喬延龍殷小亞張正鑫

(1.天津大學 環(huán)境科學與工程學院,天津300072;2.天津市自然資源生態(tài)修復整治中心,天津300457;3.天津市水產研究所,天津300221;4.中國水產科學院 渤海水產研究中心,天津300221;5.天津市渤海海洋監(jiān)測監(jiān)視管理中心,天津300480)

隨著經濟貿易全球化進程的加快,海岸帶成為資源開發(fā)利用和區(qū)域經濟發(fā)展的重要載體,是人類生產、生活的重要聚集區(qū)域[1]。海岸帶作為陸地和海洋的過渡地帶,生態(tài)環(huán)境敏感度高,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[2]。在拓展海洋發(fā)展空間的過程中,海岸帶地區(qū)也是經濟發(fā)展的主要承載體,長期受到人類開發(fā)活動干擾,近岸海域圍填海活動成為緩解沿海地區(qū)土地供求矛盾的主要途徑[3]。圍填海工程侵占了自然岸線,通過截彎取直、平推和人工島等填海方式產生的人工岸線取代了自然岸線,近岸海域水動力條件、海洋環(huán)境發(fā)生改變,引發(fā)海岸侵蝕、濕地退化、航道淤積、赤潮頻發(fā)等生態(tài)環(huán)境問題,導致海洋生態(tài)系統(tǒng)退化,嚴重威脅海岸帶區(qū)域生態(tài)安全和經濟可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

從20世紀90年代開始,人工海岸生態(tài)化修復技術、臨海工業(yè)區(qū)海岸生態(tài)修復技術等用于受損海域、海島和海岸帶的整治修復示范工程。其中,重新構建海岸帶生態(tài)系統(tǒng)成為人工海岸空間整治和修復工程的關鍵內容。

人工海岸生態(tài)化建設是指利用數(shù)值模擬方法,對圍填海形成的人工海岸帶空間進行綜合治理,仿真設計動物和植物生存環(huán)境,修復受損岸線生態(tài)群落,形成新的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。大量的研究和工程評價表明,海岸生態(tài)化建設對海洋資源可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)服務功能恢復具有重要作用[8-9]。為了加強污染源溯源和調控,80年代初,美國開始對切薩皮克海灣進行跨區(qū)域綜合整治,利用模型調控Conowingo水庫的泥沙淤積和總磷排放量,對灣內的環(huán)境治理和水質修復起到了重要的作用[10]。20世紀70年代,日本政府對東京灣、瀨戶內海和伊勢灣三個封閉性海域進行環(huán)境治理,通過近岸海域污染物控制,岸線灘涂整治等措施,改善海洋生態(tài)環(huán)境質量,提升了海岸帶景觀效果[11]。通過海洋生態(tài)修復工程還可控制海洋生態(tài)環(huán)境惡化趨勢,減少赤潮、風暴潮、海浪、海冰等自然災害安全風險,美國、日本、法國等發(fā)達國家對海岸資源環(huán)境整治修復進行了深入的研究和工程示范[11],國內外學者也開展了很多研究工作,通過仿生工程方法提升海岸防御水平和生態(tài)修復效果。Raudkivi和Dette[12]采用模型和實測數(shù)據(jù)建立了人工補沙、丁壩和嵌入式隔膜等海岸潮灘防護方法;季耀華等[13]提出了針對山東飛雁灘油田岸灘侵蝕的多種海岸防護預案;蔡峰等[14]基于大埕灣沿岸輸沙率和岸線變化特點,揭示了沿岸泥沙遷移特征、岸灘沖淤動態(tài)以及海岸的演變趨勢,為岸灘的防護提出了建議。董吉田和呂常五[15]研究了海洋動力、生態(tài)、水量平衡指標對膠州灣東北部岸灘環(huán)境修復的必要性和可行性。人工海岸生態(tài)修復是一種海岸工程類型,也是海岸生態(tài)環(huán)境修復研究的新方向,還可顯著提升海岸帶景觀效果。耿寶磊等[16]研究淤泥質海灣清淤疏浚的水沙動力過程,利用海灣疏浚物重建濱海濕地;張振克[17]基于美國沙灘養(yǎng)護體系,提出了我國海灘養(yǎng)護的理論與技術方法;王廣祿[18]研究了沙灘修復理論技術,示范建設了廈門香山鄄長尾礁人造沙灘工程,海岸帶景觀改善較為顯著。

本文綜合研究了生態(tài)文明背景下人工海岸建設理論技術和技術方法,結合淤泥質人工海岸特點,總結提出了生態(tài)岸線整治修復技術、仿自然化處理設計、景觀構建適宜性、人工海岸生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)化建設基礎理論,并以中央分成海域使用金支出項目天津市永定新河口綜合整治修復示范工程為例,重點闡述了生態(tài)化建設過程中,人工海岸生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)景觀構建的方法要點和具體思路,以期為我國海岸帶整治修復和人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構建提供借鑒。

1 理論基礎和技術方法

1.1 生態(tài)岸線整治修復技術

基于生態(tài)修復理論,通過人工整治措施,塑造新建和受損海岸帶的自然岸線特征,恢復和形成新的海岸帶生態(tài)功能。隨著海岸水沙沖淤數(shù)值模擬技術和物理模擬技術的不斷應用,利用大型水槽模擬海岸泥沙沖淤的波浪、潮汐水動力過程,分析純波和波流共同作用下,人工補沙、可過式丁壩、嵌入式隔膜、人工補沙等岸堤工程對海岸線變化的影響,海岸沖淤形態(tài)和演化趨勢,構建生態(tài)型海岸設計和施工技術體系[19-21]。同時,利用海岸綠化植被移植技術,在海岸堤后建設以濕地為中心空間的生態(tài)緩沖帶,養(yǎng)護海岸帶生態(tài)環(huán)境,提升海岸生物多樣性,使人工海岸形成與自然狀態(tài)相近的海岸形態(tài)。

1.2 仿自然化處理設計

傳統(tǒng)人工海岸主要作為防護工程,主要發(fā)揮防災減災作用,生態(tài)環(huán)境保護功能較弱。此外,海岸帶防護工程多采用混凝土構件或拋石施工工藝,對海岸帶生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞。隨著海岸帶資源綜合開發(fā)和環(huán)境保護的要求,人工海岸在災害防護基礎上增加了生態(tài)防護功能,通過土方回填、地形改造等措施,實施岸線“去直還彎”,采用沙丘修復、海灘養(yǎng)護、木質丁壩、沼澤植被、人工魚礁、移動式海堤等生態(tài)工程手段對海岸帶進行仿自然化的生態(tài)改造[22-24]。海岸帶防護工程經過仿自然化處理后,為海洋生物提供良好的棲息環(huán)境,生物資源量增加,逐漸形成自然型海岸基本特征,提升海岸帶生態(tài)服務功能。

1.3 景觀構建適宜性

生態(tài)型海岸需具備物理、生態(tài)和文化三大功能,需兼顧海岸帶景觀效應。在新建和受損海岸帶整治修復過程中,利用岸線整治、生態(tài)補充等方式設置海岸帶景觀,構建堤后生態(tài)廊道、岸堤生態(tài)防護帶、潮間帶景觀帶、修復和保護海岸地質遺跡,提升海岸帶自然景觀和人文景觀效果。國內學者分析國外沙灘養(yǎng)護方法,提出我國岸灘養(yǎng)護的理論與工程技術方法體系,在不同區(qū)域進行岸灘修復方案設計,工程實施后有效緩解岸灘侵蝕,利用清淤疏浚物重建濱海濕地[25-26]。此外,在沿海生態(tài)敏感海岸帶劃定自然保護地,保護岸線的地質地貌特征及人類活動遺址的完整性和原生性,增加人工海岸景觀空間,豐富了人工海岸的季相景觀,提高海岸帶景觀效果。

1.4 構建人工海岸生態(tài)系統(tǒng)

人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構建可降低海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的消失、破碎和退化風險。在新建人工海岸和受損海岸整治修復過程中,運用投放人工魚礁、底播大型海藻、增殖海洋生物、種植海草床養(yǎng)護等方法,改善岸線及周邊水體環(huán)境質量,增加水生生物種類和資源量,提升海洋生物多樣性水平,保持海岸帶及周邊水域生態(tài)系統(tǒng)平衡[27-29],同時,采取土壤改良、景觀建設、植被移植等方式,構建生態(tài)廊道,提升人工海岸陸域生態(tài)系統(tǒng)服務功能。此外,海岸帶的植被及水生植物可發(fā)揮生物防護作用,發(fā)揮消波緩流和消浪固沙作用,防止海岸帶景觀破碎化?；谌斯ず０逗Ｓ蚝完懹蛏鷳B(tài)化建設,可增加生物種類和數(shù)量,提高生物多樣性水平,改善群落結構,形成人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構建新思路。

2 案例分析

天津濱海新區(qū)地處華北平原北部,地理坐標為117°20′～118°00′E,38°40′～39°00′N,位于山東半島與遼東半島交匯處,西與天津市中心城區(qū)相接,東面毗鄰渤海,南依河北省滄州市,北靠河北省唐山市,是北方首個自由貿易試驗區(qū)、全國綜合配套改革試驗區(qū)、國家自主創(chuàng)新示范區(qū),常住人口300萬,面積2 270 km2,海岸線長153 km。南運河、子牙河、大清河、永定河和北運河五大海河支流從天津濱海新區(qū)匯合入海,區(qū)域岸線具有河口、海岸濕地、淺海灘涂等多種生態(tài)系統(tǒng),自然地理景觀多樣性豐富。永定新河口綜合整治項目地處渤海灣北部灣頂淺海區(qū),屬于填海造陸區(qū),位于濱海新區(qū)南部,永定新河口北側(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)域屬于海河流域北系支流、是永定河、潮白河、北運河、薊運河四條支流的共同入海河道,也是海陸相互作用最活躍的地區(qū),海岸灘涂寬闊平坦,岸灘分帶明顯,在灘涂表面覆蓋有很厚的松軟粉砂或淤泥。此外,入海河口是北京和天津重要的排污口,河口區(qū)沉積物有較強的吸附作用,本底監(jiān)測結果表明,研究區(qū)域岸灘污染物富集程度高,特別是硫化物、重金屬等污染物含量較高。近年來圍填海工程實施對海岸帶及后方陸域有不同程度影響,河口岸線變化較大且未進行岸線整治和修復。根據(jù)海洋生態(tài)文明建設和生態(tài)宜居城市要求,永定新河口岸線綜合整治項目以“海岸帶生態(tài)系統(tǒng)重新構建”為側重點,進行圍填海區(qū)域人工海岸整治與修復,構建人工海岸的生態(tài)功能和景觀功能,實現(xiàn)人工海岸的自然化、生態(tài)化、景觀化。

2.1 區(qū)域資源環(huán)境調查

研究區(qū)域及周邊生態(tài)資源本底調查是重建人工海岸生態(tài)系統(tǒng)的基礎條件。對研究區(qū)域水文、水動力、沉積物、土壤、水生生物等生態(tài)資源進行本底調查,特別是調查研究區(qū)域周邊環(huán)境相近且未開發(fā)區(qū)域中的自然群落進行調查,構建研究區(qū)域生物資源基礎數(shù)據(jù)庫。依據(jù)生態(tài)環(huán)境本底調查分析結果,為后期篩選陸域植物和海域增殖水生生物提供參考依據(jù),為人工海岸生態(tài)化建設、景觀設計等提供數(shù)據(jù)資料。

2.2 岸堤淺灘清淤

在海岸帶生態(tài)化建設過程中,岸線沉積物環(huán)境是構建生態(tài)海岸的基本要素。研究區(qū)域為粉砂、淤泥質海底底質,對京津陸源排放污染物具有較強的吸附和沉降作用,致使永定新河口生態(tài)系統(tǒng)長期處于亞健康和不健康狀態(tài)。通過實施海岸帶淺灘清淤,改善永定新河河口沉積物質量和人工海岸地質環(huán)境條件,增強岸堤水體循環(huán)流動,提升局部水體自身凈化能力,提高海洋生物棲息環(huán)境質量,增強岸堤淺灘對海洋生物群聚效應。

2.3 海岸仿生加固

人工海岸岸坡生態(tài)化建設分為岸基加固、岸坡加固與成型兩部分。研究區(qū)域按照海岸帶護岸的防潮標準及陸域標高要求,首先檢測岸堤清理淤泥的含水量、高壓縮性及土質特性,把岸堤淺灘清淤土方進行綜合無害化處理及回填利用,經過土方的排水和加壓,岸基得到有效加固。岸坡處理采取分層、分段的緩坡施工工藝,建成生態(tài)連鎖塊岸堤和自然拋石岸堤,增加了岸坡的穩(wěn)固性。其中,在人工海岸堤底拋石加固過程中,創(chuàng)新仿生施工工藝,采用漿砌方式,固定岸坡塊石底部,同時塊石間留有適度自然空隙,并適當增大塊石間距,仿生自然海岸帶的生態(tài)特征,構造良好的水生生物棲息空間。

2.4 鹽漬化土壤修復

我國北方沿海土壤鹽漬化嚴重,人工海岸生態(tài)化建設需對回填鹽堿土壤進行生態(tài)修復。首先依據(jù)研究區(qū)域土壤特點,利用營養(yǎng)鹽運移、滲透系數(shù)和土壤鹽土運移規(guī)律,對人工海岸鹽漬化土壤進行室內改良模擬研究,優(yōu)化改土培肥技術。其次,在研究區(qū)域土壤改良區(qū)鋪設一級排鹽管和二級集水管相結合的控堿體系,包含種植土、淋層、排鹽溝、集水管、排鹽管、排鹽井(觀測井),同步建設若干強排井,優(yōu)化暗管排鹽技術,更換項目示范區(qū)表層客土,集成有機肥與山皮砂等環(huán)境友好材料進行培肥,通過深耕等措施保證土壤中有益微生物生長。通過鹽漬化土壤修復實施,為研究區(qū)域植物生長提供良好的土壤條件。

2.5 選配耐鹽堿植被,構建復層植物群落

根據(jù)海洋生態(tài)文明建設和“南紅北柳”濕地修復工程對濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復要求,以天津沿海濕地植物為出發(fā)點,基于生態(tài)適應性和景觀園林適宜性,結合研究區(qū)域生物資源基礎數(shù)據(jù)庫,初步篩選適合研究區(qū)域環(huán)境條件的綠植樹種,通過室內外實驗,構建植物抗鹽性生理指標綜合評價體系,從植物學、分子生物學等方面對初步篩選出的植物進一步篩選,最終確定灌木樹種,同時移植耐鹽堿的景觀草本花卉、草坪,搭配適應性強、景觀效果突出的海岸帶景觀綠植,初步建立喬、灌、草復層混交的植物群落,形成了層次豐富的人工海岸植物景觀屏障。

2.6 設計生態(tài)廊道,提升生態(tài)景觀多樣性

生態(tài)廊道是以海岸帶為主體區(qū)域,把綠地、綠植、岸堤、景觀點和道路連通起來,構建點線面結合的海岸帶生態(tài)綠色網格。研究區(qū)域生態(tài)廊道沿海岸線鋪設,并與區(qū)域主干道相接,在加固岸基、土壤改良基礎上,建設集水型海岸景觀綠地,移栽本地植物和耐旱植物以及冷季型草坪,以帶狀樹群進行圍合,不同區(qū)段兩側栽植不同的植被組團,形成陸海一體海岸生態(tài)廊道系統(tǒng)。此外,在景觀綠地內,設計了微地形起伏,在廊道周邊建設海洋特色的景觀設施,重點路段細化植物配置,建造多個觀景平臺,適當增加道路曲折度,營造具有天津特色的海岸生態(tài)廊道景觀。

2.7 構建生態(tài)防護帶,營造自然親海景觀

綜合岸堤結構安全及生態(tài)景觀等因素,研究區(qū)域外側靠近河口水道岸堤采用上層生態(tài)連鎖塊與下層拋石結構,局部采用扭工石結構,內部景觀水域岸堤采用干砌石形式,并適度做放坡處理,上坡面采用柵欄板護坡與砼框箱,栽植覆土植物,采取間隔交替布置,下坡采用翼型塊體的護坡,間隔設置親水踏步平臺。同時,在防浪墻內側與路面的隔離帶,種植低矮的綠色植物,靠近防浪墻處種植爬山虎,起到防護防浪墻效果,美化堤頂景觀。在大堤內坡種植草皮等植物,內側青坎上種植灌、喬木,達到水土保持和美化景觀的作用。通過構建多級人工海岸的生態(tài)防護帶,增強人工海岸的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)多樣性。

2.8 優(yōu)化生態(tài)景觀格局,維持群落自循環(huán)

根據(jù)天津濱海旅游區(qū)海岸整體生態(tài)特色,研究區(qū)域布局以生態(tài)廊道為主體,采用有限空間內多層次、高綠量的植物景觀設計思路,構建步行棧道景觀化、岸堤立體生態(tài)化、植被群落層次化海岸帶空間景觀構架,形成具有生物棲息、游憩和生態(tài)效應的海岸生態(tài)景觀格局。在人工海岸整治修復后,改善研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境,提高物種多樣性,融合自然氣息,形成植物空間多層次、高綠量的生態(tài)系統(tǒng),具有自我平衡、自我循環(huán)、相互作用特點,優(yōu)化提升河口濕地區(qū)域的人工海岸帶景觀生態(tài)格局和生態(tài)環(huán)境效應(圖2)。

3 結 語

人工海岸生態(tài)化建設涉及岸線類型多,環(huán)境本底條件復雜,生態(tài)修復內容涉及多個專業(yè)領域,本文人工海岸生態(tài)化建設主要是從仿生工程角度,全面提升生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能,根據(jù)生態(tài)學相關理論,海岸帶整治工程建設采用仿自然環(huán)境處理方式,改良鹽漬化土壤,優(yōu)化海岸仿生施工工藝,因地制宜地構建人與自然和諧的海洋生態(tài)景觀,有利于提升人工海岸生態(tài)效應及景觀效應,可以為人工海岸生態(tài)化建設提供參考。

生態(tài)型海岸線空間構建,特別是人工海岸生態(tài)化過程中,需要統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)境治理和生態(tài)景觀構建。研究區(qū)域以陸海統(tǒng)籌理念進行人工海岸生態(tài)空間景觀整體規(guī)劃和生態(tài)化建設,創(chuàng)新仿生施工工藝,有效改造人工海岸結構,增加水體交換及循環(huán),提高永定新河河口區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服務功能,構建具有天津特色的海岸生態(tài)景觀。

海岸帶修復是生態(tài)文明建設的重要內容,受損人工海岸須以生態(tài)結構修復、堤岸仿自然化建造為主,輔以景觀綠化的合理設計與配置,將鹽堿土壤改良、植物篩選、堤岸仿生處理等納入人工海岸生態(tài)空間布局,突出河口岸線的區(qū)域生態(tài)特點,合理配置生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)級物種組成模式,優(yōu)化生物群落結構,增加人工海岸生物多樣性,從而更好地維持和發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

本文將上述理論應用于天津永定新河口綜合整治修復工程,通過人工海岸生態(tài)化建設,改善人工海岸生態(tài)環(huán)境,有效提升了示范區(qū)景觀效果,并與區(qū)域生態(tài)宜居的規(guī)劃目標相協(xié)調,初步形成了基于陸海統(tǒng)籌理念的人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構建新思路。因此,可在天津濱海旅游區(qū)永定新河河口地區(qū)推廣應用,在經驗積累的基礎上,創(chuàng)建全國人工河口海岸帶生態(tài)修復的示范區(qū)。