沿海堤坝，防洪利器vs帮凶？河口坝对风暴潮反射与潮汐扩展的影响
本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
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文 | 王芊佳（海洋与湿地）
本文约3200字，阅读约7分钟
长期以来，人们普遍认为修建堤坝可以抵御洪水泛滥。特别是近年来，随着全球气候变化的加剧，沿海地区的洪涝灾害风险显著增加。为应对这一挑战，许多沿海国家选择在河口建造堤坝，以防止海水倒灌、控制河流水流，并减缓盐水入侵。但是，2024年9月发表的一项最新研究却颠覆了这一认知：在某些情况下，沿海堤坝反而会加剧洪灾！
这项发表在《地球物理研究：海洋》期刊上的研究，聚焦于河川与海洋潮汐交汇处的河口——也是沿海堤坝修建的常见地点。这些大型基础设施项目在全球范围内正变得愈发普遍，旨在应对气候变化带来的风暴加剧、海水入侵以及海平面上升等问题。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编提请注意：上述研究中的“坝”（原文是dam）与我们普通的“水坝”有些不同。我们常说的“水坝”，通常是指在河流中建造的结构，用于储存水资源、调节流量、发电、供水、灌溉等。它们的主要功能是控制和储存水量，并且可能会形成水库，这些大坝的设计和建设旨在满足特定的水资源管理需求。但是，在上述研究中，“坝”（笔者认为也可以理解为堤坝）指的是位于河口或水道中的人工构筑物，其主要功能是拦截和调节水流。这些堤坝通过在水体中建立障碍，控制水的流量和方向，从而影响洪水、潮汐和风暴潮的传播；这些结构不仅用于防止盐水入侵和调节水位，还可以改善航运条件。在该研究中，堤坝对河口区域的潮汐波和风暴潮产生显著影响，改变了水位的反射和波浪的传播特性，可能在某些情况下加剧洪水风险。
在这项研究中，研究人员通过分析美国南卡罗来纳州查尔斯顿港长达一个世纪的历史数据和测量结果，发现沿海堤坝并非洪水的克星。事实上，堤坝的存在可能会增加或减少洪灾风险，这取决于风暴潮持续时间和水流摩擦等因素。
科学家们通过对查尔斯顿港的31个长期水位观测站的数据进行分析，发现河口几何形态的收缩和堤坝的存在，会引发潮汐波和风暴潮的反射，导致水位上升和洪水风险增加。
这项研究的带头人、阿拉斯加费尔班克斯大学渔业和海洋科学学院助理教授史蒂文·戴克斯特拉 (Steven Dykstra) 指出：“我们通常认为风暴潮会随着向内陆推进而减弱，但实际上，河口盆地的形状可能会导致其增大。”
河口通常呈漏斗状，向内陆逐渐变窄。修建堤坝会缩短河口长度，并形成一道人工墙，反射向内陆移动的风暴潮波。漏斗状的河道形状还会产生小的反射波，其强度会随着风暴潮的持续时间而改变。戴克斯特拉将这些风暴驱动的波浪比作浴缸里的水花，某些特定的波浪频率会导致水越过浴缸边缘。
在以查尔斯顿港作为案例研究之后，研究人员利用计算机模型评估了其他23个不同地理区域的河口洪水响应，其中既包括有坝的河口系统，也包括像阿拉斯加库克湾 (Cook Inlet) 这样的天然河口。
（上图：阿拉斯加库克湾（Cook Inlet） 是位于美国阿拉斯加州南部的一个大型海湾，连接着北太平洋和内陆的乔治亚海峡。库克湾是一个生物多样性丰富的区域，支持了各种海洋和淡水生物，包括大量的鱼类、海鸟和海洋哺乳动物。它还被用作商业捕鱼和休闲活动的重要区域。图片来源：公域）
模型验证了盆地形状及其被堤坝缩短的改变是决定风暴潮和潮汐如何向内陆移动的关键因素。在合适的振幅和持续时间下，受限环境中的波浪会增大、而不是减弱。
该研究还发现，远离沿海堤坝的地区也可能受到人为基础设施的直接影响。在查尔斯顿地区，最高的风暴潮经常出现在距离海岸线50多英里以外的地方。
“这其中令人担忧的一点是，人们有时意识不到自己正处于受海岸影响的区域，” 戴克斯特拉说道，“海平面上升让远离海岸的人们意识到他们并非与海岸效应绝缘，而这通常会以一场大洪水为标志。”
这项研究提醒我们，简单粗暴的工程解决方案可能带来意想不到的后果。在沿海洪水防治方面，我们应采取综合性的策略，充分考虑地形、水文等因素的影响，避免“治标不治本”。
感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
Steven L. Dykstra, Stefan A. Talke, Alexander E. Yankovsky, Raymond Torres, Enrica Viparelli. Reflection of Storm Surge and Tides in Convergent Estuaries With Dams, the Case of Charleston, USA. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2024; 129 (9) DOI: 10.1029/2023JC020498
海洋与湿地·小百科
OceanWetlands
【风暴潮】
风暴潮（Storm Surge）是由强风和低气压引发的海面异常升高现象，通常伴随着飓风、台风等强烈的风暴天气。当风暴逼近海岸时，强劲的风力将海水推向内陆，导致海平面显著上升，远高于正常潮汐水平。风暴潮常造成沿海地区的洪水泛滥，尤其在低洼区域，可能引发严重的灾害，破坏基础设施并威胁人类生命财产安全。
【风暴潮反射】
风暴潮反射（Reflection of Storm Surge）是指当风暴潮波浪在遇到障碍物（如大坝、堤坝或海岸线等结构）时，波浪被反弹回来的现象。由于这些障碍物阻挡了水流，原本向内陆推进的风暴潮会在遇到障碍后改变方向，产生反射波。这种反射波可以与后续波浪相互叠加，可能放大水位，尤其是在特定的地形条件下，如漏斗状的河口区域，风暴潮反射可能导致洪水更加严重，扩大影响范围。
【河口】
河口（Estuary）是指河流与海洋相交汇的区域，通常呈现出漏斗状或三角洲形态。它是淡水和海水混合的过渡带，因而具有独特的生态系统。河口区域受潮汐影响明显，水位和盐度随潮汐变化而波动。由于河流携带的营养物质和沉积物在这里积聚，河口通常是生物多样性丰富的区域，许多鱼类和水鸟在此繁殖和栖息。此外，河口在调节洪水、净化水质以及保护沿海地区免受风暴侵袭方面具有重要作用。
就拿我国来说，中国的河口（比如长江口、珠江口、黄河口等）不仅是丰富的生态系统，也是重要的经济和文化区域。这些河口孕育了独特的地理景观和生物多样性，同时也是重要的交通枢纽和港口。
【查尔斯顿港】
查尔斯顿港（Charleston Harbor）位于美国南卡罗来纳州的查尔斯顿市，是一个历史悠久且繁忙的深水港，由库珀河、阿什利河和旺多河汇流入大西洋而形成。凭借优越的地理位置，查尔斯顿港成为美国东南部重要的贸易和物流枢纽，尤其在集装箱货物运输方面发挥了关键作用。这个港口不仅在商业和经济活动中占据重要地位，还具有丰富的历史意义。在美国南北战争期间，查尔斯顿港是军事冲突的焦点，如萨姆特堡的炮击事件。如今，它也是一个旅游胜地，吸引游客前来探访历史遗址和欣赏沿海风光。
【潮汐】
潮汐（Tidal Wave）是由月球和太阳的引力作用引发的海洋水位周期性变化现象，对沿海地区的环境、生态和人类活动产生重要影响。它通常表现为海平面在一定周期内的规律性升降，主要分为潮涨和潮落两部分。潮汐波的周期性受月亮和太阳的相对位置、地球自转以及地形影响，根据一天内涨潮的次数，潮汐可以分为日潮（一天涨潮一次）和半日潮（一天涨潮两次）。换而言之，通常每24小时50分钟、或12小时25分钟重复一次。与风暴潮和海浪不同，潮汐波的变化较为稳定和可预测，是海洋潮汐现象的重要组成部分。
【收敛】
收敛（Convergence） 是指河口或其他水体在从海洋向陆地方向逐渐变窄的地形特征。在地理和水文学中，“收敛”通常指的是水体的横截面积随水流方向逐渐变小，从而影响水流速度和波浪传播特性。在本研究中，收敛特指自然河口区域中，由于河口逐渐变窄的地形导致的现象。随着河口从海洋向陆地方向收缩，水流在流经这些区域时受到影响。这种地形变化会引起潮汐波和风暴潮的波浪行为发生显著变化。
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编译 | 王芊佳
审核｜Samantha
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240913145623.htm
https://charleston-sc.gov/1193/Low-Battery-Seawall-Repair
http://dx.doi.org/10.1029/2023JC020498
https://en.wikipedia.org/wiki/Charleston_Harbor
https://en.wikipedia.org/wiki/Cook_Inlet
https://oceanservice.noaa.gov/facts/tidalwave.html
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