消浪技術在湖泊治理中的研究進展

技術背景

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堤岸,導致湖泊波浪、水體透明度、水位和水深等與水生植物生長密切相關的條件發生了根本性改變,水陸交錯帶已經消失或正在消失,水生植物也逐漸消亡,造成湖泊湖濱帶生態系統的缺失,破壞了湖泊的生態平衡,威脅著湖泊的生態健康。

護岸崩塌現象帶來的災難

藍藻暴發是湖泊水環境化惡化的典型標志,是湖泊富營養化的必然結果,給人們的生產和生活帶來了巨大的不利影響,威脅著社會穩定和經濟發展。遭受水資源危機的人們開始重視湖泊生態系統的健康狀況,積極采取措施對湖泊進行綜合治理,其中就包括湖泊的湖濱帶建設,而消浪工程正是風浪侵蝕嚴重的湖濱帶水生植物恢復的關鍵保障措施。

滇池藍藻藍藻大量繁殖

消浪技術是湖泊整治的一項重要措施。目前國內外工程中常用的消浪措施主要有以下幾種:

石壩消浪技術

石壩消浪技術具有消浪效果好、使用年限長、結構穩定性好等特點。石壩的結構形式、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和消浪效果。石壩的結構選形,應根據自然條件、材料來源、使用要求和施工條件等,經技術比較確定。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需要建設的湖濱帶的寬度。石壩的堤頂高程取決于設計高水位和工程允許越浪的程度。堤頂的高程則根據湖泊的設計波高值取值。實際情況中湖內的大部分石壩在低水位時往往露出水面,基本不越浪或有少量越浪;在湖泊高水位時,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,能在較大范圍內改變波浪形態,使其由破碎波轉變為淺水推進波,改善原湖堤岸線前灘地上的波浪、水流動力條件,從而達到保護原湖堤岸線與湖灘免受波浪淘刷的目的。

 

石壩消浪的缺點是投資較大,施工比較復雜,對示范試驗區水動力環境和景觀影響較大,不能保持水面完整。不過對石壩消浪加以改造,能夠比較便捷的打造親水平臺,為人們提供休閑娛樂的平臺,滿足人們的親水需求。

樁式消浪技術

樁式消浪技術結構簡單、易于施工和成本較低,適用于水深相對較小的水域。垂直剛性樁的材料和尺寸,宜根據當地的水深和波浪條件而定。在水深、波浪較小的內河、湖泊的近岸水域,可采用經濟實用的木樁;在湖泊和水庫等開闊水域,宜采用小直徑混凝土樁。

通過對樁式離岸堤消浪效果的試驗研究及離岸堤堤后水域波浪底流速的分析,得到如下結論:樁式離岸堤既可有效地消減作用于灘地上的波浪,又能在較大范圍內改變波浪形態,使其由破波轉變為淺水推進波,改善了灘上的水流波浪等動力條件,從而達到保護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,就相對波高而言,在堤身相對高度和樁堤透空率一定的情況下,相對波高越大,消浪效果越好,在極限波高情況下,消浪效果最佳;就堤身相對高度而言,在相對波高和離岸堤堤型一定的情況下,淹沒狀態時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,連續板樁堤的消浪效果較好,透空堤的效果相對略差,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適用于波浪正向作用情形,如為斜向波應對樁間距進行修正。由于修正后間距減小,相當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

植物消浪技術因為其生態性和經濟性在河流和湖泊消浪工程中得到推廣應用,形成了一定的工程經驗和系統理論,取得了顯著的綜合效益。湖泊水域水面上風成波浪對湖灘和堤岸長年累月的沖擊和淘刷,使得湖灘侵蝕嚴重和堤岸安全度降低。在堤岸斜坡上種樹就是可以達到消浪護岸、促淤和固岸的一種可行辦法,該辦法已經在河流和湖泊中得到實踐證實,岸坡樹木長成后可以逐年采伐,回收經濟效益,逐漸達到“以堤養堤”的效果。堤岸邊坡上植樹消浪護岸不僅可以達到所需的工程效果,而且可以促進河岸灘生態恢復,改善當地生態環境和局部小氣候,還可以美化環境,符合當今日益重視的綠色環保識,該“綠色”護岸工程正日益受到人們的重視。

在模型實驗中,選取檜柏樹枝作為防浪林模型,根據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。由實驗中實驗現象定性觀察和實驗數據定量分析對種樹消浪的定性認識總結出以下幾點結論,對于實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當具有相當的寬度,才可以起到預期的防浪護岸效果,具體的數值應當通過專門針對風暴潮的模型實驗確定。

在未完全淹沒樹身整體時,水深淹沒樹木越深,消浪效果越好。因為波浪的形成是大量水質點協同做有規律的橢圓形運動,當樹冠剛好處于主要運動區時,樹枝的搖擺將水質點的有規律橢圓運動破壞,所以波浪被消減,于是,樹枝處于運動集中區越多,對波浪的破壞愈大。但當水深很淺時,主要由樹干來消浪,樹干搖擺不大,水流只產生繞流現象,難以消減波浪。當水深太深時,水深位于波浪水質點集中橢圓運動區下方,水面以下,水質點橢圓運動逐漸減弱,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,水質點橢圓運動強烈,可以充分帶動樹枝運動,樹枝運動也就可以充分發揮打亂水質點有規律運動的作用,當波浪波高較小時,難以充分帶動樹枝運動。

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。在實驗中觀察到,當波浪周期處于某一值時,樹林會和波浪同步搖擺,并沒有產生消減波浪的效果,反而還有使波浪稍稍增加的作用。這應該是波浪周期趨于樹木的自振周期,兩者產生“共振”。當防浪林寬度較窄時,要通過模型實驗確定哪個周期范圍的波浪會有“共振”發生,以防制造出險情。不過當樹寬較大時,這樣的現象不明顯。

斜底消浪效果好于平底。從實驗中觀察到,當其它因素都相同時,斜底的消浪效果要好于平底,所以實際防浪工程中,應當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湖灘進行基底改造,然后再種植植物實現消浪。

浮式消浪技術

浮式消浪技術對水體交換影響比較小,可以模塊式安裝,不過浮式防波堤結構較復雜,造價比較高。浮式防波堤的結構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,所以防波堤的相對入水深度是影響消浪效果的重要參數。波列間的干涉消能——由于傳遞的波浪頻率與結構本身運動產生的波浪頻率不同,形成兩波間波動的相互牽制和抵消。紊動消能——水體與結構相互作用形成的碰撞、摩擦和繞流,破壞了原來波浪質點有規律的運動,轉變為雜亂的紊動而達到消能目的。波浪力做功——波浪力使結構產生位移或變形所做的功,有部分是不可逆轉的能耗。

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系統,起到凈化水質、去除污染物、提高水體透明度的功能,同時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,還能為動物和植物提供棲息地,改善生態環境效果顯著。人工浮島技術在太湖、滇池和玄武湖等湖泊得到廣泛應用。

防污屏消浪結構由浮體圍油欄、防污屏、浮漂、卸扣和錨等材料通過串聯組成,通過圍油欄和防污屏將圍隔內的水體和圍隔外的水體進行柔性分開,一定程度上也能夠起到消減波浪的作用。

筏式消浪技術

通過多種筏式的規則波試驗,綜合消浪效果,結合錨拉力、操作性、經濟性和可回收性等因素評價,單層平筏式消浪結構較好。它具有消浪效果好、錨鏈拉力小、投資小和操作性強等優點。

波浪傳播方向上較長,吃水較小。由于竹排浮式結構本身透水的特點,波動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。

筏式結構的消浪機理是阻止波浪質點的垂直分量,使波浪有規律的質點運動轉化為雜亂的紊流消能運動;竹排上的波浪下滲破壞了竹排與水底之間波浪質點運動的水平分量,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滯后消耗而達到較好的消浪效果。

研究發現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張力,故錨鏈拉力均勻,無明顯的危險荷載。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。

 

  

消浪工程緩解了波浪對植物的破壞作用,保護了植物生長。但現有的各種消浪技術仍存在一定的問題: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,隔斷了消浪區和湖泊的水體交流;消浪工程過于突兀,不能與湖泊環境融為一體;消浪工程后期維護和運行工作量大等等。并且目前仍沒有形成系統的針對湖泊水生植物生長的消浪技術。

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系研究比較少,消浪工程設計的基礎資料比較缺乏,這些現狀制約了消浪技術的發展。因此建立湖泊的水文氣象資料數據庫是設計科學合理的消浪工程的基礎條件。

文字來源:中國水利報

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