金奈海岸线的变化及盐度变化：环境与生态影响

《Environmental Challenges》：Shoreline and Salinity Shifts Along the Chennai Coast: Environmental and Ecological Implications

　　**Anagha VS|Alka Singh|Frédéric Frappart**
**无线网络与应用中心（WNA），Amrita Vishwa Vidyapeetham，Amritapuri，Kollam，印度**

**摘要**
印度的沿海生态系统越来越容易受到人为发展和气候变化的综合影响。本研究评估了1990年至2024年间金奈海岸86公里范围内的海岸线动态和海水入侵情况。通过使用数字海岸线分析系统（DSAS），研究发现58.65%的监测海岸线出现侵蚀现象，40.53%呈现沉积趋势，这一变化主要由金奈（每年34.8米）、恩诺尔（每年25米）和卡图帕利（每年20米）的港口扩建所驱动。新港口的建设导致了显著的岸线后退，其中恩诺尔的侵蚀速率为每年21.3米，卡图帕利为每年16米。同时，通过水化学相演变（HFE-D）分析评估了地下水的完整性。所有样本均位于含盐或混合带内，表明该沿海含水层长期处于多源盐压之下。研究表明，海岸线后退、海平面上升、过度抽取地下水以及频繁的干旱事件持续加剧了含水层的盐度升高，而极端降雨仅能通过短暂补给起到缓解作用。这些综合因素与橄榄 Ridley 海龟（Lepidochelys olivacea）孵化成功率从84%下降到20%有显著关联（R2 = 0.63），尤其是在高侵蚀率区域。这些发现强调了在人为活动和气候变化压力加剧的情况下保护金奈脆弱生态系统的必要性。

**1. 引言**
海岸线变化是一个持续的动态过程，受自然过程和人类活动共同作用的影响（Hapke等人，2013年）。过去半个世纪中，人为因素的影响日益明显；人工港口、码头和防护堤的建设显著改变了沉积物分布和沿岸运输路径，导致侵蚀和沉积模式的空间异质性（Vaidya等人，2015年）。为了量化这些变化，卫星遥感技术已成为评估海岸脆弱性和识别变化主要驱动因素的重要工具（Gopinath等人，2023年；Laignel等人，2023年；Santos等人，2021年）。虽然许多传统研究使用多光谱图像（MSS）通过图像分割和光谱解混等技术绘制海岸线（Gopinath等人，2023年），但最近的研究也开始利用PRISMA高光谱数据（Souto-Ceccon等人，2023年）和合成孔径雷达（SAR）（Asare-Bediako & Boateng，2025年；Sreevisal等人，2024年）。特别是，结合自动工具如CoastSat和数字海岸线分析系统（DSAS），能够更准确地量化长期趋势、短期变化及其不确定性（Paul等人，2024年；Riaz等人，2024年；Santos等人，2021年）。

与地貌变化同步，海平面上升和沿海居民区扩张等因素显著改变了水文动态，导致河口和沿海含水层的盐度增加（Abu Salem等人，2022年；Anagha, Singh等人，2025年）。这些环境中的地下水盐度反映了多种驱动因素的综合影响，包括海洋作用、地下水抽取、地表-地下水相互作用以及历史遗留的盐度。通过水化学相演变图（HFE-D）可以分类不同的水化学相，并推断出淡化和盐化阶段之间的转换（Abu Salem等人，2022年；Giménez-Forcada，2010年、2014年、2019年）。先前的应用成功区分了不同全球含水层中的入侵和淡化阶段，包括西尼罗河三角洲（Salem & Hasan，2021年）、西班牙（Giménez-Forcada，2019年）和越南南部（Le等人，2020年），展示了地下水质量如何响应人为活动和季节性波动（Azari & Tabari，2024年）。然而，HFE-D只能分类水化学状态和变化轨迹，无法独立区分现代海洋入侵与历史遗留的盐渍沉积或人为污染。

除了物理影响外，海岸线动态还通过改变海滩形态和栖息地可用性影响沿海生态系统（Chand & Acharya，2010年；Salameh等人，2021年）。例如，海平面上升导致的侵蚀会破坏沙丘栖息地，扰乱生态演替并导致生物多样性丧失（Mishra, Acharyya等人，2023年）。同样，快速的城市化和环境压力增加了安得拉邦等地区对飓风和海水入侵的脆弱性（Paul等人，2024年）。此外，包括土地复垦和港口建设在内的人为改造与栖息地丧失有关，可能影响海龟筑巢地点、植物群落和依赖这些栖息地的动物群（Sudhan等人，2018年）。然而，这些改造系统中的生态响应受到多种相互作用因素的影响，包括人类干扰、保护措施和气候变化，因此难以单独归因于某一特定因素。

印度海岸是一个关键研究区域，支撑了近17%的全球人口（Goi，2010年），其约23%的海岸线易受侵蚀。在该走廊沿线，地下水是家庭、农业和工业用水的主要来源（Hamed等人，2018年；Srivastava等人，2025年）。过度抽取地下水经常破坏淡水-海水平衡，加剧海水入侵（Anagha, Prabhakaran等人，2025年；Dibaj等人，2021年）。本研究分析了1990年至2024年间金奈海岸86公里范围内的海岸线动态和地下水盐度的共同演变。通过整合基于卫星的分析和水文地球化学特征，我们旨在：（i）量化海岸线变化；（ii）评估盐化空间模式；（iii）探讨与生态指标（特别是海龟筑巢活动）的潜在关联。盐度变化驱动因素在考虑海洋作用、地下水抽取和历史影响的多源框架下进行研究，这一框架承认了该高度改造环境中多种相互作用因素的影响。

**2. 材料与方法**
**2.1. 研究区域**
研究涵盖了从南部乌坦迪海滩（12.24°N, 80.24°E）到泰米尔纳德邦北部普利卡特湖（13.564°N, 80.26°E）的86公里长的金奈海岸带。库乌姆河穿过城市中心，而阿迪亚尔河向南部流淌。根据2011年印度人口普查数据（https://censusindia.gov.in），金奈是印度第六大人口城市和第四大城市集群（Shetty等人，2022年）。该城市主要在9月中旬至12月中旬期间受到东北季风的影响，年平均降水量约为1,400毫米，偶尔会有来自孟加拉湾的气旋。为详细分析，研究区域被划分为六个区域（图1），基于自然和人工开口，如河口、河口湾和港口。

- **区域I** 从乌坦迪海滩（研究区域的最南端）延伸至蒂鲁瓦米尤尔海滩，距离为14公里，包括金海滩、橄榄海滩、尼兰卡拉伊海滩和索纳利海滩。
- **区域II** 从蒂鲁瓦米尤尔海滩延伸至库乌姆河以北，阿迪亚尔河和库乌姆河流经此段10.3公里的区域。贝桑特纳加尔和马里纳海滩是该区域内的显著地点。
- **区域III** 从库乌姆河口延伸至金奈港口，距离为9.4公里。
- **区域IV** 从卡希梅杜渔港（金奈港口以北）延伸至科尔塔尔亚尔河口，距离为12.2公里。为防止侵蚀，在2004年海啸后修建了连续的防护堤和多个丁坝。
- **区域V** 从科尔塔尔亚尔河口延伸至普利卡特鸟类保护区，距离为24.6公里，包括卡图帕利港口和恩诺尔港口。
- **区域VI** 是从鸟类保护区向北延伸至普利卡特湖的15.6公里部分。

**2.2. 数据集**
- **卫星图像**
使用CoastSat工具集下载了Landsat 5（TM）、Landsat 7（ETM+）、Landsat 8（OLI）、Tier 1 TOA（大气顶层）和Sentinel-2（MSI, Level-1C）卫星图像。为了识别1990年至2024年间每五年一次的海岸线变化，利用绿色和短波红外波段计算了修正归一化差异水指数（MNDWI）。Landsat 5（波段6）、Landsat 7（波段6）、Landsat 8（波段10）和Landsat 9（波段10）的热红外（TIR）数据用于1989–2024年的沙地表温度（LST）推断。夜间光照强度数据来自DMSP-OLS年度合成图像（1992–2013年）和VIIRS每月合成图像（2012–2024年），用作筑巢走廊沿线的环境干扰指标。近岸区域的海水盐度（SSS）数据来自HYCOM全球海洋分析产品（1989–2024年）。所有数据集均通过Google Earth Engine（GEE）API接口下载。

- **水化学数据**
获取了2014年、2018年、2020年和2022年主要阳离子（镁（Mg2+）、钙（Ca2+）、钠（Na+）、钾（K+）和阴离子（氯离子（Cl-）、碳酸氢根（HCO3-）、硝酸盐（NO3-）及硫酸盐（SO42-）的离子浓度数据，数据来自中央地下水委员会（CGWB）。不同年份的样本数量不同：2014年和2018年为24个样本，2020年为25个样本，2022年为45个样本。为去除异常值，使用了电荷平衡方程，当电荷平衡（即阳离子和阴离子的变化）在2%范围内时视为有效。同时，还利用电导率分析了2000年至2024年间海岸线变化与盐度之间的相关性。获取了研究区域内49口监测井的年度地下水位记录（2002–2021年），其中14口位于7公里缓冲区内，用于地下水位（GWL）趋势分析。地下水位数据转换为平均海平面，使用了SRTM DEM。

- **栖息地数据**
海龟数据来自学生海龟保护网络（SSTCN），时间范围为1989年至2011年，涵盖了尼兰卡拉伊至阿迪亚尔之间的7.5公里区域（区域I和区域II）。其他数据，如普利卡特保护区（区域VI）的软体动物物种数据，则来自相关文献。

**表1** 用于海岸线变化研究的卫星数据详情

**2.3. 方法**
本研究方法整合了多源数据集，包括Landsat（TM, ETM+, OLI）、Sentinel-2、CGWB提供的地下水水平记录、海表面盐度数据、Landsat TIR波段得出的地表温度、DMSP-OLS和VIIRS合成图像的夜间光照强度、SSTCN的海龟筑巢数据、软体动物物种记录以及CHIRPS降水数据，以研究金奈海岸的海岸线变化、海水入侵和生态过程。

多光谱图像经过预处理和分类，以划定多时相数据集中的陆水边界。海岸线动态通过100米间隔的横断面分析进行量化，使用加权线性回归（WLR）和终点率（EPR）方法，并进行了不确定性评估以确保解释的可靠性。水文和生态评估包括使用HFE-D进行水化学相评估、海水入侵的空间映射、地下水位趋势分析、降水异常分析，以及通过多压力框架（包括热应力、人类干扰、盐度和海岸线侵蚀）量化生态响应，同时考虑海龟筑巢密度和孵化成功率。土地-水体的区分是通过使用scikit-learn中的多层感知器神经网络（MLP）进行监督分类来实现的，该网络用于将四个类别进行分类：‘沙地’、‘水体’、‘白水’和‘其他陆地特征’，遵循Civco（1993年）的方法。这一方法还结合了修改后的归一化差异 water 指数（MNDWI），该指数是通过SWIR1波段与绿色波段反射率之间的归一化差值得出的（Xu，2006年）。海岸线检测的最佳阈值是通过Otsu方法（Otsu，1979年）确定的，海岸线位置则使用Marching Squares算法生成的等高线来映射（Cipolletti等人，2012年），从而使得在不同时间数据集中进行一致和可重复的海岸线提取成为可能。生成的海岸线随后在ArcGIS 10.8的DSAS工具中进行分析。先前的研究（Jangir等人，2016年；Mishra, Chand等人，2023年；Mishra等人，2022年）已经证明了使用端点率（EPR）和加权线性回归（WLR）来检测侵蚀和沉积模式的有效性。EPR有助于对特定时间段（1990–1995年、1995–2000年、2000–2005年、2005–2010年、2010–2015年、2015–2020年和2020–2024年）的短期海岸线变化进行分析，而WLR则提供了从1990年到2024年的全面长期分析。沿着从Uthandi海滩向南到泰米尔纳德邦最北端的6个不同区域，每隔100米设置了861个测量横断面。EPR是通过计算两年间海岸线位置变化的平均值来确定的。根据Genz（2007年）的研究，权重（w）是测量不确定性的函数，如公式（1）所示。这种方法在确定长期海岸线变化率时更强调了不确定性因素。(1)w=1e^(-2) 海岸线映射的不确定性值用‘e’表示。不确定性是基于位置精度和测量精度计算的。在这种情况下，位置不确定性包括潮汐波动（Etd），测量不确定性包括数字化误差（Ed）和校正误差（Er）（Kankara等人，2015年）。(2)Esp=Etd^2+Ed^2+Er^2 使用公式（2）为每个不同时期确定了Esp。此外，使用公式（3）计算了每个横断面的不确定性（Un）：(3)Un=∑_i=1^n(Ui_Tn?T1) 其中n表示年份数，T1是分析期的开始年份，Tn是结束年份。Ui代表相应年份（1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年和2024年）的不确定性值。这种系统化的方法通过提供对海岸线分析中不确定性的全面理解，增强了结果的稳健性和可靠性。表2概述了这些误差的预期值，并指出了可能的不确定性。表格显示，2020年和2024年的海岸线估计不确定性较低，因为它们是基于Sentinel-2数据得出的，而Sentinel-2的分辨率相对高于Landsat。表2. 1990-2024年海岸线的不确定性计算潜在误差(m)1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2024潮汐波动（Etd）0.68 0.70 0.70 0.69 0.70 0.70 0.70.7地理参考/校正误差（Er）6.42 48.40 54.84 35.64 4.48 54.31 111数字化误差（Ed）15 15 15 15 15 15 55总海岸线位置误差（Esp）m16.33 17.21 15.78 16.04 15.67 115.14 8.66 8.662.3.2. 海岸地区盐度入侵的估算为了识别金奈海岸的海水入侵，收集了CGWB提供的每个月的GW（地面水）质量数据，范围是从海岸线向内7公里内的区域。许多研究使用HFE图来分析由于海岸变化引起的盐度入侵（Giménez-Forcada，2014年，2019年；Le等人，2020年；Salem & Hasan，2021年）。在盐碱化过程中，Na?最初被Ca2?取代，形成了Ca-Cl类型的水（Abu Salem等人，2022年）。在淡化的过程中，水质转变为Na-HCO?组成。通过使用四种主要离子：Na?、K?、Ca2?和HCO??，可以识别出十六种不同的水化学相。当将额外离子（如Mg2?和SO?2?）纳入分析时，这种分类扩展到32种相。在HFE-Ds中，阳离子（Ca2?或Mg2?、Na?、K?）和阴离子（Cl?、HCO??、CO?2?）的相对百分比分别沿着水平和垂直轴绘制。这些百分比是基于总阳离子和阴离子浓度计算的，不包括未明确指定的离子（通常是Mg2?或SO?2?）。50%的离子优势阈值划分了四种主要相：Ca-HCO?（表示淡水）、Na-HCO?（反映直接的阳离子交换）、Na-Cl（特征为海水）和Ca-Cl（表示反向的阳离子交换）。当某种离子的百分比低于50%时，会加上前缀“Mix”，如在混合的Ca-HCO?型淡水中观察到。在沿海含水层的入侵阶段，水化学相依次从Ca-HCO?演变为Ca-Cl，然后再演变为Na-Cl型水。相反，在以淡水补给为主的区域，相从Na-Cl转变为Na-HCO?，因为Na?被Ca2?取代，这一过程称为“淡化阶段”。保守混合线（CML）通过分析海水和淡水端成员的化学成分差异，作为区分入侵和淡化过程的关键工具（Giménez-Forcada，2010年）。CML的位置是由选定的GW样本的化学剖面确定的（Giménez-Forcada，2014年）。两个箭头分别表示淡水和咸水在不同淡化阶段的理想比例。从海水到淡水相的箭头表示直接的阳离子交换反应，而从淡水到海水相的箭头表示反向交换反应。HFE-D的淡化和入侵场根据盐度变化被划分为几个子阶段。Giménez-Forcada（2010）用“i”表示入侵阶段，用“f”表示淡化阶段。入侵阶段的子阶段被标记为i1、i2、i3、i4、SW（海水），淡化阶段的子阶段被标记为FW（淡水）、f1、f2、f3、f4。在一个基于颜色的分类系统中，HFE-D的子阶段被从1到10排名，其中FW被赋予最小值（1），SW被赋予最大值（10）。f 4、f 3、f 2和f 2的值范围为2到5，而i 1、i 2、i 3和i 4的值范围为6到9。每个采样期的相及其相应子阶段的分布被映射在地图上，以识别沿海盐度入侵的空间分布（Giménez-Forcada，2014年，2019年）。虽然HFE-D广泛用于评估沿海含水层的GW盐碱化趋势，但它不能唯一地区分现代海水入侵和其他盐度来源，包括历史遗留的海洋沉积物、蒸发浓缩、运河泄漏和人为输入。在像金奈这样经过严重改造的沿海系统中，GW的盐度反映了多种自然和人为过程的累积影响。因此，本研究中基于HFE-D的解释用于推断一般的盐度演变模式，而不是将观察到的盐度完全归因于现代海水入侵。2.3.3. 环境代理获取了印度洋地区特定平均海平面（MSL）的时间序列数据集，来自CNES/AVISO+ Global Mean Sea Level（Legeais等人，2021年）。该数据集整合了来自主要卫星任务（包括Jason-1,2&3、TOPEX-Poseidon和Sentinel-6MF）的观测数据，以及辅助任务（如ERS-1、ERS-2、SARAL/AltiKa、Envisat和GFO）的数据。它是基于10天周期内的沿轨道海平面异常值平均值得到的，空间分辨率为1/3°，这与主要高度计任务的轨道周期相对应。然后，所有网格单元都使用一个权重进行平均，该权重考虑了覆盖的相对海洋面积，这取决于纬度（Henry等人，2014年）。为了分析降水动态，研究使用了Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station数据（CHIRPS），这是一个高分辨率（0.05°）的准全球降雨数据集，CHIRPS v3将基于卫星的红外观测数据与实地站点数据结合，并结合了陆地上（60°S–60°N）的雨量计修正，以获得稳健的降水估计（Saeidizand等人，2018年）。使用GEE平台获得了1990–2024年的月度时间序列数据，并对其进行处理以分析降水和季节性异常。沙地LST数据是从Landsat TIR波段得出的，使用了针对裸露沙面的传感器特定发射率校正。人类干扰是根据DMSP-OLS和VIIRS夜间光强度估算的，并在2012–2013年的重叠期间进行了校准，并合并为一个连续的指数（1989–2024年）。HYCOM海表盐度值在I区和II区内进行空间平均，以生成月度时间序列。此外，还计算了7公里沿海缓冲区内14口CGWB井的GWL趋势，并使用反距离加权（IDW）方法以500米的分辨率进行空间插值。海龟孵化成功率是根据SSTCN巢级记录计算的每个季节产生活幼体的蛋的百分比，由于数据有限，所有生物分析仅限于1989–2011年期间。3. 结果3.1. 长期海岸线动态（1990–2024年）多十年分析显示，I至VI区的沿海响应具有高度异质性，其特征是严重的侵蚀和显著的沉积交替出现（图3）。大约40%的监测横断面显示出前积作用，主要集中在II区（80.5%）和III区（57.4%）。然而，在主要港口和河口附近记录到了显著的海岸线变化（图3b中的位置1–9）。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图3. 不同区域的海岸线变化率。a) I至VI区WLR的空间表示，b) 横断面上的示意图。I区（保护区）：这一区域对海龟筑巢至关重要，地质形态最为稳定。它仅经历了轻微的退缩，年平均侵蚀率为0.48米/年，导致34年研究期间海岸线损失了约16.3米。II区（河流入口）：Adyar（1）和Coovum（2）的河口显示出明显的沉积趋势（占横断面的80.5%）。这种前积作用与较低的河流流量和来自城市废水的较高沉积物产量以及随后被河口附近的浅滩捕获的细沙相结合。III区和IV区（基础设施和工程）：金奈港的扩张（3）导致了约1.1公里的净土地增益。在相邻的防护堤场（IV区），2000年至2014年间的连续建设成功地在当地捕获了沉积物（每年沉积0.96米）。然而，这似乎与下游侵蚀的加剧同时发生，表明沉积物不足在空间上的转移（Sundar等人，2021年）。V区（港口引起的侵蚀）：这个区域是最不稳定的部分。Ennore（4）和Kattupalli（6）的防波堤引发了局部沉积，而北部地区（5、7）经历了显著的退缩。特别是Kattupalli北部区域（7）在2010年至2024年间退缩了近1.0公里，退缩速率为每年71.36米。VI区（潟湖动态）：Pulicat潟湖系统表现出较高的空间变异性。虽然南部区域（8）前进了超过2公里，但北部区域（9）经历了长期侵蚀（每年最多-5.7米），导致潟湖综合体净损失了0.92公里。六个区域的年平均侵蚀率分别为0.48米/年、1.15米/年、0.76米/年、1.66米/年、4.34米/年和2.97米/年，其中V区记录了最高的长期侵蚀率，这与它的港口主导特性一致。虽然这些长期平均值定义了海岸的结构重组，但它们往往掩盖了由基础设施里程碑引发的周期性加速。为了解决这些瞬态动态，进行了五年间隔分析（第3.2节）。3.2. 短期海岸线动态（1990-2024年）：短期和非线性响应五年间隔分析（图4a–g）突显了金奈海岸的周期性特征，其中地貌调整通常是间断的而不是线性的。下载：下载高分辨率图像（858KB）下载：下载全尺寸图像图4. 金奈海岸的时间序列海岸线演变a) 1990-1995年，b) 1995-2000年，c) 2000-2005年，d) 2005-2010年，e) 2010-2015年，f) 2015-2020年，g) 2020-2024年3.2.1. 港口引起的不对称性金奈海岸的港口建设产生了一种一致的空间模式：每个结构南部（向上游）立即发生沉积，北部（向下游）立即发生侵蚀，反映了港口防波堤对净北向沿岸漂移的干扰（约0.3×10?立方米/年；（Chandramohan等人，1990年）。金奈港（III区）：在1990–2010年期间，III区南部侧面持续显示出沉积信号（图4a–d），这是由于连续的防波堤扩展期间拦截了沿岸漂移。港口附近的每五年间隔内记录了0.20–0.25公里的局部前进。北部侧面的间歇性侵蚀信号在多个间隔中可见（图4a–g），表明港口对沉积物输送路径的不对称影响。Ennore和Kattupalli港（V区）：V区显示了研究区域内观察到的最高EPR幅度（图4e–g）。在2000–2005年、2010–2015年和2015–2020年期间，南部侧面的强烈沉积特别明显（图4c、e、f），每个间隔内前进了0.20–0.23公里，这是由于沉积物在防波堤处的捕获。相比之下，北部区域在连续的间隔中显示出侵蚀的逐渐加剧（图4e–g），2010–2015年的退缩率为每年33.86米，2015–2020年约为每年80米。到2020-2024年，侵蚀成为第五区域大部分地区的主要现象（图4g）。南部和北部海岸线之间的这种差异表明，由于港口建设导致的历史性海岸漂移中断，海岸线变化在短期内被放大。卡图帕利港投入使用后侵蚀率的加剧表明，第二个港口建设进一步加剧了恩诺尔港已经存在的沉积物短缺问题。

3.2.2 结构性缓解措施与相邻海岸线的响应
第四区域包含一个在1995年后为应对侵蚀而建造的丁坝系统，从卡西梅杜海滩延伸到巴拉蒂亚尔纳加尔海滩，大约在2000-2005年间安装了3公里，2005-2010年间又增加了2.3公里（Sundar等人，2021年）。2017年后，在恩诺尔附近的北部区域又建造了更多的丁坝以解决持续的侵蚀问题。在第四区域内，1995-2000年间可见沉积物堆积（图4b），2005-2010年间该区域显示出相对稳定（图4c-d），这与丁坝结构的局部沉积物滞留效果一致。然而，2015-2020年间第四区域的侵蚀现象加剧，特别是在该区域的南部边界（图4f），而在2020-2024年侵蚀仍然占主导地位（图4g）。这种模式与丁坝系统的已知行为相符，即丁坝拦截的沉积物可能会减少下游区域的沉积物供应（Masselink & Hughes，2014年）。是否在这种情况下这种机制仍在起作用需要进一步的横断面分析。

3.2.3 水文生态反馈与入海口敏感性
阿迪亚尔河口和库姆河口（第二区域）：第二区域在所有时间段内都显示侵蚀与沉积物堆积交替的现象（图4a-g），特别是在2020-2024年的250-280号断面（图4g），侵蚀现象加剧。这些波动与沿岸淡水排放减少和人为改造的影响一致（Gracy Margret Mary等人，2022年），尽管直接归因还需要超出本研究范围的排水量和测深数据。

普利卡特泻湖（第六区域）：第六区域在所有时间段内也显示沉积物堆积与侵蚀交替的现象（图4a-g），1995-2000年和2005-2010年间有沉积物堆积现象（图4b, d），而2020-2024年侵蚀再次出现（图4g）。泰米尔纳德邦段的红树林损失与该地区海岸脆弱性的增加有关（Thirumurthy等人，2020年），而计划中的卡图帕利港扩建项目对未来海岸稳定性和泻湖生物多样性构成了额外的风险因素。

3.3 地下水化学与盐度动态
为了了解地下水位（GW）盐度的演变轨迹，评估了从海岸线向外86公里范围内的HFE-D（图5）。该研究识别出16种不同的水化学相，从淡水（Ca/Mg–MixHCO?）到咸水（Na–Cl）不等。为了区分当代海水入侵与历史盐度和人为影响，这些结果与HFE-D的空间分布图（图6）、补充表3以及水文气候数据（图8）一起进行解释。此外，还结合了CGWB井记录的地下水位趋势面作为盐度来源的独立物理约束（图7）。如第2.4.2节所讨论的，HFE-D可以分类水化学状态和方向轨迹，但无法单独区分当代海水入侵、长期盐度沉积、人为污染或过度抽水造成的影响，这些因素在金奈沿海含水层中都占主导地位（Nagarajan等人，2022年）。

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图5. 2014年、2018年、2020年和2022年金奈海岸的海水入侵HFE图

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图6. 2014年、2018年、2020年和2022年金奈海岸海水入侵的空间分布图

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图7. 探索性空间相关性：净海岸线移动（NSM）与电导率（EC）之间的相关性，以及基于CGWB水位记录（2002-2021年）得出的地下水位趋势轮廓（cm/yr）

3.3.1 时间演变与水化学解释
研究期间呈现出周期性的水化学特征：入侵（2014年）→恢复（2018年）→再次入侵（2020年）→脆弱稳定（2022年）
2014年（入侵高峰）：HFE-D分析显示主要为咸水系统，Na–Cl（41.6%）和Na–MixCl（16.6%）占总相的近五分之三（图5a）。然而，过渡性水化学相的存在表明系统已经过了入侵高峰期，开始向淡水化方向转变。2014年87.5%的样本分布在过渡性或淡水化相中，这与系统达到盐度峰值后开始恢复的情况相符。从地质形态上看，这一时期恩诺尔和普利卡特以北的海岸线后退减少了沉积物缓冲区，从而促进了潮水入侵（图6）。
2018年（恢复）：明显恢复了淡水状态，Na–Cl相占比下降至8.3%，被Na–MixHCO?/MixSO?（16.6%）和MixCa/Mg–MixHCO?/MixSO?（12.5%）等淡水化指标取代。这种恢复能力与2015年的极端洪水有关，当时海水被冲向外海。2016年的高于平均水平的降雨支持了持续恢复，使得第二和第五区域的淡水区部分恢复（图6b）。恢复幅度反映了海水入侵减少和人为污染物稀释的共同作用，尽管HFE-D无法独立区分这两个因素。
2020年（再次入侵）：咸水相重新成为主导相，Na–Cl比例上升至35.13%。这种回升与2019年的干旱有关，干旱导致的补给停止形成了水力真空，将咸水楔形体吸入内陆（Dhiman等人，2018年）。干旱期间加速的城市和工业抽水进一步削弱了含水层的防御能力。因此，干旱期间的城市和工业抽水与海岸地貌变化共同导致了2020年的再次入侵。
2022年（混合但脆弱的状态）：尽管2021年发生了极端降雨，Na–Cl比例仍高达28.8%，同时出现了淡水化相（如MixNa–HCO?/SO?占比8.8%）。这表明恩诺尔-米努尔地区的持续盐度高发与长期压力有关，包括自1990年以来的约10厘米海平面上升和持续的海岸线后退（Adwait & Roshni，2022年；Dhanalakshmi & Kankara，2020年）。地下水位趋势图（图7）显示了明显的不对称性：2015年的洪水减缓了地下水位下降速度，使Na–Cl比例在2018年降至8.3%，但2021年的洪水在更深的盐度沉积背景下仅导致了部分地下水位恢复。

3.3.2 人为影响、过度抽水和多来源盐度
图5和图6的分析表明，含水层受到超出自然海水入侵的影响：
工业和城市硫酸盐（SO?）影响：2022年含有SO?的相（8.8% MixNa–HCO?/SO?）是人为污染的强烈指标。在恩诺尔-马纳利工业带附近，这种特征与石油化工和发电厂的排放物有关（Jayakumar & Malarvannan，2016年）。此外，其作为污水污染标志物的持续存在表明含水层不断受到“人为补给”。
长期过度抽水：一个关键指标是含水层在2021年洪水后未能完全恢复。虽然2015年洪水后Na–Cl比例降至8.3%，但在2022年仅降至28.8%（图5d和补充表3）。这种Na–Cl比例的持久性表明，不断增加的城市和工业需求形成了永久性的压力坑，阻止了淡水压力的建立（Jayakumar和Malarvannan，2016年）。地下水位趋势分析为这一解释提供了定量支持。在7公里缓冲区内的14口CGWB监测井中，有8口的地下水位在2002-2021年间呈下降趋势，其中3口具有统计学意义：Vepery（?18 cm/yr，p < 0.05）、Tondiarpet（?17 cm/yr，p < 0.05）和Chepauk（?8 cm/yr）。其余5口尽管未达到统计显著性，但也呈现一致的方向性下降：Sholinganallur（?4 cm/yr）、Pallikaranai（?4 cm/yr）、Thiruporur（?5 cm/yr）、Uthandi（?0.1 cm/yr）和Mahabalipuram（?3 cm/yr）。Vepery（?18 cm/yr）和Tondiarpet（?17 cm/yr）的最快下降速率分别意味着在2002-2021年期间地下水位下降了约36厘米和34厘米，这种下降幅度在结构上是显著的。
图7中的EC和NSM之间的探索性空间相关性进一步证实了这一点：Chepauk（r = 0.84）和Alwarpet（r = 0.70）之间的强正相关性支持了海岸屏障效应（Dar & Dar，2009年），而Vepery（r = ?0.79）的负相关性反映了港口引起的侵蚀与长期盐度暴露的时空共现，这与沉积物动态的紊乱一致（Jayakumar & Malarvannan，2016年）。在Vepery，负的EC-NSM相关性（r = ?0.79）、地下水位下降趋势（?18 cm/yr）以及持续低于海平面的水位值共同证明了盐度升高是由港口引起的地貌改变和抽水加剧的水力梯度反转共同作用的结果；相比之下，Chepauk尽管地下水位下降8厘米，但仍高于海平面，表明在一定程度上的地貌缓冲仍然有效。总体而言，这些水位、水化学和地貌信号反映了环境和人为因素的复杂交互作用，而不是简单的海岸线驱动机制。因此，EC-NSM相关性被视为探索性的空间巧合，而不是直接的机械联系。
多来源盐度归因：由于100%的样本均为咸水或混合相，必须区分金奈海岸的不同盐源。在金奈沿海平原，大量抽水造成了垂直压力变化，这可能将“旧”的盐分从深层海洋粘土层中向上抽取（Nair等人，2016年）。在恩诺尔和普利卡特等北部地区，地表盐滩是主要盐源。雨水将这些盐分冲入浅层含水层，模拟了海水特征（Srinivasamoorthy等人，2013年）。白金汉运河作为一个持续的咸水和微咸水源，由于未加衬里，它将盐分和污水泄漏到周围的地下水中（Senthilkumar等人，2019年）。
相的破碎化和城市化：复杂“混合”相的高多样性（数据占30-40%）反映了系统的严重扰动。金奈的不透水混凝土表面限制了自然渗透，迫使水分集中在特定区域，导致自然淡水和咸水/人为水的混合（Dhanalakshmi & Kankara，2020年）。
2021年洪水后的持续盐度问题引发了重要的解释疑问：测量的盐度信号是反映了持续的现代海水入侵，还是部分由于之前的干旱事件导致的盐度遗留？1999-2004年和2018-2019年的反复干旱造成了严重的水力梯度反转，将咸水楔形体吸入内陆；随后的补给事件可能冲刷了浅层含水层，同时留下了残余盐分在低渗透性粘土层中或吸附在沉积物表面（Nair等人，2016年）。本研究使用的HFE-D框架无法单独解决这一模糊性，因为当代海水入侵和干旱引起的历史盐度都会产生类似的Na–Cl相。明确的来源区分需要额外的同位素示踪剂，如δ2?O和δD来区分meteoric水和海水，以及Br/Cl摩尔比来区分蒸发盐的溶解和直接海水混合。建议将这些分析作为未来金奈沿海含水层研究的优先事项。

3.4 金奈的海岸水文响应
金奈海岸的水文气候记录（图8）显示1990-2024年间压力因素的累积。平均海平面上升了3.45毫米/年，到2025年比1990年的基线高出约100毫米。这一趋势与区域卫星测高记录一致，后者显示金奈的海平面上升异常趋势为每年5.21 ± 0.92毫米，且2010年后加速明显（Kannaujiya等人，2025年），并与Unnikrishnan等人（2015年）记录的孟加拉湾整体上升趋势相符。
2000年后海平面上升加速与海岸线负移动时期（底部面板中的绿色星星）的时间对齐，这与1990-2019年间金奈北部海岸地区的净侵蚀记录一致，沉积物预算赤字归因于沿岸输运中断和港口对自然海岸漂移的干扰（Shetty等人，2022年）。这些信号的汇聚表明，上升的水动力压力加剧了这一微潮汐、沉积物匮乏海岸线的现有形态动态不稳定。

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图8. 1990年至2025年平均海平面、降水量、季节性异常、海岸线变化和海水入侵的趋势
降水量变化反映在月度CHIRPS记录中（底部面板中的蓝线），与金奈强烈的季节性水文气候特征相符。东北季风（10月至12月）贡献了印度东部沿海年降水量的大约50-60%，年际变异性约为28%，受ENSO强迫和印度洋偶极子（IOD）条件的影响（Geethalakshmi等人，2009年；Gunwani & Mohan，2017年）。季节性异常（橙色条形图）揭示了这一模式，其特征是频繁出现极端事件，最显著的是2015年11月至12月的洪水事件，这些事件由孟加拉湾海表温度异常升高和强烈的厄尔尼诺现象共同引发（Boyaj等人，2018年）。2023年12月的洪水则与米乔昂气旋有关，该气旋在金奈地区引发了创纪录的单日降雨量，导致洪水范围与2015年的情况大致相当（年度RSMC报告，2023年）。在这些极端事件之间的长期干旱期，表现为持续的负季节性异常，这加剧了沿海地区的地质脆弱性，并在随后的高海平面时期加剧了洪水风险。Nair等人（2015年）记录了A-K流域内盐淡水界面的扩展情况，到2012年时已从海岸向外延伸了13至14.7公里，原因是金奈北部沿海含水层的过度开采。北金奈（A-K流域）的地球物理调查显示，盐水入侵范围达到了距离东海岸13.7公里（Mathew和Abraham，2025年），而金奈南部沿海含水层的地球化学研究表明，约有201平方公里的含水层区域受到了盐碱化的影响（Kanagaraj等人，2018年）。2014年之后的盐水入侵事件集中出现（底部面板中的紫色圆圈），这与持续的干旱-湿润降水周期以及当地海平面趋势的加剧阶段相吻合，表明金奈沿海平原在这段时间内面临较高的地质脆弱性。

关于金奈海岸和普利卡特地区的海龟大规模筑巢情况，本研究评估了海平面上升、海岸线侵蚀以及盐度入侵与奥利弗里德利海龟（ORT）筑巢和孵化结果之间的潜在关联，重点关注了对保护至关重要的I区和II区。由于数据集的观测性质以及缺乏直接的筑巢级测量数据，所有关联都被解释为多代理因素之间的关联性，而非确定的因果关系。在I区和II区（这两个地区没有大量人工建筑），研究发现海岸线后退与孵化成功率之间存在统计学上显著的负相关（R2=0.63；p=0.03），其中稳定地区的孵化成功率约为84%，而在侵蚀严重的地区孵化成功率降至20%（图9）。这种基于代理因素的空间关系解释了未测量到的混杂因素（如筑巢深度）的影响。

图10展示了1989年至2011年期间四种沿海压力因素与孵化结果的时间共现情况。研究期间，沙面温度（LST）频繁超过32°C的胚胎发育压力阈值，尽管年际间存在差异，例如1993年记录的温度低于该阈值，而季节性峰值可达到40–42°C（图10a）。图10a中标出了32°C的发育压力阈值和36°C的致死阈值。年均盐度在33.6至34.2 PSU之间波动，且在2005年孵化量最低期间盐度升高（图10b）。此外，人类干扰指数从2003年开始逐渐增加，这主要是由于城市化加剧、渔业压力和沿海基础设施的发展，到2004–2006年达到峰值（约70）；海啸后的重建阶段保持了这一高水平，同时观察到筑巢密度下降（图10c）。

综合压力指数（CSI）（图11）进一步阐明了这些趋势：虽然研究初期盐度压力最高（0.90分，1989–1999年），但到2012–2024年期间沙面温度压力有所增加（0.59分）。这些证据表明孵化结果受多种压力因素共同影响，而不仅仅是单一变量。研究发现，1989年至2006年间孵化成功率明显下降，2005年降至历史最低点（24%）（图10a）。这一下降与最高的人类干扰（约70）、最严重的海岸线侵蚀（NSM约为-21米）以及2004年的印度洋海啸同时发生。图10d显示2004–2006年间海岸线动态与孵化成功率之间的时间分离。在2004年之前，海岸线侵蚀是影响筑巢栖息地的主要物理压力因素。海啸后的沉积物重新分布带来了暂时的堆积效应，但孵化成功率却达到了最低点。这种分歧表明单因素决定论并不成立；如果只有侵蚀作用，海滩堆积应该会改善孵化情况。2006年后孵化成功率和筑巢密度有所恢复，这与综合压力指数的下降（CSI）以及保护工作的加强（如孵化场和严格监测）的时间变化一致。

类似地，其他研究也强调了普利卡特潟湖的生态敏感性，发现特定指示物种（如软体动物）的数量相比历史记录有所下降。这一关键的半咸水栖息地面临着多重威胁，包括淤积、港口闭塞和盐度变化（Jinoj等人，2024年；Mishra、Acharyya等人，2023年）。我们关于VI区海岸线不稳定性的发现与更广泛的担忧一致，即工业和城市压力导致栖息地退化（Munnooru等人，2024年），表明自然沉积过程与人为压力之间的复杂相互作用对普利卡特地区的生态完整性起着重要作用。

金奈海岸展示了自然过程与人为干预之间的复杂相互作用，这些因素共同塑造了海岸线动态、地下水位（GW）盐度和关键沿海栖息地。长期海岸线趋势显示出典型的“工程化海岸”特征：在II区、III区和V区靠近主要港口发展的地方，堆积作用主导；而在这些结构的北部以及I区、IV区和VI区较少受工程影响的区域，侵蚀现象持续存在。这一模式与全球研究结果一致，即沿海基础设施改变了沿岸沉积物的输送，常常导致下游侵蚀同时促进局部堆积（Jangir等人，2016年）。六个区域的平均侵蚀率（0.48至4.34米/年，第3.1节）凸显了金奈海岸线的脆弱性。短期分析进一步强调了这些变化的偶发性，例如2004年海啸及随后发生的飓风（如2005年的Baaz和Fanoos）导致了突如其来的广泛侵蚀。虽然硬质工程措施（如防波堤）在稳定某些路段方面有效，但其实施引发了对相邻区域沉积物匮乏的担忧。这些地貌变化与水文气候的不确定性密切相关。1990年至2024年间，金奈经历了极端气候周期，包括严重干旱（尤其是1999–2004年和2018–2019年的“零日”危机），这些事件迫使人们过度依赖地下水位作为水源，导致水库储水量降至1.5%以下（Mohanty等人，2020年）。相反，极端降雨和飓风（如1997年、2005年、2015年、2021年的洪水）虽然提供了间歇性的补给，但也引发了沿海洪水，而城市发展阻碍了自然排水系统。HFE-D图表（图5和图6）记录的水化学变化提供了这种气候-含水层反馈的实证证据：2014年87.5%的样本（例如MixCa/Mg、MixHCO?/SO?）分布在过渡或淡化轨迹相中，表明系统已经达到盐碱化峰值，并开始恢复，但这一趋势在2016–2019年的干旱周期中被逆转。2020年的HFE-D结果显示，淡化相的比例下降到51.4%，而咸水Na–Cl相则遍布所有区域。值得注意的是，2021年的洪水未能完全恢复2015年的含水层状态，Na–Cl相仍在南部城区持续存在，这支持了“长期抽取”理论，即过度抽水和港口活动导致的沉积物滞留阻止了淡水顶部的推进（Kanagaraj等人，2018年）。7公里缓冲区内有三个CGWB监测井显示出显著的地下水位下降趋势：Vepery（-18厘米/年，p<0.05）、Tondiarpet（-17厘米/年，p<0.05）和Chepauk（-8厘米/年），分别表明2002–2021年期间地下水位下降了36厘米、34厘米和16厘米。Vepery和Pallikaranai的地下水位持续低于海平面，物理上证实了海洋水力梯度的逆转独立于相分类。这些变化早于最早的HFE-D分析，表明长期的城市抽取与海洋作用和地貌变化共同导致了含水层的盐碱化。

这些物理和化学压力因素与生态变化存在时间上的关联，尤其是对奥利弗里德利海龟（ORT）的影响尤为明显。海岸线后退与孵化成功率之间的强负相关（R2=0.63；p=0.03）支持了这样一个假设：筑巢基质的丧失和沙子盐度的增加导致了繁殖结果的下降，尽管无法排除未测量的混杂因素（Sudhan等人，2018年）。尽管海啸后的保护措施（包括孵化场和监测）自2006年以来稳定了孵化结果（图10），但这些成果仍受到海平面上升和人为污染的挑战。图10中的多压力因素分析和CSI进一步阐明了这些趋势。研究期间，沙面温度始终超过32°C的胚胎发育阈值，季节性峰值达到40–43°C，表明热应力是影响孵化结果的因素之一，与地貌和盐度压力共同起作用。人类干扰指数在2003–2006年间达到最高值（约70），与孵化成功率的历史低点（2005年的24%）同时发生，表明这一时期人为干扰放大了物理压力的生物学影响。总之，孵化结果反映了热、盐度、人为和地貌压力相互作用的结果。在侵蚀严重的区域，特别是Ennore和Kattupalli港口的北部以及I区的海龟筑巢走廊，软质工程干预提供了更符合生态需求的补充措施。例如海滩填沙、前滩重建和建立植被屏障（如近岸区域的桉树林和海草床）可以减弱波浪能量并补充沉积物，而不像防波堤那样导致沉积物匮乏（Masselink和Hughes，2014年）。建议在Ennore–Pulicat走廊进行试点海滩填沙工作，尤其是在侵蚀最严重的区域，这是在进行全面沉积物预算评估之前的紧急管理措施。金奈海岸的案例凸显了迫切需要通过适应性、基于生态系统的措施加强泰米尔纳德海岸带管理计划（2018年）的实施，优先考虑红树林和沙丘等自然缓冲区，而不是依赖硬质工程解决方案。

这项多年（1990–2024年）的评估揭示了金奈海岸线的动态环境，其中人为干预和水文气候极端事件共同影响了海岸线稳定性、地下水位完整性和生态健康。研究发现，86公里海岸线中有58.65%的区域经历了平均每年1.89米的侵蚀，空间差异主要由沿海基础设施决定。虽然金奈港的扩张（1995–2010年）促进了显著的堆积作用（最高可达34.8米/年），但由于广泛的防波堤建设，周边区域未立即出现侵蚀。相比之下，Ennore和Kattupalli新建港口的建设则导致了严重的下游侵蚀，分别为每年21.3米和16米。在北部生态敏感的普利卡特地区，基础设施引起的侵蚀（最高达5.68米/年）导致了南部潟湖沿岸关键红树林栖息地的丧失（Nagarajan等人，2022年）。含水层的水化学状态（2014–2022年）反映了系统处于长期盐碱化压力之下，所有地下水位样本均位于盐水或混合相中。水文地球化学相的变化具有很强的指示性：2014年时，87.5%的样本处于淡化阶段，而到了2020年，这一比例上升至超过51%。这种转变与过度抽取地下水以及干旱周期（如2018-2019年）期间地下水位下降导致的海水入侵有关。虽然极端降雨事件能够暂时稀释海水浓度，但由于工业污染和盐田活动等多种因素，基线盐度仍然较高。此外，Vepery（年下降18厘米，p < 0.05）和Tondiarpet（年下降17厘米，p < 0.05）地区的地下水位显著下降表明，长期的城市排水是盐碱化的一个同等重要因素，这一发现对水资源管理具有直接意义，因为仅靠稳定海岸线无法逆转由地下水位下降引起的海水入侵。这些地形和化学变化与一系列生态影响密切相关：海平面上升（每年3.45毫米）和海岸线加速后退与橄榄 Ridley 海龟的孵化成功率之间存在强烈的负相关关系（R2 = 0.63），在高侵蚀率区域，孵化成功率从84%下降到了20%。多压力因素分析进一步显示，2003-2006年间高温（地表温度超过32°C）和人类活动加剧同时作用于地形和盐度压力，这支持了孵化结果是由多种压力因素共同作用的结果。尽管2006年后的保护措施使筑巢密度有所恢复，但这些成果仍受到持续工业化和栖息地破碎化的威胁。

研究表明，加强泰米尔纳德邦海岸带管理计划（2018年）的实施对金奈来说迫在眉睫。未来基础设施项目（如Kattupalli附近的扩建计划）必须仔细评估其加速侵蚀和Pulicat生态系统潟湖变浅的潜在风险。尽管本研究受到地下水、栖息地数据的局限性、2011年之后生物记录的缺失以及环境指标（地表温度、海水盐度、夜间温度）空间分辨率的限制，但通过整合海岸线、水文地球化学和生态数据，我们能够建立起一个理解系统整体脆弱性的可靠框架。本研究的结果为更广泛的证据提供了支持，强调了需要采取适应性策略，以平衡城市工业化发展与自然海岸缓冲区的恢复，从而确保在气候变化下的长期韧性。随着2011年之后橄榄 Ridley 海龟的筑巢和孵化记录通过学生海龟保护网络和泰米尔纳德邦林业部的监测项目得以获取，这一整合了卫星数据获取的温度、盐度和地形指标与巢穴水平生物数据的多压力因素框架可以直接应用于评估1989-2030年间环境压力对种群长期影响的研究。未来研究应优先考虑在活跃筑巢地点部署实地温度和湿度记录仪，因为这些仪器能够直接揭示环境温度和盐度条件与孵化结果之间的机制联系，而卫星获取的地表温度和海面盐度指标由于空间分辨率较低且缺乏对地下情况的敏感性，无法建立这种联系。

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