利用量化的概念方法以及多个站点的长期数据，在模拟沿海泻湖口形态和水文特征方面取得了进展

《Geomorphology》：Progress in modeling coastal lagoon mouth morphology and hydrology using a quantified conceptual approach and long-term data across multiple sites

本研究提出一种高效量化概念模型（QCM），通过整合水文与沉积平衡模块，预测海岸潟湖口闭合及水位变化。模型采用模块化参数设计，在加州9个不同特性的潟湖中验证，结果显示QCM在口闭合预测精度上优于传统方法，且对水位变化的模拟准确率达90%以上，适用于工程评估与生态影响分析。

　　这篇文章探讨了一种计算效率高、能够预测沿海泻湖物理条件的模型，旨在为管理决策提供科学依据。该模型在传统方法的基础上进行了创新，利用多个地点长期测量的数据集，对泻湖的水文和沉积物流动进行简化建模。这种方法被称为“量化概念模型”（Quantified Conceptual Model, QCM），其核心在于通过水平衡和沙平衡的机制，模拟泻湖与海洋之间的水交换过程，预测泻湖出海口的闭合状态以及水位变化。

沿海泻湖是全球海岸线的重要组成部分，它们的水文条件高度变化，为生物多样性提供了丰富的栖息地。这些系统通常由沙或砾石构成的屏障（称为“沙堤”或“海滩脊”）隔断，形成与海洋之间的水交换通道。在某些情况下，这些泻湖可能拥有稳定的淡水供应，而另一些则可能没有。由于泻湖常常连接低洼地区和海岸线，因此它们在农业、沿海开发、休闲活动以及海上交通等方面具有重要地位。然而，这些用途往往与本地物种适应的水文条件产生冲突，导致生态和人类活动之间的矛盾。

沿海泻湖的形成通常与海平面上升和河流侵蚀有关。在最后一个冰河期之后，大约6000到8000年，随着海平面的上升，河流侵蚀的河谷或地质低洼区域逐渐被淹没，形成了这些系统。这些系统在分类上存在一定的困难，因为它们的水文条件和出海口形态受多种因素影响，包括淡水输入、潮汐作用、波浪暴露、地质结构、沉积物粒径以及气候条件。这些因素的变化使得传统分类方法难以准确描述泻湖的特性。

在过去的几个世纪中，随着城市化的发展，沿海泻湖的管理变得复杂。为了减少低洼基础设施的洪水风险，通常会采取人工开挖的方式，即在海滩上建立新的通道，以排水并防止水位过高。然而，这种方法对泻湖内的水生生态系统产生了负面影响，例如将某些物种冲入海洋，同时引入海洋浮游生物，从而迅速改变泻湖的生物组成。此外，人工开挖还会影响底栖无脊椎动物，导致其种群数量的急剧下降。随着海平面上升，如何在防洪、土地利用和生态保护之间保持平衡，将成为一个更加棘手的问题。

尽管全球范围内都存在类似的管理挑战，但本文的研究重点放在了美国太平洋沿岸的加利福尼亚州。该州是其他人口密集海岸线的代表，拥有3940万居民，海岸线长度约为1350公里。此外，加利福尼亚州拥有大量小型流域的排水系统，其中包含超过280个不同规模的沿海泻湖。这些泻湖为迁徙鸟类提供了重要的栖息地，并且是多种水生生物的关键生存环境。许多物种是本地特有的，且近年来数量持续下降。同时，由于这些泻湖的水文条件和出海口形态高度多样，其生态系统表现出极高的复杂性和生物多样性。

为了应对这些挑战，需要一种能够快速运行且成本合理的模型，能够模拟驱动泻湖行为的主要水文和海岸过程。传统的模型方法通常依赖于对出海口状态（如开放或闭合）与外部因素（如波浪输送、潮汐能量）的比较。这些方法使用代表性的指标，如年度波浪能量和潮汐能量（潮汐体积），来评估泻湖的稳定性。然而，随着研究的深入，这些方法逐渐显示出其局限性，无法全面反映泻湖的复杂性。

近年来，一些研究开始使用时间序列数据，对出海口的稳定性进行建模。例如，Battalio等人（2007）在旧金山的Crissy Field开发了一个时间序列模型，用于预测人工构建泻湖的行为。这一模型基于波浪、潮汐和河流条件，以及波浪冲刷和溢流的影响，从而更准确地模拟出海口的闭合和开放状态。此外，Wainwright等人（2012）在澳大利亚东南部开发了一个模型，基于泻湖水位与波浪构建的沙堤之间的关系，重点分析河流流量对水位的影响，并应用于管理问题，如制定出海口开放的协议和预测未来海平面上升的影响。Rich和Keller（2013）在Carmel River estuary也采用了类似的方法，而Behrens等人（2015）则进一步发展了时间序列模型，纳入了波浪、潮汐和河流条件的影响，以及出海口形态的变化。

本文提出的模型是一种现代版本的上述方法，旨在为管理决策提供更准确的预测。该模型的核心是简化表示泻湖的水文和沉积物流动，以模拟其与海洋之间的水交换。这种模型适用于广泛的泻湖系统，能够预测出海口的闭合状态和水位变化。在加利福尼亚州的九个泻湖站点上，模型的预测结果与观测数据进行了比较，其中每个站点都有不同的外部影响条件。这些比较结果显示，该模型在预测出海口闭合状态方面优于传统方法，并且在预测泻湖水位方面表现出较高的准确性。

研究结果表明，该模型在极端的出海口状态（如完全闭合或完全开放）下的预测最为准确。为了进一步理解这一现象，文章比较了各站点的月均波浪能量和泻湖能量，揭示了这些因素对出海口状态的影响。此外，模型还考虑了淡水输入、蒸发和渗漏等过程对泻湖水位的长期影响，这些因素可能导致水位的显著下降，从而影响泻湖的生态条件。

在模型的应用过程中，研究人员还结合了表面高程数据、水位数据、出海口几何形态调查以及出海口闭合的时间序列数据，以训练模型并提高其预测能力。这种综合方法不仅能够模拟出海口的动态变化，还能够评估不同管理措施对泻湖系统的影响，例如是否需要人工开挖以防止洪水，或者是否需要采取其他措施来维持生态平衡。

通过这种模型，管理者可以在不依赖复杂计算的情况下，快速评估管理措施的可行性，并为未来的规划和决策提供科学支持。同时，模型的预测结果也可以作为进一步使用二维或三维模型的基础，以便更详细地分析泻湖系统的行为。这种模型在实践中的应用，为沿海泻湖的管理提供了新的思路，特别是在应对海平面上升和气候变化带来的挑战时。

总的来说，本文提出的“量化概念模型”（QCM）是一种在传统方法和现代数值模型之间的重要工具。它能够有效模拟不同泻湖的水文和沉积物流动，预测出海口的闭合状态和水位变化。通过在加利福尼亚州的九个泻湖站点上的测试，模型的预测结果得到了验证，表明其在不同外部条件下的适用性。这种模型的开发不仅有助于理解沿海泻湖的复杂性，还为未来的管理决策提供了科学依据。随着全球海平面上升和气候变化的加剧，这种模型的应用将变得更加重要，为沿海地区的可持续发展和生态保护提供支持。