消浪防沙技术在浅水湖泊水环境改善中的应用

李 蕊

（沈阳赛思环境工程设计研究中心有限公司 辽宁沈阳 110016）

引言

波浪可以扰动河湖底泥，增加水体浊度，是直接降低河湖水体水质的根源，也是侵蚀岸线、滩涂的一个主要动力因素。近岸破碎波浪造成的掀沙，更是会危及堤岸安全[1]。同时，波浪还会破坏河岸带和湖滨带的水生植物，不但会使水生植物无法根植，而且可直接损毁河湖岸边已有的水生植物[2]。

在水环境治理中，水生植物因可通过多种途径有效去除水体中的污染物而成为水生生态系统良性运行的关键因素[3]。消浪防沙系统不但可消除风浪对河湖岸的影响，同时还能让水生植物免受近岸风浪的侵害。

康平卧龙湖湖水较浅、湖面较开阔，湖区年最大风速为14.5m/s，风浪条件较为恶劣。为给湖滨带内的水生植物初期生长创造良好条件，并保护湖滨带湿地不被风浪所淘刷，应在湖库区布设消浪防沙系统[4]。

1 浅水湖泊水生态现状分析

1.1 湖区蓄水量呈周期性减少

卧龙湖为我国典型浅水湖泊，流域地跨辽宁省康平县和内蒙古自治区科尔沁左翼后旗两省，流域面积为1729.2km²。卧龙湖流域在康平县境内面积为461.72km²，占流域总面积的26.7%，是辽宁省最大的平原淡水浅水湖泊，隶属于辽河流域[5]。卧龙湖的地理位置比较特殊，处于半干旱与半湿润气候、草原与森林植被的过渡带，属典型的农牧交错区，生态地位极为重要，是我国一级生态敏感带[6]。近年来，受降雨量减少等因素的影响，湖区的蓄水量呈周期性减少。而且，东马莲河、西马莲河上游分别建有散都水库、拦河坝等水利工事，为内蒙古科尔沁地区大面积灌区提供农灌用水，卧龙湖入湖流量被大量挤占，枯水期几近为零。

1.2 水生态系统退化

卧龙湖为浅水湖泊，水量的变化也会引起水位的大幅度波动。2012～2015 年，卧龙湖水位一直维持在88m 以上，而后连年的干旱导致水位急剧下降，至2019 年湖面几近干涸。水位的快速变化使挺水植物缺少适宜的生长条件，原有湖岸带内芦苇、香蒲等大型水生植物大量休眠、死亡，生态系统退化。植物死亡后未得到及时清理，浸泡在湖水中腐烂，持续释放污染物。湖区1.5～2.0m 的水深既无法形成大面积的挺水植物群落，又容易受到风浪扰动而使得透明度极低（仅14～17cm），沉水植物无法生长，水生态系统无法实现有效的净化调节作用。自2016 年，卧龙湖的水质开始变差，直至2019 年，水质均为劣V 类，主要超标因子为COD、BOD5等。

2 国内外技术研究现状

传统防波堤一般分为2 类，即直立堤和斜坡堤，是将港池区域与外海地区隔离的重要港工建筑物，可以保护港口免受波浪破坏。近年来，浮式防波堤因其方便安装、可进行水体交换、建造成本低等优点，被越来越广泛运用。浮筒式结构属于反射型刚性浮式防波堤的一种，但当多个浮筒进行简单组合后，又可变成柔性的多浮筒式浮式防波堤。当浮筒结构下方增加柔性网笼后，便形成一种新的板阻式结构，其消浪效果优于传统的箱板式浮式防波堤。

Koraim 等[7]通过建立规则波物理模型来研究浮箱的消浪性能，得出了透射系数随浮箱的相对宽度而变化的基本规律。Mani[8]在传统浮箱的底部安装了一排等间距的圆柱体，该结构在降低相对宽度0.15 的情况下，可实现透射系数＜0.5，降低了建造成本。杨彪等[9]研发了一种双浮箱－双水平板式浮堤，并在双浮箱下面安装了2 层水平板，利用模型实验研究了其水动力特性，结果表明水平板能有效提高浮堤的消浪性能，并显著减小了浮堤的运动响应。李娇娇等[10]提出一种新型组合浮囊型浮式防波堤，利用Flow-3D 软件进行计算，建立了合理的数值模型，研究相对宽度、相对吃水与透浪系数之间的关系，并详细分析了锚链系统的内力、结构运动等特性。赵东梁等[11]提出一种可种植挺水植物的浮式消浪装置，并研究得出植物在一定的密度和宽度下，能达到65%的消浪效率。

3 浮式消浪防沙系统类型选择

浮式消浪防沙系统是用于防御波浪入侵，形成掩蔽水域所需要的水工建筑物。系统一般位于湖泊水域的外围，可减少风浪、防止漂沙，为湖滨带内水生植物的生长环境提供足够的水深和平稳的水面。当遭遇极端大风天时，保证湿地结构不发生不可逆的破坏。同时，系统上部还可栽植水生植物，在消浪的同时恢复水生植被，为水生动物及微生物建立良好的生境，修复完整的水生态系统。

在构建合适的浮式消浪防沙系统时，必须考虑水文环境的复杂度。复杂度由植被的搭配、消浪浮体的类型与连接形式、拦淤帘的类型构成。植被搭配，包括植被的分层情况、每层中的物种组成、物种间的竞争作用、成熟株与幼龄株比例等等。消浪浮体的类型与连接形式，主要包括浮体与连接形式上的刚性浮体及柔性浮体的选择。拦淤帘，包括幕帘的材质亲水性、幕帘的软硬程度、幕帘的层数、每层幕帘的网孔大小以及搭配作用等。

在浮体消浪方面，刚性浮体比柔性浮体对波浪的消浪性能要高10%～20%，尤其在长波时，柔性浮体很容易随波逐流，需要有很宽的作用面才能产生效果，造价很高，而刚性浮体则更经济。综合投资与环境等因素考虑，建议选用刚性浮体更为经济。

水下拦沙，需要根据泥沙粒径来确定网孔的大小，泥沙粒径由μm 至mm 不等，在不阻挡水流的情况下截留泥沙，柔性的细孔网更具优势。所以在消浪的同时还需要有效拦截泥沙的情况下，需要浮体与柔性细孔拦沙网相结合，方为效果最佳。

综上所述，根据卧龙湖的水文、建设成本等情况，浮式消浪防沙系统的设计应采用刚性浮体与刚性连接的浮动湿地模块、柔性拦淤帘、抗倒伏的根系水生植物。

4 浮式消浪防沙系统设计

4.1 浮式消浪防沙系统组成

浮式消浪防沙系统的单元模块由上部水生植物、中部浮体基质、下部拦淤帘3 个部分组成，具体结构如图1 所示。

图1 浮式消浪防沙系统结构示意图

上部水生植物的主要功能是破碎波浪。水生植物高度可达2～4m，通过水生植物的密度和高度，来缓冲和破碎波浪能量，对风力进行阻挡，切断波浪的风力来源，从而间接保障植物到湖岸之间水体的波浪消减。同时，水生植物作为生产者，可为鸟类、鱼类、两栖类动物提供良好的觅食及栖息环境，构建完整的生态系统，增加生物多样性。另外，水生植物还可吸收水中的氮、磷等无机盐，净化水质。

中部浮体基质的主要功能是消减波浪、固定植物、附着微生物、净化水质。浮体基质主要由外部浮体框架与内部纤维基质2 部分组成。其中，外部浮体框架由高强度刚性浮体与不锈钢连接件组成，以保证浮体框架抗变形、抗冲击、抗冰冻，进而削弱波浪能量，降低波浪高度。内部纤维基质以耐候性强、抗拉强度高、使用年限久的弯曲纤维丝为主，从而加强植物根系与纤维丝的缠绕强度，自根部稳定植物群落，增加植物的抗风能力和抗波浪冲击能力，以切断波浪的风力来源并对波浪进行破碎化处理。同时，纤维基质间形成的超高孔隙率及自身强大的比表面积，使其可附着大量的微生物来分解水体中的有机污染物，以净化水质。

下部拦淤帘的主要功能是截留波浪流动带来的泥沙及悬浮物，缓解水体浑浊问题，同时结合水面浮体形成板网结构，通过水面与水下同时对波浪能量进行消减，以达到最佳的消浪效果。幕帘主要以土工材料为主，在水中具有一定的柔性，能够适应水流冲击并拦截水中颗粒物。幕帘的上部连接在浮动湿地模块底部，下部包裹重物以使幕帘自然垂直深入水底，保证拦截泥沙效果，通过多排浮体模块与多排幕帘不同网孔的设置，综合消减水面波浪能量及水下泥沙悬浮物，增加岸线的水土保持效果及水体清洁效果。

4.2 浮式消浪防沙系统单元设计

4.2.1 单元模块

浮式消浪防沙系统单元的结构上方为模块化浮动湿地，下方为拦沙幕帘，通过浮动湿地模块的拼接及组合布置，削弱波浪能量，实现波浪消减。四个边角浮动湿地模块采用不锈钢片进行模块内边角固定及模块之间相互连接。模块化浮动湿地与生态浮岛、浮床不同，不可用生态浮岛、浮床代替。浮式消浪防沙系统单元模块示意图见图2。

图2 浮式消浪防沙系统单元模块示意图

4.2.2 锚固系统设计

采用钢丝绳进行浮式消浪防沙系统与湖底之间的连接，并采用混凝土重力锚维持锚固系统的稳定。

4.2.3 植物配置与栽植

由于对消浪防沙缓冲带的植物一般要求选择生长量大、生长稳定、根系分布发达、耐淹、抗逆性强及抗蚀防崩能力较强的植物种类，同时应尽量以乡土本地种为主。综合考虑消浪防沙效果和景观效果，拟选芦苇、香蒲、千屈菜、黄菖蒲、狐尾藻等水生植物。浮动湿地上的植物栽植是以浮体内的轻质纤维材料作为基质来固定植株，让植物根系直接接触水体，并且苗的根系与基质互相缠绕在一起，基质可对苗木根系起到保温和保持苗木稳定直立的作用。

5 消浪防沙技术在卧龙湖的试点示范

据现场调研情况显示，卧龙湖区多年平均风速3.8m/s，最大风速23m/s，多年均大风日数27.7d，风向以偏SSW～NW 向为主。该风向的风区较长，达到了5～10km，风区越长，波浪会相应增加，因此可以推断SSW～NW 向的风浪会相对较大。也就是说，风浪主要会在卧龙湖的东北角汇集。为了更充分地检验浮式消浪防沙工程的效果，本项目选择卧龙湖的东北角作为试点示范区。结合湖区整治总体规划平面布置方案的要求，拟建的消浪防沙工程第一段长度为176m；第二段防波堤轴线与第一段轴线夹角约132°，长度为176m，堤的总长度为352m，水生植物种植面积830m2。通过对湖库区布设浮式消浪防沙系统，可加强湖库区的水土保持与河岸修复功能，是提升水环境承载力和实现生态扩容增量的有效手段，对于水岸保护、恢复水生态系统、实现人水和谐具有重要意义。

结论

浮式消浪防沙系统在浅水湖泊的实际应用较少，应充分考虑水深、波长、风向、泥沙粒径等因素，因地、因类优化组合，合理有效地确定其功能及适用的恢复措施。实施浮式消浪防沙系统的区域，应充分考虑湖岸水土保持修复工程的可操作性、实用性，以及技术、经济的合理性，并应有利于卧龙湖周边经济、环境的可持续发展。

项目实施后，在滨湖岸带形成50m 宽的水生植物带，将有效削弱波浪对岸体的冲刷。挺水植物带的形成将提升水体自净能力，使得环境质量得到改善，生态破坏得到有效控制，环境进一步净化、绿化和美化，环境质量同步得到改善。多种水生植物的花色、高度、形态能够形成丰富的水岸景观，流动的水体和植被带可以实现景观动与静的和谐统一，植被带的存在可以提高整个湖面景观的美学价值。植物的多样性能够成为湖库内景观的亮点，植物色彩和长势的多样性也能带来美好的视觉享受。