摘要：河口三角洲是由水文、地貌和生態(tài)耦合作用形成的復(fù)合系統(tǒng)，其演變具有時空波動性強、響應(yīng)高度敏感、邊緣效應(yīng)顯著與環(huán)境異質(zhì)性高的特性，屬典型的易失衡區(qū)。從黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)子系統(tǒng)演變過程、耦合作用關(guān)系以及多維調(diào)控理論與技術(shù)等方面，闡述了多重壓力下的子系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整與狀態(tài)特征，歸納了水文條件與河口地貌-生態(tài)系統(tǒng)演變的互饋關(guān)系，搭建了多維協(xié)同的水沙配置研究框架，并提出了基于水沙優(yōu)化配置的多維調(diào)控策略。針對目前研究存在的問題，從連續(xù)性監(jiān)測平臺建設(shè)、全過程模型構(gòu)建、失衡風險預(yù)測以及多維調(diào)控理論與技術(shù)研究等方面提出了未來研究的重點方向，以期為優(yōu)化利用有限水沙資源維持河口系統(tǒng)穩(wěn)定提供科學支撐。

關(guān)鍵詞：水文-地貌-生態(tài);演變過程;耦合關(guān)系;互饋關(guān)系;多維調(diào)控;黃河三角洲

中圖分類號：P737;X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6791（2023）06-0984-15

收稿日期：2023-06-12;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-10-19

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20231019.1237.002

基金項目：國家自然科學基金資助項目（U2243207）;河南省自然科學基金資助項目（232300421017）

作者簡介：凡姚申（1989—），男，河南項城人，高級工程師，博士，主要從事河口海岸水沙動力地貌研究。

E-mail：fysmyself@126.com

通信作者：竇身堂，E-mail：doushentang@126.com

河口三角洲作為河陸海相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，給人類和全球眾多生物提供了重要棲息場所和物質(zhì)來源，是地球表層極具價值的生態(tài)系統(tǒng)，也是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的核心地帶［1］，在全球有效碳存貯與碳中和方面具有不可替代性［2-3］。維護河口演變平衡關(guān)乎三角洲的穩(wěn)定與資源利用的可持續(xù)性，是沿海經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基石。然而，河口三角洲演變具有時空波動性強、變化響應(yīng)敏感、邊緣效應(yīng)顯著以及環(huán)境異質(zhì)性高等特性，屬典型的易失衡區(qū)。20世紀50年代以來，河流入海水沙減小疊加海平面上升和極端氣候事件，導(dǎo)致全球大多數(shù)河口三角洲出現(xiàn)岸灘侵蝕、土地淹沒、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題［4］。因此，河口地貌演變與生態(tài)系統(tǒng)演化成為近期及未來研究熱點，“大河三角洲計劃”（Mega-Delta Programme）已列入聯(lián)合國“海洋科學”十年行動計劃（2021—2030年），同時相關(guān)問題也納入了《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012—2030年）》。

黃河是以高含沙量著稱的世界級大河，大量入海泥沙在河口沉積造就了廣袤的河口三角洲，同時孕育了世界上暖溫帶保存最廣闊、最完善、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是黃河下游與環(huán)渤海地區(qū)的天然生態(tài)屏障。黃河三角洲屬于河控多沙型河口三角洲，由1855年黃河在銅瓦廂決口流入渤海后經(jīng)過11次大的流路變遷、泥沙堆積而形成［5-6］。黃河三角洲穩(wěn)定是黃河流域與環(huán)渤海地區(qū)的防洪安全、供水安全、生態(tài)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展全局的重要基礎(chǔ)。2019年，黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展上升為國家重大戰(zhàn)略，明確提出“黃河三角洲要做好保護工作，促進生態(tài)系統(tǒng)健康，提高生物多樣性”。然而，與世界大河三角洲類似，黃河三角洲也同樣承受著來自河流、海洋和人類活動的多重壓力，目前已出現(xiàn)入海泥沙急劇變化的新現(xiàn)象［7］;河口由快速向海淤進到緩慢沉積，水下三角洲局部出現(xiàn)侵蝕跡象，正處于沖淤轉(zhuǎn)型新時期［8-9］;尾閭溝汊不斷撕裂產(chǎn)生、孕育發(fā)展，攔門沙出露水面，河口前緣淤積延伸出現(xiàn)新狀態(tài)［10］。

在新情勢下，黃河三角洲水文、地貌、生態(tài)演變與響應(yīng)機制更加復(fù)雜。目前，國內(nèi)外在黃河三角洲水文和地貌過程及生態(tài)現(xiàn)狀等各個方面都取得了一系列重大研究成果，但對其演變與調(diào)控研究進展綜述性文獻卻較少。本文就近30 a來黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)演變與調(diào)控的相關(guān)研究進展進行歸納和總結(jié)，包括黃河三角洲子系統(tǒng)演變過程、耦合作用關(guān)系以及多維調(diào)控理論與技術(shù)等，探討目前存在的主要問題，并對今后研究方向作出展望。

1 水文-地貌-生態(tài)子系統(tǒng)演變

1.1 入海水沙變化與水文條件

入海水沙是河口最典型的水文過程。20世紀50年代以來，隨著河流建壩、采砂和引水等工程的建設(shè)，全球主要河流河口來水來沙量呈持續(xù)下降趨勢，如紅河流域Hoa Binh大壩建成后，泥沙通量較建壩前減少了約60%～70%［11］，人類活動使珠江口內(nèi)泥沙淤積量減少約29%［12］。與世界大河河口類似，黃河口入海泥沙也呈顯著減少的趨勢。1960年三門峽水庫開始運行以前是黃河入海水文過程的“天然期”，據(jù)利津水文站20世紀50年代水沙資料顯示，該時期黃河口年均入海水量為480億m3、沙量為13.4億t。1986年后黃河年均入海水沙進入枯水少沙期，水、沙量分別是天然期的35%和18%。20世紀90年代河口出現(xiàn)連年斷流，小浪底水庫調(diào)控運用以來（2002—2022年）黃河不再斷流，但黃河水文情勢仍處于水沙延續(xù)枯少期［10］。黃河口入海水沙的這些變化勢必會對河口地貌和生態(tài)演變造成影響，對于黃河口地區(qū)的管理和保護，需要綜合考慮水沙輸送的變化趨勢，采取相應(yīng)的措施來維護河口地貌穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

河流入海泥沙輸運擴散過程已成為河口海岸和近岸海洋學研究的前沿和熱點問題。入海泥沙擴散機制是三角洲地貌演變的重要環(huán)節(jié)，但受區(qū)域動力特征及混合過程和流域、海洋動力過程相互作用的影響，探究河口泥沙擴散途徑和范圍一直是難點［13-14］。黃河水沙入海上層徑流與底層海流作用形成的切變鋒鋒面攔阻，是限制河口入海泥沙的重要因素和河口攔門沙形成的重要動力機制［15］。季節(jié)性海水溫度變化是影響水沙擴散的另一個重要因素，相比于冬季，夏季表層海水溫度升高，水體分層強烈，上下層易形成溫度切變鋒，表層高含沙沖淡水向外海擴展更遠。入海水沙在黃河口不同區(qū)域呈現(xiàn)輸運沉積特征差異，但已有研究結(jié)果并不統(tǒng)一。有研究認為擴散范圍限制在15 m等深線以淺區(qū)域［16］;另一部分研究則認為入海泥沙輸運按一定比例沉積在攔門沙（河口）、水下三角洲（濱海）、外海，但不同研究中各區(qū)域比例存在較大差異，未能達成共識［17］。

黃河口海域鹽度1958—2000年總體呈上升趨勢［18］，鹽度升高對河口三角洲地下水位變化、土壤鹽分分布產(chǎn)生影響，進而對河口三角洲濕地發(fā)育有較大影響。黃河三角洲區(qū)地下水主要為微咸水、咸水和鹵水［19］，以往研究聚焦于黃河三角洲地下水淡咸水的形成和演化、地下水土壤空間分異規(guī)律、營養(yǎng)鹽入海通量變化等［20］，但對地下水埋深、土壤鹽分時空分布特征與黃河入海徑流變化的相關(guān)性研究仍不充分。

1.2 尾閭沖淤與三角洲地貌演變

黃河“善淤、善決、善徙”，其尾閭?cè)牒Ａ髀窔v經(jīng)10余次大規(guī)模改道后疊置形成復(fù)雜的三角洲葉瓣體系。隨著葉瓣不斷向海延伸，改道點有向上游移動的趨勢［21］。從水動力學機制來看，河床縱向坡度減小和回水效應(yīng)是造成河流改道的重要原因［22］。自1976年起入海流路改道至清水溝，對清水溝河道演變及影響因素研究成果頗豐。Zheng等［23］將清水溝流路演變分為快速淤積（1976—1980年）、河道展寬（1980—1985年）、河道萎縮（1985—1996年）和河道下切加深（1996—2015年）4個階段。Han等［24］指出河道地形受水沙調(diào)控、尾閭改道和三角洲前緣發(fā)育程度等因素制約，且河道在來水來沙量較小時萎縮變淺，在來水量較大時下切展寬。劉清蘭等［25］基于正交曲線網(wǎng)格建立利津站以下河道數(shù)字高程模型，發(fā)現(xiàn)調(diào)水調(diào)沙改變了入海水沙的年內(nèi)分配，造成尾閭河道的持續(xù)沖刷，2002—2017年累計沖刷泥沙量為6 240萬m3;但經(jīng)過多年沖刷，受河床整體下切和河口淤積延伸影響，調(diào)水調(diào)沙的沖刷效率在持續(xù)降低。

黃河三角洲總體地貌演變特征為行河流路岸線淤積延伸、不行河流路岸段持續(xù)蝕退，三角洲地貌演變呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性和不平衡狀態(tài)。陸上三角洲年代際地貌演變可歸納為4個連續(xù)階段，分別為快速淤長期（1976—1981年）、緩慢淤長期（1981—1996年）、緩慢侵蝕期（1996—2002年）和緩慢淤長期（2003—2013年）［26］。Cui等［27］從三角洲平均高潮線的角度分析，也得出類似的三角洲演變階段。Xu［28］認為陸上三角洲的淤長與夏季東亞季風指數(shù)密切相關(guān)，但也有學者提出人為河流改道等人類活動是影響陸上三角洲岸線動態(tài)的重要因素［29］?，F(xiàn)行清8汊河（1996年開始行河）水下濱海區(qū)地貌沖淤演變特征可劃分為中速淤積（1996—2002年）、快速淤積（2002—2007年）、緩速淤積（2007—2015年）和快速侵蝕（2015—2016年）［30］，從空間上來看口門濱海區(qū)呈淤積狀態(tài)，而孤東近岸和1996年廢棄的老河口區(qū)呈沖刷狀態(tài)［31］。Ma等［32］分析了近年來黃河三角洲潮灘、低潮線和水下地貌的動態(tài)，認為12 m等深線是沖淤平衡轉(zhuǎn)換帶。

不行河的刁口河流路和神仙溝流路河口海岸侵蝕顯著，1976—2000年岸線分別向陸后退約7 km和4.5 km。Chu等［33］指出1976—2000年最大的侵蝕區(qū)出現(xiàn)在刁口河和神仙溝行河期間形成的向海堆積的凸角處。Li等［34］提出刁口河流路河口的蝕退演變經(jīng)歷的主要3個階段：1976—1985年的快速侵蝕、1985—1992年的緩慢侵蝕和1992—1996年的侵蝕淤積調(diào)整階段。3個階段刁口河口侵蝕速率逐漸降低，在1976年后刁口河流路水下三角洲被重塑成與1976年之前截然不同的緩坡形態(tài)［35］。Zhang等［36］認為尾閭河道擺動、相對海平面變化、區(qū)域海洋水動力及地方工程建設(shè)是影響該區(qū)域岸線變化的重要因素。Fan等［37］對黃河三角洲北部潮間帶范圍時空演變進行了分析，指出北部潮間帶蝕退不僅受海洋動力影響，也受到人類圍墾的影響。由此可見，黃河口地貌演變是一個復(fù)雜而多變的過程，受到河流水文泥沙、海洋水動力條件和人類活動等多種因素的綜合影響，亟需從微觀層面揭示各影響因素的耦合互饋與相互作用關(guān)系及其地貌變化機制，這是理解河口地貌演變的關(guān)鍵所在。

1.3 河口生態(tài)條件與生態(tài)演化

黃河三角洲濕地是中國暖溫帶保存最廣闊、最完善、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)，沿海灘涂廣泛發(fā)育，濕地植物富集。根據(jù)水體類型和存續(xù)方式的不同，黃河三角洲濕地可分為淡水濕地、咸水濕地和半咸水濕地。淡水濕地多以河流為軸分布在河道兩側(cè)，咸水濕地主要分布于海岸帶附近，半咸水濕地則主要分布于河流與海洋的交匯地帶［38］。黃河口濕地生境類型極為豐富，萬千生物得以在此棲息繁衍。然而，黃河三角洲成陸時間較短，土壤發(fā)育年輕，生態(tài)發(fā)育層次低，適應(yīng)變化能力弱，抵抗外界干擾能力差，屬脆弱生態(tài)敏感區(qū)［39］。近年來，對于世界大多數(shù)河口來說，高強度人類活動、海平面上升及風暴潮等引起的陸海水沙條件改變導(dǎo)致河口濕地已出現(xiàn)不同程度的退化、侵蝕或永久消失（如圍墾），進而加劇了河口生境的脆弱性，危及河口生態(tài)安全。因此，最近10 a來關(guān)于河口濕地恢復(fù)的一系列成果不斷出現(xiàn)，長江三角洲通過構(gòu)建低矮堤壩以形成壩內(nèi)植被恢復(fù)生態(tài)［40］，美國密西西比河三角洲試圖將疏浚泥沙與沼澤恢復(fù)結(jié)合以穩(wěn)定海岸［41］，荷蘭則努力推行利用北海沉積物哺育潮灘，構(gòu)建牡蠣礁防護海岸侵蝕等一系列措施以恢復(fù)河口濕地生態(tài)［42］。

針對黃河三角洲濱海濕地嚴重退化的問題，學者們開展了大量修復(fù)研究和示范工作。前期，黃河三角洲退化濱海濕地的修復(fù)工作，多注重植被覆蓋的恢復(fù)效果，且多簡單采取圍封和補充淡水相結(jié)合的方式，過分依靠自然恢復(fù)，人工重建發(fā)揮作用不足。這樣的修復(fù)方式，不僅耗水量巨大，且導(dǎo)致恢復(fù)后的植被群落結(jié)構(gòu)簡單，生物多樣性喪失，作為鳥類棲息地的重要生態(tài)服務(wù)功能被嚴重削弱，影響了濕地功能的正常發(fā)揮。近期，許多學者針對氣候變化、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和外來物種入侵等因素共同影響下的植被動態(tài)進行研究，并取得了新進展，獲得了新認識。例如，有學者發(fā)現(xiàn)黃河三角洲受人工干擾影響濕地植被景觀破碎化程度劇烈，景觀多樣性指數(shù)呈下降趨勢［43］，加之河口來水來沙減少、海岸侵蝕和海水入侵加劇致使?jié)竦刂脖换謴?fù)和綠化受到更加嚴重的鹽堿脅迫［44］，而修復(fù)水文連通和實施生態(tài)補水對鹽沼植物和水生動物的生存以及生物多樣性具有積極作用［45］。綜合來看，黃河三角洲濕地面臨著嚴重退化的挑戰(zhàn)，通過學者們的研究和努力，可以找到解決問題的新途徑，修復(fù)工作需要更加注重濕地的生態(tài)功能，采取合適的措施來恢復(fù)植被和保護生物多樣性，以確保濕地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 水文-地貌-生態(tài)子系統(tǒng)耦合關(guān)系

2.1 水文條件對河口地貌的影響

水文條件（包括水動力與泥沙運動）引起河口三角洲地形地貌變化。徑流入海后與潮流、波浪等相互作用下的泥沙擴散、沉積、起動、平流及底沙再懸浮是河口區(qū)的典型水沙動力過程，見圖1［46］。對于多沙河口而言，高含沙徑流動力常以射流的方式入海［47］，泥沙沉積與侵蝕的不同模式塑造了不同形態(tài)的河口前緣地貌［48］。Warrick［49］研究發(fā)現(xiàn)在入海泥沙通量突然增多時，泥沙首先在河口沙嘴潮間帶淤積，幾個月后波浪再懸浮和余流輸運作用將泥沙帶到口門附近的洲灘形成堆積體，隨著堆積體在沿岸方向不斷延伸，三角洲幾何形態(tài)逐漸呈扇形發(fā)育。在洪水期間，徑流作用尤為突出，往往取代潮流成為控制泥沙輸移的關(guān)鍵因素［50］，在強徑流的作用下河床中形成雙向螺旋流，掘蝕河床而將泥沙向河床兩側(cè)堆積，隨后水下沙壩出露海面并逐漸將河道分汊［51］。黃河調(diào)水調(diào)沙塑造了強徑流入海條件，黃河口近岸落潮動力加強，漲潮動力減弱，含沙量顯著增大［52］，入海泥沙普遍以異輕羽狀流的形式在河口附近的有限區(qū)域內(nèi)沉積［53］，在沒有大風擾動的情況下河流入海懸沙濃度大于29.0 kg/m3時會產(chǎn)生高密度泥沙異重流［54］。調(diào)水調(diào)沙期間大量泥沙沉積促使河口口門地貌發(fā)生快速變化，進而引起入海主流的快速擺動［55］。黃河入海泥沙還具有“夏儲冬輸”的特點，夏季在河口附近沉積的泥沙成為冬季泥沙輸運的重要來源，冬季泥沙輸運量遠遠大于夏季且有向外海輸運的趨勢［56-57］。

水沙供給的多寡是哺育河口三角洲地貌發(fā)育與否的充分條件。多沙時期遵循三角洲面上呈“大循環(huán)”及流路自身的“小循環(huán)”演變規(guī)律［58］。此后，針對流路地貌穩(wěn)定問題，提出了出汊是影響流路穩(wěn)定的關(guān)鍵問題，并揭示了“淤積—延伸—出汊擺動—改道”流路演變的自然規(guī)律［59］。在少沙情勢下，行河口門造陸幅度趨于減緩，在個別來沙量較少年份甚至出現(xiàn)侵蝕［60］，局部逐漸呈現(xiàn)由河控型向海控型轉(zhuǎn)變的趨勢。黃河口海岸動態(tài)平衡的沙量閾值是當前研究的焦點，但研究成果差別較大（表1）。研究方法大多是建立描述某一時段內(nèi)陸地面積變化特征的因變量與水沙條件自變量的統(tǒng)計關(guān)系，得到因變量為0時的平衡沙量或臨界水沙組合關(guān)系式。從反映流路淤積延伸、河海交匯作用最強、海岸侵蝕最劇烈的角度選擇海岸線標準，研究三角洲陸地變化及海岸動態(tài)穩(wěn)定沙量很有必要。

需要指出的是，即便黃河入海水沙發(fā)生了顯著變異，黃河進入了枯水少沙期，但2002年實施調(diào)水調(diào)沙以來現(xiàn)行河道仍在淤積延伸，尾閭河道依然處于不斷出汊變動中。如2018年以來，黃河口各汊道交替成為行水主汊，河口泄洪排沙主通道不斷變化（圖2）。汊道頻繁演變不僅嚴重威脅河口兩岸防洪安全，而且可能破壞河勢穩(wěn)定、引起流路擺動。不僅如此，2020年多次洪水徑流輸沙入海后，河口河道呈現(xiàn)出明顯的淤積趨勢，河道前緣出現(xiàn)二級分汊，支汊淤積萎縮與攔門沙交互作用形勢更加復(fù)雜。這些變化綜合表明，在經(jīng)歷了近40 a的黃河來沙減少后，黃河口地貌系統(tǒng)正在面臨不同程度的轉(zhuǎn)變，淤積和侵蝕共存，尤其是侵蝕型地貌，受前期沉積物特性、海洋常規(guī)/非常規(guī)動力和植被附著特征影響更為復(fù)雜，亟需從水文-地貌-生態(tài)系統(tǒng)的整體層面揭示河口地貌變化機制，這是理解地貌多維耦合響應(yīng)機理與狀態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在。

2.2 河口地貌反饋影響水文條件

水文條件塑造河口地貌，而河口地貌是河口水文條件的地形邊界，其響應(yīng)水文條件的結(jié)果必定也會反饋影響水文條件，因此兩者存在明顯的耦合作用。河口攔門沙（沙壩）是河海動力相互作用后徑流能量耗散、咸淡水混合泥沙絮凝加速沉積而成的堆積體［66］，也是河口地貌反饋影響水文條件最明顯的區(qū)域。在黃河三角洲的各種沉積環(huán)境中，攔門沙的沉積速率最高，河流輸送入海的沉積物中，約有30%～40%的入海泥沙沉積在攔門沙區(qū)域內(nèi)［67］。不同徑流量對攔門沙形態(tài)發(fā)育影響不同，在高徑流量時期形成雙葉瓣單河道形式的攔門沙，在低徑流量時期形成單葉瓣雙河道形式的攔門沙。攔門沙的淤高和延伸可以影響河口一系列水沙運動過程，如Li等［68］發(fā)現(xiàn)攔門沙的存在可以改變河口環(huán)流和床面剪應(yīng)力，進而影響河口最大渾濁帶的形成;Gong等［69］指出河口攔門沙的水力控制在被背風跳躍阻擋的狀態(tài)下，可以通過潮泵輸運增強向陸地的鹽輸送，這表明攔門沙對鹽的運移具有重要的控制作用。

細顆粒泥沙在黃河口不斷淤積，口門攔門沙發(fā)育充分。攔門沙形成之后，侵蝕基面抬高，對河道泄水排沙十分不利，導(dǎo)致水位壅高，產(chǎn)生溯源淤積，加重下游河道抬升，是黃河口影響下游河道防洪安全的根源。學者們對于黃河口攔門沙淤積反饋的影響距離有不同看法，有的認為河口淤積延伸將導(dǎo)致整個黃河下游河道長期難以平衡［70-71］，有的則認為僅在感潮河段漲潮時才產(chǎn)生溯源淤積［72］，大多認為溯源淤積影響范圍在濼口與艾山之間［73］。曹文洪等［74］基于概化河工模型研究發(fā)現(xiàn)黃河口攔門沙的形成與滯流點的關(guān)系非常密切，河口徑流與潮流的交匯處（滯流點）的位置在攔門沙頂部變動。黃河口攔門沙出露水面后，河口沙嘴不斷向外凸出，這導(dǎo)致現(xiàn)行河口外漲潮優(yōu)勢流呈舌狀向南部萊州灣方向伸展，有利于泥沙的凈輸入［75］。這些研究結(jié)果表明黃河口地貌與水文之間的關(guān)系是非線性、多元和時空變化的，由于獲取準確、連續(xù)的水文和地貌數(shù)據(jù)仍然是一項挑戰(zhàn)，缺乏高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)限制了對黃河口水文-地貌互饋機制的深入研究。

2.3 河口生態(tài)與水文-地貌的相互作用

河口生態(tài)過程與水文-地貌之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，水文是河口地貌演化、地下水及鹽度等生境條件和生態(tài)演替的主要驅(qū)動因素，生態(tài)水量是各類生物生長的必要物質(zhì)（水文的直接作用），水文作用引起的地貌演變?yōu)樯锾峁┓€(wěn)定的基底（水文的間接作用）。為此，生態(tài)專家提出在潮灘濕地生態(tài)修復(fù)時應(yīng)著重注意生物和物理緩解作用之間的相互作用，如鹽沼植被的存在削弱了水動力，從而減少了灘面侵蝕，反過來水動力的削弱和沉積物穩(wěn)定性的增加也有利于鹽沼植被生長［76］。

地貌高程（影響水位）和鹽度是決定濱海濕地植物存活和分布的最關(guān)鍵環(huán)境因子［77］，不同植物對高程和鹽度的要求不同，水-鹽環(huán)境（一般指水位和鹽度環(huán)境）對不同的鹽沼植物存在一個臨界值，一旦水-鹽環(huán)境脅迫超過鹽沼植物的耐受閾值，將直接影響植物的生長及存活［78-80］。受水-鹽脅迫影響，黃河三角洲濕地植被從海向陸呈連續(xù)帶狀分布格局，主流植被類型依次為堿蓬、蘆葦、檉柳。植物根系促淤，會抬高地表高程，是生物反饋地貌的集中體現(xiàn)?；セ撞蓰}沼繁殖能力強、根系茂密，黃河三角洲于1990年首次引種互花米草，最初目的是用于保灘促淤，然而近年來卻成為入侵物種，導(dǎo)致黃河口濱海濕地生態(tài)失衡；2011年后，黃河三角洲地區(qū)互花米草開始進入快速擴散期，并迅速入侵土著植被棲息地；到2020年，現(xiàn)行河口區(qū)互花米草分布面積達52.7 km2，占總鹽沼面積的31%［43］?；セ撞菥哂休^強繁殖能力，其形成的鹽沼植被豐度較高，增強了局部沉積，黃河三角洲濕地互花米草群落的地表高程變化速率為58.8±19.4 mm/a，遠高于土著植被堿蓬和檉柳［81］?；セ撞菰黾恿说乇砀叱?，也降低了黃河口自然濕地淹水頻率［82］。

河口生物與水文-地貌環(huán)境的相互作用不僅在時間尺度上不斷累積，也會通過空間尺度上的交流影響河口地貌形態(tài)。河口潮灘生物出現(xiàn)的規(guī)律性的斑圖形態(tài)，是鹽沼在不同尺度上對水動力和泥沙沉積作用的響應(yīng)，也稱為自組織斑圖［83-84］。黃河三角洲潮灘微地貌斑圖呈現(xiàn)季節(jié)性變化，每年4—6月伴隨著灘涂上泥螺生物量的增加，微地貌斑圖逐漸減弱，受泥沙擴散、水流再分配過程交互作用的影響，高丘上的底棲微藻生物量明顯高于洼地［85］。隨著對生物-地貌耦合關(guān)系的認識，在研究河口水沙地貌變化時，越來越多的學者考慮在傳統(tǒng)地貌模型的基礎(chǔ)上引入生物過程［86-87］。以基于水沙動力過程的數(shù)學模型為主流，通過較準確地還原水動力、泥沙輸運、生態(tài)和地貌的復(fù)雜過程，在徑流和海洋動力作用下的河口生物地貌模擬方面發(fā)揮了重要作用［88-90］。然而，這些模型在深入研究水沙過程時，需要采用復(fù)雜的數(shù)學方程來描述，將不同時空尺度的動力過程耦合到同一模型中是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

3 水文-地貌-生態(tài)多維調(diào)控策略

黃河三角洲是由水文、地貌和生態(tài)3個子系統(tǒng)相互作用、耦合形成的復(fù)合系統(tǒng)，其中，水沙是河口地貌與生態(tài)演化的基礎(chǔ)，黃河河道與引黃水系是輸送水沙的通道。水沙資源優(yōu)化配置是通過調(diào)控水量和泥沙的分配和利用，均衡水沙時空分布以實現(xiàn)對水文-地貌-生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和管理，是黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)多維調(diào)控的最直接策略。下文在綜述水沙配置理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)多維協(xié)同的水沙配置研究框架，進而展望基于水沙資源優(yōu)化配置的多維調(diào)控策略。

3.1 水沙資源優(yōu)化配置理論與技術(shù)

河流系統(tǒng)是以水沙運動為聯(lián)系紐帶、自然流域和人類工程相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)，水沙資源優(yōu)化配置是一項難度很大的復(fù)雜系統(tǒng)工程，它涉及產(chǎn)水產(chǎn)沙、水土保持、水庫運用、水沙運動、河床演變和河道治理等多方面的理論［91］。水沙資源優(yōu)化配置的概念是逐漸形成并發(fā)展起來的，最初水沙配置是分開的，且水配置已經(jīng)進行了半個多世紀，研究范圍從最初僅限于小區(qū)域，逐漸擴展到大流域，甚至跨越流域邊界;配置模式從最初的“以需定供”或“以供定需”逐步演變?yōu)榫C合考慮供需的“可持續(xù)發(fā)展模式”［92］。隨著研究的深入，人們逐漸認識到水流和泥沙在運動過程中是密不可分的2個方面，它們既具有獨立性，可以分別進行配置，又相互制約、相互影響，對水沙進行聯(lián)合配置更具有科學合理性。

黃河泥沙問題突出，多年來黃河水沙調(diào)控實踐極大地豐富了水沙資源優(yōu)化配置的理論與技術(shù)研究［93］。錢寧等［94］是較早提出黃河水沙配置的學者之一，認為通過水庫調(diào)水調(diào)沙可以改造黃河下游河道，提高河道輸沙能力，創(chuàng)造漫灘機會，進而改善泥沙淤積部位。廖義偉［95］提出了對黃河實施水庫群水沙資源化聯(lián)合調(diào)度管理的理念，以及水沙一體化、科學攔蓄、調(diào)排有序、挖放結(jié)合、分滯兼顧等調(diào)度管理思想。練繼建等［96］采用多目標規(guī)劃的思想，成功應(yīng)對了動態(tài)多目標規(guī)劃中的“維數(shù)災(zāi)”問題，結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，構(gòu)建了基于非線性整體求解理論的多目標規(guī)劃模型，用于優(yōu)化三門峽水庫的水沙聯(lián)合調(diào)度。胡春宏等［97-100］建立了流域水沙資源多目標優(yōu)化配置層次分析表，提出了流域水沙資源聯(lián)合多目標優(yōu)化配置理論模型。江恩慧等［101］提出的基于系統(tǒng)科學的多協(xié)同論，為多目標協(xié)同的黃河水沙配置提供了理論指導(dǎo)。在國外，也有大量水沙資源利用的研究成果和典型事例。美國華盛頓州拆除埃爾瓦河上游大壩后，將泥沙分配到河口三角洲，利用泥沙資源治理三角洲海岸侵蝕［102］;Nardin等［103］在美國路易斯安那州蠟湖三角洲發(fā)現(xiàn)濕地植被恢復(fù)工程可以影響河流泥沙的分配，水沙配置的有效性得到一定提高，進而可以高效恢復(fù)被侵蝕破壞的三角洲。雖然有多位學者提出了水沙資源優(yōu)化配置的理念和思想，但整體上缺乏系統(tǒng)性和綜合性的研究框架，無法全面考慮黃河水沙調(diào)控的多個方面和復(fù)雜性。

在水沙資源優(yōu)化配置理論基礎(chǔ)上，通過對水庫的蓄水和放水調(diào)度，黃河已開展了多種水沙配置實踐。如黃河口生態(tài)調(diào)度使三角洲沿岸的地下水位抬升，近海生態(tài)環(huán)境得到了一定程度的改善及恢復(fù)。需要指出的是，有關(guān)黃河調(diào)水調(diào)沙已有研究關(guān)注的重點仍然是下游防洪減淤。隨著綜合國力的提升和國家區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略以及生態(tài)安全戰(zhàn)略的推進，黃河流域“防洪安全-社會經(jīng)濟發(fā)展-生態(tài)環(huán)境改善”之間的關(guān)系亟待平衡與協(xié)調(diào)。特別是，受復(fù)雜約束條件和邊界條件制約，未來黃河“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”等問題將更加突出，單依靠傳統(tǒng)的水沙資源配置理論和技術(shù)將無法實現(xiàn)黃河三角洲地區(qū)多因子發(fā)展平衡的協(xié)同目標。

3.2 多維協(xié)同的水沙配置研究框架

黃河三角洲來水來沙條件是動態(tài)變化的，三角洲海岸-河道邊界約束條件是動態(tài)調(diào)整的，河口生態(tài)健康維持的需求是動態(tài)增長的，特別是針對河口水少沙多、水沙變動頻繁的現(xiàn)實狀況，黃河三角洲基于水沙配置的多維調(diào)控不僅要注重水沙量的適應(yīng)性調(diào)度，更要突出三角洲生態(tài)保護與區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)水沙輸移-地貌穩(wěn)定-生態(tài)環(huán)境等河口三角洲系統(tǒng)功能多維協(xié)同的目標。綜合黃河流域水沙優(yōu)化配置研究［104-105］和黃河三角洲自身演變特點，提出黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)系統(tǒng)多維協(xié)同的水沙配置研究總體框架（圖3）和與之相對應(yīng)的目標函數(shù)。

總體框架的基本內(nèi)涵可以表述為，黃河三角洲水沙配置多維調(diào)控取決于一定時空條件下各子系統(tǒng)治理效益和彼此間的耦合協(xié)調(diào)情況達到最優(yōu)，且又受制于黃河河口系統(tǒng)所能承受的約束條件。提出多維協(xié)同水沙配置技術(shù)的系統(tǒng)效益、約束條件和耦合協(xié)調(diào)3個模塊（圖3）。在系統(tǒng)效益模塊，采用非線性多目標優(yōu)化配置模型，確定各水沙條件情形下黃河三角洲地區(qū)各子系統(tǒng)的優(yōu)化配置結(jié)果；在約束條件模塊，綜合考慮黃河三角洲地區(qū)水沙供給邊界條件、水沙需求條件、水沙最低保障紅線約束條件和子系統(tǒng)間的水沙協(xié)同條件，確定模型的約束條件；在耦合協(xié)調(diào)模塊，引用物理學中的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的概念，耦合度表示兩系統(tǒng)之間通過動態(tài)相互作用而彼此產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。

目標函數(shù)包括水文、地貌和生態(tài)3個子系統(tǒng)獨立效益最佳的權(quán)重。系統(tǒng)和各子系統(tǒng)有一些剛性約束條件（邊界條件、子系統(tǒng)紅線與底線、子系統(tǒng)間容斥關(guān)系等）。此外，還考慮了子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)程度。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建非線性多目標優(yōu)化配置模型目標函數(shù)，對黃河三角洲水沙的時空變化進行更精準的預(yù)測，可以分析不同條件下的水沙資源優(yōu)化配置方案，優(yōu)化水沙調(diào)度策略，提高水沙資源的利用效率。

4 結(jié)論和展望

20世紀50年代以來，河流入海水沙量減小疊加海平面上升和極端氣候事件，引起了世界上大多數(shù)河口三角洲出現(xiàn)岸灘侵蝕、土地淹沒、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題。圍繞黃河三角洲演變，國內(nèi)外研究者針對水文、地貌、生態(tài)子系統(tǒng)演化及主控因素開展了大量研究，已開展的工作對于理解多重壓力下的子系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整與狀態(tài)特征具有重要貢獻，加深了對水文條件與河口地貌-生態(tài)系統(tǒng)互饋關(guān)系的認識，可為未來開展理論分析、模擬方法和多維調(diào)控等方面研究提供借鑒和參考。然而，由于黃河三角洲水文過程和地貌-生態(tài)響應(yīng)內(nèi)在機制極其復(fù)雜，加之未來黃河“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”等問題將更加突出，仍需要從流域、河口和海洋等多尺度角度，從動力條件、泥沙輸移、地貌塑造和生境變化等多過程角度，從行洪輸沙維持、地貌演變穩(wěn)定和生態(tài)良性發(fā)展多目標協(xié)同角度，進一步探究黃河三角洲系統(tǒng)演變機制與多維調(diào)控研究。未來研究可以從以下3個方面進行探索：

（1） 加強對黃河三角洲系統(tǒng)層面的連續(xù)性現(xiàn)場觀測。建立完善的黃河三角洲水文-地貌-生態(tài)實時大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，加強對水動力、泥沙輸運、生境變化等外界擾動指標，以及沖淤量、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)狀況等可表征系統(tǒng)狀態(tài)指標的中長期時間尺度持續(xù)性觀測，為現(xiàn)有系統(tǒng)耦合分析結(jié)果提供更多現(xiàn)實依據(jù)。

（2） 發(fā)展多時空尺度的水文-地貌-生態(tài)全過程定量化模擬。在高質(zhì)量連續(xù)觀測資料基礎(chǔ)上，建立水文-地貌-植被全過程動態(tài)模式，考慮水文-地貌-生態(tài)過程在不同時空尺度的耦合效應(yīng)，實現(xiàn)不同水沙邊界條件下地貌演變和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的數(shù)值模擬，預(yù)測地貌失穩(wěn)區(qū)和生態(tài)功能退化區(qū)擴張的風險與時空變化，為水沙優(yōu)化配置提供重要手段。

（3） 深化多維協(xié)同的水沙優(yōu)化配置理論與技術(shù)研究。突破“就水論水、就生態(tài)論生態(tài)”的思路限制，從河口系統(tǒng)整體性出發(fā)，針對系統(tǒng)治理中存在水文要素分布不均、地貌形態(tài)演化失衡和生態(tài)系統(tǒng)演替失調(diào)等問題，開展多學科交叉、多過程耦合、多尺度集成的系統(tǒng)多維水沙優(yōu)化配置理論與技術(shù)研究，確立多維協(xié)同的水沙配置思路與方法。

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Research progress on hydrology-geomorphology-ecology system evolution and

multidimensional regulation in Yellow River Delta

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.U2243207） and the Science Foundation of Henan Province，China （No.232300421017）.

FAN Yaoshen1，DOU Shentang1，YU Shoubing1，WANG Guangzhou1，WU Yan1，XIE Weiming2

（1. Key Laboratory of Yellow River Channel and Estuary Regulation of MWR，Yellow River Institute of

Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;

2. State Key Laboratory of Estuarine

and Coastal Science，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Abstract：The estuarine delta is a complex system formed by the coupled interactions of hydrology，geomorphology，and ecology.The evolution of the estuarine delta is characterized by strong spatiotemporal fluctuations，high sensitivity to disturbances，significant edge effects，and high environmental heterogeneity，making it a typical unstable region.From the perspectives of the evolution process of hydrology-geomorphology-ecology system，the coupling relationships，multidimensional regulation theories and techniques of the Yellow River Delta，this study elucidates the adaptive adjustment and state characteristics of the hydrology-geomorphology-ecology subsystem under multiple pressures.This study also summarizes the mutual feedback relationship between hydrological conditions and the evolution of the estuarine geomorphology-ecology system.In addition，this study establishes a multidimensional collaborative research framework for water and sediment allocation and proposes a multidimensional regulation strategy based on optimized water and sediment allocation.In response to current research gaps，key directions for future research are proposed，including the construction of continuous monitoring platforms，the building of whole-process models，the prediction of imbalance risks，and the study of multidimensional regulation theories and techniques.These efforts aim to provide scientific support for optimizing the use of limited water and sediment resources to maintain the stability of the estuarine system.

Key words：hydrology-geomorphology-ecology;evolution process;coupling relationship;mutual feedback relationship;multidimensional regulation;Yellow River Delta