切萨皮克湾下游疏浚物料堆放场中的沉积物输运模拟

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Sediments Transport Simulation in Dredged Material Placement Site, Lower Reach of Chesapeake Bay

泥沙输运模拟；切萨皮克湾；表层泥沙动态；数值模型；生态影响评估

　　

刘浩然|托马斯·J·米勒|马里奥·N·坦布里|夏梦

美国马里兰大学东岸分校自然科学系，普林塞斯安妮，MD 21853

摘要：

了解沉积物输运对于在任何沿海系统中安全有效地将疏浚材料放置到开阔水域至关重要。Wolf Trap替代开阔水域放置点（WTAPS）位于切萨皮克湾的下游，是一个获许可的沉积物放置场所，用于存放从弗吉尼亚约克尖嘴航道和其他关键疏浚作业中清除的沉积物。鉴于沉积物输运数据稀缺，以及这些活动可能对水质和底栖生物（例如蓝蟹）产生的影响，计算沉积物行为对于评估疏浚活动至关重要。由于数据集有限，因此考虑使用颗粒模型作为模拟沉积物动力学的替代工具，特别是与复杂的全沉积物模型相比的表面沉积物动力学。为此，我们利用了一个校准过的基于非结构化网格的流体动力学模型（FVCOM）和一个离线的拉格朗日颗粒追踪模型来模拟切萨皮克湾下游的表面沉积物（颗粒）动态。作为被动颗粒的沉积物在2017年的气候和海洋学数据指导下于春季释放，以了解受风力和河流流入条件影响的沉积物沉降和分布的时间和空间模式。这些数值模拟评估了颗粒大小和密度、风力以及河流流入对后续沉积物（颗粒）输运的影响：较粗、密度较大的颗粒（如沙子）更容易向西南方向沉降，而较细的淤泥和悬浮颗粒则留在上层水中。受表面限制的沉积物倾向于向东南方向漂移至海湾入口，而大部分沉积的细颗粒则由于底部海水入侵而向西北方向移动。风力在改变海湾环流方面起着重要作用，影响沉积物的沉降和分布。相比之下，河流流入的影响有限，除非在洪水事件期间，此时显著增加的淡水排放会改变沉积物的扩散。

引言

切萨皮克湾是美国最大的河口之一，已被广泛研究。该海湾是一个以河流为主的混合型河口，其中央航道深度超过30米。风力和潮汐作用以及淡水输入共同调节和驱动双层河口环流（Geyer和MacCready，2014；Jiang和Xia，2017；Shen和Wang，2007）。关于海湾内沉积物动力学的大多数研究集中在河流提供的沉积物及其相关缓解措施（Cerco 2016；Noe等人2020；Zhang等人2023），或者与潮汐前沿相关的再悬浮过程（Fugate等人2007）。然而，很少有研究关注该系统内沉积物（颗粒）的输运和沉积动态，特别是与疏浚材料相关的动态（Ator和Denver，2015；Xia等人，2011；Jiang和Xia，2017；Fitzenreiter等人，2022；Mao和Xia，2020）。

物理作用，特别是风应力和河流排放，在调节沿海和河口系统的输运过程中的作用已通过全球范围内的数值模拟和观测研究得到广泛证明（Fitzenreiter等人，2022；Xia等人，2011；Vundavilli等人，2024）。在泰晤士河口（新西兰）三角洲系统中，河流排放量的增加导致质量负荷增加，高流量事件对河流羽流动力学的影响与强风作用相当（Vundavilli等人，2024）。在爱尔兰海东部的微潮汐迪河口，河流排放量和风应力被确定为塑造残余环流模式和河口分层的主要驱动因素，这表明在类似沿海系统中考虑这些因素的重要性（Bola?os等人，2013）。在切萨皮克湾上游，风力和河流排放量对沉积物输运模式的综合影响已被记录下来，它们在塑造河口环流和沉积物动力学方面具有重要意义（North等人，2004），并且由于洪水加剧的分层作用，净沉积物通量集中在海湾东侧（Fugate等人，2007）。在海湾入口处，悬浮沉积物的通量也被分析，并与盐分和幼体通量一起用于估计鱼类和螃蟹幼体的进入和输运，结果表明风应力和残余底部水流对幼体输运路径和分布模式的影响与选择性潮汐流输运同样重要（Hare等人，2005；Norcross，1991）。然而，海湾下游部分的沉积物颗粒动态仍然知之甚少，而那里的疏浚和放置活动更为频繁（Nichols等人，1990）。

为了维护航道和港口运营，疏浚底部沉积物是河流、河口和沿海地区的常见做法（Nichols等人，1990；Shideler，1975；Van Maren等人，2015；Johnston等人，1981；Wilber和Clarke，2001；Meade，1969）。自2016年巴拿马运河扩建后，这一做法在全球范围内变得尤为重要，以便容纳更大的船只（称为Post Panamax级，吃水深度为15米），这些船只现在可以在大西洋和太平洋之间通行（Carse和Lewis，2020；Salgado等人，2020）。在切萨皮克湾，联邦机构（美国陆军工程兵团，2019）和州机构（如马里兰交通部的MDOT马里兰港口管理局[MPA]）合作维护航道。这种合作对于巴尔的摩港尤为重要，它是美国东海岸仅有的四个能够服务Post Panamax级船只的港口之一。维护巴尔的摩港的运营每年需要疏浚大约390万立方米的材料（美国陆军工程兵团，2019；Jones等人，2025）。美国陆军工程兵团（2019）允许在切萨皮克湾的几个区域放置疏浚材料。其中一个获许可的地点是Wolf Trap替代放置点（WTAPS，图1）及其东北延伸区，该区域接收来自约克尖嘴航道的疏浚材料，这是Post Panamax级船只从海湾入口进入巴尔的摩港的主要通道之一。

在批准疏浚材料放置活动时，一个重要的决策是考虑其与受威胁和濒危物种的潜在相互作用。在海湾下游，有六种联邦列为受威胁和濒危的物种可能受到疏浚作业的影响，包括四种海龟（红海龟、绿海龟、棱皮海龟和肯普氏丽龟）以及两种鲟鱼（大西洋鲟和短吻鲟）（Barnard等人，1989；Barco等人，2018；Lutcavage和Musick等人，1985；Secor等人，2022；Welsh等人，2002）。海龟和鲟鱼主要在夏季利用海湾下游的水域（Barnard等人，1989；Secor等人，2022）。因此，疏浚活动被限制在春季和冬季进行，以避免可能的相互作用。然而，这种限制意味着沉积物放置活动发生在蓝蟹越冬期间，这种标志性物种与沉积物紧密相关，支撑着重要的商业渔业（Miller等人，2005；Bauer和Miller 2010；Jensen等人，2005；Jones等人，2025）。此外，海湾还面临环境问题，包括营养污染、水质下降、有害藻类爆发、深水缺氧、底栖生境退化以及底栖大型无脊椎动物减少（Kemp等人，2005；Aroora-Williams等人，2022；Williams等人，2010；Biggs，1970）。从疏浚沉积物中释放的污染物不仅可能加剧水柱中的营养富集，还会物理上破坏底栖生境和群落（Jones等人，2025；Moriarty等人，2021；Kemp等人，2005）。了解沉积物（例如疏浚材料）的输运和沉积模式对于追踪颗粒营养物和污染物的命运、预测和实现预期的海底形态以及避免对底栖生物和海湾生态系统的潜在影响至关重要。

在这里，我们使用了一个基于流体动力学和颗粒的数值模型来理解沉积物（疏浚材料）的输运、沉降和分布，最终评估将疏浚材料放置到WTAPS及其东北延伸区（图1）对越冬蟹的潜在影响。模拟中考虑了沉积物密度和大小、风力和河流流量的差异。特别是，我们试图了解在许可放置点附近或表面释放的疏浚材料的潜在空间和时间分布。我们关注沉降作为感兴趣的终点，因为越冬的蓝蟹在寒冷月份与底部沉积物相关。这些结果可以为疏浚作业的管理提供信息，以减少疏浚材料对海湾生态系统的影响，并可能为其他类似以河流为主的生态系统的可持续疏浚活动和资源管理提供指导。

研究区域

研究区域

Wolf Trap替代开阔水域放置点（WTAPS）是一个面积为1,810公顷的场所，自20世纪80年代末以来已被批准用于放置疏浚材料（图1）。该场所的沉积物（疏浚材料）包括非常细的沙子和淤泥，水深在13-19米之间（美国陆军工程兵团，2019）。在该许可场所的北部延伸区，称为Wolf Trap替代开阔水域放置点北部延伸区（WTAPSNE），已被确定为另一种选择

结果

根据疏浚材料的地理来源，沉积物成分可能有显著差异，从而影响沉积模式。最初的两次模拟显示了来自南部和北部约克尖嘴航道的材料具有不同的沉积模式（图3）。在15天内，大部分沉积物（主要是沙子）沉降在放置点的西南方向。由于南部航道中的沙子含量较高，沉积更有可能发生

物理环境对沉积物（颗粒）动力学的影响

本研究探讨了颗粒大小和密度、风应力和河流流量对切萨皮克湾下游沉积物输运的显著影响。海湾的表层水流向东南方向，而底部海水偶尔向西北方向侵入，导致不同层次的输运模式相反（Wang，1979）。密度较低且尺寸较小的颗粒（悬浮沉积物和淤泥）主要在上层传输，并进一步扩散

CRediT作者贡献声明

马里奥·N·坦布里：写作——审稿与编辑、项目管理、调查、资金获取。夏梦：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。托马斯·J·米勒：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。刘浩然：

未引用的参考文献

Baird和Ulanowicz，1989；Board，1997；Ding等人，2022；Geyer等人，1997；国际标准化组织，2004；Johnston，1981；Kang等人，2017；Lutcavage和Musick，1985；Ruggaber，2000。

数据可用性

本文中使用的代码和数据可应请求提供给相应的作者。

利益冲突

未声明任何利益冲突。

资金

本工作由马里兰大学环境科学中心与马里兰港口管理局之间的合作协议资助（奖项编号523129），该协议支持与港口运营环境影响相关的基础科学研究项目及其对UMES的子项目。

利益冲突声明

所有作者均参与了论文撰写、模型开发和科学讨论。作者声明不存在利益冲突。

致谢

数值模拟是在国家大气研究中心（NCAR）的计算与信息系统实验室的Derecho系统（项目UMES0007，H. Liu的支持）上进行的。H. Liu还通过部门教学助理职位获得了部分支持。