评估沼泽梯田设计参数对水动力学的影响

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Assessing Marsh Terrace Design Parameters Impacts on Hydrodynamics

　　

• 设计了一个理想化的水域来代表路易斯安那州的沼泽池塘。• 模拟了八种沼泽台地配置与九种风事件的相互作用。• 沼泽台地可以有效降低沿岸与风相关的波浪活动。• 台地形状对有效波高降低的影响最为显著。• 增加台地场的整体密度产生了积极效果。

引言

沿海区域，包括河口系统，由于海洋的动态特性和强烈的作用力，是全球最具动态变化和脆弱性的环境之一。由于其固有的不稳定性，加上气候变化和人为强迫因素的影响，这种不稳定性随时间推移而加剧，导致沿海挤压现象——即当地沿海栖息地（如盐沼或红树林）被上升的海平面（即气候强迫）和固定的人工建筑所夹击（Pontee, 2013）。在美国，沿海路易斯安那州正经历自然和人为过程共同导致的土地损失。由于陆地沉降加剧和侵蚀作用随时间推移而增强，受水文动力过程和密西西比河三角洲变化所驱动，该州从1932年到2016年间，陆地面积减少了约25%（约4,800平方公里）（Couvillion等, 2017）。美国大陆约40%的沿海湿地位于路易斯安那州，因为密西西比河口与墨西哥湾的相互作用创造了一个动态环境（Cannaday, 2006; Gedan等, 2011）。整个三角洲地区的水坝和运河建设阻碍了密西西比河的沉积物输送，而这些沉积物在1930年代之前曾对抗过三角洲平原废弃后发生的自然土地损失（Craig等, 1979）。然而，现代人为因素导致的最快速崩塌期发生在20世纪60年代至90年代之间——在70年代中期达到高峰，全海岸年损失率达83.5±11.8平方公里——随后在2010年之后减缓至28.01±16.37平方公里/年（Boesch等, 1994; O'Connell & Nyman, 2010），最终造成了这一沿海地区的不稳定性。

这片广阔的湿地为复杂的生态系统提供了栖息地，是路易斯安那州洪水风险管理、渔业、经济和工业运营的重要组成部分（Chesney等, 2000）。为应对不断加速的土地损失率，路易斯安那州历史上一直依赖工程化的传统基础设施，如水坝和海堤，来保护暴露在开阔水域中的社区和资产（Hewageegana等, 2022）。传统基础设施在失效时可能产生灾难性后果（即"失效安全"设计），因为它只提供了一道僵硬的防线，一旦遇到超过其严格设计阈值的冲击，结构失效将是二元化且灾难性的，一旦受损就无法自行恢复（Ahern, 2011; Kim等, 2019, 2022）。这些挑战导致传统方法由于高昂的维护成本和随时间推移的退化，无法有效地保护路易斯安那州的社区。因此，路易斯安那州以及许多其他沿海社区，已转向自然基础设施来补充传统基础设施，并更有效地减轻洪水和侵蚀风险，因其具有多重效益、灵活性和更强的韧性（Kurth, 2024; Lopez, 2009）。投资于景观和自然基础设施为沿海地区提供了一种更为稳健的多重防线方法。

基于自然的特征或自然基础设施，这两个术语在过去十年中获得了广泛关注，通常将人类工程实践与自然系统相结合，以在环境、社会和经济领域提供效益（Bridges等, 2021; Cassin, 2021）。在沿海灾害的语境下，基于自然的特征旨在降低风险，同时为生态和社会价值提供协同效益（González-García等, 2025; Zhou等, 2024）。自然基础设施的一个例子是沿海湿地，它可以降低高达72%的波浪高度，从而减少随时间推移的海岸侵蚀（Glass等, 2018; Narayan等, 2016）。它们还已被证明能有效减轻极端风暴事件和海平面上升的影响（Santiago-Collazo等, 2021）；例如，盐沼平均可将年度洪水损失减少16%，在较低海拔处的减少幅度更大（Narayan等, 2017）。此外，增加湿地植被的密度和高度可显著减少飓风的影响，特别是快速移动、强度较弱的风暴，通过在水体到达大陆前减缓风暴潮来实现（Hu等, 2015）。

沼泽台地是一种在墨西哥湾地区广受欢迎的突出自然特征，自1990年该技术开创以来，北部墨西哥湾（主要在德克萨斯州和路易斯安那州）已完成超过100个项目（Brasher, n.d.; Keller等, 2023）。沼泽台地（补充图1）是一种使用当地疏浚沉积物形成一系列狭窄沼泽岛屿网络的沼泽修复技术，这些岛屿按战略性模式排列（O'Connell & Nyman, 2010）。这些项目选址优先考虑历史上是湿地、现为浅水半封闭水体的区域（Osorio等, 2020）。台地的目标是减少背风岸的波浪有效长度，减少侵蚀，增加沉积物沉积和土地保护，从而促进沼泽恢复，在以前被转变为浅水开阔水域的地区发挥作用（Keller等, 2023; O'Connell & Nyman, 2010）。沼泽台地实践在路易斯安那州和德克萨斯州的普及度显著增长，因为它们可以同时解决多个沿海修复目标。虽然主要目标通常是减少土地损失或海岸侵蚀，但也会产生大量理想的协同效益（Greer等, 2024）。协同效益包括：形成出露沼泽，降低浑浊度并增加可用阳光以支持沉水植被生长，积累有益矿物质和有机物，改善当地栖息地质量，以及压实沉降（Brasher, n.d.）。随着台地作为一种沿海自然基础设施的形式获得广泛认可，许多从业者正在考虑在具备充足条件的地点进行沼泽台地修复，例如浅水（<1米）开阔水域盆地/池塘，这些地方健康沼泽最近刚转化为开阔水域，且受到海洋保护、能量较低至中等（Jung等, 2024; Osorio等, 2024）。然而，关于墨西哥湾以外地区沼泽台地潜力的知识仍然有限，对其作为有效自然特征修复沼泽的评估也有限。

目前的评价工作主要集中在短期性能或个别台地案例上，这阻碍了沼泽台地的更广泛采用（Brasher, n.d.; O'Connell & Nyman, 2010）。这些研究关注沼泽台地设计的特定方面，例如比较同一地点不同形状（如人字形、线形、网格形、三角洲形、渔网形或不规则形）的性能，或风和波浪如何影响有台地与无台地的场地（补充图2）（Keller等, 2023; Matthews, 2020; Osorio等, 2022, 2024）。对这些条件的建模表明，人字形设计通常在减少剪切应力和水流速度方面最有效（French, n.d.; Matthews, 2020）。此外，建模显示，台地可以将风驱动的波浪和有效波高（Hs）平均减少45%（Osorio等, 2022），并且120米的人字形间距是最有效的Hs降低配置（Osorio等, 2024）。在这些情况下，台地作为一种基于自然的修复技术，在根据当地条件进行调整时已被证明有效，通过限制当地风浪的波源距离，从而限制波浪发展，使沉积物在沼泽周围沉降和保留，促进其健康生长。

现有建模研究为理解台地性能提供了坚实基础，但其范围仍然有限，仅关注单一设计参数或未考虑水流效应。沼泽台地项目的设计主要依赖当地知识和过去项目的成功经验，缺乏支持设计决策的定量数据，对这些台地的间距/形状/间隙之间的物理关系也缺乏清晰认识。根据现有文献，关于沼泽台地的研究表明，对设计参数如何影响水动力性能的理解仍然有限。因此，提出以下问题以界定本项目的范围并解决当前差距：

1. 哪些物理设计参数对沼泽台地的性能影响最大？以往研究表明，无论设计决策如何，沼泽台地通常都能减少波浪能量（Keller等, 2023; Matthews, 2020; Osorio等, 2022, 2024）。然而，这些研究侧重于评估单一沼泽台地设计参数，从而过于简化地将波浪减少归因于单一参数而非多个参数的组合。因此，本研究评估了额外的设计因素以支持台地设计的一般知识。本研究考虑的因素包括：相对于台地场的风向和风速、基于过去成功项目的间距替代方案，以及台地场的密度。

2. 对设计参数之间关系的理解如何影响沼泽台地项目的设计？近年来，随着基于自然的特征日益受到欢迎，对设计框架和工具的需求呈指数级增长。许多参与式方法已被开发出来，包括旨在增进对环境挑战和最佳管理实践理解的研究，以及辅助决策的工具（Bogatinoska等, 2022）。据作者所知，本研究首次将多个沼泽台地设计参数与其在台地场内不同位置的水动力行为联系起来。通过将研究聚焦于未来的潜在条件和发展，研究结果可为未来的设计工具提供参考，这些工具可能为从业者提供指导。

本研究的主要目标是，从基于物理的角度出发，通过在理想化环境中考虑多个设计参数和当地场地条件来理解沼泽台地设计。本研究的成果将得出将各种沼泽台地设计参数与所需的风驱动有效波高降低相关联的发现。通过将水动力数据转化为简化的图形关系，该图形可作为在概念层面评估潜在设计变体及其与设计参数之间物理关系的基础。最终，改进的沼泽台地设计有望更好地恢复失去的沼泽地，并更成功地稳定路易斯安那州和墨西哥湾北部的沿海区域。

数据收集

路易斯安那州的海岸是一个动态系统，湿地构成了其沿海区域的大部分，由于出露沼泽向浅水池塘和开阔水域的转变，正以令人担忧的速度丧失（Cannaday, 2006）。本研究旨在适用于全州范围内的这些转化区域，假设任何历史上曾是沼泽的地点都有通过沼泽台地恢复的潜力。因此，研究区域将聚焦于任何沼泽池塘（即封闭水域。

台地整体水动力影响

三种输出变量的趋势在最高强度风条件（12 m/s，90°）下最为明显，该条件对水位的影晌在所评估条件下最大。在基准条件模拟中，当水流从水域边界流向沼泽边界时，水位升幅可达3.6厘米（图3）。这些数值在整个计算域上均匀分布，在边界之间形成了连续梯度。增加8种台地配置后，减少了……

台地设计的水动力性能

数值模型结果表明，所选沼泽台地配置在区域代表性风条件下衰减了三种水动力特征（水位、流速和有效波高），且不同配置间性能存在差异。为了解释这些结果并将其用于更广泛的应用，重要的是认识到到达墨西哥湾沿海沼泽的波浪并非仅由当地风产生。当风将能量传递到海面时……

结论

本研究进行了沼泽台地评估，以了解设计参数如何影响性能。研究回答了以下问题：

1. 哪些物理设计参数对沼泽台地的性能影响最大？
2. 对设计参数之间关系的理解如何影响沼泽台地项目的设计？

对于第一个研究问题，将有效波高的百分比降低率作为每种台地配置性能的主要指标。

作者贡献声明（CRediT）

Amanda Tritinger：写作——审阅与编辑，可视化，方法论。Felix Santiago-Collazo：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念设计。Todd Bridges：写作——审阅与编辑。

Clare DeBerry：撰写——审阅与编辑，撰写——原创草稿，可视化，方法论，形式化分析，数据整理

未引用文献：Brasher, ；Booij等，1999；French, ；Kurth等，2024；Medlin, ；美国商务部，；Veeramonny和Blain, 。

利益冲突声明：作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

数据可用性声明：本研究中使用的所有数据均可从公开来源获取或由资助方提供。对每个潮间带沙洲地点进行分析的数据是从Google Earth中提取的。数字高程模型和沙洲形态配置是基于综合数据分析和文献综述手动设计的。ADCIRC+SWAN模型生成的输出数据被用于制作图表并得出关于沙洲有效性的结论；该数据可在DeBerry（2026）中找到。

利益冲突声明：? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢：我们要向Sunshine Charitable Trust和Ducks Unlimited（DU）感谢其为本研究提供的资金支持。本项目的顺利完成离不开DU东南部办公室团队成员的持续支持，特别感谢Cassidy Lejeune、Sara Phelps、Amanda Voisin、Scott Graham和Aaron Pierce。他们为本项目提供的机会和付出的努力，我们深表感激。模型模拟是在佐治亚大学高级计算中心进行的。

Clare DeBerry | Felix L. Santiago-Collazo | Amanda Tritinger | Todd Bridges