植物护岸工程消浪效果研究进展
吉红香 黄本胜 邱秀云
（广东省水利水电科学研究院，广州，510630）
摘 要：植物护岸工程是生物治河措施之一，在岸边滩地合理、有计划的种植植物，消浪促淤，保护土壤，避免 消浪 波浪 岸坡
水土流失，起到固滩固岸、防浪护堤的作用，实践证明也是行之有效的。 关键词： 植物护岸
水利工程建设中，水库的土石坝及湖泊、河流的土堤等堤坝工程抗 风浪的袭击，捍卫着 下游两岸和周围千百万人民的生命安全。大型水库由于水面面积大，风的吹程长，可形成较高的 波浪，对水库岸边的冲刷作用是很强的。所以，按一般的护岸工程设计，运行一段时间后，仍旧 出现坍塌的现象。 滨海区和海涂的开发需要兴建许多围堤，随着海涂淤涨，不断的外迁，形成多道堤网。近岸 带的重要工业企业，如核电站，也需要构筑高标准的永久性围堤，防御风浪袭击，波浪是造成海 涂侵蚀、堤围破坏的主要动力因素之一，消波促淤成为海涂防护的关键。 运河及内河航道是重要的通航动脉，京杭运河沟通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水 系，珠江三角洲的内河航道纵横交错，是连接港澳的重要航线。随着经济发展的需要和现代造船 业的发展，船舶的排水量增加，航速加大。高速航行产生的船行波对河道两岸堤坡剧烈的冲刷作 用也逐渐受到人们的重视。 合理的设计河道断面及护岸工程，消波消浪，防止水土流失，同时有维护水生态系统作用， 成为河岸、水库和港口工程设计人员不断探索的目标。现在护岸工程从采用的材料看，主要有两 种形式：工程护岸和植物护岸。
1 工程护岸应用和研究
水库、河岸、海岸的防浪护岸工程多采用浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块体等 结构型式。水库中多用大型混凝土预制板，河道护岸中用得较多的是直立式混凝土墙，海岸则多 采用离岸式防浪堤消浪护岸。 海岸防浪堤的研究较多，从 60 年代开始，加兰[加拿大]等人根据吸音板的的原理开发了多孔 [1] 式沉箱直立堤，消浪效果比较好，具有一定的 性 。大窑湾港区针对深水航道特点，研究采 用了梳式防波堤，是在传统的方沉防波堤中的方沉箱按适当的比例代以沉箱翼板，在平面上形成 梳齿状的直立防波堤。我国在高桩承台码头外侧或内外两侧设置挡浪板，由固定于深海中的桩柱 [2] 支承形成透空式防波堤，用于水深大、波浪相对较小的港域 。上海市奉县南门在近岸浅水区的 保滩促淤工程中，采用桩式离岸堤，堤身由圆形管桩间隔排列构成，以减少作用于桩体的波浪压 [3] 力，前后各布设一段平块石护底。有效地改善了海滩上的动力条件，使其免受侵蚀 。 工程防浪护岸，在消浪护岸、防止水土流失等方面起到了很大的作用，在结构逐渐向消浪、 透流、轻型方向发展，但其工程造价并没有明显的减少，这也是日本在此方面开发多而应用少的 [13] 主要原因 。而且，在不同程度上对景观环境和生态产生了不良影响，造成水体与陆地环境的恶 化和生态破坏。
2 植物护岸工程的应用与研究
2.1 国外研究应用 国外在护岸技术对环境和生态影响方面研究较早， 认为混凝土护岸会引起生态与环境的退化。
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[4]
瑞 德国和日本等国技术人员均提出了一些生态护岸技术。美国以及欧洲一些国家常用的是土 壤生物护岸，主要是利用植物对气候、水文、土壤等的作用来保持岸坡稳定，通过植物对坡面的 有效覆盖，根系降低土壤孔隙水压来加固土层和提高抗滑能力，有时和工程技术结合进行综合保 护，提高防护使用年限，主要包括植草、植树等生物方式。美国阿拉斯加州的 Kenai 河护岸、加 拿大 Jacques Cartier 公园中河岸保护、英国约克郡戴尔斯三峰地区国家公园自然环境恢复等项 目中采用了此项技术。 国外植物护岸应用研究比较多，主要考虑植物根部对土壤加固作用，对利用植物树干枝叶护 岸消浪促淤的研究较少。 2.2 国内研究应用 国内的植物护岸多应用在河道和岸边浅滩，道路植草护坡应用也较多，在海岸浅滩的消浪促 淤中利用植物枝干消浪方面的研究较多。 2.2.1 河道植物护岸应用 [5] 1984 年，在运河临清段塔西附近进行了砌石固基与深栽柳护 结合的整治工程 ，多年运 行后，滞流落淤效果明显，树木生长蓬勃旺盛，柳干的伐用收入是一般堤防绿化收入的三倍多。 [4] 吉林嫩江流域治理中 ，采用当地草本植物为护坡植物，河柳灌木为迎水坡脚防浪林植物。利用 植物的地上部分形成堤防在迎水面的覆盖，减少波浪对坡面的直接冲击，起到了消能护 作用； 利用植物的根系与坡面土壤的结合，改善土壤结构，提高坡面表层的抗碱强度，有效提高坡面的 抗蚀性，保护岸坡。 80 年代初，珠江三角洲新会、斗门在堤外滩地上种植落羽松、水松等适生防护林防风消浪， [6] 固滩护岸，已经过历年台风暴潮的考验 。8908 号台风加暴潮袭击斗门县时，境内最大风力 10 级，全县 289km 堤围，缺口 449 个，缺口长度达 40km。灾后检查发现，凡是堤外滩种植了以水松 为主的固堤防浪林的堤围都是安全的；没有栽植的防浪林的堤围，即使堤外砌石防浪，也免不了 堤围缺口。由此可见，防浪林有效地保护了堤围的安全。据观测，10 行以上的林带可以把堤外河 槽 7 级的大浪削减为 3 级，3～5 行间距为 1m 左右的林带即可有效地防浪护堤。 上海城市河道新型护岸绿化设计中充分考虑了护岸工程与自然生态环境的和谐性，采用了多 种护岸植物种植形式，根据河道岸坡的不同形式利用水生植物，如水草、灌木及乔木，和碎石、 [7] 混凝土框架、草砖等结合形成美观实用的多层次护岸，岸绿水清成为上海一景 。 在河岸带种植树木形成河岸防护林，其作用主要体现在： ①洪水经过河岸防护林时在防护林的阻滞作用下，流速大为减慢，减小了水流对土表面的冲 刷，增加了淤泥沉积量，主干、枝叶消减了波浪对岸堤的冲刷破坏作用； ②植物的根系发达，增加了土壤抗侵蚀的机械强度，减少了河岸的崩塌和冲刷； ③根、茎、叶的生长对土壤有改良作用，增加了土壤的有机质的含量，改善了土壤的结构， 增强了土壤的含水性，从而增加土壤的抗侵蚀能力。 2.2.2 河道植物护岸的消浪研究 利用防浪林固滩护岸的实际应用不少，但对消浪效果及消浪机理的研究却不是很多。浙江海 塘沿线生长的鸡干草，湖南洞庭湖临湖堤前的垂柳和鸡婆柳，江苏洪泽湖大堤堤坡上的防浪林台 等，都在当地起到了良好的消浪护堤的作用。 ①原形观测试验 [8] 颜学恭等人 对长江中下游防浪林不同类型林带结构进行了原型的消浪效果观测试验，根据 实测数据，防浪林排数在 6～9 排可消浪 33%-38%，10～15 排可消浪 49%-57.6%，20～25 排可消浪 64%-71%，消浪的效果是显著的。 通过实验认为，林带消浪机理主要是波浪通过林带时，受到树干、枝条表面积的阻力，造成 水体局部间的紊流，达到消能和降低浪高的效果。消浪的效果主要取决于林带的排数、林木的长
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势及林木水下体积等因素。研究表明：防浪林消浪效果与防浪林的排数成正比，消浪与林分纵剖 面盖度紧密相关，当排数一定时，林分纵剖面盖度愈大，浪蚀愈小。 ②波浪水槽模型试验 [9] 杨建明、白玉川、黄本胜 对堤岸植物消浪护岸进行了波浪水槽模型试验，试验用裁减的桧 柏枝模拟防浪树，将河道滩地分为平坡和坡度为 1/24.98 两种情况，进行防浪林消浪效果试验。 得到了在两种情况下模型树的消浪公式： 滩地为平坡时：
??h?? α = 2.028119?? ?? ??H??
滩地坡度为 1/24.98 时：
0.6044
??b?? ?? ?? ??H??
0.8879
?? gt 2 ?? ?? H ??
?? ?? ?? ??
??0.6238
（1）
??h?? α = 0.355838?? ?? ??H??
??0.09816
??b?? ?? ?? ??H??
0.777235
?? gt 2 ?? ?? H ??
?? ?? ?? ??
??0.33659
(2)
式中： α —消波系数； H—水深； h—波高； g—重力加速度； L—波长； t—波浪周期； 试验表明：种树带的宽度越大，消浪效果越好；水淹没树木越深（不淹没至树顶） ，消浪效果 越明显；坡度 1/24.98 的消浪效果好于平坡。试验中还发现，当波浪的周期达到某一值时，树的 摇摆和波浪的波动趋于同步，这时树的消浪作用几乎没有。他们认为：这是一种“共振现象” ，当 模型树的自振频率与水体的频率相同时，树木的摇摆与水体的运动一致，此时防浪林消浪作用减 小甚至消失。建议在选择防浪林树木的时候，应考虑林木的自振频率。 2.2.3 近海岸滩植物消浪研究及应用 我国海岸线绵长，近岸带的防护建筑物或天然海岸经常受到波浪的侵蚀，技术人员对这个问 题的认识也比较早，利用生物消浪护岸的历史也比较长，福建省沿海一带的红树林，上海市滩涂 上的大片芦苇滩，浙江沿海的互花米草、大米草护岸工程，都是利用生物方法消浪促淤，保护海 岸，效果明显。 [10] ①防波林消浪效果试验 1965 年，南京水科院的章家昌在实验室内模拟平台上和平缓的滩地上种植防波林，研究其消 浪效果。试验充分考虑了林木主干和林木枝叶的消波作用，以及林木枝叶沿树干分布，提出了计 算林木的消波性能的试验公式：
0.03 0.03 ?? ?? 70 ?? ?? 30 + α ′′ ?? α k = ?? 0.2??0.16(1??α ′ ) + 0.0026??0.23(0′.′01??α ′′ ) ?? × 100% ?? ?? α ′B L α ′′B L 10 ??10 ?? ?? ??
（3）
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K—消波系数；
α ′ —林木枝叶的遮蔽系数 α ′ = α ′′ —林木主杆遮蔽系数 α ′′ =
2π ( R 2 ?? R02 ) 3l 2
；
；
2πR02 3l 2
R0—林木主干的平均半径； R—林木整体（包括主干和枝叶在内）的平均半径； l —林木成等边三角形交错排列时的株距；
3l —林木成等边三角形交错排列时的行距； 2
B—林带宽度； 2L—来波波长； n、m—系数。 （3）式的适用范围：
0 ≤ α ′ ≤ 1.00 ， 0.0006 ≤ α ′′ ≤ 0.0091
试验认为以往林木的枝叶在波浪的打击下随波摇摆会对消波不利的结论，忽略了林木枝叶对 波浪分子运动摩擦损耗有利于消波的一面；防浪林的最大消波性能大致可达 80%左右。若想达到 100%的消波性能除非使林带的宽度无限大。 [11] ②互花米草消浪效果 1989 年浙江南部沿海的生物促淤海岸防护研究中，护花米草因其植株高大、杆茎粗壮、生长 密集能减缓流速，阻挡风浪起到防护海岸的作用。通过现场观测，得出当风浪通过草带宽度为 10m～40m 时，消浪能力为 45%；40m 宽草带，消浪能力为 67%；60m 宽草带，消浪能力为 78%。由 此说明较宽的互花米草带具有较强的消浪能力，平均每 10m 宽的草带可消减波高 6cm～8cm；200m 的草带宽可消减台风浪高达 89%。说明草带越宽，消浪的作用越大。在水深超过植被冠层之前， 堤前波浪的爬高消减 60%；当水位超过植物冠层后，消减波浪爬高仅有 21%。 ③人工海草的消浪效果研究 3 人工海草由聚乙稀材料制成，直径 3～4mm，比重为 0.22～0.58g/cm ，长度为 1m 和 2m。1991 [12] 年在长江 江东滩设置人工海草试验区 ，编织成排固定在海滩上，排间距 2m，与没有人工水 草覆盖的光滩相比较。人工海草区底层流速小于相邻光滩同一等高线上的流速，实测缓流系数在 0.39～0.81。当水深大于 1.2m，人工海草全部淹没水中时，试验区内外都有破波现象；当水深小 于 0.7m，人工海草上部有数十厘米浮于水面时，试验区内无波动现象，试验区外波高 10cm 左右， 并有破波发生。 [14] 陈德春等人 根据室内水流试验和波浪槽试验资料得出：单排人工水草草屏的缓流范围主要 在草屏下游，长度达 33 倍的草高，最小缓流系数为 0.7 左右；多排草屏构成的草物，缓流作用大 [13] 大增强，影响的范围主要在草场内部和草场下游，最小缓流系数在 0.5 以下。这和杨世伦等 在 现场观测得出的数据接近。 在人工水草消波试验中，草越高消波越好，与杨世伦等的现场观测结论一致。草场长度越长， 波浪通过它时所消耗的能量也越大，草后的波高越小，消波效果越好。 [12] 花米草和工程潜坝的消浪效果对比
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河海大学傅宗甫在实验室水槽中对堆石潜坝和互花米草的消浪效果进行模拟试验，分别观测 不同堆石潜坝高度和种植不同宽度互花米草在两种潮位的波高传递率 kt。结果表明，200m 宽的草 带可消除 80%的波高；宽度为 40m 时，消波 30%，相当于 2.0m 高度的潜坝消浪效果。 通过回归 得出波高传递率 kt 与种植宽度的经验公式：
k t = 0.9748( B / d )
kt—波高传递率； B—互花米草的种植宽度； d—滩涂的平均水深；
（4）
上式说明，在某种种植情况下互花米草的消浪效果主要由无因次量 B/d 决定。与工程潜坝的 消浪效果相比可以看出， 利用互化米草消浪既可以达到工程潜坝的消浪效果又比工程护岸造价低， 是一种实用、经济的生物护岸方法。
3 结语
植物护岸技术主要利用植物保护河道岸坡、堤围及岸滩，与传统的护岸工程相比较，除了具 有增强岸 稳定性、防止水土流失、防风消浪等功能外，还有成本低、工程量小、环境协调性 好等优点。在坡面不稳定时还可以调整自身的状况来适应坡面的变化，维持较高的抗侵蚀能力。 但防浪林消浪的机理还未达到一个统一的认识：植物的枝叶究竟是对消波有利还是减小了植物的 消波作用，还有待于进一步的研究和探索。目前，利用植物消浪护岸实际应用的比较多，对其防 风消浪、固滩护岸的作用已有了定性的认识，但是缺乏系统的研究、定量的分析、科学的种植和 统筹规划。 植物护岸工程是生物治河的措施之一。滩地、河岸是河流生态系统的重要组成部分，是河流 生态系统与陆地生态系统之间的过渡区。在调节气候、保持水土、防洪等方面有重要的功能。在 河岸、堤围、岸滩的保护中不仅需要考虑岸坡结构稳定性，还应从生态的角度分析工程对种群等 生态因子的影响，是否能保持生态的动态稳定、可持续性及景观的协调性。这是生态平 需要， 也是护岸工程日益发展的趋势。 参考文献 [1] 牛恩宗,马德堂,孙绍晨.新型梳式防波堤[J].土木工程学报,2003.36(10):51-55,88 [2] 麻志雄.透空式防波堤消波性能试验研究[J].水运工程, 1990.10:1-6 [3] 龚崇准,陈美发,朱宪伟等.桩式离岸堤岸滩促淤工程消浪效果试验研究[J].海洋工程, 2001.19(4):72-76 [4] 夏 继 红 , 严 忠 民 . 国 内 外 河 道 生 态 型 护 岸 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 [J]. 中 国 水 土 保 持,2004.(3):20-21 [5] 张永明.塔西生物护岸工程效果好[J]海河水利,1991(6):41-42 [6] 黄本胜等，海堤外滩地种树效果及对行洪影响，人民珠江，1995(3) [7] 王准.上海河道新型护岸绿化种植设计[J].上海交通大学学报,2002.20(1):53-57 [8] 颜学恭,曾祥培,徐德新.长江中游防浪林效能效益分析与研究[J].武汉水利电力大学学 报,1997.30(3):51-53 [9] 杨建明.植物消浪护岸动力机制理论分析与模型试验研究.天津大学硕 位论文,2003.12 [10] 章家昌.防波林的消波性能,南京水利科学研究院 1965.12 [11] 宋连清.护花米草及其对海岸的防护作用[J].东海海洋,1997.15(1):11-19 [12] 傅宗甫.互花米草消浪效果试验研究[J].水利水电科技进展,1997.17(5):45-47 [13] 杨世伦,陈吉余,试论植物在潮滩发育演变中的作用[J].海洋与湖沼,1994.25（11）:631-635
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