沿海防洪闸后洪灾风险削减与湿地(Wetland)韧性(Resilience)的协调——以威尼斯潟湖(Lagoon) Mo.S.E. 风暴涌防波闸(Storm-surge Barrier)为例

《Nature Water》：Reconciling flood-risk reduction and wetland resilience behind coastal floodgates

　　

摘要：低海拔滨海城市地区面临海平面上升(Eustatic Sea-level Rise)与极端天气事件带来的日益严峻的洪水威胁。在人口搬迁不可行的情况下，通常采用硬质工程防御措施来减轻洪水灾害，但此类干预对周边海岸生态系统的影响仍知之甚少。本研究以新近启用的威尼斯潟湖(Venice Lagoon, Italy) Mo.S.E.（Modulo Sperimentale Elettromeccanico，实验机电模块）风暴涌屏障(Storm-surge Barrier)为对象，探讨其对潟湖内水动力及湿地韧性(Wetland Resilience)的影响——该高度人为改造的环境可预示其他滨海城市未来的适应路径。研究人员的分析表明，尽管防洪闸成功保护了城区，但其现行运行模式以牺牲湿地生态系统为代价，降低了潮汐淹没(Tidal Inundation)及维持沼泽平台垂直加积(Vertical Accretion)、跟上相对海平面上升(Relative Sea-level Rise, RSLR)所需的关键矿物泥沙输送。通过与优化管理情景(Optimized Management Scenarios)对比发现，对防洪闸启闭时机进行微调，可显著削弱上述负面生态—地貌(Eco-geomorphological)影响，在城市防洪保护与生态系统完整性间促进更可持续的平衡。

《Nature Water》刊载论文解读：沿海防洪闸后洪灾风险削减与湿地韧性的协调——以威尼斯潟湖Mo.S.E.风暴涌防波闸为例》

一、研究背景与立项依据

全球约11%的城市人口居住在低海拔海岸带，受气候驱动的海平面上升（RSLR）、地面沉降及人类活动影响，风暴潮引发的洪水风险持续加剧。当计划性搬迁（Planned Relocation / Managed Retreat）因经济文化价值过高而不可行时，可动式风暴涌屏障（Storm-surge Barrier / Floodgate，如荷兰Eastern Scheldt Barrier、伦敦Thames Barrier、威尼斯Mo.S.E.）成为重要防洪手段。然而，此类屏障虽能有效隔离潟湖与外海以控制水位，却会改变潟湖内水动力条件——特别是削减高潮期间潮汐振幅（Tidal Amplitude）与潮汐不对称性（Tidal Asymmetry），进而减少向潮间带盐沼（Salt Marsh）输送悬浮细颗粒沉积物（Minerogenic Sediment）。盐沼依靠风暴潮期间的淹没深度与持续时间（Hydroperiod）获取泥沙以实现垂直加积（Vertical Accretion），从而维持高程并与RSLR保持同步；若此过程受阻，将导致沼泽退化、丧失碳封存、水质净化及天然消浪等生态系统服务。威尼斯潟湖（Venice Lagoon）为微潮（Microtidal）、半日潮（Semidiurnal）且沉积赤字（Negative Sediment Budget）的人为改造系统，Mo.S.E.自2020年投运以来已激活逾150次，其保守的启闭策略引发对湿地长期存续的担忧。本研究旨在量化Mo.S.E.现行运行（MoSE Scenario）对城区防洪效果及盐沼淹没—沉积的影响，并评估自适应阈值运行策略（Adaptive Threshold Operating Strategy, AThOS）能否在保障城市安全前提下减轻生态损害。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用经野外标定适用于威尼斯潟湖的二维浅水风—浪—潮汐模型（Wind Wave Tidal Model, WWTM）对2020—2023年潟湖水动力进行数值模拟，边界强迫为三个口门外实测潮位及潟湖南北两处测风站风速风向数据，Mo.S.E.启闭时序按实际记录重建。设置三种情景对照：（1）Open情景——假设无闸门无启闭；（2）MoSE情景——按实际启闭记录模拟；（3）AThOS情景——按Mel等提出的自适应阈值策略仅在预报峰值超城区安全阈值（威尼斯及Burano 110 cm、Chioggia 130 cm相对ZMPS基准面）时关闭，并在口门外侧潮位回落至等于潟湖均值时开启，两次关闭间隔≥2 h。盐沼淹没范围依据网格单元水位高于当地沼泽高程判定；平均淹没水深（Mean Inundation Depth, MID）定义为事件内（水位－沼泽高程）正值的时间平均；依托已发表现场标定指数关系 SR＝(1.95±0.56)e^{(14.96±1.16)×MID}（SR为沉积速率 kg·m^?2·event^?1）估算单位面积累积泥沙量及垂向加积率（取沉积物密度 ρ_s＝960 kg·m^?3）。城区淹水面积依据Punta della Salute验潮站最高水位与威尼斯市政经验淹没—水位关系曲线换算。统计检验采用单尾Kolmogorov–Smirnov检验（α＝0.05），空间分布以网格节点加权处理。

三、研究结果

（1）The Venice Lagoon and the Mo.S.E. barrier system（威尼斯潟湖与Mo.S.E.防波闸系统）

研究人员介绍了研究区背景：威尼斯潟湖平均大潮差约1 m，水位异常主要由Sirocco（东南风）引起亚得里亚海大面积增水和Bora（东北冷风）引起潟湖南部局地风增水（Wind Setup）；历史上河流改道入海、人工航道开挖及口门整治造成沉积赤字与盐沼萎缩。Mo.S.E.由三处入口（Lido含两组、Malamocco、Chioggia）共78扇铰接连底翻板组成，设计启闭阈值为ZMPS＋110 cm；2020—2023年共激活69次，多集中于秋冬风暴季，部分年份因预报保守提前启闭。对比2000—2009年（52次超阈值事件）与2010—2019年（95次），近年激活频次剧增不仅源于RSLR（≈4.4±1.5 mm·yr^?1），亦受预测偏于保守的人为管理影响——预报极值较实况系统性偏高。AThOS策略则以各城区具体安全阈值为唯一启闭判据。

（2）Impacts of flood regulation on water levels and urban flood risk（洪水调控对潟湖水位数值及城区洪险的影响）

模拟显示MoSE情景下水位数分布较Open情景显著降低（K–S检验 P?0.01），城区最高水位被压制在ZMPS＋110 cm以下，威尼斯历史城中心淹水多限于最低洼处（约12%面积，符合可接受标准）。AThOS情景因减少与延后关闭，平均水位较MoSE升高0.17±0.13 m（增幅32.2%），但仍未突破任一城区安全阈值，偶发轻微超限淹水面积亦在可控范围。表明现行Mo.S.E.可有效防洪，但存在过度封闭；AThOS可在不危及城区前提下降低封闭程度。

（3）Impacts of Mo.S.E. operations on salt-marsh ecosystems（Mo.S.E.运行对盐沼生态系统的影响）

Open情景下风暴潮期间盐沼几近全淹；MoSE情景因闸门闭合削减潟湖水位，盐沼淹水面积较Open平均减少27.5%（约1784 ha），个别事件减幅＞75%，中南部受Bora增水影响的沼泽削减尤为显著；AThOS情景淹水面积仅较Open减少2.9%（约190 ha），大幅恢复沼泽淹没。MID分析显示：Open年均MID＞0.6 m（2021年略低为0.57±0.09 m），MoSE使MID较Open均值降低45%（0.28±0.06 m），AThOS较MoSE提升MID达60%（0.20±0.05 m）。基于MID–沉积率关系推算，2020—2023年MoSE较Open减少沼泽泥沙累积约32%（9.81±7.3 kg·m^?2），相当于垂向加积率损失2.6±1.9 mm·yr^?1；AThOS较MoSE增加泥沙累积19%（4.88±4.76 kg·m^?2），挽回加积率约1.3±1.2 mm·yr^?1，不同年份增益介于13%—25%。证实现行频繁封闭显著削弱盐沼沉积补给，而AThOS可大幅缓解该负面效应。

四、讨论与结论（翻译浓缩）

回溯分析表明，AThOS可使2020—2023年总关闭次数减少约30%（实际69次减至约20次），年均累计关闭时长较现行操作缩短约107%。虽然Mo.S.E.极有效地防止了威尼斯城区洪水，但过高频次与过久时长的关闭限制了潮间带特别是上潮间带（Upper Intertidal Zone）地貌—生态过程，削弱盐沼垂直加积能力。现行操作大幅压缩沼泽淹没范围与泥沙输送，而优化管理可在维持城市防洪安全的同时允许足够沼泽淹没与沉积物供给。真实运行中须结合改进海面与风场集合预报、同化实时验潮数据，将AThOS类自适应框架与MID等指标嵌入实时决策支持系统，定量权衡城市防洪与沼泽淹没得失——即便微小缩减关闭频次/时长也对沼泽沉积有不成比例的改善且几乎不增加城市洪险。鉴于RSLR将使未来关闭更频繁，及早优化Mo.S.E.运行策略对遏制潟湖生态退化至关重要。威尼斯案例对其他拟建/在建风暴涌屏障（如纽约—新泽西港、旧金山湾、加尔维斯顿湾）具有示范意义：动态防洪系统须平衡城市保护与海岸湿地生物—地貌功能（Biogeomorphic Function），方能实现长期可持续性。