長(zhǎng)江口崇明北沿海堤生態(tài)化建設(shè)試驗(yàn)研究

才 多

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

1 概述

海堤是沿海地區(qū)抵御風(fēng)浪的第1道防線，為保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮著重要作用。截至2017年，我國(guó)已經(jīng)建成海堤14.5萬(wàn)km[1]。傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤建造技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，可以有效阻隔風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪。但海堤本身功能單一、結(jié)構(gòu)單調(diào)，阻隔了陸海間物質(zhì)能量的交換，破壞了海岸自然形態(tài)和濕地系統(tǒng)[2- 3]。因此，在保證海堤防御功能的前提下，提升傳統(tǒng)海堤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，將“灰色”海堤向“綠色”海堤轉(zhuǎn)變，是亟需破解的難題。

國(guó)外自20世紀(jì)80年代圍繞生態(tài)海堤建設(shè)開(kāi)展了一系列的嘗試和探索，典型的如德國(guó)梅-前州和下薩克森州高親和性海岸防護(hù)工程[4]、荷蘭三角洲工程[5]及澳大利亞頒布的生態(tài)海堤建設(shè)導(dǎo)則《Environmentally friendly seawalls》[6]等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)海堤的建設(shè)也開(kāi)展了一系列工程實(shí)踐與探索[2，7- 9]，多以構(gòu)建各類堤前緩沖帶為主，包括設(shè)置人工魚(yú)礁、沙丘與植被、蘆葦與藨草及紅樹(shù)林等[10- 13]。對(duì)于不具備堤前緩沖帶的建設(shè)條件的岸段，也有學(xué)者提出了針對(duì)海堤結(jié)構(gòu)本身的生態(tài)化改造設(shè)想[14]，如建設(shè)緩坡、采用環(huán)境友好的建筑材料、構(gòu)筑海堤表面微棲息地、增加坡面空隙率以及在堤頂和坡面種植生態(tài)綠植等[15- 19]。

上海市位于長(zhǎng)江入海口，是風(fēng)暴潮災(zāi)害侵襲頻繁的區(qū)域[20]，為此上海市已經(jīng)建設(shè)了逾500km海堤(又稱為“海塘”)。為提高海塘的生態(tài)服務(wù)功能，一些岸段已經(jīng)嘗試在海塘外側(cè)灘涂種植本地植被物種[21]，以恢復(fù)鹽沼濕地、提升海塘生態(tài)屬性。但仍有大部分海塘外側(cè)灘涂寬度不超過(guò)0.5km，可供鹽沼植被發(fā)育的空間狹窄，不適于建設(shè)堤前生態(tài)帶。因此，上海市于2019年開(kāi)展了海塘堤身去硬質(zhì)化和生境化的改造試驗(yàn)。本文聚焦崇明北沿生態(tài)海堤試驗(yàn)點(diǎn)，提出了新的堤身改造方案，并對(duì)其改造后的防浪性能作了探討，成果可以為未來(lái)上海市海塘堤身生態(tài)化改造提供借鑒。

2 方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

崇明北沿三期海塘位于崇明島北部，北面長(zhǎng)江口北支，東臨崇明東灘鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)，生態(tài)改造試驗(yàn)區(qū)位于該段海塘的西側(cè)拐角附近岸線，長(zhǎng)約108m，如圖1所示。海塘大堤外側(cè)發(fā)育有寬度約2km的鹽沼灘，灘涂高程1.5～2.8m(上海吳淞基面，下同)，掩護(hù)條件良好，為試驗(yàn)提供了安全保障。該段海塘防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，設(shè)計(jì)潮位為6.49m，堤前灘面高程約3.6m，設(shè)計(jì)波高1.71m，周期4.82s[22]。海塘結(jié)構(gòu)為上海地區(qū)的典型形式，堤身為復(fù)式斜坡堤、采用充砂管袋構(gòu)筑，堤頂臨水側(cè)設(shè)置防浪墻，堤頂高程7.40m，防浪墻頂高程8.60m；海塘臨水側(cè)采用了柵欄板護(hù)坡。

圖1 崇明北沿三期海塘試驗(yàn)區(qū)衛(wèi)片

2.2 Flow- 3D數(shù)值模型

FLOW- 3D是一套通用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，基于有限差分和有限體積法求解流體運(yùn)動(dòng)方程，以獲得多尺度、多物理場(chǎng)流動(dòng)問(wèn)題的瞬態(tài)三維解。本文采用Flow- 3D三維數(shù)值模型模擬海堤防浪結(jié)構(gòu)在生態(tài)化改造前后的波浪爬高變化，采用矩形網(wǎng)格對(duì)空間離散，控制方程包括三維不可壓縮流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

(1)

(2)

3 結(jié)果

3.1 生態(tài)化改造試驗(yàn)

綜合考慮上海市海堤現(xiàn)狀及生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，試驗(yàn)提出了以下生態(tài)化改造原則：

(1)滿足海堤防潮擋浪的使用功能。海堤的首要功能是抵御潮水波浪。因此，生態(tài)海堤改造試驗(yàn)必須保證海堤的防護(hù)能力，如堤頂高程、護(hù)面強(qiáng)度滿足相應(yīng)的安全要求等。

(2)與本地生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，弱化人造景觀性。上海的一線海堤區(qū)域大多遠(yuǎn)離城市中心，因此生態(tài)改造應(yīng)與城市景觀設(shè)計(jì)加以區(qū)分，弱化人為營(yíng)造的景觀設(shè)計(jì)痕跡，著重強(qiáng)調(diào)海堤與灘涂交界面原本的生態(tài)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，優(yōu)先選用耐鹽堿、易存活的植物品種。

(3)充分利用既有海堤結(jié)構(gòu)，避免大幅改動(dòng)。上海近期修筑的海堤堤身材料以砂性土為主，充分利用海堤既有的結(jié)構(gòu)形態(tài)開(kāi)展改造試驗(yàn)，一是可以最大限度避免對(duì)原大堤的堤身結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，二是可以節(jié)省改造費(fèi)用。

基于上述原則，試驗(yàn)分別在堤頂、消浪平臺(tái)和柵欄板外坡3處開(kāi)展了生態(tài)化改造。改造后的海堤結(jié)構(gòu)如圖2所示。堤頂防浪墻后方設(shè)施生態(tài)種植池，種植灌木及蔓生植物。防浪墻身設(shè)置排水管，解決種植池內(nèi)的排水問(wèn)題。消浪平臺(tái)外邊緣布置長(zhǎng)5m、寬0.9m、間距0.5m的種植池，平臺(tái)中部埋設(shè)間距1.5m的六角螺母型消浪塊作種植池，種植灌木。柵欄板護(hù)坡肋梁間消浪空腔內(nèi)填充生態(tài)袋，袋內(nèi)封入蔓生植物草種與耕植土、細(xì)沙、泥炭土、肥料和保水劑的混合物，可以抵御水流及波浪淘刷[24]。生態(tài)袋下部插入PVC連通管至堤身表層的土體中，使生態(tài)植被的根系可以穿過(guò)柵欄板下方的砌石墊層，到達(dá)下部填土層。

3.2 消浪結(jié)構(gòu)性能數(shù)值評(píng)估

柵欄板是海堤防浪的主要結(jié)構(gòu)。因此，填充柵欄板空腔對(duì)波浪爬高的影響是改造方案可行性需重點(diǎn)討論的問(wèn)題。本次試驗(yàn)中采用了上下間隔、左右交錯(cuò)的填充形式。該形式下，布置在海堤上坡和下坡的單塊柵欄板空隙率分別為35%和33%，均控制在規(guī)范要求的33%～39%區(qū)間內(nèi)[25]。但考慮到波浪非線性傳播、破碎等復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程，具體消浪效果的變化需基于水動(dòng)力模擬計(jì)算論證。數(shù)值水槽形狀如圖3所示，左側(cè)為造波邊界，右側(cè)斜坡布設(shè)

圖2 柵欄板詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖

2列共4塊柵欄板。波浪水槽長(zhǎng)80m，寬6m，高8m，網(wǎng)格單元尺寸為0.08m×0.1m×0.05m，可以精細(xì)刻畫(huà)柵欄板的三維結(jié)構(gòu)。波浪邊界條件取設(shè)計(jì)波高和波周期，模擬時(shí)長(zhǎng)為50s，約10個(gè)波浪周期，確保波浪場(chǎng)可以達(dá)到數(shù)值穩(wěn)定。改造前算例中所有柵欄板均不填充如圖3(a)所示；改造后算例中，左上和右下對(duì)角處柵欄板被填充如圖3(b)所示，并考慮植物尚未萌出的低摩阻不利情況。

圖3 柵欄板生態(tài)改造前(a)、后(b)三維模型示意圖

模擬結(jié)果取2列柵欄板結(jié)構(gòu)中線處的波浪剖面進(jìn)行分析，即y=1.5m和y=4.5m處。如圖4(a)所示，生態(tài)化改造前，由于對(duì)稱性，2列柵欄板結(jié)構(gòu)中線處的波浪爬坡水平距離坐標(biāo)基本一致，約為x=63.72m。錯(cuò)位填充后，y=1.5m處剖面的波浪爬坡水平距離坐標(biāo)提升至x=64.28m，如圖4(b)所示；而y=4.5m處剖面的波浪爬坡水平距離卻有所降低，為x=63.32m，如圖4(c)所示。由模擬結(jié)果可知，采用交替填充柵欄板空腔會(huì)導(dǎo)致波浪爬高在橫向的不對(duì)稱，水平距離相差約0.96m，在坡比為1∶3的坡面上垂向高度相差約0.32m。由模擬結(jié)果可知，柵欄板空腔填充后的波浪爬高峰值有所增加。值得注意的是，在工程設(shè)計(jì)中，海堤堤頂高程由設(shè)計(jì)潮位、波浪爬高和安全超高三者共同確定。對(duì)于崇明島的海堤，其海堤級(jí)別為1級(jí)，安全超高為1m[25]。因此，生態(tài)改造導(dǎo)致的波浪爬高的增量在安全超高以內(nèi)。并且，這一數(shù)值并未計(jì)入植被的消浪貢獻(xiàn)。如果合理安排植被品種和施工進(jìn)度，在臺(tái)風(fēng)季時(shí)保證生態(tài)袋內(nèi)的植被有一定生長(zhǎng)高度和抗浪物理強(qiáng)度，甚至可以一定程度提升對(duì)波浪爬高的阻尼。因此，試驗(yàn)提出的改造方案不會(huì)影響海堤的防護(hù)能力。

圖4 柵欄板改造前(a)改造后(b)、(c)中線處波浪剖面變化

4 結(jié)論

上海海塘人工化程度較高，大部分海堤外側(cè)受限于灘涂寬度，不具備構(gòu)建堤前生態(tài)緩沖帶的空間。因此，上海市在崇明北沿三期海塘開(kāi)展了生態(tài)化改造試驗(yàn)探索，包括在堤頂防浪墻及消浪平臺(tái)設(shè)置種植池，以及在外坡柵欄板消浪空腔內(nèi)填充生態(tài)袋等嘗試。三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示，以間隔、錯(cuò)位的方式填充生態(tài)袋不會(huì)大幅削弱海塘結(jié)構(gòu)的防浪能力，說(shuō)明試驗(yàn)提出的改造方案是可行的。為了推進(jìn)海堤堤身生態(tài)化改造，未來(lái)仍需對(duì)新型生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)做進(jìn)一步研究。