长江口和杭州湾北岸生态保滩促淤护岸工程设计与应用研究

巢 路，何 伟，关许为

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 研究背景

河流的入海泥沙在河口区及沿岸浅滩区内沉积是我国大片滩涂资源的物质基础。长江口有丰富的泥沙来源，形成了长江口广阔而又丰富的滩涂资源，为河口三角洲地区的经济发展和人民生活发挥了重要的作用。但是，由于长江口受径流、潮汐、风浪以及人类活动等多种因素作用，河口局部岸滩冲刷、剥蚀，滩涂泥沙流失较为严重。特别是南汇和杭州湾北岸区域受长江、钱塘江、外海潮流的多重影响，滩涂资源保护面临诸多挑战［1-2］。另一方面，近几十年来受全球气候变化和人类活动的影响，尤其在流域来沙量减少的条件下许多三角洲正由淤涨型向蚀退型转变。长江口杭州湾泥沙主要来自长江入海泥沙，长江中下游段来沙明显减少［3］，势必影响到长江口杭州湾近岸海床地形变化，部分区域岸滩已从淤积态势逐渐转变为冲刷态势［4］。加上区域附近的人类工程活动会进一步截留过境泥沙，致使部分岸段滩涂冲刷强度加剧，堤防保护面临的问题愈发严峻，必需进一步加强保滩护岸工程建设。

传统的保滩护岸措施多是采用硬质性结构，势必会造成工程岸滩生境的严重破坏。人们也发现许多工程措施需要频繁的修补与重筑，不断投入的成本与有限的防护效果不成正比。因此，研究制定生境构建、堤防结构优化等生态保滩措施和生态修复工程措施符合目前长江口杭州湾保滩护岸工程的迫切需求，本文主要介绍该方面相应的应用研究成果。

2 长江口和杭州湾北岸护岸工程及面临的问题

2.1 现有工程措施长江口和杭州湾北岸保滩护岸工程措施分为两种。一种是直接保滩，在冲刷河段兴建丁坝、顺坝，挑流防浪；另一种是间接保滩，在淤涨区种青促淤或工程促淤，进而围海造地。但无论是工程措施还是非工程措施，均对长江口的潮滩发展变化有较大的影响［5］。

（1）直接保滩。不同河段河势发展变化、水流动力条件、风浪因素等致使岸滩破坏的原因不同，保滩护岸采取的方式也就不一样。在水流顺岸，且水流较急岸段，如崇明、长兴岛南沿，受涨落潮流影响，主要是采用丁坝挑流方式，使主流远离岸滩，同时保护丁坝坝田区域免受冲刷。在主要受风浪淘刷岸段，顺坝与护坎的作用就非常大。顺坝与护坎的主要区别是顺坝的坝体比较大，坝顶高程较高，一般在平均高潮位以上，约3.5～4.5 m，护坎的坝身较小，坝顶高程一般在2.5～3.0 m。顺坝与护坎一方面可以防止风浪淘刷，维护滩面；另一方面又可以起到促淤作用，高潮时泥沙进入顺坝或护坎内，落潮时沉淀淤积，抬高大堤堤前滩面，降低堤前水深，起到保滩与保护大堤的双重作用。

（2）间接保滩。淤涨岸段促淤围垦是保滩护岸的一种间接方式，也是一种积极方式。据有关研究资料表明，2000年以来上海市围垦土地面积占上海现有土地面积的62%。解放后到2000年，上海围垦滩涂面积约84 000 hm2，围垦滩涂主要分布在长江口北支崇明岛北沿、东滩，长江口南支长兴岛北部，长江口南岸浦东新区三甲港至南汇嘴及杭州湾北岸。在淤涨岸段促淤或围垦后，堤前或生物促淤的植被使前沿滩地的水动力条件减弱，进一步推动泥沙淤积和滩面发展，后一道大堤变成了新围垦大堤后的一道防线。这种良性循环是维持长江口湿地资源与土地资源可持续发展的一条重要途径。

2.2 现有措施面临的问题随着长江口地区大量堤防工程投入使用，许多工程经历长时间的海浪冲刷后已经破损，亟待修整补葺，相应地也使得此类措施的成本愈发昂贵；另一方面现有的保滩工程实施后，均不同程度地对区域水陆生态系统造成了破坏，迫使一些水生生物寻找新的栖息地生存。结合我国生态堤岸建设经验，采用生态措施保滩护岸能够发挥优异的生态效益，促进区域完整生态系统的构建，进一步强化整套系统抵御外来冲击的能力；同时，构建生态堤岸也符合生态文明建设的要求，通过堤岸区域的生态修复，构建较为完善的生态体系，从而形成保持水土、抵御风浪的自然岸段。

3 生态护岸成果简要评述

对护岸技术的研究从水利工程开始，逐渐发展到生态水利、环境整治、景观设计等方面。随着河道生态化建设的逐渐兴起，有越来越多的实验研究和工程案例尝试将这项技术运用到海堤防护和保滩促淤工程中。其中，通过有选择性地将生态材料与植物组合使用，从而发挥各自的优势，乃是生态护岸研究的热点。本研究中堤岸防护采用的生态措施主要是依靠区域环境特点，选用合适的生态材料构建利于植物生长的基底，通过种植植物的手段，恢复或提升岸段生态多样性，从而建立堤岸的柔性屏障，与工程措施结合共同抵御风浪侵袭。

3.1 生态材料

（1）格宾网箱。格宾网箱可设立在抛石区域，构建绿植平台，为植物种植提供基础，从而进一步恢复被破坏的海堤生态。林俊翔［6］在珠海市情侣路南段某海堤工程中使用格宾网箱构造绿植地台，使用箱型格宾网装填海滩上原有的驳岸石块，并用同材质钢丝捆扎加固，格宾网箱高出抛石海床30～50 cm布设。格宾网箱地台建设完成后，可以通过截留海潮带来的石灰物质及软体动物碎壳，形成富含钙的沉积物，结合水体中裹挟沉淀的淤泥形成有利于植物生长的土壤，为绿植生长提供较为丰富的营养。从而避免大量换土造成的“前期投入大后期养护难”的不利情况。

（2）植生布和水土保持毯。在常见的海堤保滩护底工程中，土工材料获得了较为广泛的应用，但同时也产生了阻挡植物根茎生长和物质交换的负面影响。为了解决这一问题，可从提高植物根茎可穿透性和生物相容性两方面考虑，使用改良后的植生布或水土保持毯于潮间带构建生态护坡，能够作为护滩和修复维持植物生态的基础结构材料使用［7］。此类材料可用于潮间带的防护和上台修复工程，有助于潮间带区域植物群落在高盐、低温等逆境中正常生长，进一步实现保滩护堤的作用。

（3）生态混凝土。生态混凝土又被称作绿化混凝土或绿化砼，是将特定比例的细骨料等添加剂与混凝土掺和形成的能够适应植物生长、且具有一定防护功能的混凝土制品。此种材料的出现为混凝土与植物无法共存找到了合适的解决途径，通常被用于岩坡防护、河湖护岸等工程［8］。在海岸堤防保护中可用于允许越浪的围堤内侧进行护坡［9］。相比于浆砌石护坡结构、螺母块体护坡结构，采用绿化混凝土构筑的彩砖拱圈现浇绿化砼结构具有更好的抗冲刷性能，在生态景观、环境影响和工程造价方面均具有优势。

3.2 植物种植在对岸堤防护的工程措施研究过程中，人们意识到了在海堤外种植植物能够形成柔性的消浪体系，提前削弱波浪的能量，减少其对海堤的冲击力度［10］。海堤外种植的植物必须能够经受耐盐、耐淹和抗风浪等因素的考验，因而需要悉心筛选所用的植物。

（1）珠海市情侣路南段某海堤外使用格宾网箱构筑地台，并于潮间带地台上种植植物。工程岸段所种植植物更多地考虑与人文景观相结合，选用的是仙戟变叶木、巴西野牡丹、春羽、鸢尾、三裂蟛蜞菊、洋凤仙等植物。这些植物适宜生长于热带和亚热带地区，生命力强，生长速度快，且具有耐热、耐碱、抗风、抗污染等特点。发达的根系有助于植物固土，有效抵御海浪的淘蚀［6］。

（2）在沿海防护林体系中海岸基干林带、红树林以及滨海湿地都能对沿海堤岸起到不同程度的保护作用。在沿海防护林的树种选择原则中需要兼顾栽种目的和立地条件，也要考虑生物多样性和树种的生长速度。有关研究表明近年来我国沿海地区防护林种植情况有了很大改善，其中华南地区大力发展沿海滩涂红树林，而亚热带及其以北则基本以草本植被为主［11］。根据南方泥质土壤的特性，沿海防护林树种可以选择木麻黄、落羽杉、池衫、新银合欢、苦楝、窿缘桉、大叶相思、台湾相思等［12］。

沿海防护林植物物种的选择还需要依据地区的实际情况，上海作为我国特大型都市，对景观和生态功能具有更高的要求。通过有关模型评价结果［13］，筛选出适宜作为上海沿海防护林的植物种类，并结合生态防护和景观建设的需要，提出上海地区理想的防护林配置。即可在湿润沙地种植如二色补血草、碱篷等耐盐、耐湿的草本植物，并少量种植沙枣等小灌木；在草本和乔木之间的过渡带选用沙枣、柽柳、紫穗槐、文冠果、红瑞木等耐盐碱灌木；在干沙地种植池衫、湿地松、乌桕、黄连木、重阳木等耐盐、耐水、抗风浪的乔木，并伴以亲水小乔木和观赏类灌木。

长江口杭州湾地区现有林带树种较为单一、且长势不好，抗风浪能力减弱［14］，需选择黄连木、侧柏、乌桕、中山杉、池杉、湿地松、重阳木等防护效果好的树种，并结合灌、草构建多层次、多生境的基干林带。同时针对防护效果较差的现有林带可以采用带内隔带、疏伐套种、冠下造林等方式进行更新改造，从而提升林带的生态防护功能。

4 保滩护岸工程设计与应用

根据长江口和杭州湾的岸线现状，从工程措施和生态措施结合的角度出发，以部分重点岸段为典型进行堤岸防护设计，从新建与改造两方面进行考虑，分别提出堤岸构筑和改造的新模式。

新模式的设计原则为因地制宜、安全为本、生态优先。在设计过程中始终把保障海岸线安全放在最重要的位置，并建立生态和谐的新型护滩模式，尽量采用对生物和生境影响较少的设计方案，在全面满足防风抗浪的等有关堤防标准的基础上，针对现有堤岸提出改造方向。尽可能利用原有的坝基基础等条件，尝试选择工程量较小、施工难度较低的保滩护岸新模式，使堤岸的改造与岸段现状、功能需求及改造条件相协调，对差异较大的岸段采用不同的设计形式。

4.1 新建堤岸以南汇东滩整治二期工程S6区东堤断面为例，区域潮位情况为200年一遇高潮位6.20 m、200年一遇低潮位-1.25 m、围内常高水位2.50 m。

4.1.1 工程措施布置 S6区断面设计（见图1）堤顶高程9.2 m，顶宽8.0 m，结合周边设施采用沥青混凝土路面，堤顶设防浪墙，墙顶高程10.4 m。外坡为复坡结构，上、下坡比均为1：3，上坡采用0.4 m厚栅栏板护坡、下坡采用3t扭王块护坡；中间构筑灌砌块石消浪平台，平台高程6.2 m，宽6.0 m；堤脚大方脚外侧设抛石镇压平台，高程3.5～2.0 m，平台外侧采用抛石结构与在建促淤堤连接。

内坡坡比按1∶3设计，采用彩道砖拱肋草皮护坡，坡脚设42 m宽内青坎，青坎高程为4.5～4.2 m，在青坎内侧坡面采用撒草籽护坡。底部采用多层通袋和土工格栅进行地基处理，堤身主体为传统的充泥管袋加堤芯吹填砂结构型式。

图1 新建堤岸模式断面设计典型剖面图

S6区断面堤线位置滩面高程为-2.2～-1.70 m，总长4660 m，结合对淤积效果分析，工程建设时堤线位置滩面平均高程预估为0.5 m。堤身内侧镇压平台宽约42 m，拟采用3层通袋+2层土工格栅进行地基处理。

4.1.2 生态措施布置

（1）外海促淤带。大堤外海侧高程3.00～3.50 m段，在抛石表面自下而上铺设复合土工布、耕植土500 mm、三维植生毯，其中复合土工布可以防止土层流失，耕植土能为植物生长提供基础条件，三维植生毯有助于植物根系攀附、扎牢，首尾端及内部分区使用格宾网箱以保持土层水平稳定。考虑区域的潮位条件，此段平均水深大于50 cm，综合考虑挺水植物生活习性及南汇东滩湿地植物群落现状，可以选用芦苇作为此段主要种植植物，芦苇具有迅速扩展的繁殖能力，在青草沙水库堤外侧亦有群落生长，证明其能够在海水中存活，是比较适宜的堤外植物。搭配藨草可提高植物种类多样性，见图2。

图2 新建堤岸模式设计断面——外海促淤带

（2）外海防浪带。大堤外侧6.20 m高程2%坡度的平台及以上，在灌砌石块以上自下而上为复合土工布、耕植土300 mm、轻质生态土壤200 mm、三维植生毯，首尾分别用宾格网箱和抛石固定，植生布上可用水泥锚固钉固定植生布。土中播撒百慕大与碱蓬。此处平台高程已高于200年一遇高潮位，百慕大与碱蓬抗盐碱能力较强，如图3。

（3）围内防护带。大堤内侧4.50 m以上斜坡使用周边地区较为常见的百慕大草皮布设于彩道砖拱肋。

大堤内侧4.20～4.50 m平台上覆300厚耕植土、轻质生态土壤200 mm，混播百慕大与二色补血草，以此为基底种植紫穗槐和柽柳。两者皆为较耐盐的灌木。柽柳多生于河流冲积平原，海滨、滩头、潮湿盐碱地和沙荒地，其根系较为发达且生长较快。紫穗槐抗风力强、生长快、生长期长且枝叶繁密，是防风林带紧密种植结构的首选树种，同时还具有根系广、侧很多、生长快且不易生病虫害的优点，是保持水土的优良植物材料，如图4。

4.2 旧堤岸改造除了经受海风海浪长期侵蚀破损严重的岸段，部分堤岸现状整体较为完整，其功能和结构尚未遭受毁灭性破坏，为了维持这部分堤岸的稳定、提高防浪效果、延长其使用寿命，可采用以下措施对旧堤岸进行改造。

图3 新建堤岸模式设计断面——外海防浪带

图4 新建堤岸模式设计断面——围内防护带

（1）工程改造措施。首先需要根据坝体材料选用相应的方式对破损处进行更换或修补，再根据堤岸前水文情况设计丁坝群与潜堤的组合形式，利用模型模拟比选最佳方案，使改造后堤前结构能够有效抵御风浪冲击，同时促成泥沙落淤，在堤前形成浅滩。

（2）生态改造措施。从经济合理性方面考虑，改造段堤岸改造重点应在于生态改造类措施，在保证主体结构功能完整的前提下，应避免对原本堤岸结构的过多干预。

按照外海侧与围内侧对生态改造措施进行布置，在拥有适宜水生植物生长的浅滩地区，利用格宾网箱（见图5）构建多级地台，根据上海地区植物生长分布情况，于低层地台上选用芦苇等高杆、耐盐、耐淹的水生植物，于高层地台上选用碱蓬（见图6）、二色补血草等耐盐耐湿的植物。大堤外海侧坡面上可以适量覆土，并以三维植生毯盖压，选用耐盐草本、小灌木等植物栽种于表面，在植被完全覆盖的情况下，充分发挥三维植生毯较强抗剪应力的优势，控制堤岸受到的侵蚀。

围内侧堤岸背坡覆耕植土种植草花，坡脚可采用植草沟汇集背坡雨水。背坡后地面种植池衫、湿地松等乔木，配合紫穗槐等耐盐灌木形成由上海本地植物组成的防护林体系。

图5 格宾网箱

图6 碱蓬

图7 促淤段预期效果

图8 岸坡预期植被覆盖效果

4.3 预期效果评价（1）堤岸改建或新建完成后，外海侧促淤段将形成以芦苇为主的植物群落，错综复杂的芦苇根茎有利于减缓近岸水流流速，有助于促进沉积物的淤积。外海侧防波段的格宾网箱与三维植生毯一方面可以抵御海浪的冲击，另一方面也为坡上的草本植物和小灌木提供了可靠的生长环境，形成郁郁青青的迎浪坡面，如图7。（2）建成后围内防护带主要是消除部分越堤海浪的影响，可选用植物种类相对较为丰富，能够形成错落有致的滨海防护林景观，为大堤增添视觉美感的同时，起到抵挡海风的作用，如图8。（3）新型生态堤岸的设计是针对堤岸生态化难题的一次技术尝试，面对多数海堤立面结构单调、硬质化严重、景观效果不佳等问题，此海堤建成后将形成以抗御风暴潮为主，同时兼顾绿化、滩地保护、生物多样性、人与海洋亲合性等多目标的海堤模式，为其他堤岸生态化改造提供示范与宝贵经验。

5 结论

本文从生态材料和适生植物两个方面梳理了生态保滩护岸的近期研究成果和可操作性，并针对长江口及杭州湾北岸典型岸段，提出了堤岸构筑和改造的新模式，进一步完善长江口重要岸段生态环境修复工程，得到结论如下：（1）在长江口及杭州湾北岸典型岸段生态保滩护岸设计中，提出了因地制宜、安全为主、生态优先的设计原则。首先考虑的是保护海岸的安全，通过多种措施提高其抵御风浪侵袭与水流淘刷的能力，延长其生命周期；其次，通过生境营造，筛选耐盐、抗风、适生植物，增加绿色覆盖等手段，促进泥沙淤积，减轻堤岸侵蚀；同时尽可能降低了对区域生物和生境的不利影响，使堤岸生态系统呈现良性循环。在充分利用原有坝基的基础上，解决长江口及杭州湾北岸多数岸段在堤岸建设过程中植物存活难、生态物种单一或缺失的问题，更进一步美化了原本单调的堤面，极大地提升了景观效果，与典型岸段周边滴水湖、东滩湿地等地貌景观相协调。（2）针对长江口与杭州湾北岸暂无工程岸段，提出了新建生态堤岸的构筑模式。新建的堤岸主体以混凝土、灌砌块石等结构为基础，搭配格宾网箱、三维植生毯，种植芦苇、碱蓬等耐盐耐湿植物，形成具有生态绿化特性的堤面，并构成外海湿生植物带，在恢复滩涂生态系统的同时，起到促淤保滩、固安护堤的效果。（3）针对长江口与杭州湾北岸原有的保滩护岸工程现状，提出了改造生态岸段的构筑模式。旧堤岸的改造主要从维持堤岸稳定、促进生态恢复、延长使用寿命出发，以原有堤岸结构为基础，增加潜堤和丁坝等消能结构，并在此基础上使用生态友好的宾格网箱和三维植生毯等材料，补充水生植物和坡面植物，形成结构完整、系统稳定的生态堤岸。