高抒, 賈建軍, 于謙

1. 海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室, 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210023;

2. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室, 上海 200241

綠色海堤(或稱生態(tài)海堤)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程與生態(tài)系統(tǒng)共同組合而成的新型海堤(Temmerman et al, 2013; 張華 等, 2015; Morris et al, 2018)。氣候變化研究表明, 本世紀(jì)海面上升、風(fēng)暴加劇的趨勢已經(jīng)明朗化, 而傳統(tǒng)海堤工程難以解決未來建設(shè)成本過高問題, 并且與生態(tài)保護(hù)有相當(dāng)程度的沖突。綠色海堤的核心思想首先是利用生態(tài)系統(tǒng)消耗掉一部分風(fēng)暴浪能量, 輔助硬質(zhì)海堤擋水抗浪, 其次是減輕波浪損毀, 對硬質(zhì)結(jié)構(gòu)本身提供保護(hù), 最后是促進(jìn)生態(tài)修復(fù), 提升海岸帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(高抒, 2020)(圖1)。

海堤的防護(hù)功能主要是針對低地海岸, 大多與泥質(zhì)沉積物堆積而成的潮灘有關(guān)。德國-荷蘭北海、英國沃什灣和我國江蘇海岸是潮灘的典型研究區(qū)(Van Straaten et al, 1958; Evans, 1965; Gao, 2019), 再加上世界各地潮灘(包括典型潮灘與典型海灘之間的過渡類型)(Fan, 2012), 其沉積過程和地貌演化已有大量報道。海灘和基巖海岸雖然也有防護(hù)需求, 但在程度上不可比擬; 另一方面, 由于海堤形態(tài)和堤前侵蝕過程具有相似性, 因此關(guān)于波浪侵蝕、均 衡剖面、地貌演化(King, 1972; Sunamura, 1992; Komar, 1998)的研究結(jié)果對海堤設(shè)計極具參考價值。

海岸尤其是河流三角洲海岸, 其生態(tài)系統(tǒng)所依賴的空間大多是由潮灘所提供的, 而且潮灘本身也是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分(Reise, 2001)。與綠色海堤相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)主要有鹽沼、紅樹林、生物礁(珊瑚礁、牡蠣礁等)。鹽沼主要分布在溫帶海岸, 是鹽生草本植物為優(yōu)勢生物群落所構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)(Mitsch et al, 2000)。紅樹林生長于熱帶、亞熱帶及南溫帶, 可以在潮汐和波浪共同作用的區(qū)域生長, 以喬木、小喬木、灌木為主(林鵬, 2001; Woodroffe, 2002; Rajpar et al, 2014)。生物礁在熱帶以珊瑚礁為典型(Fagerstrom, 1987), 珊瑚生活在水體清澈、波浪作用為主的熱帶區(qū)域, 能夠很好地抵抗波浪作用。在中緯度地區(qū), 牡蠣礁最為常見(張璽 等, 1959; Wang et al, 1997), 貽貝和藤壺等也可形成小規(guī)模的礁體(朱愛意 等, 2006; 李潤祥 等, 2014)。

本文將以低地海岸的綠色海堤為主題, 總結(jié)綠色海堤的環(huán)境動力學(xué)原理, 并提出未來需進(jìn)一步研究的問題。闡述和分析的要點為: 1) 綠色海堤所面對的風(fēng)暴增水、風(fēng)暴大浪和岸線侵蝕問題(主要針對潮灘環(huán)境, 關(guān)于海灘的論述僅限于與海堤建設(shè)相關(guān)的內(nèi)容); 2) 近岸水域和岸線附近沉積地貌的消浪作用; 3) 鹽沼、紅樹林和生物礁的消浪作用; 4) 綠色海堤工程優(yōu)化途徑及所需研究的科學(xué)和技術(shù)問題。

1 風(fēng)暴期間的海岸水動力特征

1.1 風(fēng)暴潮與極端天氣事件的聯(lián)系

颶風(fēng)、臺風(fēng)、冬季風(fēng)暴等極端天氣引發(fā)風(fēng)暴潮, 并伴隨著大浪(Wells, 2012)。風(fēng)暴增水可以淹沒低地, 尤其是在特大風(fēng)暴潮和天文大潮疊加的情形之下, 而對于海堤安全而言風(fēng)暴大浪是最大的威脅。

風(fēng)暴潮使低地海岸水域和潮間帶出現(xiàn)強流、大浪。正常天氣下潮間帶的水流是漲落潮水體運動造成的, 潮間帶中下部的流速一般小于1m·s-1, 且漲潮流速大于落潮流速, 有利于砂質(zhì)物質(zhì)的向岸輸運; 而上部泥灘的流速大多小于0.2m·s-1, 有利于細(xì)顆粒物質(zhì)的落淤, 因此潮灘是一個淤積的環(huán)境(Gao, 2019)。但風(fēng)暴潮發(fā)生時的情況就不同了, 水位的上升使進(jìn)入潮間帶的水量大幅度增加, 加上波浪的作用, 潮間帶下部發(fā)生強烈沖刷, 而潮間帶上部發(fā)生快速堆積(趙秧秧 等, 2015); 在建有海堤的地方, 潮間帶上部被圍墾, 缺失了原先自然狀況下的高灘部分, 于是灘面發(fā)生整體沖刷。與此同時, 風(fēng)暴發(fā)生時, 近海陸架區(qū)波浪浪高可達(dá)6～10m, 傳播到近岸和潮間帶仍有很大能量, 可造成海堤嚴(yán)重?fù)p毀(陳才俊, 1991)。

1.2 風(fēng)暴增水及其控制因素

風(fēng)暴潮發(fā)生是與低氣壓、風(fēng)應(yīng)力、地形因素和科氏力相聯(lián)系的。歐洲北海1953 年1 月的風(fēng)暴潮研究較為深入, 可作為典型案例來分析(Wells, 2012)。

海面上的氣壓如果下降 1mbar, 則海面上升1cm。強度較大的風(fēng)暴潮事件, 伴隨著幾十個mbar的氣壓下降。歐洲北海1953 年風(fēng)暴潮期間, 氣壓低于當(dāng)?shù)仄骄?2mbar, 由此造成的水位上升幅度為0.42m。然而, 該次風(fēng)暴潮的實際風(fēng)暴增水達(dá)到了3.2m, 可見低氣壓不是增水的主控因素。

風(fēng)應(yīng)力的作用要遠(yuǎn)大于低氣壓的作用。假定風(fēng)應(yīng)力的大小為τ, 風(fēng)的方向為由海向陸, 把水體送往岸邊, 使得岸邊的水位上升; 而水位上升又造成水面向海傾斜, 使海水產(chǎn)生向海流動的趨勢。當(dāng)風(fēng)應(yīng)力和水面坡度力達(dá)成平衡的時候, 風(fēng)應(yīng)力與水面坡度之間的關(guān)系為:

式中: dη/dx為水面坡度(η為增水幅度,x為水平距離),τ為風(fēng)應(yīng)力,ρ為海水密度,g為重力加速度,h為水深。要注意的是, 風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)速的平方成正比, 所以當(dāng)風(fēng)力很大時, 風(fēng)應(yīng)力快速提升。歐洲北海1953年風(fēng)暴潮期間, 風(fēng)應(yīng)力約為0.9N·m-2, 水面坡度約為2.2×10-6, 水深平均為40m, 風(fēng)暴作用區(qū)域南北距離為600km。因此, 根據(jù)式(1), 北向風(fēng)作用下北海南部水域的增水幅度為1.3m。這個數(shù)據(jù)仍然小于實際值, 其原因是式(1)沒有考慮風(fēng)應(yīng)力和地形的共同作用。

對于狹長形海灣, 如果水深向灣頂逐漸變淺, 則式(1)應(yīng)改寫為:

式中:h0為x= 0 處(位于灣口,x的方向由灣口指向灣頂)的水深, tanα為海底床面的坡度。

在地形寬闊的海灣, 風(fēng)暴潮運動受到地球自轉(zhuǎn)(科氏力)的影響, 此時在北半球運動方向向右偏轉(zhuǎn), 正壓條件下物理海洋學(xué)的控制方程中要包含科氏力因子:

式中:f為科氏力因子,u和v為流速的x和y方向分量(即東西和南北分量),τx和τy為風(fēng)應(yīng)力的x和y方向分量。從式(3)、(4)中可解出水面高程為時間和地點的函數(shù), 當(dāng)風(fēng)暴作用時間足夠長并達(dá)到均衡態(tài), 此時的水位就代表風(fēng)暴增水高度。

從歐洲北海的案例中獲得的風(fēng)暴潮增水計算方法, 需要考慮氣壓、風(fēng)力、地形和科氏力等變量。地形因素的影響以孟加拉灣最為典型, 此處的風(fēng)暴潮形成于印度洋, 在向北傳輸時遇到逐漸束窄的地形, 單位寬度上的水流能量聚集于越來越小的范圍, 一部分動能轉(zhuǎn)化為勢能, 到了灣頂水位就會大幅提高。孟加拉灣歷史上記錄到的最大風(fēng)暴增水超過7m, 也是全球風(fēng)暴潮災(zāi)最劇烈的區(qū)域(Flierl et al, 1972)。

1.3 風(fēng)暴潮伴隨的大浪

風(fēng)暴潮發(fā)生時, 往往伴隨著大浪。在天然海岸環(huán)境中, 風(fēng)暴浪的爬高可達(dá)8m 以上, 在海岸沙丘上出現(xiàn)的風(fēng)暴沉積是波浪爬高帶來的堆積體(Donnelly et al, 2006)。

波浪能量的耗散方式對海堤安全也有很大的影響。在天然海灘條件下, 波能的耗散主要有三種形式: 底床摩擦力、波浪破碎和沉積物輸運。波浪從外海向岸傳播, 沿程受到海底床面的阻力, 損耗部分能量, 其表現(xiàn)是沿著傳播方向, 波浪的形態(tài)發(fā)生改變, 到近岸處波高增大、波長變短, 最終在岸邊發(fā)生波浪破碎。此后波能全部轉(zhuǎn)化為動能, 在海灘上表現(xiàn)為沿灘面上沖的水流, 破波水流提供了沉積物輸運和海灘地形改變的能量。

對于基巖海岸, 波浪破碎將發(fā)生床面侵蝕, 使灘面高程降低, 侵蝕范圍向岸進(jìn)一步擴(kuò)大, 形成海蝕穴和海蝕崖(Sunamura, 1992)。穴狀形態(tài)一旦形成, 可引發(fā)更加嚴(yán)重的侵蝕: 快速上涌的波浪水流覆蓋住海蝕穴的口門, 致使其內(nèi)部的空氣被壓縮, 巖縫中空氣壓力可使巖塊松動, 洞穴會進(jìn)一步擴(kuò)大。最終, 上部的巖層垮塌, 形成海蝕崖。

與海灘和基巖海岸類似的機(jī)制也可在海堤堤前起作用。如果海堤的基礎(chǔ)不夠深, 當(dāng)?shù)糖俺练e物遭受沖刷、灘面充分降低時, 也會形成海蝕穴式地形。為了防止底部侵蝕, 海堤的基礎(chǔ)要相當(dāng)深。例如, 對于波周期為10s 的波浪, 海堤基礎(chǔ)需要深達(dá)海面之下15.6m 處(Silvester et al, 1993)。此外, 海堤面上的任何薄弱部分都可能成為沖刷過程的開始, 波浪破碎釋放的能量一旦造成局部的損毀, 接下來損毀會迅速加劇。

就波浪能量耗散而言, 平常天氣和風(fēng)暴天氣下的狀態(tài)很不相同, 風(fēng)暴大浪的能量比平常大得多。波能密度(單位面積上的波浪總能量)與波高的平方成正比(Kamphuis, 2000):

式中:ED為波能密度,ρ為海水密度,g為重力加速度,H為波高。在外海, 如果平常天氣的波高為1m, 臺風(fēng)時為8m, 那么波能就有64 倍的差異！風(fēng)暴大浪破碎產(chǎn)生的上沖流和回流強度將大幅度提高, 在這樣強大的水流面前, 海堤損毀或海堤基礎(chǔ)侵蝕更易發(fā)生, 因此海堤本身也是需要保護(hù)的對象。

2 海岸侵蝕機(jī)制

2.1 海岸侵蝕的標(biāo)志: 岸線動態(tài)

防治海岸侵蝕是海堤的功能之一, 同時海岸侵蝕也影響海堤自身的安全。因此, 了解海岸侵蝕機(jī)制, 對于綠色海堤建設(shè)是至關(guān)重要的。

海岸侵蝕的發(fā)生是由于沉積物的虧損。當(dāng)一塊海岸區(qū)域的沉積物總量減少而使平均地面高程下降時, 稱之為“侵蝕”, 反之則稱之為“堆積”。侵蝕強度是由高程下降的速率來刻畫的, 通常用負(fù)值表示侵蝕速率, 而堆積強度則用正值表示。

有些情形下海岸侵蝕或淤積可從地貌形態(tài)特征上看出, 但并非都是那么易于判斷。首先要確定近岸水域中海岸帶的范圍, 該范圍是指受到陸海相互作用影響較大的區(qū)域。海岸帶范圍其實很難確定, 因此在操作層面上, 人們往往根據(jù)實用的目的來劃分海岸帶(Haslett, 2000)。例如, 為了海岸帶管理的目標(biāo), 將海岸帶定義為波浪、潮汐等海洋動力能夠作用到的上界與波浪基面(波浪能夠擾動沉積物的最大水深處)之間的區(qū)域。在上個世紀(jì)進(jìn)行的我國海岸帶與海涂資源綜合調(diào)查中, 曾把海岸帶范圍定為岸線向陸10km、向海至水深15m 之間的區(qū)域(任美鍔, 1986)。可見, 海岸帶沒有統(tǒng)一、絕對的定義, 這對于侵蝕或堆積狀況的判定也帶來了不確定性。

侵蝕或淤積的判斷還面臨另一個困難: 目前全球海面處于上升階段, 其效應(yīng)就如同地面下降。因此, 在沒有發(fā)生沉積物虧損的地方, 海面上升帶來了貌似“侵蝕”的結(jié)果。這一情形與沉積物收支無關(guān), 而與海面變化速率有關(guān), 由此定義的侵蝕和堆積也與前述的概念有矛盾或不一致。

為了避免上述困難, 一般情況下表述海岸的沖淤動態(tài)時, 不再使用平均侵蝕或堆積速率, 而是以海岸線動態(tài)為標(biāo)志。海岸線是大潮高潮位處的海陸分界線, 當(dāng)其向陸后退時, 稱為海岸沖刷, 而當(dāng)其向海推進(jìn)時, 稱為海岸淤長。沖刷或淤長的速率通常以m·a-1為物理單位。與高程變化速率相比, 岸線進(jìn)退速率的測量要相對容易一些, 例如遙感圖像再結(jié)合現(xiàn)場高程測量就能確定岸線位置, 而且根據(jù)遙感影像的時間序列分析可以方便地算出岸線位置的進(jìn)退速率。在自然狀況下, 岸線進(jìn)退確實指示了海岸地貌變化動態(tài), 但在人為干預(yù)的地方, 岸線位置被工程措施所固定, 自然狀態(tài)的岸線后退無法被觀測到, 這種情形為“人工穩(wěn)定的海岸”。

2.2 岸線動態(tài)的影響因素

岸線動態(tài)表達(dá)為岸線位置的進(jìn)退速率時, 需要獲得多個時刻的岸線位置信息。前已述及, 這可以通過觀測而實現(xiàn)。從岸線進(jìn)退機(jī)制的角度看, 它決定于兩個因素, 一是沉積物收支平衡, 二是垂直于岸線的剖面形態(tài)。圖2 顯示了這兩個因素作用下岸線動態(tài)的4 種情形。換言之, 如果這兩個因素能夠定量地表達(dá), 則岸線位置可通過計算而得。

沉積物收支平衡可表達(dá)如下:

式中:dM/dt為沉積物總量隨時間的變化率(M為沉積物總量),I和O分別為單位時間內(nèi)的沉積物輸入量和輸出量,均可表達(dá)為與M無關(guān)和有關(guān)的兩個部分,即:

式中:P1、Q1、P2、Q2均為時間的函數(shù), 而f1和f2是與M有關(guān)的兩個函數(shù)。將式(7)、(8)代入式(6)并整理, 可得:

最簡單的情形是令f(M)=M(Gao et al, 1995)。由此可得:

如果假定海岸剖面形態(tài)在岸線進(jìn)退中不發(fā)生變化, 則式(10)可直接用于岸線位置的計算。

雖然在某些情形下, 如海灘環(huán)境, 剖面形態(tài)固定的條件可得到滿足, 但如果考慮潮汐環(huán)境的一般情形, 剖面形態(tài)可以是多變的。砂礫質(zhì)海灘是波浪作用為主的海岸的特征性地貌, 其海岸剖面決定于波浪狀況和沉積物粒徑; 無論岸線發(fā)生淤長或后退, 海岸剖面的形態(tài)都是相似的, 此類剖面被稱為“海灘均衡剖面”, 其高程-位置(垂直于岸線方向)關(guān)系可近似地表示為(Woodroffe, 2002):

式中:Ht為灘面高程,x為剖面上的水平距離, A 和b為經(jīng)驗回歸常數(shù)。

潮灘的情形則完全不同, 其岸線動態(tài)并非僅由沉積物收支狀況所控制, 也不具備像砂礫質(zhì)海灘那樣的均衡剖面。這意味著即使沉積物已經(jīng)出現(xiàn)虧損, 位于高潮灘的海岸線仍然可能繼續(xù)向海推進(jìn), 直到潮灘環(huán)境被徹底改造為波浪作用占優(yōu)勢的環(huán)境。在此過渡階段的進(jìn)程中, 潮灘海岸剖面的下部沖刷、上部堆積, 坡度逐漸變陡, 潮流流速下降, 波浪作用增強。

潮灘沉積和剖面形態(tài)可由潮間帶水流的連續(xù)方程(灘面上任一點的潮流流速與灘面坡度的關(guān)系)來刻畫(Gao, 2019):

式中:U 為垂線平均流速,β 為灘面坡度,h為潮位。由式(12)可知,潮流流速受控于灘面坡度和潮位變化率。潮位變化率與區(qū)域性的潮汐總體狀況有關(guān),但是灘面潮流流速是與沉積物的供給狀況(來源總量、泥質(zhì)和砂質(zhì)沉積物的比例)和潮灘演化階段相關(guān)的(詳見下述)。前述海灘環(huán)境的灘面坡度決定于波浪大小和沉積物粒徑,而潮灘環(huán)境的剖面形態(tài)特征則決定于潮位變化率、沉積物供給狀況、潮灘演化階段,顯然這兩種環(huán)境的差別是很大的。

2.3潮灘沉積物組成、演化階段與岸線動態(tài)

潮汐作用和細(xì)顆粒沉積物的充分供給,是潮灘形成的動力和物質(zhì)條件。全球潮灘主要形成于兩種環(huán)境:一是潮差較大、細(xì)顆粒沉積物供給豐富的環(huán)境, 如歐洲北海沿岸(德國和荷蘭的瓦登海、英國沃什灣等地)和我國江蘇-上海-浙江沿岸都具備這樣的條件; 二是波浪作用微弱的小型海灣, 潮差較小, 細(xì)顆粒沉積物供給也較少, 如西班牙、葡萄牙海岸的小海灣。

潮灘剖面形態(tài)是多樣化的, 取決于沉積物的砂、粉砂、黏土物質(zhì)的占比。潮灘下部潮流動力強, 是砂質(zhì)物質(zhì)(主要是砂、粗粉砂)堆積的場所; 再往上, 由于潮流太弱, 砂質(zhì)物質(zhì)的運動不能發(fā)生, 即潮灘剖面上到了一定高度, 砂就被泥質(zhì)物質(zhì)取代。根據(jù)式(12), 在砂質(zhì)物質(zhì)運動的上限處, 潮流流速必然低于沉積物的臨界起動值, 即:

式中:Ucr為最高部位砂堆積處的垂線平均流速(取為沉積物臨界起動流速,對于潮灘砂約為0.2m·s-1),hcr為最高部位砂堆積處的潮位,tanβs-m為砂-泥交界點的灘面坡度。根據(jù)式(13)可以推論:首先,考慮到臨界起動流速為0.2m·s-1,且潮間帶水位變化率最大為1m·h-1,因此砂-泥交界點的灘面坡度為10-3量級,這說明潮灘的坡度相對于海灘是較小的。其次,如果潮灘的物質(zhì)供給總量中砂的占比不同,那么砂-泥交界點的灘面坡度也會不同;在砂質(zhì)物質(zhì)占比較小的地方,其坡度會更大一些,這是因為在式(13)里Ucr的值是固定的,而砂的占比較小意味著潮間帶砂層厚度減小,即其堆積上界的位置要更低一些,于是dhcr/dt的值就增大,tanβs-m的值也跟著增大; 在極端情況下,如果沉積物供給中完全缺失砂的組分,那么潮灘的坡度就會更大。最后,隨著潮灘的生長,潮間帶的范圍進(jìn)一步向海拓展,此時部分砂質(zhì)沉積物必然要充填到潮下帶水域,這相當(dāng)于減少砂質(zhì)物質(zhì)占比,因此在向海淤進(jìn)的進(jìn)程中,潮灘的泥質(zhì)沉積層逐漸增厚, 潮灘坡度加大(Gao,2009)。

由于物源泥、砂占比的差異可以導(dǎo)致海岸剖面形態(tài)的不同,且在向海推進(jìn)時剖面發(fā)生進(jìn)一步的變化,因此岸線變化速率并不單純地決定于潮間帶和潮下帶的物質(zhì)收支關(guān)系。當(dāng)潮間帶堆積的物質(zhì)總量為定值時,則坡度小的潮灘岸線推進(jìn)速率較低,坡度大的岸線推進(jìn)速率較高(Wangetal,2012),這與砂礫質(zhì)海灘不同。相同外部物源供給條件下,潮灘發(fā)育初期岸線淤進(jìn)較快,而到后期逐漸減緩,這一點與砂礫質(zhì)海灘相同。

2.4 潮灘剖面對沉積物供給中斷的響應(yīng)

式(10)中, 如果函數(shù)P＞0, 即沉積物供給持續(xù),則堆積的沉積物總量將不斷增加,具體到潮灘,就是面積擴(kuò)大、岸線向海推進(jìn)。但當(dāng)P=0, 即沉積物供給中斷, 則沉積物出現(xiàn)虧損, 整個潮灘體系就開始進(jìn)入衰退階段。問題在于, 既然潮汐作用導(dǎo)致沉積物向岸運動, 潮灘為何會轉(zhuǎn)淤為沖, 而不是保持穩(wěn)定狀態(tài)呢？答案是, 沉積物供給的中斷破壞了潮汐作用能夠持續(xù)占優(yōu)的條件, 而波浪作用卻逐漸活躍起來。換言之, 潮灘轉(zhuǎn)淤為沖不是立刻發(fā)生的, 而是要經(jīng)歷幾個不同的階段。

第一個階段, 沉積物在潮流作用下繼續(xù)向岸搬運。由于失去了物源, 潮流的搬運對象就是原本已經(jīng)堆積在潮下帶的物質(zhì), 其結(jié)果是潮下帶水深加大, 不再能夠有效消耗波浪的能量, 使得波浪能夠傳播到潮間帶下部, 對物質(zhì)輸運格局產(chǎn)生影響, 即把潮灘的細(xì)顆粒物質(zhì)帶向岸外(高抒 等, 1988)。如此, 波浪作用活躍起來, 開始沖刷潮間帶下部的粉砂細(xì)砂灘。

第二個階段, 潮間帶由于波浪沖刷而持續(xù)變窄, 中下部物質(zhì)大量損失。與此同時, 潮間帶上部水深過小, 波浪不能傳入, 漲潮流帶來的懸沙繼續(xù)沉降, 岸線繼續(xù)推進(jìn), 造成潮灘“下沖上淤”的現(xiàn)象(Yang et al, 2020)。這實際上是一種滯后效應(yīng), 正好說明岸線的進(jìn)退在某些環(huán)境、某個時段并非與沉積物收支格局相一致的道理。

第三個階段, 隨著剖面的持續(xù)變陡和后退, 波浪侵蝕作用達(dá)到潮灘上部, 潮灘的泥質(zhì)沉積部分遭受侵蝕。泥質(zhì)物質(zhì)在波浪作用下不能停留原地, 遭受整體沖刷, 岸線快速后退。如前所述, 其形式通常是泥質(zhì)沉積的基部被掏蝕, 上覆塊體崩落, 形成沖刷陡坎(Kamphuis, 2000)。如果潮灘沉積里不含有任何較粗顆粒, 則沖刷陡坎后退的機(jī)制可使泥質(zhì)沉積損失殆盡。江蘇北部廢黃河三角洲就是一個實例, 1855 年黃河北歸渤海, 細(xì)顆粒沉積物供給中斷, 岸線轉(zhuǎn)淤為沖, 此后一直后退了17km(任美鍔, 2006)。在某些區(qū)域, 潮灘堆積體含有較粗的砂和貝殼碎屑等物質(zhì), 經(jīng)過波浪淘洗, 以砂質(zhì)海灘或貝殼堤的形式殘留于高潮位附近。江蘇海岸潮灘岸線歷史上曾經(jīng)歷長時間的后退, 最終在海岸平原上形成貝殼堤(Wang et al, 1989)。

沉積物供給中斷后, 潮灘剖面便經(jīng)受波浪改造, 原先的形態(tài)不復(fù)存在, 這進(jìn)一步說明均衡剖面的概念只適用于砂礫質(zhì)海灘, 而潮灘淤長階段和蝕退階段的剖面則截然不同。

2.5 海岸侵蝕的不同情形和時空尺度

海堤建設(shè)的目的之一是防范岸線侵蝕, 而海岸侵蝕有不同的表象和機(jī)制。關(guān)于海岸侵蝕的特征和應(yīng)對策略, 已有不少著述(Bird, 1984; 夏東興 等, 1993; Komar, 1998; 陳吉余, 2010)。侵蝕主要與沉積物供給(Besset et al, 2019)、海岸帶水動力(van Rijn, 2011)和海面變化(Jeon et al, 2021)因素有關(guān), 并且各有不同的機(jī)制。

雖然海灘環(huán)境不是本文綠色海堤的主題, 但其侵蝕機(jī)制卻是基本的, 在此基礎(chǔ)上可以更好地理解潮灘海岸的沖淤機(jī)制, 而且對海堤設(shè)計具有重要性。海灘侵蝕的主要因素是海面上升(Bruun, 1962; Kamphuis, 2000)、沿岸漂砂強度沿程提高和所在岸段的物質(zhì)虧損(Komar, 1998)、風(fēng)暴事件發(fā)生時海岸剖面形態(tài)在大浪下的重新調(diào)整(Flemming et al, 1994)。

潮灘侵蝕過程與海灘侵蝕的相同點是均在海面上升背景下發(fā)生, 但具體情形有所不同, 現(xiàn)簡述其機(jī)制如下:

1) 當(dāng)潮灘物質(zhì)完全由泥質(zhì)沉積物組成且進(jìn)一步的供給中斷時, 潮灘生長停止, 最終轉(zhuǎn)為岸線持續(xù)后退狀態(tài)。例如, 江蘇海岸的廢黃河三角洲前緣, 1855 年黃河北歸后物源中斷, 波浪作用取代潮汐作用(高抒 等, 1988)。

2) 潮灘物質(zhì)為泥、砂共存, 供給中斷后岸線先期蝕退, 后期被波浪作用改造為灘脊或貝殼堤, 它具有均衡剖面形態(tài), 海岸類型轉(zhuǎn)換為波控海灘(Wang et al, 1989)。

3) 如果沉積物供給不中斷, 卻發(fā)生岸線后退、灘面淹沒, 這是海面上升所造成的。潮灘灘面必須淤積得足夠快才能抵消海面上升的效應(yīng), 否則就呈現(xiàn)淹沒趨勢(Reed, 1988)。許多缺乏河流物質(zhì)供給的小海灣內(nèi), 其潮灘就處于這種狀況。

4) 鹽沼前緣形成陡坎, 這是一種沖刷形態(tài), 但其成因有多種, 包括沉積物供給中斷后的波浪侵蝕(潮灘近于完全被侵蝕的階段)、鹽沼植物生長導(dǎo)致的自組織現(xiàn)象、海面上升等(Gao et al, 1997)。因此, 鹽沼前緣陡坎是否代表海岸侵蝕, 需要結(jié)合海面變化、物質(zhì)供給、鹽沼植被生長的觀測數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析(Zhao et al, 2017)。

5) 風(fēng)暴發(fā)生時, 潮間帶中、下部出現(xiàn)劇烈沖刷, 潮水溝快速擺動。這是風(fēng)暴增水導(dǎo)致灘面水流加強、潮間帶波浪作用加劇的結(jié)果(Ren et al, 1985; Wang et al, 2010)。與此同時, 潮間帶上部發(fā)生堆積, 風(fēng)暴過后潮間帶中、下部地形逐漸恢復(fù)。

以上所列的情形之中, 1)和3)是海岸防護(hù)的要點, 而2)、4)、5)對于海堤自身安全而言需要重視。與海灘侵蝕對比可知, 風(fēng)暴事件和海面上升是兩種環(huán)境中侵蝕發(fā)生的共同因素, 前者是長時間尺度作用, 后者是短時間尺度作用; 對于沉積物虧損造成的侵蝕, 在砂礫質(zhì)海灘環(huán)境里波浪始終是主控動力因素, 但在潮灘受到侵蝕的環(huán)境里, 原先的潮汐作用讓位給了波浪作用。

3 沉積地貌的消浪作用

3.1 砂質(zhì)床面上的波能耗散

潮灘的剖面形態(tài)與海灘的差異很大, 這提供了一個線索來解釋潮灘消浪作用為何顯著。對于海灘剖面形態(tài)與消浪作用的關(guān)系, 均衡剖面的波能耗散是最大化還是最小化, 即與其他形狀的剖面相比, 均衡剖面是消耗了更多能量還是更少能量, 學(xué)者們爭論了多年。Larson 等(1999)提出的假說是均衡剖面消耗的波能最少。最近的進(jìn)展是從泛函分析得出, 波浪破碎帶以下的砂礫質(zhì)海灘均衡剖面如果采取式(11)所示的冪函數(shù)形式, 則其波能耗散是最小化的(Maldonado, 2020; Faraoni, 2020), 冪函數(shù)中兩個參數(shù)的取值范圍也被現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)所證實。

這一最新進(jìn)展對于砂礫質(zhì)海灘波浪動力過程的理解和工程應(yīng)用具有重要意義。我們可以從中得出以下幾點推論:

1) 波浪破碎前的波能耗散最小, 這意味著波浪破碎后激流所含的動能的最大化。當(dāng)風(fēng)暴發(fā)生時, 起初海灘剖面與風(fēng)暴大浪對應(yīng)的均衡剖面相差甚遠(yuǎn), 所以大浪傳播時能量較多地被耗散; 而當(dāng)大浪將初始灘面改造為與之對應(yīng)的均衡剖面時, 波能傳播的效率將提高, 波浪破碎后將產(chǎn)生更強的上沖或爬高能力。

2) 不同的沉積物粒徑和波浪大小導(dǎo)致不同的均衡剖面。因此, 盡管不同沉積物粒徑對應(yīng)的均衡剖面都有耗能最小化的規(guī)律, 但不同粒徑必然導(dǎo)致波能耗散量的不同。人工海堤在其前緣都有一個斜坡, 如果恰好對應(yīng)于所在地區(qū)大浪條件下的均衡剖面形態(tài), 則過多的波能將通過海堤前緣斜面集中于海堤頂部; 而如果其形態(tài)遠(yuǎn)離均衡態(tài), 則波能將在斜面上大量耗散, 從而減輕堤頂?shù)膲毫? 但斜面上的壓力卻增大了。因此, 海堤前緣斜坡的設(shè)計需要在坡度上進(jìn)行優(yōu)化, 使其既能耗散波能, 又能抵擋波能耗散對自身的沖擊。

3) 潮灘的砂質(zhì)灘、泥-砂混合灘、泥質(zhì)灘是潮汐作用的產(chǎn)物, 其坡度與砂礫質(zhì)海灘相去甚遠(yuǎn), 因此不符合波能耗散最小化的條件, 波浪從潮灘上傳播, 應(yīng)該會消耗掉更多的波能。

在潮灘上, 單位面積上的波能瞬時耗散率是波致底部切應(yīng)力和波致近底部流速的乘積:

式中:ε為波能瞬時耗散率,τb為底部切應(yīng)力,ub為近底部流速, 它們均為時間t的函數(shù)。令ub0為波周期中的最大值, 則波周期平均的波能耗散率εav與ub0的三次方有關(guān)(Svendsen, 2006)。由于其比例系數(shù)本身也受到ub0的影響, 兩者之間的關(guān)系為(Maldonado, 2020):

式中:nτ為一個介于1 和2 之間的實數(shù)。對于傳入近岸的波浪,ub0受控于水深和波高, 而系數(shù)K與灘面沉積物類型有關(guān), 對于粉砂細(xì)砂灘沉積物粒徑很重要, 而對于潮間帶泥質(zhì)灘懸沙濃度影響也很大。波浪傳播越過粉砂細(xì)砂灘面, 其能量的耗散可用一段距離內(nèi)波高的變化來量度。設(shè)波浪傳入時波高為H0, 經(jīng)過距離L之后的波高為H, 則兩者的關(guān)系可表示為:

式中: ki 為衰減系數(shù), 它與H/h(h為水深)有線性關(guān)系(Houser et al, 2010), 在潮灘的粉砂細(xì)砂灘上,H/h的一般取值范圍為0.0006～0.0025(Cooper, 2005)。這樣的消浪能力遠(yuǎn)小于鹽沼濕地(見下述), 但在灘面寬闊的條件下, 消耗的波能總量是可觀的: 根據(jù)Houser 等(2010)的現(xiàn)場觀測報道, 風(fēng)暴期間波浪穿越4.5km 寬、最大水深約為4m 的粉砂細(xì)砂灘之后, 波能下降了約60%。與砂礫質(zhì)海灘的均衡剖面相比, 粉砂細(xì)砂灘坡度過小, 所以消能作用遠(yuǎn)大于海灘均衡剖面, 在很寬的粉砂細(xì)砂灘上波浪在傳播中甚至始終不能達(dá)到破碎條件, 直至波能耗盡。

3.2 泥質(zhì)床面的消浪作用

與粉砂細(xì)砂灘的情況相比, 泥質(zhì)灘的消浪能力多了一個影響因素, 即泥質(zhì)物質(zhì)的再懸浮作用(Forristall et al, 1985)。風(fēng)暴水流作用于泥質(zhì)底床, 造成床面物質(zhì)沖刷并進(jìn)入水層, 而一旦水層中的懸沙濃度達(dá)到一定程度, 就會影響能量耗散的方式, 此時底部摩擦力作用下降, 而懸沙造成的動能耗散上升(Wang et al, 2011)。

內(nèi)陸架泥質(zhì)海底的現(xiàn)場觀測顯示, 若不考慮懸沙因素, 則波能耗散率的大幅度上升難以解釋(Sheremet et al, 2003)。Samiksha 等(2017)的研究顯示, 印度西南近岸水域夏季風(fēng)到來時形成高容重浮泥, 致使相距4km、水深分別為15m 和7m 的兩地最大有效波高從3.16m 下降至1.56m, 平均波高幾乎下降了65%, 或者說波能下降了約75%, 而在浮泥層形成之前則無此現(xiàn)象, 這證實了浮泥的顯著消浪作用。由此推論, 潮灘上的波浪從粉砂細(xì)砂灘進(jìn)入到泥質(zhì)灘之后, 波能耗散將進(jìn)一步加劇。

關(guān)于泥質(zhì)灘的波能耗散效應(yīng), 優(yōu)于波高沿程變化分析的方法是波浪能譜分析法, 它能給出各個波浪頻率(或周期)上的能量密度分布。從兩地波浪能譜曲線的對比, 很容易看出哪些頻率范圍的能量密度發(fā)生了較大變化。上海崇明東灘在2018 年臺風(fēng)“溫比亞”(Rumbia)影響下, 潮間帶遭遇較大的波浪作用, 泥灘上平均水深為1.8m 的一個地點的有效波高達(dá)0.65m, 向岸傳播120m 后有效波降為0.54m, 波浪能譜曲線顯示其波能下降的幅度約為25%。由此可以看出, 潮灘有較大的消浪功能, 泥質(zhì)灘尤其是如此。

3.3 潮灘對風(fēng)暴事件的整體響應(yīng)

潮灘沉積地貌總體上是在常態(tài)的水動力條件下形成的(Pethick, 1999; Gao, 2019), 其分帶性和大小潮變化構(gòu)成一個規(guī)整的體系。而風(fēng)暴潮是一個外加的動力體系, 必然要對原有的分布格局進(jìn)行改造, 但一次風(fēng)暴潮事件的時間跨度較短, 難以全面改造原有體系(Corkan, 1948)。

首先, 潮灘上部成為泥質(zhì)沉積物的快速堆積場所。風(fēng)暴潮增水使得潮間帶納潮量大大增加, 相當(dāng)于加大了潮差。潮間帶、潮下帶的水流流速大幅度提高, 再加上風(fēng)暴期間的大浪, 近海水域的懸沙濃度也比平時高出許多。高潮位附近, 平時只有大潮能夠淹沒, 且潮水到了這里已成強弩之末, 形成的沉積層很薄, 通常只有0.1mm 量級或以下。風(fēng)暴期間則完全不同, 高潮位處水深加大、懸沙濃度提高, 沉降量比平時高出數(shù)十倍, 一次風(fēng)暴事件可造成10cm 量級的泥質(zhì)沉積(Ren et al, 1985)。潮位稍低一些的部位, 形成層厚可達(dá)厘米量級的砂-泥互層沉積, 而在正常的動力條件下, 泥-砂混合灘部位大小潮周期形成的沉積層厚度通常只有毫米量級(Wang et al, 2010)。這些潮灘上部的風(fēng)暴沉積成為風(fēng)暴事件的證據(jù)。

其次, 潮灘中下部的沉積物輸運也比平時活躍得多。一方面, 風(fēng)暴增水疊加于潮水之上, 流速和沉積物輸運率大幅度提高; 另一方面, 風(fēng)暴發(fā)生時潮間帶水深加大, 使得更多的波浪能量輸入潮間帶, 在浪流共同作用下, 輸運率進(jìn)一步提高。由此潮灘中下部沖淤幅度也大幅增加, 中部可形成較厚的砂層, 而下部灘面則受到強烈沖刷。

最后, 風(fēng)暴期間潮水溝的活躍程度大為提高。常態(tài)之下, 潮水溝的形成演化受到其集水盆地的控制, 而后者又與潮差和潮灘寬度有關(guān), 往往是處于均衡狀態(tài), 即潮水溝的斷面形態(tài)與漲、落潮流流速之間形成了冪函數(shù)關(guān)系。風(fēng)暴期間, 這個平衡被打破, 集水盆地的范圍和水量增加, 引發(fā)了潮水溝斷面形態(tài)的調(diào)整: 1) 過水?dāng)嗝婷娣e增加, 以便通過更多的潮水; 2) 潮流動能增加, 使得潮水溝發(fā)生擺動、溯源侵蝕、改道、曲率上升; 3) 潮水溝內(nèi)沉積物輸運加強, 落潮時段可向海輸出更多的物質(zhì)。

總體上, 潮灘通過上部快速淤長、中下部沖淤幅度提高、潮水溝活躍化等機(jī)制來消耗風(fēng)暴增水和風(fēng)暴浪的能量。

4 濱海生態(tài)系統(tǒng)的消浪作用

4.1 鹽沼、紅樹林和生物礁生態(tài)位

關(guān)于生態(tài)位問題, Hutchinson(1965, 1978)提出了生物活動和生活空間的二元論, 他認(rèn)為適合于某個物種存在的環(huán)境, 稱為存活空間(Biotope), 而物種不僅可以生存而且能夠繁殖、完成整個生命周期的空間范圍稱為生態(tài)位(Niche)(Colwell et al, 2009; Holt, 2009; Firth et al, 2021)。從環(huán)境條件角度看, 存活空間是必要條件, 而生態(tài)位是充分條件, 生態(tài)系統(tǒng)是存活空間和生態(tài)位的統(tǒng)一。

鹽沼植被有多種, 如鹽地堿蓬、海三棱 藨草、互花米草等, 它們既不能在淡水環(huán)境久留, 也不能長時間淹沒, 于是潮間帶上部成為最為可能的生存空間范圍。此外, 它們都需要扎根于泥質(zhì)沉積物, 潮灘上部的泥質(zhì)灘正好提供了這個條件。然而, 它們所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng), 卻都是以單一物種為主的, 在野外可以看見鹽地堿蓬灘、海三棱 藨草灘、互花米草灘, 它們形成了爭奪空間的競爭。由于存活空間要求的細(xì)微差別, 互花米草占有優(yōu)勢(Zhang et al, 2004; Li et al, 2018), 它能夠生長在鹽地堿蓬灘、海三棱 藨草灘的外緣, 其生長范圍與高程和潮差均有關(guān)系; 當(dāng)潮灘擴(kuò)展時, 它的生長空間也擴(kuò)展, 但此時鹽地堿蓬、海三棱 藨草卻難以向海擴(kuò)展, 因為那個范圍已經(jīng)被植株相對高大的互花米草所占據(jù)。久而久之, 隨著潮灘的淤高成陸, 這兩種鹽沼呈現(xiàn)衰退趨勢, 最終潮灘上的泥灘可能全部被互花米草占據(jù)。因此, 為了保護(hù)鹽地堿蓬、海三棱 藨草鹽沼, 需要對互花米草實行一定程度的管控。從海岸防護(hù)角度, 這三類鹽沼都是可以發(fā)揮作用的, 其中互花米草灘生物量大, 有更大的潛力(Ysebaert et al, 2011)。事實上, 當(dāng)年引種互花米草就是由于其抗浪促淤的作用(Chung, 1989, 1993)。

目前, 互花米草鹽沼已成為滬蘇浙海岸區(qū)域分布面積最大的鹽沼類型(張忍順 等, 2005)。另一方面, 本區(qū)域的潮灘動物和底棲微型生物已逐漸適應(yīng)了互花米草鹽沼, 生物多樣性也逐漸提高, 因此可以作為生態(tài)建設(shè)的一個對象(Gao et al, 2014)。

紅樹林主要生長在熱帶、亞熱帶低能海岸潮間帶上部, 但我國人工種植的紅樹林最北可達(dá)到浙江海岸中南部(Chen et al, 2018)。紅樹林生長的最佳環(huán)境是海灣、河口灣等開敞程度較低的海岸帶, 在波浪作用強的地方, 泥質(zhì)沉積受到?jīng)_刷, 不利于紅樹林的生長。

珊瑚礁應(yīng)是最重要的生物礁, 分布于熱帶海岸, 需要懸沙濃度低、波浪作用強的地方, 因此通常遠(yuǎn)離潮灘環(huán)境。主要有岸礁和環(huán)礁兩種類型, 前者多見于基巖海岸, 后者分布于陸架和深海。從海底向上生長, 基巖不是支撐環(huán)礁的必要條件, 珊瑚的持續(xù)生長可以是僅由礁體自行支撐的。

與潮灘相關(guān)聯(lián)的生物礁主要是牡蠣礁。潮灘內(nèi)固著生長、具碳酸鈣介殼的動物除牡蠣外, 還有貽貝(朱愛意 等, 2006)、藤壺(李潤祥 等, 2014)等, 但其規(guī)模較小。牡蠣科約有100 個物種, 我國沿海有近 20 種(張璽 等, 1959)。其中, 近江牡蠣Crassostrea arikensis(Fujita)為雙殼類巨牡蠣屬貝類, 對溫度、鹽度和pH 值有廣泛的適應(yīng)性, 江蘇海門海岸的牡蠣礁上可以觀察到長達(dá)30cm 的殼體(張忍順, 2004)。長牡蠣Crassostrea gigasThunberg (國外文獻(xiàn)稱為“太平洋牡蠣”)也適應(yīng)于低鹽度、低潮位附近的環(huán)境, 渤海灣大吳莊全新世牡蠣礁中的長牡蠣殼長可達(dá)60cm 以上(Wang et al, 1997; 王宏 等, 2011)。

按存活空間的視角, 牡蠣廣泛分布于潮灘環(huán)境, 其相關(guān)文獻(xiàn)報道很多(Galtsoff, 1964; Gain et al, 2017)。江蘇海岸的現(xiàn)場調(diào)查表明, 牡蠣在泥灘上的附著生長有多種可能(圖3):

1) 潮間帶泥灘沉積速率較低處: 在半固結(jié)狀態(tài)的泥底上, 牡蠣幼體可大片出現(xiàn), 而且由于牡蠣的生長, 灘面摩擦力加大, 懸沙不宜落淤, 避免了沉積物掩埋。江蘇如東的泥灘, 常見牡蠣斑塊, 每塊的面積可達(dá)數(shù)平方米, 牡蠣殼長達(dá)5cm(圖3a)。

2) 潮水溝地貌較穩(wěn)定處: 一些潮水溝深深地延伸到泥灘上部和鹽沼范圍, 形成窄而深的水道(Wang et al, 1999), 這里水流較弱, 泥質(zhì)的邊壁比較抗蝕, 因此牡蠣可在水道邊壁上固著。大豐王港鹽沼內(nèi)的一處潮水溝, 其底部原位堆積著許多牡蠣介殼, 直徑最大者超過16cm, 顯然已在此處生活多年, 甚至完成了從生長到繁殖的生命周期(圖3b)。

3) 互花米草植株的主干下部: 鹽沼植被中, 互花米草莖稈高大, 有較硬的基部, 可維持較長時間不倒, 常見牡蠣在此處著床, 長到直徑接近10cm 的也不少見(圖3c)。

4) 潮間帶外緣: 較大規(guī)模的牡蠣礁, 最初的固著地點不在泥灘, 更可能是潮下帶水域。江蘇海門潮灘上面積達(dá)4.8km2的牡蠣礁“蠣蚜山”(圖3d), 其下部的介殼為近江牡蠣, 向上生長進(jìn)入潮間帶后逐漸被其他種的牡蠣所取代(張忍順, 2004)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示, 該牡蠣礁的初始生長點可能位于海灣水底16m 處(陳蘊真 等, 2010)。

從生態(tài)位的視角看, 潮灘是環(huán)境動蕩的地方, 泥灘的堆積淤長、潮水溝擺動、風(fēng)暴事件等均不利于牡蠣礁形成, 牡蠣本身也難以忍受長時間的干出暴露, 因此泥灘不是形成牡蠣礁的理想位置, 上述情形中只有第四種是最重要的。

4.2 鹽沼的消浪功能

海岸植被消浪研究的總體思路是沿垂直于岸線的斷面頂點觀測波能通量, 將波能耗散分為植株耗散、床面摩擦耗散和波浪破碎耗散, 分別建立計算方法, 最后根據(jù)波能耗散平衡方程評價各項的相對貢獻(xiàn)(Lee et al, 2021):

式中:D為一定頻段的波能耗散總量,Dveg為植株耗散,Df為床面摩擦耗散,Db為波浪破碎耗散,N為轉(zhuǎn)移至其他頻段的波能。

近期對于鹽沼植被消浪作用的研究, 大多集中于互花米草, 從現(xiàn)場觀測、室內(nèi)實驗、數(shù)值模擬等多個角度可評價其降低水流流速、促進(jìn)灘面淤積、消減波浪能量的作用。

關(guān)于鹽沼對水流的影響, 鹽沼植被莖稈占據(jù)一定的空間范圍, 其直徑有粗細(xì)差異, 單位面積上有一定數(shù)量的鹽沼植株。鹽沼生長之處在平常天氣下是懸沙堆積的地方, 潮流流速在這里已經(jīng)下降, 不能起動砂質(zhì)沉積物。由于植株本身的存在, 潮流進(jìn)一步減弱, 因為除底部摩擦力外, 植株在水層中還提高了紊動能量耗散, 植株的存在還減小過水?dāng)嗝婷娣e, 部分動能由于壅水而轉(zhuǎn)換為勢能。風(fēng)暴潮發(fā)生時, 植被所在的位置仍然處于堆積范圍, 由于植株的存在, 減緩流速、促進(jìn)沉降的作用變得更加明顯, 現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬均證實了這一點(M?ller et al, 1999, 2014; van Proosdij et al, 2000, 2006; Temmerman et al, 2005; Neumeier et al, 2006; 王愛軍 等, 2008)。

作為植被-波浪相互作用研究領(lǐng)域的一部分, 鹽沼的消浪功能研究在文獻(xiàn)中大量出現(xiàn)。研究者們通過理論分析(Chen et al, 2012)、現(xiàn)場觀測(Cooper, 2005; Jadhav et al, 2013)、物模實驗(Augustin et al, 2009)和數(shù)值模擬(Riffe et al, 2011; Smith et al, 2016)

來探討波浪傳播進(jìn)入鹽沼之后的過程。與泥灘的研究一樣, 鹽沼消浪作用體現(xiàn)于波高衰減和波浪能譜變化, 不同的是波能通量的沿程變化率在泥灘環(huán)境表達(dá)為波高、水深和懸沙濃度(泥質(zhì)沉積性質(zhì))的函數(shù), 而在互花米草灘環(huán)境里要加入很多生物性要素, 包括植株的高度和直徑、單位面積上植株數(shù)量(稱為植株密度)、莖稈在水層中的運動狀況、植株占據(jù)水層空間的比例、對水流流速的改造、底部摩擦力的改變等。參照Mendez 等(2004)關(guān)于植株形態(tài)影響的經(jīng)驗公式表達(dá), Chen 等(2012)構(gòu)建了鹽沼植株形態(tài)和數(shù)量對底部切應(yīng)力和波能通量變化率的表達(dá)式:

式中:Sd為鹽沼植被所導(dǎo)致的波能沿程消耗,CD為阻力系數(shù),b為植株直徑,N為植株密度,g為重力加速度; 函數(shù)f(H,T,urms,h)中的變量H為波高,T為波周期,urms為波致均方根流速,h為水深。

Jadhav 等(2013)在此基礎(chǔ)上加入與波浪能譜組分相關(guān)的底床阻力系數(shù), 在互花米草鹽沼內(nèi)的波浪 傳播沿程上設(shè)立多個波浪記錄站位, 進(jìn)行為期一個月的觀測, 其中包含一次風(fēng)暴過程。所獲數(shù)據(jù)顯示,鹽沼耗散的波能與入射波波能之間存在非線性關(guān)系, 波浪周期越小, 衰減率就越高, 這說明需要針對不同波周期分別建立底床阻力系數(shù)。

除植株形態(tài)和大小外, 莖稈在水層中并非固定不動, 而是會隨水流發(fā)生擺動(Mullarney et al, 2010)。Riffe 等(2011)分別模擬固定和擺動兩種情況下的波能耗散, 并與現(xiàn)場觀測對照, 發(fā)現(xiàn)考慮擺動因素之后的計算結(jié)果更加符合實際。Marsooli 等(2017)考慮了互花米草植株高度的影響, 他們在波能平衡方程中加入植物阻力項, 經(jīng)室內(nèi)物理模擬數(shù)據(jù)驗證后用于紐約Jamaica 灣互花米草灘的計算, 發(fā)現(xiàn)在風(fēng)暴發(fā)生時較高的互花米草植株發(fā)揮了最大的消能作用。

Willemsen 等(2020)集成荷蘭65a 的數(shù)據(jù), 提出在長時間尺度上潮灘形態(tài)的空間差異遠(yuǎn)大于時間差異, 因此將鹽沼用于海岸防護(hù)時應(yīng)注意其地貌形態(tài)的多變性; 在10-2～101a 時間尺度上, 鹽沼植被均能顯著降低波能, 消減總量與鹽沼寬度成正比。荷蘭是一個低地國家, 受風(fēng)暴影響很大, 因此海岸防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為千年一遇。在這一時間尺度上, 欲將千年一遇的波浪消能 20%, 鹽沼寬度應(yīng)為 100～ 800m, 這依海岸開敞程度的不同而異(圖4)。該研究還認(rèn)為, 鹽沼消浪能力高于無植被泥灘。值得指出的是, 鹽沼和泥灘消浪能力對比的研究, 目前還有不確定性, 主要是鹽沼消浪能力較高的原因還包含了地勢較高的因素, 用模型方法來顯示兩者的差異較為容易, 但觀測驗證是一個實際的問題。

4.3 紅樹林的消浪功能

紅樹林植株比鹽沼高大得多, 垂向上形成冠層、樹干、地面根等3 個單元, 但消浪作用的研究思路是相同的。浙南海岸人工種植的島嶼紅樹林內(nèi), 現(xiàn)場觀測顯示植株形態(tài)對水流的獨特影響, 高潮位時冠層仍未淹沒, 垂向上流速自上而下升高, 地面根以下才顯示出底邊界層的樣式(Chang et al, 2019)。鹽沼的流速剖面有根本的不同, 水流淹沒鹽沼冠層后, 冠層以上為自由流, 冠層內(nèi)水流受到阻滯, 自上而下流速降低。

關(guān)于波能耗散, 斷面觀測數(shù)據(jù)顯示, 由于紅樹林植株的存在, 耗散程度遠(yuǎn)高于無植被的光灘, 而且隨著植株密度上升, 耗散程度也隨之上升(Horstman et al, 2014)。廣東雷州灣紅樹林的觀測和模擬也指示植物是波能耗散的主要因素, 水深(可影響邊界層阻力)的影響在不同的植被條件下可有明顯差異(Cao et al, 2016)。雖然整體上紅樹林以增加摩擦作用、波浪破碎的方式來耗散波能, 但突出于灘面之上的植物根系也有很大作用(Sánchez-Nú?ez et al, 2020)。另一項觀測研究表明, 紅樹林在風(fēng)暴情形下的消浪作用比平時還要顯著, 與樹干、冠層相比, 地面根似乎更為重要(Lee et al, 2021)。

4.4 生物礁的消浪功能

天然環(huán)境里, 生物礁分布于岸線的前緣, 最早接受波浪的沖擊, 波浪破碎也首先發(fā)生在此。消浪作用最強的生物礁當(dāng)屬熱帶海域的珊瑚礁, 珊瑚塊體可以長成巨大的形體, 向上長到潮間帶下部之后停止, 之后生長模式改為向海推進(jìn), 經(jīng)過較長時間, 形成規(guī)模較大的珊瑚礁坪。礁坪前緣坡度接近于顆粒物質(zhì)的休止角, 上涌的波浪極易在此破碎, 風(fēng)暴發(fā)生時大浪甚至將巨大的珊瑚礁塊搬運至礁坪。海南島南部小東海的礁坪上就堆積著大量塊體, 其中最大者重量超過30t(劉楨嶠 等, 2019)。

波浪進(jìn)入礁坪后, 波能耗散方式主要是底部摩擦, 其次是波浪破碎(Nelson, 1994; Monismith et al, 2015; Lentz et al, 2016; Rogers et al, 2016)。床面微地形造成的摩擦阻力系數(shù)可達(dá)0.3, 此時平常天氣下波 能 的 80% 被 耗 散, 而 在 風(fēng) 暴 期 間 可 達(dá)25%～80%(Osorio-Cano et al, 2019)。可以推論, 珊瑚礁消耗了波能, 使珊瑚礁坪后側(cè)的海灘得到保護(hù)。

但在溫帶區(qū)域, 珊瑚礁不能生長, 規(guī)模較大的生物礁是牡蠣礁, 其規(guī)模遠(yuǎn)小于珊瑚礁, 形態(tài)也不同。美國東南海岸德克薩斯和弗羅里達(dá)的海灣和潮汐水道里發(fā)現(xiàn)的埋藏牡蠣礁是規(guī)模最大者之一, 其長度可達(dá)8～10km, 寬度150m, 厚度4m, 分布于岸線附近, 外緣的坡度較大(Fagerstrom, 1987)。在世界各地, 牡蠣都是水產(chǎn)捕撈或養(yǎng)殖的對象, 近年開始用作海岸防護(hù)的設(shè)施。美國東部采用來自牡蠣養(yǎng)殖場的松散牡蠣介殼投放到待防護(hù)海岸, 待牡蠣定殖后自發(fā)生長為堤狀牡蠣礁, 可以起到防波堤的作用, 稱為“生物防波堤”(Jeanson et al, 2016; O’Donnell, 2017; Keller et al, 2019), 風(fēng)暴浪在此破碎, 從而保護(hù)向岸一側(cè)的岸線和鹽沼生態(tài)系統(tǒng)。牡蠣礁前緣波浪破碎的條件與海灘是一樣的, 對于海灘, 在以下等式成立時發(fā)生波浪破碎(Kamphuis, 2000):

式中:H為波浪破碎發(fā)生時的波高,h為破波處水深,C1和C2是與坡度相關(guān)的兩個參數(shù),g為重力加速度,T為波周期。

無波浪破碎情形下, 波浪傳播進(jìn)入牡蠣礁后的能量耗散也很顯著。在Chowdhury 等(2019)的現(xiàn)場實驗中, 人工繁殖的牡蠣礁位于潮間帶下部, 突出底床之上0.6m, 能夠有效阻擋波高小于0.5m 的波浪。Wiberg 等(2019)在潮間帶平均水深0.9～1.3m 范圍內(nèi)多處設(shè)置牡蠣礁, 其頂端高程被置于平均水位之下0.3～0.5m, 礁體寬度最大不超過5m, 局地產(chǎn)生的風(fēng)浪經(jīng)過礁體后, 波高有不同程度的下降, 其中接近平均水位處波高衰減最快, 達(dá)30%～50%。在如此狹小的范圍內(nèi)波能下降卻如此明顯, 說明在合適的水深條件下, 牡蠣礁確實可以起到防波堤的作用。在美國東部大西洋到墨西哥灣沿岸, 潮間帶牡蠣礁分布較廣, 20 世紀(jì)中期啟動修復(fù)計劃, 以應(yīng)對過度捕撈帶來的資源衰竭, 后來又加入了修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的目標(biāo)(Luckenbach et al, 1999), 其防浪特性常被用于生態(tài)修復(fù)工程, 保護(hù)潮灘地貌和鹽沼(O’Donnell, 2017)。

5 討論

5.1 人工構(gòu)建鹽沼、紅樹林和生物礁生態(tài)位的技術(shù)

潮灘地貌、鹽沼、紅樹林和牡蠣礁的消浪功能已經(jīng)被定量刻畫, 然而要把它們配置到可以發(fā)揮作用的地方, 卻經(jīng)常成為一個實際問題。例如, 侵蝕岸段是最需要消浪的, 但長期的侵蝕可能已將潮灘及其鹽沼、紅樹林和牡蠣礁沖蝕殆盡。在這樣的地方, 要想重建這些系統(tǒng), 必須構(gòu)建潮間帶植物和生物礁的生態(tài)位。生態(tài)修復(fù)技術(shù)方面的研究已有很多(Luckenbach et al, 1999; Keddy, 2000; Mitsch et al, 2003; 全為民 等, 2006; Goreau et al, 2013; Hilberta et al, 2013; Byers et al, 2015; Walles et al, 2016; Theuerkauf et al, 2017; Morris et al, 2019; McAfee et al, 2021a, b), 從綠色海堤視角看, 關(guān)鍵是潮灘鹽沼、紅樹林、牡蠣礁生態(tài)位的重塑。

采用人工方式修復(fù)生態(tài)系統(tǒng), 可用結(jié)構(gòu)工程與自然地貌特征相結(jié)合的辦法(Zedler, 2001; Zimmer, 2006)。例如, 利用區(qū)域性潮汐條件, 可營造細(xì)顆粒沉積物堆積環(huán)境, 從而恢復(fù)潮灘生態(tài)。圖5 給出了一個鹽沼植被修復(fù)的示意圖。首先, 在海堤前緣設(shè)定0.5～1km 的生態(tài)修復(fù)范圍, 在其外側(cè)建造防波堤或水下潛壩, 以減小波能傳入。防波堤順岸斷續(xù)分布, 斷口寬度為每段防波堤長度的0.5～5 倍, 留有斷口的目的是讓波浪以繞射的方式進(jìn)入, 在防波堤后方形成局部弱流環(huán)境(Silvester et al, 1993)。在 侵蝕特別強烈之處, 可考慮建造人工岬角, 作為岸線位置的基本控制。其次, 在潮灘建造范圍的向海一側(cè)邊界, 拋入護(hù)坡塊石或水泥塊件(Kamphuis, 2000), 其尺寸需保證常態(tài)天氣下的穩(wěn)定性; 中、低潮位用人工填砂法(Dean, 2003), 提升床面高程。最后, 利用所在水域的天然懸沙堆積為高潮位附近的泥灘, 如果灘面初始最大水深為3m, 懸沙濃度為10-1kg·m-3量級, 一年中有700 多個潮周期, 那么淤積速度就可以達(dá)到每年0.1～1m 的量級, 數(shù)年后就可以達(dá)到鹽沼植被(如互花米草)生長的條件。這一流程原則上也適用于海堤前緣紅樹林植被的修復(fù), 但應(yīng)考慮紅樹林生態(tài)位與地貌、土壤、水動力、海面變化條件的不同關(guān)系(Balke et al, 2016; Woodroffe et al., 2016)。

美國在大西洋沿岸及墨西哥灣開展了一系列牡蠣礁恢復(fù)項目(Breitburg et al, 2000; Scyphers et al, 2011; Ridge et al, 2017; Rezek et al, 2017), 地點選擇和牡蠣種苗補充是關(guān)鍵?？紤]到牡蠣的繁殖時期, 牡蠣礁修復(fù)的具體地點可選在鹽沼濕地的潮溝邊坡上, 而在潮下帶可直接將體積大的礁體投向目標(biāo)水域, 為自然牡蠣幼體提供附著底物。礁體形成之后, 通常經(jīng)過數(shù)年時間便可發(fā)育成為具有自然功能的生態(tài)系統(tǒng)。在我國沿海, 海門的蠣蚜山是規(guī)模較大的現(xiàn)生牡蠣礁, 很有參照價值(Lin et al, 2021)。鹽沼的前緣, 可設(shè)立小型牡蠣礁, 保護(hù)灘面的局部穩(wěn)定性。在防波堤內(nèi)側(cè)的拋石護(hù)坡區(qū), 可投放松散牡蠣介殼, 再加入活體牡蠣, 使之較快地形成較大規(guī)模的牡蠣礁。沿海地區(qū)有許多牡蠣養(yǎng)殖場, 可作為松散牡蠣介殼的來源。

將生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于綠色海堤, 侵蝕型泥質(zhì)海岸的鹽沼、牡蠣礁生態(tài)位構(gòu)建需要進(jìn)一步研究, 尤其是硬工程(海堤結(jié)構(gòu)、突堤、防波堤)參與生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)所帶來的鹽沼-牡蠣礁的適應(yīng)性生物學(xué)、環(huán)境變化條件下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題。

5.2 綠色海堤的工程優(yōu)化

即便綠色海堤的原理和生態(tài)修復(fù)問題均已解決, 我們?nèi)匀幻媾R工程實施和優(yōu)化問題。首先, 在生態(tài)系統(tǒng)空間配置上, 需要確定鹽沼和牡蠣礁的生態(tài)消能負(fù)荷比例, 這與海堤擋水防浪的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān), 也與海堤硬質(zhì)結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計有關(guān)。在前述荷蘭海岸的案例中, 海堤的標(biāo)準(zhǔn)被定為“千年一遇”標(biāo)準(zhǔn), 因此所配置的鹽沼被要求能夠降低風(fēng)暴浪能量的20%(Willemsen et al, 2020)(參見圖4)。如果海堤的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為“千年一遇”, 但海堤硬質(zhì)結(jié)構(gòu)本身只是“二百年一遇”, 那么鹽沼的配置就要求該綠色海堤先達(dá)到“千年一遇”, 為了保證硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的安全, 還需追加“千年一遇”風(fēng)暴浪消能20%的能力。人工鹽沼要占用空間資源、增加資金投入, 所以并非越多越好。此外, 綠色海堤的潮灘-鹽沼-牡蠣礁復(fù)合體空間配置最好要有生態(tài)功能, 有生命支撐功能, 使得納入綠色海堤生態(tài)系統(tǒng)中的物種能夠生存和繁殖, 這也需要進(jìn)一步研究。

其次, 由于綠色海堤中的生態(tài)系統(tǒng)對硬質(zhì)結(jié)構(gòu)扮演了“保護(hù)者”角色, 因此極端事件對生態(tài)系統(tǒng)的損毀風(fēng)險和后續(xù)恢復(fù)的時間尺度成為突出問題。海堤設(shè)計的目標(biāo)之一是讓硬質(zhì)結(jié)構(gòu)承受波浪破碎的沖擊, 因此刻意在海堤表面建成凹進(jìn)突出、表面粗糙的結(jié)構(gòu), 如柵欄板、螺母塊體等(Kamphuis, 2000), 以便大幅度提高摩擦力, 從而消減波能。這種結(jié)構(gòu)必須是一體化的, 不能出現(xiàn)松動、裂縫、位移, 否則會成為引發(fā)大浪損毀的薄弱部分。正因為如此, 海堤的造價和維護(hù)成本都很高, 而鹽沼、牡蠣礁可以降低這一成本。理想狀態(tài)是, 在風(fēng)暴到來時, 生態(tài)系統(tǒng)正好處于最佳狀態(tài), 而風(fēng)暴過后生態(tài)系統(tǒng)又能在下一次風(fēng)暴的到來之前及時恢復(fù)。這個問題的難點在于, 構(gòu)建鹽沼或紅樹林、牡蠣礁需要的時間尺度以數(shù)十年計, 卻要求正好與氣候變化和極端事件的時間尺度相匹配, 需要在生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模和質(zhì)量上進(jìn)行優(yōu)化。

最后, 根據(jù)海灘剖面研究的最新進(jìn)展, 海堤形態(tài)也需著力優(yōu)化。海堤的橫斷面通常模仿如式(11)所示的天然海灘均衡剖面樣式, 然而這種形態(tài)導(dǎo)致最小波能耗散(Faraoni, 2020; Maldonado, 2020), 波浪在前緣堤面上將較多地保留能量, 最終集中到海堤頂部。在海堤上部, 無論波浪破碎或越頂, 均不利于海堤功能的發(fā)揮。因此, 海堤的總體形態(tài)和微觀形態(tài)應(yīng)考慮改進(jìn)。

6 結(jié)論

綠色海堤概念的核心是: 由人工結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)共同組成防護(hù)系統(tǒng), 其目的與傳統(tǒng)海堤相同, 主要是用于低地海岸的擋水抗浪; 未來綠色海堤防范的對象主要是海面上升、風(fēng)暴加劇下的極端事件; 在綠色海堤體系內(nèi), 生態(tài)系統(tǒng)的功能是消減波能, 并對海堤自身提供保護(hù)。本文探討了綠色海堤的環(huán)境動力學(xué)原理, 提出了需進(jìn)一步研究的科學(xué)問題, 總結(jié)如下:

1) 潮間帶、潮下帶淺灘可有效消減波浪能量。風(fēng)暴期間的波浪傳入潮間帶中下部的砂質(zhì)床面時, 由于底部摩擦阻力和推移質(zhì)沉積物運動, 波能迅速消耗。波浪穿越泥灘時, 底部摩擦阻力、再懸浮作用、浮泥運動使得波能衰減率遠(yuǎn)高于砂質(zhì)床面。岸外泥區(qū)水深相對較大, 但依然對風(fēng)暴大浪有明顯的能量耗散作用。

2) 鹽沼、紅樹林的消浪作用強于淺灘地貌。通過阻滯水流、植株莖稈影響, 其波能衰減率高于泥灘上僅由底部摩擦和沉積物運動而導(dǎo)致的波能衰減率。對于千年一遇的風(fēng)暴浪, 寬度為100～800m 的鹽沼可以削減掉20%的總波能, 降低海堤的壓力。

3) 生物礁(珊瑚礁、牡蠣礁)的外緣使波浪破碎, 礁坪摩擦阻力大, 波能衰減率也更高。分布于潮灘外緣的牡蠣礁, 可有效保護(hù)地貌和鹽沼環(huán)境的穩(wěn)定性。

4) 綠色海堤所面臨的問題是如何構(gòu)建生態(tài)位所需的高程和地貌條件、如何根據(jù)動力學(xué)原理進(jìn)行工程優(yōu)化。相關(guān)的科學(xué)問題包括: 與硬質(zhì)工程(海堤結(jié)構(gòu)、突堤、防波堤)結(jié)合的鹽沼(或紅樹林)-牡蠣礁的適應(yīng)性生物學(xué); 未來環(huán)境變化條件下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性; 綠色海堤的生態(tài)系統(tǒng)空間配置及生態(tài)建設(shè)途徑; 人工配置生態(tài)系統(tǒng)方法及與風(fēng)暴事件的時間尺度匹配; 基于均衡剖面理論的海堤形態(tài)優(yōu)化。