基于NbS的防洪潮綠色柔性安全屏障研究

彭 智，陳 勇

(1.廣州市南沙區(qū)建設(shè)中心，廣東 廣州 511400；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

近年來，在全球變暖趨勢日益嚴(yán)重的背景下，我國沿海城市極端氣候事件的發(fā)生日漸頻繁，強(qiáng)臺風(fēng)也呈現(xiàn)加劇趨勢，沿海地區(qū)受臺風(fēng)暴潮襲擊最為嚴(yán)重，處于海陸分界線上的海堤作為抵御自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的第一道屏障，是保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在海堤的建設(shè)過程中，以技術(shù)途徑為主的傳統(tǒng)“灰色堤防”發(fā)揮了特定的功能，但也帶來了許多生態(tài)和環(huán)境問題，如海岸線縮短、海灘濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損，海陸生境通道受阻，消納潮功能下降、城水割裂等。

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，國家對生態(tài)海堤建設(shè)愈加重視。2018年，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會第三次會議上指出，要實(shí)施海岸帶保護(hù)修復(fù)工程，建設(shè)生態(tài)海堤，提升抵御臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害能力。針對傳統(tǒng)海堤建設(shè)帶來的生態(tài)和環(huán)境等問題，本研究旨在探索一種基于自然的解決方案，利用自然力量、順應(yīng)自然選擇、效仿自然形態(tài)的綠色柔性安全屏障設(shè)計(jì)理念，為生態(tài)海堤建設(shè)提供參考。

1 國內(nèi)外生態(tài)海堤建設(shè)研究歷程與現(xiàn)狀

1.1 國外生態(tài)海堤建設(shè)研究歷程

國外開展海堤生態(tài)化研究相對較早，20世紀(jì)80年代以來，國外科學(xué)家日益重視海堤的生態(tài)和環(huán)境問題，認(rèn)識到應(yīng)將生態(tài)要素納入海岸防護(hù)工程建設(shè)中，通過構(gòu)建更寬的緩沖帶和新的生境，提高沿海地區(qū)應(yīng)對氣候變化的能力，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展[1]。德國優(yōu)先采用保留天然海岸動力的海岸防護(hù)策略，并將“近自然海岸保護(hù)方法”運(yùn)用到海岸防護(hù)整體規(guī)劃中。英國2013年對海岸線的調(diào)整達(dá)到了高潮，主要應(yīng)用NbS理念將天然沿海植被的使用與工程基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，來管理和移動海岸線，使得潮水能夠更深入內(nèi)陸，并由此減少周邊村鎮(zhèn)的洪水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使周邊土地逐步成為許多物種的棲息地。美國強(qiáng)調(diào)海岸防護(hù)項(xiàng)目的生態(tài)和社會雙重彈性設(shè)計(jì)，生態(tài)彈性上構(gòu)建牡蠣礁/植被礁+海草床+沙丘系統(tǒng)+防護(hù)林帶+濕地/灘涂+堤防多層次的防御體系[2]，社會彈性上建立多個(gè)防護(hù)堤構(gòu)成的多層次防御體系，并注重社會項(xiàng)目(海洋保護(hù)、景觀生態(tài)和人文關(guān)懷)的展開，是NbS的應(yīng)用典范[3]。

1.2 國內(nèi)生態(tài)海堤建設(shè)研究歷程

相對國外海堤生態(tài)化研究進(jìn)程，我國生態(tài)海堤的研究尚處于探索和發(fā)展階段，海堤的建設(shè)多以傳統(tǒng)剛性堤防為主。隨著生態(tài)文明建設(shè)被提升到國家戰(zhàn)略，生態(tài)海堤也成為海岸防護(hù)工程研究的主攻方向。近幾年，涌現(xiàn)出不少全新理念研究和實(shí)踐成果。范航清、何斌源等[4]系統(tǒng)介紹了生態(tài)海堤的功能定位、空間規(guī)劃原則、功能區(qū)塊設(shè)置、景觀功能、綠色種植等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。深圳東部海堤重建工程實(shí)踐中提出以自然條件為基礎(chǔ)的“三重海岸防線戰(zhàn)略”[5]，打造海岸防護(hù)與生態(tài)海岸線恢復(fù)、景觀和公共空間改造相結(jié)合的多功能復(fù)合岸線。陳俊昂、王帥等[6]創(chuàng)建“多功能生態(tài)海堤構(gòu)架體系”，并將此技術(shù)應(yīng)用在南沙靈山島尖南段海岸工程，有效解決了海堤“圍城”問題和防護(hù)結(jié)構(gòu)與生態(tài)、景觀之間矛盾的問題。

1.3 國內(nèi)現(xiàn)狀

雖然近些年國內(nèi)涌現(xiàn)了很多關(guān)于生態(tài)海堤的全新理念和相關(guān)理論研究成果，但我國建成海岸防護(hù)工程仍是以傳統(tǒng)剛性海堤為主，海堤設(shè)計(jì)多采用加固加高堤岸、裁彎取直岸線、拋填塊石消浪等工程措施，強(qiáng)調(diào)堤防自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，斷面型式多為斜坡式和陡墻式。還有部分海岸防護(hù)工程已從剛性堤防轉(zhuǎn)向柔性堤防，但大多局限在海堤結(jié)構(gòu)型式的生態(tài)化建設(shè)，設(shè)計(jì)思路及參與部門仍是以傳統(tǒng)水利為主，生態(tài)海堤建設(shè)存在較大的技術(shù)局限性，亟需從更多的實(shí)踐吸取經(jīng)驗(yàn)。

2 融合NbS理念的生態(tài)海堤設(shè)計(jì)

NbS為保護(hù)、可持續(xù)管理和恢復(fù)自然的和被改變的生態(tài)系統(tǒng)的行動，來源于人與自然關(guān)系的思考。目前主流的環(huán)境保護(hù)、生態(tài)修復(fù)等理念的出發(fā)點(diǎn)多是為了保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性的內(nèi)在價(jià)值，而NbS的出發(fā)點(diǎn)則是通過保護(hù)、管理或恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)從而滿足人類需求[7]，NbS理念突破了常規(guī)的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理原則，在保護(hù)中更加注重人類福祉、資源再利用和社會可持續(xù)發(fā)展等社會因素的融入。

《全國海堤建設(shè)方案》和《圍填海工程生態(tài)海堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》提出將“海堤建設(shè)”和“綠色發(fā)展、生態(tài)化”理念相結(jié)合[8]，這與NbS強(qiáng)調(diào)“受自然啟發(fā)、由自然支持或仿效自然”的理念不謀而合。但NbS理念不僅限于自然解決方案，而是一種綜合解決方案，是基于生態(tài)系統(tǒng)方法的傘狀框架，包括自然解決方案、基于生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)(EbA)、基于生態(tài)系統(tǒng)的防災(zāi)減災(zāi)(Eco-DRR)、綠色基礎(chǔ)設(shè)施、自然基礎(chǔ)設(shè)施，以及整體或再生景觀管理的相關(guān)理念運(yùn)用方法的合集。基于NbS的生態(tài)海堤建設(shè)應(yīng)是以堅(jiān)持人與自然的共生關(guān)系為原則，統(tǒng)籌與融合城市規(guī)劃、水利水電、生態(tài)環(huán)境、風(fēng)景園林、建筑美學(xué)等多學(xué)科知識原理，在保證人與生物安全的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮海堤的生態(tài)功能、社會效益與美學(xué)價(jià)值。

目前國內(nèi)真正將NbS運(yùn)用到對生態(tài)海堤建設(shè)相對較少，理論與工程結(jié)合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尚不成熟。為踐行NbS在生態(tài)海堤設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)作用，本文以廣州市大角山海濱公園生態(tài)海堤設(shè)計(jì)為契機(jī)，提出以“綠色柔性安全屏障”為理念，通過多措并施消納洪潮、優(yōu)化堤線布置及復(fù)合堤身結(jié)構(gòu)型式等措施，實(shí)現(xiàn)海堤的防潮御災(zāi)功能；連接海陸生態(tài)廊道、修復(fù)和構(gòu)建生物棲息地，實(shí)現(xiàn)海堤的生態(tài)功能；同時(shí)銜接城市空間規(guī)劃，提升濱水景觀環(huán)境，最終構(gòu)建城水共生、人水和諧的城市防洪潮綠色柔性安全屏障。

3 項(xiàng)目基本情況及存在問題

3.1 基本情況

南沙位于粵港澳大灣區(qū)地理幾何中心，是珠江流域通向海洋的通道，是連接珠江口岸城市群和港澳地區(qū)的重要樞紐性節(jié)點(diǎn)，廣州市唯一出海通道，肩負(fù)著國家級新區(qū)、自貿(mào)試驗(yàn)區(qū)、粵港澳全面合作示范區(qū)等多重國家戰(zhàn)略使命。在此背景下，南沙的發(fā)展面臨前所未有的新形勢新機(jī)遇，全面提升南沙新區(qū)防洪(潮)減災(zāi)能力，有助于保證南沙新區(qū)在粵港澳大灣區(qū)中的戰(zhàn)略地位，助力南沙牢牢把握發(fā)展機(jī)遇，乘勢而上，快速發(fā)展，保障粵港澳大灣區(qū)規(guī)劃順利實(shí)施。

粵港澳大灣區(qū)水安全保障規(guī)劃提出構(gòu)筑安全可靠的防洪減災(zāi)網(wǎng)，完善防洪工程體系，建設(shè)防潮工程體系，大灣區(qū)中心城市廣州與深圳防洪能力不低于200年一遇。廣州市流域綜合規(guī)劃(2010—2030)提出項(xiàng)目所處的南沙新區(qū)蕉東聯(lián)圍防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

3.2 存在問題

大角山海濱公園位于南沙新區(qū)蕉東聯(lián)圍南部，珠江出?？诨㈤T水道西岸，公園現(xiàn)狀海堤防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)不足20年一遇，成為蕉東聯(lián)圍200年一遇防洪(潮)體系的缺口，導(dǎo)致蕉東聯(lián)圍沒有形成封閉的防洪(潮)體系，不能滿足區(qū)域高定位建設(shè)發(fā)展對海岸防護(hù)工程的要求。

大角山海濱公園段現(xiàn)狀堤防為剛性混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)長期風(fēng)吹浪打，損毀嚴(yán)重，親水步道等功能已無法正常發(fā)揮，存在較為嚴(yán)重的安全隱患。堤段內(nèi)部分道路受洪潮影響損毀嚴(yán)重，濱海園路、觀景平臺地質(zhì)沉降較多，現(xiàn)已經(jīng)無法行人，整體景觀游憩系統(tǒng)欠佳，缺乏觀賞性與親水性，難以匹配南沙灣“展示富有形象魅力的濱海活力帶”的規(guī)劃發(fā)展要求。

4 設(shè)計(jì)方案

基于自然的智慧，將自然途徑與人工低干預(yù)措施相結(jié)合，通過植物消浪、子堤消浪及雨洪調(diào)蓄3種措施降低原規(guī)劃堤頂高程，堤線的布置“以尊重自然基底，讓自然做設(shè)計(jì)”為理念，盡量避讓及保護(hù)場地樹木，靈活布置堤線，并結(jié)合多種生態(tài)型子母復(fù)合式堤防斷面，增加景觀游憩系統(tǒng)和文化設(shè)施，建設(shè)集防洪潮、生態(tài)修復(fù)、景觀文化于一體的多功能柔性堤防，構(gòu)建城市綠色安全屏障。

4.1 堤頂高程

本工程區(qū)域范圍內(nèi)可見部分護(hù)岸工程未見明顯堤防，場地普遍高程偏低，大部分未達(dá)20年一遇潮水位高程7.63m，本段堤防多年平均低潮位4.36m和多年平均高潮位5.68m，設(shè)計(jì)水位(200年一遇)為8.46m，根據(jù)傳統(tǒng)堤防高程計(jì)算，即設(shè)計(jì)水位疊加波浪爬高和安全超高，堤頂高程將在10.43～10.76m。設(shè)計(jì)基于NbS的理念，改變傳統(tǒng)水利堤防建設(shè)的做法，充分考慮現(xiàn)狀紅樹林的消浪作用，并在堤前設(shè)計(jì)多級梯田平臺和大地藝術(shù)地形進(jìn)行消浪，堤后綜合利用現(xiàn)狀濕地、灘地、景觀湖等海綿體來消納越浪量，通過三維與二維數(shù)值模型進(jìn)行波浪爬高計(jì)算，消浪設(shè)計(jì)后波浪爬高降低到0～0.3m，最終設(shè)計(jì)堤頂高程為8.96～9.26m，比傳統(tǒng)海堤堤防設(shè)計(jì)高程降低了1.5～1.8m。設(shè)計(jì)充分利用自然的力量，讓自然做功，在保障防洪(潮)安全的基礎(chǔ)上，提升了生態(tài)功能，降低了海堤對陸域和海域之間的生態(tài)阻隔，維持了大角山海濱公園良好的景觀視野，如圖1所示。

圖1 混合式海堤斷面圖

為了探明大角山生態(tài)堤防建設(shè)后堤身波浪爬高及堤頂越浪情況，本項(xiàng)目基于Navier-Stokes方程利用CFD開源程序OpenFOAM開發(fā)了大角山生態(tài)堤防波浪爬高三維數(shù)值模型，模型引入拖曳力和慣性力系數(shù)模擬沿程植物群體產(chǎn)生的動量阻尼，采用分層系數(shù)賦值概化植物根、莖、葉對水體的阻滯效果，利用修正的k-ε湍流模型模擬植被近區(qū)湍流渦動，運(yùn)用改進(jìn)的流體體積輸運(yùn)(VOF)函數(shù)捕捉空氣和水體運(yùn)動。

本次越浪量計(jì)算采用數(shù)值模擬計(jì)算，選取了3個(gè)典型斷面計(jì)算。典型段一，現(xiàn)狀為大片紅樹林和次生密林，紅樹林帶寬達(dá)50m，次生密林寬度達(dá)70m，堤線布置距海岸線較遠(yuǎn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算紅樹林消浪效果明顯，越浪量將為0，如圖2所示。

圖2 紅樹林段越浪量分析圖

典型段二，現(xiàn)狀有少量紅樹林，堤前設(shè)計(jì)多級梯田花海，堤防與公園現(xiàn)狀園路(濱海大道)相結(jié)合，經(jīng)過數(shù)值模擬分析，越浪量將為0.02m3/s·m，如圖3所示。

圖3 梯田花海段越浪量分析圖

典型段三,現(xiàn)狀無紅樹林，有少量行道樹，堤線離海岸線較遠(yuǎn)，堤前設(shè)計(jì)多個(gè)大地藝術(shù)地形，堤防退于地形之后，盡量增加地形消浪的寬度，經(jīng)過數(shù)值模擬分析后，越浪量將為0，如圖4所示。

圖4 大地藝術(shù)段越浪量分析圖

4.2 堤線布置

設(shè)計(jì)遵從自然的選擇，讓大自然做設(shè)計(jì)，以最低干預(yù)措施，讓植物、場地、地形自行引導(dǎo)堤線，讓堤防自由穿梭于公園內(nèi)，由大角山水閘東側(cè)連接段起，蜿蜒穿梭于密林內(nèi)，在會展中心前與濱海大道相交，提升道路為生態(tài)堤防，相交后沿濱海大道北側(cè)繼續(xù)向東北方向布置，直至濱海公園北門處與抬高的大角山腳道路閉合。整段堤線蜿蜒順滑，寬窄自如，完全與公園景觀融為一體，讓“自然”選擇的堤防在公園的演替中自然流淌，到達(dá)有堤而不見堤的效果，形成天人合一的生態(tài)海堤。

設(shè)計(jì)尊重每一個(gè)生命，以嚴(yán)格保護(hù)場地原有的歷史、文化、自然特征作為設(shè)計(jì)的重要原則，杜絕大砍大伐，在植被規(guī)劃上強(qiáng)調(diào)保存現(xiàn)狀優(yōu)質(zhì)樹木，延續(xù)本土樹種的使用。堤線盡量繞開場地大樹，避讓場地內(nèi)的密林區(qū)域，在堤線必須穿過的區(qū)域，選擇沒有樹或者少量樹的位置穿過，無法避讓的區(qū)域，堤防采用多種斷面型式，盡最大程度保護(hù)樹木，減少樹木的清除和遷移量，并采用圓柱形套筒保護(hù)樹木，同時(shí)在頂部設(shè)置防跌落網(wǎng)，防止人與生物跌落樹洞內(nèi)，如圖5所示。

圖5 樹木保護(hù)套筒設(shè)計(jì)圖

4.3 堤型選擇

根據(jù)不同堤防段前后場地的現(xiàn)狀地形、景觀布置及防洪(潮)等要求，采用多種生態(tài)型子母復(fù)合式堤型，主要分為3種典型斷面。

4.3.1大角山水閘至星海會展中心西南側(cè)約200m處的濱海大道段

斷面結(jié)構(gòu)形式為景觀防洪墻+現(xiàn)狀紅樹林。本段植被茂密，加之基礎(chǔ)為深厚淤泥質(zhì)基礎(chǔ)，堤防建設(shè)需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理，需要進(jìn)行樹木遷移，為盡量保護(hù)現(xiàn)有樹木，并且兼顧該段堤防生態(tài)及景觀效果，因此該段采用景觀防洪墻結(jié)構(gòu)，在防洪墻兩側(cè)進(jìn)行景觀填土，利用生態(tài)土坡柔化堤防，放坡兩側(cè)防洪墻基礎(chǔ)處理范圍外樹木填土超過50cm的采用樹洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行樹木保護(hù)，以盡可能少的破壞周邊植被環(huán)境的結(jié)構(gòu)形式達(dá)到防洪防潮目的，如圖6所示。

圖6 典型斷面圖一(單位：m)

4.3.2濱海大道(星海會展中心西南側(cè)約200m)至現(xiàn)狀炮臺廣場段

斷面結(jié)構(gòu)形式為主堤(堤路結(jié)合)+階梯消浪平臺+現(xiàn)狀護(hù)岸邊親水步道+現(xiàn)狀紅樹林。堤外現(xiàn)存部分小面積紅樹林，且堤線趨近海岸線，紅樹林消浪作用較小，因此堤頂高程相較于斷面一更高。堤頂兩側(cè)坡采用擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)置梯級花田，景觀設(shè)計(jì)在保留現(xiàn)狀樹木植被的基礎(chǔ)上增加物種多樣性，以達(dá)到更好的觀賞效果，對于臨海側(cè)也能起到一定的消浪作用，如圖7所示。

圖7 典型斷面圖二

4.3.3觀海平臺東北側(cè)預(yù)留地至大角山海濱公園北門段

斷面結(jié)構(gòu)形式為主堤+消浪造型堤+現(xiàn)狀濱海大道以及外側(cè)現(xiàn)狀堤防。該段主堤線遠(yuǎn)離海岸線，且臨海側(cè)為葉瓣藝術(shù)地形(消浪造型堤)，呈波浪起伏狀，加之近海端接現(xiàn)狀濱海大道，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果堤防斷面形式消浪效果明顯，因此，該段堤頂高程略降低，堤頂及葉型草坡之間均設(shè)置碎石路，以便游客在園林中穿行,如圖8所示。

圖8 典型斷面圖三

4.4 人水和諧生態(tài)海堤

場地文化底蘊(yùn)深厚，設(shè)計(jì)選取海上絲綢之路文化精神串聯(lián)堤線和節(jié)點(diǎn)布置，將和平合作、開放包容、互學(xué)互鑒、互利共贏的精神融入節(jié)點(diǎn)；以史為軸，傳承古今文明，依據(jù)海上絲綢之路的歷史變遷打造節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建景觀空間格局，展現(xiàn)出“各美其美、美人之美、美美與共”的文化內(nèi)涵；以人為本，通過多元、多層級的堤防設(shè)計(jì)激活場地活力，因地制宜布置相應(yīng)的游憩系統(tǒng)及文化設(shè)施，利用堤防的慢行網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)周邊景點(diǎn)、酒店、會展中心等重要節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)造多元的濱水空間和海綿設(shè)施，重現(xiàn)大角山海濱公園的生命力，增強(qiáng)城市活力，提升人民的幸福感與獲得感。

設(shè)計(jì)以“潮繪古今，絲路楊帆”為設(shè)計(jì)主題，以傳承絲路精神，展現(xiàn)多彩文化為目標(biāo)，構(gòu)建“一帶、六區(qū)”的空間格局，以“海絲”為帶，串聯(lián)林隱花園、明月潮聲、絲路長廊、文明傳習(xí)、大地藝術(shù)、海角揚(yáng)帆6大主題分區(qū)，以柔性堤防為載體，融合建筑、廣場、觀景臺、大地藝術(shù)、濕地、花海、梯田、調(diào)蓄湖、雨水花園等景觀節(jié)點(diǎn)，突出再生景觀的藝術(shù)創(chuàng)造，利用聲光裝置打造南沙新地標(biāo)，共建南沙新的網(wǎng)紅打卡地、優(yōu)質(zhì)生活棲息地與海絲文明傳習(xí)地，如圖9—10所示。

圖9 海堤景觀總平面圖

圖10 海堤夜景鳥瞰圖

5 結(jié)語

新時(shí)代背景下，海堤不僅是承擔(dān)擋潮防浪功能的基礎(chǔ)設(shè)施，還是承載安全防護(hù)、生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、景觀游憩、文化傳承的多功能載體，是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。大角山海濱公園生態(tài)海堤以NbS為指導(dǎo)，提出“綠色柔性安全屏障”設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)剛性抵御風(fēng)暴潮和臺風(fēng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀幌{、自然防護(hù)與雨洪調(diào)蓄等方式，并統(tǒng)籌落實(shí)水利、生態(tài)、規(guī)劃、景觀等多專業(yè)協(xié)作，將海堤建設(shè)成為集安全、生態(tài)、多元、共享、生產(chǎn)等多功能為一體城市綠色柔性安全屏障，對新時(shí)代生態(tài)海堤工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒作用。