消浪技術(shù)在湖泊治理中的研究進(jìn)展

技術(shù)背景

由于圍湖造田、供水、通航和防洪等需求，大部分湖泊原有的自然岸線都被改造成直立硬質(zhì)堤岸，導(dǎo)致湖泊波浪、水體透明度、水位和水深等與水生植物生長(zhǎng)密切相關(guān)的條件發(fā)生了根本性改變，水陸交錯(cuò)帶已經(jīng)消失或正在消失，水生植物也逐漸消亡，造成湖泊湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)的缺失，破壞了湖泊的生態(tài)平衡，威脅著湖泊的生態(tài)健康。

護(hù)岸崩塌現(xiàn)象帶來(lái)的災(zāi)難

藍(lán)藻暴發(fā)是湖泊水環(huán)境化惡化的典型標(biāo)志，是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的必然結(jié)果，給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大的不利影響，威脅著社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。遭受水資源危機(jī)的人們開(kāi)始重視湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，積極采取措施對(duì)湖泊進(jìn)行綜合治理，其中就包括湖泊的湖濱帶建設(shè)，而消浪工程正是風(fēng)浪侵蝕嚴(yán)重的湖濱帶水生植物恢復(fù)的關(guān)鍵保障措施。

滇池藍(lán)藻藍(lán)藻大量繁殖

消浪技術(shù)是湖泊整治的一項(xiàng)重要措施。目前國(guó)內(nèi)外工程中常用的消浪措施主要有以下幾種：

石壩消浪技術(shù)

石壩消浪技術(shù)具有消浪效果好、使用年限長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。石壩的結(jié)構(gòu)形式、石壩與湖堤的距離、石壩的高度以及堤頂寬度等，將直接影響到石壩的造價(jià)和消浪效果。石壩的結(jié)構(gòu)選形，應(yīng)根據(jù)自然條件、材料來(lái)源、使用要求和施工條件等，經(jīng)技術(shù)比較確定。斜坡堤適用于地基較差和石料來(lái)源豐富的情況，正砌方塊直立堤適用于地基較好的情況。石壩與湖堤的距離取決于湖堤內(nèi)需要建設(shè)的湖濱帶的寬度。石壩的堤頂高程取決于設(shè)計(jì)高水位和工程允許越浪的程度。堤頂?shù)母叱虅t根據(jù)湖泊的設(shè)計(jì)波高值取值。實(shí)際情況中湖內(nèi)的大部分石壩在低水位時(shí)往往露出水面，基本不越浪或有少量越浪；在湖泊高水位時(shí)，則沒(méi)入水中，起到潛堤效果。潛堤也能有效地消減作用于湖堤岸線前及灘地上的波浪，能在較大范圍內(nèi)改變波浪形態(tài)，使其由破碎波轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水推進(jìn)波，改善原湖堤岸線前灘地上的波浪、水流動(dòng)力條件，從而達(dá)到保護(hù)原湖堤岸線與湖灘免受波浪淘刷的目的。

石壩消浪的缺點(diǎn)是投資較大，施工比較復(fù)雜，對(duì)示范試驗(yàn)區(qū)水動(dòng)力環(huán)境和景觀影響較大，不能保持水面完整。不過(guò)對(duì)石壩消浪加以改造，能夠比較便捷的打造親水平臺(tái)，為人們提供休閑娛樂(lè)的平臺(tái)，滿足人們的親水需求。

樁式消浪技術(shù)

樁式消浪技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于施工和成本較低，適用于水深相對(duì)較小的水域。垂直剛性樁的材料和尺寸，宜根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃詈筒ɡ藯l件而定。在水深、波浪較小的內(nèi)河、湖泊的近岸水域，可采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的木樁；在湖泊和水庫(kù)等開(kāi)闊水域，宜采用小直徑混凝土樁。

通過(guò)對(duì)樁式離岸堤消浪效果的試驗(yàn)研究及離岸堤堤后水域波浪底流速的分析，得到如下結(jié)論:樁式離岸堤既可有效地消減作用于灘地上的波浪，又能在較大范圍內(nèi)改變波浪形態(tài)，使其由破波轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水推進(jìn)波，改善了灘上的水流波浪等動(dòng)力條件，從而達(dá)到保護(hù)湖灘免受波浪淘刷的目的。樁式離岸堤的消浪效果主要與波浪大小、堤身高度以及樁間間距有關(guān)，就相對(duì)波高而言，在堤身相對(duì)高度和樁堤透空率一定的情況下，相對(duì)波高越大，消浪效果越好，在極限波高情況下，消浪效果最佳；就堤身相對(duì)高度而言，在相對(duì)波高和離岸堤堤型一定的情況下，淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)潮位越接近于堤頂高程，樁式離岸堤的消浪效果越好；就樁式離岸堤的透空程度來(lái)說(shuō)，在潮位和波浪條件一定的情況下，連續(xù)板樁堤的消浪效果較好，透空堤的效果相對(duì)略差，但透空堤之間差別有限。樁式離岸堤的消浪效果的水槽試驗(yàn)適用于波浪正向作用情形，如為斜向波應(yīng)對(duì)樁間距進(jìn)行修正。由于修正后間距減小，相當(dāng)于樁式堤樁間間距減少、密度增加，一定程度上可以提高消浪效果。

植物消浪技術(shù)

植物消浪技術(shù)因?yàn)槠渖鷳B(tài)性和經(jīng)濟(jì)性在河流和湖泊消浪工程中得到推廣應(yīng)用，形成了一定的工程經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)理論，取得了顯著的綜合效益。湖泊水域水面上風(fēng)成波浪對(duì)湖灘和堤岸長(zhǎng)年累月的沖擊和淘刷，使得湖灘侵蝕嚴(yán)重和堤岸安全度降低。在堤岸斜坡上種樹(shù)就是可以達(dá)到消浪護(hù)岸、促淤和固岸的一種可行辦法，該辦法已經(jīng)在河流和湖泊中得到實(shí)踐證實(shí)，岸坡樹(shù)木長(zhǎng)成后可以逐年采伐，回收經(jīng)濟(jì)效益，逐漸達(dá)到“以堤養(yǎng)堤”的效果。堤岸邊坡上植樹(shù)消浪護(hù)岸不僅可以達(dá)到所需的工程效果，而且可以促進(jìn)河岸灘生態(tài)恢復(fù)，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和局部小氣候，還可以美化環(huán)境，符合當(dāng)今日益重視的綠色環(huán)保識(shí)，該“綠色”護(hù)岸工程正日益受到人們的重視。

在模型實(shí)驗(yàn)中，選取檜柏樹(shù)枝作為防浪林模型，根據(jù)量綱分析確定主要影響因素是邊坡坡度、波高、波周期、水深與防浪林樹(shù)寬。由實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量分析對(duì)種樹(shù)消浪的定性認(rèn)識(shí)總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論，對(duì)于實(shí)際工程中防浪林種植寬度、底坡取斜和底坡高程確定具有參考價(jià)值。

沿波浪傳播方向種樹(shù)林帶越寬，消浪效果越好。防浪林沿波浪傳播方向應(yīng)當(dāng)具有相當(dāng)?shù)膶挾?，才可以起到預(yù)期的防浪護(hù)岸效果，具體的數(shù)值應(yīng)當(dāng)通過(guò)專門針對(duì)風(fēng)暴潮的模型實(shí)驗(yàn)確定。

在未完全淹沒(méi)樹(shù)身整體時(shí)，水深淹沒(méi)樹(shù)木越深，消浪效果越好。因?yàn)椴ɡ说男纬墒谴罅克|(zhì)點(diǎn)協(xié)同做有規(guī)律的橢圓形運(yùn)動(dòng)，當(dāng)樹(shù)冠剛好處于主要運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)，樹(shù)枝的搖擺將水質(zhì)點(diǎn)的有規(guī)律橢圓運(yùn)動(dòng)破壞，所以波浪被消減，于是，樹(shù)枝處于運(yùn)動(dòng)集中區(qū)越多，對(duì)波浪的破壞愈大。但當(dāng)水深很淺時(shí)，主要由樹(shù)干來(lái)消浪，樹(shù)干搖擺不大，水流只產(chǎn)生繞流現(xiàn)象，難以消減波浪。當(dāng)水深太深時(shí)，水深位于波浪水質(zhì)點(diǎn)集中橢圓運(yùn)動(dòng)區(qū)下方，水面以下，水質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，所以，消減也不大。

大波的消浪效果要好于小波。波高較大的波浪，水質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，可以充分帶動(dòng)樹(shù)枝運(yùn)動(dòng)，樹(shù)枝運(yùn)動(dòng)也就可以充分發(fā)揮打亂水質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的作用，當(dāng)波浪波高較小時(shí)，難以充分帶動(dòng)樹(shù)枝運(yùn)動(dòng)。

周期較大的和周期較小的波的消浪效果好于周期中間值的波浪。在實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)波浪周期處于某一值時(shí)，樹(shù)林會(huì)和波浪同步搖擺，并沒(méi)有產(chǎn)生消減波浪的效果，反而還有使波浪稍稍增加的作用。這應(yīng)該是波浪周期趨于樹(shù)木的自振周期，兩者產(chǎn)生“共振”。當(dāng)防浪林寬度較窄時(shí)，要通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)確定哪個(gè)周期范圍的波浪會(huì)有“共振”發(fā)生，以防制造出險(xiǎn)情。不過(guò)當(dāng)樹(shù)寬較大時(shí)，這樣的現(xiàn)象不明顯。

斜底消浪效果好于平底。從實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)其它因素都相同時(shí)，斜底的消浪效果要好于平底，所以實(shí)際防浪工程中，應(yīng)當(dāng)將樹(shù)木種植于一定坡度之上。植物消浪適用于湖灘條件比較好、湖灘呈向湖心的斜坡的地方，植物生長(zhǎng)立地條件不夠的需要先對(duì)湖灘進(jìn)行基底改造，然后再種植植物實(shí)現(xiàn)消浪。

浮式消浪技術(shù)

浮式消浪技術(shù)對(duì)水體交換影響比較小，可以模塊式安裝，不過(guò)浮式防波堤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)比較高。浮式防波堤的結(jié)構(gòu)形式是影響消浪效果的重要因素，各種類型的浮式防波堤的消浪機(jī)理也有所差異，歸納起來(lái)主要有以下幾種消波過(guò)程:波能反射——利用堤前部分反射能量，所以防波堤的相對(duì)入水深度是影響消浪效果的重要參數(shù)。波列間的干涉消能——由于傳遞的波浪頻率與結(jié)構(gòu)本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波浪頻率不同，形成兩波間波動(dòng)的相互牽制和抵消。紊動(dòng)消能——水體與結(jié)構(gòu)相互作用形成的碰撞、摩擦和繞流，破壞了原來(lái)波浪質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂的紊動(dòng)而達(dá)到消能目的。波浪力做功——波浪力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移或變形所做的功，有部分是不可逆轉(zhuǎn)的能耗。

人工浮島是將植物種植在浮體上，通過(guò)植物根系形成的微生物膜和微生態(tài)系統(tǒng)，起到凈化水質(zhì)、去除污染物、提高水體透明度的功能，同時(shí)通過(guò)遮光作用抑制藻類的生長(zhǎng)。人工浮島不僅本身能夠起到消浪的效果，還能為動(dòng)物和植物提供棲息地，改善生態(tài)環(huán)境效果顯著。人工浮島技術(shù)在太湖、滇池和玄武湖等湖泊得到廣泛應(yīng)用。

防污屏消浪結(jié)構(gòu)由浮體圍油欄、防污屏、浮漂、卸扣和錨等材料通過(guò)串聯(lián)組成，通過(guò)圍油欄和防污屏將圍隔內(nèi)的水體和圍隔外的水體進(jìn)行柔性分開(kāi)，一定程度上也能夠起到消減波浪的作用。

筏式消浪技術(shù)

通過(guò)多種筏式的規(guī)則波試驗(yàn)，綜合消浪效果，結(jié)合錨拉力、操作性、經(jīng)濟(jì)性和可回收性等因素評(píng)價(jià)，單層平筏式消浪結(jié)構(gòu)較好。它具有消浪效果好、錨鏈拉力小、投資小和操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

波浪傳播方向上較長(zhǎng)，吃水較小。由于竹排浮式結(jié)構(gòu)本身透水的特點(diǎn)，波動(dòng)水體爬到竹排上后很快便滲到底部，其直接阻攔波浪作用較小，即產(chǎn)生波浪的反射來(lái)消耗波能的作用甚微，它的消波作用主要決定于摩阻長(zhǎng)度及其透水性。

筏式結(jié)構(gòu)的消浪機(jī)理是阻止波浪質(zhì)點(diǎn)的垂直分量，使波浪有規(guī)律的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為雜亂的紊流消能運(yùn)動(dòng)；竹排上的波浪下滲破壞了竹排與水底之間波浪質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的水平分量，波浪沿筏身傳播，通過(guò)沿程摩擦消能，楠竹間隙摩擦和彈性吸收以及平筏整體振動(dòng)滯后消耗而達(dá)到較好的消浪效果。

研究發(fā)現(xiàn)由于波浪與平筏的相互作用基本均勻，平筏的漂移很小，錨鏈上沒(méi)有突出的脈動(dòng)張力，故錨鏈拉力均勻，無(wú)明顯的危險(xiǎn)荷載。研究還表明通過(guò)增大竹排的剛度和增加竹排的長(zhǎng)度等措施能夠改善竹排消浪效果。

展   望

消浪工程緩解了波浪對(duì)植物的破壞作用，保護(hù)了植物生長(zhǎng)。但現(xiàn)有的各種消浪技術(shù)仍存在一定的問(wèn)題:消浪效果不足，無(wú)法為植物生長(zhǎng)提供立地條件；消浪過(guò)于徹底，隔斷了消浪區(qū)和湖泊的水體交流；消浪工程過(guò)于突兀，不能與湖泊環(huán)境融為一體；消浪工程后期維護(hù)和運(yùn)行工作量大等等。并且目前仍沒(méi)有形成系統(tǒng)的針對(duì)湖泊水生植物生長(zhǎng)的消浪技術(shù)。

目前，湖泊的水文氣象資料缺乏，波浪與水生植物立地條件和生長(zhǎng)條件的關(guān)系研究比較少，消浪工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料比較缺乏，這些現(xiàn)狀制約了消浪技術(shù)的發(fā)展。因此建立湖泊的水文氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)是設(shè)計(jì)科學(xué)合理的消浪工程的基礎(chǔ)條件。

（文字來(lái)源：中國(guó)水利報(bào)）