应对极端风暴潮的粤港澳大湾区海堤建设研究.pdf

研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷收稿日期：2023-05-08第一作者信息：侯堋，女，室主任，高级工程师，E-mail：。通信作者信息：刘晓建，男，博士，高级工程师，E-mail：。基金项目：国家重点研发计划（2021YFC3001000、2022YFC3202200）；广东省 2021 年促进经济高质量发展海洋经济专项（GDNRC 2021 41）；广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515110428）；广州市基础与应用基础研究基金（202102021286）；海岸灾害及防护教育部重点实验室（202209）；水利部重大科技项目（SKS-2022025）。应对极端风暴潮的粤港澳大湾区海堤建设研究侯堋 刘晓建 朱小伟 王强（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州510611；2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广州510611）DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2023173摘要：海堤是防御风暴潮侵袭、减轻海洋灾害的重要工程措施。在海平面上升和风暴潮加剧的双重影响下，大湾区海堤防潮能力被动降低，防潮安全备受挑战。通过现场调查梳理了大湾区海堤典型破坏形式，有防浪墙倾覆、迎水坡损毁及背水坡垮塌等，其中案例中背水坡破坏占比近1/2。为应对极端风暴潮灾害，迫切需要对大湾区海堤进行提标加固，但以提高堤顶高程为主的传统提标方式与城市亲水景观需求矛盾突出，基于此提出大湾区海堤建设应由防浪防潮垂向一体式向防浪防潮横向分离式转变，即利用堤身“挡高潮”，利用堤前措施和堤身“消大浪”。相较于传统提标方法，该方法实现了不抬高堤顶高程却提升防潮能力的目标，成果可为粤港澳大湾区海堤建设提供借鉴。关键词：粤港澳大湾区；风暴潮；海堤破坏；海堤提标；生态海堤中图分类号：U656.3；P731.23文献标识码：A文章编号：1673-9264（2024）03-70-06侯堋，刘晓建，朱小伟，等.应对极端风暴潮的粤港澳大湾区海堤建设研究J.中国防汛抗旱，2024，34（3）：70-75.HOU Peng，LIU Xiaojian，ZHU Xiaowei，et al.Study on seawallconstruction in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area to cope with extreme storm surgeJ.China Flood&Drought Management,2024，34（3）：70-75.（in Chinese）0 引言粤港澳大湾区包括广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9市和香港、澳门特别行政区，是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。粤港澳大湾区位于珠江流域下游，珠江三角洲的核心腹地，河网水系发达，毗邻南海，特殊的自然地理和气候条件决定了其面临较大的风暴潮灾害威胁。粤港澳大湾区总面积5.6万km2，总人口约7 000万人，2020年GDP超12.6万亿元，约占全国GDP的11%。随着粤港澳大湾区的不断发展，人口及经济总量还将增加，防洪（潮）保安将面临更严峻的挑战1-2。海堤是保障防潮安全的重要屏障3，当前粤港澳大湾区已建成海堤总长约2 300 km，是保障经济社会发展和人民群众生命财产安全的重要基础设施。早期大湾区海堤工程建设标准偏低，质量参差不齐，加之遭受极端风暴潮侵袭4，成为防灾减灾体系的一大短板，与经济社会的快速发展不相适应。此外，已建成的海堤多为传统的单一硬质化工程，以“三面光”结构为主，在环境协调性、生态友好性、人群亲和性等方面不足，与近年来国家战略和生态文明理念对大湾区海堤建设提出的高标准要求存在差距5。随着粤港澳大湾区水安全保障水平的不断提升，大湾区海堤高标准建设迫在眉睫，不仅要具有防潮作用，还要兼顾生态景观游憩功能6，实现由传统单一灰色的防潮海堤向多元化滨水景观的生态海堤转变。需要围绕大湾区海堤建设的新要求，聚焦海堤提标面临的突出难题，提出粤港澳大湾区海堤建设发展方向和提标解决策略，为提升大湾区防潮安全提供参考。70研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTMar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷1 大湾区防潮形势及问题1.1 海堤防洪（潮）体系基本建成但达标率低粤港澳大湾区属于珠江下游三角洲防洪保护区和珠江三角洲滨海防潮保护区，已建海堤总长约2 300 km（表1），但现状海堤防潮标准总体不高，近60%的海堤防潮标准低于50年一遇，其广州市防洪（潮）能力为50年一遇至200年一遇；深圳市防洪（潮）能力为50年一遇至200年一遇；香港市区设计防洪标准排水干渠系统为 200 年一遇，排水支渠系统为50年一遇；澳门新城区为100年一遇至200年一遇，老城区大部分为20年一遇至100年一遇。随着粤港澳大湾区国家战略的提出，大湾区防潮标准进一步抬升，如广州、深圳等国家重点城市，规划标准以100年一遇至200年一遇防潮标准为主，深圳部分堤段甚至达到了1 000年一遇，现状防潮能力与规划防潮标准仍存在较大差距。1.2 洪潮遭遇导致河口区海堤防潮压力增大珠江中下游西江、北江和东江是粤港澳大湾区主要的泄洪通道，防洪工程建设使得洪水归槽现象增强，思贤滘原50年一遇设计洪峰流量为60 700 m3/s，洪水全归槽后洪峰流量达到67 800 m3/s，增大约11.7%。洪水归槽效应后，大湾区洪水位均有不同程度升高，洪水归槽50年一遇情况下，马口站和高要站的水位增幅分别高达0.83 m和1.12m；洪水归槽100年一遇情况下，马口站和高要站的水位增幅分别高达1.01 m和1.36 m。洪水归槽下泄，引发下游洪峰流量增大、水位增高、防洪风险向大湾区明显转移，洪潮遭遇时，洪潮交汇区域的江门水道、虎跳门水道、螺洲溪、平洲水道、甘竹溪等河道局部水位升高，50年一遇后，全归槽水位超出堤防设计水位。因此洪水归槽下泄，导致洪潮遭遇期间河口区海堤防潮压力增大。1.3 海平面上升与风暴潮加剧造成海堤被动降标气候变化导致海平面抬升、台风频次和强度增加。近40年，中国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a，高于同时段全球平均水平，其中南海海平面上升速率为3.5 mm/a，预计未来30年南海沿海海平面将上升60175 mm；大湾区台风灾害呈多发、频发、连发态势，风力大、海浪高、破坏性强，已成为影响粤港澳大湾区最严重的自然灾害之一7-8，如0814号台风“黑格比”、1713号台风“天鸽”及1822号台风“山竹”引起的大湾区重要站点风暴潮位屡创新高、接连突破历史极值，导致200年一遇设计潮位增加0.170.74 m6。在海堤高程不变前提下，大湾区设计潮位抬高致使已建海堤设防标准被动下降。2 大湾区海堤破坏现状2.1 海堤破坏现场调研大湾区海堤断面主要有斜坡式、直立式及复合式，其中网河区以直立式为主，口外以斜坡式和复合式为主，主要依靠堤身挡水。近10年，在多场风暴潮作用下，大湾区海堤破坏长度近1 000 km，仅台风“天鸽”破坏海堤长度就达500 km，调研发现风暴潮下海堤破坏（图1）主要有防浪墙倾序号123456789区域广州深圳东莞珠海中山惠州江门澳门香港已建海堤长度/km48911135439827812035867120已达标海堤长度/km381638234920048303达标率（%）78572388724085表1 粤港澳大湾区海堤统计注：大湾区9市中肇庆和佛山无海堤，均为江堤；表示无统计。（a）澳门市孙逸仙大马路海堤堤顶冲毁（c）珠海市高栏港东大堤防浪墙倾覆（e）广州市南沙大角山海堤堤身被淘空图1 风暴潮期间大湾区海堤典型破坏情况（b）深圳市南澳海堤护面坍塌（d）珠海市情侣路海堤护栏倾覆（f）东莞市洪梅镇氹涌村堤后冲坑71研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷波浪冲击堤身上部防浪墙堤身上部防浪墙破坏波浪冲击直立式海堤直立式海堤倾覆冲垮迎水侧防护面防护面破坏引起堤身失稳冲走堤身覆、迎水坡损毁及背水坡垮塌等。如澳门市孙逸仙大马路堤顶冲毁，防浪墙倒塌，迎水坡损坏、堤身填料被淘空；深圳市南澳海堤迎水侧被冲垮坍塌、混凝土大梁悬空断裂；珠海市情侣路和高栏港东大堤，海堤防浪墙和护栏倾覆，被卷入大海或抛到堤后；广州市南沙大角山旧海堤和东莞市洪梅镇海堤越浪严重，背水侧被淘空。2.2 海堤破坏典型模式梳理大湾区海堤破坏是内因（堤顶高程不足、堤身单薄）与外因（风暴潮漫顶、巨浪拍打）共同作用的结果，根据现场调查，不同岸线类型下（如砂质、淤泥质、人工硬质）海堤破坏类型未呈现显著差异，整体可归结为以下 6类（图 2）：（a）堤身损坏，引起过流、越浪、堤身决口；（b）堤前滩地冲刷引起堤脚淘空，堤身不稳定；（c）堤身迎水侧护坡结构破坏，引起护面下堤身土和填料淘蚀；（d）堤防漫顶溢流+越浪，引起内坡冲刷、上部结构局部塌滑；（e）堤防漫顶溢流+越浪，引起堤后护坡结构损坏、路面破坏、堤身决口；（f）漫堤流回落过程冲击堤后护坡及护脚，引起堤身结构损坏、内坡冲刷、堤身坍塌。与国内其他地区相比9，大湾区较少出现海堤渗流破坏问题，主要因为大湾区风浪作用强，而潮动力相对较弱且风暴潮高潮位作用时间短，海堤堤身一般形不成稳定渗流。梳理的大湾区6类典型破坏模式中，近1/2的海堤破坏案例是（d）、（e）和（f）3种形式，这主要归因于海平面上升与风暴潮加剧背景下海堤高程被动降低，风暴潮漫顶和越浪风险增大，溢流+越浪对堤后形成强烈的连续性冲击，相较于单一间歇性越浪动力，越浪量更大、流速更快、作用时间更长，极易引发大范围的溃堤险情10。（a）破坏过程源于直立墙破坏、直立堤倾覆迎水侧堤脚冲刷堤脚套刷引起防护面破坏堤身垮塌（b）破坏过程源于迎水侧堤脚冲刷（c）破坏过程源于迎水侧防护面破坏冲走堤身背水侧防护面滑塌背水侧堤脚冲刷（e）破坏过程源于背水侧堤脚冲刷冲垮迎水侧防护面背水侧防护面破坏冲走堤身（d）破坏过程源于背水侧防护面破坏冲走堤身增加背水侧冲刷+冲垮背水侧防护面回落流冲击背水侧堤脚和冲击堤身（f）破坏过程源于回落流冲击背水坡图2 粤港澳大湾区海堤典型破坏模式72研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTMar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷外海常淹带不设防主要防浪结构无淹带堤脚线城市保护区传统海堤堤顶图3 传统海堤防护模式剖面图3 传统海堤建设局限性3.1 海堤设计方法大湾区海堤破坏多由波浪冲击、越浪和漫堤溢流引起，如何消减强浪、降低堤顶漫流和越浪是海堤达标加固的重点方向。然而，传统海堤工程为防浪防潮垂向一体式，即通过建造一道堤实现既防潮又防浪：为了防浪，海堤堤身就要足够坚硬，或在易遭强浪破坏的部位，施加与设计标准匹配的结构强度，如打桩固基、布设护面块体固坡、抛石抗浪冲击；为了防潮，海堤高程（设计潮位、波浪爬高、安全超高三者之和）就要建得足够高。如图3所示，其中设计潮位和安全超高无法消减，仅可通过加高堤防应对，而波浪可通过挡浪措施消减，因此波浪爬高成为海堤高程设计的关键制约因素，呈现“浪多高、堤多高”特征。随着海平面上升和风暴潮加剧，设计潮位和波浪爬高将不断抬升，按照传统设计思路海堤高程将持续抬高。3.2 传统海堤局限性大湾区海堤是以钢筋、水泥、石块为主要材料建造的灰色硬质工程，其提标方式多为加高培厚，迫使海堤堤身越建越高、越建越宽。然而，随着沿海城市高速发展，水生态文明和滨海景观要求越来越高，现行海堤建设模式已滞后于城市高质量发展需求，灰色硬质化海堤局限性逐渐暴露。海堤韧性不足。海堤的主要功能是防潮挡浪，保护后方城市安全，现状海堤主要通过建设单一硬质化堤身对浪潮进行对抗性防御，海堤一旦出现缺口、极易引发全线垮塌。影响城市景观。以南沙灵山岛尖为例，防潮标准提高至200年一遇，防浪墙设计高程将从5.0 m（广州城建基面，下同）增加至10.0 m，平均增加5.0 m，堤顶高程过高，造成海堤“围城”，严重影响城市景观。未来随着气候变异，浪潮动力增强，通过抬高堤顶提标的方式，与城市景观矛盾会更加突出。影响海岸水质。自然情况潮间带滩涂平缓，覆盖有植被，通过过滤地表水吸收营养盐和去除污染物，保持海岸水质。海堤使原有潮间带宽度缩窄、坡度变陡，并占据了植被生长空间，不但降低了潮水消纳能力，还阻隔了陆海物质能量交换，导致水动力交换和水体自净能力丧失。影响海岸生态。海堤建设破坏了红树林、湿地等生态系统和洞穴、裂缝等自然微生境，导致潮间带原有多样植被和多孔隙基质，被坚硬、强碱性和孔隙率低的混凝土替代，中断了陆海过渡带的生物廊道和生态缓冲带，降低了生物多样性。4 新型海堤建设理念4.1 设计理念解决上述问题的办法之一是转变海堤设计思路，改进传统硬质化海堤设计理念，基于自然的解决方案实施离岸近岸堤身“三重防护策略”，串联自海向陆海岸带的防潮和生态空间，在保障防潮安全的前提下系统实现自然保育和环境提升（图4）。事实上，海堤的首要任务是防潮挡浪，由于多级式海堤可实现，在横向空间上利用堤前及堤身措施逐级消减台风期极端大浪，在垂向空间上利用堤身阻挡高潮位，主要特点：线性的防潮堤向带状防潮带转变，防潮挡浪的能力和韧性更强；强调安全和景观、生态的平衡，防护空间的拓宽为生境或景观营造创造了基础条件，将原来的工程型防护转为“安全+”的综合型防护。如在堤身布置瓶孔砖等稳定基质的护面材料，通过种植生态植物，在消浪的同时为海陆过渡带生物及水生植物提供“安乐窝”5；在堤身或堤前布置亲海阶梯、观景平台、栈桥、步道等设施，在消浪的同时提供景观游憩的场所。通过将传统工程与生态景观系统相结合，形成以抗御台风风暴潮为主，兼顾绿化、生物多样性保护与景观游憩等多目标的生态海堤模式。图4 生态海堤主体模式剖面图（改自陈俊昂5文章图）城市保护区外海常淹带不设防偶淹带不设防堤岸线无淹带（蓄浪平台）堤顶线第一道防浪结构第二道防浪结构无淹带堤顶平台绿植蓄浪平台标高设计潮位亲水平台标高堤脚平台标高可植生堤脚防护体生态护坡73研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷4.2 生态堤典型形式从空间形式上，生态海堤自海向陆一般分为离岸防护、近岸浅滩、海堤堤身3个部分：离岸防护措施包括高水位栈桥、生态型潜堤等；近岸浅滩是虾蟹、红树林等动植物群落的栖息地和繁育场，防护措施包括红树林、生态礁体等；海堤堤身是应对风暴浪潮的最重要屏障，防护措施包括生态护脚、生态护面、多级堤等。从岸线类型上，大湾区海堤主要分布在砂质、淤泥质、人工硬质3类岸线上，结合大湾区自然禀赋和岸线特点，可因地制宜营造不同防护体系。不同岸线类型下，典型生态海堤组合型式见表2，具体而言：对于砂质海岸，可构建“栈桥沙滩海堤”防护体系；对于淤泥质海岸，可构建“红树林植草带海堤”红树林防护体系；对于人工硬质海岸，可构建“生态礁体红树林多级堤”立体生态防护体系。注：*为重点建设内容；为可选建设内容；/为不适宜建设内容。岸线类型砂质淤泥质人工硬质离岸防护高水位栈桥生态型潜堤近岸浅滩红树林/*生态礁体*海堤堤身堤身防护生态护脚*生态护面*堤型直立堤斜坡堤*复合堤*多级堤*表2 生态海堤典型组合形式蕉门水道滨海步道步级装置艺术草坪人行道及绿道规划海滨路护岸线堤防治导线设计堤顶线设计堤边线8.50第2道防浪墙，堤顶绿道可淹滨海景观道8.20蓄浪平台，集水沟8.40第1道防浪墙8.18（山竹时水位）7.93（设计水位P=0.5%）0822号台风“山竹”图5 南沙灵山岛生态海堤4.3 功能与效果与传统单一硬质化海堤相比，生态海堤具有三大直接功能：防灾功能，生态海堤采用内侧堤身挡潮，外侧生物或工程措施消浪，如红树林可以有效抵抗台风浪，大幅消减强浪带来的不利影响，且由于红树林灾后恢复力强，提升了系统韧性；生态功能，生态海堤改“灰色”为“绿色”，保留或人工营造了近自然的生态要素和生态空间，维持了区域原有陆海缓冲带生物过程；景观功能，生态海堤拓宽了亲水空间，满足了景观、休闲及娱乐需求。防潮防浪是海堤建设的最主要功能，通过充分发挥堤前堤身不同生态单元抵御风暴浪潮灾害的能力，削弱波浪能量，增强海堤堤身安全同时降低堤身波浪爬高，减小堤顶设计高程增幅。如南沙灵山岛采用生态海堤形式（图5），从现状提高至200年一遇，其堤顶高程（约8.0 m）增幅较传统海堤平均降低约2.0 m，降幅达40%，该海堤已成功防御了台风“天鸽”和台风“山竹”等约200年一遇的超强台风暴潮，保障了城市安全且自身基本未受损，破解了传统海堤提标引起的海堤“围城”困境。5 结语通过分析粤港澳大湾区海堤现状及其在提标中呈现的局限性，开展了新型生态海堤建设研究，为粤港澳大湾区风暴潮防御提供借鉴。（1）粤港澳大湾区海堤破坏形式主要有防浪墙倾覆、迎水坡损毁及背水坡垮塌等，其中受海堤堤顶被动降低影响，风暴潮期间海堤破坏动力由单一越浪向漫顶溢流+越浪复合动力转变，加之早期设计背水坡防护水平不高，背水坡破坏程度及破坏比例显著增大。（2）随着海平面上升和风暴潮加剧，海堤在保证防灾减灾能力的同时，带来了韧性不足、影响生态景观等一系列负面问题，因此，不断加高培厚对传统硬质化海堤进行提标难以适应新时期大湾区城市高质量发展需求。（3）生态海堤为防浪防潮分离式应对，即利用堤身“挡高潮”，利用堤前措施和堤身“消大浪”，由于其有效利用了自然生态系统进行防灾减灾，兼顾了景观生态，并提高了海堤韧性，实现了不抬高堤顶高程却提高海堤防潮能力的目标，化解了海堤防灾与生态、景观之间的矛盾。参考文献1 陈文龙，袁菲，张印，等.粤港澳大湾区防洪（潮）对策研究J.中国防汛抗旱，2022，32（7）：1-4.（a）效果图（b）台风山竹期实景图474研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTMar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷Study on seawall construction in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater BayArea to cope with extreme storm surgeHOU Peng,LIU Xiaojian,ZHU Xiaowei,WANG Qiang(1.Pearl River Hydraulic Research Institute,Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources,Guangzhou 510611;2.Key Laboratory of the Pearl River Estuary Regulation and Protection of Ministry of Water Resources,Guangzhou 510611)Abstract:The seawall is an important engineering measure to prevent storm surge and reduce marine disasters.Under the dualimpact of sea level rise and storm surge intensification,the storm surge defense capability of the seawall in the Greater Bay Areahas been reduced passively,and the storm surge defense safety has been challenged.Through field investigation,the typicalfailure forms of seawall in the Greater Bay Area were sorted out,including overturning of the breakwater wall,destruction of theupstream slope and collapse of the back slope,among which the failure of the back slope accounted for nearly half of the cases.In order to cope with the extreme storm surge disaster,it is urgent to upgrade and reinforce the Greater Bay Area seawall.However,the traditional way of improving seawall standard,which mainly focuses on raising the embankment top height,is inprominent contradiction with the needs of the urban waterfront landscape.Based on this,it is proposed that the seawallconstruction in the Greater Bay Area should be transformed from a vertical integration to a horizontal separation from wave andtide,that is,the dike should be used to block high tide and the measures in front of the levee and the levee should be used todissipate large waves.Compared with the traditional method of raising standards,it achieves the goal of improving the stormsurge defense capability without raising the top elevation of the dike.The results can provide reference for the construction ofseawall in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area.Keywords:Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area;storm surge;seawall failure;seawall standard improvement;ecological seawall编辑 田亚男3 陈文龙，袁菲，张印，等.粤港澳大湾区防洪(潮)对策研究J.中国防汛抗旱，2022，32（7）：1-4.3 马志刚，郭小勇，王玉红，等.风暴潮灾害及防灾减灾策略J.海洋技术，2011，30（2）：131-133.4 涂金良，罗庆锋，刘海洋.“天鸽”和“山竹“台风沿海部分海堤损毁调查及对策分析J.广东水利水电，2021（5）：12-16，39.5 陈俊昂，王帅，钟兴，等.“多功能生态海堤构架体系”技术应用实践J.广东水利水电，2021（4）：56-59，78.6 王金华，温钊鹏.粤港澳大湾区河口海岸生态修复策略研究以东莞市滨海湾新区为例J.海洋开发与管理，2020，37（6）：34-39.7 叶荣辉，戈军，张文明，等.影响粤港澳大湾区的热带气旋统计分析J.水利水电技术，2020，51（S1）：37-43.8 罗志发，黄本胜，邱静，等.粤港澳大湾区风暴潮时空分布特征及影响因素J.水资源保护，2022，38（3）：72-79，153.9 卢永金，何友声，刘桦.海堤设防标准探讨J.中国工程科学，2005（12）：17-23.10潘毅，张壮，袁赛瑜，等.海堤工程波浪溢流问题研究进展J.水利水电科技进展，2019，39（1）：90-94.75