生態(tài)護岸在水利工程中的研究及應用進展

王一航，張金鳳，2*，張 娜，3，張慶河

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

水域是人類社會生活的重要支撐，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、風暴潮等災害的破壞，因此，應當采取適當?shù)墓こ檀胧┘訌妼Π镀碌姆雷o[1-2]。護岸作為一種以控制水流流向、加強岸坡強度的方式來增強岸坡安全性的工程措施，在防護岸坡當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)護岸在實際工程中的應用越來越廣泛,日益成為護岸工程的主要形式。因此，本文對生態(tài)護岸的產(chǎn)生背景、主要效用、研究方式進行總結(jié)，并展望其未來發(fā)展方向。

1 生態(tài)護岸

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

在這樣的背景下，生態(tài)護岸的理念應運而生。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)護岸及修復理論和研究的先河。20世紀50年代，德國水利學界正式創(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)護岸從理論走到實踐，在水利工程當中的應用從無到有、從少到多地發(fā)展起來。

簡而言之，生態(tài)護岸就是將植物等環(huán)境友好的自然材料引入其中，在維護岸坡足夠強度的同時，能保持良好生態(tài)環(huán)境的護岸型式[4-7]。和傳統(tǒng)護岸結(jié)構相比，生態(tài)護岸注重可能產(chǎn)生的生態(tài)效應，將植物作為其工程結(jié)構的一部分，起到了削減波浪、修復水域、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)護岸結(jié)構具有良好的可持續(xù)性和較長的壽命，在水利工程當中可以發(fā)揮更持久的作用。

當前，在發(fā)達國家，水利工程與生態(tài)理念已經(jīng)實現(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)護岸建設，隨后荷蘭亦加入這一行列[3]。在這些國家，水域的生態(tài)修復及岸坡生態(tài)防護的理念已經(jīng)比較成熟，在實踐中已有較多應用。在萊茵河、密西西比河等大型河流的修復方面，也有了較多的成功實例。而在我國，生態(tài)護岸仍有很大的發(fā)展空間，未來生態(tài)護岸也將是很有前景的工程型式[1]。

2 關于生態(tài)護岸的研究方法

在生態(tài)護岸的相關研究當中，主要有現(xiàn)場觀測、物理模型實驗和數(shù)值模擬3種主要方式。其主要內(nèi)容為植物消浪護岸性能的相關研究。

2.1 現(xiàn)場觀測

在野外現(xiàn)場的天然條件之下進行直接的觀測，是一種研究植物作用和生態(tài)護岸防護效果的重要方式。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數(shù)據(jù)，是生態(tài)護岸其它研究方式的理論基礎。在現(xiàn)有的現(xiàn)場觀測研究案例當中，主要方法是對護岸區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化、工程安全性、消浪性能等指標進行定性定量觀測，從而研究植物消浪護岸的規(guī)律，為工程應用提供理論指導。

在國內(nèi)已有的現(xiàn)場觀測研究中，宋連清等[7-11]在1989年對浙江沿海互花米草消浪情況進行觀測，發(fā)現(xiàn)草帶寬度越寬，消浪能力也越強，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、日蒸騰總量等指標進行了測定，得出了4種植物降低孔隙水壓力能力大小的強弱順序。

在國外的現(xiàn)場觀測研究當中，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種護岸，觀察颶風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)工程措施防護效果更好。Nguyen等[13]和Henderson等[14]對波浪在越南紅樹林當中的傳播規(guī)律進行了觀測，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狀況。

2.2 物理模型實驗

在生態(tài)護岸的物理模型實驗研究當中，大多采用將護岸和植物按比尺縮小為模型，從而以水力模型試驗方法進行實驗研究。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；而使用真實植物進行的實驗研究也出現(xiàn)越來越多的實例，采用的真實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。物理模型實驗研究使得研究可以在人工可控的條件下進行，便于對植物消浪護岸性能進行準確的定量分析，從而為數(shù)值模擬研究和工程結(jié)構開發(fā)提供指導；但是物理模型試驗尤其是使用真實植物進行的研究，也存在比尺效應、模型尺寸不能合理調(diào)節(jié)、材料用量大等缺點。

在國內(nèi)使用模型植物的研究當中，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岸性能的影響。吉紅香、黃本勝等[9]建立復式護岸斷面模型，采用僅剛性樹干和帶柔性枝葉的2種模型樹在不同波高、不同水位下進行實驗，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中，Hashim等[21]使用紅樹模型進行波浪通過紅樹林前后的實驗。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。

在使用真實植物的研究當中，Tschirky等[25]采用真實植物研究其密度、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、水深組合之下進行了實驗研究，從而積累了使用真實植株進行實驗研究的大量經(jīng)驗。Losada等[27]采用2種鹽沼植物進行實驗研究，觀察不同水深下波浪與正負2個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，并推導出了規(guī)則波、不規(guī)則波及其分別與正向流、負向流疊加的6種情況下拖曳力系數(shù)的表達式。

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，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；在密度較小時，植物消浪效果隨密度的增大而快速改善，但是當密度較大時，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；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，當波浪與剛性植物產(chǎn)生共振時，消浪性能會有所變差。

2.3 數(shù)值模擬

隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬研究方法也成為生態(tài)護岸研究當中普遍采用的方法。在數(shù)值模擬研究當中，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。除了在控制方程當中加入阻力項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，并給出相應邊界條件再進行求解。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行了較多的研究，但是這些方法不能準確模擬植物隨著波浪運動時阻力的變化情況，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間較早。1968年，Price等[28]開發(fā)了第一個模擬海藻作用的水動力模型，在模型當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行了研究，得出了有河岸植被狀況下的水位-流量關系曲線及植被密度與流量的關系曲線。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)與其實驗數(shù)據(jù)吻合度較高。

在近幾年的植物與波浪作用數(shù)值模擬研究當中，對于合理表達植物的作用、尤其是植物拖曳力系數(shù)的表達方式又有新的發(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，推導出新的拖曳力系數(shù)公式。Beudin等[36]對舊有模型進行修正，形成了考慮依賴于植物運動的三維拖曳力、樹冠內(nèi)波生流、紊流動能、垂直混合的波、流、植物相互作用模型。Garzon等[37]在風暴期間對2處鹽沼進行波浪傳播觀測，通過XBeach模型對現(xiàn)場觀測的波浪傳播情況進行模擬，結(jié)果顯示Garzon以雷諾數(shù)為基礎的拖曳力公式得出的結(jié)果最為準確；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)驗公式時存在不足之處，低估了數(shù)值模擬所得到的波高結(jié)果，通過Jadhav經(jīng)驗公式進一步完善了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個多孔介質(zhì)區(qū)，對近岸破碎波沖擊植物帶的情況進行了模擬，得出了與物理模型實驗結(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)驗公式包括

(1)含有植物的河流垂線流速分布經(jīng)驗公式[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，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)護岸在實際工程中的應用

生態(tài)護岸理念最先在發(fā)達國家提出，也最先在發(fā)達國家得到應用。在生態(tài)護岸的實際施工當中，既有僅采用植物的自然原型護岸型式，也有將植物與土工材料相結(jié)合的護岸型式。常用的生態(tài)護岸型式包括干砌石、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)護岸在河道和海岸都已經(jīng)有了不少應用案例。

在國內(nèi)的河道生態(tài)護岸工程實例當中，廣州市河涌整治工程[4]、天水市成紀濱河景觀工程[45]當中分別將三維土工網(wǎng)墊、無砂混凝土和蜂巢結(jié)構等工程措施與當?shù)剡m生草本植物結(jié)合，在增強護岸強度、維持河道安全的同時營造良好的景觀效果。武夷山市在防洪工程當中建設植生型生態(tài)混凝土護坡，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)構型式，實現(xiàn)了增強防洪安全性、保護岸坡及生態(tài)環(huán)境的作用[46-47]。

在國外的應用案例中，日本因地制宜，合理采取適合當?shù)氐纳鷳B(tài)防護措施，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，采用干砌石護岸、半干砌石護岸、原木格子護岸等不同形式，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，河道防洪安全也得到保障[48]。

在國內(nèi)海岸生態(tài)防護方面，江蘇省推廣柔性防護手段，在廢黃河口附近海岸在護坡建設當中采用了混凝土膜袋護坡的形式，并種植互花米草，取得了抵抗波浪和風暴潮的效果[49]。在北戴河海灘防護工程當中，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，加強對海岸的軟防護[51]。遼寧興城對河口海岸濕地進行整治，大量種植堿蓬等鹽生植物，同時疏通潮溝、墊高低洼地，為海岸帶生物提供了良好的棲息環(huán)境，構建海岸生態(tài)防護帶[52]。

在國外海岸生態(tài)防護工程中，荷蘭北海海峽防護工程采用挖溝、開孔洞等不同紋理的混凝土進行建設，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優(yōu)勢；通過人工養(yǎng)灘、養(yǎng)護海岸濕地、營造人工濕地的方式來加強海岸防護，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)構為基礎的多層次、復合型護岸體系。如紐約市推進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)效益強的護岸、生物岸線六大措施為基礎的復合型護岸體系建設。在以硬質(zhì)護岸為主、土地資源不足的新加坡，近年來對海岸防護的形式進行了新的探索。新加坡沿海設計了一種以預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，都將恢復和重建紅樹林作為防護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]。

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

4 生態(tài)護岸研究展望

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

(1)在物理模型實驗研究和數(shù)值模擬研究當中，對植物的形態(tài)、材質(zhì)進行更加精確的表現(xiàn)和模擬，以便更深入、準確地研究植物在削弱波浪、防護岸坡當中起到的作用。

(2)作為生態(tài)護岸當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)護岸的研究，應當進一步注重其動態(tài)變化特性。

(3)我國現(xiàn)有的生態(tài)護岸結(jié)構型式，大多強度較低，因此尚不足以完全取代傳統(tǒng)硬質(zhì)工程護岸。在未來的研究當中，應當注意將植物和土工材料進行有機結(jié)合，提高生態(tài)護岸強度，開發(fā)高強度的生態(tài)護岸結(jié)構型式，以使得生態(tài)護岸能夠真正將工程安全和生態(tài)效益合二為一。

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