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悬沙浓度是河口的重要自然属性之一。河口悬沙浓度变化与河流入海水沙通量以及河口潮汐、波浪等多种因素有关。河口悬沙浓度变化对水下地形冲淤、港口航道维护、营养盐和污染物输运、浮游植物光合作用等多个方面都有重要影响,其大小和变化规律具有重要的地貌学、生态学、环境科学和工程学意义。因此,有必要开展河口海岸地区悬沙浓度变化规律和机制研究。在过去几十年里,长江流域人类活动非常强烈。据统计,长江流域的水库总数已超50,000座,总库容超过300 km~3,是长江多年平均入海径流量的1/3,是长江枯季入海径流量的1.14倍。流域大量修建水库导致长江入海悬沙通量急剧下降:近10年(2011-2020年)与1956-1968年相比下降77%,下降幅度约为全球河流平均下降幅度的3.5倍。此外,长江口及其邻近海域频繁遭受台风袭击,导致长江口每年平均有56天处于强涌浪(涌浪有效波高大于0.93 m)状态。随着全球气候变暖,台风强度呈增大趋势,这会导致长江口处于强涌浪和高悬沙浓度状态的持续时间进一步增大。流域水库修建和台风事件对长江口及其邻近海域悬沙浓度分别产生怎样的影响?在流域来沙减少的背景下,西北太平洋台风强度的增强对长江口悬沙浓度长期变化趋势有怎样的影响?这些是亟待深入研究的科学问题。本文重点针对上述科学问题开展深入的研究。一是根据上世纪90年代以来在长江口及其邻近海域10个固定采样点的表层悬沙浓度数据,结合相应时段长江入海控制站(大通水文站)的径流和悬沙通量数据以及相关海域的波浪和潮汐资料,研究河口及其邻近海域悬沙浓度的年-年代际变化特征及其对流域水库修建和水库的蓄洪补枯调控运行等人类活动的响应规律。二是利用装载多种高分辨率仪器的海底三脚架观测系统,于2016年台风Malakas前、中、后在长江口门附近海域测得的连续流速流向、波高波向、浊度和水深等系列资料,结合相应时间段的台风路径和风力等信息,研究河口悬沙浓度对台风事件的响应特征。三是评估流域水库修建等人类活动和台风强度的年际变化对长江口及其邻近海域悬沙浓度影响的叠加效应,展望未来几十年长江口及其邻近海域悬沙浓度的变化趋势。主要结果和结论如下:(1)长江口及其邻近海域悬沙浓度变化对流域水库建设等人类活动的响应。从1990-2002年时段到2003-2020年时段(三峡水库从2003年开始蓄水运行),长江入海控制站(大通水文站)悬沙浓度下降57%,而长江口及其邻近海域悬沙浓度仅下降27%(10个站点平均值)。后者下降幅度明显低于前者,其主要原因是河口及其邻近海域强潮汐和波浪等海洋动力引起的沉积物再悬浮对河口悬沙浓度起到补偿作用。这种补偿作用使得河口及其邻近海域悬沙浓度的下降在时间上滞后于长江入海悬沙通量的下降。随着水动力从河口上游向拦门沙地区逐渐增强,滞后时间从河口上游的1年(徐六泾站)增加到拦门沙地区的8-14年。因流域不断新建水库以及水库的蓄洪补枯调控运行,枯季水库泄水导致长江枯季入海的径流量从2003-2005年到2018-2020年增加约49%(p<0.01),枯季径流量增加引起的层化增强加剧了长江口内枯季悬沙浓度的下降。(2)长江口悬沙浓度变化对台风事件的响应。在5次台风期间,长江口门外7-m水深观测点的有效波高较平静天气平均增大4.2倍,表层悬沙浓度较平静天气平均增大3.6倍。在其中的两次台风(Meranti和Malakas)期间,长江口门外20-m水深观测点有效波高较平静天气平均增大2.78倍,近底悬沙浓度较平静天气平均增大8.3倍。在远程台风Malakas影响期间,涌浪主导了长江口沉积物再悬浮。涌浪剪切应力的潮周期平均值(0.011-0.372 N/m~2)是风浪剪切应力(0.003-0.056 N/m~2)的3-16倍。涌浪剪切应力与悬沙浓度之间的相关性(R~2=0.91)远好于风浪剪切应力和潮汐动力与悬沙浓度之间的相关性(风浪剪切应力与悬沙浓度:R~2=0.05;潮差与悬沙浓度:R~2=0.38)。在Malakas影响期间,涌浪对长江口沉积物再悬浮的贡献率达81%。台风Malakas在1,500km外消失后的3天内,其涌浪仍可影响到长江口。(3)流域水库修建等人类活动和台风强度的年代际变化对长江口及其邻近海域悬沙浓度影响的叠加效应。与近几十年长江入海悬沙通量的下降趋势相反,近几十年西北太平洋超强台风(中心风速大于51 m/s)的持续时间呈增大趋势。从1990-2002年时段到2003-2020年时段,长江入海悬沙通量下降60%,西北太平洋强台风持续时间增大87.2%。鉴于上述台风对长江口及其邻近海域悬沙浓度的增大效应,近期西北太平洋台风强度增大引起的泥沙再悬浮可能在某种程度上削弱了但未完全抵消长江流域水库修建引起的入海悬沙通量下降对河口及其邻近海域悬沙浓度的影响,因而长江口及其邻近海域悬沙浓度仍然呈现下降趋势。今后几十年,随着流域修建水库的增多,长江入海悬沙通量很可能进一步下降,长江水下三角洲侵蚀引起的表层沉积物粗化也可能增强。另一方面,在全球变暖背景下,影响长江口及其邻近海域的台风强度仍可能呈增大趋势。在上述正反两方面因素的综合影响下,长江口及其邻近海域悬沙浓度可能还会有所降低,但降低到何种程度有待进一步研究。(4)长江口及其邻近海域悬沙浓度下降的若干环境效应。长江口及其邻近海域悬沙浓度下降导致水下三角洲侵蚀、表层沉积物粗化以及赤潮频率增加。近20年来,长江水下三角洲正遭受侵蚀。从2002到2017年,水下三角洲前缘代表性区域的多年平均侵蚀速率约为0.58 cm/yr,最大侵蚀速率超过15 cm/yr。水下三角洲侵蚀导致表层沉积物大范围粗化及三角洲外缘与晚更新世东海残留砂的分界线向陆后退。由于海水中悬浮沉积物的遮蔽效应会限制浮游植物光合作用所需的辐射量,长江口及其邻近海域悬沙浓度的下降导致浮游植物光合作用增强,浮游植物产量增大。从2000年到2018年,长江口及其邻近海域的叶绿素(Chl-a)浓度增加61%(从3.5增加到5.6 mg/m~3,p<0.05),年赤潮频率增加5倍以上(从6.3增大到31.6,p<0.001)。Chl-a浓度和赤潮爆发频率与长江口悬沙浓度呈显著负相关关系(p<0.001)。上述研究表明,流域水库修建引起的入海悬沙通量减小是长江口及其邻近海域悬沙浓度呈长期下降趋势的主要原因,远程台风产生的涌浪会引起悬沙浓度在短期(一至数日)内快速上升,台风强度的年代际增强趋势所产生的潜在悬沙浓度上升没有完全抵消流域水库修建引起的入海悬沙通量减小的影响,使得长江口及其邻近海域悬沙浓度仍呈现较显著下降趋势。长江口及其邻近海域悬沙浓度下降对沉积地貌和生态系统有重要影响,值得进一步深入研究。本文所取得的研究成果可为评价流域水库修建以及台风等极端天气事件对河口环境的影响提供科学依据,对维护河口生态系统安全和流域-河口协调发展策略具有重要意义。