海滩植物残骸在减少地中海城市海滩风暴越顶中的潜在作用：来自撒丁岛Poetto海滩的观察

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Potential role of beach wrack in reducing storm overtopping on a Mediterranean urban beach: observations from Poetto Beach, Sardinia

　　

摘要海滩残骸堆积物，由海神草（Posidonia oceanica）残骸及其他植物碎屑组成，是地中海沿岸海岸线的常见特征，但因美观原因经常被从海滩上清除。本研究探讨了混合海滩残骸沉积物在地中海城市海滩（意大利撒丁岛Poetto海滩）上减轻风暴波越顶和暂时性后滨淹没事件中的地貌和水动力学作用。研究通过综合方法对两场风暴事件进行了调查，这两场事件具有可比的外海峰值波高，但风暴持续时间和后滨配置不同，该综合方法结合了海岸视频监控、波浪和风场再分析、水动力学建模、总水位（TWL）分析、DGPS-RTK测量以及入渗测量。尽管估算的TWL（作为风暴波条件的一阶经验指标）较高，但当存在广泛的混合海滩残骸沉积物时，在分析的记录时段内未观察到沙坝越顶或暂时性后滨淹没现象。相反，在缺乏海滩残骸的事件期间，反复发生沙坝越顶和暂时性后滨淹没。入渗测量表明，混合残骸沉积物比砂质后滨具有更高的渗透性，而连续的DGPS-RTK测量记录了与风暴波重新分配和随后风成沉积物捕获相关的风暴后淤积。这些过程共同促进了沉积物保留和海滩残骸逐步整合入海滩系统。这些发现凸显了混合海滩残骸沉积物在减轻风暴影响和增强海滩韧性方面的潜在贡献。这种基于自然的解决方案并非来自自然沉积物本身，而是来自适应性管理实践，即在与当地环境和社会经济条件相容的情况下就地保留混合残骸沉积物。此类管理方法可能通过支持波浪能耗散、沉积物保留和后滨淤积的自然过程，增强地中海海滩对风暴影响和海平面上升的韧性。引言沿海地带是全球最动态和人口最密集的环境之一，容纳了全球大量人口和经济活动（Small and Nicholls, 2003；Nicholls and Cazenave, 2010；Neumann et al., 2015）。近年来，城市化和旅游开发的增加显著加剧了对海岸系统的人类活动压力，特别是在地中海海岸线沿线，城市海滩是重要的社会经济资产（Barragán and de Andrés, 2015）。与此同时，气候变化通过海平面上升以及极端风暴事件频率和强度的增加，放大了沿海灾害，使城市海滩更易受到侵蚀和沿海洪水的威胁（Armaroli and Duo, 2018；Biondo et al., 2020；Vousdoukas et al., 2020；IPCC, 2023；Chatzipavlis et al., 2026）。在此背景下，采用可持续的沿海管理策略已成为提高海岸线韧性和保护生态系统及沿海基础设施的优先事项。在提出的各种沿海防护方法中，基于自然的解决方案（NBS）近年来日益受到关注，作为一种可持续策略，能够在降低沿海风险的同时保持生态系统功能和生物多样性（Temmerman et al., 2013；European Commission, 2015；Narayan et al., 2016）。这些方法依赖于自然生态系统调节沿海过程的能力，如波浪衰减、沉积物保留和岸线稳定。沿海植被生态系统，包括海草床，被广泛认可为提供此类生态系统服务，同时还有助于气候调节和碳封存（Duarte, 2002；Ondiviela et al., 2014）。在地中海沿海环境中，对沿海稳定性贡献最为重要的生态系统组成部分之一是海草生态系统，特别是海神草（Posidonia oceanica）。这些草床覆盖约1%至2%的地中海海底，是该地区最具生产力的海洋栖息地之一，在生物多样性保护、氧气产生和碳封存方面发挥着关键作用（Mateo et al., 2003；Gobert et al., 2006；Telesca et al., 2015；Rotini et al., 2020）。除了在海洋环境中的生态重要性之外，海神草还对邻近海滩产生显著的地貌影响。脱落的草叶通常被波浪和洋流搬运至岸上，形成被称为草席（banquettes）的有机物堆积物（Borum et al., 2004；Simeone and De Falco, 2012；Vacchi et al., 2017）。这些结构常与其他植物碎屑混合，如漂流木、芦苇或木质残骸，可能堆积在后滨，形成厚实的有机沙坝，通常称为海滩残骸（Boudouresque et al., 2016；Tomasello et al., 2022）。多项研究表明，这些沉积物可以通过耗散波浪能量、捕获沉积物和增加海滩渗透性，在沿海形态动力学中发挥关键作用（Kennedy and Woods, 2012；Ruju et al., 2022；Trogu et al., 2023）。尽管其地貌和生态功能已得到公认，但海滩残骸沉积物经常通过机械清洁作业从海滩上清除，特别是在高度旅游化的地区（Simeone and De Falco, 2012）。这些做法主要受美观考量的驱动，因为海滩使用者通常认为草席令人不快或与休闲海滩使用不相容。然而，其清除会显著改变海滩形态，减少沉积物保留，并增加海岸系统对风暴影响的脆弱性（Manfra et al., 2024）。城市海滩是一个特别关键的环境，自然过程与人类活动的相互作用强烈影响沿海动力学。虽然水下的海神草草床提供广泛的生态系统服务，包括波浪衰减、沉积物稳定和碳封存，但草席和海滩残骸沉积物一旦堆积在岸上便执行不同的地貌功能。在此类环境中，来源于海洋和陆地生态系统的混合残骸沉积物可以有助于在后滨形成自然沙坝， potentially acting as buffers against storm-wave overtopping and temporary backshore inundation. 然而，其在这些过程中的作用研究甚少，特别是在高度人工化的地中海海滩上。2019年12月，撒丁岛南部发生的异常降雨事件触发了强烈的河流植物碎屑输送，主要由芦竹（Arundo donax）芦苇组成。随后的风暴事件将大量植物材料与海神草碎屑一同运输并沉积在Poetto（撒丁岛，意大利）城市海滩上。COVID-19封锁期间海滩清洁活动的意外暂停使这些沉积物在数月内未被扰动，提供了在无人干扰情况下观察植被堆积自然形态动力学演变的独特机会（Ruju et al., 2022；Trogu et al., 2023）。在监测区域内，混合海滩残骸形成了连续带，近岸-离岸方向宽度约为10米。在海滩尺度上，该沉积物沿Poetto海滩超过一半的长度延伸，最大堆积物出现在东南扇区（Ruju et al., 2022；Trogu et al., 2023）。本研究通过分析两场风暴事件来探讨海滩残骸沉积物在Poetto海滩上的地貌和水动力学作用，这两场事件具有可比的外海峰值有效波高和波浪周期，但波向、风暴持续时间、积分风暴能量和前驱形态不同：一场发生在无植物沉积物时，另一场发生在有丰富海滩残骸材料时。具体而言，本研究旨在：1. 分析海滩残骸沉积物在风暴事件期间对波浪越顶过程和后滨淹没的影响；2. 评估不同后滨条件下海滩系统的地貌响应；3. 评估混合海滩残骸沉积物的管理含义，并讨论适应性海滩残骸管理作为地中海城市海滩基于自然的解决方案（NBS）的潜力。为实现这些目标，海岸视频监测观测与DGPS-RTK地形测量、入渗测量、波浪和风场数据集、总水位估算、风暴波能量分析以及数值水动力学建模相结合，为地中海城市海滩风暴影响提供了比较性观测评估。需要注意的是，本分析仅基于两场风暴事件的对比，因此并不旨在建立海滩残骸堆积与风暴波越顶或后滨淹没过程之间普遍适用的关系。相反，本研究提供了一个代表性地中海城市海滩的观测证据，突出了在对比性混合海滩残骸条件下可能影响后滨响应的机制。先前的研究主要集中在海神草草席的地貌和水动力学作用，包括其对冲洗带动力学和海滩过程的影响（Gómez-Pujol et al., 2013；Passarella, 2019）。近年来，Ruju et al.（2022）研究了由海神草残骸和陆生植物碎屑组成的混合海滩残骸沉积物的地貌和水力学行为。在此基础上，本工作通过考察广泛的混合残骸沉积物的存在与两场真实风暴事件期间观测到的对比性海滩响应之间的关系，拓展了先前的研究。波浪上溯和后滨淹没、海滩形态和入渗的综合分析提供了混合海滩残骸在风暴条件下影响后滨响应潜在作用的进一步观测证据。虽然具有场地特异性，但这些发现为涉及更多风暴事件和不同沿海环境的未来调查提供了有用的基础，从而有助于更广泛地了解海滩残骸沉积物在增强沿海韧性方面的潜在作用。研究区域Poetto海滩位于撒丁岛南部海岸（西地中海），在卡利亚里湾内（意大利）（图1a）。海滩沿海岸方向延伸约8公里，最大近岸-离岸扩展约100米（图1）。地貌上，该沿海系统西侧由圣埃利亚岬界定，该岬将Poetto海滩与岬西侧的Giorgino海滩系统分隔开（Porta et al., 2020）。Poetto是一个海岸视频监测和图像处理本研究所分析的风暴事件使用了卡利亚里大学沿海与海洋地貌学组运营的海岸视频监测系统获取的图像进行调查。海岸监测站安装在圣埃利亚岬上，海拔约125米，提供Poetto海滩西部扇区的全景视图。海岸视频监测系统由一台固定数字相机组成，以四次风暴事件特征分析了影响Poetto海滩的两场风暴事件：2018年10月29日和2020年1月21日（表1；图4）。源自CMEMS的波浪数据表明，两场事件均具有可比的外海峰值波高和波浪周期，但在平均波向、风暴持续时间和积分波浪能量方面存在差异。对完整CMEMS再分析数据集（1985年1月1日至2026年4月30日）进行的阈值超过分析（POT分析）确定了1.85米的99.5%分位阈值。讨论两场风暴事件的比较凸显了后滨响应的显著差异。虽然两场事件具有可比的外海峰值波高和波浪周期，但它们的平均波向和风暴持续时间不同。此外，按照Molina et al.（2019）方法估算的风暴能量在2020年1月事件期间较高。虽然两场风暴事件期间经验TWL估算值均超过了沙坝顶部高程（表5），超过量为结论本研究通过海岸视频监测、DGPS-RTK地形测量、入渗测量、总水位估算、风暴波能量分析和水动力学建模的综合分析，调查了混合海滩残骸沉积物在地中海城市海滩风暴响应中的作用。2018年10月和2020年1月两场风暴事件的比较凸显了在分析的记录时段内后滨响应存在对比，尽管2020年1月CRediT作者贡献声明Daniele Trogu：写作–审阅与编辑，写作–初稿，方法论，形式分析，数据整理，概念构思。Antonio Usai：写作–审阅与编辑，方法论，形式分析，数据整理，概念构思。Simone Simeone：写作–审阅与编辑，指导，方法论，形式分析，数据整理。Marco Porta：写作–审阅与编辑，形式分析，数据整理。Sandro Demuro：写作–审阅与编辑，指导，项目管理。未引用参考文献Barragán and De Andrés, 2015；Dolan and Davis, 1994；EMODnet Bathymetry Consortium, 2024；ISPRA；Karunarathna et al., 2014；Pikelj et al., 2022；Regione Autonoma della Sardegna, 2016；Regione Autonoma della Sardegna, 2020；Stockdon et al.。数据可用性本研究中生成和/或分析的各个数据集，包括海岸视频监测数据集，可在合理请求下向通讯作者索取。生成式AI和AI辅助技术在稿件撰写过程中的声明在撰写本工作期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）以支持语言修订并提高稿件的清晰度。

在使用该工具/服务后，作者已对内容进行了必要的审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明? 作者声明，他们不存在任何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
本研究在"扩展返回伙伴关系"框架内进行，并获得了欧盟"下一代欧盟"基金的支持（国家复苏与韧性计划 – NRRP，第4项使命，第2项组成部分，第1.3项投资 – 法令编号1243，2022年8月2日，项目编号PE0000005）。本文是在卡利亚里大学第38届创新科学与技术博士项目就读期间完成的，并获得2022年4月9日第351号部长法令资助的奖学金支持。
Daniele Trogu | Antonio Usai | Simone Simeone | Marco Porta | Sandro Demuro
卡利亚里大学化学与地质科学系，沿海与海洋地貌学组（CMGG），09042 Monserrato，意大利。