基于NbS的防洪潮绿色柔性安全屏障研究

彭 智，陈 勇

(1.广州市南沙区建设中心，广东 广州 511400；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

近年来，在全球变暖趋势日益严重的背景下，我国沿海城市极端气候事件的发生日渐频繁，强台风也呈现加剧趋势，沿海地区受台风暴潮袭击最为严重，处于海陆分界线上的海堤作为抵御自然灾害风险的第一道屏障，是保障经济社会发展和人民群众生命财产安全的重要基础设施。在海堤的建设过程中，以技术途径为主的传统“灰色堤防”发挥了特定的功能，但也带来了许多生态和环境问题，如海岸线缩短、海滩湿地生态系统结构受损，海陆生境通道受阻，消纳潮功能下降、城水割裂等。

随着我国生态文明建设不断推进，国家对生态海堤建设愈加重视。2018年，习近平总书记在中央财经委员会第三次会议上指出，要实施海岸带保护修复工程，建设生态海堤，提升抵御台风、风暴潮等海洋灾害能力。针对传统海堤建设带来的生态和环境等问题，本研究旨在探索一种基于自然的解决方案，利用自然力量、顺应自然选择、效仿自然形态的绿色柔性安全屏障设计理念，为生态海堤建设提供参考。

1 国内外生态海堤建设研究历程与现状

1.1 国外生态海堤建设研究历程

国外开展海堤生态化研究相对较早，20世纪80年代以来，国外科学家日益重视海堤的生态和环境问题，认识到应将生态要素纳入海岸防护工程建设中，通过构建更宽的缓冲带和新的生境，提高沿海地区应对气候变化的能力，促进可持续发展[1]。德国优先采用保留天然海岸动力的海岸防护策略，并将“近自然海岸保护方法”运用到海岸防护整体规划中。英国2013年对海岸线的调整达到了高潮，主要应用NbS理念将天然沿海植被的使用与工程基础设施相结合，来管理和移动海岸线，使得潮水能够更深入内陆，并由此减少周边村镇的洪水风险，同时使周边土地逐步成为许多物种的栖息地。美国强调海岸防护项目的生态和社会双重弹性设计，生态弹性上构建牡蛎礁/植被礁+海草床+沙丘系统+防护林带+湿地/滩涂+堤防多层次的防御体系[2]，社会弹性上建立多个防护堤构成的多层次防御体系，并注重社会项目(海洋保护、景观生态和人文关怀)的展开，是NbS的应用典范[3]。

1.2 国内生态海堤建设研究历程

相对国外海堤生态化研究进程，我国生态海堤的研究尚处于探索和发展阶段，海堤的建设多以传统刚性堤防为主。随着生态文明建设被提升到国家战略，生态海堤也成为海岸防护工程研究的主攻方向。近几年，涌现出不少全新理念研究和实践成果。范航清、何斌源等[4]系统介绍了生态海堤的功能定位、空间规划原则、功能区块设置、景观功能、绿色种植等方面的设计要点。深圳东部海堤重建工程实践中提出以自然条件为基础的“三重海岸防线战略”[5]，打造海岸防护与生态海岸线恢复、景观和公共空间改造相结合的多功能复合岸线。陈俊昂、王帅等[6]创建“多功能生态海堤构架体系”，并将此技术应用在南沙灵山岛尖南段海岸工程，有效解决了海堤“围城”问题和防护结构与生态、景观之间矛盾的问题。

1.3 国内现状

虽然近些年国内涌现了很多关于生态海堤的全新理念和相关理论研究成果，但我国建成海岸防护工程仍是以传统刚性海堤为主，海堤设计多采用加固加高堤岸、裁弯取直岸线、抛填块石消浪等工程措施，强调堤防自身的结构稳定，断面型式多为斜坡式和陡墙式。还有部分海岸防护工程已从刚性堤防转向柔性堤防，但大多局限在海堤结构型式的生态化建设，设计思路及参与部门仍是以传统水利为主，生态海堤建设存在较大的技术局限性，亟需从更多的实践吸取经验。

2 融合NbS理念的生态海堤设计

NbS为保护、可持续管理和恢复自然的和被改变的生态系统的行动，来源于人与自然关系的思考。目前主流的环境保护、生态修复等理念的出发点多是为了保护和恢复生态系统与生物多样性的内在价值，而NbS的出发点则是通过保护、管理或恢复生态系统从而满足人类需求[7]，NbS理念突破了常规的生态系统保护和管理原则，在保护中更加注重人类福祉、资源再利用和社会可持续发展等社会因素的融入。

《全国海堤建设方案》和《围填海工程生态海堤建设标准》提出将“海堤建设”和“绿色发展、生态化”理念相结合[8]，这与NbS强调“受自然启发、由自然支持或仿效自然”的理念不谋而合。但NbS理念不仅限于自然解决方案，而是一种综合解决方案，是基于生态系统方法的伞状框架，包括自然解决方案、基于生态系统的适应(EbA)、基于生态系统的防灾减灾(Eco-DRR)、绿色基础设施、自然基础设施，以及整体或再生景观管理的相关理念运用方法的合集。基于NbS的生态海堤建设应是以坚持人与自然的共生关系为原则，统筹与融合城市规划、水利水电、生态环境、风景园林、建筑美学等多学科知识原理，在保证人与生物安全的基础上，充分发挥海堤的生态功能、社会效益与美学价值。

目前国内真正将NbS运用到对生态海堤建设相对较少，理论与工程结合的实践经验尚不成熟。为践行NbS在生态海堤设计中的指导作用，本文以广州市大角山海滨公园生态海堤设计为契机，提出以“绿色柔性安全屏障”为理念，通过多措并施消纳洪潮、优化堤线布置及复合堤身结构型式等措施，实现海堤的防潮御灾功能；连接海陆生态廊道、修复和构建生物栖息地，实现海堤的生态功能；同时衔接城市空间规划，提升滨水景观环境，最终构建城水共生、人水和谐的城市防洪潮绿色柔性安全屏障。

3 项目基本情况及存在问题

3.1 基本情况

南沙位于粤港澳大湾区地理几何中心，是珠江流域通向海洋的通道，是连接珠江口岸城市群和港澳地区的重要枢纽性节点，广州市唯一出海通道，肩负着国家级新区、自贸试验区、粤港澳全面合作示范区等多重国家战略使命。在此背景下，南沙的发展面临前所未有的新形势新机遇，全面提升南沙新区防洪(潮)减灾能力，有助于保证南沙新区在粤港澳大湾区中的战略地位，助力南沙牢牢把握发展机遇，乘势而上，快速发展，保障粤港澳大湾区规划顺利实施。

粤港澳大湾区水安全保障规划提出构筑安全可靠的防洪减灾网，完善防洪工程体系，建设防潮工程体系，大湾区中心城市广州与深圳防洪能力不低于200年一遇。广州市流域综合规划(2010—2030)提出项目所处的南沙新区蕉东联围防洪(潮)标准为200年一遇。

3.2 存在问题

大角山海滨公园位于南沙新区蕉东联围南部，珠江出海口虎门水道西岸，公园现状海堤防洪(潮)标准不足20年一遇，成为蕉东联围200年一遇防洪(潮)体系的缺口，导致蕉东联围没有形成封闭的防洪(潮)体系，不能满足区域高定位建设发展对海岸防护工程的要求。

大角山海滨公园段现状堤防为刚性混凝土结构，经长期风吹浪打，损毁严重，亲水步道等功能已无法正常发挥，存在较为严重的安全隐患。堤段内部分道路受洪潮影响损毁严重，滨海园路、观景平台地质沉降较多，现已经无法行人，整体景观游憩系统欠佳，缺乏观赏性与亲水性，难以匹配南沙湾“展示富有形象魅力的滨海活力带”的规划发展要求。

4 设计方案

基于自然的智慧，将自然途径与人工低干预措施相结合，通过植物消浪、子堤消浪及雨洪调蓄3种措施降低原规划堤顶高程，堤线的布置“以尊重自然基底，让自然做设计”为理念，尽量避让及保护场地树木，灵活布置堤线，并结合多种生态型子母复合式堤防断面，增加景观游憩系统和文化设施，建设集防洪潮、生态修复、景观文化于一体的多功能柔性堤防，构建城市绿色安全屏障。

4.1 堤顶高程

本工程区域范围内可见部分护岸工程未见明显堤防，场地普遍高程偏低，大部分未达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，设计水位(200年一遇)为8.46m，根据传统堤防高程计算，即设计水位叠加波浪爬高和安全超高，堤顶高程将在10.43～10.76m。设计基于NbS的理念，改变传统水利堤防建设的做法，充分考虑现状红树林的消浪作用，并在堤前设计多级梯田平台和大地艺术地形进行消浪，堤后综合利用现状湿地、滩地、景观湖等海绵体来消纳越浪量，通过三维与二维数值模型进行波浪爬高计算，消浪设计后波浪爬高降低到0～0.3m，最终设计堤顶高程为8.96～9.26m，比传统海堤堤防设计高程降低了1.5～1.8m。设计充分利用自然的力量，让自然做功，在保障防洪(潮)安全的基础上，提升了生态功能，降低了海堤对陆域和海域之间的生态阻隔，维持了大角山海滨公园良好的景观视野，如图1所示。

图1 混合式海堤断面图

为了探明大角山生态堤防建设后堤身波浪爬高及堤顶越浪情况，本项目基于Navier-Stokes方程利用CFD开源程序OpenFOAM开发了大角山生态堤防波浪爬高三维数值模型，模型引入拖曳力和惯性力系数模拟沿程植物群体产生的动量阻尼，采用分层系数赋值概化植物根、茎、叶对水体的阻滞效果，利用修正的k-ε湍流模型模拟植被近区湍流涡动，运用改进的流体体积输运(VOF)函数捕捉空气和水体运动。

本次越浪量计算采用数值模拟计算，选取了3个典型断面计算。典型段一，现状为大片红树林和次生密林，红树林带宽达50m，次生密林宽度达70m，堤线布置距海岸线较远，根据数值模拟计算红树林消浪效果明显，越浪量将为0，如图2所示。

图2 红树林段越浪量分析图

典型段二，现状有少量红树林，堤前设计多级梯田花海，堤防与公园现状园路(滨海大道)相结合，经过数值模拟分析，越浪量将为0.02m3/s·m，如图3所示。

图3 梯田花海段越浪量分析图

典型段三,现状无红树林，有少量行道树，堤线离海岸线较远，堤前设计多个大地艺术地形，堤防退于地形之后，尽量增加地形消浪的宽度，经过数值模拟分析后，越浪量将为0，如图4所示。

图4 大地艺术段越浪量分析图

4.2 堤线布置

设计遵从自然的选择，让大自然做设计，以最低干预措施，让植物、场地、地形自行引导堤线，让堤防自由穿梭于公园内，由大角山水闸东侧连接段起，蜿蜒穿梭于密林内，在会展中心前与滨海大道相交，提升道路为生态堤防，相交后沿滨海大道北侧继续向东北方向布置，直至滨海公园北门处与抬高的大角山脚道路闭合。整段堤线蜿蜒顺滑，宽窄自如，完全与公园景观融为一体，让“自然”选择的堤防在公园的演替中自然流淌，到达有堤而不见堤的效果，形成天人合一的生态海堤。

设计尊重每一个生命，以严格保护场地原有的历史、文化、自然特征作为设计的重要原则，杜绝大砍大伐，在植被规划上强调保存现状优质树木，延续本土树种的使用。堤线尽量绕开场地大树，避让场地内的密林区域，在堤线必须穿过的区域，选择没有树或者少量树的位置穿过，无法避让的区域，堤防采用多种断面型式，尽最大程度保护树木，减少树木的清除和迁移量，并采用圆柱形套筒保护树木，同时在顶部设置防跌落网，防止人与生物跌落树洞内，如图5所示。

图5 树木保护套筒设计图

4.3 堤型选择

根据不同堤防段前后场地的现状地形、景观布置及防洪(潮)等要求，采用多种生态型子母复合式堤型，主要分为3种典型断面。

4.3.1大角山水闸至星海会展中心西南侧约200m处的滨海大道段

断面结构形式为景观防洪墙+现状红树林。本段植被茂密，加之基础为深厚淤泥质基础，堤防建设需要进行基础处理，需要进行树木迁移，为尽量保护现有树木，并且兼顾该段堤防生态及景观效果，因此该段采用景观防洪墙结构，在防洪墙两侧进行景观填土，利用生态土坡柔化堤防，放坡两侧防洪墙基础处理范围外树木填土超过50cm的采用树洞结构进行树木保护，以尽可能少的破坏周边植被环境的结构形式达到防洪防潮目的，如图6所示。

图6 典型断面图一(单位：m)

4.3.2滨海大道(星海会展中心西南侧约200m)至现状炮台广场段

断面结构形式为主堤(堤路结合)+阶梯消浪平台+现状护岸边亲水步道+现状红树林。堤外现存部分小面积红树林，且堤线趋近海岸线，红树林消浪作用较小，因此堤顶高程相较于断面一更高。堤顶两侧坡采用挡墙结构设置梯级花田，景观设计在保留现状树木植被的基础上增加物种多样性，以达到更好的观赏效果，对于临海侧也能起到一定的消浪作用，如图7所示。

图7 典型断面图二

4.3.3观海平台东北侧预留地至大角山海滨公园北门段

断面结构形式为主堤+消浪造型堤+现状滨海大道以及外侧现状堤防。该段主堤线远离海岸线，且临海侧为叶瓣艺术地形(消浪造型堤)，呈波浪起伏状，加之近海端接现状滨海大道，根据数值模拟计算结果堤防断面形式消浪效果明显，因此，该段堤顶高程略降低，堤顶及叶型草坡之间均设置碎石路，以便游客在园林中穿行,如图8所示。

图8 典型断面图三

4.4 人水和谐生态海堤

场地文化底蕴深厚，设计选取海上丝绸之路文化精神串联堤线和节点布置，将和平合作、开放包容、互学互鉴、互利共赢的精神融入节点；以史为轴，传承古今文明，依据海上丝绸之路的历史变迁打造节点，构建景观空间格局，展现出“各美其美、美人之美、美美与共”的文化内涵；以人为本，通过多元、多层级的堤防设计激活场地活力，因地制宜布置相应的游憩系统及文化设施，利用堤防的慢行网络串联周边景点、酒店、会展中心等重要节点，创造多元的滨水空间和海绵设施，重现大角山海滨公园的生命力，增强城市活力，提升人民的幸福感与获得感。

设计以“潮绘古今，丝路杨帆”为设计主题，以传承丝路精神，展现多彩文化为目标，构建“一带、六区”的空间格局，以“海丝”为带，串联林隐花园、明月潮声、丝路长廊、文明传习、大地艺术、海角扬帆6大主题分区，以柔性堤防为载体，融合建筑、广场、观景台、大地艺术、湿地、花海、梯田、调蓄湖、雨水花园等景观节点，突出再生景观的艺术创造，利用声光装置打造南沙新地标，共建南沙新的网红打卡地、优质生活栖息地与海丝文明传习地，如图9—10所示。

图9 海堤景观总平面图

图10 海堤夜景鸟瞰图

5 结语

新时代背景下，海堤不仅是承担挡潮防浪功能的基础设施，还是承载安全防护、生态保护与修复、景观游憩、文化传承的多功能载体，是我国生态文明建设的重要组成部分。大角山海滨公园生态海堤以NbS为指导，提出“绿色柔性安全屏障”设计理念，将传统刚性抵御风暴潮和台风的方式转变为自然消纳、自然防护与雨洪调蓄等方式，并统筹落实水利、生态、规划、景观等多专业协作，将海堤建设成为集安全、生态、多元、共享、生产等多功能为一体城市绿色柔性安全屏障，对新时代生态海堤工程建设具有一定的指导意义和借鉴作用。