斯海尔德河口潮汐特征与泥沙输运的800年历史演变重建

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Reconstructing 800-year historical evolution of tidal characteristics and sediment transport in the Scheldt estuary

　　

中文翻译 河口盆地几何形态的变化会改变潮汐波的传播，进而影响泥沙输运、地貌动力学和沿海洪水风险，尤其是在受强烈人类干预的河口中。本研究旨在基于数值水动力模拟和800年历史重建地貌，量化并评估斯海尔德河口（荷兰西南部）潮汐相位、潮汐不对称性及相关泥沙输运的历史变化。具体而言，研究人员将数值模型（通用河口输运模型，GETM）应用于公元1200年至今的七个选定时期，并以有据可查的历史地图和堤坝记录为支撑。在这些重建的基础上，研究人员提出了一种新方法，通过将水平潮汐流投影到其主导轴上，唯一确定潮汐流的振幅和相位；这使得研究人员能够区分驻波和前进波潮汐特征。研究结果表明，该河口在潮汐波传播方面发生了质变，从以前进波为主的系统演变为更趋驻波型的系统，导致潮差放大和潮汐不对称性增强。对潮汐流不对称性的分析进一步揭示了泥沙再分布格局的演变，由于涨潮主导性的增强，过去800年间进入斯海尔德河口的泥沙通量被认为增加了一个数量级。与此同时，峰值泥沙沉积的位置已从河口口门向上游区域迁移。这些发现表明，历史干预如何塑造了当今的水动力条件，从而影响泥沙再分布和长期地貌演化。

一、研究背景与科学问题

河口和潮汐盆地是地球上最具动态性的海岸地貌类型之一，支撑着主要港口、航运通道、渔业以及生态系统服务和防洪功能。然而，河口系统对人类干预高度敏感。土地开垦、航道疏浚和工程建设会改变河道横截面积、河床收敛度和水力摩擦等要素，从而改变潮汐传播和泥沙输运过程。这些压力通常在数十年至数百年的时间尺度上驱动渐进但持续的水动力和地貌调整。理解长期人类诱发的地貌变化如何改变潮汐动力学，对于制定和评估可持续的河口管理策略至关重要。

斯海尔德河口最早的围垦活动可追溯至约公元1200年，远远超过大多数现有记录和研究覆盖的十年至百年时间尺度。然而，如此长时间尺度上盆地几何形态的显著变化对潮汐动力学的长期影响至今仍知之甚少。现有研究面临的核心挑战在于：连续地貌动力学模拟假设外部施加的陆地边界不变，无法考虑土地围垦、筑堤或堤坝溃决等突发性人类干预。因此，需要一种能够显式纳入历史地貌变化对潮汐动力学影响的模拟框架。

二、研究内容与主要发现

针对上述问题，本研究提出了一种"快照"模拟方法，利用广泛的历史数据在重大地貌变化后的关键时间节点（约每世纪一个快照）重建河口地貌，以捕捉地貌变化对潮汐动力学的影响。研究选取了公元1200年、1300年、1543年、1637年、1799年、1860年和2020年七个时期的斯海尔德河口地貌作为水动力模型输入，采用通用河口输运模型（GETM）进行三维数值模拟，并离线计算由潮汐不对称性驱动的残余泥沙输运。

研究取得的主要发现包括：第一，从1200年至今，斯海尔德河口M₂分潮振幅持续增大，且上游增幅更为显著。在安特卫普地区，19世纪以后M₂振幅增加约0.8米，相当于此前六个世纪的累计增幅。第二，河口内部相位差随时间逐渐减小，高潮到达河口顶端的时间从1200年的约4小时缩短至2020年的约1小时，表明潮汐系统从摩擦衰减型向弱阻尼共振型转变。第三，潮汐波传播特征发生了从前进波系统向驻波系统的质变，当前河口呈现出典型的驻波特征。第四，潮汐不对称性分析显示，河口整体经历了向涨潮主导性逐渐增强的转变，这反映了地貌演化增强了潮汐波的非线性畸变。第五，泥沙输运估算表明，与公元1200年的0.1百万立方米/年相比，当前泥沙输运强度（1.3百万立方米/年）约增加了一个数量级，且峰值沉积位置从河口口门向上游迁移。

三、关键技术与方法

本研究采用了以下主要技术方法：历史地貌重建方法，基于历史地图、堤坝记录和改良的经验高程测量工具（hypsometry tool）重建各时期河口水下地形；数值水动力模拟，采用GETM模型在300米笛卡尔网格上运行，覆盖西斯海尔德和东斯海尔德及毗邻北海区域，垂直方向采用十层等距地形跟随层；潮汐椭圆分析方法，通过将水平潮汐流投影到M₂潮汐流椭圆主轴上，唯一定义潮汐流与水位之间的相位关系，以区分驻波和前进波特征；潮汐不对称性分类方法，基于M₂和M₄分潮的相位差和振幅比，将潮汐不对称性分为四类混合类型；泥沙输运计算，采用Bailard（1981）公式估算单位宽度瞬时体积泥沙输运量，并沿河道横断面进行积分获得年输运量。模型验证采用2007年荷兰水利部门（Rijkswaterstaat）六个潮位站的观测数据，西斯海尔德和东斯海尔德的均方根误差（RMSE）分别为0.24米和0.27米。

四、研究结果

4.1 垂直潮汐M₂分潮的800年演变

模型结果显示，从1200年至今，斯海尔德河口M₂潮汐振幅持续增大，上游增幅更为显著。在西斯海尔德河口口门（荷兰弗利辛恩），M₂振幅在14至16世纪该支流成为主导潮汐和航运通道期间增幅最大，此后增速放缓。而上游安特卫普地区则呈现与后续围垦和疏浚活动相关的渐进放大，特别是19世纪以后增幅达到约0.8米，与此前六个世纪的累计增幅相当。空间上，西斯海尔德M₂振幅从13至15世纪的河口口门至顶端衰减，演变为16至19世纪的近似均匀分布，最终形成当前的明显向陆放大格局。

4.2 水平潮汐M₂分潮的800年演变

深度平均的M₂潮汐流椭圆分析揭示了长期变化。北海区域主导潮汐流方向约为45°，呈旋转流特征，而河口内部潮汐流以往复流为主，表明河道强几何约束使潮汐运动沿河道轴线排列。尽管地貌变化显著，潮汐流椭圆的整体方向和形状在历史时期保持稳定，但量值呈现显著时空变化。中世纪晚期东斯海尔德潮汐流强于西斯海尔德，但自16世纪起西斯海尔德逐渐增强并最终超过东斯海尔德。风暴潮屏障建成后，东斯海尔德潮汐流显著减弱。16至17世纪连接两分支的潮汐通道表现出较强潮汐流，可能增强了该时期两分支间的潮汐交换和物质输运。

4.3 从前进波系统向驻波系统的转变

通过分析潮汐水位与主导方向水平潮汐流之间的相位差，研究发现历史条件下西斯海尔德和东斯海尔德均以前进波（相位差接近0°）或混合前进-驻波（相位差0°至90°）为特征。当前（2020年）相位差接近90°，意味着最大流速与最高水位之间的时间滞后约3小时。驻波特征在河口顶端表现为最高水位和最小流速同时出现，而口门处水位最小、流速最强。驻波行为在东斯海尔德更为明显，因其已演变为半封闭盆地。这一转变反映了长期河口加深和潮间带面积减少的综合效应，使潮汐波以更少的能量耗散向上游传播，同时河口顶端附近的收窄几何增强了波浪反射，入射波与反射波的相长干涉导致振幅约为入射波的两倍。

4.4 潮汐不对称性的800年演变

基于M₂和M₄分潮的相对相位和振幅，研究将潮汐不对称性分为四种混合类型。中游大部分区域在数个世纪内持续表现为涨潮主导（橙色），而口门和上游区域经历了显著转变。中世纪晚期西斯海尔德口门呈涨潮主导和短涨潮至落潮型（蓝色），随后过渡为更对称的潮汐状态。最显著的变化发生在上游区域：13至17世纪，西斯海尔德和东斯海尔德上游均以落潮主导和长落潮至涨潮型（红色）为主；18世纪后，西斯海尔德转为涨潮主导，而东斯海尔德上游仍保持落潮主导。当前（2020年）河口大部分区域为涨潮主导，仅部分落潮槽呈现落潮主导特征。

4.5 历史地貌对净潮汐驱动泥沙输运的影响

通过将深度平均流分解为M₂和M₄分潮并应用Bailard公式计算，研究揭示了纯由潮汐不对称性驱动的底沙（仅沙）输运格局。结果显示，西斯海尔德和东斯海尔德口门横断面在整个研究期间均表现为净向陆泥沙输入。相比之下，18世纪以前上游横断面呈净向海输运，此后转为净向陆输运。与公元1200年的0.1百万立方米/年相比，当前泥沙输运强度约增加了一个数量级。东斯海尔德泥沙输入先增后减，2020年显著下降，归因于风暴潮屏障大幅减少了与北海的潮汐交换。泥沙输运估算与R?bke等（2025）基于地貌动力学模型的估算（1.1百万立方米/年）吻合良好。侵蚀和沉积格局分析表明，13至16世纪两分支中上游以侵蚀为主，中部发育大量沙坝，连接区域持续淤积；18至19世纪上游连接通道几乎完全淤满，多个侧通道区域显示显著泥沙堆积。

五、讨论与结论

5.1 局限性与优势

历史重建不可避免地存在地图质量、测量技术和制图实践差异带来的不确定性。研究通过利用现有地理配准、以市政中心和教堂等稳定参考点进行额外地理配准、整合相邻时期地图信息以及参考地质重建成果来最小化这些不确定性。对于最早历史时期，以历史堤坝高程推断的水位作为潮汐水平的代理。由于百年尺度重建代表显著不同的河口构型，产生相应较大的潮汐特征差异，小尺度地貌不确定性对研究目的而言可忽略不计。重建的潮汐演变与Coen（1988）报告的历史潮汐记录吻合良好。研究仅考虑峰值速度不对称性驱动的泥沙输运，未包含悬沙输运及其他强迫机制。该快照框架的关键优势在于能够显式纳入和研究人类干扰（如土地围垦）引起的盆地几何变化，也可适用于其他具有可用历史数据的河口系统。

5.2 人类活动对向陆泥沙输运的增强

研究发现西斯海尔德内最大沉积位置在数百年间逐渐向上游迁移，表明沙质向陆穿透增强。这一发现与全球多个河口的悬沙向陆输运观测一致，包括中国长江口北支、荷兰-德国边境埃姆斯河口、德国易北河口、英国亨伯河口、美国Little Constance Bayou、法国卢瓦尔河口和韩国洛东江口等。这些河口均经历了包括土地围垦和疏浚在内的大规模人为改造。在西斯海尔德，疏浚强烈影响泥沙输运路径，重度疏浚段表现出显著的沙需求，泥沙向这些位置输运且淤积率高。在更长的时间尺度上，土地围垦的累积效应可能同样显著。

5.3 对河口演化和管理的启示

研究将潮汐不对称性变化与地貌演化联系起来，应用河口水深稳定性理论分析西斯海尔德。结果表明，演化轨迹从公元1200年接近理论平衡状态向涨潮主导方向发展。早期持续围垦导致潮间带面积减少，降低了潮间带蓄水容积（V_i）；围垦活动可能伴随河道侵蚀，增加了潮下带河道蓄水容积（V_c）和水深（h）。近一个世纪以来疏浚进一步增加了潮下带河道蓄水容积和水深。尽管口门处振幅水深比（a/h）略有增加，但V_i/V_c比值的整体下降表明人类干预促进了涨潮主导性的发展，导致更多泥沙输入，从而促进系统向平衡状态回归的趋势。但地貌恢复通常需要数十年至数百年，而人类干预的频率和幅度已超过自然适应时间尺度，自然调整速率不足以抵消反复的人为干扰。

研究结论

本研究通过重建斯海尔德河口公元1200年至今七个时期的历史地貌并应用数值水动力模型，揭示了800年来潮汐特征和泥沙输运的演变规律。研究表明，河口潮汐波传播从以前进波为主的系统演变为更趋驻波型的系统，导致潮差放大和潮汐不对称性增强。由于涨潮主导性的增强，进入斯海尔德河口的泥沙通量在过去800年间增加了一个数量级，峰值沉积位置从河口口门向上游迁移。这些发现证明历史干预塑造了当今的水动力条件，进而影响泥沙再分布和长期地貌演化，为理解人类活动对河口系统的长期影响和制定可持续管理策略提供了科学依据。该论文发表于《Estuarine, Coastal and Shelf Science》。