風(fēng)暴潮與鹽沼相互作用研究進展

張振偉 劉貞文 劉必勁

摘要：文章對沿海風(fēng)暴和鹽沼之間動態(tài)相互作用的研究所取得的進展進行了綜述。包括：極端水位和風(fēng)浪在鹽沼區(qū)域的耗散，風(fēng)暴對鹽沼的地貌影響，沉積記錄對風(fēng)暴潮和沉積物的保留，以及海平面上升對鹽沼長期存活的重要性。鹽沼能夠有效地消散波浪能和風(fēng)暴增水，特別是當(dāng)沼澤植被較高并且連續(xù)時。地貌形態(tài)學(xué)觀點認為鹽沼通常能夠抵御風(fēng)暴而不會崩潰，風(fēng)暴只會造成長期鹽沼侵蝕的一小部分。風(fēng)暴作用的結(jié)果可能影響鹽沼系統(tǒng)在隨后的暴風(fēng)雨期間對正常天氣條件的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：鹽沼;風(fēng)暴潮;波浪;植被;海岸侵蝕

中圖分類號：P76?文獻標(biāo)志碼：A?文章編號：1005-9857（2019）07-0042-07

Abstract：This paper reviewed the progresses made in the understanding of the dynamic interactions between coastal storms and salt marshes，including the dissipation of extreme water levels and wind waves across marsh surfaces，the geomorphic impact of storms on salt marshes，the preservation of hurricanes signals and deposits into the sedimentary records，and the importance of storms for the long term survival of salt marshes to sea level rise.Salt marshes are effective in dissipating wave energy，and storm surges，especially when the marsh is highly elevated，and continuous.From a morphological point of view，salt marshes are generally able to withstand violent storms without collapsing，and violent storms are responsible for only a small portion of the long term marsh erosion.The necessity to focus on the indirect long term impact that large storms exerts on the whole marsh complex rather than on sole after-storm periods.

Key words：Salt marsh，Storms，Waves，Vegetation，Coastal erosion

0?引言

鹽沼是重要的沿海生態(tài)系統(tǒng)，其主要存在于河口和海灣的內(nèi)部邊緣以及低能量的潮間帶。研究表明鹽沼的緩沖風(fēng)暴的作用價值高達每平方千米500萬美元[1]。鹽沼的其他生態(tài)功能包括沉積物、污染物、營養(yǎng)物的儲存，鹽沼也是許多植物和動物群落的自然棲息地。莊武藝等[2]對澳大利亞東南部海岸的庫納灣潮灘動力環(huán)境開展研究，表明海草對于潮灘的沉積作用大，可以使潮流流速減弱40%～60%，懸移質(zhì)含量減少20%～35%。汪亞平等[3]研究了鹽沼潮溝的動力響應(yīng)關(guān)系。沈永明[4]闡明了鹽沼的經(jīng)濟生態(tài)功能。王愛軍等[5]對福建泉州鹽沼的臺風(fēng)沉積動力響應(yīng)做了現(xiàn)場測量，測量顯示臺風(fēng)顯著影響期間的懸沙沉降通量是正常天氣情況下的3～6 倍，落潮期間的沉降通量是漲潮期間的1～2 倍。王愛軍等[6]對臺風(fēng)作用下的港灣型潮灘沉積過程做了研究，初步闡述了臺風(fēng)作用下潮灘沉積物變粗的機制。高抒等[7]通過相關(guān)數(shù)據(jù)、資料的集成分析，對互花米草引種的環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)作出綜合評述，并提出今后的研究方向和科學(xué)問題。趙秧秧等[8]采用沉積動力學(xué)垂向二維概念模型來模擬正常天氣和臺風(fēng)期間潮灘沉積的空間分布特征來探討臺風(fēng)風(fēng)暴潮對潮灘正常沉積層序的改造作用。

鹽沼生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，全世界大量鹽沼消失[9-10]。風(fēng)暴、風(fēng)浪和風(fēng)暴增水的作用可以通過影響鹽沼及其周邊區(qū)域的侵蝕/沉積以及沉積物輸入/輸出，而強烈改變鹽沼水平和垂直動力環(huán)境。而且，風(fēng)暴在低洼和人口密集的沿海地區(qū)產(chǎn)生嚴重的洪澇災(zāi)害風(fēng)險。因此，從氣候變化角度研究風(fēng)暴和鹽沼之間的相互作用是非常重要的。

1?鹽沼引起的風(fēng)暴增水衰減

風(fēng)暴潮經(jīng)過鹽沼時，風(fēng)暴增水的減小量為每千米厘米量級[11]。2004年印度洋海嘯和2005年美國墨西哥灣沿岸卡特里娜颶風(fēng)引發(fā)的沿海區(qū)域災(zāi)害，提升了全球科學(xué)家和公眾對紅樹林和鹽沼潛在重要保護作用的認識[12-13]。

實地測量結(jié)果表明鹽沼可以使得風(fēng)暴潮增水高度減少。美國墨西哥灣沿岸地區(qū)[14]，每14.5 km鹽沼上的峰值增水平均降低1 m（約6.9 cm/km）。個別颶風(fēng)事件之間的差異很大，從每4 km沼澤地（25 cm/km）造成1 m風(fēng)暴增水的衰減到每60 km衰減1 m的風(fēng)暴增水（約1.7 cm/km）[11]。數(shù)據(jù)的差別表明，風(fēng)暴潮的傳播和沼澤上的衰減是復(fù)雜的，風(fēng)暴增水的衰減主要取決于具體的風(fēng)暴特征、鹽沼生態(tài)系統(tǒng)特性和近海區(qū)域綜合情況。Stark等[15]研究表明荷蘭西南部河口的潮汐和風(fēng)暴潮衰減的強度很大程度上取決于鹽沼淹沒深度和潮溝的尺寸。

水動力模型可用于研究風(fēng)暴潮增水衰減的各種因素。研究提出兩種機制：①摩擦效應(yīng)在此稱為鹽沼內(nèi)衰減，連續(xù)鹽沼內(nèi)外的風(fēng)暴潮增水衰減主要是由于鹽沼植被摩擦作用和陸向沉積物的搬運[16];②蓄水效應(yīng)是指潮汐通道內(nèi)的橫向流動和蓄水，可以起到衰減風(fēng)暴潮增水的作用[17]。實際上兩者通常同時發(fā)生，潮汐通道會分割沼澤和紅樹林，沿著這些河道傳播的增水會受到摩擦和橫向蓄水效應(yīng)的影響[18]。

無論是理想化的鹽沼幾何形狀[16，19]，還是更接近實際的數(shù)模研究[11]，均證明風(fēng)暴潮衰減的有效性取決于：①風(fēng)暴強度、持續(xù)時間、前進移動速度、風(fēng)暴的特定屬性軌道等;②鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的大小、地形高度、植被疏密和連續(xù)性、鹽沼河道尺寸;③近海海岸情況（如水深地形，海岸線形狀，河口或三角洲，鹽沼后的堤壩或堤壩等）。

對于較小到中等的風(fēng)暴潮增水，衰減率通常較高;對于極端的風(fēng)暴潮增水，衰減率會降低，這是因為對風(fēng)暴潮衰減的摩擦影響隨著水深的增加而相對減小。地勢較高的鹽沼對風(fēng)暴潮增水衰減更為有效。對于持續(xù)時間較長的風(fēng)暴，鹽沼對風(fēng)暴增水的衰減作用也會降低，因為風(fēng)暴增水有更多的時間向陸地傳播并占據(jù)整個鹽沼地區(qū)。

在沼澤生態(tài)系統(tǒng)特性方面，寬度至少10 km或更寬的鹽沼以及地勢較高的鹽沼更能有效地削弱風(fēng)暴增水。潮汐通道的尺寸也會影響風(fēng)暴增水衰減;數(shù)值模擬表明，更深或更寬的潮汐通道可以促進風(fēng)暴洪水向陸地的傳播，從而導(dǎo)致風(fēng)暴增水衰減減小。

總而言之，數(shù)據(jù)和模擬研究表明，在大型（至少10 km寬）連續(xù)的鹽沼以及有少量小通道的

鹽沼后方風(fēng)暴潮增水高度顯著減少;特別是對于中等強度的風(fēng)暴潮，但對持續(xù)超過一天的極端風(fēng)暴潮，鹽沼對風(fēng)暴潮增水的衰減作用較小。后者意味著，在人口稠密的低洼沿海和河口地區(qū)單獨依靠基于自然的防御措施有時可能是不可取的。相反，所謂的混合方法，將連續(xù)沼澤的保護和恢復(fù)與工程防御結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在世界范圍內(nèi)得到越來越多的發(fā)展和實施。這種混合方法更具成本效益，可以提供風(fēng)險緩解，還可以提供其他有價值的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2?鹽沼引起的波能衰減

鹽沼是天然的波浪能量阻尼器[20-23]。對于淺水，波浪能的耗散與海床的摩擦、滲透性和黏性層有關(guān)。 在鹽沼上，床面粗糙度主要來源于兩個方面的貢獻：植被引起的摩擦和鹽沼的地形變化。波浪衰減受植物特征如幾何形狀、莖密度、空間覆蓋和剛度的影響，并且與水動力條件如水深、波浪周期和波浪高度是相關(guān)的?，F(xiàn)場測量證實，風(fēng)浪的耗散隨著相對波高的增加和淹沒率的降低而增加[24-25]。

鹽沼和光灘上的風(fēng)浪觀測表明，鹽沼上的波浪能耗明顯較高（高達82%的能量消散），然后是光灘（29%的消散）[26]。雖然波阻尼效應(yīng)的一部分可歸因于較高的沼澤臺地上的水深減少（相對于較低的潮汐升高），即使在近似的水深條件下，鹽沼的能量耗散也高達50%，這表明植被在耗散過程中的重要作用。

波浪的衰減作用也與流體和植物之間的相對運動密切相關(guān)，這取決于植物莖干的柔韌性、直徑和長度。具有相對高剛度的莖干傾向于在整個波周期中振蕩搖擺，而柔韌的莖干傾向于以高角度在水流主方向上彎曲，形成覆蓋于海床上的植被層，基本喪失了對水流的阻尼作用[27-28]。隨著波能的增加（例如，在風(fēng)暴期間），植被莖稈運動可以從搖擺變?yōu)楸逘睢Ｖ脖坏娜犴g性的增加可以降低對波浪阻尼作用，因為莖干會隨著周圍的水而移動[29-30]，但是如果水動力載荷較高，則僵硬的植物會斷裂[31-33]。柔韌的植被耗散貢獻低，但在水流速度不低于74 cm/s的情況下，它們的變形會有助于固定海床表面沉積物[34]。相反，更堅硬的植被會增加周圍的湍流和沉積物沖刷，并由于剪切應(yīng)力值的增加而導(dǎo)致更多的侵蝕[21-22]。保羅等[28]測試了人工植被在不同波浪載荷下的拖曳力。他們發(fā)現(xiàn)剛度和動態(tài)正面區(qū)域（例如，由彎曲產(chǎn)生的正面區(qū)域）是決定阻力的主要因素，而植物的靜止正面區(qū)域僅在低速度下支配力與速度間關(guān)系。

3?風(fēng)暴潮對鹽沼地貌的影響

與其他濕地相比，鹽沼具有對風(fēng)暴影響的抵抗能力。這主要歸因于根系存在賦予土壤的剪切強度增加[35]。2014年，F(xiàn)agherazzi[36]解釋了有植被和無植被（例如，沙灘）海岸線對水動力作用的響應(yīng)，有植被海岸線在緩沖（濾除）強大的風(fēng)暴時非常有效，但在中等風(fēng)暴下效果較差;反之亦然，無植被的海岸線能夠有效地吸收溫和氣象條件下的水動力能量，但在高能水動力作用時會坍塌。

風(fēng)暴對鹽沼的影響可能因風(fēng)暴和生態(tài)系統(tǒng)屬性而顯著變化，并可轉(zhuǎn)化為各種地貌特征。除了侵蝕和沉積過程外，風(fēng)暴還可以通過地表下的過程使沼澤地面變形[35]。

3.1?深切作用

與在淡水沼澤中的池塘相比，鹽沼在風(fēng)暴期間產(chǎn)生的潮汐池通常要小得多;它們還保持更無定形的形狀（沒有優(yōu)先方向）。在地形已經(jīng)較低的地方，這些潮汐池更容易形成，強風(fēng)驅(qū)動的水流可以侵蝕表面沉積物[35]。 在一系列風(fēng)暴作用下，潮汐池可以隨著時間的推移而擴大，并且還會導(dǎo)致鹽沼中沉積物的損失[37]。事實上，一旦潮汐池形成，它們通常會擴張，最終潮汐池可以與潮汐通道相連接[38-39]。

當(dāng)潮汐池與渠道連通時，如果潮汐池高于植被生長限制，或者如果沉積速率大于海平面上升速率，則潮汐池可以恢復(fù)。當(dāng)這些條件不滿足時，潮汐池會擴大，由于受到內(nèi)部產(chǎn)生的風(fēng)浪作用而發(fā)生邊緣侵蝕，并且侵蝕的沉積物可能會通過潮汐通道而損失[38]。因此，取決于生物過程的作用和沉降速率，潮汐池的形成和擴大可能是不可逆的，或者潮汐池最終恢復(fù)到周圍的鹽沼相同的高度[40]。

3.2?侵蝕作用

當(dāng)水流和波浪引起剪切應(yīng)力剝離植被表面時，植被覆蓋區(qū)域鹽沼的侵蝕[41]可以影響大約數(shù)千米的區(qū)域。剝蝕的深度決定了受影響地區(qū)的恢復(fù)機會和恢復(fù)速度。由于波浪產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，鹽沼前的潮灘水深會加深，間接影響鹽沼的生存，因為鹽沼前的水深增加會促使波能增大從而促進鹽沼侵蝕[42]。鹽沼臺地的侵蝕深度可以從幾厘米到數(shù)厘米不等。

鹽沼海岸線的橫向侵蝕主要由風(fēng)浪的作用決定[43-45]。根據(jù)鹽沼邊界侵蝕和波浪資料的全球數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)沼澤岸線的年蝕退率隨著波能線性增加。雖然颶風(fēng)對鹽沼的影響非常強烈，但它們的低頻率和短持續(xù)時間導(dǎo)致相對較小的影響，其侵蝕占比約為1%。相反，中度和頻繁發(fā)生的風(fēng)暴對于鹽沼生存來說是最危險的[44]。

對于海岸線，風(fēng)浪的作用改變了鹽沼邊界的形狀。 Leonardi等[46]研究表明，波浪與鹽沼阻尼的空間差異之間的相互作用決定了沼澤海岸線的形狀以及侵蝕速率的可預(yù)測性。在波能較高的條件下，雖然總體上導(dǎo)致更快的鹽沼惡化，但會導(dǎo)致持續(xù)且可預(yù)測的侵蝕，以及平滑的鹽沼邊界分布。

3.3?沉積作用

風(fēng)暴和颶風(fēng)的發(fā)生可伴隨著大量沉積物的沉積。例如，颶風(fēng)麗塔產(chǎn)生4～5 m的風(fēng)暴增水，并且導(dǎo)致了內(nèi)陸500 m的0.5 m厚沉積[47]。根據(jù)沉積物運輸?shù)膬舴较?，沉積物可能沉積在鹽沼表面上或向海方向。因此，風(fēng)暴可能不一定留下不同的沉積單元，而是通過提高懸浮沉積物濃度或流速來增加潮汐沉積的增量，從而增強了在潮汐通道淹沒或溢出期間的常規(guī)沉降機制。特納[48-49]研究表明，大的風(fēng)暴增加了海上通過潮汐通道的礦物質(zhì)供應(yīng)。

在潮上帶海岸線發(fā)生沖毀和淹沒的區(qū)域很容易發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴期間的沉積物，例如，越浪堆積或沖積扇。Scileppi等[50]發(fā)現(xiàn)長島海岸的沖刷沉積物與颶風(fēng)的登陸的記錄相關(guān)，并且登陸發(fā)生率增加和減少可以在鹽沼沉積物記錄中得到佐證[51-52]。風(fēng)暴期間越過障礙物的越浪也可以在屏障物后的鹽沼引起沉積，然后在沉積物記錄中可以保留貝類的殼作為風(fēng)暴沖刷的證據(jù)。

3.4?變形作用

除了侵蝕，沉積和深切作用的表面過程之外，由土壤壓實或地下水流引起的地下過程也是風(fēng)暴增水發(fā)生的重要結(jié)果，并且可導(dǎo)致鹽沼高度的顯著變化。

在風(fēng)暴潮期間沉積層沉積的土壤壓實是很常見的;風(fēng)暴潮引起的水流也會造成土壤萎縮或膨脹。例如，1992年，颶風(fēng)安德魯經(jīng)過路易斯安那州Bayou Chitigue的鹽沼后，盡管有28 cm厚的沉積物，但由于土壤壓實，海拔的總變化為-5 cm[53]。同樣，對于北卡羅來納州雪松島的鹽沼，由于颶風(fēng)菲利克斯和杰瑞的表面侵蝕僅為-1 cm，但由于土壤壓實導(dǎo)致的海拔變化達到-18 cm[53]。

沿海鹽沼的沉積物來源多種多樣，但大致可分為外部來源、鄰近海岸或海洋的侵蝕和河流沉積物的供應(yīng)，以及與鹽沼相鄰的潮間帶泥沙上的沉積物重新懸浮的內(nèi)部來源或沼澤邊緣和潮汐通道的侵蝕[54]。所有來源在時間和空間上都是可變的，并且通常由高能量事件驅(qū)動（降水，風(fēng)暴潮增水或波浪增水等）[55]。沉積物向鹽沼的運輸發(fā)生在多個時間尺度上。風(fēng)浪可以掀動河口和潮間帶的泥沙沉積物，侵蝕鹽沼斜坡，并且增加水體中沉積物的濃度[56-57]。

海平面上升正在對沿海鹽沼的生存造成威脅，海平面上升會降低海岸的海拔高度，海岸頻繁淹沒造成鹽沼植被的生長[39，58]。隨著海平面上升，沿海鹽沼需要更多的沉積物供應(yīng)，以便垂直適應(yīng)海平面上升。世界各地沿海鹽沼的海平面上升臨界速率的估計表明，許多鹽沼地點具有相對較高的恢復(fù)能力[59]，充足的沉積物供應(yīng)是鹽沼生存的關(guān)鍵因素。此外，弱潮環(huán)境下的鹽沼對海平面上升的沉積物供應(yīng)量下降特別敏感，而在強潮環(huán)境下的鹽沼對海平面上升率或沉積物供應(yīng)減少更具彈性[21-22]。

4?結(jié)論

面對氣候變化，鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)產(chǎn)出，緩解洪澇災(zāi)害風(fēng)險、侵蝕風(fēng)險和碳封存，變得越來越重要。

在風(fēng)暴條件下，即使在極端水位條件下，鹽沼也能夠有效地消散高水位和波浪能，但是它們的能量耗散作用隨著水位的增加而降低。經(jīng)驗數(shù)據(jù)和模擬研究表明，大型和連續(xù)鹽沼可以有效減小其后方的風(fēng)暴潮增水高度。

植被的存在以及鹽沼臺地表層水位的降低都會導(dǎo)致波浪和浪涌的消散。植被性質(zhì)在很大程度上影響了這種消散過程;雖然在強風(fēng)暴期間（在消散潛力降低的情況下）柔韌的莖更容易受到影響，但它們對結(jié)構(gòu)損傷的抵抗力也更強，而且它們的柔韌性有助于保護沼澤基質(zhì)免受侵蝕。另一方面，隨著波浪能的增加，高剛度植被可以增強植物莖周圍的湍流和表面侵蝕。

風(fēng)暴作用可能對鹽沼的地貌演變產(chǎn)生各種影響，并對其長期生存對海平面上升和氣候變化的影響不同。風(fēng)暴影響可能導(dǎo)致鹽沼邊界、鹽沼臺地和周圍潮汐通道的侵蝕，但它也可能向沼澤臺地輸送大量沉積物。后續(xù)研究應(yīng)關(guān)注大風(fēng)暴可能對鹽沼造成的間接影響，不僅在風(fēng)暴后的緊接時期，而且在長期內(nèi)，以及它們的形態(tài)如何。

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