長江口和杭州灣北岸生態(tài)保灘促淤護岸工程設(shè)計與應用研究

巢 路，何 偉，關(guān)許為

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

1 研究背景

河流的入海泥沙在河口區(qū)及沿岸淺灘區(qū)內(nèi)沉積是我國大片灘涂資源的物質(zhì)基礎(chǔ)。長江口有豐富的泥沙來源，形成了長江口廣闊而又豐富的灘涂資源，為河口三角洲地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活發(fā)揮了重要的作用。但是，由于長江口受徑流、潮汐、風浪以及人類活動等多種因素作用，河口局部岸灘沖刷、剝蝕，灘涂泥沙流失較為嚴重。特別是南匯和杭州灣北岸區(qū)域受長江、錢塘江、外海潮流的多重影響，灘涂資源保護面臨諸多挑戰(zhàn)［1-2］。另一方面，近幾十年來受全球氣候變化和人類活動的影響，尤其在流域來沙量減少的條件下許多三角洲正由淤漲型向蝕退型轉(zhuǎn)變。長江口杭州灣泥沙主要來自長江入海泥沙，長江中下游段來沙明顯減少［3］，勢必影響到長江口杭州灣近岸海床地形變化，部分區(qū)域岸灘已從淤積態(tài)勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷態(tài)勢［4］。加上區(qū)域附近的人類工程活動會進一步截留過境泥沙，致使部分岸段灘涂沖刷強度加劇，堤防保護面臨的問題愈發(fā)嚴峻，必需進一步加強保灘護岸工程建設(shè)。

傳統(tǒng)的保灘護岸措施多是采用硬質(zhì)性結(jié)構(gòu)，勢必會造成工程岸灘生境的嚴重破壞。人們也發(fā)現(xiàn)許多工程措施需要頻繁的修補與重筑，不斷投入的成本與有限的防護效果不成正比。因此，研究制定生境構(gòu)建、堤防結(jié)構(gòu)優(yōu)化等生態(tài)保灘措施和生態(tài)修復工程措施符合目前長江口杭州灣保灘護岸工程的迫切需求，本文主要介紹該方面相應的應用研究成果。

2 長江口和杭州灣北岸護岸工程及面臨的問題

2.1 現(xiàn)有工程措施長江口和杭州灣北岸保灘護岸工程措施分為兩種。一種是直接保灘，在沖刷河段興建丁壩、順壩，挑流防浪；另一種是間接保灘，在淤漲區(qū)種青促淤或工程促淤，進而圍海造地。但無論是工程措施還是非工程措施，均對長江口的潮灘發(fā)展變化有較大的影響［5］。

（1）直接保灘。不同河段河勢發(fā)展變化、水流動力條件、風浪因素等致使岸灘破壞的原因不同，保灘護岸采取的方式也就不一樣。在水流順岸，且水流較急岸段，如崇明、長興島南沿，受漲落潮流影響，主要是采用丁壩挑流方式，使主流遠離岸灘，同時保護丁壩壩田區(qū)域免受沖刷。在主要受風浪淘刷岸段，順壩與護坎的作用就非常大。順壩與護坎的主要區(qū)別是順壩的壩體比較大，壩頂高程較高，一般在平均高潮位以上，約3.5～4.5 m，護坎的壩身較小，壩頂高程一般在2.5～3.0 m。順壩與護坎一方面可以防止風浪淘刷，維護灘面；另一方面又可以起到促淤作用，高潮時泥沙進入順壩或護坎內(nèi)，落潮時沉淀淤積，抬高大堤堤前灘面，降低堤前水深，起到保灘與保護大堤的雙重作用。

（2）間接保灘。淤漲岸段促淤圍墾是保灘護岸的一種間接方式，也是一種積極方式。據(jù)有關(guān)研究資料表明，2000年以來上海市圍墾土地面積占上?，F(xiàn)有土地面積的62%。解放后到2000年，上海圍墾灘涂面積約84 000 hm2，圍墾灘涂主要分布在長江口北支崇明島北沿、東灘，長江口南支長興島北部，長江口南岸浦東新區(qū)三甲港至南匯嘴及杭州灣北岸。在淤漲岸段促淤或圍墾后，堤前或生物促淤的植被使前沿灘地的水動力條件減弱，進一步推動泥沙淤積和灘面發(fā)展，后一道大堤變成了新圍墾大堤后的一道防線。這種良性循環(huán)是維持長江口濕地資源與土地資源可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。

2.2 現(xiàn)有措施面臨的問題隨著長江口地區(qū)大量堤防工程投入使用，許多工程經(jīng)歷長時間的海浪沖刷后已經(jīng)破損，亟待修整補葺，相應地也使得此類措施的成本愈發(fā)昂貴；另一方面現(xiàn)有的保灘工程實施后，均不同程度地對區(qū)域水陸生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞，迫使一些水生生物尋找新的棲息地生存。結(jié)合我國生態(tài)堤岸建設(shè)經(jīng)驗，采用生態(tài)措施保灘護岸能夠發(fā)揮優(yōu)異的生態(tài)效益，促進區(qū)域完整生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，進一步強化整套系統(tǒng)抵御外來沖擊的能力；同時，構(gòu)建生態(tài)堤岸也符合生態(tài)文明建設(shè)的要求，通過堤岸區(qū)域的生態(tài)修復，構(gòu)建較為完善的生態(tài)體系，從而形成保持水土、抵御風浪的自然岸段。

3 生態(tài)護岸成果簡要評述

對護岸技術(shù)的研究從水利工程開始，逐漸發(fā)展到生態(tài)水利、環(huán)境整治、景觀設(shè)計等方面。隨著河道生態(tài)化建設(shè)的逐漸興起，有越來越多的實驗研究和工程案例嘗試將這項技術(shù)運用到海堤防護和保灘促淤工程中。其中，通過有選擇性地將生態(tài)材料與植物組合使用，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，乃是生態(tài)護岸研究的熱點。本研究中堤岸防護采用的生態(tài)措施主要是依靠區(qū)域環(huán)境特點，選用合適的生態(tài)材料構(gòu)建利于植物生長的基底，通過種植植物的手段，恢復或提升岸段生態(tài)多樣性，從而建立堤岸的柔性屏障，與工程措施結(jié)合共同抵御風浪侵襲。

3.1 生態(tài)材料

（1）格賓網(wǎng)箱。格賓網(wǎng)箱可設(shè)立在拋石區(qū)域，構(gòu)建綠植平臺，為植物種植提供基礎(chǔ)，從而進一步恢復被破壞的海堤生態(tài)。林俊翔［6］在珠海市情侶路南段某海堤工程中使用格賓網(wǎng)箱構(gòu)造綠植地臺，使用箱型格賓網(wǎng)裝填海灘上原有的駁岸石塊，并用同材質(zhì)鋼絲捆扎加固，格賓網(wǎng)箱高出拋石海床30～50 cm布設(shè)。格賓網(wǎng)箱地臺建設(shè)完成后，可以通過截留海潮帶來的石灰物質(zhì)及軟體動物碎殼，形成富含鈣的沉積物，結(jié)合水體中裹挾沉淀的淤泥形成有利于植物生長的土壤，為綠植生長提供較為豐富的營養(yǎng)。從而避免大量換土造成的“前期投入大后期養(yǎng)護難”的不利情況。

（2）植生布和水土保持毯。在常見的海堤保灘護底工程中，土工材料獲得了較為廣泛的應用，但同時也產(chǎn)生了阻擋植物根莖生長和物質(zhì)交換的負面影響。為了解決這一問題，可從提高植物根莖可穿透性和生物相容性兩方面考慮，使用改良后的植生布或水土保持毯于潮間帶構(gòu)建生態(tài)護坡，能夠作為護灘和修復維持植物生態(tài)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料使用［7］。此類材料可用于潮間帶的防護和上臺修復工程，有助于潮間帶區(qū)域植物群落在高鹽、低溫等逆境中正常生長，進一步實現(xiàn)保灘護堤的作用。

（3）生態(tài)混凝土。生態(tài)混凝土又被稱作綠化混凝土或綠化砼，是將特定比例的細骨料等添加劑與混凝土摻和形成的能夠適應植物生長、且具有一定防護功能的混凝土制品。此種材料的出現(xiàn)為混凝土與植物無法共存找到了合適的解決途徑，通常被用于巖坡防護、河湖護岸等工程［8］。在海岸堤防保護中可用于允許越浪的圍堤內(nèi)側(cè)進行護坡［9］。相比于漿砌石護坡結(jié)構(gòu)、螺母塊體護坡結(jié)構(gòu)，采用綠化混凝土構(gòu)筑的彩磚拱圈現(xiàn)澆綠化砼結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖刷性能，在生態(tài)景觀、環(huán)境影響和工程造價方面均具有優(yōu)勢。

3.2 植物種植在對岸堤防護的工程措施研究過程中，人們意識到了在海堤外種植植物能夠形成柔性的消浪體系，提前削弱波浪的能量，減少其對海堤的沖擊力度［10］。海堤外種植的植物必須能夠經(jīng)受耐鹽、耐淹和抗風浪等因素的考驗，因而需要悉心篩選所用的植物。

（1）珠海市情侶路南段某海堤外使用格賓網(wǎng)箱構(gòu)筑地臺，并于潮間帶地臺上種植植物。工程岸段所種植植物更多地考慮與人文景觀相結(jié)合，選用的是仙戟變?nèi)~木、巴西野牡丹、春羽、鳶尾、三裂蟛蜞菊、洋鳳仙等植物。這些植物適宜生長于熱帶和亞熱帶地區(qū)，生命力強，生長速度快，且具有耐熱、耐堿、抗風、抗污染等特點。發(fā)達的根系有助于植物固土，有效抵御海浪的淘蝕［6］。

（2）在沿海防護林體系中海岸基干林帶、紅樹林以及濱海濕地都能對沿海堤岸起到不同程度的保護作用。在沿海防護林的樹種選擇原則中需要兼顧栽種目的和立地條件，也要考慮生物多樣性和樹種的生長速度。有關(guān)研究表明近年來我國沿海地區(qū)防護林種植情況有了很大改善，其中華南地區(qū)大力發(fā)展沿海灘涂紅樹林，而亞熱帶及其以北則基本以草本植被為主［11］。根據(jù)南方泥質(zhì)土壤的特性，沿海防護林樹種可以選擇木麻黃、落羽杉、池衫、新銀合歡、苦楝、窿緣桉、大葉相思、臺灣相思等［12］。

沿海防護林植物物種的選擇還需要依據(jù)地區(qū)的實際情況，上海作為我國特大型都市，對景觀和生態(tài)功能具有更高的要求。通過有關(guān)模型評價結(jié)果［13］，篩選出適宜作為上海沿海防護林的植物種類，并結(jié)合生態(tài)防護和景觀建設(shè)的需要，提出上海地區(qū)理想的防護林配置。即可在濕潤沙地種植如二色補血草、堿篷等耐鹽、耐濕的草本植物，并少量種植沙棗等小灌木；在草本和喬木之間的過渡帶選用沙棗、檉柳、紫穗槐、文冠果、紅瑞木等耐鹽堿灌木；在干沙地種植池衫、濕地松、烏桕、黃連木、重陽木等耐鹽、耐水、抗風浪的喬木，并伴以親水小喬木和觀賞類灌木。

長江口杭州灣地區(qū)現(xiàn)有林帶樹種較為單一、且長勢不好，抗風浪能力減弱［14］，需選擇黃連木、側(cè)柏、烏桕、中山杉、池杉、濕地松、重陽木等防護效果好的樹種，并結(jié)合灌、草構(gòu)建多層次、多生境的基干林帶。同時針對防護效果較差的現(xiàn)有林帶可以采用帶內(nèi)隔帶、疏伐套種、冠下造林等方式進行更新改造，從而提升林帶的生態(tài)防護功能。

4 保灘護岸工程設(shè)計與應用

根據(jù)長江口和杭州灣的岸線現(xiàn)狀，從工程措施和生態(tài)措施結(jié)合的角度出發(fā)，以部分重點岸段為典型進行堤岸防護設(shè)計，從新建與改造兩方面進行考慮，分別提出堤岸構(gòu)筑和改造的新模式。

新模式的設(shè)計原則為因地制宜、安全為本、生態(tài)優(yōu)先。在設(shè)計過程中始終把保障海岸線安全放在最重要的位置，并建立生態(tài)和諧的新型護灘模式，盡量采用對生物和生境影響較少的設(shè)計方案，在全面滿足防風抗浪的等有關(guān)堤防標準的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有堤岸提出改造方向。盡可能利用原有的壩基基礎(chǔ)等條件，嘗試選擇工程量較小、施工難度較低的保灘護岸新模式，使堤岸的改造與岸段現(xiàn)狀、功能需求及改造條件相協(xié)調(diào)，對差異較大的岸段采用不同的設(shè)計形式。

4.1 新建堤岸以南匯東灘整治二期工程S6區(qū)東堤斷面為例，區(qū)域潮位情況為200年一遇高潮位6.20 m、200年一遇低潮位-1.25 m、圍內(nèi)常高水位2.50 m。

4.1.1 工程措施布置 S6區(qū)斷面設(shè)計（見圖1）堤頂高程9.2 m，頂寬8.0 m，結(jié)合周邊設(shè)施采用瀝青混凝土路面，堤頂設(shè)防浪墻，墻頂高程10.4 m。外坡為復坡結(jié)構(gòu)，上、下坡比均為1：3，上坡采用0.4 m厚柵欄板護坡、下坡采用3t扭王塊護坡；中間構(gòu)筑灌砌塊石消浪平臺，平臺高程6.2 m，寬6.0 m；堤腳大方腳外側(cè)設(shè)拋石鎮(zhèn)壓平臺，高程3.5～2.0 m，平臺外側(cè)采用拋石結(jié)構(gòu)與在建促淤堤連接。

內(nèi)坡坡比按1∶3設(shè)計，采用彩道磚拱肋草皮護坡，坡腳設(shè)42 m寬內(nèi)青坎，青坎高程為4.5～4.2 m，在青坎內(nèi)側(cè)坡面采用撒草籽護坡。底部采用多層通袋和土工格柵進行地基處理，堤身主體為傳統(tǒng)的充泥管袋加堤芯吹填砂結(jié)構(gòu)型式。

圖1 新建堤岸模式斷面設(shè)計典型剖面圖

S6區(qū)斷面堤線位置灘面高程為-2.2～-1.70 m，總長4660 m，結(jié)合對淤積效果分析，工程建設(shè)時堤線位置灘面平均高程預估為0.5 m。堤身內(nèi)側(cè)鎮(zhèn)壓平臺寬約42 m，擬采用3層通袋+2層土工格柵進行地基處理。

4.1.2 生態(tài)措施布置

（1）外海促淤帶。大堤外海側(cè)高程3.00～3.50 m段，在拋石表面自下而上鋪設(shè)復合土工布、耕植土500 mm、三維植生毯，其中復合土工布可以防止土層流失，耕植土能為植物生長提供基礎(chǔ)條件，三維植生毯有助于植物根系攀附、扎牢，首尾端及內(nèi)部分區(qū)使用格賓網(wǎng)箱以保持土層水平穩(wěn)定?？紤]區(qū)域的潮位條件，此段平均水深大于50 cm，綜合考慮挺水植物生活習性及南匯東灘濕地植物群落現(xiàn)狀，可以選用蘆葦作為此段主要種植植物，蘆葦具有迅速擴展的繁殖能力，在青草沙水庫堤外側(cè)亦有群落生長，證明其能夠在海水中存活，是比較適宜的堤外植物。搭配藨草可提高植物種類多樣性，見圖2。

圖2 新建堤岸模式設(shè)計斷面——外海促淤帶

（2）外海防浪帶。大堤外側(cè)6.20 m高程2%坡度的平臺及以上，在灌砌石塊以上自下而上為復合土工布、耕植土300 mm、輕質(zhì)生態(tài)土壤200 mm、三維植生毯，首尾分別用賓格網(wǎng)箱和拋石固定，植生布上可用水泥錨固釘固定植生布。土中播撒百慕大與堿蓬。此處平臺高程已高于200年一遇高潮位，百慕大與堿蓬抗鹽堿能力較強，如圖3。

（3）圍內(nèi)防護帶。大堤內(nèi)側(cè)4.50 m以上斜坡使用周邊地區(qū)較為常見的百慕大草皮布設(shè)于彩道磚拱肋。

大堤內(nèi)側(cè)4.20～4.50 m平臺上覆300厚耕植土、輕質(zhì)生態(tài)土壤200 mm，混播百慕大與二色補血草，以此為基底種植紫穗槐和檉柳。兩者皆為較耐鹽的灌木。檉柳多生于河流沖積平原，海濱、灘頭、潮濕鹽堿地和沙荒地，其根系較為發(fā)達且生長較快。紫穗槐抗風力強、生長快、生長期長且枝葉繁密，是防風林帶緊密種植結(jié)構(gòu)的首選樹種，同時還具有根系廣、側(cè)很多、生長快且不易生病蟲害的優(yōu)點，是保持水土的優(yōu)良植物材料，如圖4。

4.2 舊堤岸改造除了經(jīng)受海風海浪長期侵蝕破損嚴重的岸段，部分堤岸現(xiàn)狀整體較為完整，其功能和結(jié)構(gòu)尚未遭受毀滅性破壞，為了維持這部分堤岸的穩(wěn)定、提高防浪效果、延長其使用壽命，可采用以下措施對舊堤岸進行改造。

圖3 新建堤岸模式設(shè)計斷面——外海防浪帶

圖4 新建堤岸模式設(shè)計斷面——圍內(nèi)防護帶

（1）工程改造措施。首先需要根據(jù)壩體材料選用相應的方式對破損處進行更換或修補，再根據(jù)堤岸前水文情況設(shè)計丁壩群與潛堤的組合形式，利用模型模擬比選最佳方案，使改造后堤前結(jié)構(gòu)能夠有效抵御風浪沖擊，同時促成泥沙落淤，在堤前形成淺灘。

（2）生態(tài)改造措施。從經(jīng)濟合理性方面考慮，改造段堤岸改造重點應在于生態(tài)改造類措施，在保證主體結(jié)構(gòu)功能完整的前提下，應避免對原本堤岸結(jié)構(gòu)的過多干預。

按照外海側(cè)與圍內(nèi)側(cè)對生態(tài)改造措施進行布置，在擁有適宜水生植物生長的淺灘地區(qū)，利用格賓網(wǎng)箱（見圖5）構(gòu)建多級地臺，根據(jù)上海地區(qū)植物生長分布情況，于低層地臺上選用蘆葦?shù)雀邨U、耐鹽、耐淹的水生植物，于高層地臺上選用堿蓬（見圖6）、二色補血草等耐鹽耐濕的植物。大堤外海側(cè)坡面上可以適量覆土，并以三維植生毯蓋壓，選用耐鹽草本、小灌木等植物栽種于表面，在植被完全覆蓋的情況下，充分發(fā)揮三維植生毯較強抗剪應力的優(yōu)勢，控制堤岸受到的侵蝕。

圍內(nèi)側(cè)堤岸背坡覆耕植土種植草花，坡腳可采用植草溝匯集背坡雨水。背坡后地面種植池衫、濕地松等喬木，配合紫穗槐等耐鹽灌木形成由上海本地植物組成的防護林體系。

圖5 格賓網(wǎng)箱

圖6 堿蓬

圖7 促淤段預期效果

圖8 岸坡預期植被覆蓋效果

4.3 預期效果評價（1）堤岸改建或新建完成后，外海側(cè)促淤段將形成以蘆葦為主的植物群落，錯綜復雜的蘆葦根莖有利于減緩近岸水流流速，有助于促進沉積物的淤積。外海側(cè)防波段的格賓網(wǎng)箱與三維植生毯一方面可以抵御海浪的沖擊，另一方面也為坡上的草本植物和小灌木提供了可靠的生長環(huán)境，形成郁郁青青的迎浪坡面，如圖7。（2）建成后圍內(nèi)防護帶主要是消除部分越堤海浪的影響，可選用植物種類相對較為豐富，能夠形成錯落有致的濱海防護林景觀，為大堤增添視覺美感的同時，起到抵擋海風的作用，如圖8。（3）新型生態(tài)堤岸的設(shè)計是針對堤岸生態(tài)化難題的一次技術(shù)嘗試，面對多數(shù)海堤立面結(jié)構(gòu)單調(diào)、硬質(zhì)化嚴重、景觀效果不佳等問題，此海堤建成后將形成以抗御風暴潮為主，同時兼顧綠化、灘地保護、生物多樣性、人與海洋親合性等多目標的海堤模式，為其他堤岸生態(tài)化改造提供示范與寶貴經(jīng)驗。

5 結(jié)論

本文從生態(tài)材料和適生植物兩個方面梳理了生態(tài)保灘護岸的近期研究成果和可操作性，并針對長江口及杭州灣北岸典型岸段，提出了堤岸構(gòu)筑和改造的新模式，進一步完善長江口重要岸段生態(tài)環(huán)境修復工程，得到結(jié)論如下：（1）在長江口及杭州灣北岸典型岸段生態(tài)保灘護岸設(shè)計中，提出了因地制宜、安全為主、生態(tài)優(yōu)先的設(shè)計原則。首先考慮的是保護海岸的安全，通過多種措施提高其抵御風浪侵襲與水流淘刷的能力，延長其生命周期；其次，通過生境營造，篩選耐鹽、抗風、適生植物，增加綠色覆蓋等手段，促進泥沙淤積，減輕堤岸侵蝕；同時盡可能降低了對區(qū)域生物和生境的不利影響，使堤岸生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)良性循環(huán)。在充分利用原有壩基的基礎(chǔ)上，解決長江口及杭州灣北岸多數(shù)岸段在堤岸建設(shè)過程中植物存活難、生態(tài)物種單一或缺失的問題，更進一步美化了原本單調(diào)的堤面，極大地提升了景觀效果，與典型岸段周邊滴水湖、東灘濕地等地貌景觀相協(xié)調(diào)。（2）針對長江口與杭州灣北岸暫無工程岸段，提出了新建生態(tài)堤岸的構(gòu)筑模式。新建的堤岸主體以混凝土、灌砌塊石等結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，搭配格賓網(wǎng)箱、三維植生毯，種植蘆葦、堿蓬等耐鹽耐濕植物，形成具有生態(tài)綠化特性的堤面，并構(gòu)成外海濕生植物帶，在恢復灘涂生態(tài)系統(tǒng)的同時，起到促淤保灘、固安護堤的效果。（3）針對長江口與杭州灣北岸原有的保灘護岸工程現(xiàn)狀，提出了改造生態(tài)岸段的構(gòu)筑模式。舊堤岸的改造主要從維持堤岸穩(wěn)定、促進生態(tài)恢復、延長使用壽命出發(fā)，以原有堤岸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加潛堤和丁壩等消能結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上使用生態(tài)友好的賓格網(wǎng)箱和三維植生毯等材料，補充水生植物和坡面植物，形成結(jié)構(gòu)完整、系統(tǒng)穩(wěn)定的生態(tài)堤岸。