侯 堋，王 強，陳俊昂，劉曉建，朱小偉，郭輝群

（1.水利部珠江水利委員會珠江水利科學研究院，510611，廣州；2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，510611，廣州；3.水利部粵港澳大灣區(qū)水安全保障重點實驗室，510611，廣州；4.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，510635，廣州）

粵港澳大灣區(qū)（以下簡稱“大灣區(qū)”）位于廣東省南部，地處珠江流域尾閭，是我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一，在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。大灣區(qū)瀕臨南海，是國內(nèi)臺風登陸最頻繁、受臺風風暴潮威脅最嚴重的區(qū)域之一。近幾十年，受全球氣候變化影響，風暴潮災害次數(shù)和強度呈增加趨勢，登陸大灣區(qū)的超強臺風引發(fā)的風暴潮災害嚴重威脅著人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。據(jù)廣東省海洋災害公報統(tǒng)計，廣東海洋災害以風暴潮災害為主，2017 年“天鴿”和2018 年“山竹”受災人口逾200萬人，直接經(jīng)濟損失為54.6 億元和23.78 億元，均超過當年海洋災害直接經(jīng)濟損失的96%，防潮安全已成為大灣區(qū)最突出的水安全問題之一。

海堤是沿海城市抵御海浪、風暴潮等自然災害的第一道屏障，是保障人民生命財產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設施。本文在分析大灣區(qū)海堤現(xiàn)狀、面臨的主要問題及新形勢的基礎(chǔ)上，提出基于“浪潮分離”的大灣區(qū)海堤高標準建設理念與技術(shù)體系，為有效提升大灣區(qū)海堤多元功能、保障大灣區(qū)水安全提供支撐。

一、大灣區(qū)海堤現(xiàn)狀與面臨的形勢和要求

1.大灣區(qū)海堤現(xiàn)狀

大灣區(qū)已建海堤長度約2300 km，防潮體系已基本形成，在風暴潮防災減災中發(fā)揮了重要作用。然而，由于現(xiàn)有海堤多建于20 世紀80 年代之前，建設質(zhì)量參差不齊，加之受極端風暴潮侵襲，目前海堤總體達標率僅為67%，已不能適應大灣區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展需求。同時，大灣區(qū)已建海堤防潮標準偏低，僅廣州、深圳等城市的中心城區(qū)達到50 年一遇~200 年一遇，有60%海堤防潮標準不足50 年一遇，對標國際一流灣區(qū)與發(fā)達城市100 年一遇~500 年一遇的防洪（潮）標準，海堤設防標準明顯偏低。在全球氣候變化和海平面持續(xù)上升共同影響下，極端風暴潮發(fā)生頻次和強度增加，最高潮位連續(xù)突破歷史極值，珠江河口200 年一遇設計潮位抬高0.17~0.74 m，致使已建海堤的設防標準被動下降，大灣區(qū)海堤防潮短板日益凸顯。

此外，以往大灣區(qū)海堤建設多注重防災減災功能，生態(tài)建設理念落實不足。已建海堤大多為漿灌砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預制混凝土塊、板樁等剛性結(jié)構(gòu)，以混凝土等灰色材料為主，改變了近岸水動力條件，破壞了陸海之間的物質(zhì)交換和生物連通，隔絕生物、微生物與陸地的接觸，導致海岸帶生物棲息地喪失及潮間帶生物群落結(jié)構(gòu)改變，進而導致生物多樣性下降。研究表明，與天然海岸線相比，硬質(zhì)海堤導致海岸帶生物多樣性和物種豐度分別減少23%和45%。

2.大灣區(qū)海堤面臨的形勢與要求

（1）氣候變化背景下大灣區(qū)的風暴潮災害加劇

大灣區(qū)瀕臨南海，常年受風暴潮侵襲，根據(jù)1990—2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，大灣區(qū)發(fā)生風暴潮97次，占全國總登陸風暴潮數(shù)的39%，是全國風暴潮發(fā)生次數(shù)最多的區(qū)域。大灣區(qū)風暴潮不僅次數(shù)多、強度大，而且登陸的頻率和強度持續(xù)增加，2010年以來，西太平洋熱帶氣旋頻數(shù)有所升高，影響大灣區(qū)的超強臺風增加趨勢顯著。氣候變化導致臺風等強熱帶天氣系統(tǒng)以及溫帶天氣系統(tǒng)發(fā)生變化，臺風等極端氣候事件頻次、強度增加，進而導致其引發(fā)的風暴潮災害加劇。研究表明，在未來不同氣候情景SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP4-6.0和SSP5-8.5（Shared Socioeconomic Pathway，共享社會經(jīng)濟路徑）下，全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖，登陸我國的強臺風可能數(shù)量更多、強度更強，預估2100年風暴潮強度將上升2%~11%，頻次將增加6%~34%。同時，在氣候變暖背景下，全球海平面持續(xù)上升，預計未來30年，珠江口沿海海平面將上升70~180 mm，海平面上升抬高了風暴潮、波浪和潮汐的基礎(chǔ)水位，將進一步加劇沿海地區(qū)風暴潮災害風險。

（2）大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略定位對海堤建設提出新要求

大灣區(qū)戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟社會地位舉足輕重，人口、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟等要素高度集聚，決定了大灣區(qū)“淹不得、淹不起”。2019年2月18日，中共中央、國務院印發(fā)《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出將大灣區(qū)建設成為充滿活力的世界級城市群及宜居宜業(yè)宜游的優(yōu)質(zhì)生活圈等五大戰(zhàn)略定位。為適應氣候變化和滿足大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展要求，《粵港澳大灣區(qū)水安全保障規(guī)劃》提出深圳、廣州防潮能力提高至300年一遇，珠海、佛山、東莞、惠州、中山、江門、肇慶城市防潮能力提高至200年一遇；《深圳市防洪（潮）排澇規(guī)劃（2021—2035）》進一步指出，深圳西部海堤防潮標準將提高至1000年一遇。目前大灣區(qū)海堤整體防潮與規(guī)劃目標存在明顯差距，亟須提高大灣區(qū)城市海堤洪潮防御能力。

大灣區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展決定了大灣區(qū)城市海堤必須更加重視景觀生態(tài)需求。黨的十八大以來，生態(tài)文明建設被納入“五位一體”總體布局，“綠水青山就是金山銀山”已成為新發(fā)展理念的重要組成部分。然而，目前大灣區(qū)已建海堤生態(tài)建設理念落實不足，對周圍環(huán)境協(xié)調(diào)型、生態(tài)友好型等綜合考慮不充分，與生態(tài)環(huán)境優(yōu)美國際一流灣區(qū)、宜居宜業(yè)宜游優(yōu)質(zhì)生活圈的定位不相適應。因此，迫切需要開展海堤高標準建設，提升海堤防災減災能力，保護海岸帶生態(tài)本底，維護海岸帶健康，打造大灣區(qū)“人—城—海”景觀格局，實現(xiàn)海堤功能綜合提升。

二、基于“浪潮分離”理念的大灣區(qū)海堤高標準建設思路

1.傳統(tǒng)海堤浪潮一體化防御設計的局限性

從海堤防潮安全角度來看，海堤的首要任務是擋潮，根據(jù)我國《海堤工程設計規(guī)范》（GB/T 51015—2014）要求，堤頂高程由設計潮（水）位、波浪爬高及安全加高組成；從堤身結(jié)構(gòu)安全上，海堤需要能夠抵擋浪潮的共同作用，需滿足穩(wěn)定、滲流、變形和抗沖刷等方面的要求。隨著浪潮動力增強及城市建設要求提高，傳統(tǒng)海堤設計局限性凸顯。

（1）海堤提標與城市景觀需求矛盾突出

近10 年，受“山竹”“天鴿”等極端風暴潮影響，大灣區(qū)水域浪、潮動力普遍增強，200年一遇設計潮位最大增加了0.74 m，設計波浪最大增加了0.6 m。大灣區(qū)海堤防潮標準從20年一遇~50年一遇提標至100年一遇~200年一遇，堤頂高程增幅0.64～2.1 m，平均增幅1.53 m。堤頂高程過高，造成海堤“圍城”，嚴重影響城市景觀，且隨著海平面進一步上升，海堤破壞風險加劇，堤頂高程將大幅度提高，與城市景觀矛盾會更加突出。

（2）傳統(tǒng)海堤對防御超標準風暴潮韌性不足

遭遇超標準風暴潮時，臺風風暴潮與近岸大浪易產(chǎn)生非線性耦合作用，加劇海堤破壞風險。當波浪傳播到破波區(qū)時，波浪集中破碎使得波能耗散，產(chǎn)生向內(nèi)的輻射應力，發(fā)生波浪增水，導致潮位抬升；同時，在臺風風暴潮作用下潮位顯著抬升，水深增大，波浪能量大幅度增強。以大灣區(qū)某海堤為例，當設計潮位為2.8 m、設計波高為0.4 m時，海堤迎水面動壓力峰值為6.0 kPa；當設計潮位和設計波高分別增加0.2 m時，海堤迎水面動壓力峰值分別提高為7.5 kPa和7.7 kPa，較提高前增加25%和28%；當設計潮位和設計波高同時增加0.2 m時，海堤迎水面動壓力峰值提高為9.8 kPa，較提高前增加63%。而傳統(tǒng)海堤僅依靠單一堤身進行擋潮消浪，防災減災韌性不足，假如濱海城市核心區(qū)在風暴潮或“風、雨、潮三碰頭”的極端情況下潰堤，失去唯一防潮屏障的核心區(qū)將遭受巨大損失。

2.“浪潮分離”理念的概念及其海堤設計的新內(nèi)涵

針對傳統(tǒng)浪潮一體化海堤設計局限性，迫切需要轉(zhuǎn)變海堤建設思路?，F(xiàn)實情況下，潮位難以降低，而波高可通過消浪措施進行消減，從而剝離浪潮非線性疊加作用，減小浪潮對海堤的破壞力。因此，提出橫向分離式的“浪潮分離”海堤設計新理念。

（1）理念定義

橫向分離式的“浪潮分離”理念，即在垂向空間上利用堤身“擋高水”，而在橫向空間上通過堤前和堤身消浪措施“消高浪”。“消高浪”在空間上包括堤前淺灘及堤身兩部分，堤前淺灘因地制宜營造潛堤、紅樹林等措施消減極端風浪，堤身通過多級平臺、混凝土塊石等結(jié)構(gòu)消減波浪爬高；“擋高水”在垂向空間上通過抬高堤頂高程攔擋風暴潮期間高水位（見圖1）。該模式下，其堤頂高程為新標準下的設計潮位、安全加高及通過堤前、堤身措施“消高浪”后的剩余波浪爬高三者之和。

圖1 “浪潮分離”式海堤原理示意圖

（2）主要特點

“浪潮分離”理念有兩大主要特點：一是空間層次轉(zhuǎn)變，將原來的線狀單一堤身防護體系轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝?、陸延伸的帶狀多層次防護體系，拓展了海堤橫向擋潮消浪空間，提高了海堤防災韌性；二是功能綜合提升，將傳統(tǒng)工程型防護轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦蜕鷳B(tài)型防護，強調(diào)安全性和景觀生態(tài)性的平衡，防護空間的拓寬可為景觀、生態(tài)、游憩等功能提供基礎(chǔ)條件，從而在防災減災功能基礎(chǔ)上提升生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。

三、基于“浪潮分離”的大灣區(qū)海堤高標準建設技術(shù)體系

基于“浪潮分離”的海堤設計新理念，以安全、景觀、生態(tài)、游憩等功能協(xié)同提升為目標，創(chuàng)建了“三重防護—模塊組合—系統(tǒng)優(yōu)化”的海堤設計新方法，實現(xiàn)海堤多元功能綜合提升。

1.三重防護

為有效應對臺風期間風暴潮增水及越浪，基于現(xiàn)有濱海岸線構(gòu)建“堤前生態(tài)消浪—堤身擋潮消浪—堤后蓄水快排”的海堤設計三重防護體系（如圖2和表1所示）。第一重防護為堤前生態(tài)消浪，根據(jù)堤前灘地沖淤、潮汐、波浪等因素，利用堤前淺灘布置生態(tài)魚礁、紅樹林、鹽沼濕地等消浪生態(tài)措施消波耗能，減緩水層底部流速，促進懸沙落淤，降低床面侵蝕；第二重防護為堤身擋潮消浪，以擋潮和消減波浪爬高為主要功能，根據(jù)堤段所處位置的重要程度、地形地質(zhì)條件、筑堤材料、水動力特性、施工條件，并結(jié)合用地條件、生態(tài)環(huán)境、工程投資等要求，綜合比較確定堤型、材料和堤身防護；第三重防護為堤后蓄水快排，在堤后設置排導和蓄滯設施，對越過堤防的海水盡快導排或加以蓄積。三重防護功能各有側(cè)重，在水平空間上互相補充，形成復合防護體系，顯著提高海堤防御能力。

表1 三重防護技術(shù)體系

圖2 海堤設計三重防護體系

2.模塊組合

系統(tǒng)梳理了三重防護體系的成套模塊技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場觀測及模型試驗明確了不同技術(shù)模塊的適用條件，如表2所示。在模塊選擇中，需充分考慮當?shù)噩F(xiàn)狀、生態(tài)稟賦、浪潮動力等自然條件，深入分析問題與需求，依托三重防護體系中各類技術(shù)的適用條件及消浪效能，因地制宜、擇優(yōu)組合，從而形成海堤整體設計方案?；诓煌毒€類型、不同用地空間及不同功能需求，提出了兩種典型的“浪潮分離”海堤設計模式。

表2 三重防護體系不同技術(shù)模塊適用條件

（1）向海拓展：堤前生態(tài)消浪+堤身防潮消浪模式

該防護模式適用于堤前淺灘較寬岸線，通過淺灘種植生態(tài)植物或布置生態(tài)魚礁進行消浪，堤身采用多級堤，堤后建設濕地公園，該組合模式較多被新建城區(qū)采用。以廣州南沙大角山公園為例，現(xiàn)狀舊堤為剛性混凝土結(jié)構(gòu)，防潮標準約20年一遇，不滿足規(guī)劃200年一遇防潮標準要求。不同于傳統(tǒng)加高培厚堤防的做法，“浪潮分離”理念下需充分考慮堤前、堤身空間的消浪潛能，通過營造50 m寬紅樹林消浪帶且將堤身設計為多級平臺結(jié)構(gòu)，可將波浪爬高降低至0～0.3 m，較傳統(tǒng)“浪潮一體化”模式設計堤頂高程降低2.0～2.5 m。

（2）向陸拓展：舊堤消浪+后方道路/公園消浪擋潮模式

對于大灣區(qū)大多數(shù)濱海城市岸線，現(xiàn)狀已建堤防的防潮標準普遍偏低，堤前及堤后用地空間受限，需充分利用現(xiàn)狀堤防及后方道路、公園構(gòu)建多重防潮體系。其中，現(xiàn)狀舊堤主要功能為消浪，后方則通過對道路路沿、花壇進行加高或?qū)珗@微地形進行改造，達到擋潮目的。以珠海情侶路為例，現(xiàn)狀防潮標準僅為50年一遇~100年一遇，規(guī)劃為200年一遇，“浪潮分離”理念下對現(xiàn)狀海堤進行提標加固（見圖3）：一是對原海堤迎水面消浪設施、護坡結(jié)構(gòu)加固，使其承擔主要的消減波浪爬高功能；二是對防浪墻、路沿石或綠化帶加高改造，沿線缺口設置活動式擋水設施，形成防潮封閉線，滿足200年一遇高潮位設防要求，保護陸域重要設施及人民生命財產(chǎn)安全。

圖3 珠海情侶路“浪潮分離”式海堤

3.系統(tǒng)優(yōu)化

大灣區(qū)城市濱海岸帶用地緊張，堤前紅樹林種植、堤身多級平臺建設等海堤生態(tài)空間有限，精細化布局是實現(xiàn)有限空間內(nèi)海堤多元功能綜合提升的關(guān)鍵。然而，由于“橫向多級”生態(tài)海堤與傳統(tǒng)海堤在建筑材料、結(jié)構(gòu)形態(tài)、空間布局等方面存在顯著差異，傳統(tǒng)海堤設計規(guī)程規(guī)范難以有效指導濱海岸帶生態(tài)海堤工程建設優(yōu)化布局。三維波浪數(shù)值模型或物理模型是實現(xiàn)精細化布局的有效手段，其能夠動態(tài)捕捉植物、生態(tài)多孔礁體、多級階梯等復雜結(jié)構(gòu)表面的薄層水體流動，充分反映植物、硬質(zhì)工程等與波浪的相互作用關(guān)系，精細化模擬空間尺度上波浪在遠?！丁躺淼膫鬏斔p過程。通過分析堤前生態(tài)消浪—堤身擋潮消浪情況，整體評估生態(tài)海堤工程布局的擋潮消浪效果，科學指導生態(tài)海堤布局優(yōu)化，可提高系統(tǒng)優(yōu)化的準確性、適用性和時效性，確保橫向空間各維度分散工程生態(tài)減災效能的聯(lián)動累加效應最優(yōu)。

四、“浪潮分離”理念下的大灣區(qū)海堤建設應用實踐

以珠海市乾務赤坎大聯(lián)圍平沙東堤為例。此海堤位于雞啼門口門西岸，現(xiàn)狀防潮標準約50年一遇，不滿足規(guī)劃100年一遇防潮標準要求，在超強臺風2017年“天鴿”和2018年“山竹”襲擊珠海期間，水位高出堤頂0.2～0.6 m，造成較大損失，因此迫切需要對海堤進行提標加固。通過分析堤前堤后空間條件、岸線類型、功能需求等，采用“浪潮分離”的設計理念，運用“三重防護—模塊組合—系統(tǒng)優(yōu)化”的設計新方法，構(gòu)建了“堤前淤泥質(zhì)淺灘紅樹林+復合式堤身斷面+堤后道路生態(tài)緩沖空間”的海堤綜合防護體系。平沙東堤堤前為淤泥質(zhì)淺灘，具備紅樹林修復的條件，因此堤前可布設約100～120 m寬的紅樹林，且紅樹林區(qū)內(nèi)潮溝寬約10～20 m；堤身迎水坡采用水平4.8 m寬的柵欄板護坡消浪，接著采用8.9 m寬的兩種組合生態(tài)框（平鋪式、箱式）豐富生態(tài)景觀且兼具消浪功能，堤頂設置防浪墻，背水坡采用草皮護坡；堤后設置景觀綠化帶進行綠化，并設置人行步道、景觀小品等休憩設施，近背水坡堤腳側(cè)設置排水溝，形成堤后的生態(tài)緩沖空間。通過第一道紅樹林防線和第二道堤身防線，可將100年一遇的波浪爬高從1.9 m消減為0～0.2 m，新的設計潮位下海堤堤頂高程為4.53～4.62 m，較傳統(tǒng)方法設計堤頂高程降低1.7～1.9 m，節(jié)約經(jīng)濟投資3400萬元，經(jīng)濟效益、景觀生態(tài)效果均顯著提升。

五、結(jié)論與展望

本文在系統(tǒng)分析大灣區(qū)海堤面臨的主要問題及新形勢的基礎(chǔ)上，提出了基于“浪潮分離”的大灣區(qū)海堤高標準建設理念與技術(shù)體系，并以珠海市乾務赤坎大聯(lián)圍平沙東堤為例，對“浪潮分離”理念的應用效果進行簡要分析。該技術(shù)可在堤防加高受限背景下提高海堤防災減災功能，且滿足生態(tài)、景觀、游憩等多元需求，生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益顯著。在平面上，將傳統(tǒng)單一堤身防護轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗糖啊躺怼毯蟆倍嘀胤雷o，增強了防御韌性，同時實現(xiàn)水域岸線空間最大化利用，為植物生長、生物附著創(chuàng)造適宜條件；在垂向上，通過“三重防護—模塊組合—系統(tǒng)優(yōu)化”設計，實現(xiàn)浪潮分離、逐級消浪，降低波浪對海堤的破壞力，同時通過降低波浪爬高減少堤頂高程抬高幅度，實現(xiàn)海堤多元功能綜合提升。

生態(tài)海堤作為一個跨學科合作的新生事物，目前仍處于積極探索階段，在監(jiān)測、規(guī)劃、設計、施工、評估等各環(huán)節(jié)仍存在許多可以改進之處。針對大灣區(qū)生態(tài)海堤發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求，可以從以下方面進行研究完善：①依據(jù)國內(nèi)外生態(tài)海堤規(guī)程規(guī)范，結(jié)合大灣區(qū)海岸帶水文水動力特征及自然稟賦條件，構(gòu)建適用于大灣區(qū)生態(tài)海堤高標準建設的技術(shù)標準體系，包含規(guī)劃設計標準、建設施工標準、驗收評估標準等，以實現(xiàn)對生態(tài)海堤建設的科學指導；②加強新型海岸防護工程消浪關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，結(jié)合物理實驗和現(xiàn)場觀測，識別堤前、堤身消浪技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，研究不同波浪條件下消浪效果最優(yōu)的參數(shù)組合模式，優(yōu)化堤體結(jié)構(gòu)形式，提高防浪吸能能力；③研發(fā)新型生態(tài)防波組件產(chǎn)品，分析生態(tài)海堤新材料、新結(jié)構(gòu)對生態(tài)系統(tǒng)的改善和提高作用，挖掘新型組件在生態(tài)修復工程中的消浪弱流、生態(tài)保育、減污降碳能力。