受自然启发的六边形台地用于沿海湿地修复：路易斯安那州沿海地区泥沙滞留与水动力性能的数值评估

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Nature-Inspired Hexagonal Terraces for Coastal Wetland Restoration: A Numerical Assessment of Sediment Retention and Hydrodynamic Performance in Coastal Louisiana

　　

•模型结果显示，六边形梯田的沉积物保留量高于线性梯田。
•与无梯田相比，六边形梯田使模型水位差增加了约343%。
•在六边形梯田条件下，估算的中位滞留时间约为146天。
•模型计算显示，六边形梯田的捕获效率达到了约70%。
•在0.01至1.00 mm/s的沉降速度范围内，六边形 > 线性 > 无梯田的排序始终成立。

**引言**

滨海湿地储存洪水、调节气候、改善水质，并为鱼类和野生动物提供栖息地。其退化影响着生态过程以及依赖这些环境的社区。其许多效益通过其对渔业和海岸保护的贡献延伸到了湿地边界之外（Barbier等，2011）。植被在海岸线保护中起着重要作用，但其有效性因当地环境条件、植被结构和景观格局而异（Gedan等，2011）。将物理保护与生态过程维护相结合的保护方法旨在维持这些功能（Temmerman等，2013）。对于依赖沉积物堆积的沼泽而言，核心的设计挑战是在减少侵蚀的同时促进长期持续所需的沉积。这需要对现有沼泽的保护以及允许沉积物积累并支持植被生长的条件给予关注。这些问题在路易斯安那州沿海地区尤为突出，该地区的湿地大量丧失使恢复成为长期以来的区域优先事项。

1932年至2016年间，路易斯安那州沿海地区损失了约120万英亩土地（Couvillion等，2017）。在2017年《海岸总体规划》的中情景预测下，若无额外的恢复和保护措施，到2067年将再损失约140万英亩（CPRA，2017）。土地丧失的主要驱动因素包括沉积物供给减少、水文变化、沉降和相对海平面上升（DeLaune和White，2012；Twilley等，2016）。密西西比河的堤坝和其他工程设施限制了水和泥沙向三角洲平原的输送，而运河和航道改变了滨海湿地间的水文连接。这些变化影响着沉积物的可获得性以及沼泽在土地沉降和海平面上升时维持高程的能力。当垂直淤积无法跟上相对海平面上升的速度时，有植被覆盖的沼泽可能转变为开放水域，使剩余沼泽的边缘更加暴露于波浪和侵蚀作用之下。因此，恢复工作必须在促进沉积物积累和维持适合植被生长的条件的同时，限制现有沼泽的流失。评估这些成果需要了解恢复设计如何改变水流模式以及这些变化如何影响沉积物的输运和沉积。

路易斯安那州的滨海恢复综合运用了泥沙分流、沼泽创造、海岸线保护、水文恢复、植被种植和沼泽梯田等多种措施。该州的海岸总体规划将这些措施纳入了更广泛的恢复和风险降低战略（CPRA，2017、2023）。梯田对于沼泽已转变为开放水域的浅水区尤为相关。人工堆筑的堤岸可以改变暴露状况和沉积物输运，使其布置成为重要的设计考量因素。梯田的持续使用引发了关于布局选择如何影响梯田场的持久性和性能的问题。遥感提供了一种跟踪施工后变化并评估恢复成果的方法（Osorio等，2020）。这些评估提供了已完成项目的证据，而施工前对替代方案的比较则有助于指导设计决策。综合这些方法，可以确定在特定滨海盆地的环境条件下值得进行更详细评估的配置方案。

沼泽梯田是人工堆筑的土堤，旨在减少侵蚀、衰减波浪并支持沼泽栖息地。施工通常使用从附近区域开挖的沉积物，在堤岸旁留下取土沟。选择浅滩地点或在适当位置添加疏浚物有助于避免过深的沟渠和过陡的边坡（Jung等，2024）。种植在堤岸上的植被随后可以有助于沼泽栖息地的发育。梯田还可以放置在河流分流出口附近或有沉积物可供沉积的新形成河道内。选址必须同时考虑施工条件和沉积物供应。浅水区可以使施工和植被建立更容易，但沉积物积累也需要足够的材料输送到梯田场。一个沉积物输入有限的遮蔽区域可能比靠近活跃沉积物源地的类似布局积累更少的物质。梯田可以缩短开阔水域的波浪生成区长度，并将水和沉积物引导绕过堤岸并通过堤岸之间的开口。因此，其性能取决于沉积物可获得性、水深、暴露程度以及堤岸和开口的布置方式。这些因素决定了梯田场是否提供了支持沉积和限制侵蚀的条件。

梯田布局包括线性、人字形以及方形或箱形图案。碎片化设计由分离的堤岸段组成，开口允许水和沉积物通过梯田场。梯田可以减少邻近沼泽沿岸的波浪暴露，并在沉积物供应充足的情况下促进沉积。这些功能之间的平衡取决于布局和环境的背景条件。因此，在评估性能时，方向、间距、梯田尺寸和主导水文动力学条件是重要的考量因素（Keller等，2023）。一种布局在某种强迫和沉积物供应组合下表现良好，但在另一种组合下可能效果较差。在共同条件下比较配置方案为评估其相对性能提供了基础，而将研究结果应用于其他恢复地点则需要考虑当地的强迫、水深和沉积物可获得性。

数值建模使得可以比较梯田布局对水流和沉积物输运的影响。Keller等（2023年）研究了梯田设计参数如何影响模拟的恢复性能。Jung等（2024年）在平静和风暴条件下比较了五种布置方案：两种间距的线性、箱形、T形和人字形布局。随后，他们选择了箱形布局来研究风暴条件下植被、水深和沉积物组成的影响。这些研究涵盖了多种梯田几何形状，并表明性能既取决于设计也取决于环境条件。它们也为在明确模型假设和一致性能指标的前提下检验更多布局提供了基础。保持水文动力学强迫和沉积物设置不变，使得可以在共同条件下比较所规定布局的响应。此类比较有助于识别需要进一步密切检查的水流和沉积物积累差异，同时将解释与模型所代表的条件联系起来。

细颗粒黏性沉积物为梯田布局与净积累之间的关系增加了额外的复杂性。黏性淤泥和黏土可以发生絮凝，其沉降行为随颗粒相互作用和水流条件而变化。沉积床的性质还取决于其沉积和固结历史（Mehta，1989；Winterwerp和van Kesteren，2004）。到达床面并保留在床面上的物质数量取决于颗粒行为、输运以及控制侵蚀和沉积的条件之间的相互作用。梯田布置产生的遮蔽区域可能有利于沉积，但其沉积响应不能仅从低流速推断。沉积物可获得性和规定的沉降特性也很重要。这些相互作用有助于解释为什么设计比较应考虑水流模式和整体床面变化。它们也促使我们检验沉积物假设：当沉降行为改变时，一种沉降速度下布局之间的差异在量级上甚至排序上可能发生变化。

关于水流通过水生植被和露出障碍物阵列的研究表明，水力阻力和输运取决于障碍物的分布和由此产生的水流路径（Baptist等，2007；Tanino和Nepf，2008；Nepf，2012）。这项工作为解释梯田周围的水流再分配提供了物理基础，尽管植被要素与人工屏障之间的差异限制了直接比较。在碎片化梯田场中，遮蔽区域可能与通过堤岸段之间开口的集中水流共存。这种空间变化影响着沉积物在哪里被输运、沉积或再悬浮。因此，相关的问题是梯田布置如何改变整个模拟域的水流模式和床面响应。水位、流速和床面高程变化的分布图有助于识别这些模式。然而，量化形状阻力和底部摩擦的各自贡献需要能够区分这两种机制的额外诊断方法。

仿生学为扩展本框架中考虑的梯田布置范围提供了设计理念来源。蜂窝是一种常见的重复性自然几何形态的例子，它启发了工程蜂窝和晶格结构的设计（Zhang等，2015）。蜂窝启发的设计综述描述了与结构效率和冲击能量吸收相关的应用（Mohammadi等，2023）。相关研究已在机械载荷下考察了分层六边形柱和仿生蜂窝结构（Xu等，2018；Hu等，2019）。关于蜂窝芯夹层板的研究还考察了结构参数对低速冲击响应的影响（Sun等，2021）。这些应用将蜂窝排列视为更广泛设计空间的一部分，包括其组成部分的尺寸和连接方式。综合来看，这些文献展示了几何形状对工程蜂窝系统行为的重要性，并为将六边形图案作为设计灵感提供了基础。然而，对于滨海恢复而言，相关的问题是当这种几何形状被用于组织梯田场时，它如何改变水流再分配和沉积物输运。

本文提出的六边形布局将蜂窝图案改编为屏障段和开口的空间布置。设计假设是，这种布置可以不同于线性梯田场地方式重新分配水流，并创造有利于沉积物沉积的遮蔽区域。开口仍然重要，因为它们允许通过布局进行交换并可以局部集中水流。因此，所提议的效益涉及蜂窝排列及其与周围水域连接的综合作用。应根据模拟响应进行评估，而不是根据其与天然蜂窝的视觉相似性进行推断。这种区别将原始的仿生设计动机与一个可以直接研究的水力问题联系起来：在共同条件下，规定的六边形布置相对于比较布局是否改变了水流模式和净沉积物积累。

尽管先前的建模已比较了几种梯田几何形状，但这些结果并未确定本文提出的碎片化六边形布置在相同强迫和沉积物供应条件下的表现如何。特别是，尚不清楚这种布局内的水流再分配是否比线性梯田场产生更大的净沉积物积累，以及这种比较如何依赖于沉降速度。我们在共同的数值框架内解决这些问题。比较涉及完整的配置，包括堤岸和开口的分布，并评估其对水流和沉积物积累的综合作用。它在特定地点设计和优化之前对提出的布局提供了初步评估。

沉降速度决定了悬浮物质在给定水流环境中到达床面的难易程度。在每种配置中保持其他设置不变的同时改变该参数，使我们能够评估净床体体积变化的量级和布局的排序。这些结果需要加以区分，因为跨测试值的排序一致性可以与配置之间差异的显著变化并存。慢速沉降案例还检验了当细颗粒物质悬浮更长时间时，提出的布局是否仍能保持对净积累的有利效果。该分析定义了进行数值比较的沉降条件范围，并展示了结果对所选沉积物参数的依赖程度。

为解决这些问题，我们在受路易斯安那州佛尔港附近恢复问题启发的理想化10公里×5公里域中使用了二维、水深平均的Delft3D模拟。无梯田（NTR）、线性梯田（LTR）和碎片化六边形梯田（XTR）配置共享背景水深地形、边界强迫、指定的床面粗糙度、沉积物类别和共同的形态动力学设置。具体目标是：(i) 比较三种配置产生的水位和流速模式；(ii) 量化其床面高程变化和净床体体积变化；(iii) 考察净床体体积变化的量级和排序在0.01、0.10、0.25和1.00 mm/s沉降速度下的变化情况。结果提供了在理想化域内对规定配置的受控比较，以及对其对测试沉降速度敏感性的评估。

基于上述识别的研究空白，本研究由三个研究问题引导：

RQ1. 在共同的水文动力学强迫下，梯田配置如何影响上下游水位差和平均水深流速的空间模式？

RQ2.

碎片化六角形构型在估算的水体停留时间、沉积物截留效率和净沉积物累积方面，与线性梯田和无梯田基线相比如何？

RQ3：净床体体积变化量级以及三种构型的相对排名对测试范围内0.01–1.00 mm/s的沉降速度有多大敏感性？

本研究的主要目标是在相同的Delft3D数值模型设置下，比较无梯田、线性梯田和六角形梯田的表现。比较重点在于水动力响应和沉积物滞留。具体而言，本研究检验了一种受自然启发的六角形布局能否增加水流阻力、延长水体停留时间，并比传统的线性布局截留更多沉积物。

### 设计背景

有时，大自然为我们提供了解决问题的最佳方式。蜂窝或六角形几何结构以其结构耐久性、高效性和能量耗散特性而闻名（Mohammadi et al., 2023）。这种受自然启发的细胞状图案可用于海岸保护和修复。我们提出了一种受自然启发的新型修复方法，利用蜂窝/六角形梯田来促进Port Fourchon海岸带的沉积物滞留和水文形态稳定性。

### 结果

为评估不同几何图案梯田对水动力学、沉积作用和形态动力学演变的影响，模型模拟针对三种构型进行了测试：(a) 无梯田（NTR），(b) 线性梯田（LTR），(c) 六角形/蜂窝梯田（XTR）。模拟输出从空间水位分布、流速大小、床面高程变化、水体停留时间和沉积物截留效率方面进行了分析。三种构型共享……

### 讨论

本研究表明，受自然启发的六角形梯田构型在促进海岸湿地环境中的沉积物滞留和形态动力学稳定性方面，显著优于传统的线性设计。六角形图案的沉积物截留效率达到70%，而线性梯田为30%，无梯田场景为?10%，这标志着工程结构如何促进海岸修复方面的一次有意义的转变。这些发现与……一致。

### 结论

本研究评估了一种受自然启发的六角形（蜂窝）梯田设计，作为路易斯安那州代表性海岸湿地修复项目中传统线性梯田的替代方案。利用在Delft3D中的概念与二维水-形态动力学耦合模型框架，比较了无梯田、线性梯田和六角形梯田三种构型，从水位响应、流速、水体停留时间、沉积物截留效率和净沉积物……方面进行了评估。

### 利益冲突声明

作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

### CRediT作者贡献声明

Md Muzahidul Islam：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，正式分析，数据整理，概念化。Yao Wang：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，资源，项目管理，调查，资金获取，概念化。Beverly Lehmann：撰写——初稿，可视化，调查。Traci Birch：监督，资源，项目管理，资金获取。Israt Jahan：撰写——数据……

### 数据可用性声明

支持本研究结果的Delft3D模型配置文件和模拟输出结果，可根据合理请求从通讯作者处获得。

### 资助信息

[资助信息提供在单独的双盲同行评议标题页上。]

### 利益冲突声明

作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

### 致谢

[致谢提供在单独的双盲同行评议标题页上。]

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