波浪引起的内部水力作用作为沉积物分选机制及其对三角洲地层演化的影响：以黄河三角洲为例的启示

本研究通过分析黄河三角洲不同沉积层的未扰动沉积物样本及现场波浪加载实验，揭示了波浪诱发的海底动态响应（内部泵送）对沉积物分选的影响机制，提出了表层水动力分选、浅层渗流和深层内部泵送耦合作用的分选框架，为理解减少河流来沙和增强近岸波能条件下的三角洲沉积演化提供了新见解。

张书宇|郑洁文|季盼|张洪军|王秀海|贾永刚|刘小蕾

中国海洋大学海洋工程地质与环境山东省重点实验室，青岛，266100，中国

摘要

河流三角洲中的沉积物粒度和地层演化对于理解海岸线稳定性及其相关的工程风险至关重要。波浪引起的沉积物响应在调节三角洲粒度分布和地层结构中的作用仍不明确。本研究结合了对不同年龄沉积瓣中未受干扰的沉积物样本的分析以及在黄河三角洲进行的原位波浪加载实验，以研究表面粒度模式及其分选机制。结果表明，存在明显的“越老越粗，越新越细”的分布规律，并且从粘性结构向非粘性结构的转变，这反映了外部水动力和人类活动的共同影响。更重要的是，周期性波浪加载会引起显著的内部海底响应（本文称之为“内部泵送”），这种响应驱动细颗粒向上迁移，并产生短暂的表面细化现象，这种现象无法仅用传统的水动力分选理论来解释。基于这些观察结果，我们提出了一个适用于河流三角洲的耦合沉积物分选框架：在水动力分选、流动引起的浅层渗透以及更深层的内部泵送共同作用下，颗粒度分布和三角洲地层演化得以调节，尤其是在河流沉积物供应减少和近岸能量增强的情况下。这一机制框架阐明了之前被忽视的沿海地貌动力学中的内部过程，并为理解波浪引起的沉积物响应如何控制三角洲系统中的粒度分选和地层演化提供了沉积学基础。

引言

河流三角洲是沿岸的动态沉积系统，其中潮间带平原经历了持续的地貌演化，对沿海环境有着重要影响（Murray等人，2014；Zamboni等人，2021；Luo等人，2025）。潮间带平原的稳定性受沉积物性质、生态系统和生物过程的影响，沉积物组成和粒度在决定沉积速率、侵蚀、渗透性和底栖生物群落结构方面起着关键作用（Gamage等人，2011；Zhou等人，2015；De Vet等人，2020；Li等人，2021a；Tu和Fan，2023；Gijsman等人，2024）。因此，理解沉积物分选过程及其控制因素对于解释三角洲地层和预测环境变化条件下的地貌演化至关重要（Hatfield等人，2010；Bi等人，2021；Liu等人，2025）。

在以往的研究中，潮间带平原的沉积物分选主要受河流沉积物供应、水动力分选、海平面上升和风暴的影响（Anthony和Hequette，2007；Eichentopf等人，2019；Zeng等人，2021；Wang等人，2025b）。由于人类活动的影响，许多河流三角洲的河流沉积物供应量减少，导致地貌演化和沉积物分布呈现出多样化模式（Blum和Roberts，2009；Warrick等人，2009；Maloney等人，2018；Yang等人，2021）。这种现象正在破坏河流和波浪在三角洲动力学中的平衡（Anthony，2015）。以密西西比河三角洲为例，在河流运输和分选过程中，细颗粒的调整速度比粗颗粒快，导致过去两个世纪以来三角洲中的细颗粒显著减少，而粗颗粒几乎保持不变（Nittrouer和Viparelli，2014；An等人，2021）。长江三角洲的沉积物表现出先细化后向海侧粗化的特征，这种变化与三峡大坝投入使用后沉积物量的急剧减少有关（Zhan等人，2020；Xia等人，2021；Wu等人，2025）。尼罗河三角洲的沉积物粒度随时间呈现粗化趋势，同时在空间上形成了明显的差异模式：侵蚀区颗粒较细，沉积区颗粒较粗（Frihy等人，2008；El-Asmar等人，2025）。

尽管这些研究记录了三角洲的粒度模式及其与沉积物供应和表面水动力学的联系，但波浪引起的海底动力响应的沉积学作用却相对较少受到关注。波浪引起的液化、流化和渗流等过程可以显著改变海底沉积物的力学状态，提高颗粒的流动性，从而影响粒度重新分布和沉积模式，这种影响超出了表面水动力分选所能解释的范围（Tzang等人，2009；Xu等人，2016；Zhang等人，2017；Albatal等人，2019）。

黄河三角洲（YRD）是这样一个动态敏感的沉积系统的典型例子（Prior等人，1989；Zhang等人，2018a；Jeng等人，2019；Xu等人，2021）。黄河中下游的高浓度沉积物在河口迅速沉积，形成了一个具有高孔隙水压力（即固结状态）和高粉砂含量的水下三角洲（Zhang等人，2020；Tang等人，2021；An等人，2024）。由于人类活动（如大坝建设、水资源消耗和土壤保护），自1950年以来黄河输送到海洋的沉积物量显著减少（Walling和Fang，2003；Wang等人，2007；Wang等人，2025b）。因此，不同年龄的三角洲瓣经历了不同程度的侵蚀和重塑，导致沉积地质条件和粒度分布存在显著的空间差异：废弃的瓣通常以粗粒、分选不良的砂质沉积物为主，而现代河口瓣则以细粒、分选适中的粉砂沉积物为特征（Syvitski等人，2009；Cui和Li，2011；Li等人，2021b；Ji等人，2025）。同时，三角洲的沉积环境已从堆积转变为侵蚀，表层沉积物呈现整体粗化趋势，波浪和潮汐流的作用显著增强（Meng等人，2023）。然而，波浪引起的海底动力学对沉积物分选的潜在影响仍大部分未被探索。

因此，本研究结合了对不同年龄沉积瓣中未受干扰的沉积物样本的分析以及在YRD进行的原位波浪加载实验，以研究粒度演化和海底动力响应。研究目的是确定波浪引起的海底动力学如何影响沉积物分选，并评估其对三角洲地层演化的影响，从而为理解控制三角洲系统的沉积动力过程提供新的见解。

部分内容摘要

物理环境

现代黄河三角洲位于渤海南岸，面积约为5129平方公里（Chu等人，2006），包括由河水携带的沉积物形成的陆上和水下部分。本研究的主要研究区域是不同年龄水下三角洲的潮间带。自1855年以来，黄河的河道已经改变了50次，其中8-12次是重大的历史事件（Xue，1993）。至今，由于

物理性质和粒度组成的时空演化

对于每个地点，准备了3-5个重复样本用于物理性质和粒度分析，取重复样本的平均值作为代表值。表层沉积物的测试结果表明，自然密度范围为1.90克/立方厘米至2.01克/立方厘米，干密度范围为1.46克/立方厘米至1.58克/立方厘米。孔隙比值范围为0.72至0.86。这7个位置的沉积物含水量适中，饱和度较高（表1）

水动力和人为因素对沉积物组成的影响

黄河三角洲的表层沉积物模式受到近岸水动力和河流沉积物供应的人为影响的共同作用。我们的数据显示，三角洲各瓣之间存在明显的“越老越粗，越新越细”的空间分布规律（图3）。尽管在以往的YRD研究中也有类似的沉积物粗化趋势报道，但这些研究主要集中在

结论

本研究记录了黄河三角洲（YRD）中沉积物分选的耦合控制因素，并提出了一个结合表层重塑和地下动态的概念框架。主要结论如下：

(1)

表层沉积物表现出明显的“越老越粗，越新越细”模式，表现为从粘性结构向非粘性结构的系统性转变。较老的废弃瓣中砂粒含量超过30%，平均粒度高达0.039毫米；而活跃的瓣

作者贡献声明

张书宇：撰写——初稿、可视化、数据分析。郑洁文：撰写——审稿与编辑、方法学研究。季盼：验证、研究。张洪军：撰写——审稿与编辑、验证。王秀海：方法学研究。贾永刚：监督、资源协调、概念构建。刘小蕾：撰写——审稿与编辑、监督、方法学研究、资金争取、概念构建。

未引用参考文献

Bi等人，2014

Clarke等人，1982

Dong等人，2014

Świątek等人，2023

Zang，1996

利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42277138）、山东省自然科学基金（ZR2025QA02）、中央高校基本科研业务费（202441003）和山东省国家级领军人才支持计划（2022GJJLJRC-15）的联合资助。作者衷心感谢编辑和匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议显著提高了论文的质量和清晰度