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为探究红树林对水交换的影响，研究人员以深圳湾为案例，利用 MIKE 21 模型，将红树林概化为刚性圆柱展开研究。发现其通过降低水位、流速及改变余流，逆转水交换空间分布，且宽度影响更显著，为红树林保护提供依据。
在沿海生态系统的动态平衡中，潮汐驱动的水交换过程如同生态系统的 “血液循环”，对污染物扩散、物质循环和生物栖息地维持至关重要。然而，随着城市化进程的加速，像深圳湾这样地处都市腹地的滨海湿地正面临着人类活动与自然生态博弈的难题 —— 作为粤港澳大湾区唯一位于现代都市腹地的红树林自然保护区，其不仅承载着净化水质、维持生物多样性的生态功能，还需应对深圳与香港两地的排污需求。传统认知中，红树林作为 “生态屏障”，普遍被认为会通过植被阻力减缓水流、限制水交换，但其对复杂海湾地形下的水交换空间分布影响尚未被系统揭示，尤其是在潮汐动力学与人类活动双重作用下，红树林如何重塑水交换格局仍是亟待解答的科学问题。
为破解这一谜题，研究人员依托数值模拟技术，针对深圳湾开展了一项别开生面的研究。该研究以 MIKE 21 模型为核心工具，创新性地将红树林群落概化为具有特定几何与形态特征的刚性圆柱（rigid cylinders），通过量化植被阻力对水动力学的影响，系统分析红树林宽度（300、600、900 米）与密度（1、2、4 株 / 平方米）对水交换的调控机制。研究结果为理解滨海湿地生态系统服务功能提供了新视角，并在《Estuarine, Coastal and Shelf Science》期刊发表。
研究采用的关键技术方法包括：
- 数值模型构建：基于 MIKE 21 水动力模型，嵌入植被模块，将红树林的胸径、树高、密度等参数转化为刚性圆柱的阻力参数，通过二维深度平均浅水方程模拟潮汐传播过程。
- 数据验证：利用深圳湾及珠江口的 Quarry Bay（QB）、Dawanshan（DWS）等 5 个潮位站实测数据，对模型的水位模拟结果进行验证，确保模型可靠性。
- 参数化分析：设置不同红树林宽度与密度的情景组合，对比分析水动力学参数（流速、水位、余流）及水交换时间的响应差异。
研究结果
红树林对水动力学的调控作用
研究表明，红树林通过植被阻力显著改变深圳湾的水动力场。当红树林宽度达 300 米且密度为 4 株 / 平方米时，流速可降至 0.0200 米 / 秒以下，高潮位降低约 0.400 米。这种流速与水位的削减效应随红树林宽度增加而增强，而密度的影响相对较弱，印证了红树林空间分布格局比植株密度对水动力的影响更显著。
水交换空间分布的逆转现象
在深圳湾湾头区域，红树林引发了水交换时间的空间分异：南侧水交换时间延长约 15 天，污染物扩散减缓；北侧则缩短约 10 天，扩散加速。这一差异源于余流（residual current）的改变 —— 红树林使湾头北侧余流增强，南侧减弱，从而形成 “北快南慢” 的水交换格局。这种逆转效应在宽 900 米的红树林带中表现尤为明显，揭示了红树林宽度是调控水交换空间模式的关键因子。
潮汐动力学与阻力机制的关联
通过分析潮汐不对称性，研究发现红树林区在涨潮初期水位上升更快，落潮后期下降更缓，导致涨潮历时缩短、落潮历时延长。这种潮汐历时不对称进一步引发流速不对称，促使沉积物向陆方向净输移，解释了红树林滩涂的淤积机制。结合 MIKE 21 模型的植被阻力参数化结果，证实了将红树林概化为刚性圆柱的方法能有效模拟其对潮汐传播的调制作用。
结论与意义
本研究首次系统揭示了红树林通过改变水动力场逆转水交换空间分布的现象，发现红树林宽度是驱动该效应的主导因素，而密度的影响相对有限。这一成果打破了 “红树林均一化减缓水交换” 的传统认知，揭示了复杂地形下红树林生态系统对水动力学的非线性调控机制。对于深圳湾等都市型滨海湿地而言，研究结果为优化红树林保护与修复策略提供了科学依据 —— 例如，在污染物扩散需求高的区域（如湾头北侧），适当保留或扩大红树林宽度可加速净化；而在生态敏感的南侧区域，则需权衡水交换减缓与生物栖息地保护的关系。此外，研究提出的刚性圆柱概化方法为红树林水动力模拟提供了可推广的技术框架，有助于提升海岸带生态系统服务功能的定量评估能力，为全球变化背景下的滨海湿地管理提供了 “基于自然的解决方案”（nature-based solutions）新思路。
研究同时指出，尽管模型已纳入红树林几何形态特征，但极端天气（如台风）引发的红树林动态变化对水交换的瞬态影响仍需进一步研究。未来可结合长期监测数据，深化红树林生态 - 水动力耦合模型，为海岸带综合管理提供更精准的科学支撑。
