为什么要防止海平面上升？

海滨是理想的生活之地。全球有三分之一的人口生活在沿海地区, 这些地区既包括小渔村, 也包括纽约、上海等大都市, 又或者荷兰这样的沿海国家, 其中不少地方位于河流三角洲, 也就是河流注入大海的地方。三角洲是发展港口、农业和渔业的沃土, 但地势低洼, 易受洪水泛滥。举例来说, 荷兰有一半面积在海平面以下数米, 如果荷兰的防洪措施不起作用的话, 这些地区就早已被洪水淹没了！生活在沿海地区有一定风险, 气候变化及随之而来的海平面变化、暴雨增多增强等后果更是加剧了这类风险。

全球气温持续上升, 南极洲和格陵兰岛的冰川和冰盖不断融化, 流入海洋, 导致海平面升高。同时, 海洋吸收大气中的部分热量, 使得水温升高, 受热膨胀, 加剧了海平面升高。不仅如此, 有些城市的地面还在下沉, 主要因为开采地下水、石油或天然气, 同时大楼和房屋的重量不断向土壤施压, 压实地下的空隙, 这种现象被称为地面沉降。在一些城市中, 地面沉降造成水位每年上升超过 10 厘米, 加剧海平面上升带来的威胁！地面沉降和海平面升高共同作用导致相对海平面上升 (图 1A) [1], 增加了沿海地区的洪水风险。

气候变化除了导致相对海平面上升, 还会增加暴风发生的频率和程度。猛烈的暴风把越来越多的海水吹向海岸, 使海平面在相对升高的基础上进一步抬高, 那么到达海岸的波浪也越来越高。具体是怎么造成的呢？ 波浪由水面部分和水下部分组成 (图 1B), 水下部分撞击到海底或人造屏障时通常会倒塌, 整个波浪随之破碎, 这种现象在沙滩上就能观察到。但是, 当水位过高时, 波浪不会破碎, 而是保持原来的大小。如此之大的海浪加上暴风会引发洪水, 损坏房屋, 有时甚至威胁生命。那我们如何应对海平面上升带来的影响呢？

有必要改进防洪基础设施吗？

用来保护沿海城市的混凝土建筑结构通常称为灰色防洪基础设施 (图 2A), 包括堤坝、海堤和防波堤。防波堤是大海中凸起的屏障, 能够阻挡波浪对海岸的冲击。

波浪的水下部分撞到这一屏障就会失去部分能量, 就像跑步时被马路牙子绊倒。堤坝或海堤是岸上的屏障, 能够阻挡洪水侵袭陆地, 尤其是在暴风和巨浪同时出现, 水位高于正常水平时起到保护作用。

灰色防洪设施的建造是为了抵御强烈的风暴, 但随着海平面上升, 它们的作用非常有限。就防波堤而言, 在海平面上升的情况下, 它的效果越来越弱, 因为波浪的水下部分达到一定高度时, 就不再撞击而是越过防波堤, 打在岸上 (图 2A)。堤坝和海堤的效果也越来越差, 如果相对海平面上升幅度过大, 水位就会高于屏障, 屏障背后的陆地就会遭受海水泛滥。猛烈的波浪和暴风也会摧毁堤坝和海堤, 削弱这类设施发挥的作用。在土地沉降、海平面上升、暴风加剧的背景下, 我们需要更高更强的防洪设施, 但建设成本巨大。我们能否利用生态系统来保护海岸线呢？这种方式就叫做绿色防洪系统 (图 2B) [2].

自然如何帮助我们抵御相对海平面上升

我们可以运用世界各地的沿海生态系统打造基于自然的防洪设施。这样的生态系统包含红树林和盐沼植物, 以及由牡蛎、贻贝和珊瑚等动物构成的类似于防波堤的珊瑚礁 (图 3)。这些动植物能够适应在咸咸的海水中生活。有些可以通过减缓海浪的速度来阻挡洪水, 有些能够形成一片陆地来保护我们, 还有一些可以同时具有这两种本领呢！

生长在海岸附近的珊瑚礁不仅漂亮, 还很坚固。珊瑚礁的生长地点与灰色混凝土防波堤的位置非常相似, 发挥作用的方式也别无二致, 它们都是通过形成水下隆起的屏障来阻断波浪 (图 2B)。

牡蛎和贻贝可以构筑贝类礁, 像珊瑚礁一样阻断波浪。虽然礁体和灰色防波堤通过类似的途径保护海岸, 但礁体可以不断生长哦！它的生长速度能够跟上海平面上升的幅度, 并且保持足够的高度来不断击碎波浪, 而防波堤则需要人工维护。

红树林和盐沼一般生长在堤坝和海堤朝向大海的一侧, 对抵御洪水非常有利, 因为它们可以在波浪抵达灰色防洪设施之前减小波浪的规模。涌入红树林 (或盐沼) 的波浪会遇到许许多多的障碍物。每次撞击到一颗植物, 波浪就会损耗一点能量, 威力就会削弱。当波浪不断撞击盐沼或红树林中所有植物, 就会消耗很多能量, 变得越来越小。这种现象叫做波衰减。如果红树林或盐沼足够大, 就能极大地削减波浪的高度。有了它们的帮助, 我们只需要建造小一些的堤坝, 还能省下很多钱！

红树林和盐沼也可以让它们生长的土地长高。没有这些植物的话, 海水的流速会变得非常快, 把泥沙一起卷走。但是当海水流过沿海植物时, 它会减慢速度, 泥沙颗粒就会沉入土壤。久而久之, 土面就会越来越高。

这样, 地面的升高就能跟上海平面上升的幅度 [3], 有红树林或盐沼的地区出现洪水的频率也会有所降低。红树林和盐沼喜欢生长在洪水较少的地方, 它们在那里不断建造陆地, 使土面持续升高。升高的土面充当了防波堤, 守护着海岸 [4]。

滨海生态系统具有更多优势

滨海生态系统不仅能提供基于自然的防洪措施, 还有许多其他优势。正如前文所述, 沿海生态系统土面的升高能够跟上海平面的升高 [5]。由此可见, 它们在防洪方面的成本非常低, 因为他们不像灰色防洪设施一样需要很多维护。这些生态系统还能储存大量碳, 有助于降低大气中的二氧化碳含量。较低的二氧化碳含量意味着气候变化幅度降低, 海平面上升幅度也随之降低。此外, 这些生态系统为珍稀动植物提供了理想的栖息地, 保护了生物多样性。沿海生态系统也为人们休闲旅游提供了优美的环境！

但是, 滨海生态系统在过去 50 年中不断缩减。科学家们正在研究如何保护和修复这些生态系统, 而了解生活在那里的动植物有哪些偏好有助于我们开展这项工作。它们对洪水发生的频率有怎样的倾向？ 它们能否应对一次次的波浪？水的含盐量多少比较合适？ 我们对这些动植物了解得越多, 就能更好地保护沿海生态系统——它们也就能更好地帮助我们抵御洪水！

综上所述, 随着海平面上升, 维护灰色防洪设施的成本将非常昂贵。沿海生态系统也可以击碎海浪, 甚至建造陆地, 让陆地变得和海平面一样高。沿海生态系统通过这种方式保护世界各地的海岸, 抵御洪水的侵袭。你也可以通过各种方式守护海岸。首先, 如果你对这个话题深感兴趣, 可以阅读更多论文, 例如 海平面变化、全球海洋与气候变化、海草等发表在 Frontiers for Young Minds 上的文章。你也可以在学校进行演讲展示, 向同学介绍基于自然的防洪措施。如果想要学习更多知识, 你还可以联系本地科学家, 与他们在线下或线上见面, 比如通过 Skype a Scientist 和 Letters to a Pre-Scientist 等平台。最后, 如果你想成为一名科学家, 就需要学习更多的生物、数学和物理知识！也许有一天你就能探索出全新的系统来践行基于自然的防洪措施！

作者贡献

RH、CB、CC 及 MS 共同参与了本文的构思和写作, RH 负责项目的协调工作, CB 在 TB 的协助下进行图表设计, RH、CB、CC、MS 及 TB 参与了稿件的修改、阅读和审定。

致谢

荷兰科学研究组织 (编号 ALWSD.2016.026)、国家自然科学基金 (编号 51761135022) 及工程和物理科学研究委员会 (编号 EP/R024537/1) 共同为 RH 在“三角洲可持续性”领域的联合研究项目提供资助。荷兰科学研究组织应用与工程科学领域委员会、来自 Boskalis 公司的专家、Van Oord 公司、Deltares 研究机构、Witteveen+Bos 公司及 Wetlands International 公司均为 CB 的 “BioManCO” 项目 (项目编号 14753) 提供资助。荷兰空间局为 CC 提供了资助 (拨款编号 ALGWO.2017.002)。荷兰科学研究组织为 MS 的 Hedwige-Prosper 围垦地试验项目提供资助 (编号 175890)。TB 的“可持续堤坝项目” (编号 NWA.1292.19.257) 已获得资助。

术语表

河流三角洲 (River Delta): ↑ 河流注入海洋的低洼地区。著名的三角洲包括地中海的尼罗河三角洲和墨西哥湾的密西西比三角洲。

海平面变化 (Sea-Level Change): ↑ 各地区海平面的变化各不相同, 有些地方甚至会出现海平面下降。海平面也不会一直上升。但从保护海岸的角度来看, 我们需要密切关注海平面上升。

地面沉降 (Land Subsidence): ↑ 沿海城市地面下城。如果我们抽取地下水、开采地下天然气和石油, 加上大楼和房屋的重量压实地下空隙, 沿海城市就会下沉。

相对海平面上升 (Relative Sea-Level Rise): ↑ 相对海平面上升是地面下沉和海平面上升共同导致的结果, 会增加仅由海平面上升带来的洪水风险。

灰色防洪基础设施 (Gray Flood Defenses): ↑ 是指保护海岸的混凝土建筑结构, 包括堤坝、海堤和防波堤。

绿色防洪系统 (Nature-Based Flood Defense): ↑ 这类防洪设施结合混凝土工程结构和盐沼或珊瑚礁等沿海生态系统来防御洪水。

生态系统 (Ecosystem): ↑ 由动植物构成的各不相同的自然系统, 例如亚马逊雨林、大堡礁, 或你们当地的森林。

波衰减 (Wave Attenuation): ↑ 每次撞击到一个植物, 波浪就会损耗一点能量, 威力就会削弱。当波浪不断撞击盐沼或红树林中所有植物, 就会消耗很多能量, 变得越来越小。

利益冲突声明

作者声明, 该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。