作用及其对高程变化的贡献。事实上，这些仅有的研究还不能提供充分的事实证明，离揭示作用机制还相距较远，但其开创性地提出了植物的地下过程作用形式，为今后的研究揭开了一个新方向。

与波、流和生物作用的研究相比，目前针对地下过程的认识和探索较少，尤其在地下过程作用形式和机制方面更鲜有涉足，但地下土层变化的存在及其对滩面走向的重要影响已是事实，特别在海平面上升背景下，地下过程可能导致的潮滩损失将成为滩涂发育研究必须考虑的关键因素之一[126-128]。因此，地下过程应是潮滩演变研究中不可规避的科学问题，对它的深入研究将是潮滩动力地貌过程问题的重要补充。

5 结论与展望

潮流、波浪、生物、地下过程四种驱动因子，在淤泥质潮滩演变中角色不同，贡献度各异。大尺度、周期性的潮流运动控制着潮滩整体与局部地形塑造。波浪运动极强的掀沙效果推动岸滩向侵蚀型剖面发展。不同生物群的生命活动改变了潮滩的水沙动力条件，促进了滩上局部变化和中长期演变。地下土层潜在的沉降和收缩膨胀现象，影响着部分潮滩区域的高程走向，打破了对潮滩发育过程和特点的常规认识。尽管这些成果不断丰富着对潮滩演变规律的认识，但仍难以详细、全面地揭示潮滩演变动力机制，部分科学问题还有待进一步研究。

潮滩动力地貌演化中尚待解决的重要科学问题包括：

1)潮滩短期演变规律，包括大小潮变化、季节性变化等，此外，短历时风暴潮等影响需作重点研究。

2)浪流相互作用机制及其联合作用下的浮泥形成机制(尤其是絮凝作用)，浮泥对潮滩地貌演化的作用等。

3)生物、泥沙相互作用的机制及其与地貌演变耦合作用机理。

4)地下过程对潮滩演变的作用。如与地下水和植物生长有关的地下过程作用机制，不同土层和潮滩区域地下过程的贡献能力。

需重视研究各种人类活动的影响，如围垦、抽取地下水、引种互花米草等如何通过影响潮差、潮流、波浪、生物-泥沙作用、压实和沉降作用等影响潮滩地貌演化，并通过现场观测、数值模拟和水槽实验等多样化方法开展研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(51379003)；国家自然科学基金资助项目(51179067)；新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0841)

王宁舸(1990-)，男，江苏南京人，硕士生，主要从事海岸潮滩系统演变动力机制研究等。E-mail：wangnghhu@foxmail.com

龚 政。E-mail：gongzheng@hhu.edu.cn