基于NbS的防洪潮綠色柔性安全屏障研究

彭 智，陳 勇

(1.廣州市南沙區建設中心，廣東 廣州 511400；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

近年來，在全球變暖趨勢日益嚴重的背景下，我國沿海城市極端氣候事件的發生日漸頻繁，強臺風也呈現加劇趨勢，沿海地區受臺風暴潮襲擊最為嚴重，處于海陸分界線上的海堤作為抵御自然災害風險的第一道屏障，是保障經濟社會發展和人民群眾生命財產安全的重要基礎設施。在海堤的建設過程中，以技術途徑為主的傳統“灰色堤防”發揮了特定的功能，但也帶來了許多生態和環境問題，如海岸線縮短、海灘濕地生態系統結構受損，海陸生境通道受阻，消納潮功能下降、城水割裂等。

隨著我國生態文明建設不斷推進，國家對生態海堤建設愈加重視。2018年，習近平總書記在中央財經委員會第三次會議上指出，要實施海岸帶保護修復工程，建設生態海堤，提升抵御臺風、風暴潮等海洋災害能力。針對傳統海堤建設帶來的生態和環境等問題，本研究旨在探索一種基于自然的解決方案，利用自然力量、順應自然選擇、效仿自然形態的綠色柔性安全屏障設計理念，為生態海堤建設提供參考。

1 國內外生態海堤建設研究歷程與現狀

1.1 國外生態海堤建設研究歷程

國外開展海堤生態化研究相對較早，20世紀80年代以來，國外科學家日益重視海堤的生態和環境問題，認識到應將生態要素納入海岸防護工程建設中，通過構建更寬的緩沖帶和新的生境，提高沿海地區應對氣候變化的能力，促進可持續發展[1]。德國優先采用保留天然海岸動力的海岸防護策略，并將“近自然海岸保護方法”運用到海岸防護整體規劃中。英國2013年對海岸線的調整達到了高潮，主要應用NbS理念將天然沿海植被的使用與工程基礎設施相結合，來管理和移動海岸線，使得潮水能夠更深入內陸，并由此減少周邊村鎮的洪水風險，同時使周邊土地逐步成為許多物種的棲息地。美國強調海岸防護項目的生態和社會雙重彈性設計，生態彈性上構建牡蠣礁/植被礁+海草床+沙丘系統+防護林帶+濕地/灘涂+堤防多層次的防御體系[2]，社會彈性上建立多個防護堤構成的多層次防御體系，并注重社會項目(海洋保護、景觀生態和人文關懷)的展開，是NbS的應用典范[3]。

1.2 國內生態海堤建設研究歷程

相對國外海堤生態化研究進程，我國生態海堤的研究尚處于探索和發展階段，海堤的建設多以傳統剛性堤防為主。隨著生態文明建設被提升到國家戰略，生態海堤也成為海岸防護工程研究的主攻方向。近幾年，涌現出不少全新理念研究和實踐成果。范航清、何斌源等[4]系統介紹了生態海堤的功能定位、空間規劃原則、功能區塊設置、景觀功能、綠色種植等方面的設計要點。深圳東部海堤重建工程實踐中提出以自然條件為基礎的“三重海岸防線戰略”[5]，打造海岸防護與生態海岸線恢復、景觀和公共空間改造相結合的多功能復合岸線。陳俊昂、王帥等[6]創建“多功能生態海堤構架體系”，并將此技術應用在南沙靈山島尖南段海岸工程，有效解決了海堤“圍城”問題和防護結構與生態、景觀之間矛盾的問題。

1.3 國內現狀

雖然近些年國內涌現了很多關于生態海堤的全新理念和相關理論研究成果，但我國建成海岸防護工程仍是以傳統剛性海堤為主，海堤設計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，強調堤防自身的結構穩定，斷面型式多為斜坡式和陡墻式。還有部分海岸防護工程已從剛性堤防轉向柔性堤防，但大多局限在海堤結構型式的生態化建設，設計思路及參與部門仍是以傳統水利為主，生態海堤建設存在較大的技術局限性，亟需從更多的實踐吸取經驗。

2 融合NbS理念的生態海堤設計

NbS為保護、可持續管理和恢復自然的和被改變的生態系統的行動，來源于人與自然關系的思考。目前主流的環境保護、生態修復等理念的出發點多是為了保護和恢復生態系統與生物多樣性的內在價值，而NbS的出發點則是通過保護、管理或恢復生態系統從而滿足人類需求[7]，NbS理念突破了常規的生態系統保護和管理原則，在保護中更加注重人類福祉、資源再利用和社會可持續發展等社會因素的融入。

《全國海堤建設方案》和《圍填海工程生態海堤建設標準》提出將“海堤建設”和“綠色發展、生態化”理念相結合[8]，這與NbS強調“受自然啟發、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，是基于生態系統方法的傘狀框架，包括自然解決方案、基于生態系統的適應(EbA)、基于生態系統的防災減災(Eco-DRR)、綠色基礎設施、自然基礎設施，以及整體或再生景觀管理的相關理念運用方法的合集。基于NbS的生態海堤建設應是以堅持人與自然的共生關系為原則，統籌與融合城市規劃、水利水電、生態環境、風景園林、建筑美學等多學科知識原理，在保證人與生物安全的基礎上，充分發揮海堤的生態功能、社會效益與美學價值。

目前國內真正將NbS運用到對生態海堤建設相對較少，理論與工程結合的實踐經驗尚不成熟。為踐行NbS在生態海堤設計中的指導作用，本文以廣州市大角山海濱公園生態海堤設計為契機，提出以“綠色柔性安全屏障”為理念，通過多措并施消納洪潮、優化堤線布置及復合堤身結構型式等措施，實現海堤的防潮御災功能；連接海陸生態廊道、修復和構建生物棲息地，實現海堤的生態功能；同時銜接城市空間規劃，提升濱水景觀環境，最終構建城水共生、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的重要樞紐性節點，廣州市唯一出海通道，肩負著國家級新區、自貿試驗區、粵港澳全面合作示范區等多重國家戰略使命。在此背景下，南沙的發展面臨前所未有的新形勢新機遇，全面提升南沙新區防洪(潮)減災能力，有助于保證南沙新區在粵港澳大灣區中的戰略地位，助力南沙牢牢把握發展機遇，乘勢而上，快速發展，保障粵港澳大灣區規劃順利實施。

粵港澳大灣區水安全保障規劃提出構筑安全可靠的防洪減災網，完善防洪工程體系，建設防潮工程體系，大灣區中心城市廣州與深圳防洪能力不低于200年一遇。廣州市流域綜合規劃(2010—2030)提出項目所處的南沙新區蕉東聯圍防洪(潮)標準為200年一遇。

3.2 存在問題

大角山海濱公園位于南沙新區蕉東聯圍南部，珠江出海口虎門水道西岸，公園現狀海堤防洪(潮)標準不足20年一遇，成為蕉東聯圍200年一遇防洪(潮)體系的缺口，導致蕉東聯圍沒有形成封閉的防洪(潮)體系，不能滿足區域高定位建設發展對海岸防護工程的要求。

大角山海濱公園段現狀堤防為剛性混凝土結構，經長期風吹浪打，損毀嚴重，親水步道等功能已無法正常發揮，存在較為嚴重的安全隱患。堤段內部分道路受洪潮影響損毀嚴重，濱海園路、觀景平臺地質沉降較多，現已經無法行人，整體景觀游憩系統欠佳，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”的規劃發展要求。

4 設計方案

基于自然的智慧，將自然途徑與人工低干預措施相結合，通過植物消浪、子堤消浪及雨洪調蓄3種措施降低原規劃堤頂高程，堤線的布置“以尊重自然基底，讓自然做設計”為理念，盡量避讓及保護場地樹木，靈活布置堤線，并結合多種生態型子母復合式堤防斷面，增加景觀游憩系統和文化設施，建設集防洪潮、生態修復、景觀文化于一體的多功能柔性堤防，構建城市綠色安全屏障。

4.1 堤頂高程

本工程區域范圍內可見部分護岸工程未見明顯堤防，場地普遍高程偏低，大部分未達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，設計水位(200年一遇)為8.46m，根據傳統堤防高程計算，即設計水位疊加波浪爬高和安全超高，堤頂高程將在10.43～10.76m。設計基于NbS的理念，改變傳統水利堤防建設的做法，充分考慮現狀紅樹林的消浪作用，并在堤前設計多級梯田平臺和大地藝術地形進行消浪，堤后綜合利用現狀濕地、灘地、景觀湖等海綿體來消納越浪量，通過三維與二維數值模型進行波浪爬高計算，消浪設計后波浪爬高降低到0～0.3m，最終設計堤頂高程為8.96～9.26m，比傳統海堤堤防設計高程降低了1.5～1.8m。設計充分利用自然的力量，讓自然做功，在保障防洪(潮)安全的基礎上，提升了生態功能，降低了海堤對陸域和海域之間的生態阻隔，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堤防建設后堤身波浪爬高及堤頂越浪情況，本項目基于Navier-Stokes方程利用CFD開源程序OpenFOAM開發了大角山生態堤防波浪爬高三維數值模型，模型引入拖曳力和慣性力系數模擬沿程植物群體產生的動量阻尼，采用分層系數賦值概化植物根、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湍流渦動，運用改進的流體體積輸運(VOF)函數捕捉空氣和水體運動。

本次越浪量計算采用數值模擬計算，選取了3個典型斷面計算。典型段一，現狀為大片紅樹林和次生密林，紅樹林帶寬達50m，次生密林寬度達70m，堤線布置距海岸線較遠，根據數值模擬計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，現狀有少量紅樹林，堤前設計多級梯田花海，堤防與公園現狀園路(濱海大道)相結合，經過數值模擬分析，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,現狀無紅樹林，有少量行道樹，堤線離海岸線較遠，堤前設計多個大地藝術地形，堤防退于地形之后，盡量增加地形消浪的寬度，經過數值模擬分析后，越浪量將為0，如圖4所示。

圖4 大地藝術段越浪量分析圖

4.2 堤線布置

設計遵從自然的選擇，讓大自然做設計，以最低干預措施，讓植物、場地、地形自行引導堤線，讓堤防自由穿梭于公園內，由大角山水閘東側連接段起，蜿蜒穿梭于密林內，在會展中心前與濱海大道相交，提升道路為生態堤防，相交后沿濱海大道北側繼續向東北方向布置，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，到達有堤而不見堤的效果，形成天人合一的生態海堤。

設計尊重每一個生命，以嚴格保護場地原有的歷史、文化、自然特征作為設計的重要原則，杜絕大砍大伐，在植被規劃上強調保存現狀優質樹木，延續本土樹種的使用。堤線盡量繞開場地大樹，避讓場地內的密林區域，在堤線必須穿過的區域，選擇沒有樹或者少量樹的位置穿過，無法避讓的區域，堤防采用多種斷面型式，盡最大程度保護樹木，減少樹木的清除和遷移量，并采用圓柱形套筒保護樹木，同時在頂部設置防跌落網，防止人與生物跌落樹洞內，如圖5所示。

圖5 樹木保護套筒設計圖

4.3 堤型選擇

根據不同堤防段前后場地的現狀地形、景觀布置及防洪(潮)等要求，采用多種生態型子母復合式堤型，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約200m處的濱海大道段

斷面結構形式為景觀防洪墻+現狀紅樹林。本段植被茂密，加之基礎為深厚淤泥質基礎，堤防建設需要進行基礎處理，需要進行樹木遷移，為盡量保護現有樹木，并且兼顧該段堤防生態及景觀效果，因此該段采用景觀防洪墻結構，在防洪墻兩側進行景觀填土，利用生態土坡柔化堤防，放坡兩側防洪墻基礎處理范圍外樹木填土超過50cm的采用樹洞結構進行樹木保護，以盡可能少的破壞周邊植被環境的結構形式達到防洪防潮目的，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約200m)至現狀炮臺廣場段

斷面結構形式為主堤(堤路結合)+階梯消浪平臺+現狀護岸邊親水步道+現狀紅樹林。堤外現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。堤頂兩側坡采用擋墻結構設置梯級花田，景觀設計在保留現狀樹木植被的基礎上增加物種多樣性，以達到更好的觀賞效果，對于臨海側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觀海平臺東北側預留地至大角山海濱公園北門段

斷面結構形式為主堤+消浪造型堤+現狀濱海大道以及外側現狀堤防。該段主堤線遠離海岸線，且臨海側為葉瓣藝術地形(消浪造型堤)，呈波浪起伏狀，加之近海端接現狀濱海大道，根據數值模擬計算結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 人水和諧生態海堤

場地文化底蘊深厚，設計選取海上絲綢之路文化精神串聯堤線和節點布置，將和平合作、開放包容、互學互鑒、互利共贏的精神融入節點；以史為軸，傳承古今文明，依據海上絲綢之路的歷史變遷打造節點，構建景觀空間格局，展現出“各美其美、美人之美、美美與共”的文化內涵；以人為本，通過多元、多層級的堤防設計激活場地活力，因地制宜布置相應的游憩系統及文化設施，利用堤防的慢行網絡串聯周邊景點、酒店、會展中心等重要節點，創造多元的濱水空間和海綿設施，重現大角山海濱公園的生命力，增強城市活力，提升人民的幸福感與獲得感。

設計以“潮繪古今，絲路楊帆”為設計主題，以傳承絲路精神，展現多彩文化為目標，構建“一帶、六區”的空間格局，以“海絲”為帶，串聯林隱花園、明月潮聲、絲路長廊、文明傳習、大地藝術、海角揚帆6大主題分區，以柔性堤防為載體，融合建筑、廣場、觀景臺、大地藝術、濕地、花海、梯田、調蓄湖、雨水花園等景觀節點，突出再生景觀的藝術創造，利用聲光裝置打造南沙新地標，共建南沙新的網紅打卡地、優質生活棲息地與海絲文明傳習地，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 結語

新時代背景下，海堤不僅是承擔擋潮防浪功能的基礎設施，還是承載安全防護、生態保護與修復、景觀游憩、文化傳承的多功能載體，是我國生態文明建設的重要組成部分。大角山海濱公園生態海堤以NbS為指導，提出“綠色柔性安全屏障”設計理念，將傳統剛性抵御風暴潮和臺風的方式轉變為自然消納、自然防護與雨洪調蓄等方式，并統籌落實水利、生態、規劃、景觀等多專業協作，將海堤建設成為集安全、生態、多元、共享、生產等多功能為一體城市綠色柔性安全屏障，對新時代生態海堤工程建設具有一定的指導意義和借鑒作用。