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，是湖泊富營養(yǎng)化的必然結(jié)果，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大的不利影響，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、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；在湖泊和水庫等開闊水域，宜采用小直徑混凝土樁。

通過對(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說，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)，岸坡樹木長成后可以逐年采伐，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)通過專門針對(duì)風(fēng)暴潮的模型實(shí)驗(yàn)確定。

在未完全淹沒樹身整體時(shí)，水深淹沒樹木越深，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)樹冠剛好處于主要運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)，樹枝的搖擺將水質(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)，主要由樹干來消浪，樹干搖擺不大，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)樹枝運(yùn)動(dòng)，樹枝運(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)，樹林會(huì)和波浪同步搖擺，并沒有產(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。不過當(dāng)樹寬較大時(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，歸納起來主要有以下幾種消波過程: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)通過遮光作用抑制藻類的生長。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串聯(lián)組成，通過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，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，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)生波浪的反射來消耗波能的作用甚微，它的消波作用主要決定于摩阻長度及其透水性。

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，錨鏈上沒有突出的脈動(dòng)張力，故錨鏈拉力均勻，無明顯的危險(xiǎn)荷載。研究還表明通過增大竹排的剛度和增加竹排的長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。但現(xiàn)有的各種消浪技術(shù)仍存在一定的問題:消浪效果不足，無法為植物生長提供立地條件；消浪過于徹底，隔斷了消浪區(qū)和湖泊的水體交流；消浪工程過于突兀，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。并且目前仍沒有形成系統(tǒng)的針對(duì)湖泊水生植物生長的消浪技術(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)庫是設(shè)計(jì)科學(xué)合理的消浪工程的基礎(chǔ)條件。

（文字來源：中國水利報(bào)）