安大略湖湾沉积物输运建模：对鱼类产卵基质的影响

《Ecological Informatics》：Sediment transport modeling in Lake Ontario embayments: Impacts on fish spawning substrates

本研究基于Delft3D-SWAN耦合模型，模拟了安大略湖Sodus Bay和Chaumont Bay的波浪与水流对底沙应力和沉积模式的影响，发现高应力区多位于海湾与湖体连接处，与Cisco鱼卵自然沉积热点空间匹配，表明波浪和电流的物理条件对鱼类繁殖栖息地质量具有关键调控作用。

　　本研究旨在探讨人类活动引发的沉积物变化对湖泊水域生态环境的影响，特别是对鱼类繁殖栖息地的破坏。随着全球范围内湖泊边缘海湾（embayments）的生态价值日益受到重视，这些区域因其相对稳定的水文环境，常常成为鱼类繁殖的关键场所。然而，由于波浪和水流等自然因素的改变，传统繁殖区域的沉积物分布正在发生显著变化，从而影响鱼类的繁殖成功率。以五大湖中的安大略湖为例，Sodus Bay 和 Chaumont Bay 作为历史上重要的 Cisco（大鳞鲑）和湖白鱼（Lake Whitefish）的繁殖地，其沉积物模式的变化引起了科学家们的关注。

研究采用 Delft3D-SWAN（DS）耦合模型，这是一种结合了水动力学、波浪和沉积物输运的综合性模型，能够更准确地模拟波浪对水流和床面剪切应力的影响。这种模型特别适用于研究波浪和水流相互作用对沉积物搬运路径和沉积模式的影响。通过在两个海湾中建立模型，研究者能够分析波浪和水流对床面剪切应力的贡献，并进一步探讨这些因素如何影响沉积物的分布与变化。Sodus Bay 和 Chaumont Bay 在地貌特征和与安大略湖的连接性方面存在差异，这些差异可能影响波浪和水流对沉积物动态的作用。

在 Sodus Bay，由于其狭窄的连接通道，波浪的输入更为直接，尤其是在从西北方向进入的波浪作用下，床面剪切应力显著增加。这种较高的剪切应力可能导致沉积物的侵蚀，尤其是在靠近湖湾连接处的区域。而 Chaumont Bay 由于其更受保护的地理环境，波浪对床面的影响相对较小，但本地风生波浪仍然在内部区域发挥了重要作用。模型结果显示，两种海湾在波浪输入、水流模式和沉积物动态方面存在明显差异，这些差异与它们的地形和水文条件密切相关。

研究还结合了实地观测数据，特别是 Cisco 胚胎的沉积分布，来验证模型的预测结果。观察到 Cisco 胚胎的沉积区域与高剪切应力区域相吻合，而这些区域的沉积物较少，表明物理环境在胚胎存活方面具有重要意义。高剪切应力区域通过清除细粒沉积物，为鱼类提供了更适宜的繁殖床面，使得鱼卵能够更好地嵌入床面的缝隙中进行孵化。然而，过高的剪切应力也可能将胚胎从原本的适宜区域冲刷至其他不适合的沉积物环境中，从而影响其生存率。

为了更好地理解这些现象，研究者采用了一系列模型参数，包括关键剪切应力阈值、沉积物搬运率和波浪输入数据。这些参数的选择基于已有文献和实测数据的参考，确保模型能够真实反映自然条件下的沉积物输运过程。此外，模型还考虑了波浪与水流之间的相互作用，通过虚拟粗糙度（virtual roughness）概念来反映波浪对水流的增强作用。这种方法有助于更准确地计算床面剪切应力，并进一步分析其对沉积物搬运路径的影响。

研究的另一个重要方面是模型的验证过程。由于实地数据在时间和空间上的覆盖有限，研究者通过与其他水动力模型（如 POM 模型）的输出进行比较，来评估 DS 模型的可靠性。结果显示，DS 模型在模拟水动力和波浪条件方面表现出良好的一致性，特别是在模拟波浪高度和床面剪切应力方面。然而，某些区域的模型输出与实际观测数据存在偏差，这可能是由于测量数据的不完整性或模型的空间分辨率差异所致。因此，未来的研究需要更长的测量周期和更密集的观测数据，以提高模型的准确性。

在 Sodus Bay 和 Chaumont Bay 的模拟结果中，研究者发现波浪对沉积物动态的影响在不同区域表现出显著差异。Sodus Bay 的边缘区域由于受到较强的湖湾波浪作用，表现出较高的床面剪切应力和沉积物搬运活动，而 Chaumont Bay 的内部区域则更多地受到本地风生波浪的影响。这种差异说明了不同海湾在波浪输入和水流作用上的复杂互动，以及它们如何塑造沉积物的分布模式。

从生态角度来看，沉积物的搬运和沉积对鱼类繁殖具有重要影响。例如，细粒沉积物可能会堵塞鱼卵的缝隙，降低其孵化成功率。而高剪切应力区域则可能通过清除这些沉积物，为鱼卵提供更适宜的床面条件。然而，这种清除过程也可能导致胚胎被冲刷至其他区域，从而影响其生存。因此，研究不仅关注沉积物的分布，还探讨了这些分布对鱼类繁殖成功率的潜在影响。

本研究的结果表明，波浪和水流对沉积物动态的控制作用在两个海湾中存在显著差异。Sodus Bay 的波浪输入主要来自安大略湖，其连接通道的方向使得波浪能够更直接地作用于海湾边缘，从而导致较高的剪切应力和沉积物搬运。而在 Chaumont Bay，由于其更受保护的地理位置，波浪的作用更多地体现在内部区域，这使得该海湾的沉积物分布模式更为均匀。这些结果有助于理解不同海湾在沉积物动态方面的差异，并为未来研究提供参考。

此外，研究还指出，波浪和水流的动态变化可能会对鱼类繁殖地的稳定性产生深远影响。例如，气候变化导致的冰层减少可能使得波浪对近岸区域的侵蚀作用更加显著，从而影响鱼类的繁殖环境。这种变化可能对某些鱼类种群的长期生存构成威胁，特别是那些依赖于特定床面条件进行繁殖的物种。因此，研究不仅关注当前的沉积物动态，还试图预测未来可能的变化趋势。

在模型的应用方面，研究者采用了较为精细的网格划分和分层结构，以提高模拟的精度。这种网格结构能够更好地捕捉波浪和水流在不同区域的动态变化，并提供更准确的沉积物搬运路径。同时，模型还结合了实际的风向数据和波浪输入信息，以确保模拟结果与真实环境条件保持一致。这种多维度的模型设计不仅有助于理解沉积物的搬运过程，也为鱼类繁殖环境的评估提供了科学依据。

研究的结论强调了波浪和水流在控制沉积物动态中的关键作用，并指出这些因素可能对鱼类繁殖的成功率产生深远影响。特别是在高剪切应力区域，沉积物的清除可能为鱼类提供更适宜的繁殖条件，但同时也会带来一定的风险。因此，科学界需要进一步关注这些区域的沉积物动态，以制定更有效的生态管理和保护策略。未来的研究可以结合更长期的观测数据，进一步验证模型的预测能力，并探索气候变化对沉积物动态和鱼类繁殖的长期影响。