在数据稀缺的沿海环境中，对波浪驱动的河口沙嘴进行形态动力学建模：以西非加纳的沃尔特河口为例

《Journal of Hydro-environment Research》：Morphodynamic modelling of a wave-driven river mouth sandspit in data-scarce coastal environments: an example at the Volta River Mouth, Ghana, West Africa

沃尔塔河口沙洲的形态动力学研究采用Delft3D模型模拟，发现较高波高（1.8-1.9米）促进狭窄沙洲快速生长，而中等波高（1.2-1.3米）导致更宽但生长缓慢的沙洲。研究揭示了沙洲宽度与生长速率的负相关关系，并验证了数据稀缺环境下模型的应用潜力。

　　

斯蒂芬·K·劳森（Stephan K. Lawson）|贾纳卡·巴穆纳瓦拉（Janaka Bamunawala）|田中仁（Hitoshi Tanaka）|上堂惠子（Keiko Udo）

东北大学土木与环境工程系，日本仙台市青叶区6-6-06，邮编980-8579

摘要

河口沙嘴的形态动力学行为受到波浪驱动的沿岸沉积物输运的影响，这种行为受到主导水动力条件和人为因素之间复杂相互作用的控制。在许多沿海环境中，由于缺乏现场测量数据集，对河口沙嘴的长期形态动力学研究常常受到阻碍，这使得这些地区成为数据稀缺的区域。本研究利用基于过程的Delft3D模型模拟，对加纳的沃尔塔河口（Volta River mouth）进行了研究。模型模拟采用了水动力数据简化方法以及卫星获取的全球水深数据，来模拟河口在无限制（自然）条件下的淤积过程。结果表明，在不同的波浪条件下，相对较高的波浪高度（约1.8–1.9米）会促进沙嘴以更快的速度向陆地方向扩展；而在波浪高度相对较低（约1.2–1.3米）的情况下，沙嘴则表现为延伸速度较慢且宽度较大的特征。这些发现对于理解沙嘴的形成及其对河口形态的影响具有重要意义。最重要的是，这些结果有助于我们理解沙嘴侵蚀事件、新沙嘴的形成、河口狭窄或闭合以及周边河口和沿海社区的内陆洪水等现象背后的机制。

引言

河口地区的快速地貌变化为我们提供了研究自然过程和人类活动在观察到的变化中所起作用的机会（Syvitski等人，2005年；Wang等人，2015年）。这些变化还揭示了河口上下游海岸沿线沙嘴、海岸线、潮间带以及三角洲等多种元素之间的复杂相互作用（Ferreira等人，2021年）。沙嘴（以下简称“沙嘴”）是沿海地区最活跃的沉积物堆积地貌之一（图1）（Zenkovich，1967年）。这些地质构造通常形成于不连续的海岸线上（例如河口或海湾入口、岛屿末端），通过斜向波浪驱动的沿岸流带来的沉积物堆积而形成（Bosboom和Stive，2023年；Dan等人，2011年）。在某些情况下，沙嘴作为天然的海岸防护结构，能够保护内陆地区免受极端波浪条件的影响（Gracia等人，2013年；Paladio-Hernandez等人，2022年；Thomas等人，2014年）。沙嘴通常作为沿岸地形的延伸部分（即岬角）形成，并沿着沿岸沉积物输运的方向发展（Petersen等人，2008年）。在某些地区，沙嘴的维持依赖于由于波浪作用和潮汐流而向陆地迁移的沉积物所形成的海滩-沙丘脊（Chi等人，2023年；Monge-Ganuzas等人，2015年）。水动力条件的变化也对沙嘴的形态演变起着重要作用（Anthony等人，2015年；Pradhan等人，2015年；Tanaka等人，2005年）。例如，沙嘴的生长速度或其末端曲率可能会因季节性或长期性的沿岸沉积物输运、河流流量和波浪气候的变化而呈现周期性变化（Allard等人，2008年；Meslard等人，2022年），这为海岸研究人员和工程师提供了探索其对海岸环境影响的独特机会。

先前的研究（如Hoan等人，2011年；Kraus等人，1999年；Palalane等人，2014年；Petersen等人，2008年；Tanaka等人，1997年）开发了简化的分析模型，用于研究河口和入海口处无限制沙嘴的形态演变。这些分析模型的主要假设是将质量守恒原理应用于河口或入海口系统（Larson等人，1987年；Petersen等人，2008年）。根据Kraus（1999年）的模型，沙嘴的质量平衡可以表示为：

$Q_x=R_s{B}_s(D_B+D_C)$其中$Q_x$表示沿岸沉积物输运量（如图1所示），$R_s$表示沙嘴的生长速率，$B_s$表示沙嘴的宽度，$D_B$表示沙嘴的顶高，$D_C$表示沙嘴的闭合深度。

Kraus（1999）的模型假设只有沿岸沉积物输运的梯度才能促进沙嘴的生长，并且认为沙嘴在生长过程中宽度保持不变（$B_s$）。然而，这一假设存在争议，因为实际上，随着波浪条件（如波浪气候、河流流量、潮汐流）和地形的变化，延伸中的沙嘴宽度可能会沿岸方向发生变化（Ashton等人，2016年；Petersen等人，2008年；Qi等人，2021年）。

如文献所述，研究河口沙嘴的形态演变对于了解它们对海岸系统的影响至关重要。“数据稀缺的沿海环境”这一术语常被海岸研究人员和工程师用来描述那些缺乏足够时空尺度的现场测量数据（如海滩地形数据、水深数据、海岸线位置、沉积物粒径、海滩剖面数据）以及水动力条件数据（如波浪、水位、水流、流量、沉积物浓度、盐度数据）的地区（Dan等人，2009年；Duong等人，2016年；van Rijn，2007年；Warrick等人，2023年）。在这些地区（主要位于发展中国家），河口形态动力学研究通常使用简化的分析模型和分辨率较低或中等的免费遥感图像进行（Lawson等人，2021年；Nurfaida，2019年；Palalane等人，2014年；Taveneau等人，2021年）。只有少数研究成功应用基于过程的模拟方法，来研究所谓数据稀缺地区的长期河口/入海口形态变化（Aouiche等人，2023年；Duc Anh等人，2020年；Duong等人，2017年；Gunasinghe等人，2021年；Nunes等人，2020年；Roelvink等人，1995年）。这些研究探讨了河口和入海口系统的形态演变对周边沿海社区的社会经济功能（如渔业、旅游业、航运）的影响。在这些研究中，一些基于过程的模型使用均匀深度的矩形水深数据来表示与河口/入海口系统相关的河口水深。这种处理方法忽略了深度变化、河道偏移以及沙洲和浅滩等对河流流量、河口环流和沉积物输运动态的重要影响。因此，要填补早期研究的空白，需要采取有针对性的方法来更好地描述数据稀缺环境中的河口水力学特征。

基于过程的模型（如XBeach、MIKE 21、Delft3D、TELEMAC-3D）在形态动力学研究中具有重要意义，因为它们能够综合考虑海洋和陆地过程、人为影响以及环境因素对河口地貌变化的作用（Luan等人，2017年；Xie等人，2010年）。本研究采用了耦合的Delft3D-SWAN数值模型（Deltares，2021年），来研究由波浪驱动的沿岸沉积物输运所维持的河口沙嘴的形态动力学行为。我们通过模拟不同波浪条件对加纳西部非洲数据稀缺环境中沙嘴形态演变的影响，采用了多种方法（如遥感数据和水动力数据简化技术）来获取和简化Delft3D模型的输入数据。因此，本研究通过利用最新的卫星数据（如河口水深估算）和再分析波数据（如WaveWatch III数据集），以及有限的现场测量数据（如河口水深、河流流量），来克服在数据稀缺的沿海环境中进行详细形态动力学研究的挑战，从而探讨了水动力作用（即波浪气候）对河口沙嘴形态演变的影响。当前研究在现有河口沙嘴形态动力学知识的基础上进行了扩展，特别关注了由于缺乏现场测量数据而研究不足的沿海地区。

章节片段

地理和水动力环境

加纳阿达-福阿（Ada-Foah）的沃尔塔河口连接了约40万平方公里的沃尔塔河流域和几内亚湾。它被宋霍尔（Songhor，西侧/上流侧）和凯塔（Keta，东侧/下流侧）潟湖所环绕，形成了沃尔塔三角洲（图2(a)）。河口两侧分别有向上游和下游延伸的沙嘴，这些沙嘴影响了河口的宽度（图2(b)）。沿海和河流洪水是影响周边社会经济活动并破坏基础设施的关键因素

模拟的沙嘴形态变化

图14展示了基于30天水动力周期进行的六次模型模拟中两次的结果，这些模拟针对的是无限制条件下的沙嘴情况。结果表明，数值模型能够再现实际观察到的沙嘴沿岸生长趋势（即从西向东）。

讨论

本研究中的形态动力学模拟结果揭示了主导水动力条件在塑造河口无限制沙嘴演变过程中的作用。此外，该研究成功地将“快照”建模方法（Duong等人，2016年）从小型潮汐入海口扩展到了数据稀缺的沃尔塔河口。形态动力学模拟的定量验证表明，该模型能够再现

结论

本研究利用Delft3D-SWAN模型中的“快照”建模技术，研究了数据稀缺的沃尔塔河口处向上游延伸的沙嘴的长期形态动力学行为。本研究获得的数值结果通过卫星图像的估算值以及以往研究的结果（即沿岸沉积物输运速率、沙嘴生长速率和宽度）进行了验证。研究探讨了无限制沙嘴的形态响应

作者贡献声明

斯蒂芬·K·劳森（Stephan K. Lawson）：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构思。贾纳卡·巴穆纳瓦拉（Janaka Bamunawala）：撰写与编辑、监督工作、方法论设计、概念构思。田中仁（Hitoshi Tanaka）：撰写与编辑、验证工作、方法论设计、概念构思。上堂惠子（Keiko Udo）：撰写与编辑、监督工作、资源协调、项目管理工作。

资金支持

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究是日本文部科学省（MEXT）奖学金计划资助的博士研究项目的一部分，第一作者是该项目的受益者。特别感谢Planet Labs的教育和研究计划（https://www.planet.com/industries/education-and-research/，该计划提供了用于获取本研究中河口水深数据的PlanetScope卫星图像。同时，我们也感谢