咸水入侵的机制及其对河流流量的敏感性：以中国闽江口为例的探究

《Journal of Hydrology》：Mechanisms of saltwater intrusion and its sensitivity to river discharge in a medium-sized estuary: Insights from the Minjiang Estuary, China

中型海湾盐水入侵动态与灵敏度研究 摘要：基于闽江口中型海湾的现场观测和三维数值模拟，揭示潮汐周期（春/潮与春秋潮）及季节（旱季/雨季）变化对盐水入侵的动态影响，提出淡水资源管理灵敏度指数，显示其敏感性为长江三角洲的5.4倍，强调中型海湾在气候变化下的管理重要性。

　　

胡军|蔡雷|王爱军|王丽|蔡晓虎|陈圆圆|苏静文|朱建荣

中国地质调查局南京中心，南京210016，中国

摘要

海水入侵严重威胁着河口地区淡水资源的可持续利用。以往的研究主要集中在大型河口，而中型和小型河口受到的关注相对较少。本研究以中型河口——闽江口为例，结合野外观测和三维数值模型，量化了湿润季节和干旱季节海水入侵的动态过程。观测结果显示，在河流流量较低的情况下，北支流在枯水期表现出强烈的垂直潮汐不对称性，底层洪水持续时间较长，表层退潮持续时间较长；而在涨潮期，增强的垂直混合作用导致整体上退潮占主导。数值模拟表明，在湿润季节的涨潮和枯水期，北支流中的盐分主要向陆地方向输送，而南支流中的盐分主要向海洋方向输送。在干旱季节，南支流在涨潮期容易发生海水溢出，形成向陆地方向的盐分输送，而北支流则向海洋方向输送；而在枯水期，增强的垂直剪切作用暂时恢复了湿润季节的盐分输送模式。本文提出了一种海水入侵敏感性指数，用于量化对河流流量变化的响应。研究结果表明，闽江口对河流流量变化的敏感性约为长江口的5.4倍。这些发现强调了在气候变化背景下加强中型和小型河口淡水资源管理和保护的重要性。

引言

河口区域是河流环境和海洋环境之间的关键过渡带，大量淡水、沉积物和营养物质在此输送到沿海地区，对海洋生态系统产生深远影响。当海水通过潮汐通道在涨潮期间向陆地方向传播并与河水混合时，上游河段的盐度会增加，这一过程称为海水入侵。海水入侵是河口特有的自然现象，也是河口系统的基本特征（Lee等人，2025年）。由于河口地区通常人口密集且经济发达，海水入侵对淡水供应构成严重威胁，影响城市生活用水、工业用水和农业灌溉（Tarolli等人，2023年；Wu等人，2023年；Zhu等人，2020年）。在全球气候变化的背景下，海平面上升、极端天气事件（如干旱和台风）频率增加以及人类活动加剧，使得河口环境的演变更加复杂。海水入侵已成为全球许多河口面临的主要问题之一（Li等人，2022年；Li等人，2020年；Siemes等人，2025年；Zhang等人，2022年；Zhu等人，2020年）。例如，在2022年夏季影响亚洲和欧洲的严重干旱期间，荷兰的莱茵-默兹三角洲和中国的长江口都发生了严重的海水入侵事件，对淡水供应造成了严峻挑战（Qiu等人，2025年；Wullems等人，2023年）。

大型河口的海水入侵过程长期以来受到广泛关注，并取得了丰硕成果。许多研究集中在大型河口，包括长江口（Ma等人，2025年；Wu等人，2023年）、珠江口（Hong等人，2020年；Wang等人，2022年）、恒河-布拉马普特拉-梅格纳河口（Bricheno等人，2021年）、湄公河口（Park等人，2022年；Xiao等人，2024年）以及特拉华湾河口（Cook等人，2023年）等代表性系统。这些研究普遍表明，河流向海洋的流量变化是控制海水入侵强度的关键因素之一。河流流量减少也被认为是未来海水入侵范围可能增加的主要机制之一（Bellafiore等人，2021年；Siemes等人，2025年）。例如，在意大利的波河三角洲，河流流量减少对海水入侵的影响超过了海平面上升的影响（Bellafiore等人，2021年）。此外，河道加深显著削弱了河流流量对海水入侵的抑制作用。这一现象在美国的哈德逊河口（Ralston和Geyer，2019年）和中国的珠江口（Liu等人，2019年）也有观察到。河流流量与潮汐力的相互作用决定了河口的混合状态和海水入侵机制。在分层河口中，增强的潮汐混合可以破坏分层，从而减弱海水入侵（Siemes等人，2025年）；而在混合良好的河口中，潮汐增强可能会促进海水向陆地方向入侵（Wei等人，2016年）。此外，海水入侵还与沉积物输送和沉积过程密切相关（Li等人，2016年；Lyu和Zhu，2018年；Zheng等人，2024年；Zhu等人，2023年）。研究表明，全球大多数河口三角洲的淤积状况在未来将发生逆转（Nienhuis等人，2020年）。在这种背景下，许多河口的河流流量表现出明显的季节性变化，进一步放大了海水入侵的非稳态特性。当与极端干旱事件结合时，海水入侵的强度可能在短时间内急剧增加，这在长江口和莱茵-默兹河口都有观察到（Ma和Zhu，2022年；Wullems等人，2023年）。这些过程突显了在河流流量变化和不同季节尺度下系统研究海水入侵的重要性。

在气候变化和人类活动加剧的共同影响下，中型和小型河口的海水入侵受到的关注相对较少。以往的研究表明，由于这些河口的排水面积相对较小，它们对环境变化非常敏感（Hu等人，2025年）。同时，与大型河口类似，中型和小型河口也正在经历显著的形态演变，这不可避免地会对海水入侵过程产生重要影响。中国的闽江口作为一个排水面积约为60,992平方公里的中型河口，介于小型和大型河口之间（Lai等人，2023年；Wang等人，2024年；Yao等人，2025年）。关于河口大小的分类，文献中没有一个普遍接受的标准。一个常用的经验标准是将排水面积小于10,000平方公里的河口归类为小型河口（Milliman和Syvitski，1992年），将排水面积大于500,000平方公里的河口归类为大型河口（Milliman和Farnsworth，2011年），中型河口则介于两者之间。中型和小型河口的海水入侵通常对河流流量和潮汐力非常敏感。例如，在比利时的斯海尔德河口，中型河口的海水入侵对河流流量减少反应强烈（Zhu等人，2024年）。在小型河口中，海水入侵往往受到潮汐力的显著调节。在英国的特威德河口，盐度分布与枯水-涨潮周期密切相关，表现出明显的垂直分层（Uncles和Stephens，1996年）。类似地，澳大利亚布里斯班河口的研究表明，海水入侵对河流流量变化非常敏感（Khalil等人，2025年）。闽江口也表现出类似的特征。野外测量详细记录了其潮汐段内的盐度时空分布（Xie等人，2017年），并应用机器学习方法估计了抑制海水入侵所需的临界河流流量（Wang等人，2023年）。与大型河口相比，中型和小型河口的海水入侵研究仍然非常不足，这限制了不同类型河口之间的比较分析。深入探索闽江口的海水入侵动态过程不仅有助于完善河口海水入侵的理论体系，还为气候变化和人类活动影响下的淡水资源管理提供了科学依据。

因此，本研究结合野外观测和数值建模，定量分析了闽江口的海水入侵动态过程，为不同类型河口之间的比较分析提供了参考。具体目标包括：(a) 分析闽江口湿润季节和干旱季节以及春潮-枯水潮汐周期中海水入侵的变化特征，并评估其对取水点淡水利用的潜在风险；(b) 探索闽江口中海水入侵的主要驱动机制，并将其与大型河口的相似性和差异进行比较。

研究区域

研究区域

图1显示了中国闽江流域和闽江口研究区域的示意图。闽江的特点是水量充沛但泥沙负荷低，水体和泥沙分布具有明显的季节性变化。根据2017年至2024年朱岐水文站的测量数据，年平均河流流量为1505立方米/秒。湿润季节主要发生在5月至7月，过去三个月的

野外观测

2025年3月，在河流流量较低的时期，在闽江口设置了三个固定观测站（图1b；站点A、B和C）。在枯水期，水文观测船首先在站点C进行定点观测（从2025年3月22日19:30开始，以下时间相同），持续约33.5小时。随后船移动到站点A（从2025年3月24日09:00开始），观测持续约30小时。

野外观测结果

在本研究中，表层平均值是根据水面下1米范围内的测量数据计算得出的，而底层平均值是根据海床以上1米范围内的数据得出的。为了确保速度和盐度剖面的一致性，这两个变量都被线性插值到一个共同的垂直网格上，并使用线性插值填充了缺失值。通过计算

南支流和北支流横截面净盐通量的变化机制

在湿润季节和干旱季节，闽江口南北支流横截面上的净盐通量表现出明显的季节性变化。基于横截面盐通量及其分解方法，定量分析了南支流和北支流的净盐通量及其组成成分，如图15所示。横截面的位置如图1b所示。这些结果是针对单次

结论

尽管中型和小型河口对环境变化高度敏感，但长期以来它们在海水入侵方面的研究不够充分。以中国的闽江口为例，本研究结合野外观测和三维数值模型系统地分析了海水入侵过程。研究结果为不同类型河口之间海水入侵的比较分析提供了有用的参考。

作者贡献声明

胡军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。蔡雷：撰写 – 审稿与编辑，调查，资金获取，概念化。王爱军：撰写 – 审稿与编辑，调查，资金获取。王丽：撰写 – 审稿与编辑，调查。蔡晓虎：撰写 – 审稿与编辑，调查。陈圆圆：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国地质调查局项目（编号：DD20230458）、国家自然科学基金（编号：42276174；U22A20585）和福建省自然科学基金（编号：2025J02029）的支持。我们感谢中国地质调查局的Zhu Yanbin博士和Ma Zhaoying博士为本研究中的数值模拟提供了必要的硬件支持。同时，我们也感谢匿名审稿人的宝贵意见。