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潮滩植被“绿色堤防效应”数值模拟

种振涛  
【摘要】:随着气候变化、海平面上升,沿海地区洪水风险正在变大,传统工程(如海堤、大坝)受到年久失修、地面沉降等问题困扰,防洪能力受到挑战。这激发了人们对利用自然的方法来降低洪水风险的兴趣,为解决传统堤防设施的弊端,探索一套全新的防洪理念,本文耦合大气模型(Holland台风)-海洋模型(TELEMAC潮汐-TOMAWAV波浪)-陆地模型(MIKE21水动力)实现研究区的洪涝淹没模拟,结合野外实测以及整合生态学、生物地貌学和水利工程的研究,分析潮滩盐藻植被的防洪能力,建立盐藻植被类型与滩地糙率的关系,量化植被在风暴潮条件下对海浪的削减效应,计算了绿色堤防与人工堤坝在防洪能力方面的等价转换关系,并对两种措施的成本和效益做了综合评估,对未来应对风暴洪水威胁提供新的解决方案。主要研究内容和结论如下:(1)数值模型结合历史资料,综合考虑风暴增水、极端暴雨、天文高潮、海平面上升和地面沉降等因素,采用模型耦合技术实现Holland台风模型、TELEMAC二维海洋模型、TOMAWAC波浪模型和MIKE21二维水动力模型的数据和驱动力传递,构建大气模型-海洋模型-陆地模型耦合的水文数值模型,实现研究区的洪水淹没模拟;通过野外测量得到崇明东滩植被的生物学特征,总结国内外关于植被与糙率之间的换算关系的研究现状及主要成果,设置相应的曼宁糙率系数,分析崇明东滩潮滩植被的群落构成,探讨不同植被缓流阻水特性。为研究潮滩植被对风暴潮的影响和比较光滩、海堤的防洪效应,设计了三组情景模拟:a、基于潮滩植被覆盖类型设置相应的曼宁系数来提高底部摩擦力,实现潮滩植被对削弱风暴潮的研究;b、假设东滩植被全部消失,将堤外湿地区域曼宁值n统一设置为0.025;c、假设潮滩植被全部消失,并将海堤加高进行模拟。通过对比3组情景模拟结果,分析潮滩植被存在与否对风暴潮的削减作用对比以及计算湿地和海塘加固的效益成本比。(2)防洪能力评估潮滩植被对风暴潮具有明显的削减效应,最大风暴水位削减率(MSWLRR)一般在0.3%到40.7%之间,对应的最大风暴水位削减量(MSWLR)为0.02m到2.62m;通过设置不同植被覆盖类型(芦苇、互花米草和海三棱藨草),建立不同底部摩擦系数的数值模拟实验,模拟崇明东滩海堤外潮滩植被的防洪效应。结果表明,互花米草、芦苇和海三棱藨草对风暴洪水的削减率分别为0.19m/km,0.26m/km和0.07m/km;利用ArcGIS10.6软件对不同情景下洪涝灾害发生时淹没范围、淹没深度和淹没时间进行二、三维模拟展示,绘制淹没区分布图,结果表明,在植被存在和植被消失情景下,淹没深度大于0.2m的淹没面积分别为89.6km~2和111.6km~2,在植被全部消失且海塘整体加高1m情景下,淹没深度大于0.2m的淹没面积为59.2 km~2。(3)效益成本评估本文通过数值模拟方法结合成本效益数学方法评估极端风暴潮条件下堤防工程和自然基础工程的防洪等价转换关系。结果表明,崇明东滩面积为54.2 km~2潮滩植被存在大致保护了海堤内25.7km~2的陆域面积免受风暴潮威胁,潮滩植被抵御风暴洪水的效果相当于海塘加高20-30cm;结合成本效益方法评估极端风暴潮条件下堤防工程和自然基础工程的效益成本比。研究发现海岸生态系统防洪措施的成本效益取决于四个主要因素:1)生态系统影响下的经济损失值,以及在海平面上升初期和上升后风暴洪水受潮滩植被的影响程度;2)与工程措施相比,建造和维护湿地所需的成本;3)风暴洪水发生后,潮滩植被的恢复成本;4)保护区经济价值较低,以海岸生态系统为基础的防洪措施更具有吸引力。


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