密歇根湖伊利诺伊海滩州立公园碎石堤岸防护工程附近的风暴驱动海岸线变化

《Journal of Great Lakes Research》：Storm-driven shoreline changes near a rubble ridge shore protection project at Illinois Beach State Park, Lake Michigan

　　

摘要 基于自然的解决方案越来越多地被采用作为传统硬性基础设施的替代方案，以缓解海岸侵蚀。在美国密歇根湖沿岸的伊利诺伊海滩州立公园（IBSP），2021年建造了与岸平行的水下碎石堤，以减缓海岸退缩，同时保留自然沉积物输运过程。尽管基于自然的解决方案日益受到重视，但在不同风暴强度下其性能的了解仍然有限，特别是在五大湖地区。本研究利用高分辨率Planet卫星图像和美国陆军工程师兵团（USACE）后验波浪数据，对碎石堤安装前后海岸线对风暴事件响应的时空特征进行了有针对性的评估。为最大限度地减少混杂水文和人为因素的影响，进行了两组对比分析：（1）建设前后各1.5年的对比，以及（2）2016-2017年与2022年的对比——两个时期水位相近。结果表明，碎石堤总体上通过减弱风暴事件期间海岸线后退和向陆推进的幅度，缓解了海岸线动态变化。然而，结构的有效性取决于风暴强度。在高强度风暴条件下，安装后时期经历了更为显著的海岸线后退，表明在最高能量情景下其效果有限。此外，尽管结构两端（北部和南部）记录的差异比中部更为明显，但区域间的直接配对比较未得出具有统计学意义的差异。这些发现为碎石堤的功能和局限性提供了重要见解，并强调了进一步优化以支持五大湖地区及以外地区实施的要素。引言 海岸线变化是全球沿海地区面临的普遍挑战。风暴和水位波动等自然驱动因素，以及人为干扰，共同导致了海岸线后退及相关海岸侵蚀（Bird, 2008; Vousdoukas等, 2020）。随着气候变化条件下海岸侵蚀加剧，减缓或阻止这种后退已成为海岸管理工作的主要焦点。近年来，人们对实施基于自然的解决方案而非海岸线硬化技术越来越感兴趣。基于自然的解决方案建立在长期实践的基础上，旨在通过创建或增强能够减轻侵蚀影响的环境自然要素来减缓或阻止侵蚀，例如种植沙丘草或恢复湿地（Cooper等, 2020; Perricone等, 2022; Pontee等, 2016; Temmerman等, 2013）。尽管这些策略已在温带海洋和河口环境中得到评估，但鲜有研究记录其在北美五大湖地区等寒冷气候和以波浪为主导区域的性能。在北美五大湖地区，海岸变化主要由年际到年代际的水位波动驱动（Argyilan和Forman, 2003; Quinn, 2002）。湖水位可因区域水平衡——特别是降水与蒸散之间的变化——发生高达2米的波动，两者合称为净盆地补给（Gronewold等, 2016, Gronewold等, 2021）。在湖水位快速上升的时期，例如2014年至2020年，降水超过蒸散，导致净盆地补给量高。相反，当蒸散超过降水时，净盆地补给量低，导致湖水位下降。例如，密歇根湖在2000年至2013年持续低于平均水平，2020年迅速升至历史高位，随后自2024年起再次降至低于平均水平（Huang等, 2021; NOAA, 2025）。因此，五大湖地区的海岸线变化模式已显示出与这些水位波动密切相关的特征，高水位时期通常伴随加速的侵蚀和海岸线退缩速率，而低水位时期则以海岸线稳定或向陆推进为特征（Abdelhady等, 2025; Meadows等, 1997; Theuerkauf等, 2019; Thompson和Baedke, 1995; Troy等, 2021）。尽管湖水位长期波动促进了海岸变化，但风暴波浪驱动着五大湖海岸线的侵蚀和沉积物输运，在相对较短的时间内造成重大影响（Abdelhady等, 2025; Angel, 1995; Meadows等, 1997; Theuerkauf等, 2019, Theuerkauf等, 2021）。该地区的风暴事件，特别是在秋季和冬季月份，通常产生的波浪高度超过2米（Booth, 1994; Huang等, 2021）。这些高能事件常常与长期高水位期重合，两者均与更广泛的气候因素相关，如气旋活动和区域温度（例如Huang等, 2021; Meadows等, 1997），加剧了海岸侵蚀和海岸线后退。在密歇根湖沿岸，近期高水位期间记录了严重的风暴侵蚀事件，造成了广泛的地貌和生态影响，包括海滩变窄、前丘后退、越浪（Kilibarda和Kilibarda, 2022; Mattheus等, 2022, Mattheus等, 2023; Nelson-Mercer等, 2025; Theuerkauf等, 2021; Troy等, 2021）、沿海栖息地丧失（Theuerkauf和Braun, 2021）以及土壤碳输出（Braun和Theuerkauf, 2021）。密歇根湖沿岸海岸侵蚀的一个特别有据可查的例子发生在伊利诺伊海滩州立公园（IBSP），位于美国西南部密歇根湖沿岸的伊利诺伊州东北部。该公园包含锡安海滩-沙脊平原（ZBRP），这是一片向南迁移的沙质平原，经历了数百年因北端侵蚀、向南的沿岸沉积物输运以及由此导致的南端沉积而演变形成（Chrzastowski等, 1994; Mattheus等, 2024）。这种迁移持续塑造着现代海岸线行为，在某些位置诱发了高达3米/年的海岸线退缩（Chrzastowski等, 2013）。这对休闲通道和ZBRP支持的稀有生态群落构成了重大威胁（Braun和Theuerkauf, 2021; Fraser和Hester, 1977; Hyerczyk, 2008; Phillippe等, 2011），迫切要求管理干预。然而，由于自然的沿岸动态是维持IBSP动植物的关键，任何保护栖息地和基础设施的管理策略都必须保留而非打断这些自然过程。因此，建造传统的硬性基础设施如防波堤、护岸堤和护面体是不够的，因为它们可以改变近岸沉积物输运模式并割裂近岸栖息地（Acheampong等, 2025; Dugan等, 2018）。鉴于此，由科学家、景观建筑师、工程师和海岸管理者组成的跨学科团队合作开发了IBSP的基于自然的保护策略——该策略旨在减缓IBSP某位置的海岸线后退，同时保留沉积物连通性并最大限度地减少受侵蚀和越浪威胁的沿海栖息地的不利影响（Davis等, 2023; Theuerkauf等, 2019; Theuerkauf和Braun, 2021）。与传统的防波堤结构不同，后者常与向下游侵蚀、结构附近沉积物冲刷、沉积物分布改变以及沿海栖息地碎片化相关联（Cantasano等, 2023; Glueck等, 2025; Pilkey, 2012; Saengsupavanich等, 2022），这种方法旨在与自然海岸动态协同而非约束。具体做法是在浅水近岸区建造一系列低高程的沿岸碎石堤，使用比传统防波堤更小的石块，在降低费用的同时可能为鱼类提供栖息地。在由最近测深数据参数化的数值模型指导下，碎石堤的布置和设计旨在减弱风暴事件期间的波浪能量，特别是来自密歇根湖约400公里波长的东北向大波浪（Booth, 1994; Davis等, 2023）。通过减少风暴波浪能量并考虑波浪折射，该结构旨在保留更多沉积物在近岸区域，通过每日波浪作用促进自然海滩建造过程，并降低沿岸沉积物输运速率，而不破坏自然的沉积物连通性（Davis等, 2023）。此外，与其他的硬化海岸结构不同，这些碎石堤预计会随海滩重建而逐渐变形，允许岩石重新分布和平坦化，最终为鱼类和其他水生生物提供栖息地。完整的碎石堤设计框架在Davis等（2023）中有描述和图示。碎石堤于2021年夏季和秋季建造，最终设计包括两条离岸更远的沿岸碎石堤（长约200米）和一条较短的（约125米）靠陆碎石堤。这些结构代表了五大湖地区已知的首个近岸碎石堤实施案例，使其评估在缓解风暴驱动的海岸线后退方面的有效性至关重要，并评估其作为可转移的海岸线管理方法对于类似脆弱的五大湖海岸线的潜力。因此，本研究旨在评估IBSP碎石堤项目相关的短期（< 5年）海岸线变化时空模式。鉴于风暴事件是这一高能海岸系统中短期海岸线变化的主要驱动力，我们的分析特别聚焦于碎石堤安装（2021年夏秋季）前后由风暴引起的海岸线迁移。第一组对比分析涵盖了3年研究期，包括安装前1.5年（2020年1月1日至2021年6月1日）和安装后1.5年（2021年6月1日至2022年12月31日）。该时间段的选定旨在避免大规模海滩养护工程和2023年在研究地点以北启动的额外防波堤建设的混杂影响（Aguilar, 2024; Strauss和Kucza, 2025）。此外，为控制水位变化对海岸线移动的影响，我们进行了第二组对比分析，即2016年6月1日至2017年6月1日与2022年——两个水位相似的时期（图1）。使用高分辨率Planet卫星图像和美国陆军工程师兵团（USACE）波浪信息研究（WIS）后验数据库的波浪数据，量化了风暴引起的海岸线变化。海岸线响应从时间上（对比安装前后条件）和空间上（碎石堤的北、中、南三个区域）进行了分析。通过确定碎石堤是否在风暴事件期间产生了具有统计学意义的海岸线后退减少，本研究为该干预措施的性能提供了定量评估，并为未来在类似海岸系统中此类基于自然的海岸线保护策略的设计和实施提供了实际见解。研究区域 伊利诺伊海滩州立公园（IBSP），位于密歇根湖西南部沿岸（图1a），支持着丰富的植物和动物群落多样性（Braun和Theuerkauf, 2021; Fraser和Hester, 1977; Hyerczyk, 2008; Phillippe等, 2013）。公园的大部分区域包含锡安海滩-沙脊平原，这是一个动态的海岸沙质平原，由一系列沿岸沙脊、洼地、前丘和全球罕见的泛滥湿地组成。这种地貌镶嵌体创造了一个动态的...碎石堤安装前后风暴事件与海岸线变化（2020-2022） 在2020年1月至2022年12月期间，使用2米波高阈值共记录了29次风暴事件（图3a），其中16次发生在碎石堤安装之前，13次发生在安装之后。所有风暴事件均按季节聚集，主要发生在冬季、春季和秋季（1月至5月；9月至12月），这种时间模式与Mattheus等（2023）报告的相似。来自东北方向的波浪约占...讨论 总体而言，本研究的结果表明，碎石堤安装后IBSP对风暴事件的海岸线响应变得显著不那么多变，表明向海岸线稳定的转变。这在两个分析时段——碎石堤安装前后——以及2016-2017年与2022年的对比中均显而易见。与这些基于事件的结果一致，第二对比期的累积海岸线变化表明...结论 总之，2021年在IBSP安装的碎石堤似乎在一定程度上实现了其预期功能，即缓和海岸线对风暴事件的响应。然而，海岸线对风暴活动的响应本质上仍然复杂，受到众多交互变量的影响，其中许多超出了本研究的范围。我们的发现表明，碎石堤有效地减少了某些风暴事件期间海岸线变化的幅度，并且当...作者贡献声明 Rachel Y.S. Lau：撰写初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式化分析、数据管理。Ethan J. Theuerkauf：审阅与编辑、验证、指导、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。利益冲突声明 作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢 本工作的资金支持来自美国国家海洋和大气管理局的大湖修复倡议。

作者感谢伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校大草原研究所下属的伊利诺伊州立地质调查局在本项目中的合作者，包括 Steven Brown、C. Robin Mattheus、Hillary Glandon、Kristen Pearce、Raven Mitchell 和 Elizabeth Spitzer。我们也感谢密歇根州立大学地理、环境与空间科学系的同事 Rachel Y.S. Lau 和 Ethan J. Theuerkauf。