马格达莱纳河河口三维水动力-盐度分层-泥沙输运耦合模拟及工程调控效应研究

《CATENA》：Modeling sediment transport and salt stratification in river estuaries: a case study of the Magdalena River, Colombia

本研究针对哥伦比亚马格达莱纳河河口面临的水动力过程复杂、盐度分层显著、泥沙输运强烈及海岸工程影响不明等问题，采用EFDC+ Explorer模型开展了高分辨率三维数值模拟。研究通过现场观测与Sentinel-2影像校准验证模型，精准再现了盐度剖面（KGE > 0.7）与悬沙动态，揭示了径流量是泥沙输运和盐楔入侵的主控因子，而西部防波堤在低流量条件下对泥沙扩散和盐度入侵具有显著调制作用。在历史最小流量叠加1.2 m海平面上升情景下，盐楔可向内陆延伸达11 km，凸显了河口对气候变化的脆弱性。研究为热带高泥沙三角洲的水资源管理、航道维护和海岸带韧性规划提供了可移植的模拟框架。

　　

在哥伦比亚加勒比海沿岸，马格达莱纳河河口作为该区域最大且最具动态性的三角洲系统之一，其水动力过程、盐度分层和泥沙输运的相互作用极为复杂。河口系统是高度动态的环境，河流排放、潮汐强迫和海洋过程之间的相互作用控制着盐度分层、泥沙输运和生态功能。然而，以往对该河口的研究多面临挑战，例如使用MOHID等模型时未能纳入波浪效应或模拟泥沙输运，或者采用静水假设模型对盐楔系统存在局限性，且常受限于时间窗口短、垂向分辨率低、缺乏泥沙输运表征以及地形数据不准确等问题。因此，亟需一个高分辨率、三维的建模框架来联合解析水动力、分层和泥沙输运过程，并明确评估水文气候变率、海平面上升和海岸基础设施的影响。

为了深入理解这些复杂的相互作用，Franklin M. Torres-Bejarano、Ana C. Torregroza-Espinosa和Juan C. Restrepo在《CATENA》上发表了他们的研究成果。他们利用EFDC+ Explorer（环境流体动力学代码增强版）这一三维水动力模型，对马格达莱纳河河口的动力学、盐度分层和泥沙输运进行了高分辨率数值模拟。研究旨在表征这些过程，并评估海岸基础设施和水文气候情景对其行为的影响，以及对环境和社会经济活动的冲击。

研究人员采用了系统性的方法流程。首先，他们整合了2018年3月低流量期间的高分辨率现场观测数据，包括流速（使用Aquadopp剖面仪）、盐度和温度（使用CastAway-CTD）、体积悬浮泥沙浓度（VSSC）和粒径分布（PSD，使用LISST-200X?）。同时，收集了气象数据（如风速、气温）和海洋数据（如潮位，采用FES2014全球潮汐模型的10个天文分潮）。地形数据结合了GEBCO 2020全球海底地形数据和CORMAGDALENA提供的2018年局部河道测深数据。模型域采用曲线正交网格进行离散化，水平方向包含258×129个网格单元，垂直方向设置16层等间距sigma层。模型配置了边界条件：海洋边界采用潮位强迫和恒定盐度（35 ppt），上游河流边界采用卡拉马尔站的日均流量和零盐度条件。泥沙输运模块设置了四个泥沙类别（三个粘性类和一个非粘性类），并指定了相应的中值粒径、沉速和临界剪切应力等参数。模型校准采用了单因素（OAT）敏感性分析和迭代优化，使用均方根误差（RMSE）和克林-古普塔效率系数（KGE）等指标评估模型性能，并与Sentinel-2卫星影像进行了悬浮泥沙羽流的定性对比验证。最终，研究模拟了六种情景，包括气候变化（结合历史极值流量与1.2 m海平面上升）和基础设施改造（移除西部防波堤、将其向海延伸2 km）。

6.1. 校准参数

模型校准确定了关键参数，如Smagorinsky系数为0.3，糙率高度为0.002 m，水平涡流扩散系数为120 m²/s，垂直涡流粘度为1.0×10^?5 m²/s。泥沙参数包括各等级的中值粒径（如25 μm、35 μm、58 μm、110 μm）、沉速（如4.6×10^?5 m/s至7.4×10^?4 m/s）以及临界侵蚀和沉积剪切应力。

6.2. 水动力模型校准

模拟的深度平均流速与ADCP实测数据吻合良好，KGE值为0.553，表明模型能稳健地捕捉河口区半日潮周期性和流速变化。

6.3. 盐度和SSC校准

模型在再现盐度垂直结构方面表现出色，大多数剖面的KGE值在0.72至0.88之间，成功模拟了河口典型的两层结构和卤面（pycnocline）。悬浮泥沙浓度（SSC）剖面的模拟结果与实测数据也具有良好的一致性，多数KGE值超过0.70，显示了模型捕捉水体中泥沙输运和分布动态的能力。

6.4. 正常条件下泥沙羽流的二维比较

模型模拟的泥沙羽流空间分布与Sentinel-2卫星影像在形态和扩散方向上定性一致。低流量期（3月）羽流范围较小且集中，高流量期（11月）羽流更为广阔和弥散，模型成功捕捉了这种随流量变化的差异。

6.5. 不同情景下的盐度水平和垂直分布

情景模拟显示，河流流量是盐楔入侵的主要驱动因素。在现有防波堤配置下，低流量时盐楔入侵约2 km，高流量时被压制。移除防波堤后，盐楔入侵距离增加（低流量时可达约6 km）。将防波堤延伸2 km能显著限制盐度入侵（约1 km）。海平面上升（1.2 m）加剧了低流量条件下的盐楔入侵，最远可达11 km内陆。

6.6. 不同情景下悬浮泥沙的空间分布

泥沙羽流的范围和浓度高度依赖于河流流量。高流量情景产生更大、浓度更高的羽流。防波堤的配置主要影响低流量条件下的泥沙扩散模式：现有结构限制扩散，移除后羽流变宽变长，延伸后则使羽流更加集中和受限。海平面上升对羽流范围的影响相对次要。时间序列分析表明，防波堤对靠近河口的控制点（如马略尔金湖附近）的SSC浓度有显著影响。

6.7. 模拟情景下的形态响应

模拟30天后的床面厚度变化表明，形态演变主要受河流流量控制。高流量条件下，床面变化更显著。防波堤的配置影响沉积的空间模式：现有结构下沉积集中于航道；移除防波堤后，河口口门附近沉积加剧，范围扩大；延伸防波堤则使沉积更加局部化，集中于口门附近。沿航道的床面高程变化总体较小（大多在±0.5 m内），但在高流量月份，河口口门附近有较明显的淤积。对2018年全年的模拟显示了床面变化的季节性规律，高流量期后航道内沉积更为显著。

研究的讨论部分将结果置于更广泛的背景下，与类似河口系统（如珠江、长江口）的研究进行了比较，确认了径流、潮汐和风生环流在控制分层和泥沙输运方面的主导作用。模型在捕捉盐度分层和ETM形成方面的能力得到了验证，尽管在表层SSC方面存在的一些差异可能归因于未模拟的风浪再悬浮或絮凝过程。研究强调了海岸基础设施（如防波堤）在调节盐度入侵和泥沙扩散方面的重要作用，特别是在低流量条件下。海平面上升与低流量相结合的情景下盐度入侵的加剧，凸显了河口系统对气候变化的脆弱性。从管理角度来看，这些发现对航道维护（例如，在高流量期后需要加强疏浚）、淡水资源的可持续性（特别是在干旱季节盐度入侵加剧时）以及邻近红树林和海岸生态系统的健康（受盐度变化和沉积物供应改变的影响）具有重要意义。该建模框架为面临类似气候和人为压力的其他富含沉积物的热带三角洲提供了可转移的工具。

总之，这项研究通过先进的数值模拟，深入揭示了马格达莱纳河河口复杂的物理过程，及其对自然变化和人类干预的响应。研究结果为该河口乃至类似三角洲系统的综合管理、适应气候变化和可持续规划提供了宝贵的科学依据和决策支持。