生態(tài)護(hù)岸在水利工程中的研究及應(yīng)用進(jìn)展

王一航，張金鳳，2*，張 娜，3，張慶河

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 中國地震局地震工程綜合模擬與城鄉(xiāng)抗震韌性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

水域是人類社會(huì)生活的重要支撐，而在水陸相接的過渡地帶——岸坡，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)生態(tài)方面起著舉足輕重的作用。但是，岸坡常常受到洪水、波浪、風(fēng)暴潮等災(zāi)害的破壞，因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┘訌?qiáng)對岸坡的防護(hù)[1-2]。護(hù)岸作為一種以控制水流流向、加強(qiáng)岸坡強(qiáng)度的方式來增強(qiáng)岸坡安全性的工程措施，在防護(hù)岸坡當(dāng)中扮演著重要的角色[1]。隨著水利工程新理念的傳播和發(fā)展，生態(tài)護(hù)岸在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛,日益成為護(hù)岸工程的主要形式。因此，本文對生態(tài)護(hù)岸的產(chǎn)生背景、主要效用、研究方式進(jìn)行總結(jié)，并展望其未來發(fā)展方向。

1 生態(tài)護(hù)岸

護(hù)岸，是建設(shè)在水域岸坡上，維護(hù)岸坡安全的工程建筑物。在傳統(tǒng)的水利工程護(hù)岸當(dāng)中，往往從防洪安全的目的出發(fā)，使用混凝土、塊石等硬質(zhì)材料進(jìn)行建設(shè)。這在提高護(hù)岸工程強(qiáng)度的同時(shí)，也導(dǎo)致水域生態(tài)系統(tǒng)受破壞、自然景觀惡化[3]。為了應(yīng)對護(hù)岸工程帶來的種種弊端，生態(tài)效應(yīng)成為護(hù)岸施工的考慮因素之一。

在這樣的背景下，生態(tài)護(hù)岸的理念應(yīng)運(yùn)而生。1938年，德國人Seifert率先提出親自然河溪治理理念，開啟了生態(tài)護(hù)岸及修復(fù)理論和研究的先河。20世紀(jì)50年代，德國水利學(xué)界正式創(chuàng)立河道自然治理工程理論，提出將植物化和生命化作為河道治理的發(fā)展方向[1]。這促使生態(tài)護(hù)岸從理論走到實(shí)踐，在水利工程當(dāng)中的應(yīng)用從無到有、從少到多地發(fā)展起來。

簡而言之，生態(tài)護(hù)岸就是將植物等環(huán)境友好的自然材料引入其中，在維護(hù)岸坡足夠強(qiáng)度的同時(shí)，能保持良好生態(tài)環(huán)境的護(hù)岸型式[4-7]。和傳統(tǒng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)相比，生態(tài)護(hù)岸注重可能產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)，將植物作為其工程結(jié)構(gòu)的一部分，起到了削減波浪、修復(fù)水域、減輕水土流失和沖刷破壞、改良土壤、維持生態(tài)系統(tǒng)、營造良好水域景觀的作用[1，3，8-10]。植物持續(xù)生長的特性，也使得生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有良好的可持續(xù)性和較長的壽命，在水利工程當(dāng)中可以發(fā)揮更持久的作用。

當(dāng)前，在發(fā)達(dá)國家，水利工程與生態(tài)理念已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的結(jié)合。如日本在2001年提出“新水”概念之后，開始逐步推廣生態(tài)護(hù)岸建設(shè)，隨后荷蘭亦加入這一行列[3]。在這些國家，水域的生態(tài)修復(fù)及岸坡生態(tài)防護(hù)的理念已經(jīng)比較成熟，在實(shí)踐中已有較多應(yīng)用。在萊茵河、密西西比河等大型河流的修復(fù)方面，也有了較多的成功實(shí)例。而在我國，生態(tài)護(hù)岸仍有很大的發(fā)展空間，未來生態(tài)護(hù)岸也將是很有前景的工程型式[1]。

2 關(guān)于生態(tài)護(hù)岸的研究方法

在生態(tài)護(hù)岸的相關(guān)研究當(dāng)中，主要有現(xiàn)場觀測、物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬3種主要方式。其主要內(nèi)容為植物消浪護(hù)岸性能的相關(guān)研究。

2.1 現(xiàn)場觀測

在野外現(xiàn)場的天然條件之下進(jìn)行直接的觀測，是一種研究植物作用和生態(tài)護(hù)岸防護(hù)效果的重要方式。通過此類方式，獲得了自然狀態(tài)下排除人工干擾的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，是生態(tài)護(hù)岸其它研究方式的理論基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的現(xiàn)場觀測研究案例當(dāng)中，主要方法是對護(hù)岸區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化、工程安全性、消浪性能等指標(biāo)進(jìn)行定性定量觀測，從而研究植物消浪護(hù)岸的規(guī)律，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

在國內(nèi)已有的現(xiàn)場觀測研究中，宋連清等[7-11]在1989年對浙江沿?；セ撞菹饲闆r進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)草帶寬度越寬，消浪能力也越強(qiáng)，平均每10 m寬的草帶可以消浪6～8 cm。吳佩佩等[8]在河流岸坡上對4種植物的蒸騰速率、日蒸騰總量等指標(biāo)進(jìn)行了測定，得出了4種植物降低孔隙水壓力能力大小的強(qiáng)弱順序。

在國外的現(xiàn)場觀測研究當(dāng)中，Gittman等[12]在荷蘭瓦登海岸選取了以有壩檻鹽沼、無壩檻鹽沼、直立擋浪墻3種護(hù)岸，觀察颶風(fēng)影響前后的變化情況，發(fā)現(xiàn)鹽沼比直立擋浪墻等硬質(zhì)工程措施防護(hù)效果更好。Nguyen等[13]和Henderson等[14]對波浪在越南紅樹林當(dāng)中的傳播規(guī)律進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)紅樹林的存在有效削弱了波高、波浪在河岸上的爬高及波浪力，但是對波生流底床流速的影響不大，甚至可能加劇河床泥沙懸揚(yáng)狀況。

2.2 物理模型實(shí)驗(yàn)

在生態(tài)護(hù)岸的物理模型實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中，大多采用將護(hù)岸和植物按比尺縮小為模型，從而以水力模型試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在研究采用的植物方面，首先是以聚乙烯等材料制成的圓柱來模擬植物，之后則普遍采用包括剛性莖干和柔性枝葉在內(nèi)的防浪樹木模型或人工水草，亦有將根系作用考慮在內(nèi)的模型植物研究；而使用真實(shí)植物進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究也出現(xiàn)越來越多的實(shí)例，采用的真實(shí)植物材料多為防浪林常采用的紅樹、檉柳等樹木，或是香蒲等水草、鹽生草本植物。物理模型實(shí)驗(yàn)研究使得研究可以在人工可控的條件下進(jìn)行，便于對植物消浪護(hù)岸性能進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，從而為數(shù)值模擬研究和工程結(jié)構(gòu)開發(fā)提供指導(dǎo)；但是物理模型試驗(yàn)尤其是使用真實(shí)植物進(jìn)行的研究，也存在比尺效應(yīng)、模型尺寸不能合理調(diào)節(jié)、材料用量大等缺點(diǎn)。

在國內(nèi)使用模型植物的研究當(dāng)中，陳德春、趙東梁、陳家貴等[15-17]使用聚乙烯人工模型水草，楊建民等[18]用檜柏枝作為紅樹模型，王瑞雪等[19]以PVC圓管模擬剛性植物，研究了水深、波高、周期、植物密度、植物帶寬度、植物分布方式等因素對植物消浪護(hù)岸性能的影響。吉紅香、黃本勝等[9]建立復(fù)式護(hù)岸斷面模型，采用僅剛性樹干和帶柔性枝葉的2種模型樹在不同波高、不同水位下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了柔性枝葉比剛性樹干消浪效果好的結(jié)論。何飛等[20]采用含根、莖、葉的植物模型研究其消浪性能，研究表明葉的消浪性能比根和莖更好。

在國外使用模型植物的研究當(dāng)中，Hashim等[21]使用紅樹模型進(jìn)行波浪通過紅樹林前后的實(shí)驗(yàn)。Anderson等[22]以柔性桿模擬鹽沼植物，研究波高、莖干密度、水深、周期對消浪的影響。Hu等[23]使用植物莖干模型研究在波、流共同作用下植物的消浪性能，并據(jù)此得出了波流共同作用下拖曳力系數(shù)CD和雷諾數(shù)的關(guān)系式。John等[24]在使用人工水草鋪成沉水植物帶，觀察規(guī)則波通過植物帶前后的變化狀況。

在使用真實(shí)植物的研究當(dāng)中，Tschirky等[25]采用真實(shí)植物研究其密度、草帶長度的消浪效果。Lara等[26]通過采集和培養(yǎng)等方式獲得大量鹽生植物植株后，在幾種不同的波高、水深組合之下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從而積累了使用真實(shí)植株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的大量經(jīng)驗(yàn)。Losada等[27]采用2種鹽沼植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀察不同水深下波浪與正負(fù)2個(gè)方向水流分別疊加后通過植物區(qū)的變化情況，發(fā)現(xiàn)植物的存在明顯削弱了來浪波高，并推導(dǎo)出了規(guī)則波、不規(guī)則波及其分別與正向流、負(fù)向流疊加的6種情況下拖曳力系數(shù)的表達(dá)式。

上述研究聚焦植物性能和波浪、水流要素等多種因素，得出豐富的研究結(jié)論。植物的存在可以造成明顯的水體紊動(dòng)，從而顯著削減波浪、阻擋波浪傳播。植物的消浪性能與植物密度及高度、植物帶寬度成正相關(guān)；在密度較小時(shí)，植物消浪效果隨密度的增大而快速改善，但是當(dāng)密度較大時(shí)，植物消浪效果隨密度改善較慢；入射波高越大，消浪性能也略微增強(qiáng)；水深增大，消波性能略有減弱；周期對植物消浪性能影響不大，但剛性植物受到周期影響較為明顯，當(dāng)波浪與剛性植物產(chǎn)生共振時(shí)，消浪性能會(huì)有所變差。

2.3 數(shù)值模擬

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬研究方法也成為生態(tài)護(hù)岸研究當(dāng)中普遍采用的方法。在數(shù)值模擬研究當(dāng)中，主要通過數(shù)值方法研究植物對水流、波浪的作用及對岸坡安全性的影響。除了在控制方程當(dāng)中加入阻力項(xiàng)以概化模擬植物的作用之外，還可以將植物等效為剛性圓柱，刻畫出其外部輪廓，并給出相應(yīng)邊界條件再進(jìn)行求解。這些方法對植物與波浪的相互作用，尤其是植物的消浪性能進(jìn)行了較多的研究，但是這些方法不能準(zhǔn)確模擬植物隨著波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力的變化情況，不能完全體現(xiàn)植物的柔性。因此，數(shù)值模擬仍有很大的發(fā)展空間。

國外，數(shù)值模擬研究的開始時(shí)間較早。1968年，Price等[28]開發(fā)了第一個(gè)模擬海藻作用的水動(dòng)力模型，在模型當(dāng)中將海藻作為高粘性層處理。之后，Mork等人[29]拓展了高粘性層的概念，將植被產(chǎn)生的拖曳力影響加入其中。Dalrymple等[30]和Kobayashi等[31]根據(jù)能量守恒方程等建立起了最早的植物消波模型，通過能量耗散項(xiàng)來表征植物消波作用。

Darby[32]通過對洪水狀況下有河岸植被的情況進(jìn)行了研究，得出了有河岸植被狀況下的水位-流量關(guān)系曲線及植被密度與流量的關(guān)系曲線。Fischer等[33]將植物看作垂直于河道岸坡的圓柱體，研究不同水流流速、植被密度條件下河流與沉水植物的相互作用，結(jié)果表明沉水植物可以減輕水流對岸坡的沖刷，起到保護(hù)岸坡、營造蓄洪空間的作用。Augustin等[34]分別對剛性及柔性植物的消波性能分別進(jìn)行了研究，并以底部摩阻形式表征植物消波作用，研究發(fā)現(xiàn)以厄塞爾數(shù)作為參數(shù)的摩阻系數(shù)與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高。

在近幾年的植物與波浪作用數(shù)值模擬研究當(dāng)中，對于合理表達(dá)植物的作用、尤其是植物拖曳力系數(shù)的表達(dá)方式又有新的發(fā)展。Henry等[35]通過分析已有的植物拖曳力系數(shù)CD公式的不足，推導(dǎo)出新的拖曳力系數(shù)公式。Beudin等[36]對舊有模型進(jìn)行修正，形成了考慮依賴于植物運(yùn)動(dòng)的三維拖曳力、樹冠內(nèi)波生流、紊流動(dòng)能、垂直混合的波、流、植物相互作用模型。Garzon等[37]在風(fēng)暴期間對2處鹽沼進(jìn)行波浪傳播觀測，通過XBeach模型對現(xiàn)場觀測的波浪傳播情況進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示Garzon以雷諾數(shù)為基礎(chǔ)的拖曳力公式得出的結(jié)果最為準(zhǔn)確；波浪通過鹽沼之后波高有明顯削弱，且冬季的削弱效果比秋季低10%～15%。Zhu等[38]則指出Garzon等在使用Jadhav經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)存在不足之處，低估了數(shù)值模擬所得到的波高結(jié)果，通過Jadhav經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)一步完善了Garzon等人的數(shù)值模型。林鵬智等[39]將植物看作剛性圓柱群，在模型的控制方程當(dāng)中，考慮了水流作用下植物產(chǎn)生的附加慣性力和拖曳力，開發(fā)了紊流三維植物模型。劉達(dá)等[40]以立面二維自由面紊流模型為工具，將植物的樹冠區(qū)和樹干區(qū)分為2個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)，對近岸破碎波沖擊植物帶的情況進(jìn)行了模擬，得出了與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的波面過程線、波浪爬高、波壓力過程線。

在數(shù)值模擬研究當(dāng)中，以底部摩阻形式表示植物消波作用，是一種主要的模擬方式。在其中提出的主要經(jīng)驗(yàn)公式包括

(1)含有植物的河流垂線流速分布經(jīng)驗(yàn)公式[41]

式中：Q為流量，ρH為植物密度，V為斷面平均流速，z為高度，h為水深，適用于含植物河道。

(2)植株阻力與植物、水流參數(shù)關(guān)系式[42]

式中：Cd為拖曳系數(shù)，a為每棵植株所占面積，A=φA0(φ為樹葉偏轉(zhuǎn)角度)，h為水深，yn為樹木平均高度，ρ為水的密度，V為流速，J為剛度，適用于含柔性植物水體。

(3)含植物河道等效糙率系數(shù)公式[43]

(4)植物消波衰減系數(shù)公式[30]

式中：a為波高，a0為來浪波高，α為衰減系數(shù)，x為水平坐標(biāo)，CD為阻力系數(shù)，D為植物莖干直徑，b為植物莖干面積，k為波數(shù)，s為到底部距離，h為水深。

(5)含植物河道體積阻力系數(shù)公式[44]

(6)挺水植物摩擦系數(shù)公式[34]

3 生態(tài)護(hù)岸在實(shí)際工程中的應(yīng)用

生態(tài)護(hù)岸理念最先在發(fā)達(dá)國家提出，也最先在發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用。在生態(tài)護(hù)岸的實(shí)際施工當(dāng)中，既有僅采用植物的自然原型護(hù)岸型式，也有將植物與土工材料相結(jié)合的護(hù)岸型式。常用的生態(tài)護(hù)岸型式包括干砌石、石籠、三維網(wǎng)植生帶、生態(tài)混凝土、生態(tài)砌塊等，常用的植物則為工程所在地適生植物。目前，生態(tài)護(hù)岸在河道和海岸都已經(jīng)有了不少應(yīng)用案例。

在國內(nèi)的河道生態(tài)護(hù)岸工程實(shí)例當(dāng)中，廣州市河涌整治工程[4]、天水市成紀(jì)濱河景觀工程[45]當(dāng)中分別將三維土工網(wǎng)墊、無砂混凝土和蜂巢結(jié)構(gòu)等工程措施與當(dāng)?shù)剡m生草本植物結(jié)合，在增強(qiáng)護(hù)岸強(qiáng)度、維持河道安全的同時(shí)營造良好的景觀效果。武夷山市在防洪工程當(dāng)中建設(shè)植生型生態(tài)混凝土護(hù)坡，而麗水市甌江堤防工程中采用三維植物網(wǎng)、綠化混凝土、連鎖水工砌塊等多種結(jié)構(gòu)型式，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)防洪安全性、保護(hù)岸坡及生態(tài)環(huán)境的作用[46-47]。

在國外的應(yīng)用案例中，日本因地制宜，合理采取適合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)防護(hù)措施，例如在土生川、加納川、本明川的治理工程中，基于其岸坡坡度大、水流湍急等不同特點(diǎn)，采用干砌石護(hù)岸、半干砌石護(hù)岸、原木格子護(hù)岸等不同形式，并種植適生植物，使得各條河流的生物群落有了明顯的改善，生態(tài)景觀明顯恢復(fù)，河道防洪安全也得到保障[48]。

在國內(nèi)海岸生態(tài)防護(hù)方面，江蘇省推廣柔性防護(hù)手段，在廢黃河口附近海岸在護(hù)坡建設(shè)當(dāng)中采用了混凝土膜袋護(hù)坡的形式，并種植互花米草，取得了抵抗波浪和風(fēng)暴潮的效果[49]。在北戴河海灘防護(hù)工程當(dāng)中，采用人工養(yǎng)灘結(jié)合突堤、潛堤的方式，3 a內(nèi)保留了原有填沙量的80%～90%[50]。天津、青島、廈門等沿海城市也都普遍建立起人工養(yǎng)灘工程，加強(qiáng)對海岸的軟防護(hù)[51]。遼寧興城對河口海岸濕地進(jìn)行整治，大量種植堿蓬等鹽生植物，同時(shí)疏通潮溝、墊高低洼地，為海岸帶生物提供了良好的棲息環(huán)境，構(gòu)建海岸生態(tài)防護(hù)帶[52]。

在國外海岸生態(tài)防護(hù)工程中，荷蘭北海海峽防護(hù)工程采用挖溝、開孔洞等不同紋理的混凝土進(jìn)行建設(shè)，從而吸引了海藻和水生生物的棲息，結(jié)合了自然生物和工程措施的防護(hù)優(yōu)勢；通過人工養(yǎng)灘、養(yǎng)護(hù)海岸濕地、營造人工濕地的方式來加強(qiáng)海岸防護(hù)，維持海岸線穩(wěn)定[53]。美國[54]則形成了以鹽沼、珊瑚礁、紅樹、牡蠣礁、沙丘等自然地貌和海墻、堤圍、拋石堤等人工結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的多層次、復(fù)合型護(hù)岸體系。如紐約市推進(jìn)以人工濕地和海洋森林、人工珊瑚礁、人工防波堤群、航道淺化、生態(tài)效益強(qiáng)的護(hù)岸、生物岸線六大措施為基礎(chǔ)的復(fù)合型護(hù)岸體系建設(shè)。在以硬質(zhì)護(hù)岸為主、土地資源不足的新加坡，近年來對海岸防護(hù)的形式進(jìn)行了新的探索。新加坡沿海設(shè)計(jì)了一種以預(yù)制混凝土制人工潮汐池，吸引了多種海洋生物定居，在緩沖海水對岸坡沖刷的同時(shí)營造了豐富的水生生態(tài)系統(tǒng)[35]。在越南、泰國等東南亞國家，都將恢復(fù)和重建紅樹林作為防護(hù)海岸的主要措施之一，這節(jié)約了成本，也產(chǎn)生了巨大的生態(tài)效益[49]。

在工程實(shí)際當(dāng)中，逐步經(jīng)歷了從小范圍應(yīng)用到河流、湖泊、海洋大范圍、多種地形條件下普遍應(yīng)用和從單一結(jié)構(gòu)型式到多種生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式相互配合和拱衛(wèi)、共同進(jìn)行生態(tài)防護(hù)的發(fā)展過程。而隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，更多因地適宜的創(chuàng)新護(hù)岸型式、更完善的防護(hù)體系將是其發(fā)展趨勢。

4 生態(tài)護(hù)岸研究展望

雖然生態(tài)護(hù)岸近些年來的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是仍然有一些需要解決的問題。主要包括：

(1)在物理模型實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究當(dāng)中，對植物的形態(tài)、材質(zhì)進(jìn)行更加精確的表現(xiàn)和模擬，以便更深入、準(zhǔn)確地研究植物在削弱波浪、防護(hù)岸坡當(dāng)中起到的作用。

(2)作為生態(tài)護(hù)岸當(dāng)中不可缺少的一部分，植物在不斷生長和變化，在不同季節(jié)和其生長的不同階段，材質(zhì)、尺寸等性質(zhì)都有明顯的不同，對波浪作用下防護(hù)岸坡起到的作用也有顯著區(qū)別。而在植物死亡后，可能帶來新的河道淤積、污染問題?，F(xiàn)有研究大多局限于某一特定生長狀態(tài)的植物，因此，對生態(tài)護(hù)岸的研究，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步注重其動(dòng)態(tài)變化特性。

(3)我國現(xiàn)有的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，大多強(qiáng)度較低，因此尚不足以完全取代傳統(tǒng)硬質(zhì)工程護(hù)岸。在未來的研究當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)注意將植物和土工材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提高生態(tài)護(hù)岸強(qiáng)度，開發(fā)高強(qiáng)度的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，以使得生態(tài)護(hù)岸能夠真正將工程安全和生態(tài)效益合二為一。

生態(tài)護(hù)岸工程是現(xiàn)階段及未來很長時(shí)間內(nèi)護(hù)岸建設(shè)的新趨勢[48]，在未來，生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)有利于實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，減少人類對自然界的干擾，維護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，生態(tài)護(hù)岸的應(yīng)用，也必將有更廣闊的天地。