《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Climate change and entrance channel reconfiguration impacts on a low inflow estuary
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本研究通过高分辨率数值模型和实地观测，评估了加州低径流量海湾入口改造对水动力及生态的影响。结果显示入口几何变化显著提高近口流速（>0.1 m/s），改变潮汐不对称性及驻留时间（部分区域超50%），并导致盐度与温度分布重构。海平面上升进一步加剧潮汐动力与驻留时间的改变，而水温上升影响次级。该成果为低流量海湾工程干预与气候适应提供依据。
贝尔纳贝·戈麦斯（Bernabe Gomez）| 萨拉·吉丁斯（Sarah Giddings）| 克里斯汀·惠特克拉夫特（Christine Whitcraft）| 内雷亚·波蒂略（Nerea Portillo）| 蒂穆·加利恩（Timu Gallien）
加州大学洛杉矶分校土木与环境工程系，美国加利福尼亚州洛杉矶波特拉广场（Portola Plaza, Los Angeles, 90095）
摘要
河口提供了重要的生态系统服务，包括栖息地支持、水质调节、洪水缓解以及海岸稳定，但这些功能正日益受到人为改造和气候变化的影响。本研究调查了南加州一个流量较小的河口入口通道重新配置的水动力影响，并评估了修改后的入口几何形状如何与预期的海平面上升和气候变暖情景相互作用。使用入口改造前后的水位、流速、盐度和温度的实地观测数据，对高分辨率水动力模型进行了校准和验证。在相同的驱动条件下进行的数值实验分离了入口几何效应，随后基于IPCC预测进行了气候扰动模拟。结果显示，入口通道的重新配置使入口附近的流速增加了0.1米每秒以上，改变了潮汐不对称性，并显著改变了停留时间（在某些区域超过50%），以及盐度和温度分布。海平面上升增强了海洋与河口的连通性，放大了流速并减少了停留时间，而温度升高则产生了次要影响。这些发现突显了工程干预和气候变化对河口循环和冲洗能力的影响，对未来的管理和适应策略具有重要意义。
引言
河口是部分封闭的沿海水体，具有高度可变的物理、化学和生物特性。其动态主要由潮汐和淡水流入驱动，这些是主要的外部作用机制（Ganju等人，2016年）。流量较小的河口（LIEs）是河口的一个子集，在地中海气候中较为常见（Taherkhani等人，2023年；Cardoso-Mohedano等人，2023年），其特征是淡水输入量极少或间歇性，海洋过程在其河口处占主导地位。在陆地上，由于蒸发以及温度和盐度之间的相互作用，LIEs表现出复杂的动态特性（Largier等人，1997年；Largier，2010年；Harvey等人，2023年；Taherkhani等人，2023年）。尽管具有生态和水动力重要性，LIEs仍然是一类研究不足的河口（Largier，2023年）。
沼泽具有显著的波浪衰减特性，在许多社区的沿海保护中发挥着关键作用（Gedan等人，2011年；Temmerman等人，2023年）。普遍认为，由于河口提供的生态和社会经济服务，它们属于全球最宝贵的自然环境之一（Takekawa等人，2011年；Khojasteh等人，2022年；Xin等人，2022年）。特别是盐沼，由于初级生产力高，能够有效吸收大气中的二氧化碳（Chmura等人，2003年；Santini等人，2019年；Poppe和Rybczyk，2021年）。此外，它们还提供重要的生态系统服务，包括水质净化和营养物质滞留（?Alvarez-Rogel等人，2007年）、通过沉积物稳定实现海岸保护（King和Lester，1995年；Koch等人，2009年），以及生物多样性支持（Costanza等人，2008年）。例如，在旧金山湾实施的水平堤坝模型等沼泽恢复项目旨在保护宝贵的湿地栖息地和沿沼泽分布的城市社区免受海平面上升引起的洪水侵袭（Lowe等人，2013年）。然而，由于开发和这些系统的动态特性，恢复退化的沿海地区往往具有挑战性，难以使其恢复到历史上的未受干扰状态（Billah等人，2022年）。人为的河口系统改造可以显著改变潮汐幅度和循环动态（Kerner，2007年；Winterwerp和Wang，2013年）。尽管如此，准确量化河口和潮汐泻湖对工程干预的水动力响应仍然很复杂，需要进一步的案例研究和基于过程的理解（Wang等人，2015年；Talke和Jay，2020年；Talke等人，2021年）。
疏浚和海岸管理活动可以改变河口系统（Ghezzo等人，2010年；Sahu等人，2014年；Huang等人，2020年）。沿海泻湖的水动力经常因基础设施建设和为支持航行、增强海洋连通性和增加营养物质输出而建造的人工渠道而发生变化（Brearley，2005年；Manda等人，2014年；Prestrelo和Monteiro-Neto，2016年；Talke和Jay，2020年；Fischer等人，2017年）。虽然之前的研究已经考察了河口入口对潮汐范围和沉积物动态的影响，但其他关键参数，如潮汐棱柱、潮汐流速、潮汐相位、潮汐不对称性、停留时间以及盐度和温度的变化仍然研究不足（Young等人，2014年；MacMahan等人，2014年；Nielsen和Gordon，2017年；Hinwood等人，2017年；McLean等人，2018年；Guo等人，2018年；Khojasteh等人，2020年）。使用理想化河口配置的先前研究表明，在受限系统中，对海平面上升的水动力响应主要由入口处的潮汐作用和河口长度控制。水深的增加使潮汐节点向海方向移动，改变了波浪传播并减少了洪水的影响（Khojasteh等人，2020年）。其他理想化和观测研究也表明，入口限制和入口改造改变了潮汐幅度、相位传播以及潮汐成分沿河口的衰减（MacMahan等人，2014年；Hinwood等人，2017年；Nielsen和Gordon，2017年；Young等人，2014年）。数值建模研究表明，通道堵塞在狭窄的入口处增加了流速和潮汐能量通量，同时减少了内部流域的潮汐幅度（Guo等人，2018年）。河口几何特性对水动力响应的影响已被广泛认可（Yang等人，2015年；Khojasteh等人，2020年）。然而，仍然存在重大差距，因为相对较少的研究量化了河口入口条件在系统尺度水动力过程中的作用，如停留时间和盐度及温度分布（Khojasteh等人，2020年；Talke等人，2021年）。
河口的绝对水位和潮汐相互作用对沉积物传输有重要影响，这可以从观测或建模的水位数据中推断出来（Yu等人，2020年；Talke和Jay，2020年；Talke等人，2020年；Talke等人，2021年）。河口生物群落的成功和分布对盐度入侵非常敏感，预计盐度入侵会随着海平面上升而向陆地方向移动（Robins等人，2016年）。控制沿海湿地的一些最重要物理过程涉及潮汐流（Kjerfve，1994年）。例如，水动力、形态和淡水流入之间的相互作用调节了淡水冲洗时间，进而控制了生物地球化学过程的时间尺度，包括微生物活动、颗粒-溶解相相互作用和底栖交换（Statham，2012年）。通常，河口受到污染物输入的影响，导致严重的生态退化，有些甚至几乎变得毫无生命（Dyer，2021年）。河口对这种干扰的响应时间通常以其冲洗时间来表征（Ganju等人，2016年）。此外，小型河口特别容易受到洪水风险的影响，并且对海平面上升引起的深度增加导致的潮汐放大更加敏感（Leuven等人，2019年）。之前的研究已经调查了海平面上升对河口水动力学及相关过程的影响（例如，Khojasteh等人（2020年））。然而，大多数这类工作是在大型、高流量的河口中进行的，而小型、浅水、流量较小的系统仍然相对较少被研究（Palmer等人，2019年；Passeri等人，2015年；Lee等人，2017年）。海平面上升和气候变化对河口水动力过程的长期影响仍不确定（McLean和Hinwood，2015年；McSweeney等人，2017年；Talke和Jay，2020年；Talke等人，2021年）。理解气候变化、海平面上升、潮汐传播和冲洗时间之间的相互作用对于预测和减轻环境变化对河口系统及相关动植物的影响至关重要（Passeri等人，2016年；Palmer等人，2019年；Guo等人，2023年）。
河口入口条件和海平面上升对上游潮汐传播的影响已成为河口和海岸工程师日益关注的问题（Khojasteh等人，2020年）。尽管这种兴趣日益增加，但在文献中，流量较小的河口仍然很少被提及（Largier，2023年），而且这些系统中入口重新配置的水动力影响受到的关注远少于大型、高流量的河口（Khojasteh等人，2020年；Guo等人，2018年；Hinwood等人，2017年）。为了填补这一知识空白，本研究结合了在Seal Beach国家野生动物保护区（SBNWR）内的Naval Weapons Station Seal Beach（NWSSB）进行入口重新配置前后收集的高分辨率盐度、温度、水位、流速和水深测量数据，以及先进的数值建模，以量化对河口口部修改的水动力响应。研究的过程包括潮汐扭曲、涨潮-退潮不对称性、盐度入侵、温度变化和停留时间，后者在流量较小的河口中是一个特别少被研究的指标（Joyce等人，2005年；Largier，2023年；Taherkhani等人，2023年）。这里开发了一个高分辨率的二维平均深度（2DH）Delft3D模型，使用广泛的实地测量数据进行校准和验证，并应用于模拟重新配置前后的条件。然后使用经过验证的模型来考虑海平面上升和气候变暖对河口的复杂和非线性响应。这项研究定量评估了入口几何形状、与海平面上升相关的深度增加以及气候驱动的强迫对潮汐传播、盐度入侵、停留时间和空间温度模式的影响。通过提供一个独特的高分辨率案例研究，该工作扩展了现有文献，并提供了对这些研究不足系统的敏感性和脆弱性的见解，对河口管理、恢复规划和气候适应策略具有直接意义。
研究区域
研究区域
Seal Beach国家野生动物保护区是一个位于加利福尼亚州奥兰治县北部的390公顷保护区，距离洛杉矶东南方向约40公里。该保护区包括盐水沼泽、潮间带和潮下带，为敏感物种提供了重要的栖息地（Esparza，2023年）。该河口被归类为常年开放的流量较小的河口（LIE），其入口通过Anaheim Bay得到稳定，这也为进入相邻区域提供了通道
港口重新配置的影响
对河口水动力影响的分析首先比较了基线情景（1）下配置前后与海洋的连通性。为了量化这一点，通过计算位于P1桥下方的横截面处的水量（体积流量）来估计河口与海洋之间的水交换量（图4）。
计算出的潮汐棱柱代表了
讨论
入口通道的修改导致了水动力变化（表C.4、C.7、表C.5、表C.6），并对生物功能、沉积物传输过程和污染物冲洗产生了潜在影响（Passeri等人，2016年；Palmer等人，2019年；Guo等人，2023年；Gomez等人，2025年）。与海洋的连通性增加，导致海洋与河口之间的水流交换增加了多达10%（图4）。尽管观察到潮汐幅度较小，但这种体积交换仍然发生
结论
流量较小的河口（LIEs）是高度动态的系统，对形态改变和气候强迫都非常敏感。本研究评估了入口通道重新配置和预期的气候变化（海平面上升和变暖）对南加州一个流量较小的河口内的水动力和物理特性的影响。研究结果表明，新的、更深的入口使海洋与河口的连通性增强，流速增加，潮汐扭曲加剧，同时
CRediT作者贡献声明
贝尔纳贝·戈麦斯（Bernabe Gomez）：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。萨拉·吉丁斯（Sarah Giddings）：写作——审稿与编辑，撰写初稿，监督，方法论，数据管理，概念化。克里斯汀·惠特克拉夫特（Christine Whitcraft）：写作——审稿与编辑，撰写初稿，方法论。内雷亚·波蒂略（Nerea Portillo）：撰写初稿。蒂穆·加利恩（Timu Gallien）：
未引用的参考文献
Khojasteh等人（2021年），Moftakhari等人（2019年）
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：贝尔纳贝·戈麦斯报告称获得了美国海军的财务支持。贝尔纳贝·戈麦斯报告称获得了加利福尼亚州公园和娱乐部的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本报告工作的财务利益或个人关系
致谢
本研究由美国海军（N624473-19-0016）和加利福尼亚州公园和娱乐部，划船和水道部门（C1670006和C22820007）资助。我们要感谢Jess Curran、Megan Hanna和Bob Schallmann在安排河口访问方面提供的帮助。特别感谢Air-Sea互动实验室的Luc Lenain和Nick Statom进行和协调额外的LiDAR飞行。同时感谢Brian Woodward、Kent Smith、Rob Grenzeback、Lucien Parry、Greg Boyd和Shane
