潮控环境下堤坝决口与潮淹地表沉积动力学研究：基于Delft3D-FM模型的盐沼恢复机制解析

这篇研究首次采用高分辨率Delft3D-FM模型结合现场观测，揭示了加拿大芬迪湾（BOF）超强潮汐区堤坝决口后沉积物输移与盐沼恢复的动态机制。通过分析6个潮周期内流速、悬浮沉积物浓度（SSC）及沉积量数据，证实潮位高程与地形共同控制沉积格局，预测年均沉积速率达4.0 cm·yr-1±3.2 cm·yr-1，显著高于当地海平面上升速率（SLR），为基于自然的解决方案（NbS）提供关键理论支撑。

　　

引言

芬迪湾（BOF）作为加拿大东海岸的超强潮汐区（潮差>15m），其广阔的潮间带泥滩和盐沼是抵御风暴与海平面上升（SLR）的天然屏障。欧洲殖民时期修建的堤坝（dyke）导致大量盐沼消失，而当前推行的"管理性调整"（MR）通过有计划地决堤使农田重新潮淹，旨在恢复生态功能。本研究聚焦MR实施后植被尚未建立的"准备阶段"，首次量化沉积动力学过程，为盐沼重建提供科学依据。

研究地点与观测

研究地点位于坎伯兰盆地（Cumberland Basin）的Missaguash河Converse决口处，该区域潮差大（潮棱体0.90 km³）、悬浮沉积物浓度（SSC）极高（内湾达3,000 mg·L^-1）。2018年决堤后，0.164 km²农田暴露于潮汐作用。2020年8月，研究人员部署声学多普勒流速仪（ADCP）、自动采水器（ISCO）和沉积物捕获器等设备，获取6个潮周期内水位、流速、SSC及沉积量数据。

数值模型

采用Delft3D-FM构建非结构化网格模型，水平分辨率从外湾250m至MR站点1.0m，整合LiDAR地形与多波束测深数据。通过敏感性分析确定最优沉积参数：沉降速度w_s=0.001 m·s^-1、沉积临界剪切应力τ_cr^d=0.5 N·m^-2。模型验证显示水位预测R²达0.99，但SSC空间变异性存在低估，主要因未考虑絮凝（flocculation）效应。

结果

潮汐通道（如B1点）流速峰值达1.0 m·s^-1，携带SSC高达600 mg·L^-1的浑浊水流经决口涌入。当水深超过堤岸高度（4.7m CGVD2013基准面）时，水流漫溢至平台区域，流速骤降至0.25 m·s^-1以下，沉积集中发生在SSC 100-250 mg·L^-1区域（图11）。决口附近侵蚀显著，而平台区平均单潮沉积0.5mm，推算年沉积量4.0 cm·yr^-1±3.2 cm·yr^-1，远超当地SLR速率（1.1 cm·yr^-1）。

讨论

地形沟渠系统主导沉积空间分异：高流速区（>0.5 m·s^-1）以输运为主，低流速区（<0.1 m·s^-1）发生快速沉降。与荷兰Western Scheldt等小潮差MR站点相比，本区域沉积速率更高，但模型未计入冬季冰筏沉积的影响。尽管絮凝作用导致现场观测沉积量高于模拟值，但二者量级一致，证实模型对沉积通量趋势的捕捉能力。

结论

本研究通过Delft3D-FM模型与现场观测的结合，阐明超强潮汐区MR站点"准备阶段"沉积动力学机制：潮位高程决定淹没范围与持续时间，地形沟渠控制沉积物空间再分配。沉积速率足以抵消海平面上升威胁，为盐沼恢复作为基于自然的解决方案（NbS）提供量化支持。未来需进一步研究植被建立后生物-沉积相互作用及长期海平面上升情景下的形态演化。