台风期间，水库泥沙排放导致河口地区长期滞留且浓度较高的细颗粒沉积物

《Ethics, Medicine and Public Health》：Estuarine long-residence and high-concentration fine sediments induced by reservoir silt discharge during typhoon events

高浓度细粒泥沙（HCFS）在淡江口潮间带迁移规律及影响因素研究，通过对比台风期与常规期悬浮泥沙浓度（达11000 mg/L）和驻留时间（15-18天），建立耦合潮汐-径流作用的多因素模型，揭示潮差增大、河流到河口距离缩短及涨落潮流场变化对HCFS迁移的影响机制，提出通过优化潮汐调度和加强流域泥沙补给管理降低生态风险。

　　

施尚书|李玉萱|黄中泽

国立台湾大学土木工程系

摘要

高浓度细颗粒物（HCFS）在正常时期的停留时间更长，浓度也更高，主要由粉砂和黏土组成。研究表明，水库排放的粉砂会导致下游出现HCFS，从而影响水生环境。现场调查显示，在台风期间，淡水河口HCFS的最大浓度达到了约11,000毫克/升，是正常水平的100倍。HCFS的停留时间与潮差成正比，与河口距离河口的距离成反比，范围在15到18天之间。我们建立了一个综合模型来预测HCFS的传输行为并探讨可能的缓解措施，并通过涵盖台风事件和正常时期的实地调查进行了验证。研究了水库粉砂排放、洪水引起的再悬浮作用以及潮汐滞后对HCFS增加的耦合效应。通过对潮汐滞后、水流增强、流域沉积物供应和海平面上升的敏感性分析，更好地了解了HCFS滞留的时空变化，为缓解河口影响提供了参考。颗粒追踪实验表明，退潮时的较强水流有效加速了HCFS的传输过程。这些发现有助于降低生态退化的风险，并为河口和海岸线管理提供坚实的基础。

引言

潮间带和河口是河流与海洋之间物质和能量交换的关键区域。由于河流流动与潮汐流的相互作用，沿海和河口生态系统具有较高的生产力，这影响了悬浮固体和水体浊度的传输行为（Syvitski等人，2005年）。由于分层作用在半日变化中的不对称性，潮汐混合导致沉积物向陆地方向输送以及颗粒在河口处的滞留（Scully和Friedrichs，2007年；Kirby，2010年）。河口中悬浮沉积物和浊度的增加降低了水体的透光率（Jiang等人，2008年）。持续的细颗粒物输入会加剧珊瑚礁的退化，例如降低其摄食率（Tebbett等人，2017年）。除了改变水生生物的栖息地质量外，这种现象还可能降低植物的光合作用能力，从而降低水中的溶解氧浓度（Kirk，1994年）。Al-Asadi等人（2019年）报告称，泥沙颗粒的表面电荷可能有助于吸附污水中的重金属、油脂或有毒物质。他们指出，暴露时间的长短显著影响潮间带生物和生态系统。尽管这些物质在水流较慢时可能会沉积在河底，但在波浪和风与潮汐流的相互作用下，沉积物可能会重新悬浮，物质可能会解吸并溶解在水中，导致生态系统失衡（Baugh等人，2013年）。

大坝修建形成的水库阻碍了自然河流系统的沉积物传输，导致沉积物在水库中积聚。沉积物积聚会导致水库淤积，从而降低全球的水资源储存能力（Kondolf等人，2014年）。水资源管理部门通常在台风期间排放水库中的沉积物，以减轻水库淤积，实现可持续管理。已经提出并应用了多种操作模式，如抽水冲洗、空库冲洗和浊流排放，以增加沉积物排放量并抑制水库淤积，延长水库的使用寿命。然而，这些操作不可避免地会产生大量细颗粒物，这些颗粒物会从水库流入下游河口（Yang等人，2022年；Hsueh等人，2024年）。人为来源的细颗粒物是无机颗粒，大小范围从0.45微米到2毫米，被认为是水生生态系统的重要污染物（Clapcott等人，2011年）。过量的细颗粒物输入会直接和间接影响水生环境，导致其形态和栖息地的关键变化（Pulley和Collins，2019年；Lee等人，2022年）。高浓度的细颗粒物进入河口后，可能会受到潮汐制度（TDL）的影响，其流入海洋的过程可能会延迟（Naden等人，2016年；Antoine等人，2020年）。

台风期间的潮汐流和河流流动相互作用可能影响悬浮沉积物的传输行为和机制（Liang等人，2023年）。关于洪水事件和正常时期下游潮汐段中悬浮沉积物浓度（SSC）和停留时间变化的研究相对较少，对完整台风事件期间水力和沉积物特性的关键现场调查也很少。我们假设台风引起的水流与潮汐滞后的耦合效应可能会增加河口中高浓度细颗粒物（HCFS）的停留时间。本研究旨在（1）获取实地调查数据，比较由于上游水库排放沉积物而在潮间带正常时期和台风事件期间的悬浮固体浓度和停留时间；（2）通过验证的数值模型确定潮汐制度（TDL）以及海平面上升（SLR）和流域沉积物供应（WSS）对HCFS浓度和停留时间的影响；（3）识别HCFS对河口栖息地的影响，并确定可能的缓解措施。

研究区域

研究区域位于淡水河流域，包括淡水河口下游边界，具体位于基隆河的百龄桥上游、新店河的华翠桥上游以及大汉河的大汉桥上游，如图1a所示。该地区的潮汐制度为半日潮，即M2潮区，潮周期为12.5小时，平均潮差为2.5米。此外，该地区降雨量和沉积物量较大

模型校准的现场数据分析

我们的现场调查显示，正常时期的悬浮沉积物平均直径在11.4至28.5微米之间，而在台风期间为7.6至29.3微米，如表2所示。大汉河流域的沉积物粒径大于淡水河流域，新店河流域的粒径最大，基隆河流域的粒径最小。大多数站点的沉积物粒径在洪水季节有所增加，

缓解河口HCFS的影响

悬浮沉积物在某些河流生态系统中沉积，也可能产生负面影响，主要表现为产卵区和食物供应量的减少（Magbanua等人，2013年）。台风已成为影响热带和亚热带地区河口水动力、水质和沉积作用的主要驱动力。台风期间捕获的细颗粒物表现出不同幅度的波动

结论

本研究利用现场调查数据，比较了由于上游水库排放沉积物而在潮间带正常时期和台风期间悬浮固体浓度和停留时间。现场调查显示，高浓度沉积物的平均停留时间约为四天，而来自石门水库的粉砂在苏德乐台风期间的总停留时间超过十五天。

CRediT作者贡献声明

施尚书：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，项目管理，方法论，调查，数据分析，概念化，软件。黄中泽：撰写 – 初稿，数据分析，软件。李玉萱：数据分析，撰写 – 初稿，验证，软件

未引用的参考文献

Dunsbergen和Stelling，1993年；Smith和Friedrichs，2011年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究由国家科学技术委员会（MOST 109-2622-E-002-026；NSTC 113-2625-M-002-015）资助。三位匿名审稿人和副主编提供了建设性的意见，这些意见已纳入论文中。