潮沟河曲地貌演化 - adcp声学多普勒流速仪应用场景

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唐代诗人刘禹锡的组诗作品《浪淘沙九首》“九曲黄河万里沙，浪淘风簸自天涯。如今直上银河去，同到牵牛织女家”以豪迈且浪漫的手法写出了黄河的曲折和气势磅礴，形象地描绘了黄河弯弯曲曲的典型地貌特征。冲积平原地区的河曲或沟曲（meanders，下文称河曲）地貌与人们的生存生活息息相关，一直以来是地质学家关注的重点。河曲的自由摆动会对人们的居住环境造成威胁，人们也会对河曲进行裁弯取直、疏浚加深等渠道化改造工程。在沿海的潮间带也广泛发育着由潮流所塑造的潮沟河曲（tidal meanders，图1）地貌，其平面形态特征与内陆冲积平原上的弯曲河流类似。潮沟不仅是潮间带与外海的物质交换活动通道，也为沿海湿地生物的繁殖和幼体的成长提供了保护场所，在维持海岸生物多样性方面有重要作用。

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图1河流与潮沟中的河曲地貌

塑造河流与潮沟二者河曲的地貌动力条件不同。河流是单向流，而潮流是双向流且常呈现涨落潮不对称的特征，表现为涨落潮历时与峰值流速的不对称。但河流与潮沟仍有许多相似性。一方面，河流与潮沟单个弯道的几何参数（如实际长度、笛卡尔长度、振幅等）和宽度之间具有极好的幂函数关系，其平面形态表现出高度一致的自组织规律，其弯道的侧向迁移率也十分相似。若将不同河曲的弯道放在同一尺度下，人们很难分辨出潮沟与河流。此外，潮汐不对称条件下潮沟河曲的边滩会沿着优势潮流的方向沉积，也与河流边滩偏向下游沉积的模式类似。鉴于此，潮沟河曲的很多研究都参考弯曲河流的理论与方法。

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经典理论认为横向环流在河曲弯道的发育演化中起着至关重要的作用，是造成凹岸侵蚀与凸岸沉积的主要因素。Finotello et al. (2020)基于盐沼潮沟河曲处三维流速结构，发现潮沟中的横向环流与河曲类似，都是由不平衡的垂向离心力与侧向压力梯度力所驱动产生，但这项研究没有涉及漫滩流。特别是在广为广阔的潮间带中下部，几乎每个潮周期都会有漫滩流产生，光滩潮沟发生漫滩流的频率是盐沼潮沟的6~8倍，其水位流速关系更为复杂，对横向环流的影响尚不清楚。

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在地貌方面，单向流作用下的冲积河流具有平面形态不对称的几何特征，表现为高振幅和高弯曲系数的弯道偏向上游扭曲（upstream-skewing），有研究据此重建了火星上古流向（Cardenas et al., 2018）。然而，在双向流环境中，潮沟河曲的水动力过程和地貌几何特征仍缺乏统一认识，例如，潮不对称、漫滩流、横向环流对潮沟河曲发育演化的控制机理是什么？从全球尺度上看，潮沟河曲的平面形态不对称性是否存在某种统一规律？

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近期，汪亚平教授团队基于现场观测首次获取了典型光滩潮沟河曲的高分辨率三维流速结构，提出了双向流环境下漫滩过程在横向环流、潮沟河曲地貌演化中重要作用；同时，借助遥感手段提取全球范围内典型潮沟河曲的地貌参数，初步揭示潮沟河曲地貌演化的普适规律，研究成果近期分别发表于地学顶尖期刊Water Resources Research和Earth Surface Processes and Landforms。

研究团队利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP/AD2CP）对发育在江苏洋口潮滩上的潮沟河曲典型弯道的不同位置进行了覆盖大小潮周期的现场同步流速观测（图2）。研究发现，光滩潮沟的涨落潮流速峰值均出现在水位低于沟岸以下阶段。这与盐沼潮沟的观测结果不同，后者因其更高的沟岸位置和更茂密的植被覆盖度一般具有更强的水流限制效应（flow confinement），使得涨落潮流速峰值常出现在水位刚好达到或高于沟岸阶段。

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图2现场观测的潮沟河曲地貌特征和仪器布置

研究还进一步发现，当潮流被限制在光滩潮沟以内时，流速较为持续恒定，而当水位超过沟岸时流速迅速减小。然而，曲率诱导的横向环流却在漫滩时期更为显著。与经典的河曲横向环流理论不同，本研究发现光滩潮沟的主流速与侧向流速之间存在一个相位差甚至反相位，即当增大时减小，而当增大时减小；这限制了横向环流的发育并阻碍了螺旋流沿潮沟河曲弯道的传播。因此，我们认为光滩潮沟河曲的地貌演化并不像盐沼潮沟河曲或冲积平原上的弯曲河流一样依赖于曲率诱导的螺旋流，而主要受落潮末期持续的高流速、渗流作用以及其他非潮汐过程（如波浪和强降水）的影响，其中光滩潮沟的“V”型剖面与两岸的坍塌与冲沟等均是重要的佐证（图3）。

图3盐沼与光滩环境中潮沟河曲的水动力过程对比

此外，团队跟根据潮差、植被覆盖度和潮汐不对称状况对全球25个研究区的232条潮沟河曲进行了分类，后通过计算曲率识别拐点将潮沟河曲分成连续的弯道并进行地貌特征的分析（图4）。研究发现，潮沟河曲具有偏陆向扭曲的总体特征，且陆向扭曲的程度随弯曲系数（sinuosity）和振幅(amplitude)的增加而增加。控制潮沟扭曲的机制目前还不清楚，推测可能是由于落潮流在大多数潮汐环境中局地占优势（local ebb-dominance）所致。

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这项研究揭示了双向流环境中潮沟河曲独特的水位流速关系和横向环流发育模式，发现了潮沟河曲中高振幅和高弯曲系数的弯道具有偏陆向扭曲的规律而并不依赖于具体的潮间带环境，是对河流经典弯道环流理论的拓展，为河曲地貌学和沉积学研究提供了新线索和思路。

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图4全球尺度的潮沟河曲地貌几何特征的提取

参考文献：

Chao Gao, Alvise Finotello*, Andrea D’Alpaos, Massimiliano Ghinassi, Luca Carniello, Yupeng Pan, Dezhi Chen, Ya Ping Wang*. Hydrodynamics of meander bends in intertidal mudflats: a field study from the macrotidal Yangkou Coast, China. Water Resources Research, 2022, 58, e2022WR033234. https://doi.org/10.1029/2022WR033234

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Chao Gao, Alvise Finotello, Ya Ping Wang*. Predominant landward skewing of tidal meanders. Earth Surface Processes and Landforms, 2022, 47(13), 3199-3215. https://doi.org/10.1002/esp.5452

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