防洪工程新思路：多个小湿地超越大型水库！分布式布局的优势
海湿 · 编者按
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，根据Tulane大学的Stacey Plaisance等研究人员进行的一项新研究，在景观中增加多个较小的湿地可以使大型水库在洪水控制方面更加有效。该研究以美国德克萨斯州的布拉索斯河流域为案例研究，研究人员对140多种湿地方案进行了建模，并将其性能与现有的水坝进行了比较。他们发现，一系列分散的湿地提供了显著的累积洪水减少和额外的存储能力。为助力全球环境治理、为我国学者提供信息供决策参考，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。
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极端天气事件对美国造成了1.8万亿美元的损失，其中得克萨斯州是受灾最严重的州，损失达3490亿美元。降水和相关损害的特征预计将进一步加剧，由于全球温度的上升。建设用于水库和防洪的基础设施（水坝等）老化，尤其在发达国家，耐久性和设计概念都在减弱，无法满足日益增长的需求和气候不确定性的挑战。美国土木工程协会报告称，美国水坝的平均寿命为57年，得分为D。因此，水利基础设施的投资差距限制了维护或更换。例如，改善美国所有水坝和防洪堤的韧性的资金缺口为1510亿美元。此外，用于安装较大的、和集中式建筑基础设施的场地有限。
自然基础设施（例如湿地）为改善老化建筑基础设施的功能提供了一种经济高效的解决方案。然而，湿地正因气候变化、土地利用变化和河流流量变化而消失。最近的研究显示，全球自1900年以来湿地消失了64%。美国连续48个州在2004年~2009年间失去了62300英亩的湿地，相当于美国巴尔的摩市的面积。
然而，自然湿地不能替代水坝，因为它们之间没有功能的一对一交换。首先，湿地比水库更浅。其次，与未受管理的湿地不同，水坝操作是受控制的。自然基础设施没有经过工程设计，因此与更受控制的建筑基础设施相比，其行为的不确定性更高。因此，随着气候不确定性的增加，人们对自然湿地的表现提出了质疑。然而，构建多个较小湿地和淤积（洪泛区）储存可以提供一种新的经济、小型、分布式的方法，以战略性地缓解压力，提高现有建筑基础设施组合的韧性。
本文的主要论点是，湿地工程可以通过在洪泛区内策划湿地，以在采购土地中重新创建自然过程，从而提高老化的现有建筑基础设施的功能。通过利用水文学中众所周知的定量方法，该研究侧重于解决湿地的战略位置，以提高流域范围内的洪水池。如果建设基础设施包括一系列湿地，以缓解对其施加的压力，湿地池的增加可能会释放出保护存储（用于供水），从而提高韧性。文章追求的假设性概念是：分布式的湿地建设，减轻了集中式建设基础设施的一些负面效应。所以，这个文章首先就提出了几个问题：
(1) 较大的建成湿地是否在洪水控制方面比较小湿地更有益？
(2) 所有湿地在效益方面是否平等，如果不是，什么特征能够带来最大的效益？
(3) 湿地组合与洪水控制水库在效益方面有何不同？
这项研究有助于提高对湿地工程在改善老化基础设施功能方面的应用准备度。这对于制定更加科学的湿地规划、以及在全球范围内提高社区对洪水事件的韧性，无疑具有重要的参考意义。
前面提到，这项研究旨在测试一个假设：相比于单个大型湿地，多个小型湿地在洪水缓解方面更为有效。那么，研究人员通过对30对12平方公里（小型）、以及24平方公里（大型）湿地的影响进行比较，结果发现，两个小型湿地对于减少洪峰的影响，几乎是单个大型湿地的六倍。这主要是由于两个小型湿地的储水潜力增加。总体而言，相较于集中式的自然基础设施，分布式布局的多个小型湿地更具优势。
上图：巴拉索河流域实验湿地站点的位置。图源：Reepal Shah等人
这项研究进一步提出了湿地选择的优先级问题。基于前期的研究结果，湿地即使在相似大小的情况下也存在差异，因此它们的影响在组合时可能不是累加的。为了验证这一假设，研究者进行了147种不同的湿地场景模拟，并发现影响的排名有限的回报，而储水潜力推动了这一效果。这为利益相关者提供了一种科学工具，帮助他们为河流流域中的自然基础设施的有序建设制定明智的战略。
上图：比较一个24平方公里湿地和两个12平方公里湿地实现的洪峰减小情况（样本大小：30对）。Y轴显示的是1916年至2010年最大流量前15天内洪水的减小情况。图片来源：Reepal Shah et al
这个文章还对比了自然基础设施和建筑基础设施的性能。相较于集中式建筑基础设施的规模，湿地建设的表现得到了评估。研究发现，一系列小型湿地的性能与德兰流域中最大的防洪水库——惠特尼湖相当。建造18个12平方公里湿地，相当于提高自然洪水池的容量约为惠特尼湖总储水容量的10%。这表明，分布式的湿地可以为水库提供补充储水。
最后，文章提出了几点结论：
首先，研究发现湿地的规模对其洪水减缓效果至关重要。相较于单一大型湿地，引入多个较小湿地的效果更为显著。
此外，将湿地纳入水务系统有助于增加储水量，但需要注意，并非所有小型湿地在影响方面都相同。
第三，通过科学模型的帮助，能够更好地确定湿地的最佳布局，从而最大程度地提升其在减缓洪水方面的效果。
第四，引入多个湿地后，其储水能力相当于一个大型洪水控制水库的约10%，且单位储水量相较于水库更为高效。因此，湿地可以被视为一种潜在的自然基础设施，其影响力可与传统水库相匹敌。
这项研究的发现为负责增强老化水库系统的适应能力和韧性的从业者提供了思路。作者指出，鉴于保护和水资源管理的资源有限，水资源管理者应该将资金分配给建立一系列较小湿地的投资，并随着资本的积累逐步建设更大的湿地组合。
Q1: 在这个研究中提到的湿地对于洪水控制的效益，是否能在其他地理环境中“复制”呢？有无特殊的地理条件或限制？
Q2：湿地与传统水库相比，在洪水控制中的表现如何？这种自然基础设施的规划和管理，能不能成为未来洪水管理策略的关键？
Q3：在有限的资金前提下，在湿地和现有水库的比较中，科学工具的运用如何帮助水资源管理者更好地决策和规划自然基础设施的建设？湿地的建设是否可以减轻老化水坝的运行压力，提高其适应极端气候事件的能力？
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来源 | Reepal Shah et al 2023 Environ. Res. Lett. 18 114045
编译 | 王芊佳
审核 | 绿茵
排版 | 绿叶
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Reepal Shah et al, Design principles for engineering wetlands to improve resilience of coupled built and natural water infrastructure, Environmental Research Letters (2023). DOI: 10.1088/1748-9326/acfdba
https://phys.org/news/2023-11-wetlands-greater-cumulative-benefit.html
可用于重现这项研究的数据已在以下URL/DOI上公开：
http://livnehpublicstorage.colorado.edu:81/Livneh.2013.CONUS.Dataset/
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