海堤生態(tài)化建設(shè)技術(shù)的研究進(jìn)展及推進(jìn)我國(guó)海堤生態(tài)化建設(shè)的建議

張翠萍,賈后磊,吳玲玲,黃華梅

(國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院 廣州 510300)

0 引言

近年來(lái),基于生態(tài)系統(tǒng)的海岸工程作為一種比傳統(tǒng)海岸工程更具可持續(xù)性和成本效益的解決方案已被大規(guī)模實(shí)踐[1,2]。其適用于城市化地區(qū)和海岸線之間,具有減少風(fēng)暴潮的自然能力,并能通過(guò)礦物和生物沉積物的自然增長(zhǎng)跟上海平面的上升[3-4],確保了基于生態(tài)系統(tǒng)的沿海保護(hù)的長(zhǎng)期可持續(xù)性。此外,生態(tài)化后的海堤還具有水質(zhì)改善、漁業(yè)生產(chǎn)和旅游娛樂(lè)等定級(jí)綜合效益[5]。因此,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,它們可能比常規(guī)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(dǎo)致海平面的上升。現(xiàn)有的已建海堤大多數(shù)為硬質(zhì)海堤,其結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu),主要應(yīng)對(duì)海浪沖刷,更加注重防洪能力,一般選擇漿灌砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土塊、板樁等結(jié)構(gòu)型式。這種硬質(zhì)海堤將海岸表面封閉起來(lái),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(tài)系統(tǒng)的整體平衡;在海岸帶區(qū)域修建人工材料海堤破壞了沿岸海洋生物賴(lài)以生存的自然環(huán)境,對(duì)附近海域的水質(zhì)和水環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響。拆除現(xiàn)有硬質(zhì)海堤重建經(jīng)濟(jì)上不可行,還會(huì)對(duì)周邊生態(tài)造成不良影響,因此傳統(tǒng)海堤生態(tài)化是未來(lái)海堤工程的發(fā)展趨勢(shì)之一。海堤生態(tài)化主要指利用工程措施,采用植物與天然或者人工材料結(jié)合,對(duì)已建海堤進(jìn)行生態(tài)化改造,提高海堤生物群落的復(fù)雜性,提升海堤的物能交換能力,逐步使海岸帶生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到一定的功能水平。

黨的十九大將建設(shè)生態(tài)文明放在了中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)的歷史高度,海堤生態(tài)化建設(shè)也勢(shì)在必行。海堤生態(tài)化建設(shè),有利于重構(gòu)海陸過(guò)渡帶的生態(tài)廊道,對(duì)于保護(hù)生物多樣性,筑牢生態(tài)安全屏障具有重大意義,是切實(shí)推進(jìn)海洋生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。本研究通過(guò)總結(jié)國(guó)外海堤生態(tài)化建設(shè)的方法,梳理國(guó)內(nèi)生態(tài)建設(shè)方法存在的問(wèn)題,提出我國(guó)海堤生態(tài)化建設(shè)的發(fā)展建議。

1 國(guó)外海堤生態(tài)化建設(shè)技術(shù)研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代,瑞士、德國(guó)等國(guó)家提出了“親近自然河流”的概念和“自然型護(hù)岸”技術(shù)。90 年代,德國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)等紛紛拆除此前在河床上鋪設(shè)的人工硬質(zhì)材料。采用混凝土襯砌河床而忽略自然環(huán)境的方法,已被各國(guó)普遍否定。美國(guó)的研究主要集中在沙丘修復(fù)、海灘養(yǎng)護(hù)、人工魚(yú)礁等新建海堤方面;在日本,基于不同的海岸類(lèi)型,采取不同的護(hù)岸技術(shù)(有自然型、半自然型和人工型等)。目前國(guó)外在已建海堤上開(kāi)展生態(tài)化建設(shè)的技術(shù)研究不多,主要包括海堤結(jié)構(gòu)改造方法,如階梯式海堤、海堤表面微棲息地改造、建設(shè)棲息地長(zhǎng)凳、模擬巖石棲息地,以及海堤綠植化等技術(shù)措施。

1.1 海堤結(jié)構(gòu)改造方法

階梯式海堤是預(yù)制混凝土臺(tái)階,旨在增加近岸棲息地面積,并通過(guò)結(jié)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(qū)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(chǎn)量,改善遷徙通道。跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,海堤階梯是物種豐富的棲息地,有固著無(wú)脊椎動(dòng)物(太平洋藍(lán)貽貝等)、藻類(lèi)(包括巖藻等)和流動(dòng)無(wú)脊椎動(dòng)物(大眼金槍魚(yú)等)。捕食者(包括紅黃道蟹和紫海星)在棲息地邊緣處于優(yōu)勢(shì)種的綠色海膽種群。研究結(jié)果表明,潮汐高度比潮汐方向更重要,強(qiáng)調(diào)了要重視增加淺水棲息地面積的設(shè)計(jì),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(chuàng)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(shè)計(jì)包括裂縫、淺水池和壁架。除棲息地外,海堤紋理從美學(xué)角度改善海濱結(jié)構(gòu)[7]。海堤面板設(shè)計(jì)中使用的兩種紋理(鵝卵石等)測(cè)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(tái)階的形狀都有利于當(dāng)?shù)刂匾锓N的恢復(fù)。紋理對(duì)流動(dòng)生物和固著生物的豐富性影響最大,而體型最接近調(diào)整維度的物種得到最大程度的豐富。

通過(guò)在海堤附近的粗糙巖石基底建造棲息地長(zhǎng)凳,以形成淺水區(qū)。淺水區(qū)為無(wú)脊椎動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、沉水植物和挺水植物提供了棲息地[9]。棲息地長(zhǎng)凳應(yīng)由棱角分明的巖石基質(zhì)構(gòu)成,或由大型巖石支撐,以防止基質(zhì)移動(dòng)。建議對(duì)可能易受潮汐動(dòng)力影響的棲息地長(zhǎng)凳和其他項(xiàng)目進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)[7]。

為盡量減少對(duì)環(huán)境的影響,海堤的改造應(yīng)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(guò)最大限度地增加表面粗糙度和引入微生境,對(duì)海堤進(jìn)行改造,以增強(qiáng)棲息地的多樣性和復(fù)雜性[11-13]。與前濱結(jié)構(gòu)一樣,應(yīng)盡量避免混凝土等光滑表面,或可通過(guò)澆筑不規(guī)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(guò)放置護(hù)面巖來(lái)增強(qiáng)巖石護(hù)岸的生態(tài)效果。巖石池可以被納入海堤,通過(guò)增加保水功能,為潮間帶生物提供棲息地[15-18]。對(duì)于堅(jiān)硬的前濱結(jié)構(gòu),預(yù)制的棲息地增強(qiáng)單元可以包括在海堤設(shè)計(jì)中,提供一系列新的棲息地類(lèi)型。

1.2 海堤綠植化

在海堤綠植化方面,通常進(jìn)行混合種植,一小部分草藥(在德國(guó)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(fēng)暴潮。但由于標(biāo)準(zhǔn)播種混合物的生物多樣性仍然較低,在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分考慮堤防覆蓋的生態(tài)價(jià)值。因此,如何實(shí)現(xiàn)海堤生態(tài)化后體現(xiàn)其生態(tài)價(jià)值也是另外一個(gè)研究方向[19]。灰色護(hù)岸材料的調(diào)整,特別是結(jié)構(gòu)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(jiàn),國(guó)外對(duì)于生態(tài)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(jìn)行生態(tài)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(duì)于海堤綠植化的植被上也開(kāi)始考慮如何提升海堤生態(tài)化后的生態(tài)價(jià)值,但沒(méi)有更加深入地研究。

2 國(guó)內(nèi)海堤生態(tài)化建設(shè)技術(shù)研究進(jìn)展

海堤生態(tài)化建設(shè)技術(shù)國(guó)內(nèi)研究則主要集中在海堤生態(tài)化建設(shè)的工程技術(shù)與生態(tài)材料的研究上,目前對(duì)于海堤生態(tài)化建設(shè)的技術(shù)主要包括格賓網(wǎng)、生態(tài)袋和種植防護(hù)林等。

研究發(fā)現(xiàn),利用格賓網(wǎng)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(wǎng),潮水?dāng)y帶的泥和砂只入不出、逐漸沉積,沿岸逐漸形成綠植地臺(tái),輔助綠植成活。將生態(tài)修復(fù)岸線改為“柔性岸線”“游憩親水岸線”“海堤—半紅樹(shù)林地—紅樹(shù)林灘涂”3種海岸線模式,并對(duì)“柔性岸線”采用生態(tài)袋作為護(hù)坡材料,其具有的透水、不透土功能[20],能有效提供植物生長(zhǎng)需要的有機(jī)質(zhì),可種植草本或灌木,以綠化堤岸。方偉等[21]采用種植防護(hù)林技術(shù)對(duì)海堤進(jìn)行生態(tài)提升,通過(guò)對(duì)海堤內(nèi)坡閉氣土的作用分析,經(jīng)滲流計(jì)算確定有效閉氣土范圍和反壓鎮(zhèn)腳范圍,確定反壓鎮(zhèn)腳范圍即為可種植防護(hù)林范圍。

在環(huán)境友好型材料的選擇上,李文雄[22]以盤(pán)錦市大遼河口至盤(pán)錦港段海堤工程為例,綜合考慮工程場(chǎng)地風(fēng)浪特征、水流情況、筑堤材料和生態(tài)保護(hù)等因素,擬定采取設(shè)防浪墻、設(shè)置壓載平臺(tái)、無(wú)消浪平臺(tái)、四腳空心方塊的優(yōu)化方案和筑堤材料。蔡奉祥[23]對(duì)汕頭東海岸海堤工程進(jìn)行綠化試驗(yàn),創(chuàng)新防海浪沖刷工程技術(shù),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(zhuān)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(shè)計(jì),土工管袋堤心斜坡式防波堤的開(kāi)發(fā)也成為港口工程建筑物生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的一種創(chuàng)新。以土工管袋進(jìn)行海砂(或淤泥)的填充,可以通過(guò)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(tǒng)的做法是在堤腳處設(shè)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(hù)。有學(xué)者提出在海堤堤腳外側(cè)50～100 m 處沿海堤縱向打入雙排預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC),管樁頂部采用現(xiàn)澆鋼筋砼縱向梁將管樁聯(lián)系成一整體,并在離岸堤的迎浪側(cè)和背浪側(cè)采用拋石護(hù)底[25]。除了拋石護(hù)腳或漿砌石護(hù)腳拋石鎮(zhèn)壓等做法,還可以考慮在其下鋪設(shè)濾層或土木材料,在岸灘修建丁壩或潛壩。

最近,有學(xué)者提出一種多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系,包括從臨海側(cè)向內(nèi)陸方向依次設(shè)置的第一景觀帶、第一道防浪結(jié)構(gòu)、蓄浪平臺(tái)以及第二道防浪結(jié)構(gòu),該實(shí)用新型專(zhuān)利所述的多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系提出對(duì)海堤景觀帶進(jìn)行分帶設(shè)防、堤頂后置的理念。但此類(lèi)生態(tài)海堤存在設(shè)計(jì)寬度尺度太大的缺陷,導(dǎo)致難以實(shí)際應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)目前已有生態(tài)海堤建設(shè)成功的案例,如廣西防城港西灣紅沙環(huán)生態(tài)海堤在工程設(shè)計(jì)階段就融入了生態(tài)文明建設(shè)的理念,打造了一條集防潮防浪防洪、生態(tài)旅游、生態(tài)濕地修復(fù)、休閑科普于一體的生態(tài)海堤,在當(dāng)?shù)睾腿珖?guó)范圍內(nèi)起到較好的示范作用,建成后對(duì)改善西灣海域海岸的生態(tài)景觀,恢復(fù)紅樹(shù)林生態(tài)體系,促進(jìn)城市與自然的和諧發(fā)展起到了重大作用。

3 推進(jìn)我國(guó)海堤生態(tài)化建設(shè)發(fā)展的建議

海堤生態(tài)化改造與新建海堤都需融入生態(tài)文明建設(shè)理念,是未來(lái)我國(guó)海堤建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)從尊重自然、順應(yīng)自然和保護(hù)自然的角度,遵從生態(tài)系統(tǒng)避讓、減緩、保護(hù)修復(fù)的原則和思路,結(jié)合國(guó)外生境修復(fù)的技術(shù),完善國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生態(tài)海堤建設(shè)技術(shù)。在已建海堤上開(kāi)展生態(tài)化建設(shè),綜合考慮現(xiàn)狀海堤防御能力,切實(shí)保障海堤防御安全。我國(guó)海岸線綿長(zhǎng),區(qū)域條件差異較大,海岸帶海堤硬質(zhì)化程度較高,而且海堤坡面結(jié)構(gòu)型式多樣,應(yīng)積極吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)。本研究從以下幾方面提出我國(guó)海堤生態(tài)化建設(shè)發(fā)展的方向。

3.1 盡快完善生態(tài)化建設(shè)的技術(shù)規(guī)范體系

盡快開(kāi)展海堤生態(tài)化建設(shè)的建設(shè)技術(shù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等覆蓋海堤生態(tài)化建設(shè)全過(guò)程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),分區(qū)域、分類(lèi)型規(guī)范海堤生態(tài)化建設(shè)的技術(shù)體系,以期科學(xué)指導(dǎo)海堤生態(tài)化工程的全面實(shí)施。

3.2 加強(qiáng)海堤生態(tài)化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

3.2.1 改造海堤坡面結(jié)構(gòu),營(yíng)造適宜生境

對(duì)海堤進(jìn)行微棲息地的改造,即海堤應(yīng)盡量避免混凝土等光滑表面,或可通過(guò)澆筑不規(guī)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(dāng)?shù)匚锓N的恢復(fù),為生態(tài)恢復(fù)提供重要基礎(chǔ)。因此,海堤生態(tài)化建設(shè)的生態(tài)理念應(yīng)該貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程,在設(shè)計(jì)之初,就應(yīng)該融入生態(tài)理念,設(shè)計(jì)生產(chǎn)既能滿足海堤自身防御功能又能提供生境的海堤坡面結(jié)構(gòu)是目前亟須迫切解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

3.2.2 研發(fā)生態(tài)材料,提升棲息空間

生態(tài)材料的選擇應(yīng)注意滿足海堤防御要求、耐久性強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等的力學(xué)性能。材料應(yīng)盡量采用當(dāng)?shù)氐?適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的材料,避免采用人工合成物質(zhì)。

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(shè)計(jì),有可能增加生物關(guān)鍵功能群的生物多樣性。此外,海堤生態(tài)化改造位置應(yīng)該在正常的潮汐區(qū)域,以最大程度提供海陸過(guò)渡帶生物的生境,縮短海堤生態(tài)自然進(jìn)展演替過(guò)程。

3.3 開(kāi)展海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性分析

需綜合考慮海堤的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)海堤安全性生態(tài)現(xiàn)狀,結(jié)合工程所在海域的水文動(dòng)力環(huán)境等評(píng)估進(jìn)行生態(tài)海堤建設(shè)的適宜性。結(jié)合擬采取的生態(tài)化措施,預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)實(shí)施后海堤的安全性和生態(tài)學(xué),保障海堤生態(tài)化建設(shè)實(shí)施的科學(xué)性、可靠性和可操作性。

3.4 強(qiáng)化海堤生態(tài)化建設(shè)監(jiān)管制度研究

加強(qiáng)海岸工程生態(tài)化建設(shè)監(jiān)管制度研究,保證海岸工程生態(tài)化建設(shè)工作能夠持續(xù)有效開(kāi)展。在海堤生態(tài)化工程實(shí)施后,應(yīng)注意開(kāi)展連續(xù)監(jiān)測(cè),及時(shí)補(bǔ)種。對(duì)于成活率長(zhǎng)期較低的區(qū)域應(yīng)盡快調(diào)整方案,重新開(kāi)展適宜的生境設(shè)計(jì)。