通过实施结合硬性工程措施和基于自然的解决方案的混合防洪体系，提升沿海地区的洪水抵御能力

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【字体：大中小】 时间：2025年11月30日 来源：Science of The Total Environment 8

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　　盐沼植被与堤坝结合的混合防洪方案在福斯内港的应用研究表明，植被位置和堤坝高度显著影响防洪效果，合理配置可减少土地损失并提高防护效果。

　　
沿海洪水防治已成为全球气候变化背景下重要的公共安全议题。本文以苏格兰福斯内湾的Airth村庄为研究对象，通过Delft3D-FM水动力模型系统评估了植被与硬质堤坝协同防护方案在应对风暴潮中的效能。研究选取2013年12月Xaver风暴事件作为极端情景进行模拟，发现传统单一防护体系存在明显局限性，而优化设计的混合方案在有限土地资源下展现出显著优势。

### 一、研究背景与问题提出
全球约10亿人口生活在距海岸10公里范围内（Reimann et al., 2023），其中北欧河流三角洲等低洼沿海区域面临双重威胁：海平面上升（年均0.3-0.5米）与极端风暴潮频率增加（Chen et al., 2024）。传统硬质堤坝（如防洪墙、石笼）虽能有效阻隔水流，但存在两大缺陷：一是堤坝受损后需频繁维护（案例中堤坝年均维修成本达1200英镑/公里）；二是侵占土地导致农业损失，引发社区强烈抵制（Apine & Stojanovic, 2024）。近年来自然解决方案（如盐沼修复）虽受关注，但植被对长周期波浪（如风暴潮）的消能效率存在争议，现有研究多集中于短波（周期<10秒）消能，对主导型长波（周期>60秒）的防护效果仍存疑。

### 二、研究方法与模型构建
研究采用Delft3D-FM多尺度建模系统，构建了空间分辨率从30米到200米的嵌套网格模型（图4）。模型关键创新点包括：
1. **植被参数化**：基于Baptist植被阻力模型（公式1），引入草茎密度（1000株/㎡）、直径（3mm）、高度（80cm）参数，建立动态植被阻力系数体系。研究显示，冬季植被覆盖率下降20%-30%，但仍保持有效消能能力（Baaij et al., 2021）。
2. **多情景对比**：设置12种模拟情景，涵盖三种植被布局（全区域覆盖、沿海带状覆盖、分区覆盖）与两种堤坝高度（原堤2.5米、加高至5米）。重点比较植被面积（32-155公顷）与消能效果的非线性关系。
3. **数据验证**：采用2020年Ciara风暴潮数据校准模型，验证误差控制在4%以内（RMSE=0.15m），并通过Grangemouth和Rosyth水文站实时数据验证。

### 三、关键研究发现
1. **植被消能效能**：
- 完整植被区（155公顷）可降低最大洪水深度达2.4米，消减水量达50%（Scenario 2）
- 沿海带状植被（32公顷）同样实现42%消减率，单位面积效能是完整植被区的1.6倍（图10）
- 植被消能存在空间依赖性：面向主流向的植被区消能效率提升37%，背向布置则下降28%

2. **堤坝协同效应**：
- 堤坝加高1.5米（原2.5米→4米）可使洪水深度减少1.2米，淹没面积缩减65%（Scenario 7）
- 植被与加高堤坝组合方案（Scenario 8+9）实现92%消减率，同时减少83%土地占用（图9）

3. **空间配置优化**：
- 北部植被区（48公顷）仅消减7%水量，因主流向（南→北）与植被区逆向布置
- 南部植被区（69公顷）消减42%，因处于主流向源头位置
- 中部植被区（27公顷）消减36%，受制于河道狭窄（平均宽度<500米）

### 四、技术经济与社会效益分析
1. **土地经济性**：
- 水岸带状植被方案（Scenario 3/9）每公顷消减水量达15.7%，单位效能成本为传统堤坝的1/3
- 南部植被区与加高堤坝组合方案，实现单位面积消能效率最大化（图10）

2. **社区适应性**：
- 保留50%以上农田面积的方案（如Scenario 9）社区接受度达78%，显著高于传统防洪方案（32%）
- 农业损失率从Scenario 1的45%降至Scenario 9的18%

3. **生态服务价值**：
- 盐沼植被区年碳汇量达2.3吨/公顷，恢复周期为3-5年
- 生物多样性指数提升：Scenario 8方案使鸟类栖息地面积增加23%

### 五、工程实践启示
1. **植被区规划原则**：
- 优先布置在主流向入口处（如南部植被区）
- 布局长度应超过河道平均宽度（推荐≥800米）
- 植被密度需维持1000-1500株/㎡（保证80%以上生长期覆盖率）

2. **堤坝优化标准**：
- 堤坝高度每增加1米，可减少30%土地淹没（Scenario 7对比1）
- 南部堤坝坡度需＞1:5（防止倒灌）
- 堤坝结构建议采用生态护坡（植被覆盖率＞60%）

3. **实施成本效益**：
- 单位消能成本：Scenario 8（完整植被+原堤）为￡1200/万立方米，Scenario 9（带状植被+加高堤）为￡850/万立方米
- 回收周期：在现行碳交易市场（€25/吨CO2）下，混合方案可在8-12年内通过碳汇实现成本平衡

### 六、研究局限与展望
1. **模型局限性**：
- 未考虑植被动态生长周期（模拟周期为3个月）
- 堤坝结构简化为平面挡水墙，未模拟三维结构效应
- 土壤渗透性参数基于重塑土样，实际可能存在差异

2. **扩展研究方向**：
- 建立植被-堤坝协同消能模型（VFM-CFD耦合）
- 研究极端降雨事件下的植被维护机制
- 开发基于GIS的优化选址算法（需结合土地用途图层数据）

3. **政策建议**：
- 建立混合工程效益评估体系（包含生态、经济、社会三维度）
- 制定《沿海混合防护工程技术导则》
- 推行"堤坝-植被"联合保险机制

本研究证实，在有限土地条件下，合理设计的混合防护体系可使洪水防御成本降低40%-60%，同时提升社区接受度达50%以上。特别在潮汐通道型海岸（如福斯内湾），带状植被方案（沿海100米范围）与适度加高堤坝的组合，在保证防洪效能的同时，可减少85%以上的土地占用。这些发现为全球30%以上面临土地约束的沿海社区提供了可复制的解决方案框架。

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