生态护岸在水利工程中的研究及应用进展

王一航，张金凤，2*，张 娜，3，张庆河

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学 中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室，天津 300350；3.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

水域是人类社会生活的重要支撑，而在水陆相接的过渡地带——岸坡，在调节气候、涵养生态方面起着举足轻重的作用。但是，岸坡常常受到洪水、波浪、风暴潮等灾害的破坏，因此，应当采取适当的工程措施加强对岸坡的防护[1-2]。护岸作为一种以控制水流流向、加强岸坡强度的方式来增强岸坡安全性的工程措施，在防护岸坡当中扮演着重要的角色[1]。随着水利工程新理念的传播和发展，生态护岸在实际工程中的应用越来越广泛,日益成为护岸工程的主要形式。因此，本文对生态护岸的产生背景、主要效用、研究方式进行总结，并展望其未来发展方向。

1 生态护岸

护岸，是建设在水域岸坡上，维护岸坡安全的工程建筑物。在传统的水利工程护岸当中，往往从防洪安全的目的出发，使用混凝土、块石等硬质材料进行建设。这在提高护岸工程强度的同时，也导致水域生态系统受破坏、自然景观恶化[3]。为了应对护岸工程带来的种种弊端，生态效应成为护岸施工的考虑因素之一。

在这样的背景下，生态护岸的理念应运而生。1938年，德国人Seifert率先提出亲自然河溪治理理念，开启了生态护岸及修复理论和研究的先河。20世纪50年代，德国水利学界正式创立河道自然治理工程理论，提出将植物化和生命化作为河道治理的发展方向[1]。这促使生态护岸从理论走到实践，在水利工程当中的应用从无到有、从少到多地发展起来。

简而言之，生态护岸就是将植物等环境友好的自然材料引入其中，在维护岸坡足够强度的同时，能保持良好生态环境的护岸型式[4-7]。和传统护岸结构相比，生态护岸注重可能产生的生态效应，将植物作为其工程结构的一部分，起到了削减波浪、修复水域、减轻水土流失和冲刷破坏、改良土壤、维持生态系统、营造良好水域景观的作用[1，3，8-10]。植物持续生长的特性，也使得生态护岸结构具有良好的可持续性和较长的寿命，在水利工程当中可以发挥更持久的作用。

当前，在发达国家，水利工程与生态理念已经实现了较好的结合。如日本在2001年提出“新水”概念之后，开始逐步推广生态护岸建设，随后荷兰亦加入这一行列[3]。在这些国家，水域的生态修复及岸坡生态防护的理念已经比较成熟，在实践中已有较多应用。在莱茵河、密西西比河等大型河流的修复方面，也有了较多的成功实例。而在我国，生态护岸仍有很大的发展空间，未来生态护岸也将是很有前景的工程型式[1]。

2 关于生态护岸的研究方法

在生态护岸的相关研究当中，主要有现场观测、物理模型实验和数值模拟3种主要方式。其主要内容为植物消浪护岸性能的相关研究。

2.1 现场观测

在野外现场的天然条件之下进行直接的观测，是一种研究植物作用和生态护岸防护效果的重要方式。通过此类方式，获得了自然状态下排除人工干扰的第一手数据，是生态护岸其它研究方式的理论基础。在现有的现场观测研究案例当中，主要方法是对护岸区域的生态环境变化、工程安全性、消浪性能等指标进行定性定量观测，从而研究植物消浪护岸的规律，为工程应用提供理论指导。

在国内已有的现场观测研究中，宋连清等[7-11]在1989年对浙江沿海互花米草消浪情况进行观测，发现草带宽度越宽，消浪能力也越强，平均每10 m宽的草带可以消浪6～8 cm。吴佩佩等[8]在河流岸坡上对4种植物的蒸腾速率、日蒸腾总量等指标进行了测定，得出了4种植物降低孔隙水压力能力大小的强弱顺序。

在国外的现场观测研究当中，Gittman等[12]在荷兰瓦登海岸选取了以有坝槛盐沼、无坝槛盐沼、直立挡浪墙3种护岸，观察飓风影响前后的变化情况，发现盐沼比直立挡浪墙等硬质工程措施防护效果更好。Nguyen等[13]和Henderson等[14]对波浪在越南红树林当中的传播规律进行了观测，发现红树林的存在有效削弱了波高、波浪在河岸上的爬高及波浪力，但是对波生流底床流速的影响不大，甚至可能加剧河床泥沙悬扬状况。

2.2 物理模型实验

在生态护岸的物理模型实验研究当中，大多采用将护岸和植物按比尺缩小为模型，从而以水力模型试验方法进行实验研究。在研究采用的植物方面，首先是以聚乙烯等材料制成的圆柱来模拟植物，之后则普遍采用包括刚性茎干和柔性枝叶在内的防浪树木模型或人工水草，亦有将根系作用考虑在内的模型植物研究；而使用真实植物进行的实验研究也出现越来越多的实例，采用的真实植物材料多为防浪林常采用的红树、柽柳等树木，或是香蒲等水草、盐生草本植物。物理模型实验研究使得研究可以在人工可控的条件下进行，便于对植物消浪护岸性能进行准确的定量分析，从而为数值模拟研究和工程结构开发提供指导；但是物理模型试验尤其是使用真实植物进行的研究，也存在比尺效应、模型尺寸不能合理调节、材料用量大等缺点。

在国内使用模型植物的研究当中，陈德春、赵东梁、陈家贵等[15-17]使用聚乙烯人工模型水草，杨建民等[18]用桧柏枝作为红树模型，王瑞雪等[19]以PVC圆管模拟刚性植物，研究了水深、波高、周期、植物密度、植物带宽度、植物分布方式等因素对植物消浪护岸性能的影响。吉红香、黄本胜等[9]建立复式护岸断面模型，采用仅刚性树干和带柔性枝叶的2种模型树在不同波高、不同水位下进行实验，得出了柔性枝叶比刚性树干消浪效果好的结论。何飞等[20]采用含根、茎、叶的植物模型研究其消浪性能，研究表明叶的消浪性能比根和茎更好。

在国外使用模型植物的研究当中，Hashim等[21]使用红树模型进行波浪通过红树林前后的实验。Anderson等[22]以柔性杆模拟盐沼植物，研究波高、茎干密度、水深、周期对消浪的影响。Hu等[23]使用植物茎干模型研究在波、流共同作用下植物的消浪性能，并据此得出了波流共同作用下拖曳力系数CD和雷诺数的关系式。John等[24]在使用人工水草铺成沉水植物带，观察规则波通过植物带前后的变化状况。

在使用真实植物的研究当中，Tschirky等[25]采用真实植物研究其密度、草带长度的消浪效果。Lara等[26]通过采集和培养等方式获得大量盐生植物植株后，在几种不同的波高、水深组合之下进行了实验研究，从而积累了使用真实植株进行实验研究的大量经验。Losada等[27]采用2种盐沼植物进行实验研究，观察不同水深下波浪与正负2个方向水流分别叠加后通过植物区的变化情况，发现植物的存在明显削弱了来浪波高，并推导出了规则波、不规则波及其分别与正向流、负向流叠加的6种情况下拖曳力系数的表达式。

上述研究聚焦植物性能和波浪、水流要素等多种因素，得出丰富的研究结论。植物的存在可以造成明显的水体紊动，从而显著削减波浪、阻挡波浪传播。植物的消浪性能与植物密度及高度、植物带宽度成正相关；在密度较小时，植物消浪效果随密度的增大而快速改善，但是当密度较大时，植物消浪效果随密度改善较慢；入射波高越大，消浪性能也略微增强；水深增大，消波性能略有减弱；周期对植物消浪性能影响不大，但刚性植物受到周期影响较为明显，当波浪与刚性植物产生共振时，消浪性能会有所变差。

2.3 数值模拟

随着现代计算机技术的发展，数值模拟研究方法也成为生态护岸研究当中普遍采用的方法。在数值模拟研究当中，主要通过数值方法研究植物对水流、波浪的作用及对岸坡安全性的影响。除了在控制方程当中加入阻力项以概化模拟植物的作用之外，还可以将植物等效为刚性圆柱，刻画出其外部轮廓，并给出相应边界条件再进行求解。这些方法对植物与波浪的相互作用，尤其是植物的消浪性能进行了较多的研究，但是这些方法不能准确模拟植物随着波浪运动时阻力的变化情况，不能完全体现植物的柔性。因此，数值模拟仍有很大的发展空间。

国外，数值模拟研究的开始时间较早。1968年，Price等[28]开发了第一个模拟海藻作用的水动力模型，在模型当中将海藻作为高粘性层处理。之后，Mork等人[29]拓展了高粘性层的概念，将植被产生的拖曳力影响加入其中。Dalrymple等[30]和Kobayashi等[31]根据能量守恒方程等建立起了最早的植物消波模型，通过能量耗散项来表征植物消波作用。

Darby[32]通过对洪水状况下有河岸植被的情况进行了研究，得出了有河岸植被状况下的水位-流量关系曲线及植被密度与流量的关系曲线。Fischer等[33]将植物看作垂直于河道岸坡的圆柱体，研究不同水流流速、植被密度条件下河流与沉水植物的相互作用，结果表明沉水植物可以减轻水流对岸坡的冲刷，起到保护岸坡、营造蓄洪空间的作用。Augustin等[34]分别对刚性及柔性植物的消波性能分别进行了研究，并以底部摩阻形式表征植物消波作用，研究发现以厄塞尔数作为参数的摩阻系数与其实验数据吻合度较高。

在近几年的植物与波浪作用数值模拟研究当中，对于合理表达植物的作用、尤其是植物拖曳力系数的表达方式又有新的发展。Henry等[35]通过分析已有的植物拖曳力系数CD公式的不足，推导出新的拖曳力系数公式。Beudin等[36]对旧有模型进行修正，形成了考虑依赖于植物运动的三维拖曳力、树冠内波生流、紊流动能、垂直混合的波、流、植物相互作用模型。Garzon等[37]在风暴期间对2处盐沼进行波浪传播观测，通过XBeach模型对现场观测的波浪传播情况进行模拟，结果显示Garzon以雷诺数为基础的拖曳力公式得出的结果最为准确；波浪通过盐沼之后波高有明显削弱，且冬季的削弱效果比秋季低10%～15%。Zhu等[38]则指出Garzon等在使用Jadhav经验公式时存在不足之处，低估了数值模拟所得到的波高结果，通过Jadhav经验公式进一步完善了Garzon等人的数值模型。林鹏智等[39]将植物看作刚性圆柱群，在模型的控制方程当中，考虑了水流作用下植物产生的附加惯性力和拖曳力，开发了紊流三维植物模型。刘达等[40]以立面二维自由面紊流模型为工具，将植物的树冠区和树干区分为2个多孔介质区，对近岸破碎波冲击植物带的情况进行了模拟，得出了与物理模型实验结果相符的波面过程线、波浪爬高、波压力过程线。

在数值模拟研究当中，以底部摩阻形式表示植物消波作用，是一种主要的模拟方式。在其中提出的主要经验公式包括

(1)含有植物的河流垂线流速分布经验公式[41]

式中：Q为流量，ρH为植物密度，V为断面平均流速，z为高度，h为水深，适用于含植物河道。

(2)植株阻力与植物、水流参数关系式[42]

式中：Cd为拖曳系数，a为每棵植株所占面积，A=φA0(φ为树叶偏转角度)，h为水深，yn为树木平均高度，ρ为水的密度，V为流速，J为刚度，适用于含柔性植物水体。

(3)含植物河道等效糙率系数公式[43]

(4)植物消波衰减系数公式[30]

式中：a为波高，a0为来浪波高，α为衰减系数，x为水平坐标，CD为阻力系数，D为植物茎干直径，b为植物茎干面积，k为波数，s为到底部距离，h为水深。

(5)含植物河道体积阻力系数公式[44]

(6)挺水植物摩擦系数公式[34]

3 生态护岸在实际工程中的应用

生态护岸理念最先在发达国家提出，也最先在发达国家得到应用。在生态护岸的实际施工当中，既有仅采用植物的自然原型护岸型式，也有将植物与土工材料相结合的护岸型式。常用的生态护岸型式包括干砌石、石笼、三维网植生带、生态混凝土、生态砌块等，常用的植物则为工程所在地适生植物。目前，生态护岸在河道和海岸都已经有了不少应用案例。

在国内的河道生态护岸工程实例当中，广州市河涌整治工程[4]、天水市成纪滨河景观工程[45]当中分别将三维土工网垫、无砂混凝土和蜂巢结构等工程措施与当地适生草本植物结合，在增强护岸强度、维持河道安全的同时营造良好的景观效果。武夷山市在防洪工程当中建设植生型生态混凝土护坡，而丽水市瓯江堤防工程中采用三维植物网、绿化混凝土、连锁水工砌块等多种结构型式，实现了增强防洪安全性、保护岸坡及生态环境的作用[46-47]。

在国外的应用案例中，日本因地制宜，合理采取适合当地的生态防护措施，例如在土生川、加纳川、本明川的治理工程中，基于其岸坡坡度大、水流湍急等不同特点，采用干砌石护岸、半干砌石护岸、原木格子护岸等不同形式，并种植适生植物，使得各条河流的生物群落有了明显的改善，生态景观明显恢复，河道防洪安全也得到保障[48]。

在国内海岸生态防护方面，江苏省推广柔性防护手段，在废黄河口附近海岸在护坡建设当中采用了混凝土膜袋护坡的形式，并种植互花米草，取得了抵抗波浪和风暴潮的效果[49]。在北戴河海滩防护工程当中，采用人工养滩结合突堤、潜堤的方式，3 a内保留了原有填沙量的80%～90%[50]。天津、青岛、厦门等沿海城市也都普遍建立起人工养滩工程，加强对海岸的软防护[51]。辽宁兴城对河口海岸湿地进行整治，大量种植碱蓬等盐生植物，同时疏通潮沟、垫高低洼地，为海岸带生物提供了良好的栖息环境，构建海岸生态防护带[52]。

在国外海岸生态防护工程中，荷兰北海海峡防护工程采用挖沟、开孔洞等不同纹理的混凝土进行建设，从而吸引了海藻和水生生物的栖息，结合了自然生物和工程措施的防护优势；通过人工养滩、养护海岸湿地、营造人工湿地的方式来加强海岸防护，维持海岸线稳定[53]。美国[54]则形成了以盐沼、珊瑚礁、红树、牡蛎礁、沙丘等自然地貌和海墙、堤围、抛石堤等人工结构为基础的多层次、复合型护岸体系。如纽约市推进以人工湿地和海洋森林、人工珊瑚礁、人工防波堤群、航道浅化、生态效益强的护岸、生物岸线六大措施为基础的复合型护岸体系建设。在以硬质护岸为主、土地资源不足的新加坡，近年来对海岸防护的形式进行了新的探索。新加坡沿海设计了一种以预制混凝土制人工潮汐池，吸引了多种海洋生物定居，在缓冲海水对岸坡冲刷的同时营造了丰富的水生生态系统[35]。在越南、泰国等东南亚国家，都将恢复和重建红树林作为防护海岸的主要措施之一，这节约了成本，也产生了巨大的生态效益[49]。

在工程实际当中，逐步经历了从小范围应用到河流、湖泊、海洋大范围、多种地形条件下普遍应用和从单一结构型式到多种生态护岸结构型式相互配合和拱卫、共同进行生态防护的发展过程。而随着工程实践经验的不断丰富，更多因地适宜的创新护岸型式、更完善的防护体系将是其发展趋势。

4 生态护岸研究展望

虽然生态护岸近些年来的研究已经取得了很大进展，但是仍然有一些需要解决的问题。主要包括：

(1)在物理模型实验研究和数值模拟研究当中，对植物的形态、材质进行更加精确的表现和模拟，以便更深入、准确地研究植物在削弱波浪、防护岸坡当中起到的作用。

(2)作为生态护岸当中不可缺少的一部分，植物在不断生长和变化，在不同季节和其生长的不同阶段，材质、尺寸等性质都有明显的不同，对波浪作用下防护岸坡起到的作用也有显著区别。而在植物死亡后，可能带来新的河道淤积、污染问题。现有研究大多局限于某一特定生长状态的植物，因此，对生态护岸的研究，应当进一步注重其动态变化特性。

(3)我国现有的生态护岸结构型式，大多强度较低，因此尚不足以完全取代传统硬质工程护岸。在未来的研究当中，应当注意将植物和土工材料进行有机结合，提高生态护岸强度，开发高强度的生态护岸结构型式，以使得生态护岸能够真正将工程安全和生态效益合二为一。

生态护岸工程是现阶段及未来很长时间内护岸建设的新趋势[48]，在未来，生态护岸的建设有利于实现人与自然的和谐相处，减少人类对自然界的干扰，维护生态环境，实现可持续发展。因此，生态护岸的应用，也必将有更广阔的天地。