打破停滞-植被反馈循环：通过模拟优化的水动力干预措施恢复埃及的Burullus泻湖

《Ecohydrology & Hydrobiology》：Breaking the stagnation-vegetation feedback: Simulation-optimized hydrodynamic interventions to restore Burullus Lagoon, Egypt

　　•Burullus湖泊的水生植被覆盖率从1990年的16.13%上升到了2025年的39.49%。
•水生植被是导致湖泊滞留和生物过度生长反馈循环中的关键因素。
•数值模拟对于优化湖泊与海洋之间的连通性设计至关重要。
•均匀加深水深并不能改善湖泊的循环，这表明了干预手段的局限性。
•水动力更新依赖于湖泊与海洋连通性的战略定位。

引言
沿海湖泊是陆海交界处最具生产力和生态意义的关键过渡环境，提供了重要的生态系统服务，如渔业支持、养分循环、海岸线保护以及生物多样性维护（Eid等人，2010；El-Asmar等人，2013；Nassar和Gharib，2014；Taha等人，2020）。尽管它们非常重要，但这些系统本质上非常脆弱，对自然过程和人为压力都非常敏感（Giordani等人，2008；McGlathery等人，2007）。全球范围内，沿海湖泊正面临着水文变化、过量沉积物沉积、营养富集以及生物过度生长的日益威胁，所有这些都会破坏其水动力功能和生态完整性（Kennish和Paerl，2010；Kjerfve，1994）。在热带到温带气候区，一个特别普遍的问题是水生大型植物和藻类的过度繁殖（Gürevin等人，2017；Kennish，2024）。高温、漫长的生长季节、浅水深度、富含营养的流入物以及弱水循环共同创造了有利于植被快速生长的条件（Bas-Silvestre等人，2020；Teichberg等人，2010）。这种情况在包括威尼斯潟湖（意大利）（Sfriso等人，2001；Solidoro等人，2010）、特米诺斯潟湖（墨西哥）（Contreras Ruiz Esparza等人，2014）、奇利卡潟湖（印度）（Finlayson，2020；Tripathy等人，2022）以及西班牙南部沿海湖泊（Pérez-Ruzafa等人，2011）在内的不同气候区域的沿海湖泊中都有广泛记录。在这些系统中，茂密的植被会降低水流速度、减弱波能并限制水分交换，从而加剧水动力滞留并进一步促进生物过度生长。重要的是，过度植被生长往往不是主要原因，而是由弱水动力驱动的反馈循环中的次要强化因素（El Behja等人，2025；Giusti等人，2010）。减少的水循环和延长的水驻留时间促进了滞留，增强了养分积累和沉积物堆积，进而加速了植物殖民。反过来，茂密的植被进一步抑制了水流和混合，加剧了滞留，形成了一个自我维持的水动力退化循环（Carr等人，2010；Giusti等人，2010；Sand-Jensen和Borum，1991）。这种反馈机制在与开阔海域连接有限的浅水湖泊中尤为明显。在埃及的尼罗河三角洲，Manzala潟湖就是一个典型的例子：由于潮汐交换受限和排水量过大，近年来Eichhornia crassipes、Potamogeton pectinatus和Phragmites australis等物种的过度生长使开放水域面积减少了超过50%（Abdel-Raheem等人，2024；El-Asmar和Felfla，2026a；Haroon，2022，2026）。

为了更好地理解本研究背景，埃及北部沿尼罗河三角洲的地带——Manzala、Burullus、Edku、Mariut和Bardawil潟湖——共同支撑着重要的渔业（约占全国北部湖泊渔产量の40-50%）、生物多样性，并为数万户家庭提供了生计（Mohsen等人，2021；Shalby等人，2021；Soliman等人，2013；Taha等人，2020）。然而，在过去的一个世纪里，由于土地开垦、无控排水和入口改变等原因，这些系统逐渐退化，表现为面积缩小、盐度变化和沉积物填充以及水文隔离（El-Asmar等人，2013；Stanley和Warne，1993）。这些湖泊每年接收大量的农业排水（总计超过10×10^9立方米），其中还混有城市和工业废水，导致富营养化、栖息地丧失和生态衰退（El Barbary，2023；El-Alfy等人，2020；Hassan等人，2024）。解决这些复杂且相互关联的问题需要精心设计的干预措施，以增强水动力连通性，同时避免引发不必要的环境后果。基于对湖泊水动力学的科学理解，工程措施（如选择性加深、渠道建设或入口改造）可以提供可行的解决方案（El-Asmar和Felfla，2026a；Fan等人，2024；García-Oliva等人，2018，2019；Giusti等人，2010）。在这方面，数值模拟已成为评估不同管理方案及其实施前水动力后果的强大且经济有效的工具（Fan等人，2024；Giusti等人，2010）。例如Coastal Modeling System（CMS）-Flow和CMS-Wave等水动力模型已被广泛应用于沿海和湖泊系统，以模拟在不同边界条件和工程配置下的循环模式、水位、波浪传播和交换过程（Doorga等人，2021；El-Asmar等人，2026；El-Asmar和Felfla，2026b，2026a；Elnabwy等人，2025；Sharaan等人，2022；Stancanelli等人，2017）。通过整合现场数据、遥感观测和基于场景的模拟，这些模型为决策者提供了定量见解，有助于对脆弱的沿海环境进行最优化的、基于证据的管理。

Burullus潟湖，也被称为Lake Burullus，是一个位于埃及北部尼罗河三角洲中部地中海沿岸的浅层咸水湖泊，地理坐标介于东经30°33′41.36″至31°05′57.11″、北纬31°22′20.74″至31°34′59.20″之间（图1A）。该湖泊面积为约463平方公里，是埃及第二大沿海湖泊，仅次于Manzala潟湖（Eid等人，2010；El-Asmar等人，2013；Nassar和Gharib，2014）（图1）。潟湖与地中海之间由一条由沙洲和海岸沙丘组成的狭窄沙坝分隔，宽度从0.5公里到5公里不等，沿海岸延伸约50公里（Eid等人，2010；El-Asmar和Hereher，2011）（图1A）。Burullus潟湖东西方向长约53公里，南北方向的最大宽度在2.5至15公里之间（图1A）。水深始终保持较浅，介于0.4米至2.5米之间（平均约1.1米），这使得该系统极易受到沉积物沉积和水生植被快速扩张的影响（El-Naggar和Rifaat，2022；Khalil和El-Gharabawy，2016）。

从水文角度来看，该湖泊主要受到来自南部边界几条主要农业排水渠道的淡水流入影响，这些排水渠包括Drains 7、8、9、11、Terah、El-Khashah、Brimble、El-Burullus East和El-Burullus West Canals（图1）。这些排水渠每年输送约3.9-4.1×10^9立方米的富含营养的农业排水水，占总流入量的95%以上（Eid等人，2010；Ghanem等人，2024；Khalil和El-Gharabawy，2016）。相比之下，海洋交换仅通过一个狭窄的入口Boughaz El-Burullus进行，该入口位于潟湖的东北部，宽度约为100-250米，平均深度约为5米（Khalil和El-Gharabawy，2016；Nassar和Gharib，2014）（图1）。因此，Burullus潟湖属于微潮汐型沿海系统，潮汐交换和潮汐动力主要集中在靠近入口的东部区域，而向中部和西部区域的扩散逐渐减弱（Sharaan等人，2022）。循环主要受弱潮汐力、作用在浅水体上的强季节性风应力以及来自农业排水渠的淡水流入的共同影响，导致水更新、盐度和冲洗效率在东西方向上存在明显梯度。先前的水动力和水质研究也表明，在现有单入口配置下，湖泊与海洋之间的交换受限，盐度和溶解氧的空间分布存在差异（El-Naggar和Rifaat，2022；Mohsen等人，2021；Shalby等人，2021）。这种主导淡水流入与有限海洋交换之间的不平衡导致湖泊内部循环和盐度存在明显空间梯度。特别是在中部和西部区域，长时间的水驻留促进了局部滞留、沉积物堆积和大型植物的过度生长。近年来，这些过程导致了显著的环境退化，包括富营养化、开放水域减少、底泥污染物积累以及栖息地质量下降。为应对这些日益增加的压力，埃及环境事务局（EEAA）定期对Burullus潟湖进行年度监测，以评估环境状况、识别新兴风险并评估系统的整体生态状态。这些变化对该湖泊的生态完整性、渔业生产力及其作为国际重要拉姆萨尔湿地的地位构成了日益严重的威胁（ElSaharty等人，2025；Ghanem等人，2024；Shaheen等人，2019；Soliman等人，2013）。

尽管有大量研究记录了Burullus潟湖的污染、沉积物积累和植被快速扩张问题，但仍存在重要的知识空白。先前的水动力和水质研究（例如El-Naggar和Rifaat，2022；Mohsen等人，2021；Shalby等人，2021）描述了在现有单入口配置下的当前盐度、溶解氧和气候变化情况，但没有研究探讨其他工程干预措施（如加深、增加入口或重新定位入口）将如何改变整个流域的循环和交换。本研究通过使用综合的CMS-Flow和CMS-Wave数值模拟来严格比较精心设计的可行方案，填补了这些空白。通过模拟和分析这些方案对水流模式、水位变化、盐度入侵以及波浪-水流动态的影响，研究提供了关于逆转水动力退化最有效途径的明确、定量的见解。这些发现为可持续管理决策提供了坚实的、基于证据的基础，有助于政策制定者和利益相关者保护这一重要的拉姆萨尔湿地，维护其渔业生产力，并为全球面临类似环境压力的退化沿海湖泊的恢复提供可复制的模型。

数据集和方法论
在模型实施之前，通过多方法框架精心编制并严格验证了一整套数据集，以确保数据的准确性、一致性和代表性，这些数据集包括以下来源：

长期水生植被动态和水质
长期卫星观测和现场监测数据显示Burullus潟湖的物理和化学特征发生了显著的时间变化（图2；表1）。多时相NDVI分析表明，在过去三十年中，水生植被持续扩展（图2A-I）。植被覆盖率从1990年的16.13%稳步增加到2025年的39.49%。这种扩展伴随着开放水域的逐渐缩小……

长期植被动态和水动力退化
长期卫星观测和现场监测显示Burullus潟湖的环境退化趋势一致。水生植被覆盖率从1990年的16.13%增加到2025年的39.49%（图2），同时EEAA在2016至2023年的测量中记录了持续的富营养化现象（表1）。整个期间营养盐浓度持续升高，而叶绿素a水平波动明显，经常超过80 μg/L。

结论
本研究结合了长期卫星观测、基于现场的环境监测和基于过程的水动力建模，探讨了导致Burullus潟湖水动力退化的机制，并评估了替代恢复策略。综合分析表明，水生植被的持续扩展和水质恶化与湖泊与海洋连通性的长期下降是一致的，进而导致循环减弱……

缩写列表
缩写 定义
BOD 生化需氧量
Chl-a 叶绿素a
CMS 海岸建模系统
CMS-Flow 海岸建模系统 - 流动模块
CMS-Wave 海岸建模系统 - 波浪模块
DOD 溶解氧
EEAA 埃及环境事务局
ERA5 第五代ECMWF大气再分析
GEBCO 全球海洋地形图
Hs 有效波高
NARSS 国家遥感和空间科学局
NDVI 标准化差分植被指数
NDW 标准化差分水位