《CATENA》：Control of channel geometry on centennial morphological evolution of deltas: A numerical simulation perspective
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本研究通过Delft3D水沙耦合模型，分析350年尺度河流三角洲形态演化机制，发现河流几何系数（HGC）是控制三角洲稳定性和渠道配置的关键因素：高HGC（宽浅型）促进多支流复杂形态，低HGC（窄深型）导致单一渠道系统，且HGC对河道形态的影响呈现非线性时变特征。识别出临界HGC阈值（5-10）和系统记忆效应，揭示初始河道几何参数对百年尺度三角洲平面形态的长期控制作用。
Jiarui Zhang|Qing Wang|Chao Zhan|Kezi Zhao|Yin Cao|Shenliang Chen
中国华东师范大学河口与海岸研究院，上海200241
摘要
三角洲的形态演变受到河流-沉积过程和人类活动的影响，这对河口-海岸生态保护至关重要。虽然已知河流流量和沉积物输入会影响三角洲的发育，但河流形态变化在百年尺度上的影响仍不够明确。本研究利用水力几何系数（HGC）来量化河流形态，并结合基于Delft3D的流体动力学-沉积物-地形耦合模型，分析了河流三角洲在350年内的演变过程。通过对巴拉那河和多瑙河三角洲的验证，结果证实HGC是控制三角洲稳定性和河道配置的关键因素：高HGC（宽而浅的河道）促进复杂的多分支三角洲的形成，而低HGC（窄而深的河道）则形成简单、狭窄的三角洲。HGC对河床波动的影响具有时间依赖性——初期较弱，中期呈非线性增强，长期则减弱——并且河道的复杂性与HGC呈正相关。研究还发现了一个关键的形态阈值（HGC = 5–10），以及“系统记忆效应”：早期的形态差异（如河道数量）会持续数个世纪，高HGC的三角洲保持复杂性，而低HGC的三角洲会退化为单河道系统。这些发现突显了河道特征在三角洲形成中的重要性，为河口管理和三角洲保护提供了重要见解。
引言
河流三角洲是大陆过程与海洋过程交汇的动态地貌系统，形成了地球上一些生产力最高但同时也最脆弱的景观（Syvitski和Saito，2007；Wright，1977）。其形态演变受到河流流量、沉积物输送、潮汐波动和波浪能量的共同作用，同时人类活动如筑坝、河道整治和土地开发也会对其产生影响（Anthony等人，2015；Dai等人，2012；Tessler，2015）。理解这些力量如何塑造三角洲地貌对于预测三角洲对全球环境变化的响应以及维持其生态和经济功能至关重要。
传统上，三角洲的演变是在河流过程与海洋过程之间的能量分配框架内进行解释的（Galloway，1975；Nienhuis等人，2020）。这一概念模型有效地解释了河流主导、波浪主导和潮汐主导的三角洲之间的广泛形态差异（Nienhuis等人，2018a；Paniagua-Arroyave和Nienhuis，2024）。然而，具有相似主导能量条件的三角洲往往表现出不同的分支网络和海岸线形态。例如，巴拉那河、多瑙河、密西西比河和黄河三角洲都是河流主导的系统，它们的能量比率相当，但形态却大相径庭（Syvitski和Saito，2007）。如图1所示，即使具有相似潮汐优势比（T）的河流主导三角洲，在形态特征上也存在显著差异：多级河道分支的变化、简单而高效的分支网络的发展，以及从树状到鸟足状的平面形态。
两个公认的内部控制因素有助于解释这种差异。首先，沉积物特性——特别是粒度和凝聚力——决定了沙洲的形成（Broaddus等人，2025）、河道稳定性以及河口沙洲的分叉，从而在相似的外部能量条件下形成不同的分支结构（例如，富含沙子的三角洲与富含粉砂的三角洲）。其次，区域和局部河床坡度调节了流速的加速和下降速度，影响了沉积物从河流域向海洋域输送的效率以及堆积与侵蚀的倾向（Shi等人，2019）。然而，即使考虑到这些因素，图1中所示的形态对比仍然存在，这表明补给河道的内部结构和几何形状进一步调节了动量和沉积物在三角洲平原中的流动路径及其进入接收盆地的过程。
在各种相互作用的因素中，河道几何形状是控制河流-三角洲系统中动量和沉积物分布的关键内部因素（Best，2005；Bolla Pittaluga等人，2003）。宽而浅的河道倾向于快速消散能量，促进侧向堆积和溢岸沉积，而窄而深的河道则增强下游沉积物输送并有利于河口沙洲的延伸（Jerolmack和Paola，2010；Slingerland和Smith，2004）。结合图1中的观察结果，这些机制提供了基于过程的解释，说明为什么具有相似潮汐优势比的河流主导三角洲会发展出不同的形态：宽度-深度比、下游汇聚程度和分叉不对称性的差异重塑了流动分配和河口沙洲动态，超出了外部能量比率所能预测的范围。通过自然演变或人为改造调整这些几何参数，从而对三角洲的生长、退缩或分支网络的重整起着主要控制作用（Edmonds等人，2010；Kleinhans等人，2008）。全球学者通过观测和建模研究加深了我们对河流和三角洲形态演变的理解。最近的形态动力学建模进一步揭示了外部驱动因素（如流量变化、潮汐范围和沉积物特性）如何影响三角洲的形成（Edmonds和Slingerland，2010；Guo等人，2021；Luo等人，2025；Zhang等人，2025）。在这些基础上，最新研究强调了河道几何形状（包括宽度、深度和分叉不对称性）在调节沉积物输送和三角洲网络演变中的关键作用。理想化和基于过程的模型表明，下游河道的扩张或狭窄可以强烈影响流动分配、潮汐入侵和分支稳定性（Cheng和Li，2024；Song等人，2024）。观测和数值分析进一步表明，河道坡度的变化影响沉积物从河流域向海洋域的输送效率，从而影响三角洲的堆积、侵蚀频率和海岸线形态（Prasojo等人，2022；Prasojo等人，2025）。总体而言，这些进展表明河流流量、潮汐作用和演变中的河道几何形状共同决定了现代三角洲的形态动态轨迹。
在经典的平衡河流地貌学中，稳定的河道宽度和深度以及宽度-深度比通常代表河流在给定流量、沉积物负荷和边界条件下的动态平衡状态（Parker，1976）。尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键的知识空白：河道横截面几何形状对三角洲百年尺度演变的综合影响尚未得到充分量化。这一限制尤为重要，因为自然和人为的河道几何形状调整（如侵蚀、切割或人工加深）可以根本性地重塑三角洲环境中的流动路径和沉积物分配（Lai等人，2019）。例如，长江和密西西比河三角洲中加深的航道增强了潮汐不对称性和盐分入侵，同时减少了溢岸沉积并改变了三角洲前端的沉积物预算（Guo等人，2022；Han等人，2025）。同样，由于堤坝建设或土地开发导致的河道狭窄可以增加流速并促进河道切割，从而使主要分支与相邻湿地分离。理解这些过程对于预测三角洲对未来气候和人类压力的响应至关重要。此外，河道几何形状与流体动力学的动态反馈本质上是非线性的。河道加深不仅改变了流动能力，还改变了潮汐棱柱、河床剪切应力分布和沉积物分选模式——所有这些都会进一步驱动形态调整（Friedrichs，1995；Krafft等人，2022；Zhang等人，2018）。这种自我强化的循环可能导致河道稳定或失控侵蚀，具体取决于当地的沉积物供应和边界条件（Hoitink和Jay，2016）。然而，大多数现有研究关注的是瞬时的水力效应或短期形态响应，缺乏对这些反馈在百年到千年时间尺度上如何表现的探索（Edmonds等人，2022）。我们研究了初始河道几何形状如何影响三角洲350年的发展。这种初始几何形状可能是自然形成的，也可能是人为工程的结果。它作为一种主要的干扰或边界约束，系统地塑造了后续的形态动力学反馈。我们还分析了它如何影响最终的三角洲平面形态。这一视角对特定环境具有实际意义。在这些情况下，突发事件或人类活动可以迅速改变河道几何形状。例如堤坝溃决、河道侵蚀、航道疏浚和堤坝建设。
此外，跨系统的比较表明，补给河道的初始地形配置（包括其坡度、宽度-深度比和下游汇聚程度）作为控制后续三角洲演变的形态模板。例如，密西西比河三角洲的叶状形态与黄河三角洲的尖顶形态之间的对比，部分可以归因于河道几何形状和相关沉积物输送路径的差异（Edmonds等人，2022；Viparelli等人，2015）。因此，系统地数值探索这些几何参数如何控制沉积物通量分布和海岸线演变对于弥合概念框架与实际三角洲行为之间的差距至关重要。
本研究通过使用Delft3D模型进行系统数值实验，定量分析了河道几何形状对百年尺度三角洲形态动力学的控制作用。通过改变水力几何系数（HGC）同时保持恒定的横截面积，我们研究了从宽而浅到窄而深的初始宽度-深度配置如何在不同流量-潮汐作用下调节流体动力学调整、沉积物输送路径和三角洲形态的形成。具体来说，本研究探讨了两个基本问题：（1）初始几何形状调整如何影响河流形态发展、流场分布和横截面沉积物输送效率？（2）初始河床地形如何控制三角洲形态模式的空间组织及其背后的物理机制？这些发现对像密西西比河这样经过大量工程改造的河口具有重要的实际意义，因为广泛的河道加深和堤坝建设极大地改变了自然几何形状和沉积物制度。最后，本研究系统地讨论了理想化模型与实际三角洲之间的联系和区别，强调了简化表示如何捕捉关键过程，同时承认自然系统的复杂性。通过弥合这一差距，该研究为预测三角洲演变和制定可持续管理策略提供了重要的科学基础。
方法
为了解决上述研究问题，本研究重点关注河道特征（通过HGC量化）在三角洲演变中的关键作用。鉴于全球三角洲的多样性，HGC成为一个核心变量：它不仅决定了上游河道的输水和沉积物输送能力，还直接影响三角洲的形态复杂性和稳定性。本研究采用了二维流体-沉积物-地形耦合模型
河流-三角洲系统的形态特征
在径流和潮汐的共同作用下，流动、沉积物输送和河床变形表现出强烈的动态反馈。持续的沉积物堆积驱动了形态动力学调整，逐渐将初始的直线单线程河道重新组织成横向移动的多线程分支网络。图3和图4展示了350年演变后的河床高程和三角洲形态。
河床形态参数
河道数量（BI）和总迂曲度（PT）是量化辫状河道类型复杂性的常用指标（Egozi和Ashmore，2008）。河道数量（BI）是计算给定河段内多个横截面的平均河道数量；总迂曲度（PT）定义为河段内所有单条河道长度之和与河段起点和终点之间直线距离的比率。图9展示了这些关系结论
本研究使用基于过程的数值模拟探讨了在径流-潮汐相互作用下河流主导三角洲的百年尺度地貌演变，重点关注水力几何系数（HGC，一个关键的河道宽度-深度配置指标）的调节作用，并用典型三角洲的遥感数据验证了模型行为。结果表明，河道几何形状（HGC）在控制河段尺度形态动力学中扮演了不同的角色
CRediT作者贡献声明
Jiarui Zhang：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、调查。Qing Wang：方法论。Chao Zhan：形式分析。Kezi Zhao：调查、概念化。Yin Cao：调查。Shenliang Chen：监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据整理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者声明他们获得了本文研究、作者身份和/或发表的财政支持。我们感谢国家自然科学基金（编号：U1706214）的财政支持。
