基于自然的解决方案：利用海草床提升德国亚德湾地区海岸防护能力的数值模拟研究

本研究针对海岸带面临的风暴潮侵蚀风险，通过高分辨率数值模型SCHISM耦合波浪和沉积物模块，评估了海草床作为基于自然的解决方案(NbS)在德国亚德湾和威悉河口的保护效能。结果表明海草可显著降低波高(达40%)和床面剪切应力(达70%)，尤其在风暴期间能减少90%悬浮沉积物浓度，为海岸带韧性提升提供了量化依据。

　　

随着气候变化加剧，全球海岸带正面临日益严重的风暴潮侵蚀威胁。传统硬质防护工程如海堤和防波堤虽有效但成本高昂，且会破坏自然生态过程。在此背景下，基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)因其可持续性和生态友好特性备受关注。其中海草床作为"生态系统工程师"，通过茎叶结构衰减波浪能量、稳定沉积物，展现出巨大的海岸防护潜力。然而，关于海草在不同地理环境中的保护效能差异，特别是对极端气候事件的响应机制仍缺乏量化研究。

研究人员采用高分辨率海洋模型SCHISM（半隐式跨尺度水文科学集成系统模型），耦合波浪模型WWMIII和三维沉积物模块SED3D，对德国亚德湾和威悉河口进行了为期两年(2019-2020)的数值模拟。研究设置了三种情景：无植被对照(Exp1)、湾内海草恢复(Exp2)和外威悉河海草恢复(Exp3)，重点分析了常态和风暴期间的水动力参数变化。模型验证显示水位模拟相关系数达0.96，波高模拟误差仅0.16米。

2年尺度分析
通过时空平均发现：海草使床面剪切应力降低80%，侵蚀通量减少50%以上。悬浮沉积物浓度在植被区下降90%，湾内效果(0.15 g/L)优于外海(0.25 g/L)。深度平均流速衰减30%，波高降低45%，证实海草能有效改变水动力格局。

极端事件分析
针对2019年9月"莫蒂默"风暴的模拟显示：植被区床面剪切应力峰值从0.6Pa降至0.3Pa。风险地图表明海草将高侵蚀风险区转化为低风险区，但外威悉河因直接暴露于北海，防护效果较湾内减弱。Hovm?ller图揭示植被使沉积物再悬浮延迟发生，且风暴后恢复更快。

时空演变特征
沿断面分析显示：风暴期间裸露区侵蚀通量达植被区的2倍，且影响持续更久。海草通过改变底部边界层湍流结构，使沉积物临界起动应力阈值提升70%，这种效应在湾内封闭环境更为显著。

该研究创新性地量化了海草床在不同地理配置下的防护效能差异。虽然当前模型将植被简化为刚性圆柱体，可能高估实际效果，但结果为海岸带管理提供了重要启示：在亚德湾等半封闭海域，海草恢复可减少80%侵蚀风险；而在开放海域需结合其他NbS措施。研究支持将海草恢复纳入气候适应性海岸防护体系，为实施欧盟生物多样性战略提供了科学依据。论文提出的耦合模型框架，也为评估其他生态系统工程物种的防护功能建立了方法论基础。