局部地貌单元演变加剧珠江口枯水期咸潮入侵

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Evolution of Local Geomorphic Units Intensifies Dry-Season Saltwater Intrusion in the Pearl River Estuary

　　

摘要

河口咸潮入侵对局部水深地形高度敏感，然而对单一地貌单元长期变化的影响仍缺乏充分解析。近几十年来，作为珠江重要出海口的磨刀门河口经历了显著的水动力地貌调整。口门浅滩区从分散的浅滩演变为更宽更深的出海口，而航道则通过东侧深泓加深、西侧沙洲淤浅和中间沙洲的稳定化而变得越来越不对称。本研究开展了一系列数值实验，以分离这些局部地貌变化的影响。模拟结果显示不同地貌单元表现出截然不同的响应。口门浅滩下切0.53–0.63 m使0.5 psu最大表层咸潮入侵距离增加6.1–6.2 km，平均表层入侵距离增加约2.3 km，同时将取水口表层盐度超标持续时间延长了6–20 h。航道整治通过增强航道不对称性、潮流传播和近底层盐度，加剧了咸潮入侵，并使口门附近底层盐度超过15 psu的持续时间最长延长了140 h。中间沙洲的发育则产生了相反的纵向效应，使横断面平均盐度降低了1.46–1.69 psu。结果表明，咸潮入侵的评估应综合考虑局部地貌单元的共同作用，而非仅关注航道水深。

引言

河口是一个动态系统，河流径流与潮汐动力相互作用形成复杂的水动力环境（Shimozono等，2019）。咸潮入侵是这些相互作用的主要后果之一，可能影响区域水资源可用性和水质（Hoitink和Jay，2016）。近几十年来，气候变化（Hong和Shen，2012；Lee等，2024）、上游水资源管理（Schettini等，2017；Feng和Chen，2023；Feng等，2023）以及河道整治（Cui等，2024）已显著改变了河口的动力条件和地貌形态。相关的地貌变化包括航道水深和水宽的变化、断面几何形态变化、沙洲范围变化以及平面形态配置变化（Chen等，2021）。这些地貌变化会改变河口水动力过程并加剧咸潮入侵（Lin等，2021；Cui等，2024）。河道下切、缩窄和平面形态调整会改变潮流传播、流速和盐度分层。在珠江河口，与泥沙供给不足和大规模采砂相关的长期航道加深使枯水期潮汐穿透和盐锋向陆推进了近10 km，相当于63 km河口长度的约15.9%（Liu等，2018；B. Liu等，2019）。类似的效应也在长江河口被报道，航道加深和大规模工程实施加剧了咸潮入侵，增加了上海大都市区淡水供应中断的风险（Zhang等，2021）。这些发现表明，在一些工程化或泥沙匮乏的河口，人为的河道整治可能产生与气候变化引起的海平面上升相当甚至更大的影响。

已有研究利用水动力模型（Shen等，2018；C. Liu等，2019；Loc等，2021）和现场观测（Winn等，2006；Wegman等，2025）考察了河口地貌变化与咸潮入侵之间的关系。长江河口的年代际水深变化改变了潮流不对称性，并导致不同航道的盐度响应出现差异（Wu等，2016）。旧金山湾-三角洲河口的历史重建同样表明，自然地形特征对盐度梯度具有首要的控制作用（Andrews等，2017）。航道加深会改变潮流传播、重力环流、分层和向陆的盐分输运，响应的大小和方向取决于河道整治的位置和几何形态（Ralston等，2019；Ralston和Geyer，2019）。包括口门浅滩、潮滩和中间沙洲在内的局部地貌单元也会改变流态结构、潮流传播和混合过程（Gong等，2022；Geerts等，2025）。数值研究进一步表明，疏浚航道或整治沙洲的位置和几何形态可以产生空间上不均匀的水动力和水动力地貌响应（Zarzuelo等，2019；Martín-Llanes和López-Ruiz，2025）。然而，同一河口内多个地貌单元长期变化的差异性影响仍未得到充分解析。

珠江河口为研究这些差异性影响提供了合适的场所，因为在这一高度改造的河口系统中发生了多个重大地貌调整（B. Liu等，2019）。口门浅滩的长期重组、伴随相邻沙洲淤积的航道加深和中间沙洲的发育代表了三种空间上不同但水力上相互关联的局部地貌演化形式（Tan等，2019；Han等，2022；He等，2022）。它们的同时存在提供了一个机会，可以在一致的建模框架内分离各单个地貌单元水深变化的影响。珠江河口的已有研究主要关注全河口范围的水深演化和大规模外强迫（Yuan和Zhu，2015；Zhong等，2024），而口门浅滩、航道和中间沙洲长期演化所产生的不同盐度响应仍未得到充分量化。

本研究利用经过现场观测验证的高分辨率水动力模型，考察了口门浅滩、航道区和中间沙洲的历史变化如何影响咸潮入侵。该分析旨在区分这些地貌单元所施加的控制作用，并为枯水期水资源管理提供支持。本研究的结论主要适用于微潮河口枯水期低径流条件下，该河口具有混合性以半日潮为主的潮汐制度以及一般性的部分混合盐度结构。

各章节摘要

研究区域

珠江河口接纳西江、北江和东江的径流，并通过八个主要出海口排入南海（图1）。磨刀门河口是主要出海口之一，因为它输送了大量珠江径流，并为珠海、澳门及珠江三角洲西部其他城市提供了重要的淡水水源（图1）。磨刀门出海口约占珠江总径流的29.6%

模型配置与外强迫

有限体积近岸海洋模型（FVCOM）是一个三维自由表面模型，在非结构化三角网格上使用有限体积方法求解原始方程组（Chen等，2003、2006）。其非结构化网格框架非常适合河口系统复杂的岸线、分汊河道和快速变化的水深地形特征。FVCOM已被广泛应用于世界各地的河口，包括珠江河口（Cheng等，2012；Wang等，

口门浅滩演化对咸潮入侵的影响

不同口门浅滩情景下模拟的0.5 psu表层咸潮入侵距离存在明显差异（图5a）。最大表层入侵距离从1990年配置下的46.82 km增加到2010年配置下的52.88 km，增加了6.06 km（约12.9%）。平均表层入侵距离从23.34 km增加到25.64 km，增加了2.30 km（约9.9%）。在2020年配置下，最大表层入侵距离达到53.03 km，

磨刀门河口地貌单元对咸潮入侵的差异性控制作用

即使在相同外强迫条件下，单个地貌单元也会产生不同的盐度响应。已有研究确立了全河口范围航道加深和大规模几何变化的影响，也考察了口门浅滩、航道-沙洲配置和波纹底质等局部特征（Gong等，2022；Geerts等，2025；Wang等，2025）。航道加深通常通过改变潮汐

结论

在枯水期低径流条件下，模拟揭示了口门浅滩、航道区和中间沙洲在该微潮河口中对咸潮入侵的差异性控制作用，该河口具有混合性以半日潮为主的潮汐制度和典型的分层混合条件。

• (1)
  口门浅滩下切0.53–0.63 m使0.5 psu最大表层入侵距离增加6.1–6.2 km，平均表层入侵距离增加约2.3 km。累积

作者贡献声明

万东辉：撰写——初稿，验证，指导，资源，方法，数据整理。杨帆：撰写——审阅与编辑，验证，资源，调查，数据整理。朱玉可：验证，调查，正式分析，数据整理。刘沛林：撰写——初稿，方法，调查，正式分析，数据整理。刘炳军：撰写——审阅与编辑，指导，软件，资源，项目管理，资金获取，

未引用参考文献

ETOPO，2022；Liu等，2019。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFC3212000）、国家自然科学基金（项目编号52179029）和广东省科技计划（编号2024B1212040001）的资助。

刘沛林|朱玉可|杨帆|万东辉|宋立祥|何勇|刘炳军

中山大学土木工程学院，珠海，519082，中国