消浪防沙技術在淺水湖泊水環境改善中的應用

李 蕊

（沈陽賽思環境工程設計研究中心有限公司 遼寧沈陽 110016）

引言

波浪可以擾動河湖底泥，增加水體濁度，是直接降低河湖水體水質的根源，也是侵蝕岸線、灘涂的一個主要動力因素。近岸破碎波浪造成的掀沙，更是會危及堤岸安全[1]。同時，波浪還會破壞河岸帶和湖濱帶的水生植物，不但會使水生植物無法根植，而且可直接損毀河湖岸邊已有的水生植物[2]。

在水環境治理中，水生植物因可通過多種途徑有效去除水體中的污染物而成為水生生態系統良性運行的關鍵因素[3]。消浪防沙系統不但可消除風浪對河湖岸的影響，同時還能讓水生植物免受近岸風浪的侵害。

康平臥龍湖湖水較淺、湖面較開闊，湖區年最大風速為14.5m/s，風浪條件較為惡劣。為給湖濱帶內的水生植物初期生長創造良好條件，并保護湖濱帶濕地不被風浪所淘刷，應在湖庫區布設消浪防沙系統[4]。

1 淺水湖泊水生態現狀分析

1.1 湖區蓄水量呈周期性減少

臥龍湖為我國典型淺水湖泊，流域地跨遼寧省康平縣和內蒙古自治區科爾沁左翼后旗兩省，流域面積為1729.2km2。臥龍湖流域在康平縣境內面積為461.72km2，占流域總面積的26.7%，是遼寧省最大的平原淡水淺水湖泊，隸屬于遼河流域[5]。臥龍湖的地理位置比較特殊，處于半干旱與半濕潤氣候、草原與森林植被的過渡帶，屬典型的農牧交錯區，生態地位極為重要，是我國一級生態敏感帶[6]。近年來，受降雨量減少等因素的影響，湖區的蓄水量呈周期性減少。而且，東馬蓮河、西馬蓮河上游分別建有散都水庫、攔河壩等水利工事，為內蒙古科爾沁地區大面積灌區提供農灌用水，臥龍湖入湖流量被大量擠占，枯水期幾近為零。

1.2 水生態系統退化

臥龍湖為淺水湖泊，水量的變化也會引起水位的大幅度波動。2012～2015 年，臥龍湖水位一直維持在88m 以上，而后連年的干旱導致水位急劇下降，至2019 年湖面幾近干涸。水位的快速變化使挺水植物缺少適宜的生長條件，原有湖岸帶內蘆葦、香蒲等大型水生植物大量休眠、死亡，生態系統退化。植物死亡后未得到及時清理，浸泡在湖水中腐爛，持續釋放污染物。湖區1.5～2.0m 的水深既無法形成大面積的挺水植物群落，又容易受到風浪擾動而使得透明度極低（僅14～17cm），沉水植物無法生長，水生態系統無法實現有效的凈化調節作用。自2016 年，臥龍湖的水質開始變差，直至2019 年，水質均為劣V 類，主要超標因子為COD、BOD5等。

2 國內外技術研究現狀

傳統防波堤一般分為2 類，即直立堤和斜坡堤，是將港池區域與外海地區隔離的重要港工建筑物，可以保護港口免受波浪破壞。近年來，浮式防波堤因其方便安裝、可進行水體交換、建造成本低等優點，被越來越廣泛運用。浮筒式結構屬于反射型剛性浮式防波堤的一種，但當多個浮筒進行簡單組合后，又可變成柔性的多浮筒式浮式防波堤。當浮筒結構下方增加柔性網籠后，便形成一種新的板阻式結構，其消浪效果優于傳統的箱板式浮式防波堤。

Koraim 等[7]通過建立規則波物理模型來研究浮箱的消浪性能，得出了透射系數隨浮箱的相對寬度而變化的基本規律。Mani[8]在傳統浮箱的底部安裝了一排等間距的圓柱體，該結構在降低相對寬度0.15 的情況下，可實現透射系數＜0.5，降低了建造成本。楊彪等[9]研發了一種雙浮箱－雙水平板式浮堤，并在雙浮箱下面安裝了2 層水平板，利用模型實驗研究了其水動力特性，結果表明水平板能有效提高浮堤的消浪性能，并顯著減小了浮堤的運動響應。李嬌嬌等[10]提出一種新型組合浮囊型浮式防波堤，利用Flow-3D 軟件進行計算，建立了合理的數值模型，研究相對寬度、相對吃水與透浪系數之間的關系，并詳細分析了錨鏈系統的內力、結構運動等特性。趙東梁等[11]提出一種可種植挺水植物的浮式消浪裝置，并研究得出植物在一定的密度和寬度下，能達到65%的消浪效率。

3 浮式消浪防沙系統類型選擇

浮式消浪防沙系統是用于防御波浪入侵，形成掩蔽水域所需要的水工建筑物。系統一般位于湖泊水域的外圍，可減少風浪、防止漂沙，為湖濱帶內水生植物的生長環境提供足夠的水深和平穩的水面。當遭遇極端大風天時，保證濕地結構不發生不可逆的破壞。同時，系統上部還可栽植水生植物，在消浪的同時恢復水生植被，為水生動物及微生物建立良好的生境，修復完整的水生態系統。

在構建合適的浮式消浪防沙系統時，必須考慮水文環境的復雜度。復雜度由植被的搭配、消浪浮體的類型與連接形式、攔淤簾的類型構成。植被搭配，包括植被的分層情況、每層中的物種組成、物種間的競爭作用、成熟株與幼齡株比例等等。消浪浮體的類型與連接形式，主要包括浮體與連接形式上的剛性浮體及柔性浮體的選擇。攔淤簾，包括幕簾的材質親水性、幕簾的軟硬程度、幕簾的層數、每層幕簾的網孔大小以及搭配作用等。

在浮體消浪方面，剛性浮體比柔性浮體對波浪的消浪性能要高10%～20%，尤其在長波時，柔性浮體很容易隨波逐流，需要有很寬的作用面才能產生效果，造價很高，而剛性浮體則更經濟。綜合投資與環境等因素考慮，建議選用剛性浮體更為經濟。

水下攔沙，需要根據泥沙粒徑來確定網孔的大小，泥沙粒徑由μm 至mm 不等，在不阻擋水流的情況下截留泥沙，柔性的細孔網更具優勢。所以在消浪的同時還需要有效攔截泥沙的情況下，需要浮體與柔性細孔攔沙網相結合，方為效果最佳。

綜上所述，根據臥龍湖的水文、建設成本等情況，浮式消浪防沙系統的設計應采用剛性浮體與剛性連接的浮動濕地模塊、柔性攔淤簾、抗倒伏的根系水生植物。

4 浮式消浪防沙系統設計

4.1 浮式消浪防沙系統組成

浮式消浪防沙系統的單元模塊由上部水生植物、中部浮體基質、下部攔淤簾3 個部分組成，具體結構如圖1 所示。

圖1 浮式消浪防沙系統結構示意圖

上部水生植物的主要功能是破碎波浪。水生植物高度可達2～4m，通過水生植物的密度和高度，來緩沖和破碎波浪能量，對風力進行阻擋，切斷波浪的風力來源，從而間接保障植物到湖岸之間水體的波浪消減。同時，水生植物作為生產者，可為鳥類、魚類、兩棲類動物提供良好的覓食及棲息環境，構建完整的生態系統，增加生物多樣性。另外，水生植物還可吸收水中的氮、磷等無機鹽，凈化水質。

中部浮體基質的主要功能是消減波浪、固定植物、附著微生物、凈化水質。浮體基質主要由外部浮體框架與內部纖維基質2 部分組成。其中，外部浮體框架由高強度剛性浮體與不銹鋼連接件組成，以保證浮體框架抗變形、抗沖擊、抗冰凍，進而削弱波浪能量，降低波浪高度。內部纖維基質以耐候性強、抗拉強度高、使用年限久的彎曲纖維絲為主，從而加強植物根系與纖維絲的纏繞強度，自根部穩定植物群落，增加植物的抗風能力和抗波浪沖擊能力，以切斷波浪的風力來源并對波浪進行破碎化處理。同時，纖維基質間形成的超高孔隙率及自身強大的比表面積，使其可附著大量的微生物來分解水體中的有機污染物，以凈化水質。

下部攔淤簾的主要功能是截留波浪流動帶來的泥沙及懸浮物，緩解水體渾濁問題，同時結合水面浮體形成板網結構，通過水面與水下同時對波浪能量進行消減，以達到最佳的消浪效果。幕簾主要以土工材料為主，在水中具有一定的柔性，能夠適應水流沖擊并攔截水中顆粒物。幕簾的上部連接在浮動濕地模塊底部，下部包裹重物以使幕簾自然垂直深入水底，保證攔截泥沙效果，通過多排浮體模塊與多排幕簾不同網孔的設置，綜合消減水面波浪能量及水下泥沙懸浮物，增加岸線的水土保持效果及水體清潔效果。

4.2 浮式消浪防沙系統單元設計

4.2.1 單元模塊

浮式消浪防沙系統單元的結構上方為模塊化浮動濕地，下方為攔沙幕簾，通過浮動濕地模塊的拼接及組合布置，削弱波浪能量，實現波浪消減。四個邊角浮動濕地模塊采用不銹鋼片進行模塊內邊角固定及模塊之間相互連接。模塊化浮動濕地與生態浮島、浮床不同，不可用生態浮島、浮床代替。浮式消浪防沙系統單元模塊示意圖見圖2。

圖2 浮式消浪防沙系統單元模塊示意圖

4.2.2 錨固系統設計

采用鋼絲繩進行浮式消浪防沙系統與湖底之間的連接，并采用混凝土重力錨維持錨固系統的穩定。

4.2.3 植物配置與栽植

由于對消浪防沙緩沖帶的植物一般要求選擇生長量大、生長穩定、根系分布發達、耐淹、抗逆性強及抗蝕防崩能力較強的植物種類，同時應盡量以鄉土本地種為主。綜合考慮消浪防沙效果和景觀效果，擬選蘆葦、香蒲、千屈菜、黃菖蒲、狐尾藻等水生植物。浮動濕地上的植物栽植是以浮體內的輕質纖維材料作為基質來固定植株，讓植物根系直接接觸水體，并且苗的根系與基質互相纏繞在一起，基質可對苗木根系起到保溫和保持苗木穩定直立的作用。

5 消浪防沙技術在臥龍湖的試點示范

據現場調研情況顯示，臥龍湖區多年平均風速3.8m/s，最大風速23m/s，多年均大風日數27.7d，風向以偏SSW～NW 向為主。該風向的風區較長，達到了5～10km，風區越長，波浪會相應增加，因此可以推斷SSW～NW 向的風浪會相對較大。也就是說，風浪主要會在臥龍湖的東北角匯集。為了更充分地檢驗浮式消浪防沙工程的效果，本項目選擇臥龍湖的東北角作為試點示范區。結合湖區整治總體規劃平面布置方案的要求，擬建的消浪防沙工程第一段長度為176m；第二段防波堤軸線與第一段軸線夾角約132°，長度為176m，堤的總長度為352m，水生植物種植面積830m2。通過對湖庫區布設浮式消浪防沙系統，可加強湖庫區的水土保持與河岸修復功能，是提升水環境承載力和實現生態擴容增量的有效手段，對于水岸保護、恢復水生態系統、實現人水和諧具有重要意義。

結論

浮式消浪防沙系統在淺水湖泊的實際應用較少，應充分考慮水深、波長、風向、泥沙粒徑等因素，因地、因類優化組合，合理有效地確定其功能及適用的恢復措施。實施浮式消浪防沙系統的區域，應充分考慮湖岸水土保持修復工程的可操作性、實用性，以及技術、經濟的合理性，并應有利于臥龍湖周邊經濟、環境的可持續發展。

項目實施后，在濱湖岸帶形成50m 寬的水生植物帶，將有效削弱波浪對岸體的沖刷。挺水植物帶的形成將提升水體自凈能力，使得環境質量得到改善，生態破壞得到有效控制，環境進一步凈化、綠化和美化，環境質量同步得到改善。多種水生植物的花色、高度、形態能夠形成豐富的水岸景觀，流動的水體和植被帶可以實現景觀動與靜的和諧統一，植被帶的存在可以提高整個湖面景觀的美學價值。植物的多樣性能夠成為湖庫內景觀的亮點，植物色彩和長勢的多樣性也能帶來美好的視覺享受。