强潮河口频率依赖性与水位不对称的潮汐变化：季节性径流与十年尺度航道加深

《Journal of Marine Systems》：Frequency-dependent and stage-asymmetric tidal changes in a macrotidal estuary: seasonal river discharge versus decadal channel deepening

　　摘要要点：- 河口上游河段对径流量的变化最为敏感，但潮波的最大衰减发生在中游河段。- 航道加深使枯潮水位下降的幅度远大于洪水位上升的幅度。- D? 振幅增加 26%，而 D? 振幅下降 28%，使 D?/D? 比值降低 44%。- 在采砂驱动的航道加深之后，洪水主导性减弱。引言河口是位于陆海交界处的半封闭水体（Dalrymple and Choi, 2007; Savenije, 2012）。它们提供通航条件，涉及淡水资源、渔业与水产养殖，是地球上最具生产力的生态系统之一，为大量动植物提供关键的觅食和繁殖场所（例如 Allen, 2000）。许多河口人口稠密，并受到采砂、航道加深、围垦和筑坝等人类活动的强烈改造，尤其是在近几十年的快速经济发展时期（Talke and Jay, 2020; Beemster et al., 2026）。因此，理解自然条件与人类活动如何共同影响河口潮汐，是海岸管理的核心议题。潮汐运动是河口环境中最主要的物理过程之一。掌握潮汐特性对于理解泥沙输运、地貌演变、盐水入侵和污染物扩散，以及评估洪水和淹没风险至关重要（例如 Dronkers, 1986; Friedrichs and Aubrey, 1988; Jay et al., 2011; Hoitink and Jay, 2016）。当潮波由海进入河口时，底部摩擦与航道收敛的相互竞争效应，可导致潮差的向上游放大或衰减（Wang et al., 2019; Jay et al., 2015; Garel and Cai, 2018）。由于潮波的传播速度随水深和水位变化，潮波还可能发生变形。在许多情况下，人类改造已压倒了自然因素（Wang et al., 2015）。因此，全球范围内潮汐正在以仅由天文驱动无法解释的速度发生变化（Talke and Jay, 2020）。巨潮河口（指潮差超过 4 m 的河口）在全球分布广泛（Hayes, 1975）。其中许多由山区河流供水，其径流量通常远小于潮量，但在汛期可迅速涨落。已有大量研究关注山区河流来水条件下的巨潮河口的泥沙输运与地貌动力学（例如 Wang et al., 2013; Xie et al., 2017）。然而，尽管已有研究表明季节径流可调节大型巨潮三角洲和河口（如恒河—布拉马普特拉河—梅格纳三角洲，Elahi et al., 2020；以及长江口，Zhang et al., 2018）中的潮波传播，但巨潮山区河流河口内部的河—潮相互作用仍知之甚少，特别是当季节性径流变化叠加在数十年的时间尺度上人为航道加深之上时。瓯江口（图 1）为研究巨潮、山区径流以及广泛人为活动下的潮汐动力学提供了理想范例。该河口口的潮差在朔望大潮时可超过 7 m。瓯江年径流量比潮量小两个数量级，且径流在汛期变化迅速。近几十年来，该河口受采砂和围垦影响显著（Li et al., 2012）。最近，Yan 等（2021）采用数值模拟，分析了横向环流与河口浊度最大区对径流变化的响应。Liu 等（2022）分析了采砂对瓯江口地貌演变的影响，发现自 20 世纪 70 年代以来的采砂使河口容积增加了约一半。在此基础上，Zhang 等（2023）结合水深与水文动力分析，推断过去二十年里河口尺度的年均潮差增加了 0.19–1.14 m。这些研究确立了航道加深放大了瓯江口的潮汐，但其关注重点主要在于地貌变化与整体潮差指标。因此，三个过程尺度的问题仍未得到充分量化。第一，以往研究报道了潮差放大，但仍不清楚这种放大是否在各个潮汐频率上均匀表现，尤其是半日潮分潮 D? 与其倍潮分潮 D? 的振幅是否同步变化。第二，尚不清楚潮汐放大在高低水位之间是否对称，即枯潮水位下降的幅度是否远大于洪水位上升的幅度。第三，季节性径流调节与数十年的时间尺度航道加深的叠加效应尚未被解析，因此这两类时间尺度如何相互作用以重塑潮波衰减、传播与不对称性仍不清楚。解决这些问题需要长期的、按水位分级的潮位观测数据，而非仅依赖地貌快照或整体潮差指标。本研究的目标是分析山区河流来水条件下的巨潮河口在季节尺度与数十年时间尺度上的潮汐行为，以瓯江口为例。具体而言，我们（1）界定季节性的潮汐—径流相互作用，阐明径流对潮波传播的作用；以及（2）探究潮汐动力学（包括水位、潮差、潮汐不对称性和潮汐分潮）如何受到人类活动的影响。通过结合长期高/低潮位记录与基于小时潮位数据的连续小波变换分析，我们旨在解析仅通过地貌推断无法识别的、具有频率依赖性和水位不对称性的潮汐变化。研究结果对其他由山区河流来水的巨潮河口系统也具有参考价值。各节摘要研究区瓯江汇入位于东海海岸的温州湾（图 1）。其集水面积为 18,100 km2。年平均径流量约为 446 m3/s。年径流量约 70% 出现在丰水期（4 月至 9 月）（Liu et al., 2022）。河流洪水通常持续数天至十天。洪峰流量一般低于 5000 m3/s，最大值低于 10,000 m3/s（Zhang et al., 2023）。温州湾的潮汐为……数据与方法本研究的水位数据来自四个潮汐站。洞头站位位于温州湾内，被选作参考站。龙湾、温州和梅澳站位位于河口中。龙湾、温州和梅澳三站自 1961 年开始运行，洞头站自 1984 年开始运行。龙湾站和梅澳站分别于 2015 年和 1995 年停止运行，而温州站和洞头站仍在运行。四个站的年度高低潮位已……潮汐传播与衰减的季节变化图 2 展示了 1991 年沿河口的平均高低潮位、潮差和潮时。洞头站的高水位为 4.00 m（相对于 1985 年中国国家高程基准，下同），在龙湾站增至 4.43 m。再向上游，增幅较小，在温州站为 4.44 m，在梅澳站为 4.50 m。洞头站和龙湾站的低水位相近，分别为 ?0.03 m 和 ?0.05 m，但在温州站上升至 0.50 m，在梅澳站为 0.80 m……航道加深重塑潮汐频率结构与水位不对称性数十年的观测表明，瓯江口的潮汐变化不能简单地描述为潮汐信号的均匀放大。相反，航道加深导致了潮汐的频率依赖性和水位不对称性的重新组织。在归一化到共同的河口潮差之后，半日潮分潮 D? 的振幅增加了 26%，而倍潮分潮 D? 的振幅下降了 28%。与此同时，低水位下降的幅度远大于高水位上升的幅度，因此大约三分之二的……结论本研究表明，瓯江口的潮汐变化并非潮汐的均匀放大，而是由季节性径流变化和数十年的时间尺度航道加深所驱动的、具有频率依赖性和水位不对称性的潮汐重新组织。在季节时间尺度上，带符号的潮汐速率与河口潮差呈负相关。最大绝对衰减发生在中游河段，与该处显著的纵向泥沙隆起有关；而上游河段对……最为敏感。作者贡献声明Xie Dongfeng（谢东风）：撰写初稿，项目主管，方法学，概念化。Wang Zheng Bing（王正兵）：撰写—审阅与编辑，方法学，概念化。Zhou Huamin（周华美）：可视化，形式分析。Liu Huan（刘欢）：形式分析。Li Zuisen（李准森）：数据管理，撰写—审阅与编辑。利益冲突声明作者声明不存在任何可能被视为影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究由浙江省自然科学基金（编号 LTGS23E090004、LZJWZ23E090003）、国家自然科学基金（编号 42176170）、浙江省研究院支持计划（ZIHEYS26001）资助。作者：谢东风 | 王正兵 | 周华美 | 刘欢 | 李准森