极端降雨后河口细菌污染模拟：基于流域-河口联动的缅因湾Frenchman湾水质恢复研究

《Marine Pollution Bulletin》：Modeling bacterial pollution in estuaries after high-intensity rainfall: A watershed-estuary approach in Frenchman Bay, Maine

针对气候变化下极端降雨增加对沿海贝类养殖业水质安全的威胁，研究人员通过流域水文模型与三维水动力学模拟的联动研究，量化了缅因湾Frenchman湾四个河口在遭遇24小时内2英寸（~51 mm）强降雨后的水质恢复过程。研究揭示河口几何形态（如宽度与长度比Bo）是控制粪大肠菌群（FCB）污染清除时间的关键因素，其中受密度流主导的河口（如Union River Estuary）恢复时间可能超过一周，而受潮汐主导的窄长型河口（如Jordan River Estuary）恢复较快。这为制定基于河口地貌特征、精细化管理的贝类收获关闭政策提供了科学依据。

　　

随着全球气候变暖，极端降雨事件的频率和强度预计将增加。这带来了一个直接影响沿海社区生计和环境健康的问题：暴雨径流会将陆地上的污染物，例如粪大肠菌群（Fecal Coliform Bacteria， FCB），冲刷进河流并最终汇入河口。在美国缅因州这样的沿海地区，河口区域是重要的贝类（如牡蛎、蛤蜊）养殖和捕捞区。然而，根据国家贝类卫生计划（National Shellfish Sanitation Program， NSSP），一旦水体中FCB浓度超标，就必须关闭相关区域的贝类收获，以防止食源性疾病。这不仅关乎公共健康，也对依赖贝类产业的地方经济造成冲击。当前的管理措施通常比较保守，例如在24小时内降雨量达到或超过2英寸（约51毫米）时，就会启动区域性的紧急关闭。但问题是，这种“一刀切”的政策没有充分考虑不同河口自身的水动力特征——有的河口宽阔，受淡水输入形成的密度流主导，污染物滞留时间长；有的河口狭窄，潮汐冲刷能力强，污染物很快就被带走。如果对所有河口都实施相同的关闭时长，可能会导致一些水质已恢复安全的区域仍被限制作业，造成不必要的经济损失；反之，也可能低估了某些河口污染持续的風險。那么，在强降雨后，不同类型的河口需要多长时间才能让水质恢复到安全水平？河口的形状在其中又扮演了什么角色？为了回答这些问题，来自美国缅因大学的研究团队在《Marine Pollution Bulletin》上发表了一项研究，他们通过将流域水文模型与高分辨率三维水动力模型相结合，对Frenchman湾周边的四个河口进行了情景模拟，深入探究了“流域-河口”系统对高强度降雨的响应。

为了开展研究，作者团队主要运用了几项关键技术方法：首先是基于HEC-HMS平台的流域水文模型，它利用数字高程、土壤和土地覆盖等数据，模拟了24小时内2英寸降雨在10个流域产生的径流过程线（水文图），为后续模拟提供了河流入海口的流量边界条件。其次是使用Telemac3D软件构建的三维水动力模型，该模型覆盖了Frenchman湾及周边河口，已通过前期研究验证。模型设置了15个垂直分层，并考虑了潮汐强迫（基于TPXO全球潮汐数据）和河流淡水输入，但为了隔离核心驱动机制，未包含风力和盐度、洋流在开边界的变化。最后是物质传输研究方法，通过在河流输入口引入数值示踪剂（染料）来模拟“污染淡水”的传输，并将示踪剂浓度乘以一个“最坏情况”下的FCB最大浓度值（1700 cfu/100 mL），以此来可视化并分析河口表层水体（FCB主要富集层）中污染物的空间分布和随时间的变化过程。研究共进行了四组模拟，重点对比了在小潮期发生降雨事件与仅有基流（背景流量）输入两种情况下的差异。

研究结果通过一系列图表展示了降雨事件后第3至第7天，四个河口在低潮时刻的表层FCB浓度分布图。以下是主要发现：

4.1.1. Jordan River Estuary

这个河口较为狭窄（长宽比小），水动力模拟和参数分析（如L_x/L_t与B_o）表明它是一个潮汐主导型河口。模拟结果显示，即使在“最坏情况”的FCB负荷下，降雨事件产生的污染物也主要集中在河口上游的溪流入口附近。一旦溪流流量恢复基流（示踪剂“关闭”），污染物在强潮汐冲刷下被迅速清除，整个河口在一天内FCB浓度就降至管理阈值（31 cfu/100 mL）以下。这表明该河口恢复速度很快。

4.1.2. Sullivan Estuary

该河口呈漏斗状，在上游有一个狭窄的河道收缩处（仅170米宽），形成了一个“反向瀑布”，将河口分为上、下两部分。模拟发现，降雨后一周，河口收缩处以北的上游区域FCB浓度依然高于31 cfu/100 mL。狭窄的河道严重限制了潮汐向上游的传播，导致该区域水体停留时间（Residence Time， RT）很长（>6天）。而下游区域及一个名为Long Cove的浅水湾则表现出不同的行为：主河道区域相对容易被潮汐冲刷，但浅水湾却表现出聚集污染物的“热点”特征。这表明河口几何形态（特别是河道收缩）对污染物的空间分布和清除效率有决定性影响，使得上游区域成为污染的“重灾区”，恢复时间可能超过一周甚至两周。

4.1.3. Union River Estuary

这个河口相对宽阔且恒定，接收的淡水输入量（来自Union River）是研究区域内最大的。参数分析（如密度弗劳德数 Fr_o²< 0.1）表明它是一个密度流（即淡水驱动）主导型河口。模拟结果显示，无论是基流还是降雨事件情景，高浓度的FCB都广泛分布于整个河口上游区域。由于密度分层抑制了潮汐的垂向混合和水平输运，加上河流流量大、FCB输入负荷高，导致污染物大量累积并需要很长时间才能被清除。研究表明，考虑到降雨事件产生的径流可持续两周以上，该河口的水质恢复时间可能超过两周，甚至三周。

4.1.4. Flanders Estuary

该河口先前未被详细研究，其几何形态复杂，包含岛屿和变化的河道宽度。通过应用Alahmed等人（2022）建立的参数化方法，研究发现该河口整体上潮汐输运能力较弱，其Fr_o²约为1.37，表明残留流主要由密度梯度驱动，但也受潮汐过程的一定影响。模拟结果印证了这一点：降雨事件后，污染物主要滞留在河口上游的宽阔区域，恢复缓慢；而在河道变窄的中游区域，潮汐冲刷相对有效，阻止了污染物向下游河口蔓延。因此，该河口上游区域恢复时间较长，而下游区域则相对安全。

4.2. Classifying material transport dynamics in Flanders Estuary

该部分进一步通过量化参数（潮程与潮波波长之比 L_x/L_t、河口宽长比 B_o和密度弗劳德数 Fr_o²），将Flanders河口与之前研究过的三个河口进行了分类比较。结果清晰地展示了一个谱系：从潮汐主导的Jordan River河口，到受几何形态影响、分区明显的Sullivan河口，再到密度流主导的Union River河口。Flanders河口则位于密度流主导但受潮汐影响的过渡区域。这验证了河口几何形态可以作为预测其水动力和物质传输特征（RT）的简单而有效的指标。

研究结论与讨论部分强调，河口几何形态是决定高强度降雨后水质恢复时间的关键控制因素。潮汐主导的窄长型河口恢复迅速（< 1周），而密度流主导的宽阔型河口恢复缓慢（> 1-3周）。复杂的河口地貌，如狭窄的河道收缩处、浅水湾，会创造污染“热点”，显著延长局部区域的恢复时间。这项研究的意义在于，它提供了一个将具体的、基于地点的水动力模拟与海岸管理决策相结合的清晰路径。研究结果表明，当前基于单一降雨阈值对整个区域实施的贝类收获“一刀切”关闭政策可能不够精准，既可能造成经济损失（在已恢复区域），也可能带来健康风险（在恢复缓慢区域）。取而代之的是，管理策略应该考虑具体河口的地理和水动力特征。例如，对于Union River这样的密度流主导型河口，可能需要更长的关闭和监测时间；而对于Jordan River这样的潮汐主导型河口，则可以探索缩短关闭窗口的可能性。最终，这项研究通过高分辨率的数值模拟，揭示了局地海岸地貌条件对降雨径流后水质恢复的影响，为发展更精细化、更高效的贝类安全管理决策框架奠定了重要基础。