海平面上升情景下钦江河口盐水入侵及生态与工程影响

刘洁; 丁晴雨; 郑华; 杨森堂; 王鑫

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505760

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7593-7600 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505760

天文学、地球科学

海平面上升情景下钦江河口盐水入侵及生态与工程影响

刘洁 ¹^,² ,
丁晴雨 ¹^,² ,
郑华 ³ ,
杨森堂 ¹^,² ,
王鑫 ⁴

作者信息 +

Saltwater Intrusion in the Qinjiang River Estuary under Sea-level Rise Scenarios and Its Ecological and Engineering Impact

LIU Jie ¹^,² ,
DING Qing-yu ¹^,² ,
ZHENG Hua ³ ,
YANG Sen-tang ¹^,² ,
WANG Xin ⁴

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摘要

在全球气候变暖背景下,海平面持续上升对河口地区盐水入侵过程和生态系统构成显著影响。以钦江河口为研究区域,构建三维盐水入侵数值模型,模拟分析不同海平面上升情景(0 ~ 0.4 m)下枯水期盐度分布的变化特征。结果表明,海平面上升会增强表层流速、减缓底层流速,导致底层盐度升高和垂向盐度混合增强;河道区域对盐度变化响应更为显著,大潮盐度增幅最大达210.08%。生态影响方面,茅尾海红树林区域最小盐度已超出秋茄和桐花幼苗的最适范围,存在盐胁迫风险;青年枢纽处盐度升高67.17%,表明咸潮环境对船闸金属结构的腐蚀风险进一步增强。研究结果可为钦江河口生态保护、水资源管理与咸潮风险管控,以及青年枢纽船闸结构运行期防腐运维决策提供科学依据。

Abstract

Against the backdrop of global warming, ongoing sea-level rise is known to substantially affect saltwater intrusion processes and ecosystems in estuarine regions. The Qinjiang Estuary was selected as the study area, and a three-dimensional numerical model of saltwater intrusion was developed to investigate dry-season salinity responses under sea-level-rise scenarios of 0~0.4 m. The results show that sea-level rise is associated with accelerated surface-layer flow and decelerated bottom-layer flow, leading to increased bottom salinity and enhanced vertical salinity exchange. A more pronounced salinity response is observed in the river channel reach, where the maximum salinity increase during spring tides reached 210.08%. Ecologically, the minimum salinity in the Maowei Sea mangrove area exceeded the optimal range for seedlings of Kandelia obovata and Aegiceras corniculatum, indicating an elevated risk of salinity stress. At the Qingnian Junction, salinity is increased by 67.17%, suggesting that the saline environment may further intensify the corrosion risk of the lock's metal structures during operation. These findings provide scientific support for ecological conservation in the Qinjiang Estuary, water-resources management and saltwater-intrusion risk control, as well as operation-phase anti-corrosion maintenance decisions for the lock structures at the Qingnian Junction.

Graphical abstract

关键词

钦江河口 / 海平面上升 / 盐水入侵 / 红树林 / 三维数值模拟

Key words

Qinjiang River Estuary / sea level rise / saltwater intrusion / mangrove forests / three-dimensional numerical simulation

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刘洁, 丁晴雨, 郑华, 杨森堂, 王鑫. 海平面上升情景下钦江河口盐水入侵及生态与工程影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7593-7600 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505760

LIU Jie, DING Qing-yu, ZHENG Hua, YANG Sen-tang, WANG Xin. Saltwater Intrusion in the Qinjiang River Estuary under Sea-level Rise Scenarios and Its Ecological and Engineering Impact[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7593-7600 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505760

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伴随着全球气候变暖,海平面上升已成为一个不容忽视的环境问题。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第六次评估报告预测在代表性浓度路径(representative concentration pathways,RCP)4.5,即中等温室气体排放情景下,到2100年全球海平面预计上升0.32~0.66 m^[1]。海平面上升将直接加剧沿海低地的洪涝灾害强度和频率^[2],并导致海岸线持续后退与风暴潮灾害频发^[3]。与此同时,上升的海平面也会强化盐水入侵^[4-5],加大盐水上溯距离,污染水质,威胁河口生态系统,并影响沿岸的人类生产与生活^[6]。

诸多专家运用数值模型、物理模型及遥感与机器学习等方法深入研究海平面上升对河口盐水入侵的影响。其中大多数学者通过构建河口数值模型,模拟不同海平面上升情景下的盐水入侵过程。例如,Wang等^[7]利用EFDC(environmental fluid dynamics code)模型预测,未来海平面上升将显著加剧珠江口上游的咸潮入侵,使得上游4个主要饮用水取水站的水质在枯水期大部分时间将不再符合饮用水标准,严重威胁饮用水源安全。Vu等^[8]基于MIKE 21二维数值模型,模拟海平面上升时湄公河三角洲地区的盐度变化,结果表明到2100年,某些河段的盐度将比2020年基准高出14%~24%,咸水入侵距离可能向上延伸1~4 km。受到经费、场地和比尺效应的限制,建立物理模型的研究较少,陈荣力等^[9]与何用等^[10]建立磨刀门咸潮物理模型,对海平面上升0.1 m和0.2 m引起的盐度变化进行研究,得出海平面的上升与盐水的上溯距离并非线性相关的结论,由于其作为物理简化模型,不能开展多因子的分析,也未能给出海平面上升引起盐度的变化规律。运用遥感与机器学习的研究更少,中山大学团队^[11]通过无人机高光谱与卫星多光谱数据融合,结合极端梯度提升(extreme gradient boosting,XGBoost)、随机森林等算法,研发出河口区表层水体盐度反演模型,反演精度达R² = 0.93,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.88‰,成功应用于珠江三角洲磨刀门河口区,实现了大范围咸潮动态监测。

钦江河口是平陆运河的出海口,平陆运河连通西江航运干线与北部湾海域,建成后将提升钦江地区的航运能力,促进贸易往来。目前,钦江河口的研究主要集中在水动力和污染物扩散方面,而关于海平面上升对其盐水入侵影响的研究相对较少。为此,现基于MIKE 3建立数值模型探究海平面上升对钦江河口枯水期盐水入侵的影响,旨在为水资源管理和生态保护提供科学依据,确保区域用水安全和可持续发展。

1 研究区域和模型建立

钦江河口是一个典型的三角洲海岸,其特征是海岸发育在河口湾内,岸线切割破碎,宽阔的潮坪和密布的汊道河床增加了盐水与河水的接触面积。潮汐属于不正规混合全日潮型,显示出较为复杂的潮汐动态^[12]。钦江河口雨季时水流增加,旱季则较为平稳,季节性变化明显^[13]。

平陆运河全长134.2 km,按内河I级航道标准建设,可通航5 000吨级船舶。入海口航道为青年枢纽以下至钦州港段,其中青年枢纽至沙井为入海口钦江段,沙井至钦州港为入海口近海段。综合考虑航道条件、船舶航行安全及效率要求,得到平陆运河入海口航道尺度如表1所示。

基于DHI公司开发的MIKE 3软件中的水动力模块,构建钦江河口三维数值模型,模型范围为钦江—茅尾海—钦州湾外海,如图1(a)所示,模型南北向长度约40 km。网格为非结构三角形网格,如图1(b)所示,网格总数为36 306个,单元节点数为19 410个,垂向σ方向分为5层。基于本课题组前期已发表成果的率定与验证基础^[14],沿用相同模型设置与参数方案;潮位与盐度边界采用钦州湾海洋测站实测资料。以情景对比为主,重点分析盐度和流速的相对变化与空间格局。

2 工况设置

2.1 计算工况

IPCC第六次评估报告^[1]基于20世纪全球海平面上升约0.15 m,预测了温室气体在低、中、高排放情况下,2050年的海平面预计会分别升高0.19、0.21、0.23 m,到2150年则可能会分别升高0.44、0.56、0.77 m。王慧等^[15]根据验潮站观测和卫星高度计数据,基于气候模型CMIP 6的10个地球系统模式结果,预测了以共享社会经济路径2(shared socioeconomic pathway,SSP2)为框架、辐射强迫目标为4.5 W/m²的气候情景组合下,2050年和2100年中国近海海平面将上升0.22 m和0.59 m。综上,根据中等温室排放量和SSP2-4.5情况下海平面预计上升高度设置工况如表2所示。

2.2 边界条件

盐水入侵程度主要受径流和潮汐控制,因此在河流流量较小的枯水期叠加大潮时段盐水入侵最为严重^[16]。钦江径流取青年枢纽90%保证率的来流量叠加青年船闸的泄流量,如图2和图3所示。潮位及盐度采用钦州湾海洋测站的实测数据(2017年12月1日—2018年2月1日),如图3所示。

模型采用“冷启动”模式,提前计算15 d以确保模型达到稳定状态。模拟的时间范围为2017年12月1日—2018年2月1日,计算的时间步长为60 s,河床糙率k_s=0.05 m。

3 流速对海平面上升的响应

不同海平面上升条件下枯水期河道b点(图1)大潮和小潮的表层和底层流速变化如图4所示。海平面上升使高潮位更高,此时流速会增大。底层流速因底层海水惯性大、摩擦力强,流速增加幅度不如表层。大潮动力强,高潮位时表层流速增加幅度较小潮大。海平面上升后,在落潮末期表层流速增加,底层流速减小。这是因为在落潮末期,表层水体受到的潮汐力相对较大,且由于水深增加,表层水体的流动阻力相对较小,因此流速增加;而底层水体由于受到海底摩擦力的影响较大,且潮汐力在底层的传递效率相对较低,流速会减小。

当海平面上升0.4 m后,河道b点在大潮和小潮期间表层与底层平均流速变化如表3所示。由表3可知,海平面上升导致表层流速增加,底层流速降低。这一现象的原因在于小潮期间潮差较小,潮汐能量较弱,表层水流原本受限于摩擦阻力。海平面上升0.4 m后,水深增加,潮汐波的能量传递更易作用于表层,导致流速显著增加。大潮期间潮差较大,表层流速受潮汐惯性影响更强,但落潮时因反向压力梯度,流速仍小幅提升。而底层流速主要受床面摩擦力控制,海平面上升导致水深增加,摩擦力增强,抑制了流速。小潮情况下流速的变化率比大潮更显著。这是因为小潮本身潮流较弱,海平面上升带来的水位变化对小潮的动力平衡影响更大,更容易打破原有的水流状态,导致流速出现较大幅度的变化。无论是表层还是底层,大潮和小潮过程中,落潮时的流速变化率绝对值通常比涨潮时更大。这说明落潮过程可能对海平面上升更为敏感。

4 盐度变化对海平面上升的响应

4.1 盐度时间变化规律

为更清晰展示枯水期盐度随时间变化趋势,提取河口a点和河道b点底层盐度数据。不同海平面上升条件下典型点位大潮时的底层盐度变化如图5所示。由图5可以看出,海平面上升程度越高,底层盐度越大,说明海平面上升加剧盐水入侵程度。盐度随潮位上升而增加,随潮位下降而减少。这是因为涨潮时盐水涌入河口,推动盐水向上游推进,导致盐度升高,落潮时盐水退去,河流中的淡水逐渐扩散,导致盐度下降。

统计海平面上升后典型点位河口a点和河道b点大潮底层平均盐度增幅如表4所示,随着海平面上升0.1~0.4 m,河口a点的大潮盐度增幅从2.39%增加到9.04%,河道b点的大潮盐度增幅从38.08%增加到210.08%。同等海平面上升幅度下,河道b点的盐度增幅是河口a点的15 ~ 24 倍。

+++河道b点由于更靠近内陆,海平面上升导致盐水更容易逆流而上,增加了河道内的盐度,特别是在大潮期间,潮汐动力更强,盐水入侵更为显著。河口a点虽然也受到海平面上升的影响,但由于其靠近海洋,水体交换频繁,盐度增幅相对较小。

4.2 盐度垂向变化规律

不同海平面上升条件下枯水期典型点河口a点、河道c点和河道b点在小潮涨憩时刻盐度沿水深h方向的变化如图6所示,其中0.2h为距离水面以下0.2倍水深处的位置。由图6可知,3个典型点河口a点、河道c点和河道b点的盐度都是随着水深增加而上升的。底层盐度比表层盐度高,这是因为在河口及河道区域,由于盐水楔的存在,底层的海水密度较大,会沿着河底向内陆推进,而相对较轻的淡水位于表层向外海流动。小潮涨憩时刻盐度表层与底层垂向梯度随海平面上升在河口a点和河道c点变化不大,在河道b点随海平面上升而增加,且在浅层(0.2h~0.6h)盐度随深度增加更明显,高海平面上升条件(+0.3 m、+0.4 m)下盐度跃升更明显。海平面上升0.4 m导致河道b点水深增加,表层水流因过水断面扩大,受潮汐惯性驱动更显著,由前文可知小潮涨潮时表层流速增26.92%,而底层流速因底部摩擦阻力增强而减缓,由3节可知小潮落潮时底层流速降60.63%。这种流速差异使表层盐度对潮汐交换更敏感,而底层存在盐水滞留趋势,盐度剖面发生再分配,海平面上升情景下整体表现为垂向交换增强、分层减弱,如表5所示。

为进一步分析海平面上升对水体盐度垂向分层的影响,利用式(1)计算垂向分层系数n^[17]。

(1)n=$\frac{{\mathit{S}}_{\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{t}}-{\mathit{S}}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}}}{{\mathit{S}}_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{n}}}$

式(1)中:S_bot为底层盐度;S_sur为表层盐度;S_mean为垂向平均盐度。

若分层系数小于0.01,水体完全掺混,垂向上盐度分布较均匀,无明显分层现象;若分层系数在0.01~1,水体部分掺混,垂向上存在一定盐度分层,上下层盐度差异相对小,混合仍在一定程度上进行;若分层系数大于1,水体分层,垂向上形成明显盐度梯度,上下层盐度差异显著,混合程度低。典型点河口a点、河道c点和河道b点在小潮涨憩时刻的盐度分层系数如表5所示。

在海平面上升的条件下,河口a、河道b和河道c 3个典型点的盐度分层系数均呈现出随海平面上升而逐渐减小的趋势。其中,河道b点在原海平面下n = 1.335(明显分层),当海平面上升至0.2 m及以上时n < 1,表现为由明显分层向部分掺混转变;河口a点与河道c点始终处于部分掺混状态但分层程度整体减弱。这说明随着海平面上升,海水更容易倒灌进入河口及河道区域,河水与海水的混合变得更加充分,从而降低了盐度的垂直分层程度,导致盐度分层系数减小。河口a点的分层系数始终在0.01 ~1,且稳定在0.06左右,水体表现出部分掺混状态,其盐度分层状态几乎不受海平面上升的影响。这是因为河口a点位于河口开放区域,受潮汐作用主导,垂向混合强度高。即使海平面上升,潮汐引起的盐淡水剧烈掺混仍维持盐度均匀分布,从而使分层系数保持稳定。相比之下,河道c点分层系数变化较大,而河道b点更大。随着海平面上升,河道b点盐度分布从分层状态逐渐变为部分掺混状态。河道b点是距离河口最远的河道点,受河流的径流作用更强,盐度分层较为明显。而当海平面上升时,海水的顶托作用对水流的扰动更为强烈,导致盐度分层系数下降幅度最大。

5 海平面上升引起的盐度变化的潜在生态影响

5.1 红树林生长

茅尾海是中国面积最大、最典型的岛群红树林区,形成了秋茄和桐花混生的群落^[18]。已有研究表明,秋茄和桐花幼苗生长对盐度变化较敏感,但是桐花幼苗的耐盐性较秋茄更强,两种红树林幼苗的最适生长盐度范围均在10‰以内,随着盐度的升高,其生长速率和生物量会显著下降,当盐度超过20‰,秋茄幼苗的生长受到明显抑制^[19]。统计2018年1月8—12日不同海平面上升条件下茅尾海红树林区域典型点K1的盐度,如图7所示。由图7可知,当海平面上升从0.1 m增加到0.4 m,K1点盐度过程持续超过红树林幼苗最适盐度(约10‰以内),说明幼苗在一个潮周期内可获得的低盐恢复窗口不足;同时随海平面上升盐度过程整体上移,高盐暴露发生的概率与持续时间可能增加。考虑到盐度超过20‰时秋茄幼苗生长会受到明显抑制,上述变化提示幼苗阶段存在盐胁迫风险上升。因此,在评估海平面上升引起的盐度变化对红树林生态系统的影响时,应特别关注幼苗阶段的耐盐性。在区域红树林生态修复时,建议优先选择耐盐性强的红树林物种进行混合种植,并合理布局秋茄种群;同时可以通过构建排盐沟、控制淡水径流等水文工程措施缓解盐胁迫;建立盐度与幼苗生长的长期动态监测系统,结合数值模型预测未来变化趋势,优化生态修复与管理策略。

5.2 青年枢纽船闸防腐

青年枢纽是平陆运河工程中的重要控制性枢纽之一,位于钦州市,承担着航运、调水、防洪及水资源利用等多重功能。该枢纽处于咸淡水交汇区域,枯水期咸潮过程可能对船闸结构耐久性产生影响。统计研究区域不同程度海平面上升条件下青年枢纽处的最大盐度,如图8所示。由图8可知,当海平面从0 m升至0.4 m时,青年枢纽处最大盐度从2.65‰增长至4.43‰,增幅为67.17%,枢纽运行期腐蚀风险可能随之上升。已有研究表明,钢结构在中低盐度区间(0~5‰)腐蚀速率上升尤为敏感,且干湿循环作用会加剧腐蚀过程^[20]。因此,建议在枢纽运行期加强关键时段的盐度监测与预警。在后续检修或加固更新中,可结合工程条件综合采用强制电流阴极保护系统适应盐度变化^[21],关键部位使用石墨烯增强涂层或纳米防腐涂料^[22],同时结合高性能混凝土^[23]与硅烷^[24]防护处理以提升整体耐久性。

6 结论

基于MIKE 3构建钦江-茅尾海-钦州湾外海盐水入侵三维数值模型,并根据模拟数据对盐水入侵分布特征进行分析,探究盐度变化对生态及工程的影响,得到以下结论。

(1)海平面上升使表层流速增强、底层流速减缓,底层盐度升高。分层系数n整体减小,表明垂向交换增强、盐度分层减弱。

(2)海平面上升显著强化咸潮影响范围与强度,不同区域对海平面上升的盐度响应存在差异,其中河道区对盐度变化更为敏感;在大潮条件下,盐度增幅最大可达210.08%。

(3)生态与工程影响方面,随着海平面上升,茅尾海红树林区最小盐度持续高于幼苗最适盐度范围(约10‰以内),提示幼苗阶段盐胁迫风险上升。青年枢纽处盐度升高67.17%,运行期船闸结构腐蚀风险可能增加。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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