潮间带栖息地对河口风暴引发洪水的影响：以英国泰晤士河口为例

《Ocean Modelling》：Impact of Intertidal Habitats on Storm-Induced Flooding in Estuaries: Application to the Thames Estuary, UK

潮间带恢复对极端高潮水位的影响研究：基于泰晤士河口风暴Xaver的三维半解析模型分析，揭示了潮间带对半日潮和低频涌浪的放大及相位延迟效应，导致外湾区水位上升0.2米，同时河床变浅可能逆转潮间带效应。

　　

朱仁杰|张伟|魏晓燕

中国南京河海大学国家水灾防治重点实验室。

摘要

由于土地开垦，全球的潮间带栖息地正在迅速减少。为了减轻洪水、侵蚀和生物多样性丧失带来的风险，世界各地越来越多地实施潮间带的恢复和创建工作。然而，这些栖息地对河口洪水影响的机制仍不甚明了。本研究开发了一个三维的、理想化的半解析模型，以系统地研究潮间带对河口极端高水位（EWL）的影响。作为案例研究，该模型应用于风暴“Xaver”期间理想化的泰晤士河口（英国），这是过去七十年中最强的北海风暴潮。我们的结果显示，在这场风暴中，半日潮和低频风暴潮（周期大于约24小时）是泰晤士河口极端高水位的主要驱动因素。潮间带栖息地显著放大了半日潮和风暴潮的幅度，并使其相位延迟，且这种相位延迟随着潮汐/风暴潮频率的增加而增大。潮间带对低频潮汐和风暴潮的影响较小。在风暴“Xaver”期间，潮间带栖息地使极端高水位增加了超过0.1米，这主要归因于栖息地引起的半日潮幅度和风暴潮相位的变化。尽管泰晤士河口防波堤的关闭有效降低了上游的洪水风险，但它使河口外部的极端高水位增加了约0.2米。此外，河道变浅可能会使潮间带的影响从提高极端高水位转变为降低极端高水位。我们的发现表明，潮间带栖息地在不同潮汐和风暴潮成分中的作用是多变的，为理解其在河口洪水风险缓解中的有效性提供了关键的科学依据。

引言

由于海平面上升、极端风暴和河流流量的增加，以及气候变化和人类活动（如土地开垦、疏浚、筑坝）导致的潮汐动态变化，洪水灾害对河口地区的威胁日益严重（Song等人，2020年）。潮间带栖息地（如盐沼和泥滩）是河口中宝贵的生态系统，因为它们在减轻洪水/侵蚀、增强生物多样性、固碳和过滤污染物方面具有多重效益（Marsooli等人，2016年）。然而，由于海平面上升和土地开垦，自上个世纪以来，这些栖息地在全球范围内减少了50%以上（Guo等人，2022年；Murray等人，2019年）。保护、恢复和创建潮间带栖息地被越来越多地提出作为可持续的、基于自然的解决方案，以减轻河口洪水风险（Moraes等人，2022年），正如在埃姆斯河口和斯海尔德河口所实施的那样（Li等人，2016年；Stark等人，2017年）。鉴于风暴潮和潮汐在塑造河口灾害中的关键作用，了解潮间带栖息地在风暴引发洪水中的作用对于有效的河口管理至关重要。

数值研究表明，潮间带栖息地在不同河口对风暴引发的洪水的影响可能存在显著差异。例如，Gou等人（2023年）报告称，潮间带开垦对中国浙江沿海不同地区的洪水风险有不同的影响：在杭州湾，最大风暴潮增加了约0.3米，但在三门湾等较小流域则减少了峰值风暴潮。其他研究表明，潮间带栖息地在不同风暴条件下的洪水缓解作用也有所不同，这为它们的洪水缓解潜力带来了额外的不确定性。Wamsley等人（2010年）发现，密西西比河三角洲湿地的风暴潮减弱能力在很大程度上取决于风暴的强度和持续时间。Zhang等人（2023年）发现，大规模的土地开垦加上风暴强度的增加会导致珠江河口的风暴潮高度上升。然而，Shen等人（2018年）在同一河口考虑了不同的风暴事件后，发现潮间带区域的开垦反而降低了风暴潮高度。潮间带栖息地在洪水缓解中的作用还强烈依赖于其特征（如位置、海拔、宽度）。Townend和Pethick（2002年）报告称，在英国亨伯河口内部通过允许低洼沿海地区被淹没来进行管理性调整，可以将极端高水位降低0.5-0.8米。然而，在河口外部实施这种措施时，极端高水位可能会增加0.2米。Loder等人（2009年）发现，在墨西哥湾北部，沼泽地海拔的降低会导致风暴潮水平的下降，而沼泽地连续性的减少（如分割）则可能提高沿海风暴潮水平。Stark等人（2016年）也证实了潮间带栖息地位置的重要性，他们发现荷兰西斯海尔德河口不同位置的沼泽地在风暴事件中对极端高水位的影响不同，甚至在扩展沼泽平台后可能会增加极端高水位。Kiesel等人（2022年）报告称，在英国Freiston Shore通过管理性调整增加恢复湿地的宽度可以更显著地减弱风暴波，扩展植被覆盖可以进一步减弱更高的风暴潮。

潮间带栖息地对风暴引发洪水的影响具有变异性，这强烈依赖于河口、栖息地和外部因素的特性（Hu等人，2015年），这突显了河口潮间带栖息地在洪水缓解潜力方面的巨大不确定性。为了减少这些不确定性，了解潮间带栖息地如何影响河口风暴引发的洪水（例如通过调节不同的潮汐和风暴潮成分）以及识别可能解释潮间带栖息地在不同河口中不同洪水缓解作用的过程非常重要。

尽管数值模型已被广泛用于模拟复杂的河口过程，但高计算成本和数值结果的复杂性使得在广泛的参数空间内区分各个物理过程变得具有挑战性（Schuttelaars等人，2013年）。理想化的半解析（或解析）模型提供了一种计算经济且有效的方法，可以系统地研究驱动河口洪水的物理过程（Chen等人，2016年；Dykstra等人，2024年；Familkhalili等人，2020年；Proudman，1955年；Reef等人，2018年；Talke等人，2021年；Wei等人，2019年）。例如，Chen等人（2016年）开发了一个三维的、理想化的半解析风暴潮模型，旨在研究半封闭矩形流域内的风暴潮传播。然而，这些理想化的潮汐-风暴潮模型没有考虑潮间带栖息地的影响，而潮间带栖息地在河口水动力学（包括潮汐和风暴潮传播）中具有重要意义。这严重限制了我们理解潮间带栖息地如何影响河口洪水以及在不同人为干预和加速气候变化条件下评估其洪水缓解潜力的能力。

在这项研究中，我们有两个主要目标：1）开发一个三维的、理想化的半解析潮汐-风暴潮模型，结合风暴条件下潮下带和潮间带水运动的动态相互作用；2）探索潮间带栖息地对河口风暴引发洪水的影响，以及它们在构成洪水的各个潮汐和风暴潮成分中的作用。这是通过扩展Chen等人（2016年）的三维半解析模型来实现的，以解决潮间带和潮下带区域之间的动态耦合的潮汐和风暴潮运动。该扩展模型应用于风暴“Xaver”期间的泰晤士河口，以展示潮间带栖息地在调节不同频率的潮汐和风暴潮成分中的作用。

本文的结构如下：第2节介绍模型公式和实验设计；第3节研究模型性能和潮间带对风暴引发河口洪水的影响；第4节简要讨论了本研究的影响和局限性；第5节得出结论。

模型开发与验证

为了系统地研究潮间带栖息地对风暴引发的河口洪水的影响，本研究扩展了Chen等人（2016年）开发的三维（3D）半解析模型，以考虑潮下带和潮间带水体之间的相互作用。Chen等人（2016）假设水深比水位振荡大一个数量级，从而在无潮间带区域的半封闭流域中解决了3D风诱导的风暴潮动力学问题。在扩展模型中，我们

模型性能

从扩展的半解析模型获得的河口不同位置的水位时间序列分别与数值Delft3D模型和Chen等人（2016年）开发的未扩展半解析模型（其中省略了潮间带区域）的结果进行了比较（图5）。

扩展模型模拟的水位（黑线）与数值模型计算的结果（红色星号，图5）沿河口方向显示出强烈的一致性，

影响

我们的结果表明，潮间带的存在显著增加了峰值潮位和风暴潮高度，从而在风暴“Xaver”期间提高了理想化泰晤士河口的极端高水位（见图9c）。这似乎与关于河口潮间带栖息地具有洪水缓解功能的普遍共识相矛盾，因为它们通常被认为可以消散波能（Barbier等人，2011年；M?ller等人，2014年；Orton等人，2015年；Reed等人，2018年）。这种差异可以理解为

结论

为了研究潮间带区域在风暴引发的洪水和河口极端高水位（EWL）中的作用，我们开发了一个三维的、理想化的半解析潮汐-风暴潮模型，该模型考虑了潮下带和潮间带水运动之间的相互作用。在这个模型中，潮汐和风暴潮分别计算并分解为具有不同频率和相位的几个主要成分。我们发现，在一个简单的测试场景中，

CRediT作者声明

朱仁杰：概念化、方法论、正式分析、撰写——原始草稿准备、审阅和编辑；张伟：概念化、监督、调查、撰写——审阅和编辑；魏晓燕：概念化、方法论、监督、调查、资源、撰写——审阅和编辑。

CRediT作者贡献声明

朱仁杰：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。张伟：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、调查、资金获取、概念化。魏晓燕：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，42576156，U2040203）、国家水灾防治重点实验室开放研究基金（2024491011）、中央高校基本科研业务费（B240205032）、教育部海岸灾害防治重点实验室（J202201）、英国自然环境研究委员会（CHAMFER项目，NE/W004992/1）和中国 Scholarship Council（CSC，文件202406710099）的资助。