河口分层羽流与珊瑚礁水下光环境的耦合机制：基于卡塔赫纳湾El Varadero珊瑚礁的高分辨率水动力-光学模拟研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Estuarine Hydrodynamics and Its Influence on the Survival of the Coral Reef, Cartagena de Indias Bay

　　

持续存在于低密度、富含沉积物的河口羽流下方的珊瑚礁，在耦合水动力-光学研究中仍未得到充分体现，尤其是在热带半封闭海湾中。本研究探讨了可能维持哥伦比亚卡塔赫纳湾（加勒比海）El Varadero珊瑚礁的河口过程，尽管其表层水体浊度较高。研究采用了一个60米分辨率的三维模型，该模型融合了湍流闭合、细颗粒悬沙的保守输运以及光衰减过程，并应用于Dique运河羽流及海湾的分层环流。模型配置依据海平面记录、漂流浮标估算的流量、颗粒粒径测量以及水体浊度、Secchi深度和辐照度观测进行了评估。海湾形成了一个强烈分层的表层羽流，主要受淡水排放控制，并受季节性风强迫的调节。黏土（平均直径0.2 μm）和细粉砂（8.8 μm）主导了悬沙载荷，并因极低的沉降速率和受抑制的垂向混合而集中于上层水体。实测辐照度剖面显示，在浑浊表层下方的光衰减逐渐减弱。由此产生的物理机制——浑浊浮力羽流向海输运，同时密度跃层限制沉积物向下输运——解释了充足的水下光条件如何在珊瑚礁上方持续存在。本研究为评估分层河口羽流下方的珊瑚栖息地提供了一个可迁移的研究框架，并指出在改变淡水和沉积物输入之前，有必要评估其生态后果。

论文解读：河口分层羽流与珊瑚礁水下光环境的耦合机制——以卡塔赫纳湾El Varadero珊瑚礁为例

一、研究背景与问题提出

中光带珊瑚生态系统（MCEs）分布于水深30米至透光带下限的范围内，其珊瑚物种通过调整营养策略来补偿低光合有效辐射导致的钙化速率下降，转而以浮游动物而非浮游植物为食。全球已识别出四个MCEs高分布生态区：红海、大堡礁及珊瑚海、印度-太平洋地区以及西热带大西洋。对这些生物的研究对于理解维持这些独特环境的生态过程至关重要。

本研究的动机源于对El Varadero珊瑚礁的发现及其生态特征描述。该珊瑚礁位于卡塔赫纳湾南部海峡，其高珊瑚覆盖率（高达80%）和低白化发生率与上覆表层水体的高浊度和污染物负荷形成鲜明对比。这一表面矛盾暴露了一个研究空白：以往研究要么描述海湾环流和Dique运河羽流，要么描述珊瑚礁的生物学状况，但未定量连接羽流分层、细颗粒沉积物输运与珊瑚礁处水下光可利用性之间的关系。由于水体透明度通常被视为珊瑚共生体光合作用所必需的条件，因此需要基于过程的机理解释，尤其是在计划中的Dique运河排放改造可能改变现有分层和光学状况之前。

卡塔赫纳湾的水动力学研究已持续四十余年。早期研究识别了影响海湾动力学及化学和沉积学过程的多种特征；随后利用遥感手段研究了马格达莱纳河三角洲东南部的悬沙和水动力学，观测到浑浊羽流对卡塔赫纳湾的影响；同时开展了浊度与环流研究，并分析了Dique运河卡塔赫纳湾段浑浊羽流的动力学。近年来，基于MOHID模型的计算数值模拟、水体和沉积物中污染物的综合测量以及Dique运河流域管理策略的制定，恢复了对卡塔赫纳湾的研究。

在区域层面，巴西亚马逊河口占全球河流入海径流量的20%，产生了1.3×10⁶ km²的羽流，并在南美洲赤道边缘形成大面积泥质底质，影响热带北大西洋大片区域的盐度、pH、光穿透和沉积作用。Moura等人在亚马逊河口外发现了一个约9500 km²的广阔碳酸盐系统，位于河流羽流之下。这表明，尽管条件不利，西大西洋珊瑚礁仍存在显著空白。

二、研究目标与研究方法

本研究的目标是识别使El Varadero珊瑚礁能够在Dique运河羽流下方持续存在的动力学和光学机制。具体而言，研究人员旨在：（i）表征海湾的分层环流和细颗粒沉积物羽流；（ii）建立基于观测的浊度、Secchi深度、悬浮固体和辐照度衰减之间的关系；（iii）模拟珊瑚礁附近的悬浮固体浓度和透明度；（iv）解释羽流平流和浮力限制的垂向混合如何约束珊瑚礁的暴露程度。

研究区域为哥伦比亚卡塔赫纳湾，位于10°16′–10°26′ N、75°30′–75°35′ W，南北延伸16 km，东西延伸9 km，水域面积82.6 km²，平均深度16 m，最大深度约30 m。海湾通过多个海峡与加勒比海相连。Dique运河河口提供来自马格达莱纳河的淡水，河道宽约100 m，深2–3 m，流量为55–300或400 m³/s。运河输运的沉积物主要为矿物颗粒，砂含量极低，大部分为粉砂（数微米粒径）和少量黏土，悬浮固体浓度可超过1000 mg/L。卡塔赫纳湾因Dique运河的存在被归类为河口，表层盐度在运河河口与海湾海峡之间数公里范围内从0变化至30，盐度分层是影响海湾动力学的主要因素。

研究人员采用了CODEGO模型，该模型源自MECCA模型，并进行了数值和示踪剂输运的适应性修改。模型在静水压和Boussinesq近似下求解三维水热动力学方程，垂向湍流黏性和扩散率采用Mellor–Yamada二阶矩闭合方案诊断，该方案因浮力对跨强密度跃层垂向混合的抑制是本研究验证的核心假设而被选用。模型采用60 m水平网格，时间步长12 s，垂向网格包含27层。悬沙输运模块基于输运方程并补充Stokes沉降速度，水平输运采用通量校正输运（FCT）格式，垂向输运采用隐式全变差递减（TVD）格式。光衰减系数K_d通过Secchi深度z_d的反比关系确定，而z_d场通过输运方程计算悬沙浓度获得。观测数据包括2023年3月24日至4月3日在Bocachica入口布设的底置声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测量的流速和海平面、浊度、Secchi深度、下行辐照度剖面以及激光衍射法测定的颗粒粒径分布。Dique运河流量通过漂流浮标轨迹重建对数流速剖面估算，得到Q = 145 m³/s。

三、研究结果

（一）浊度-透明度经验关系

直接同步测量的浊度（Tr）与Secchi深度（z_d）数据拟合得到非线性关系（R² = 0.87）：z_d = 7.01 Tr^?0.76。该关系可用于确定光衰减系数K_d = 2.3/z_d。由于观测在旱季进行，数据点集中于低浊度范围，向雨季流量和浊度条件的外推需通过额外观测验证。这一结果证实了研究假设：Dique运河浑浊羽流内光条件的主要影响因素是矿物颗粒的冲洗载荷输运。

（二）辐照度剖面特征

在E2、E3和E5三个站点的实测辐照度剖面显示，Secchi深度范围为1.27至0.58 m，拟合衰减系数分别约为0.54 m^?1（E2）、0.84 m^?1（E3）和2.30 m^?1（E5）。这些剖面证实衰减在浑浊表层内最强，并在其下方减弱。约30–50%的表层辐照度可到达z_d处，而较清澈的大洋水体常用标准为10–15%，这一差异警示不应在不同光学性质的水体间直接套用单一的Secchi-光转换关系。

（三）悬沙浓度与透明度模拟

基于悬沙输运方程（含Stokes沉降速度）和太阳辐射衰减过程，模型成功计算了总悬浮固体场，并将其转换为相应的水透明度（z_d）和光衰减场。模拟结果表明，Dique运河冲洗载荷以极细粉砂和黏土为主，这些颗粒因极低的沉降速率和受抑制的垂向混合而集中于浮力表层，并通过南部海峡优先向海输运。密度跃层抑制了垂向混合，因此高强度的表层浊度并未直接转化为珊瑚礁深度处的等效颗粒或光暴露。

四、讨论与结论

研究结果支持Dique运河矿物冲洗载荷是海湾表层羽流内短波衰减主要控制因素的假设。这一机制与亚马逊羽流下方的珊瑚礁系统类似，但El Varadero发生在更小、半封闭的河口中，风、受限入口和工程化淡水排放施加了更强的局地控制。研究通过解析分析识别了三个光学层：（a）表层均匀悬浮层，具有随z_d变化的空间变K_d⁽¹⁾；（b）底层均匀水层，几乎不依赖悬浮矿物，具有最小恒定K_d衰减；（c）过渡层，光学条件从透明度控制转变为与浊度无关，受浮力（分层）调节的湍流强度变化影响。

研究的主要局限性包括：单一旱季模拟窗口、稀疏的光学剖面、缺乏成对的模型-观测时间序列用于均方根误差（RMSE）评估、无显式波浪模型、网格无法分辨珊瑚群体粗糙度。经验浊度-透明度关系为局地校准，不应在无新观测的情况下外推至雨季极端条件。

研究得出以下结论：Dique运河冲洗载荷以极细粉砂和黏土为主，集中于浮力表层并优先通过南部海峡向海输运；密度跃层抑制垂向混合，使高强度表层浊度不直接转化为珊瑚礁深度处的等效暴露。El Varadero与中光带和羽流相关珊瑚礁共享重要功能特征：珊瑚在垂向异质的光学环境下持续存在，而非均匀清澈水体中。然而，El Varadero不应仅按深度分类，其意义在于证明河口分层和羽流路径可在浅热带海湾中创造水下避难所。

研究结果并不证明珊瑚礁不受所有悬浮固体、营养物质或污染物的影响，而是识别了一种可减少表层羽流下方暴露的物理机制，与已报道的高珊瑚覆盖率一致。生物响应、污染物生物可利用性、事件性再悬浮和雨季极端条件超出当前模型范围，需直接生态测试。

更广泛而言，本研究提供了耦合河口热水动力学与光学模型的可迁移框架。一旦确定河口几何和外部强迫，河流排放和悬沙载荷可作为管理变量，用于预测水动力状况、盐度分层、悬沙垂向分布和冲洗载荷输运、水透明度及底部沉积模式。计划中的Dique运河排放减少可能同时减少沉积物输入并削弱维持垂向隔离的密度梯度，净生态响应并非不言自明。管理目标不应假定为零河流排放或最小可实现沉积物载荷，而应通过情景分析确定减少有害暴露同时保持维持水下光学避难所的浊度和盐度分层条件的最佳排放和固体载荷范围。