易雨君 劉 奇 王雪原 季則舟

生態(tài)海岸防護(hù)工程研究進(jìn)展與展望*

易雨君1劉 奇1王雪原2季則舟3

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 北京 100875; 2. 煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院 山東煙臺(tái) 264005; 3. 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300220)

海岸防護(hù)工程對(duì)防止海岸帶侵蝕, 維持生態(tài)系統(tǒng)完整性和多樣性至關(guān)重要。傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤較少考慮其對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境的影響。隨著中國(guó)進(jìn)入生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展新階段, 對(duì)海岸防護(hù)工程的生態(tài)效應(yīng)方面提出了更高的要求。目前, 對(duì)已建成的硬質(zhì)海堤進(jìn)行生態(tài)化改造, 或在充分考慮自然條件和防護(hù)性能的基礎(chǔ)上建設(shè)具有保護(hù)與維持海岸帶生態(tài)環(huán)境的生態(tài)海岸防護(hù)工程已是大勢(shì)所趨。生態(tài)海岸防護(hù)工程的宗旨是盡可能地維持當(dāng)?shù)睾０稁У淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境, 同時(shí)通過(guò)削減波浪能量保護(hù)海岸帶侵蝕。目前關(guān)于生態(tài)海岸防護(hù)工程主要集中在理論和理念方面, 在具體的實(shí)施和建設(shè)環(huán)節(jié), 仍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不完善、建設(shè)成本過(guò)高、缺乏系統(tǒng)持續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及生態(tài)效應(yīng)評(píng)估不足等問(wèn)題。因此, 后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步完善我國(guó)生態(tài)海岸防護(hù)工程技術(shù)體系, 加強(qiáng)生態(tài)海岸防護(hù)工程關(guān)鍵技術(shù)研發(fā), 建立持續(xù)的系統(tǒng)的環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)體系, 并對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程生態(tài)效益進(jìn)行持續(xù)關(guān)注和評(píng)價(jià)。

生態(tài)海岸防護(hù)工程; 生態(tài)海堤; 生態(tài)化改造; 消浪

海岸防護(hù)工程是為防御風(fēng)暴潮(洪)水和波浪對(duì)防護(hù)區(qū)的危害而修筑的工程, 可以有效抵御海岸侵蝕、風(fēng)暴潮和海平面上升?！度珖?guó)海堤建設(shè)方案》指出, 目前我國(guó)已建成的海洋護(hù)岸工程主要為海堤, 長(zhǎng)度約1.45萬(wàn)km, 約占大陸海岸線1.8萬(wàn)km的81%。已建成海堤絕大部分為剛性結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)海堤, 主要為漿灌砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土塊等結(jié)構(gòu)型式(張翠萍等, 2020)。硬質(zhì)海堤在保護(hù)濱海區(qū)域不被波浪侵蝕的同時(shí), 也改變了沿岸的水動(dòng)力條件, 減少了沿海地區(qū)的沉積物供應(yīng), 最終導(dǎo)致海岸線位置的總體性退移(Coelho, 2016), 這也在一定程度上降低了海堤對(duì)災(zāi)害的防御能力(Day, 2007; T?rnqvist, 2009)。除此之外, 硬質(zhì)海堤還導(dǎo)致海岸帶生物棲息地喪失、改變潮間帶生物群落結(jié)構(gòu)(Perkins, 2015; Dong, 2016)破壞陸地與海洋間的物質(zhì)交換和生物連通(Winters, 2015; van Der Most, 2018), 進(jìn)而致使生物多樣性下降(Bulleri, 2010; Lai, 2015)。與天然海岸線相比, 硬質(zhì)海堤支持的生物多樣性和豐度分別減少23%和45% (Gittman, 2016)。硬質(zhì)海堤對(duì)近海水動(dòng)力條件的改變可能會(huì)使水體交換能力下降, 導(dǎo)致陸源污染物積累和水體富營(yíng)養(yǎng)化(崔力拓等, 2014; Landry, 2018)。

為解決硬質(zhì)海洋護(hù)岸工程帶來(lái)的問(wèn)題, 建設(shè)生態(tài)型海岸防護(hù)工程勢(shì)在必行。實(shí)際上, 早在20世紀(jì)初, 張謇等的《開(kāi)墾海門荒灘奏略》提出因地制宜地進(jìn)行荒灘的開(kāi)墾與生態(tài)海堤的建設(shè)(李婷等, 2015), 體現(xiàn)了我國(guó)生態(tài)文明和生態(tài)海堤這一思想的雛形。1978年江蘇省灌云縣燕尾港海堤通過(guò)在潮間帶栽種互花米草的方式保證了迎水灘面不受沖刷和海堤工程穩(wěn)定(張宏謨, 1987), 這是我國(guó)首次對(duì)海堤進(jìn)行生態(tài)化改造, 取得了較好的效果, 但隨后幾十年鮮有針對(duì)生態(tài)海堤方面深入和系統(tǒng)性的研究及應(yīng)用。近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)環(huán)境生態(tài)的重視關(guān)注程度的提高。2017年8月《全國(guó)海堤建設(shè)方案》提出注重生態(tài), 落實(shí)綠色發(fā)展理念。妥善處理海堤建設(shè)和海岸生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系, 盡可能維護(hù)海岸自然形態(tài)。2020年1月《圍填海工程海堤生態(tài)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》提出了在保障海堤的防災(zāi)減災(zāi)安全功能要求的基礎(chǔ)上, 以恢復(fù)海岸的生態(tài)功能為目標(biāo), 減緩人類在海堤建設(shè)過(guò)程中對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響, 以及秉持生態(tài)保護(hù)、因地制宜的理念, 根據(jù)區(qū)域地質(zhì)地貌特點(diǎn)、水文動(dòng)力條件、氣候特征, 采用不同的結(jié)構(gòu)、材料對(duì)海堤進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的建設(shè)原則。2021年4月《2020年中國(guó)海平面公報(bào)》提出強(qiáng)化海岸帶生態(tài)防護(hù)與保護(hù)修復(fù)。加強(qiáng)基于生態(tài)理念的海岸防護(hù), 推進(jìn)海堤的生態(tài)化改造。因此, 在充分考慮自然條件和防護(hù)性能的基礎(chǔ)上, 建設(shè)具有生態(tài)功能, 保護(hù)與維持海岸帶生態(tài)環(huán)境的生態(tài)海岸防護(hù)工程以及對(duì)已建成的硬質(zhì)海堤進(jìn)行生態(tài)化改造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著國(guó)家對(duì)海洋生態(tài)文明建設(shè)的重視與未來(lái)對(duì)建設(shè)用海的生態(tài)建設(shè)的需求, 亟需對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

1 堤前生態(tài)系統(tǒng)對(duì)消浪的貢獻(xiàn)

生態(tài)海岸防護(hù)工程在潮間帶維持的堤前生態(tài)系統(tǒng), 不僅具有生態(tài)功能, 也具有減小波浪能量和保護(hù)海堤的作用。相關(guān)的堤前生態(tài)系統(tǒng)主要有鹽沼濕地、紅樹(shù)林和生物礁(珊瑚礁、牡蠣礁等)。鹽沼濕地主要分布在溫帶海岸, 以鹽生草本植物為優(yōu)勢(shì)生物群落。紅樹(shù)林主要生長(zhǎng)于熱帶和亞熱帶海岸, 是陸地向海洋過(guò)渡的特殊生態(tài)系統(tǒng), 以喬木、小喬木、灌木為主(林鵬, 2001)。生物礁在熱帶以珊瑚礁為典型, 珊瑚生活在水體清澈、波浪作用為主的熱帶區(qū)域, 形成的珊瑚礁能夠很好地抵抗波浪的侵蝕作用; 而在水溫偏低的中緯度地區(qū), 以牡蠣礁最為常見(jiàn)(Wang, 1997), 貽貝和藤壺等也可形成小規(guī)模的礁體(Wang, 1997)。

作為植被-波浪相互作用研究領(lǐng)域的一部分, 對(duì)鹽沼濕地中植被消浪作用的研究眾多, 包括通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型和數(shù)值模擬等方法探討波浪運(yùn)動(dòng)進(jìn)入鹽沼濕地之后的過(guò)程。鹽沼濕地通常生長(zhǎng)在泥沙堆積的地方, 水深較淺, 海水流速降低, 砂質(zhì)沉積物難以起動(dòng)。除此之外, 鹽沼濕地中的植株提高了水體的紊動(dòng)能量耗散, 減小了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e, 部分動(dòng)能由于壅水而轉(zhuǎn)換為勢(shì)能, 導(dǎo)致了流速進(jìn)一步下降, 且當(dāng)風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí), 植株對(duì)減緩流速、促進(jìn)懸浮物沉降的作用更加顯著(M?ller, 1999; Temmerman, 2005; Neumeier, 2006; 王愛(ài)軍等, 2008; M?ller, 2014); 同時(shí), 沉水植被在波浪條件下產(chǎn)生的紊動(dòng)能也可能促進(jìn)沉積物的再懸浮(易雨君等, 2020), 植物對(duì)波能耗散和產(chǎn)生紊流的雙重影響需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和計(jì)算。植株的莖稈和葉片在水流中并非固定不動(dòng), 而是會(huì)隨水流方向發(fā)生擺動(dòng)(Mullarney, 2010), 與模擬固定狀態(tài)植株的波能耗散相比, 考慮擺動(dòng)因素之后的計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際(Riffe, 2011)。植株的高度也是重要的影響因素, 在紐約Jamaica灣互花米草灘對(duì)風(fēng)暴波浪能耗散的計(jì)算中發(fā)現(xiàn), 較高的互花米草植株發(fā)揮了最大的消能作用(Marsooli, 2017)。

由于紅樹(shù)林植株比鹽沼植株要高大得多, 在垂直方向上由樹(shù)冠、樹(shù)干和根系三個(gè)部分組成, 但消浪作用的方式與鹽沼濕地相似。與裸灘或鹽沼濕地水流的垂直結(jié)構(gòu)相比, 紅樹(shù)林以不同的方式影響水流在垂向上的流速分布(Chang, 2019)。隨著紅樹(shù)林植株密度的上升, 紅樹(shù)林產(chǎn)生的波能耗散也隨之上升(Horstman, 2014)。紅樹(shù)林主要以增加水流的摩擦和破碎波浪的方式消耗波能, 而且根系對(duì)波能的反射也是不可忽視的消浪方式(Sánchez-Nú?ez, 2020)。在風(fēng)暴中, 紅樹(shù)林的消浪作用比平時(shí)更加顯著, 且與樹(shù)冠和樹(shù)干相比, 此時(shí)根系也發(fā)揮了更大的消浪作用(Lee, 2021)。

生物礁一般分布于海岸線的前緣, 易受波浪沖擊, 同時(shí)也導(dǎo)致波浪破碎。波能在珊瑚礁中的耗散主要是通過(guò)水流與珊瑚礁的摩擦(Lentz, 2016), 珊瑚礁表面產(chǎn)生的摩擦阻力系數(shù)可達(dá)0.3, 一般情況下能耗散約80%的波能, 在風(fēng)暴期間波能耗散率約25%～80% (Osorio-Cano, 2019)。當(dāng)溫帶地區(qū)水溫過(guò)低時(shí)則不適宜珊瑚的生長(zhǎng)。溫帶規(guī)模較大的生物礁以牡蠣礁為主, 其規(guī)模遠(yuǎn)不及珊瑚礁, 形態(tài)也有所不同。對(duì)人工繁殖的牡蠣礁進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明, 高出海底0.6 m的牡蠣礁能夠有效阻擋波高小于0.5 m的波浪(Chowdhury, 2019)。牡蠣礁對(duì)波浪的耗散取決于包括礁石結(jié)構(gòu)、水深和波浪類型(以涌浪為主或以風(fēng)浪為主) (Zhu, 2020)等在內(nèi)的多種因素。

2 生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)實(shí)踐

近幾十年來(lái), 隨著對(duì)傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤對(duì)沿海環(huán)境潛在不利影響認(rèn)識(shí)的加深, 越來(lái)越多的海洋護(hù)岸工程開(kāi)始考慮對(duì)環(huán)境與生態(tài)的保護(hù)。植物、石頭、沙子等自然材料被用來(lái)建設(shè)生態(tài)護(hù)岸來(lái)控制海岸線的侵蝕(O’Donnell, 2017)。美國(guó)得克薩斯州的一處海岸線采用植被和人工拋石相結(jié)合的方式, 使用當(dāng)?shù)卦牧线M(jìn)行加固, 花費(fèi)僅為典型硬質(zhì)海堤的三分之一(Jones, 2004), 且生態(tài)海岸防護(hù)工程在應(yīng)對(duì)風(fēng)暴潮對(duì)海岸侵蝕的表現(xiàn)比硬質(zhì)海堤和自然灘涂更好(Smith, 2018)。不同于傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤, 生態(tài)海岸防護(hù)工程存在多種形式, 可分為僅使用自然結(jié)構(gòu)與材料對(duì)岸灘進(jìn)行保護(hù)的工程, 完全取消傳統(tǒng)海堤的模式; 或在傳統(tǒng)海堤前或海堤迎潮面上建設(shè)與維持具有生態(tài)功能的混合結(jié)構(gòu)。前者僅使用如鹽沼濕地、紅樹(shù)林、牡蠣礁、沙灘與珊瑚礁等生態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)(圖1a), 例如荷蘭Dollard地區(qū)的“Wide Green Dikes”即由坡度極緩的草地和鹽沼濕地構(gòu)成的坡面, 具有較好的生態(tài)性能和較低的成本, 且具有易于維修、適應(yīng)性更強(qiáng)、空間質(zhì)量更高的特點(diǎn)(Van Loon-Steensma, 2017), 但是僅使用自然結(jié)構(gòu)與材料建設(shè)的護(hù)岸工程相較于其他方法需要更大的建設(shè)空間與長(zhǎng)時(shí)間的自然生長(zhǎng), 在一定程度上限制了該方法的適用范圍; 相較于前者, 混合結(jié)構(gòu)海堤將天然生態(tài)材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤建設(shè)相結(jié)合以減少硬質(zhì)海堤建設(shè)成本與負(fù)面生態(tài)影響, 且相較于僅使用自然結(jié)構(gòu)與材料建設(shè)的護(hù)岸工程, 具有占地面積小的優(yōu)勢(shì), 例如在海堤前由消浪潛堤, 牡蠣基床和鹽沼濕地構(gòu)成的復(fù)合式生態(tài)消浪結(jié)構(gòu)(Sutton-Grier, 2015, 圖1b), 但是混合結(jié)構(gòu)仍然會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響且需要更加精細(xì)的設(shè)計(jì), 這在一定程度上提高了建設(shè)成本。國(guó)內(nèi)的生態(tài)海岸防護(hù)工程主要選擇后者, 即在建設(shè)和維持傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤防災(zāi)防侵蝕功能基礎(chǔ)上增設(shè)生態(tài)結(jié)構(gòu), 如防城港西灣紅沙環(huán)海堤工程通過(guò)人工魚礁建設(shè)、濱海灘涂濕地紅樹(shù)林恢復(fù)和硬化堤岸的生態(tài)化改造改善海岸生境(潘丹等, 2014); 廣西北海濱海國(guó)家濕地公園生態(tài)海堤建設(shè)工程在海堤前條件較好的光灘上人工種植紅樹(shù)林和在硬質(zhì)坡面上進(jìn)行生態(tài)化改造以形成生態(tài)堤岸(李麗鳳等, 2019); 粵港澳大灣區(qū)南沙新區(qū)萬(wàn)頃沙聯(lián)圍海堤加固工程通過(guò)在堤前結(jié)合消浪防護(hù)規(guī)劃紅樹(shù)林種植區(qū), 在堤后建設(shè)生態(tài)景觀的方式建設(shè)生態(tài)海堤(吳歡強(qiáng)等, 2019); 寧德市三嶼工業(yè)區(qū)圍填海工程結(jié)合海堤安全要求, 東堤堤前帶采取在潮間帶區(qū)域適當(dāng)放置碎石等措施, 通過(guò)營(yíng)造潮汐池等生境, 增加海洋生物棲息地和庇護(hù)所。南堤堤前帶主要結(jié)合堤前灘涂濕地, 種植紅樹(shù)林、蘆葦?shù)? 促進(jìn)河口濕地生態(tài)修復(fù)(歐陽(yáng)玉蓉等, 2021); 南沙新區(qū)靈山島尖南段海岸及濱海景觀帶建設(shè)工程利用原有拋石為基底, 鋪設(shè)植生袋、土工蜂巢框格等結(jié)構(gòu)構(gòu)建堤腳灘涂生態(tài)帶, 并且首次運(yùn)用新型“自嵌式瓶孔磚”建設(shè)迎水帶護(hù)坡(陳俊昂等, 2021)。

圖1 生態(tài)海岸防護(hù)工程示意圖(修改自Sutton-Grier et al, 2015)

注: a. 僅使用自然結(jié)構(gòu)與材料對(duì)岸灘進(jìn)行保護(hù)的工程; b. 將天然生態(tài)材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤建設(shè)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)海堤; c. 進(jìn)行生態(tài)化改造的傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤

3 對(duì)已有海堤的生態(tài)化改造

對(duì)于已經(jīng)建成的硬質(zhì)海堤, 在條件允許的情況下可以進(jìn)行生態(tài)化改造。海堤應(yīng)參照當(dāng)?shù)氐淖匀粭⒌剡M(jìn)行改造(Schoonees, 2019; 圖1c)。通過(guò)增加硬化海堤表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 可以增強(qiáng)濱海濕地生境異質(zhì)性(Airoldi, 2005; Borsje, 2011; Firth, 2016; Hall, 2018), 為生物創(chuàng)造更多的棲息地(Cousins, 2017), 有助于降低硬質(zhì)海堤對(duì)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響, 提高濱海濕地生物的多樣性和豐富度。不同的生態(tài)結(jié)構(gòu)(如紋理、裂縫、凹坑、潮間帶蓄水結(jié)構(gòu)等)對(duì)生物多樣性的影響在不同種群間存在差異, 且個(gè)體尺寸大小與某種生態(tài)結(jié)構(gòu)接近的群落有最大的正相關(guān)性(Strain, 2018)。硬化海岸表面結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 生物的豐富度越高, 而且不同的表面結(jié)構(gòu)類型對(duì)生物的豐富度和群落結(jié)構(gòu)的影響不同(Loke, 2016), 不同尺寸的表面結(jié)構(gòu)也會(huì)影響生物的豐富度和群落結(jié)構(gòu)(Loke, 2017)。加拿大溫哥華會(huì)議中心設(shè)計(jì)了以混凝土臺(tái)階構(gòu)成的海堤階梯, 在泥沙沉積后有效地增加了淺水棲息地面積(Dyson, 2015); 澳大利亞Townsville的海堤通過(guò)放置廉價(jià)的人工花箱作為海洋生物的棲息地(Waltham, 2018); 悉尼港修建海堤時(shí)通過(guò)在海堤上預(yù)留缺口的方式制造人工棲息地, 后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)人工棲息地中物種多樣性高于附近的自然棲息地(Chapman, 2009); 對(duì)以色列海法港具有生態(tài)設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行的研究表明, 結(jié)構(gòu)物及其周圍的無(wú)脊椎動(dòng)物和魚類的豐度、豐富度和多樣性更高, 而入侵物種的比例則要低得多(Ido, 2015); 寧德三嶼圍墾工程海堤安全生態(tài)提級(jí)改造過(guò)程中, 通過(guò)增加護(hù)腳石塊的孔隙率為海洋生物提供棲息地, 并在去除入侵的互花米草的灘涂上種植蘆葦和秋茄以實(shí)現(xiàn)消波、促淤、固堤的效果(胡志英, 2020)。

4 國(guó)內(nèi)生態(tài)海岸防護(hù)工程存在的問(wèn)題

生態(tài)海岸防護(hù)工程已引起了廣泛關(guān)注, 但目前針對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程的報(bào)道主要集中于工程建設(shè), 對(duì)于已建成護(hù)岸工程的生態(tài)效果則較少跟蹤。同時(shí), 由于不同地區(qū)的海岸帶生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的地域性, 導(dǎo)致生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)和對(duì)已有海堤的生態(tài)化改造均難以建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 且在建設(shè)后對(duì)生態(tài)恢復(fù)情況缺乏系統(tǒng)持續(xù)的監(jiān)測(cè)與可量化的評(píng)價(jià)體系。

4.1 生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善

目前, 生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)沒(méi)有可以遵循的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 在實(shí)踐中的表現(xiàn)為生態(tài)海岸防護(hù)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工等環(huán)節(jié)由于缺乏指導(dǎo)往往各行其是。雖然2020年出臺(tái)了《圍填海工程海堤生態(tài)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CAOE 1-2020), 但該標(biāo)準(zhǔn)屬于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn), 且主要針對(duì)圍填海工程新建海堤的生態(tài)化建設(shè), 而既有海堤的生態(tài)化改造只能參照適用。其中的一個(gè)問(wèn)題是在某些生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)過(guò)程與硬質(zhì)海堤的生態(tài)化改造過(guò)程中, 將海堤的綠化等同于生態(tài)化, 比如堤頂?shù)纳鷳B(tài)景觀改造、堤后坡的生態(tài)綠化種植措施等。但對(duì)于海堤迎潮面和潮間帶等區(qū)域, 生態(tài)改造的設(shè)計(jì)和實(shí)施卻較為謹(jǐn)慎, 可能的原因是海堤迎潮面和潮間帶等區(qū)域會(huì)受到波浪直接作用, 已完成的生態(tài)改造可能會(huì)隨著波浪的侵蝕逐漸消失, 被海浪破壞后的生態(tài)結(jié)構(gòu)甚至可能對(duì)海堤本身造成影響。但這種保守的生態(tài)改造手段與恢復(fù)海岸的生態(tài)功能, 減緩人類在海堤建設(shè)過(guò)程中對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響這一根本目標(biāo)相違背。陳振華等(2020)提出《圍填海工程海堤生態(tài)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)迎海側(cè)護(hù)坡“空隙率不低于40%”與“生態(tài)材料護(hù)面表面積占比不低于30%”的規(guī)定存在矛盾, 且“生態(tài)材料護(hù)面表面積占比不低于30%”的標(biāo)準(zhǔn)偏低。原因是“生態(tài)材料”定義過(guò)于寬泛, 如異型消浪塊體, 散拋塊石、拋理大塊石、干砌塊石、插砌條石等, 在建設(shè)時(shí)只要留有空隙均可被視為“生態(tài)材料”。

4.2 生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)成本居高不下

對(duì)防城港市西灣紅沙環(huán)生態(tài)海堤整治創(chuàng)新示范工程項(xiàng)目的后續(xù)研究表明, 生態(tài)海堤的建設(shè)成本相較于傳統(tǒng)硬質(zhì)海堤高出50%～100%, 設(shè)置的生態(tài)海堤功能區(qū)塊被采納并實(shí)施的比例僅為40%, 規(guī)劃推薦樹(shù)種僅被采用15.16% (范航清等, 2017)。造成這種情況的主要原因是生態(tài)海岸防護(hù)工程需要在海堤迎潮面或潮間帶等區(qū)域采用價(jià)格更高的生態(tài)結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)人工沙灘或種植紅樹(shù)林等手段維持海岸生態(tài)環(huán)境, 提高了建設(shè)和維護(hù)成本。另外, 國(guó)內(nèi)的生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)的通常理念是首先滿足海堤防災(zāi)和護(hù)岸的功能, 在此基礎(chǔ)上再為海堤增加生態(tài)功能, 而并未將鹽沼濕地、紅樹(shù)林或牡蠣礁等生態(tài)結(jié)構(gòu)在減小波浪能量和保護(hù)海堤上的作用納入考慮。若能統(tǒng)籌生態(tài)結(jié)構(gòu)和海堤主體的消浪能力, 則可以降低海堤的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn), 最終降低護(hù)岸工程的整體成本。

4.3 缺乏系統(tǒng)持續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)和硬質(zhì)海堤的生態(tài)化改造必須掌握當(dāng)?shù)氐乃乃畡?dòng)力條件和環(huán)境地貌等數(shù)據(jù); 堤前生態(tài)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建必須通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲得當(dāng)?shù)睾０稁鷳B(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)與資料, 如植物、藻類、潮間帶生物、魚類等的種群密度與分布情況; 為了維持堤前生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)交換和能量流動(dòng), 也需要測(cè)定氮磷等水質(zhì)指標(biāo)和溫度等環(huán)境指標(biāo); 工程的生態(tài)化建設(shè)和改造效果評(píng)估也需要后期掌握生態(tài)結(jié)構(gòu)的消浪作用、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)情況和海堤安全與防災(zāi)減災(zāi)情況等綜合數(shù)據(jù)。然而相關(guān)數(shù)據(jù)由不同部門進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理, 存在數(shù)據(jù)時(shí)間尺度上不匹配, 時(shí)間序列不一致等問(wèn)題。

4.4 工程生態(tài)效益評(píng)估不足

在工程驗(yàn)收后缺乏后期跟蹤監(jiān)測(cè)與評(píng)估, 導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)缺失, 難以對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程的設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行評(píng)估與研判, 表現(xiàn)為缺乏對(duì)已實(shí)施的生態(tài)海岸防護(hù)工程進(jìn)行后期監(jiān)測(cè)和評(píng)估的同行評(píng)審報(bào)告文獻(xiàn), 無(wú)法提供可以參考的信息, 給后續(xù)的生態(tài)海岸防護(hù)工程設(shè)計(jì)與建設(shè)帶來(lái)了困難。尤其是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于生態(tài)海岸防護(hù)建設(shè)與硬質(zhì)護(hù)岸生態(tài)化改造后的生態(tài)恢復(fù)情況未見(jiàn)報(bào)道。可能原因是生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間, 無(wú)法在工程結(jié)束時(shí)進(jìn)行審核; 且生態(tài)海岸防護(hù)的建設(shè)或改造項(xiàng)目以工程設(shè)計(jì)與建設(shè)部門為主導(dǎo), 較少有生態(tài)或環(huán)境相關(guān)部門參與。

5 展望

生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)是一個(gè)跨學(xué)科合作的新生事物, 目前仍處于探索階段, 在規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工各環(huán)節(jié)中仍有許多可以改進(jìn)之處。針對(duì)我國(guó)生態(tài)海岸防護(hù)工程的現(xiàn)狀和未來(lái)需求, 可以從以下幾點(diǎn)對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)進(jìn)行完善:

(1) 依據(jù)我國(guó)海岸帶水文水動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn)和生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn), 綜合規(guī)劃適合我國(guó)國(guó)情的生態(tài)海岸防護(hù)工程技術(shù)體系, 規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程的建設(shè)進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo);

(2) 持續(xù)加強(qiáng)生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā), 深入研究生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、生態(tài)材料、后期監(jiān)測(cè)評(píng)估以及維護(hù)技術(shù), 構(gòu)建適合我國(guó)海岸帶水文水動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)模式;

(3) 我國(guó)海岸線漫長(zhǎng), 類型眾多, 應(yīng)因地制宜確定工程方案, 如盡量保持淤泥質(zhì)海岸沖淤平衡, 建設(shè)潛堤、丁壩等措施消浪促淤; 人工養(yǎng)護(hù)沙灘, 在潮下帶設(shè)置珊瑚礁或牡蠣礁對(duì)沙灘進(jìn)行保護(hù); 人工種植鹽沼濕地植被或紅樹(shù)林等, 盡可能恢復(fù)工程前的海岸帶狀態(tài)。

(4) 探索生態(tài)海岸防護(hù)工程可采用的多樣化生態(tài)修復(fù)方式, 由于工程建設(shè)和建設(shè)后的生態(tài)恢復(fù)是漫長(zhǎng)和持續(xù)到過(guò)程, 因此需要對(duì)工程所在海域的水文、水動(dòng)力、水質(zhì)和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)等信息在建設(shè)前進(jìn)行充分調(diào)查, 并在建設(shè)中和建設(shè)后直到生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)期間構(gòu)建長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)機(jī)制, 對(duì)生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行持續(xù)研究, 為后續(xù)的生態(tài)海岸防護(hù)工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

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本次會(huì)議以專家工作站啟動(dòng)為契機(jī)，落實(shí)了多方的合作協(xié)同，基本形成了“公司+大學(xué)+科研院所+當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理部門”的四位一體的合作新模式，為推動(dòng)生產(chǎn)基地提質(zhì)增效、當(dāng)?shù)厥卟水a(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)也為魯西水溶肥發(fā)展提供了更大的平臺(tái)，也充分體現(xiàn)了魯西為農(nóng)服務(wù)的宗旨。

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COASTAL ECOLOGICAL INFRASTRUCTURE: RESEARCH PROGRESS AND PROSPECT

YI Yu-Jun1, LIU Qi1, WANG Xue-Yuan2, JI Ze-Zhou3

(1. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. School of Civil Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China; 3. CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300220, China)

Coastal protection infrastructure plays a pivotal role in preventing erosion and protecting the integrity and diversity of the coastal ecosystem. Construction of traditional hard seawalls often neglects the influence on the coastal ecological environment. As China enters a new stage of high-quality development of ecological environment, the ecological efforts of the coastal protection infrastructure are required. At present, ecological enhancement of existing traditional hard seawalls and new construction of ecological infrastructure become a trend of development. Coastal ecological infrastructure could maintain the natural coastal ecological environment, and protect coastal ecosystem via reducing wave energy. Many theoretical studies of coastal ecological infrastructure have been reported. However, in China, concrete issues of imperfect construction standards, high costs, lack of systematic monitoring data, and subsequent evaluation of ecological restoration remain to be solved. Therefore, the engineering technology system of coastal ecological infrastructure suitable for China-specific conditions should be improved, the research of key technologies for coastal ecological infrastructure should be enhanced, a long-term on-site ecological monitoring mechanism should be established, and the long-term influence of the coastal ecological infrastructure should be concerned and evaluated.

coastal ecological infrastructure; ecological seawall; ecological enhancement; wave dissipation

* 國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目, 52025092號(hào); 北京市杰出青年基金項(xiàng)目, JQ19034號(hào)。易雨君, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: yiyujun@bnu.edu.cn

2021-12-08,

2022-02-06

X-1

10.11693/hyhz20211200315