喬延龍殷小亞張正鑫

(1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072;2.天津市自然資源生態(tài)修復(fù)整治中心,天津300457;3.天津市水產(chǎn)研究所,天津300221;4.中國水產(chǎn)科學(xué)院 渤海水產(chǎn)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(jīng)濟(jì)貿(mào)易全球化進(jìn)程的加快,海岸帶成為資源開發(fā)利用和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體,是人類生產(chǎn)、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(jīng)濟(jì)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?；顒映蔀榫徑庋睾５貐^(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(chǎn)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(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)退化,嚴(yán)重威脅海岸帶區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

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

人工海岸生態(tài)化建設(shè)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(jìn)行綜合治理,仿真設(shè)計動物和植物生存環(huán)境,修復(fù)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(shè)對海洋資源可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能恢復(fù)具有重要作用[8-9]。為了加強(qiáng)污染源溯源和調(diào)控,80年代初,美國開始對切薩皮克海灣進(jìn)行跨區(qū)域綜合整治,利用模型調(diào)控Conowingo水庫的泥沙淤積和總磷排放量,對灣內(nèi)的環(huán)境治理和水質(zhì)修復(fù)起到了重要的作用[10]。20世紀(jì)70年代,日本政府對東京灣、瀨戶內(nèi)海和伊勢灣三個封閉性海域進(jìn)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(zhì)量,提升了海岸帶景觀效果[11]。通過海洋生態(tài)修復(fù)工程還可控制海洋生態(tài)環(huán)境惡化趨勢,減少赤潮、風(fēng)暴潮、海浪、海冰等自然災(zāi)害安全風(fēng)險,美國、日本、法國等發(fā)達(dá)國家對海岸資源環(huán)境整治修復(fù)進(jìn)行了深入的研究和工程示范[11],國內(nèi)外學(xué)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(fù)效果。Raudkivi和Dette[12]采用模型和實測數(shù)據(jù)建立了人工補(bǔ)沙、丁壩和嵌入式隔膜等海岸潮灘防護(hù)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(hù)預(yù)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(hù)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(biāo)對膠州灣東北部岸灘環(huán)境修復(fù)的必要性和可行性。人工海岸生態(tài)修復(fù)是一種海岸工程類型,也是海岸生態(tài)環(huán)境修復(fù)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(zhì)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(hù)體系,提出了我國海灘養(yǎng)護(hù)的理論與技術(shù)方法;王廣祿[18]研究了沙灘修復(fù)理論技術(shù),示范建設(shè)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(shè)理論技術(shù)和技術(shù)方法,結(jié)合淤泥質(zhì)人工海岸特點,總結(jié)提出了生態(tài)岸線整治修復(fù)技術(shù)、仿自然化處理設(shè)計、景觀構(gòu)建適宜性、人工海岸生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)化建設(shè)基礎(chǔ)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(fù)示范工程為例,重點闡述了生態(tài)化建設(shè)過程中,人工海岸生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)景觀構(gòu)建的方法要點和具體思路,以期為我國海岸帶整治修復(fù)和人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建提供借鑒。

1 理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法

1.1 生態(tài)岸線整治修復(fù)技術(shù)

基于生態(tài)修復(fù)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(fù)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(shù)和物理模擬技術(shù)的不斷應(yīng)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(bǔ)沙、可過式丁壩、嵌入式隔膜、人工補(bǔ)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(gòu)建生態(tài)型海岸設(shè)計和施工技術(shù)體系[19-21]。同時,利用海岸綠化植被移植技術(shù),在海岸堤后建設(shè)以濕地為中心空間的生態(tài)緩沖帶,養(yǎng)護(hù)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(shè)計

傳統(tǒng)人工海岸主要作為防護(hù)工程,主要發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)作用,生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能較弱。此外,海岸帶防護(hù)工程多采用混凝土構(gòu)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(hù)的要求,人工海岸在災(zāi)害防護(hù)基礎(chǔ)上增加了生態(tài)防護(hù)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(fù)、海灘養(yǎng)護(hù)、木質(zhì)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(jìn)行仿自然化的生態(tài)改造[22-24]。海岸帶防護(hù)工程經(jīng)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(wù)功能。

1.3 景觀構(gòu)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(yīng)。在新建和受損海岸帶整治修復(fù)過程中,利用岸線整治、生態(tài)補(bǔ)充等方式設(shè)置海岸帶景觀,構(gòu)建堤后生態(tài)廊道、岸堤生態(tài)防護(hù)帶、潮間帶景觀帶、修復(fù)和保護(hù)海岸地質(zhì)遺跡,提升海岸帶自然景觀和人文景觀效果。國內(nèi)學(xué)者分析國外沙灘養(yǎng)護(hù)方法,提出我國岸灘養(yǎng)護(hù)的理論與工程技術(shù)方法體系,在不同區(qū)域進(jìn)行岸灘修復(fù)方案設(shè)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(hù)地,保護(hù)岸線的地質(zhì)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(gòu)建人工海岸生態(tài)系統(tǒng)

人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建可降低海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的消失、破碎和退化風(fēng)險。在新建人工海岸和受損海岸整治修復(fù)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(hù)等方法,改善岸線及周邊水體環(huán)境質(zhì)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(shè)、植被移植等方式,構(gòu)建生態(tài)廊道,提升人工海岸陸域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。此外,海岸帶的植被及水生植物可發(fā)揮生物防護(hù)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(shè),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(jié)構(gòu),形成人工海岸生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)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(biāo)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(mào)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(cè)(圖1)。

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

研究區(qū)域?qū)儆诤：恿饔虮毕抵Я?、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(qiáng)的吸附作用,本底監(jiān)測結(jié)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(jìn)行岸線整治和修復(fù)。根據(jù)海洋生態(tài)文明建設(shè)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(gòu)建”為側(cè)重點,進(jìn)行圍填海區(qū)域人工海岸整治與修復(fù),構(gòu)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(diào)查

研究區(qū)域及周邊生態(tài)資源本底調(diào)查是重建人工海岸生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jìn)行本底調(diào)查,特別是調(diào)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(jìn)行調(diào)查,構(gòu)建研究區(qū)域生物資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。依據(jù)生態(tài)環(huán)境本底調(diào)查分析結(jié)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(shè)、景觀設(shè)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(shè)過程中,岸線沉積物環(huán)境是構(gòu)建生態(tài)海岸的基本要素。研究區(qū)域為粉砂、淤泥質(zhì)海底底質(zhì),對京津陸源排放污染物具有較強(qiáng)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(zhì)量和人工海岸地質(zhì)環(huán)境條件,增強(qiáng)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(zhì)量,增強(qiáng)岸堤淺灘對海洋生物群聚效應(yīng)。

2.3 海岸仿生加固

人工海岸岸坡生態(tài)化建設(shè)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(hù)岸的防潮標(biāo)準(zhǔn)及陸域標(biāo)高要求,首先檢測岸堤清理淤泥的含水量、高壓縮性及土質(zhì)特性,把岸堤淺灘清淤土方進(jìn)行綜合無害化處理及回填利用,經(jīng)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(dāng)增大塊石間距,仿生自然海岸帶的生態(tài)特征,構(gòu)造良好的水生生物棲息空間。

2.4 鹽漬化土壤修復(fù)

我國北方沿海土壤鹽漬化嚴(yán)重,人工海岸生態(tài)化建設(shè)需對回填鹽堿土壤進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。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(jìn)行室內(nèi)改良模擬研究,優(yōu)化改土培肥技術(shù)。其次,在研究區(qū)域土壤改良區(qū)鋪設(shè)一級排鹽管和二級集水管相結(jié)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(shè)若干強(qiáng)排井,優(yōu)化暗管排鹽技術(shù),更換項目示范區(qū)表層客土,集成有機(jī)肥與山皮砂等環(huán)境友好材料進(jìn)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(fù)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(gòu)建復(fù)層植物群落

根據(jù)海洋生態(tài)文明建設(shè)和“南紅北柳”濕地修復(fù)工程對濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)要求,以天津沿海濕地植物為出發(fā)點,基于生態(tài)適應(yīng)性和景觀園林適宜性,結(jié)合研究區(qū)域生物資源基礎(chǔ)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(nèi)外實驗,構(gòu)建植物抗鹽性生理指標(biāo)綜合評價體系,從植物學(xué)、分子生物學(xué)等方面對初步篩選出的植物進(jìn)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(yīng)性強(qiáng)、景觀效果突出的海岸帶景觀綠植,初步建立喬、灌、草復(fù)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(shè)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(gòu)建點線面結(jié)合的海岸帶生態(tài)綠色網(wǎng)格。研究區(qū)域生態(tài)廊道沿海岸線鋪設(shè),并與區(qū)域主干道相接,在加固岸基、土壤改良基礎(chǔ)上,建設(shè)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(jìn)行圍合,不同區(qū)段兩側(cè)栽植不同的植被組團(tuán),形成陸海一體海岸生態(tài)廊道系統(tǒng)。此外,在景觀綠地內(nèi),設(shè)計了微地形起伏,在廊道周邊建設(shè)海洋特色的景觀設(shè)施,重點路段細(xì)化植物配置,建造多個觀景平臺,適當(dāng)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(gòu)建生態(tài)防護(hù)帶,營造自然親海景觀

綜合岸堤結(jié)構(gòu)安全及生態(tài)景觀等因素,研究區(qū)域外側(cè)靠近河口水道岸堤采用上層生態(tài)連鎖塊與下層拋石結(jié)構(gòu),局部采用扭工石結(jié)構(gòu),內(nèi)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(hù)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(hù)坡,間隔設(shè)置親水踏步平臺。同時,在防浪墻內(nèi)側(cè)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(hù)防浪墻效果,美化堤頂景觀。在大堤內(nèi)坡種植草皮等植物,內(nèi)側(cè)青坎上種植灌、喬木,達(dá)到水土保持和美化景觀的作用。通過構(gòu)建多級人工海岸的生態(tài)防護(hù)帶,增強(qiáng)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(nèi)多層次、高綠量的植物景觀設(shè)計思路,構(gòu)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(gòu)架,形成具有生物棲息、游憩和生態(tài)效應(yīng)的海岸生態(tài)景觀格局。在人工海岸整治修復(fù)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(yīng)(圖2)。

3 結(jié) 語

人工海岸生態(tài)化建設(shè)涉及岸線類型多,環(huán)境本底條件復(fù)雜,生態(tài)修復(fù)內(nèi)容涉及多個專業(yè)領(lǐng)域,本文人工海岸生態(tài)化建設(shè)主要是從仿生工程角度,全面提升生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,根據(jù)生態(tài)學(xué)相關(guān)理論,海岸帶整治工程建設(shè)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(gòu)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(yīng)及景觀效應(yīng),可以為人工海岸生態(tài)化建設(shè)提供參考。

生態(tài)型海岸線空間構(gòu)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(gòu)建。研究區(qū)域以陸海統(tǒng)籌理念進(jìn)行人工海岸生態(tài)空間景觀整體規(guī)劃和生態(tài)化建設(shè),創(chuàng)新仿生施工工藝,有效改造人工海岸結(jié)構(gòu),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(wù)功能,構(gòu)建具有天津特色的海岸生態(tài)景觀。

海岸帶修復(fù)是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容,受損人工海岸須以生態(tài)結(jié)構(gòu)修復(fù)、堤岸仿自然化建造為主,輔以景觀綠化的合理設(shè)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(jié)構(gòu),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(wù)功能。

本文將上述理論應(yīng)用于天津永定新河口綜合整治修復(fù)工程,通過人工海岸生態(tài)化建設(shè),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(biāo)相協(xié)調(diào),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(gòu)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(yīng)用,在經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建全國人工河口海岸帶生態(tài)修復(fù)的示范區(qū)。