综述：通过海草量化波浪衰减：评估技术的全面综述

《Frontiers in Marine Science》：Quantifying wave attenuation by seagrass: a comprehensive review of assessment techniques

海草床通过波浪能量耗散和底沙稳定化等机制发挥海岸防护作用，其波浪衰减性能受植被密度、叶片柔韧性、水深及波浪周期等多因素影响。本文系统综述了2000-2024年间40篇实验室与数值模拟研究，发现：（1）现有评估参数（如波衰减系数KD、拖力系数CD、湍动能TKE）存在定义不统一问题，导致跨研究比较困难；（2）柔性叶片的波浪阻力低于刚性叶片，且叶片重新排列会减少有效截面积；（3）亚临界水流（Keulegan-Carpenter数KC<2）下，海草通过调整叶片形态显著提升波浪衰减效率；（4）潮流与波浪的复合流场中，海草的柔性形态会因水流剪切作用产生横向偏移，降低波浪阻力。基于此，提出包含6项核心参数（KD、CD、WTC、WED、TKE、WIF）的统一评估框架，并建立植被形态参数（叶片柔韧性、冠层高度）与波浪动力参数（KC、波况非线性）的关联模型，为海草生态修复与工程应用提供量化依据。

　　### 一、引言

随着全球约40%的人口居住在沿海地区，这一比例预计将在未来继续增长，沿海区域在全球社会经济中扮演着越来越重要的角色。然而，这些区域也面临着风暴、洪水和侵蚀等自然灾害的威胁。为了保护沿海地区，传统的硬工程防御措施如海堤、防波堤和海墙被广泛采用。然而，由于气候变化导致的海平面上升和极端波浪事件的频率与强度增加，这些硬工程方法被认为在长期中难以维持。此外，这些工程措施可能对周围生态系统造成显著破坏，例如海墙的建设会占用沿海栖息地并改变表面结构，导致潮间带的截断和表面复杂性的简化，从而引发栖息地碎片化和海洋生物多样性的下降。

鉴于这些挑战，近年来越来越多的注意力被集中在恢复和重建沿海生态系统上，如海草床。海草床不仅是重要的生态基础物种，还因其工程功能，如波浪能消散和沉积物稳定化，而被广泛认可。它们在浅水区域发挥着关键作用，为沿海防护提供了多种潜在的生态和工程效益。然而，关于海草床诱导波浪能消散的机制仍然不够明确，记录的指标也存在不一致，这使得不同实验研究之间的比较变得困难。因此，本研究旨在通过系统地审查2000年至2024年间进行的六项关键参数，以评估海草床的波浪能消散性能，包括波浪能消散、阻力系数、波浪透射系数、波浪消散系数、波浪诱导流速和湍流动能。通过总结这些参数的发展、应用和性能，本研究还讨论了波浪消散的物理机制，并进一步探讨了水流对海草床波浪能消散性能的影响。这些研究结果为建立统一的框架，以评估海草床的冠层特征和波浪特征对波浪能消散的影响，提供了基础，同时也有助于结合海草床恢复指导的沿海防护政策的发展。

### 二、方法

本研究采用了首选报告项目用于系统综述和元分析（PRISMA）方法，以系统地回顾海草床对波浪能消散的能力。研究的论文选择基于定义的关键字和特定的排除与纳入标准，使用Web of Science和Scopus数据库，这两个数据库被广泛认为是各种主题最全面的文献存储库。在初步搜索阶段，我们使用了一系列针对性的关键字和搜索字符串来识别相关研究，涵盖已发表论文的标题、摘要和关键词。搜索覆盖了从2000年1月到2024年11月的论文。

在初步筛选阶段，共选择了501篇已发表的论文进行进一步评估。随后，应用了一系列纳入和排除标准（见表2），以排除那些相关性较低的论文。在此阶段，仅选择那些基于实验研究评估海草床波浪能消散性能的同行评审论文进行全文审查。图3展示了选择相关论文的关键步骤。最终，共纳入了40篇已发表的论文进行全文分析。这些筛选后的论文的关键特征（如海草种类、水动力条件和报告的参数）列于附表S1中。值得注意的是，除了系统综述数据集外，还参考了一些通过后向引用追踪发现的基础研究，以说明波浪能消散模型的历史发展；然而，这些研究并未包含在数据集中，因为它们并非专门针对海草床或实验性质。

### 三、结果

#### 3.1 海草床对波浪能消散的影响

尽管海草茎的几何特征因种类而异，并且在一年中动态变化，这导致了海草床诱导的波浪能消散存在一定的不稳定性，但波浪能消散主要由水动力阻力贡献，这取决于海草叶片与水粒子之间的相对运动。当波浪与淹没的海草床相互作用时，海草床诱导的波浪能消散性能通常与环境特征（如水深、入射波高和入射波周期）以及冠层特征（如冠层高度、茎密度和叶片柔性）有关。在一定长度（x）的海草床中，波浪能消散可以通常通过波浪消散系数来表达。

#### 3.2 海草床波浪能消散性能的评估

文献中普遍认为，海草诱导的波浪能消散与多种因素有关，包括波浪特性、冠层特征以及水流的影响。其中，波浪透射系数和波浪消散系数是评估海草床波浪能消散性能的常用参数。这些参数不仅能够量化波浪能消散的程度，还能够揭示波浪与海草床相互作用的机制。研究发现，波浪透射系数与波浪的传播距离、入射波高和冠层特征密切相关。此外，波浪消散系数则与波浪的传播距离、入射波高和波浪周期等参数有关。值得注意的是，波浪透射系数与冠层高度、茎密度和叶片柔性等参数具有显著的正相关性。

#### 3.3 海草床波浪能消散的物理机制

海草床诱导的波浪能消散主要由叶片的运动引起，这种运动包括波浪引起的叶片摆动、叶片的变形以及叶片与水流之间的相互作用。叶片的摆动和变形能够有效减少波浪的传播速度，从而降低波浪能消散的效率。此外，叶片的运动还会产生湍流动能，这种动能可以进一步影响波浪的传播和消散过程。研究发现，波浪诱导的流速在评估海草床的波浪能消散性能中起着重要作用，它不仅能够反映波浪与海草床之间的相互作用，还能够揭示海草床对波浪能消散的贡献。此外，波浪能消散的效率还受到水流的影响，水流可以改变波浪的传播路径和速度，从而影响海草床的波浪能消散性能。

#### 3.4 海草床波浪能消散的参数分析

在评估海草床波浪能消散性能时，通常使用六项关键参数：波浪能消散、阻力系数、波浪透射系数、波浪消散系数、波浪诱导流速和湍流动能。这些参数不仅能够量化海草床对波浪能消散的影响，还能够揭示波浪与海草床相互作用的机制。研究发现，这些参数在不同实验研究中存在显著的差异，这使得比较不同研究的结果变得困难。因此，建立一个统一的评估框架对于全面理解海草床对波浪能消散的贡献至关重要。

### 四、挑战与展望

#### 4.1 研究缺口

目前关于海草床工程特性的研究仍处于初级阶段，存在许多需要填补的研究缺口。首先，当前的研究主要集中在具有均匀特性的海草床，如单一物种，这与自然界的实际情况不符。因此，建议对多长度叶片和异种海草冠层的影响进行量化研究。其次，海草床有效提供波浪能消散的阈值尚未确定。研究发现，当淹没比低于0.2时，海草床诱导的波浪能消散变得微不足道，但其他影响因素，如茎密度、冠层长度和碎片化等的阈值仍需进一步研究。第三，海草床的冠层特征和物理属性，如冠层密度、覆盖面积、叶片刚度和叶片长度，会随着季节变化而显著不同，这进一步影响了海草床的波浪能消散能力。然而，大多数研究仅关注单一参数的影响，为了全面量化季节性影响，需要研究多因素影响机制。第四，只有少数研究展示了海草床在风暴条件下的波浪能消散性能，且海草床在风暴后的恢复能力仍未被充分研究。第五，海草床与现有的人工海防设施（如防波堤和海墙）之间的相互作用仍是一个研究缺口。未来的研究可以进一步探索海草床与人工海防设施结合的可能性，以实现波浪能消散和生态增强的双重效益。此外，建议探索海草床与其他自然元素（如牡蛎礁）的结合，以构建多线性海岸防护体系。

#### 4.2 一个新的框架用于设计和报告海草床研究

基于本综述，我们提出了一种用于实验研究量化海草床波浪能消散性能的基本设计和报告框架（见图14）。研究可以分为准备阶段和测量与报告阶段。如前所述，海草床诱导的波浪能消散高度依赖于流体特性、环境条件和海草种类的特征。因此，建立海草床模拟物是进行实验室规模实验的第一步，作为使用全规模自然海草床的替代方案。重要的是，应在报告中包括海草模拟物与所选海草种类之间的几何和动态相似性。关键参数包括浮力、Cauchy数和叶片长度比。在准备阶段，应记录冠层的流体条件和特性，如长度、碎片化和茎分布。在测量和报告阶段，文献指出，研究海草床诱导的波浪能消散时常用的测量包括波浪高度和瞬时水流速度。在一些研究中，通过测量波浪作用在海草叶片上的力，使用直接法或最小二乘法（LSM）来计算阻力系数。然而，大多数研究通过测量波浪消散系数来估算阻力系数，这通常基于未变形的叶片长度或有效叶片长度。数据透明度对于在不同研究之间推广结果至关重要，尤其是在没有统一评估标准的情况下。尽管有六项参数用于评估海草床诱导的波浪能消散性能，但在单一研究中通常只报告其中的一项或两项参数，且原始数据的透明度较低。因此，建议作者在可能的情况下分享原始测量数据，以便其他研究人员计算相关指标。

### 五、结论

自然解决方案，如恢复海草床，近年来作为应对气候变化威胁的有效策略，受到了越来越多的关注。这些方案不仅能够提供工程和生态效益，还能够有效保护沿海地区。然而，由于不同研究之间缺乏一致的评估标准，以及实验方法和测量数据的有限性，使得比较结果和达成共识变得困难。本综述的元分析指出，研究人员在不同研究中使用的评估方法和经验公式存在模糊性。因此，本研究不仅系统回顾了用于测量和评估海草床波浪能消散和局部水动力学的关键因素和参数，还提供了关于这一研究领域全球研究的详细信息。波浪诱导的流速是评估海草床波浪能消散性能的最常见参数（在筛选的论文中占26.7%），它能够揭示海草床诱导的波浪能消散的机制，并提供一个直观的水动力结构。在此基础上，湍流动能分析展示了微观层面的湍流分布，有助于进一步理解局部水动力学，并揭示溶解物质和悬浮沉积物的运输和停留行为。尽管水动力结构被广泛研究，但波浪高度的变化在海草床中仍然受到主要关注（在筛选的论文中占31.7%），因为它能够直观地反映海草床对波浪能消散的影响。在这一背景下，波浪透射系数和波浪消散系数作为波浪高度测量的基础，提供了评估海草床波浪能消散性能的便捷指标。结合阻力系数，一个无量纲参数，用于量化海草床在不同水动力条件下的阻力，多项经验公式被开发用于预测波浪消散系数。波浪能消散反映了波浪在通过海草床时的能量消散。此外，波浪条件和冠层特征对海草床诱导的波浪能消散和局部水动力学的影响也被总结和讨论。基于元分析的迫切需求，我们提出了一种新的框架，用于测量和量化实验研究中海草床的波浪能消散性能。综上所述，进一步的实验研究对于充分发挥海草床作为有效自然解决方案的潜力至关重要。需要全面的研究来解决现有挑战，并改进评估海草床波浪能消散和局部水动力学的经验方法。这将最终加深我们对海草床工程效益的理解，并促进沿海管理中的环境可持续性。