潮间带微潮汐河口中沉积物连通性与高程分布之间的关系

《Geomorphology》：Relationships between sediment connectivity and hypsometry in an intertidal microtidal estuary

基于图论方法量化塔拉纳基港潮汐沉积连通性，研究显示不同粒径沉积物在洪流主导型与潮流主导型次级海湾间呈现差异化的源汇关系，系统连通性受水动力能量、粒径特性和次级海湾形态的非线性耦合影响。

　　

彼得·J·德鲁伊特（Peter J. De Ruiter）|朱莉娅·C·穆拉尼（Julia C. Mullarney）|卡琳·R·布莱恩（Karin R. Bryan）|克里斯蒂安·温特（Christian Winter）

沿海海洋研究小组（Coastal Marine Group），怀卡托大学科学学院（School of Science, University of Waikato），新西兰汉密尔顿，邮政信箱3105

摘要

以陶朗加港（Tauranga Harbour，新西兰）为例，我们量化了五个粒径类别中二十个地貌区域之间的功能性表层沉积物连通性，并将图论应用于深度平均的数值模型输出结果。研究结果表明，河口表层沉积物的连通性模式可以在局部和系统范围内得到解析，并且这些模式会随着水动力能量、粒径以及子流域和整个河口的形态学和几何特性的变化而系统性地变化。我们发现，以洪水为主导的、填充较多的（发散型）子流域充当沉积物汇，而以退潮为主导的、填充较少的（汇聚型）子流域则作为沉积物源。然而，这种源-汇关系具有空间变异性，受水动力与局部地貌之间非线性相互作用的影响，细颗粒沉积物的连通性更强。对于粗颗粒沉积物，主要的传输路径局限于较深的区域。连通性分析可以为探索具有多个子流域的浅水河口系统中的沉积物传输路径提供一个有效的框架。因此，这种方法也有助于提高对沉积物交换的预测能力，从而为综合河口管理提供支持。

引言

河口和潮汐流域是动态的地貌系统，它们在陆地和海洋之间起着中介作用，是水、陆地沉积物和营养物质进入海洋的主要通道（Yu等人，2021年），反之亦然。这些沿海环境受到局部地质、沉积物可用性、风力和潮汐力、波浪、气象条件以及人类影响的共同非线性作用的影响。河口中的沉积物传输路径通常是动态变化的，并且还受到人为控制和气候变化相关过程的影响（例如Bishop等人，2017年）。表层沉积物传输的变化可能对河口亚区和潮间带的形态演变产生深远影响，如流域和港口的淤积，这可能导致进一步的沿海洪水和侵蚀。此外，沉积物传输路径的中断可能导致生态退化、入侵物种的扩散以及社会经济问题（Roelvink，2015年）。因此，有效管理河口和潮汐流域中的沉积物对于可持续防止洪水、侵蚀和生态系统干扰至关重要。因此，深入理解河口沉积物传输的复杂性对于我们将局部压力归因于源头并制定针对性管理措施至关重要。

连通性可以作为一个通用框架，用来表示沿海系统不同部分之间的依赖关系强度（Pearson等人，2020年）。这个框架可以被视为沉积物路径（sediment routing）概念的一部分。沉积物路径系统（SRS）根据沉积物来源的侵蚀、沉积物传输和沉积过程，将沉积物的命运与其初始来源联系起来（例如Allen，2017年）。连通性框架已被应用于生态学和物理海洋学研究中，用于分析海洋保护区设计（例如Rossi等人，2014年）、幼体扩散（例如White等人，2019年）和微塑料扩散（van Sebille等人，2019年）。最近的连通性研究表明，连通性也可以用于分析相邻区域之间的流动方向和地貌耦合，以及沿海环境中的系统范围沉积物传输路径和连接（例如Pearson等人，2020年；Hiatt等人，2021年；Yu等人，2021年）。结构连通性指的是沿海系统的空间结构，描述了系统内各单元之间的相对空间排列。功能连通性（有时称为动态连通性，例如Hiatt等人，2021年）涉及沿海系统内部存在的动态流动，描述了不同区域之间传递的物质量，并突出了主要传输路径（Pearson等人，2020年）。因此，连通性与沉积物沉积和侵蚀的模式并不相同，后者无法将源头归因于汇。

数值模型可以方便地探索沉积物连通性，因为它们可以用来计算沿海系统内每个点的多组分沉积物传输（Wohl等人，2019年；Herrling和Winter，2016年）。输出结果可用于评估沉积物在不同地貌单元之间的迁移命运。通过应用图论，可以将数值模型产生的庞大且可能复杂的沉积物传输模式数据集简化为相对简单的形式，图论将复杂系统概念化为一系列节点及其之间的连接，称为图（Newman，2003年；Phillips等人，2015年；Ning等人，2023年）。然后可以开发连通性矩阵，以说明不同地貌单元之间的沉积物连通性。可以从这些矩阵计算出额外的连通性指标，从而提供有关系统当前状态的有用见解。系统级别的连通性指标，如链接密度，描述了给定沿海区域内的整体连通程度（Phillips等人，2015年）。在较小尺度上，如果沿海系统内的两个单元之间存在物质流动，则它们在功能上是相连的。相邻单元之间的沉积物交换最为常见，但也可能存在远距离的空间连接（Pearson等人，2020年）。一般来说，特定单元之间较大的沉积物交换量表明在沿海系统的拓扑结构上存在紧密联系，无论这两个区域之间的实际距离如何。如果流入强度大于流出强度，该单元被视为沉积物汇；相反，如果流出强度大于流入强度，则该单元被视为沉积物源。特定沉积物粒径的连通性模式（以非线性方式）由粒径移动性阈值和浅水潮汐系统中传输沉积物的能量决定。然而，在之前的浅水潮汐系统建模研究中，水动力能量、粒径特性与沉积物连通性之间的联系尚未得到充分探索。

在这项研究中，我们使用图论来探索浅水河口（陶朗加港）及其相关子流域的功能性沉积物连通性。图论为分析地貌系统和量化沉积物连通性模式提供了强大的数学框架。由于将图论和连通性指标应用于河口沉积物动力学是一个相对较新的方法，沉积物连通性与流速不对称性、气象强迫以及局部潮间带和潮间带几何形状的影响之间的联系仍相对较少被探索。之前针对陶朗加港进行的两项数值建模研究强调了河口几何形状和地貌在多个空间尺度上的复杂联系（从单个子流域到整个系统），特别是这些特征如何影响不同气象强迫条件下的流速不对称性（de Ruiter等人，2019年；de Ruiter等人，2021年）。在这些研究中，确定了陶朗加港微潮汐子流域的坡度曲线。坡度指数（γ）用于描述流域潮间带剖面的形状，凸形坡度曲线（γ≈2）对应于填充较多的环境，而凹形剖面（γ≈4）对应于填充较少的环境。在上述研究中开发的流域扩张因子（BDF）是一个有用的指标，可用于清晰地描述子流域的几何形状。BDF定义为：$\mathrm{BDF}=\frac{w_{\mathrm{est}}}{w_{\mathrm{entr}}}$其中w_est是平均流域宽度，w_entr是入口宽度，较大的（较小的）BDF值表示更发散的（更汇聚的）流域（de Ruiter等人，2019年）。这些研究的结果表明，流域几何形状和潮间带坡度与风力强迫共同调节了潮汐子流域内的流速不对称性。发现较浅的发散型流域（宽度向陆地方向增加）通常是沉积环境（凸形坡度），而汇聚型流域的填充较少。

在这里，我们扩展了之前的工作，分析了陶朗加港微潮汐河口中不同地貌区域之间移动表层沉积物的连通性和传输模式，重点关注子流域。

研究区域

研究区域

陶朗加港是一个位于新西兰北岛东海岸的浅水屏障封闭型流域系统（图1a）。这个成熟的河口流域在全新世海平面上升期间形成，伴随着诸如马塔卡纳岛（Matakana Island）等屏障岛屿的发展，其特征是广泛的填充和有限的剩余容纳空间（MacPherson等人，2017年；Healy等人，1996年）。该港口由北部和南部两个流域组成，中间有一片广阔的潮间带滩涂

方法

为了分析陶朗加港内的表层沉积物连通性模式，我们使用了Delft3D-FLOW数值建模系统（Lesser等人，2004年）。Delft3D沉积物传输模块已被广泛用于模拟沿海系统（如潮汐入口）中的沉积物传输（例如Elias等人，2006年；Herrling和Winter，2014年），也在陶朗加港得到了应用（Kwoll和Winter，2011年；Spiers等人，2009年）。

结果

连通性矩阵（图4）展示了特定粒径类别（从最细的50微米（图4a）到最粗的50微米（图4e）不同地貌单元之间的表层沉积物连通性。图中提供了一个中等粒径类别（200微米，图5a）的计算沉积物质量示例，反映了每个单独地貌单元的强度。该单元强度在整个河口中的相应空间分布显示在图5b中。

讨论

沿海系统不同部分之间的沉积物传输路径受到水动力过程、沉积物特性和地貌反馈的非线性相互作用的影响。我们将沉积物连通性的概念应用于具有许多小子流域的典型复杂浅水河口系统陶朗加港。陶朗加港观察到的表层沉积物传输和连通性分布反映了局部水动力能量与流域地貌之间的相互作用

结论

浅水沿海系统中的沉积物传输过程是复杂且动态的。为了可靠地预测这些环境中的地貌演变，需要在多个尺度上详细了解沉积物传输路径。我们的研究表明，从浅水河口的表层沉积物质量负荷推断出的沉积物连通性为理解不同空间尺度上河口内地貌区域之间的联系提供了宝贵见解。

CRediT作者贡献声明

彼得·J·德鲁伊特（Peter J. De Ruiter）：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、数据管理、概念化。朱莉娅·C·穆拉尼（Julia C. Mullarney）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。卡琳·R·布莱恩（Karin R. Bryan）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。克里斯蒂安·温特（Christian Winter）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。

未引用的参考文献

Elias和Hansen，2013

Ridderinkhof等人，2014

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：彼得·J·德鲁伊特报告称获得了丰盛湾区域委员会（Bay of Plenty Regional Council）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该研究的资金由丰盛湾区域委员会（BoPRC）提供。作者感谢BoPRC的Stephen Park以及陶朗加港有限公司（Port of Tauranga Ltd.）的Wade Roest提供陶朗加港的水深数据。Dean Sandwell和Dirk Immenga提供了广泛而有价值的现场协助。作者还感谢Dudley Bell、Dave Culliford、Rex Fairweather和Warrick Powrie的现场支持。这项研究部分由国际研究生院资助