臺風過程影響下的濱海濕地物理變量觀測及濕地系統響應

李高如，龔國寧，張生樂，高美華，張伯倫，馬煜曦，何培民，方淑波*

(1.上海海洋大學 海洋生態與環境學院，上海 201306；2.上海海洋大學 上海高校水域環境生態工程研究中心，上海 201306；3.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241)

1 引言

濱海濕地是連接陸地和海洋的生態系統，具有緩解風暴侵襲、維持生物多樣性、降解污染和維持景觀等價值[1–2]。聯合國政府間氣候變化專門委員會報告指出，未來在全球尺度增溫預期下，風暴潮、干旱與洪澇[3]等災害性天氣事件[4]將會大幅增加[5]。如何應對增多的極端天氣事件對關鍵地段生態安全影響，是未來生態管理及可持續發展的關鍵問題[6]。濱海濕地生態完整性的維護對濱海區域城市及關鍵地段生態安全具有重要價值，如何評估濕地系統在臺風等極端天氣事件影響下的響應過程與方式是海岸帶管理的重要內容。

濱海濕地生態系統對臺風等極端事件的響應表現在流速、有效波高等水動力條件、懸浮泥沙濃度（Suspended Sediment Concentration，SSC）、灘面高程及沉積物、灘面植被等其他因素的改變[7–9]。Do 和Yoo[10]研究了風暴過程防護海灘泥沙運輸及灘面變化；Aung等[11]研究了臺風天氣根莖科與非莖科植被的響應；王愛軍等[12]研究了臺風前后福建泉州灣鹽沼沉積物特征；Yang 等[13]研究了臺風過程的濱海濕地灘面切應力變化過程。但現有的研究著重于臺風過程濱海濕地的響應，而根據濱海濕地生態系統響應過程對后期管理提出有針對性的生態修復方案比較少。

本文為探索臺風過程南匯東灘南岸生態修復和管理方案，研究了2021 年9 月臺風“燦都”期間水動力、灘面高程及沉積變化和植被響應過程，監測了臺風過程流速、流向及有效波高等水動力因子和灘面近底層SSC 變化等物理變量，以期為臺風等極端天氣影響后濱海濕地和植被分布面積的變化、灘面高程與沉積變化引起植被定值條件改變等生態系統的修復工作提供參考。

2 研究地區與研究方法

2.1 研究區概況

南匯東灘位于長江口與杭州灣交匯處，是我國最大的濕地之一，年均溫度為15～16℃[14]。南匯東灘潮汐為非正規半日潮，平靜天氣下波浪主要受風驅動，以風浪為主[15]。南匯東灘的沖淤變化受到圍墾工程的影響，南岸以沖刷為主，東岸則以淤積為主[16]。每年7–9 月長江口都會迎來平均2～3 個熱帶氣旋[17]。本研究區南匯東灘南岸（圖1），位于30°51′～30°52′N，121°55′～121°56′E，多年最大潮差為5.14 m，平均潮差為3.2 m[18]。多年平均有效波高為0.6 m，水域懸沙濃度變化范圍在0.1～2 g/L。灘面高程由低到高主要分布海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、互花米草（Spartina alterniflora）、蘆葦（Phragmites australis）等植被。

圖1 研究區位置及采樣點Fig.1 Location and sampling sites of the study area

2.2 現場觀測與數據處理

風速、氣壓和降水數據來源于中國氣象數據網（http://data.cma.cn）嵊泗氣象基站。“燦都”臺風路徑如圖1 所示，觀測期間，中央氣象網臺風實時預報2021 年9 月13 日8時至2021 年9 月14 日12 時7 級風圈影響研究區，將該時段定為臺風中對應T5–T7潮周期，11 日為臺風前對應T1 和T2 潮周期，16 日為臺風后對應于T11 和T12 潮周期。

臺風過程采用自容式、高分辨率和高精確度的野外水動力觀測器，定點觀測水動力變化情況。聲學多普勒三維點式流速儀（Acoustic Doppler three-dimensional point current meter：ADV，型號：VECTOR FIXED STEM，挪威Nortek，6 MHz，精度±0.5%±0.5 mm/s）采樣間隔為10 min，采集160 個數據，頻率為16 Hz，觀測點距離灘面0.2 m[19]。波潮儀（型號：Tide Wave Recorder-2050，加拿大RBR，精確度0.005%）采樣間隔為5 min，固定離灘面0.1 m 高度[20]。邊界懸浮泥沙剖面儀（Argus Surface Meter：ASM-IV，型號：Asma4，德國ARGUS，量程0～4 095 FTU）共有96 個濁度傳感器，相鄰傳感器之間距離為0.01 m，采樣頻率為1 Hz，固定離灘面0.05 m 處[21]。

本文采用室內標定法對ASM-IV 濁度探頭標定。將現場采集的水樣及距離灘面0.01 m 土樣進行沉淀，在自制標定桶內配置懸沙溶液[22]。先確定96 個傳感器測量濁度的一致性[23]，再將ASM-IV 垂直放置在自制標定桶內，采樣頻率設定為1 Hz，待配置的溶液攪拌均勻后，取傳感器所在水層溶液500 mL，最后將溶液采用雙膜法[24]抽濾、烘干、稱重。將測得的濁度值與懸沙濃度建立回歸關系[25]，相關系數均大于0.98（圖2）。

圖2 濁度（T）與懸沙濃度（SSC）的回歸關系Fig.2 Regression relationship between turbidity（T）and suspended sediment concentration（SSC）

因噪聲過大或水中氣泡會降低流速值的準確性及ADV 探頭暴露在空氣中的數據需要剔除，數據處理過程如下：

（1）剔除信噪比小于15 dB，相關性低于90 的數據。（2）流速異常值的檢測（圖3）。運用三維相空間法[26]對潮周期流速數據進行篩查。以T3 潮周期流速數據為例，將流速標準值u、Δu和Δ2u，構成橢球體閾值，橢球體外的流速點判定為異常值，用迭代法不斷地收縮閾值檢測異常值[27]，提高數據的精度。（3）用樣條曲線插值替換異常值。

圖3 T3 潮周期u 方向流速分量三維相空間異常值篩選效果Fig.3 Screening effect of three-dimensional phase space outliers of velocity component in u direction of T3 tidal cycle

2.3 土壤樣品與植被影像圖獲取與處理

在植被內部、邊緣及光灘使用GPS 定位了10 個采樣點。S7 及S8 采樣點淤泥較深，又因臺風天氣較差未能采集到樣品。采集面積為5 cm×5 cm，深度為0～5 cm 的土樣，將樣品放在不超過60℃烘箱內連續烘干72 h[28]。使用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000，英國Malvern，粒度范圍：0.02～2 000 μm）對樣品進行分析，實驗過程參考Zhu 等[29]的方法。按照國際標準的粒度分級方法Udden-Wentworth 將表層沉積物進行分類[30]，采用McManus 矩法計算表層沉積物粒度參數[31]。

臺風前后用海星達高程測量儀（型號：iRTK2 BX，中國廣州中海達測繪儀器有限公司，DGPS 定位誤差：±0.25 m，高程測量精度：±5 mm）以吳淞高程基面沿垂直于海堤方向每10 m 測量高程。運用Arcgis10.2對臺風前后高程值進行反距離加權法插值[32]，平均值誤差為0.06 m，再使用3D Analyst 工具柵格計算得出臺風前后灘面高程變化值。

臺風前后使用無人機（Mavic Air 2，型號L1P，中國深圳市大疆創新科技有限公司）對研究區航拍監測，航高為150 m，地面分辨率為5.5 cm。采用目視解譯法[33]將植被分布影像圖在Arcgis10.2 中矢量化，臺風后植被斑塊消失的面積定義為臺風過程植被的損失，再運用疊加分析計算臺風前后植被損失的面積。

3 結果與分析

3.1 臺風過程灘面水動力與沉積變化

3.1.1 臺風過程灘面水動力的響應

觀測期間，風向主要為北風，屬于離岸風（圖4a）。臺風前平均風速為4 m/s，臺風中平均風速可達17.73 m/s，臺風后平均風速為10.52 m/s。降水量在12 個潮周期內先增大后減小，臺風中T6 潮周期內累積降水量可達82.1 mm。

在潮周期內（圖4b），臺風前T1 和T2 平均流速約為0.15 m/s 增至臺風中T6 潮周期的0.23 m/s，臺風后T11 和T12 的平均流速為0.19 m/s。臺風前后最大流速在T12 潮周期為0.38 m/s，臺風中T6 潮周期最大流速可達0.42 m/s。臺風前后漲落潮初期流速逐漸增大，高平潮階段流速變小，臺風中高平潮期流速沒有明顯變小趨勢。臺風前后灘面近底層漲落潮流向主要為西北?東南，臺風中因東北風作用流速流向比較紊亂，漲落潮流向主要為西北?西南。

圖4 臺風過程氣象及近底層水動力和沉積變化Fig.4 Meteorological and near bottom hydrodynamic and sedimentary changes during typhoon

觀測點灘面水位高于2 m 可將整個灘面淹沒。臺風中處于天文潮小潮，T6 潮周期水位觀測點水位達到了最高2.66 m，臺風前后最高水位在T1 潮周期為2.26 m。臺風前后潮周期內灘面淹沒平均時長為2.67 h，臺風中灘面淹沒時長為3.91 h。

臺風前后植被邊緣灘面（圖4c）平均有效波高和平均波能為0.24 m 和57.94 J/m2，最大有效波高為0.49 m，最大波能為174.37 J/m2；臺風中植被邊緣灘面平均有效波高為0.37 m 和平均波能124.1 J/m2，最大有效波高為0.64 m，最大波能可達到284.95 J/m2，平均有效波高和平均波能是臺風前后的1.54 倍和2.14 倍。

3.1.2 臺風過程灘面近底層懸沙濃度

臺風前，SSC 自底層向上層遞減（圖4d），距離灘面0.05 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m 平均SSC 為8.00 g/L、5.69 g/L、4.75 g/L、3.95 g/L 和3.73 g/L。T1 和T2 潮周期漲潮初期距離灘面0.3 m 和0.5 m 高度出現“高懸沙濃度層（大于10 g/L）”[34]。臺風中T5 和T6 潮周期內距離灘面1 m 高度平均SSC 大于10 g/L，高懸沙濃度層存在時長為8.13 h。臺風后SSC 顯著降低，距離灘面0.05 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m 高度平均SSC 依次為2.81 g/L、2.90 g/L、2.78 g/L、2.80 g/L 和3.14 g/L。

臺風過程T1?T6 潮周期懸沙濃度遞增，T8?T12潮周期懸沙濃度下降。臺風前T1 和T2 潮周期水位到達高平潮時，SSC 自灘面向上層遞減，水中懸沙沉降形成“浮泥層（大于10 g/L）[35]”。臺風后T12 潮周期在漲潮初期懸沙濃度高于落潮期。臺風中T5 和T6 潮周期，風浪作用導致近底層懸沙濃度是臺風前后的3～4 倍。

3.2 臺風過程灘面高程及表層沉積物的響應

3.2.1 臺風過程灘面高程的響應

臺風后灘面高程發生了顯著變化（圖5）。臺風后植被分布區沖淤共存，高程低于4 m 海三棱藨草和互花米草分布稀疏的灘面主要呈現侵蝕的態勢，灘面刷低0～4.8 cm，而高程高于4 m 互花米草和蘆葦分布茂盛的灘面淤積了0～14.7 cm。

圖5 臺風后灘面高程變化Fig.5 Change of tidal elevation after typhoon

臺風期間光灘–植被過渡區高程對臺風的響應比較明顯，位于S2 與S5 之間與海堤平行的植被前緣沙堤在臺風前相對高度為0.42 m，臺風后沙堤相對高度變化不大，沙堤前緣向岸延伸了約50 cm 的距離，沙堤坡度減緩。臺風后鹽沼下部的光灘主要為侵蝕，海三棱藨草分布的先鋒灘面侵蝕可達2 cm，而互花米草和蘆葦的前緣沙堤淤積了2～5 cm 的高度。

3.2.2 臺風過程灘面表層沉積物的響應

臺風前表層沉積物顆粒以砂和粉砂為主，自岸向海高程降低，表層沉積物砂含量越多，植被內部黏土含量越高（圖6）。臺風后植被邊緣S3、S7 和S10 表層沉積物粒組含量無變化，砂含量仍為100%，但中值粒徑（MzФ）值平均增大0.11，沉積物顆粒變細；植被邊緣的分選系數值增大，分選性變差。臺風后，植被內部因植被密度不同，灘面沉積物組分變化各異。植被分布稀疏灘面如S1、S4 和S6 表層沉積物黏土含量減少，砂含量總體增加，表層沉積物顆粒變粗；分選系數明顯減小，分選性增強。而植被分布茂盛灘面S2 和S5，表層沉積物砂含量減少，粉砂和黏土明顯增多，MzФ值平均增大0.35，顆粒變細，分選系數變大，分選性變差。

圖6 臺風前后表層沉積物粒度參數及顆粒組分含量變化Fig.6 Changes of particle size parameters of surface sediments and particle composition after typhoon

臺風期間高程小于3 m 的光灘，表層沉積物粉砂占主導，灘面沉積變化強烈，如Op 采樣點，臺風后砂含量增加了39.9%，沉積物顆粒粗化，分選性明顯增強，水動力能量較強。

3.2.3 臺風過程灘面沉積與植被的響應

臺風以多種形式影響濱海濕地植被生存[36]。臺風后植被分布面積有所減少（圖7），植被分布面積共減少了1 827.67 m2，其中海三棱藨草減少了923.31 m2，蘆葦和互花米草共減少了904.36 m2。向海方向的鹽沼邊緣植被減少量最多，這使得植被邊緣向岸方向后退；其次植被分布面積減少多發生在潮溝附近，臺風期間潮溝的過水斷面面積增加，潮流動能增大，潮溝兩岸植物根系易因潮溝側蝕或擺動而發生暴露[37]，植物存活能力降低。

圖7 臺風過程減少的植被分布與灘面形態變化Fig.7 Reduced vegetation distribution and tidal flat surface change during typhoon

臺風中灘面侵蝕和淤積都會引起植被分布面積減少[38]，臺風后灘面侵蝕和淤積減少的植被分布面積占總植被減少量的31.9%和68.1%。海三棱藨草因灘面淤積和侵蝕減少面積分別為514.96 m2和408.35 m2；互花米草和蘆葦因灘面淤積和侵蝕分布面積減少為681.81 m2和222.55 m2。

4 討論

4.1 臺風過程灘面沉積和植被響應的過程及機理

研究表明，臺風過程濱海濕地植被和波浪的聯合增加湍流作用可以改變灘面的沉積動力[39]，灘面形態的變化會影響植被分布面積變化[40]。對比12 個潮周期的近底層懸沙濃度變化過程，臺風期間風驅動下形成的涌浪增高和沿岸流流速增大，使得灘面表層泥沙啟動[41]，臺風中T5?T7 潮周期觀測點灘面平均刷低0.8 cm（圖8），灘面表層沉積物與中上層水強烈混合[38]，形成“高懸沙濃度層”。臺風中T5、T6 潮周期內強勁的東北風促成沿岸流，漲落潮流向轉變為西北–西南，鹽沼下部光灘因暴雨沖刷表層沉積物含水量升高，灘面易侵蝕，在漲潮流速增大的同時輸沙強度明顯增強[42]。漲潮時高濃度的SSC 被輸送到高程大于4 m 且分布蘆葦和互花米草茂盛的灘面，互花米草和蘆葦的截留作用明顯，退潮時植被區內水動力較弱，顆粒小的沉積物易于淤積[43]，表層沉積物中值粒徑變小。植被前緣沙堤淤積高度變化不大，植被前緣向陸方向后退，這與風暴潮會增加侵蝕物重新分布到鹽沼表面[44]和植被邊緣向陸方向后退結論相一致[13]。鹽沼下部光灘灘面侵蝕且沉積物顆粒變粗，鹽沼下部與植被前緣沙堤的高程差增大，進而導致波浪增強。稀疏的根莖科植物在臺風期間使近底層流速脈動增強[45]，高程低于4 m 且分布稀疏海三棱藨草與簇狀互花米草的灘面表層沉積物泥沙進入水體不易沉降[46]，落潮沿岸流在東北風作用下泥沙向海方向輸送，灘面發生侵蝕。

圖8 潮周期內觀測點ADV 測量灘面平均相對高度變化Fig.8 Variation of average relative height of tidal flat measured by ADV at observation point in tidal cycle

4.2 臺風過程濱海濕地生態修復與管理

臺風過程濱海濕地生態系統的管理與健康維護不僅要考慮臺風前的預警和臺風中生態系統的響應機制研究，也要加強臺風后生態系統修復方案的探索[47]。基于成本效益，“綠色海堤”可以作為應對風暴潮對海岸侵襲的一種方式[48]。本研究臺風過程風驅動波流增大，灘面高程低于4 m 植被稀疏灘面刷低，海三棱藨草根部侵蝕暴露2 cm，而植被茂盛的灘面流速和泥沙起動能力較弱，灘面易于淤積。灘面植被的種類、分布的密度、帶寬、高度不同，消減有效波高和波能的能力各異[49]。本文高程在2～4 m 的灘面適合海三棱藨草生長[50]，移植海三棱藨草斑塊增加植被密度、寬度可達到消浪、促淤和固灘的效果[51–52]。確定適合植被生長高程的同時，植被斑塊移植位置的水動力、沉積環境也不容忽視[53]。臺風中鹽沼下部表層沉積物因波流增大泥沙起動，漲潮流作用下淤積于植被前緣的沙堤，在沙堤上移植的植被斑塊易被砂質沉積物掩埋。臺風中高程低于4 m 無植被分布的灘面表層沉積物懸浮形成高懸沙濃度層后被輸送到各處，灘面主要發生侵蝕。臺風后可通過微生物膜黏附泥沙的“生物穩定性”抑制泥沙侵蝕[54]。未來，就濕地生態系統的韌性問題，應該持續觀測濱海濕地植被和灘面沉積的動態變化，從而回答臺風后濱海濕地生態系統恢復到臺風前所需要的時間，以及應該采取的生態修復和管理策略，從而維護濕地系統服務功能的可持續性。

此外臺風過程灘面的形態變化也與大小潮周期和潮差等因素相關，如臺風后灘面在T8、T9 潮周期逐漸恢復淤積的態勢，但在T11 潮周期灘面刷低約2.8 cm。對于臺風過程整個灘面水動力變化及沉積動態響應，應當結合數值模擬來論證臺風的濱海濕地響應過程，進而提出有效的修復和管理意見。

5 結論

本文基于水動力觀測和ArcGIS 空間分析探究2021 年臺風“燦都”過程南匯東灘水動力、灘面沉積、植被分布生態系統響應過程。主要結論如下：

臺風中風速是臺風前后的2.4 倍，植被邊緣平均有效波高是臺風前后的1.54 倍。風浪驅動臺風中T6 潮周期平均流速達到0.23 m/s，灘面近底層懸沙濃度與表層沉積物強烈混合，出現時長為8.13 h 厚度為1 m 的“高懸沙濃度層”。

根據表層沉積物和高程變化，可知臺風期間高程小于4 m 的稀疏海三棱藨草和互花米草灘面水動力能量強于高程大于4 m 的茂盛互花米草和蘆葦灘面。臺風過后，研究區植被分布面積共減少1 827.67 m2，其中侵蝕灘面植被減少31.9%，淤積灘面植被減少68.1%。

臺風后高程低于4 m 的灘面，確定植被適宜生長的高程后，結合臺風過程沖淤變化可通過“微生物膜”和植被斑塊移植的方法消浪、固灘和促淤。

致謝：感謝上海海洋大學海洋生態與環境學院林軍教授和華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室李為華高級工程師對課題研究提供的指導。