沉积物是河流和海岸带环境中的基本要素。沉积物不仅含有来源信息,还反映当地的沉积动力状况,是研究沉积环境不可缺少的资料。因此,沉积物研究是河口海岸学研究中的一个基本课题。河流沉积物在塑造河口和海岸带地貌形态中扮演着极其重要的角色。本文基于长江干、支流和河口三角洲沉积物采样、干流和子流域重要水文站的水沙数据和部分观测点的水动力数据,研究长江干、支流和河口区沉积物(包括底床沉积物和悬浮沉积物,即悬沙)的沿程格局和近期变化,长江水下三角洲前缘沉积物的粗化及其原因,和长江水下三角洲沉积物的可侵蚀性。具体来说,研究内容主要有长江干、支流大范围的沉积物的粒径和悬沙浓度的空间分布,在人类活动的影响下这些沉积物的近期变化趋势、重要河段的冲淤状况以及长江水下三角洲的响应,最后借助三脚架近底边界层观测系统研究了长江口沉积物的可侵蚀性,对今后长江口的冲淤趋势作出了预测。主要结果和结论如下:1)在准自然状态下(即人类活动干扰较小的条件下),长江底床沉积物和悬沙颗粒总体上都有一个向下游变细的趋势。在2000~2003年(三峡大坝建设前),底床沉积物在三峡以上河段一般为砾石,三峡库区沉积物粒径>30 mm,宜昌至沙市之间的河段,沉积物中值粒径的平均值为0.290 mm,沙市至汉口河段平均为0.151 mm,汉口至大通河段为0.187 mm,大通至徐六泾河段为0.116 mm。在1956~1968年(建坝前的阶段),悬沙的中值粒径在向家坝水文站是0.029 mm,到了朱沱水文站降低为0.019 mm,到了宜昌站减小为0.017 mm,在汉口和大通站则分别为0.007和0.009 mm。而在流域内水坝建设和水土保持等人类活动影响之后,长江底床沉积物和悬沙颗粒的沿程格局被改变了。在2008~2012年(三峡建设后),三峡库区的底床沉积物中值粒径显著降低为0.011 mm,宜昌至沙市河段沉积物中值粒径的平均值显著增大为11.5 mm,沙市至汉口河段增大为0.236mm,汉口至大通河段增大为0.195 mm,大通至徐六泾河段的平均值增大为0.171mm。在2013~2015年(建坝和水土保持工程后的阶段),向家坝水文站的悬沙中值粒径降低为0.006 mm,朱沱降为0.012 mm,宜昌降低到0.009 mm,汉口和大通则分别增大为0.015和0.011 mm。在1956~1968年(建坝前的阶段),向家坝至宜昌河段的年均泥沙通量沿程增大,从向家坝站的2.6亿吨逐渐增加到宜昌站的5.6亿吨;而宜昌至大通河段的年均泥沙通量则呈现出向下游沿程减小的趋势,从宜昌站的5.6亿吨降低到大通的5.1亿吨。而在2013~2015年(建坝和水土保持工程后的阶段),向家坝至宜昌河段的年均泥沙通量呈先变大再变小的趋势,在向家坝站仅有0.016亿吨,到了朱沱和寸滩站则分别增长到0.41和0.69亿吨,接着到了宜昌站则降低到0.14亿吨;宜昌至大通河段的泥沙通量呈现出向下游沿程增大的趋势,从宜昌站的0.14亿吨增长到沙市的0.27亿吨,到汉口的0.79亿吨,最后到大通的1.18亿吨。自从上世纪五十年代以来,流域内水坝的建设使得大量的泥沙被拦截在水库中,只有悬沙的细颗粒部分能进入水坝下游。到了上世纪九十年代,流域内的水土保持工程逐渐展开,长江的入海泥沙进一步减少。相比于1956~1968年(建坝前的阶段),2013~2015年(建坝和水土保持工程后的阶段)子流域的泥沙通量总共减少了91%,干流各水文站的泥沙通量均减少了75%以上,尤其是上游的向家坝水文站减少了99%。由于径流量多年来无明显变化,悬沙浓度的减少规律基本与泥沙通量一致。建坝前,长江流域西北部子流域(金沙江、嘉陵江和汉江流域等)的悬沙浓度要远大于东南部子流域(洞庭湖和鄱阳湖流域等)。建坝后,西北部流域的悬沙浓度与东南部流域的差距已经大大减小,金沙江的悬沙浓度甚至已经低于两湖流域。同时,水坝建设后,下游河段发生强烈的侵蚀。在河床冲刷的过程中,河床沉积物相对细的部分优先被侵蚀,这使得下游河段底床沉积物变粗,同时底床沉积物的融入也使得悬沙较原先自然状态下变粗。长江流域原有的沉积物粒径和悬沙浓度的空间分布特征已经不复存在了。据估计,至2050年,长江的年均入海泥沙通量将低于1.1亿吨,至2090年长江的年均向海泥沙通量将进一步低于1亿吨。2)广义的长江河口区指大通水文站(潮区界)与水下三角洲外缘(30~50 m等深线)之间区域,长约700 km。本文的观测终点站距大通水文站约660 km。研究表明,长江河口区从大通到徐六泾的500 km底床沉积物主要是砂,而徐六泾以下的160 km则主要是粉砂。但是悬沙粒径的沿程分布格局则相反,最后100 km的悬沙粒径在8~13μm之间,要大于上段的5~6μm,这主要反映了下段强烈的悬沙与底床交换过程。在上段的100 km内,悬沙浓度非常小,一般小于0.1 g/L,且没有明显的垂向变化。但是在继续向海的河段,悬沙浓度迅速增长到1 g/L以上,且存在明显的垂向和潮周期变化。沉积物的空间分布特征反映的就是水动力变化。潮汐的影响在上段的100 km十分微弱,潮差则从0向海逐渐增加到口门地区的接近3 m。虽然在上段的400 km河段,流速对潮汐动力存在一定的响应,但是仍然是单向流。在最后的260 km,往复流才开始发育,向海河段潮流逐渐处于控制地位。3)长江水下三角洲前缘典型区域沉积物中值粒径的平均值从1982年的8.0μm增加到2012年的15.4μm。沉积物粗化的过程中,伴随着粘土含量的下降、分选性变好,并且变的更正偏。相比于1976~1985年,2005~2014年期间的年均风速和波高分别增加了2%和3%,但是潮差无明显变化,海洋动力整体变化不大。然而长江入海泥沙通量减少了70%,并且流域来沙的粒径则从8.4μm增加到10.5μm。此外,该区域的地貌从1979~1986年期间的净淤积1.0 cm/yr转变为2004~2011年期间的净侵蚀0.6 cm/yr。因此,长江水下三角洲沉积物的粗化主要归咎于流域来沙减少导致的水下三角洲的淤-蚀转型。当流域来沙量小于沿岸流向南的搬运量时,长江口则发生侵蚀。鉴于没有证据显示长江口沿岸流搬运泥沙的能力有减弱的趋势,加上流域来沙可能会进一步减少,推断长江口沉积物的粗化会持续发生。4)在长江入海泥沙通量锐减影响下,三角洲沉积物面临严重侵蚀威胁。沉积物的可侵蚀性是衡量一个三角洲脆弱性的重要指标。据本文研究表明,平静天气下长江口波流联合剪切应力的变化区间为0.08至0.67 N/m~2,平均值为0.29N/m~2,而在风暴天气下平均值可达2.56 N/m~2。长江口表层沉积物的临界剪切应力变化区间为0.08至0.23 N/m~2,平均为0.13 N/m~2。在平静天气下,长江口波流联合剪切应力大于沉积物临界剪切应力的时段平均为总时段的63%;在风暴天气下则100%的时段波流联合剪切应力大于沉积物临界剪切应力。这解释了长江水下三角洲的局部发生侵蚀的原因。浅层的柱状样数据,则揭示了长江水下三角洲表层2 m左右的沉积物与表层沉积物基本同质,即可侵蚀性没有明显变化。地震剖面和深层的柱状样数据揭示了10~20 m厚的现代长江沉积物粒径与表层无明显差别,但是可能存在一定的向下的压实性增强和含水量降低,但推测因此导致的增大后的临界剪切应力应仍小于波流联合剪切应力。总体来说,长江口海洋动力强,沉积物自身也易被侵蚀,在来沙减少的背景下,侵蚀可能在未来几十年甚至几个世纪持续发生。