海堤生態化建設技術的研究進展及推進我國海堤生態化建設的建議

張翠萍,賈后磊,吳玲玲,黃華梅

(國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

0 引言

近年來,基于生態系統的海岸工程作為一種比傳統海岸工程更具可持續性和成本效益的解決方案已被大規模實踐[1,2]。其適用于城市化地區和海岸線之間,具有減少風暴潮的自然能力,并能通過礦物和生物沉積物的自然增長跟上海平面的上升[3-4],確保了基于生態系統的沿海保護的長期可持續性。此外,生態化后的海堤還具有水質改善、漁業生產和旅游娛樂等定級綜合效益[5]。因此,從長遠來看,它們可能比常規防御更具成本效益[6]。

海堤屬于海岸工程的重要組成部分,海堤既要防御波浪的沖擊,又要阻擋海潮導致海平面的上升。現有的已建海堤大多數為硬質海堤,其結構為剛性結構,主要應對海浪沖刷,更加注重防洪能力,一般選擇漿灌砌塊石、現澆混凝土、預制混凝土塊、板樁等結構型式。這種硬質海堤將海岸表面封閉起來,阻隔了海陸水土的連接通道,隔絕了生物和微生物與陸地的接觸,破壞了海域、陸地生態系統的整體平衡;在海岸帶區域修建人工材料海堤破壞了沿岸海洋生物賴以生存的自然環境,對附近海域的水質和水環境產生了負面影響。拆除現有硬質海堤重建經濟上不可行,還會對周邊生態造成不良影響,因此傳統海堤生態化是未來海堤工程的發展趨勢之一。海堤生態化主要指利用工程措施,采用植物與天然或者人工材料結合,對已建海堤進行生態化改造,提高海堤生物群落的復雜性,提升海堤的物能交換能力,逐步使海岸帶生態系統恢復到一定的功能水平。

黨的十九大將建設生態文明放在了中華民族永續發展的千年大計的歷史高度,海堤生態化建設也勢在必行。海堤生態化建設,有利于重構海陸過渡帶的生態廊道,對于保護生物多樣性,筑牢生態安全屏障具有重大意義,是切實推進海洋生態文明建設的重要舉措。本研究通過總結國外海堤生態化建設的方法,梳理國內生態建設方法存在的問題,提出我國海堤生態化建設的發展建議。

1 國外海堤生態化建設技術研究進展

20世紀80年代,瑞士、德國等國家提出了“親近自然河流”的概念和“自然型護岸”技術。90 年代,德國、美國、日本、法國等紛紛拆除此前在河床上鋪設的人工硬質材料。采用混凝土襯砌河床而忽略自然環境的方法,已被各國普遍否定。美國的研究主要集中在沙丘修復、海灘養護、人工魚礁等新建海堤方面;在日本,基于不同的海岸類型,采取不同的護岸技術(有自然型、半自然型和人工型等)。目前國外在已建海堤上開展生態化建設的技術研究不多,主要包括海堤結構改造方法,如階梯式海堤、海堤表面微棲息地改造、建設棲息地長凳、模擬巖石棲息地,以及海堤綠植化等技術措施。

1.1 海堤結構改造方法

階梯式海堤是預制混凝土臺階,旨在增加近岸棲息地面積,并通過結合裸露的集料(表面紋理)和模擬潮汐池的洼地,為城市濱水區增加水平表面和微棲息地[7]。階梯式海堤可以為幼鮭和其他生物提供棲息地,增加食物產量,改善遷徙通道。跟蹤監測結果表明,海堤階梯是物種豐富的棲息地,有固著無脊椎動物(太平洋藍貽貝等)、藻類(包括巖藻等)和流動無脊椎動物(大眼金槍魚等)。捕食者(包括紅黃道蟹和紫海星)在棲息地邊緣處于優勢種的綠色海膽種群。研究結果表明,潮汐高度比潮汐方向更重要,強調了要重視增加淺水棲息地面積的設計,但這需要更深入的研究[8]。

海堤表面微棲息地改造(海堤紋理等)直接將棲息地整合到海堤表面,創造出微棲息地、多樣的表面朝向和額外的淺水棲息地。不同的設計包括裂縫、淺水池和壁架。除棲息地外,海堤紋理從美學角度改善海濱結構[7]。海堤面板設計中使用的兩種紋理(鵝卵石等)測試了微生境的重要性,而3種不同的形狀(鰭狀、階梯狀和扁平狀)增加了棲息地面積,并引入了不同的表面朝向。紋理和帶鰭/臺階的形狀都有利于當地重要物種的恢復。紋理對流動生物和固著生物的豐富性影響最大,而體型最接近調整維度的物種得到最大程度的豐富。

通過在海堤附近的粗糙巖石基底建造棲息地長凳,以形成淺水區。淺水區為無脊椎動物、魚類、沉水植物和挺水植物提供了棲息地[9]。棲息地長凳應由棱角分明的巖石基質構成,或由大型巖石支撐,以防止基質移動。建議對可能易受潮汐動力影響的棲息地長凳和其他項目進行不斷監測[7]。

為盡量減少對環境的影響,海堤的改造應確保盡可能多地模仿自然棲息地[10]。在不影響海岸安全的前提下,通過最大限度地增加表面粗糙度和引入微生境,對海堤進行改造,以增強棲息地的多樣性和復雜性[11-13]。與前濱結構一樣,應盡量避免混凝土等光滑表面,或可通過澆筑不規則的飾面或鑿槽或鉆孔使其粗糙[11,14]。Naylor等[17]展示了如何通過放置護面巖來增強巖石護岸的生態效果。巖石池可以被納入海堤,通過增加保水功能,為潮間帶生物提供棲息地[15-18]。對于堅硬的前濱結構,預制的棲息地增強單元可以包括在海堤設計中,提供一系列新的棲息地類型。

1.2 海堤綠植化

在海堤綠植化方面,通常進行混合種植,一小部分草藥(在德國種植黑麥草,草地早熟禾和蓍草)也在逐漸推廣。混合種植的植被主要功能是可以防止波浪沖擊和風暴潮。但由于標準播種混合物的生物多樣性仍然較低,在設計過程中沒有充分考慮堤防覆蓋的生態價值。因此,如何實現海堤生態化后體現其生態價值也是另外一個研究方向[19]。灰色護岸材料的調整,特別是結構和紋理,使其更自然、更粗糙、形狀更多樣化,從而改善了沉降和棲息地條件[11]。

可見,國外對于生態海堤的研究主要集中在新建工程上,在已建海堤的坡面上進行生態化的研究不多,主要是海堤紋理改造這種微棲息地改造方式。對于海堤綠植化的植被上也開始考慮如何提升海堤生態化后的生態價值,但沒有更加深入地研究。

2 國內海堤生態化建設技術研究進展

海堤生態化建設技術國內研究則主要集中在海堤生態化建設的工程技術與生態材料的研究上,目前對于海堤生態化建設的技術主要包括格賓網、生態袋和種植防護林等。

研究發現,利用格賓網箱能夠形成低矮堰體[19],有效抵抗海浪、潮汐的沖刷。由于有格賓網,潮水攜帶的泥和砂只入不出、逐漸沉積,沿岸逐漸形成綠植地臺,輔助綠植成活。將生態修復岸線改為“柔性岸線”“游憩親水岸線”“海堤—半紅樹林地—紅樹林灘涂”3種海岸線模式,并對“柔性岸線”采用生態袋作為護坡材料,其具有的透水、不透土功能[20],能有效提供植物生長需要的有機質,可種植草本或灌木,以綠化堤岸。方偉等[21]采用種植防護林技術對海堤進行生態提升,通過對海堤內坡閉氣土的作用分析,經滲流計算確定有效閉氣土范圍和反壓鎮腳范圍,確定反壓鎮腳范圍即為可種植防護林范圍。

在環境友好型材料的選擇上,李文雄[22]以盤錦市大遼河口至盤錦港段海堤工程為例,綜合考慮工程場地風浪特征、水流情況、筑堤材料和生態保護等因素,擬定采取設防浪墻、設置壓載平臺、無消浪平臺、四腳空心方塊的優化方案和筑堤材料。蔡奉祥[23]對汕頭東海岸海堤工程進行綠化試驗,創新防海浪沖刷工程技術,采用PE 綠色鋼塑土工格柵,扎帶固定馬鞍藤主藤。在土工格柵之間以及與四角空心塊之間,采用耐海水專用的316不銹鋼膨脹螺絲栓固定。除了直立式、斜坡式、混合式的海堤斷面設計,土工管袋堤心斜坡式防波堤的開發也成為港口工程建筑物生態可持續發展的一種創新。以土工管袋進行海砂(或淤泥)的填充,可以通過重量抵抗波浪和潮流的淘刷作用[24]。

為防止堤腳受潮、浪沖刷,傳統的做法是在堤腳處設置拋石棱體,或作大方腳或丁砌條石,抑或在離岸堤及堤腳直接防護。有學者提出在海堤堤腳外側50～100 m 處沿海堤縱向打入雙排預應力高強混凝土管樁(PHC),管樁頂部采用現澆鋼筋砼縱向梁將管樁聯系成一整體,并在離岸堤的迎浪側和背浪側采用拋石護底[25]。除了拋石護腳或漿砌石護腳拋石鎮壓等做法,還可以考慮在其下鋪設濾層或土木材料,在岸灘修建丁壩或潛壩。

最近,有學者提出一種多功能生態海堤架構體系,包括從臨海側向內陸方向依次設置的第一景觀帶、第一道防浪結構、蓄浪平臺以及第二道防浪結構,該實用新型專利所述的多功能生態海堤架構體系提出對海堤景觀帶進行分帶設防、堤頂后置的理念。但此類生態海堤存在設計寬度尺度太大的缺陷,導致難以實際應用。

國內目前已有生態海堤建設成功的案例,如廣西防城港西灣紅沙環生態海堤在工程設計階段就融入了生態文明建設的理念,打造了一條集防潮防浪防洪、生態旅游、生態濕地修復、休閑科普于一體的生態海堤,在當地和全國范圍內起到較好的示范作用,建成后對改善西灣海域海岸的生態景觀,恢復紅樹林生態體系,促進城市與自然的和諧發展起到了重大作用。

3 推進我國海堤生態化建設發展的建議

海堤生態化改造與新建海堤都需融入生態文明建設理念,是未來我國海堤建設的發展趨勢。應從尊重自然、順應自然和保護自然的角度,遵從生態系統避讓、減緩、保護修復的原則和思路,結合國外生境修復的技術,完善國內現有生態海堤建設技術。在已建海堤上開展生態化建設,綜合考慮現狀海堤防御能力,切實保障海堤防御安全。我國海岸線綿長,區域條件差異較大,海岸帶海堤硬質化程度較高,而且海堤坡面結構型式多樣,應積極吸取國外經驗。本研究從以下幾方面提出我國海堤生態化建設發展的方向。

3.1 盡快完善生態化建設的技術規范體系

盡快開展海堤生態化建設的建設技術、設計標準、驗收標準等覆蓋海堤生態化建設全過程的技術標準,分區域、分類型規范海堤生態化建設的技術體系,以期科學指導海堤生態化工程的全面實施。

3.2 加強海堤生態化建設關鍵技術研發

3.2.1 改造海堤坡面結構,營造適宜生境

對海堤進行微棲息地的改造,即海堤應盡量避免混凝土等光滑表面,或可通過澆筑不規則的飾面或鑿槽或鉆孔使海堤表面粗糙,這樣的改造增加了棲息地的面積,有利于當地物種的恢復,為生態恢復提供重要基礎。因此,海堤生態化建設的生態理念應該貫穿規劃、設計、施工全過程,在設計之初,就應該融入生態理念,設計生產既能滿足海堤自身防御功能又能提供生境的海堤坡面結構是目前亟須迫切解決的現實問題。

3.2.2 研發生態材料,提升棲息空間

生態材料的選擇應注意滿足海堤防御要求、耐久性強度和結構等的力學性能。材料應盡量采用當地的,適宜當地生態系統的材料,避免采用人工合成物質。

在海堤塊體或巖石之間留下空隙,如添加紋理、裂縫、凹坑和保水單元等設計,有可能增加生物關鍵功能群的生物多樣性。此外,海堤生態化改造位置應該在正常的潮汐區域,以最大程度提供海陸過渡帶生物的生境,縮短海堤生態自然進展演替過程。

3.3 開展海堤生態化建設適宜性分析

需綜合考慮海堤的設計標準,評價海堤安全性生態現狀,結合工程所在海域的水文動力環境等評估進行生態海堤建設的適宜性。結合擬采取的生態化措施,預測評價實施后海堤的安全性和生態學,保障海堤生態化建設實施的科學性、可靠性和可操作性。

3.4 強化海堤生態化建設監管制度研究

加強海岸工程生態化建設監管制度研究,保證海岸工程生態化建設工作能夠持續有效開展。在海堤生態化工程實施后,應注意開展連續監測,及時補種。對于成活率長期較低的區域應盡快調整方案,重新開展適宜的生境設計。