《Science of The Total Environment》：Modelling estuarine wetlands and their role as nature-based solutions: a review
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这篇综述系统回顾了河口湿地水动力建模研究，归纳了湿地作为基于自然的解决方案（NbS）在减缓风暴潮、衰减波浪、改善水质等方面的生态服务功能。文章指出数值模型（如Delft3D、MIKE）能有效模拟植被的水动力效应，但也面临数据分辨率、植被参数化等挑战。未来需结合机器学习等工具提升模型精度，以支持海岸带管理。
河口湿地是位于淡盐水交汇处的复杂生态系统，包括红树林、盐沼等植被类型。近年来，这些湿地作为基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）的潜力日益受到关注。本文通过系统回顾230项水动力数值模拟研究，深入探讨了湿地植被如何通过改变水动力条件来提供多种生态系统服务，以及面临的挑战和未来研究方向。
4. 植被对河口环境的物理影响
4.1. 流速降低
数值模拟表明，盐沼植物能显著降低河口水流速度和潮通量，在植被区附近短距离内流速降幅最高可达75%。植被群落诱导产生更高的底床应力，从而耗散水流能量、减缓流速，并改变水流方向，使其流向摩擦力较小的无植被区域。结果，更高的流速集中在植被区域周围的潮汐河道中。模拟还强调，植被可以通过遮蔽水面来减弱风的作用力，进一步降低流速。这种减缓水流的效果随植被密度增加而显著增强。
4.2. 潮汐不对称性增强
河口湿地中的植被由于增加了摩擦，显著增强了涨落潮之间的不对称性。通常，植被密度在潮汐波变形中起重要作用，使其表现为落潮主导，即涨潮时间延长、落潮时间缩短，导致主河道落潮速度比涨潮更强劲。模拟显示，潮汐不对称性在河口剖面不同位置表现不同，内部红树林区域变得以涨潮为主，而外缘则变为以落潮为主。这种效应随植被年龄、密度和尺寸的增加而加剧。潮汐不对称性造成的峰值流速不平衡会显著影响湿地中的泥沙输运。
4.3. 沉积作用增强
植被通过改变水流的大小和方向，影响河口的侵蚀和沉积模式。植被减缓水流，有助于泥沙在湿地内截留，增加沉积，降低水体中的悬浮泥沙浓度，从而加速植被平台的垂直生长，增强土壤抗侵蚀能力。然而，沉积作用在植被湿地内并不均匀，模拟显示沉积物积累随离河道和边缘距离的增加呈指数减少。在春季大潮等高潮差时期，沉积速率增加，有更多泥沙被输送到湿地内部区域。值得注意的是，密集植被可能将水流导向阻力较小的光滑河道，从而局部增加流速，可能导致沼泽岸线侵蚀和河道刷深。
4.4. 风暴潮影响减缓
在62项模拟研究中，湿地植被在减缓风暴潮影响方面作用显著。增强的湿地粗糙度延迟了风暴潮的传播，有助于防止上游地区洪水泛滥。植被特性如物种、密度和尺寸影响其防护性能。通常，更高、更宽、更密且位置战略的湿地能提供更好的风暴衰减效果。但植被的刚性也很关键，刚性植物在相同密度下比柔性植物提供更大的水流阻力。忽略植物的柔性可能会高估其防洪能力。
4.5. 波浪能量衰减
71项研究专注于模拟植被湿地对波浪的衰减。植被通过摩擦导致能量损失，从而降低波高并减缓剧烈的波浪破碎。大部分衰减发生在沼泽的前缘，最初50米内波高可减少20%，100米内可达95%。然而，在沼泽边缘附近，由于波浪反射和植被阻挡，水位可能升高。波浪衰减是非线性的，受湿地大小、形态、植被特性、水动力和风况等多种因素影响。水深是波浪耗散的最重要因素，较浅的水深由于浅水效应和波浪破碎能显著减少波浪能量。所有植被特征参数，包括密度、直径、高度和刚度，都影响波浪衰减的效果。
4.6. 水质改善
38项研究应用了水动力-水质耦合模型来评估湿地对河口水质的影响。湿地在物理上通过改变流速分布和增加摩擦力来促进水体中颗粒物的截留；在生物化学上，则吸收和转化营养物及污染物。湿地是碳和氮的重要汇，潮汐沼泽可去除34%至45%的氮输入。然而，沼泽也可能释放营养物和有机物，这种双重作用可能随季节变化。
5. 威胁或影响植被作用的因素
5.1. 生物条件与潜在威胁
植被定殖和扩张依赖于种子的供应、传播和沉降。模拟显示，大多数种子在附近的红树林内沉降，长距离传播有限。成功的幼苗建立需要稳定的底床动力学、适宜的土壤质量以及足够长的无干扰时期。高密度植物群落中的种间竞争也会影响植物的建立和生长。湿地的生物生产力取决于水质参数、营养物和有机物的输送以及气象条件的变化。
5.2. 水文变化
沼泽的健康和生存高度依赖于水文条件。淡水输入河口具有输送泥沙、营养物和植被种子的重要作用。水文连通的消除或限制会破坏能量、物质和物种的流动。水文过程的改变会显著影响湿地植物群落的空间分布和组成，例如减少淡水输入可能导致盐敏感物种死亡或促使耐盐植物向海迁移。盐度状况直接影响植被生产力，模拟显示植被生物量生长和分布受潮汐特性影响。
5.3. 强烈风暴
强烈的水动力强迫，如高淡水径流或严重的波浪事件，会加速侵蚀，改变生态系统景观及其功能。这些极端事件可能折断茎杆，影响植被生长和恢复力，并降低其波浪衰减能力。如果强水动力条件导致长时间淹没，会影响种子定殖并增加植被死亡率。气候变化预计将导致更频繁的极端风暴事件，从而增加海岸洪水、沼泽淹没和植被丧失的风险。
5.4. 沉积动力学
沉积是维持沼泽生境的关键过程。模拟表明，植被通过增加滞留时间促进沉积。然而，必须向河口湿地供应足够的泥沙，否则沼泽稳定性可能受到威胁。沉积动力学可能随河流径流、潮汐振荡和波浪事件而呈现季节性变化。形态变化和输运不对称性也可由水流、泥沙、水深地形和植被之间的相互作用产生。
5.5. 人为活动
海岸开发、基础设施建设和水文调控等活动显著影响河口环境。疏浚河道、筑堤、建坝和抽取淡水等活动会改变水动力和输运模式，常常加剧植被退化并影响沼泽健康。人为活动增加的营养物释放会恶化水质，增加富营养化风险。改变河道横截面积或引入不规则形态等景观操控，可以作为生态系统恢复的有效管理策略。
6. 气候变化对海岸植被区的影响
海平面上升（SLR）使低洼地区面临淹没风险，并影响河口环流、盐度和泥沙输运。SLR通常与更大的潮棱体、潮间带淹没时间延长、盐水入侵增强以及滞留时间延长有关。SLR也会对湿地的水质生态系统服务产生负面影响，例如营养物和污染物滞留时间延长可能导致积累，促进藻华。径流变化影响河口的适宜性，模拟显示生态恢复项目（如增加淡水输入）有助于减缓河口盐度增加。较高的SLR速率增加了沿海湿地群落丧失生产力、淹没或消失的可能性。现有湿地通过向陆地方向迁移或通过垂直加积来维持海拔，以应对SLR。
7. 海岸保护：灰色与绿色干预措施（NbS）
传统的“灰色”防御设施，如海堤和堤坝，已被广泛使用。然而，基于自然的解决方案（NbS）作为一种生态友好的替代方案日益受到关注。沼泽阶地、柴笼坝、扩展或创建海草床以及红树林造林都是NbS的例子。研究发现，NbS具有多功能性和生态效益。但NbS也有局限性，例如盐沼的生物不稳定性。因此，“混合”干预措施结合了绿色和灰色基础设施，在许多情况下被证明是最有效的策略。成功的实施需要全面了解特定地点的当前和未来水动力、形态和环境因素以及经济、社会和政策考量。
8. 河口湿地建模的挑战
有效的建模面临挑战，包括干湿过程模拟、网格分辨率和地形水深数据精度、数据可用性和质量、以及植被参数化。流阻通常用一个恒定的粗糙度系数表示，但该参数随植被特性、水深和流速在空间和时间上变化。在风暴事件期间，随着植被弯曲或折断，粗糙度系数变得更加动态。此外，植被密度的季节性变化会显著影响湿地的水动力行为。因此，确定粗糙度系数是一项具有挑战性的任务。植被在水动力数值模型中可以用隐式或显式方法表示。显式建模能产生更准确的结果，但需要更精细尺度分辨率和高精度数据。
9. 结论
综述文献证实，数值模型可以有效地模拟现有湿地或其纳入河口环境。尽管面临挑战，水动力建模研究强调，河口湿地由于其粗糙度提供了关键的生态系统服务。湿地提供这些服务的有效性因海岸景观特征、水动力条件、湿地大小和植被特性而异。植被健康和稳定性直接关系到湿地有效提供生态系统服务。气候变化和强烈的水动力可能损害植被。基于自然的解决方案（NbS）是有益且灵活的策略，混合方法结合灰绿基础设施是一种有前途的替代方案。开发准确可靠的湿地作为河口NbS的模型研究需要详细的特定地点知识、数据和分析。未来的研究应侧重于改进模型中的植被表征，并探索补充性工具的结合。
