消浪技术在湖泊治理中的研究进展

技术背景

由于围湖造田、供水、通航和防洪等需求，大部分湖泊原有的自然岸线都被改造成直立硬质堤岸，导致湖泊波浪、水体透明度、水位和水深等与水生植物生长密切相关的条件发生了根本性改变，水陆交错带已经消失或正在消失，水生植物也逐渐消亡，造成湖泊湖滨带生态系统的缺失，破坏了湖泊的生态平衡，威胁着湖泊的生态健康。

护岸崩塌现象带来的灾难

蓝藻暴发是湖泊水环境化恶化的典型标志，是湖泊富营养化的必然结果，给人们的生产和生活带来了巨大的不利影响，威胁着社会稳定和经济发展。遭受水资源危机的人们开始重视湖泊生态系统的健康状况，积极采取措施对湖泊进行综合治理，其中就包括湖泊的湖滨带建设，而消浪工程正是风浪侵蚀严重的湖滨带水生植物恢复的关键保障措施。

滇池蓝藻蓝藻大量繁殖

消浪技术是湖泊整治的一项重要措施。目前国内外工程中常用的消浪措施主要有以下几种：

石坝消浪技术

石坝消浪技术具有消浪效果好、使用年限长、结构稳定性好等特点。石坝的结构形式、石坝与湖堤的距离、石坝的高度以及堤顶宽度等，将直接影响到石坝的造价和消浪效果。石坝的结构选形，应根据自然条件、材料来源、使用要求和施工条件等，经技术比较确定。斜坡堤适用于地基较差和石料来源丰富的情况，正砌方块直立堤适用于地基较好的情况。石坝与湖堤的距离取决于湖堤内需要建设的湖滨带的宽度。石坝的堤顶高程取决于设计高水位和工程允许越浪的程度。堤顶的高程则根据湖泊的设计波高值取值。实际情况中湖内的大部分石坝在低水位时往往露出水面，基本不越浪或有少量越浪；在湖泊高水位时，则没入水中，起到潜堤效果。潜堤也能有效地消减作用于湖堤岸线前及滩地上的波浪，能在较大范围内改变波浪形态，使其由破碎波转变为浅水推进波，改善原湖堤岸线前滩地上的波浪、水流动力条件，从而达到保护原湖堤岸线与湖滩免受波浪淘刷的目的。

石坝消浪的缺点是投资较大，施工比较复杂，对示范试验区水动力环境和景观影响较大，不能保持水面完整。不过对石坝消浪加以改造，能够比较便捷的打造亲水平台，为人们提供休闲娱乐的平台，满足人们的亲水需求。

桩式消浪技术

桩式消浪技术结构简单、易于施工和成本较低，适用于水深相对较小的水域。垂直刚性桩的材料和尺寸，宜根据当地的水深和波浪条件而定。在水深、波浪较小的内河、湖泊的近岸水域，可采用经济实用的木桩；在湖泊和水库等开阔水域，宜采用小直径混凝土桩。

通过对桩式离岸堤消浪效果的试验研究及离岸堤堤后水域波浪底流速的分析，得到如下结论:桩式离岸堤既可有效地消减作用于滩地上的波浪，又能在较大范围内改变波浪形态，使其由破波转变为浅水推进波，改善了滩上的水流波浪等动力条件，从而达到保护湖滩免受波浪淘刷的目的。桩式离岸堤的消浪效果主要与波浪大小、堤身高度以及桩间间距有关，就相对波高而言，在堤身相对高度和桩堤透空率一定的情况下，相对波高越大，消浪效果越好，在极限波高情况下，消浪效果最佳；就堤身相对高度而言，在相对波高和离岸堤堤型一定的情况下，淹没状态时潮位越接近于堤顶高程，桩式离岸堤的消浪效果越好；就桩式离岸堤的透空程度来说，在潮位和波浪条件一定的情况下，连续板桩堤的消浪效果较好，透空堤的效果相对略差，但透空堤之间差别有限。桩式离岸堤的消浪效果的水槽试验适用于波浪正向作用情形，如为斜向波应对桩间距进行修正。由于修正后间距减小，相当于桩式堤桩间间距减少、密度增加，一定程度上可以提高消浪效果。

植物消浪技术

植物消浪技术因为其生态性和经济性在河流和湖泊消浪工程中得到推广应用，形成了一定的工程经验和系统理论，取得了显著的综合效益。湖泊水域水面上风成波浪对湖滩和堤岸长年累月的冲击和淘刷，使得湖滩侵蚀严重和堤岸安全度降低。在堤岸斜坡上种树就是可以达到消浪护岸、促淤和固岸的一种可行办法，该办法已经在河流和湖泊中得到实践证实，岸坡树木长成后可以逐年采伐，回收经济效益，逐渐达到“以堤养堤”的效果。堤岸边坡上植树消浪护岸不仅可以达到所需的工程效果，而且可以促进河岸滩生态恢复，改善当地生态环境和局部小气候，还可以美化环境，符合当今日益重视的绿色环保识，该“绿色”护岸工程正日益受到人们的重视。

在模型实验中，选取桧柏树枝作为防浪林模型，根据量纲分析确定主要影响因素是边坡坡度、波高、波周期、水深与防浪林树宽。由实验中实验现象定性观察和实验数据定量分析对种树消浪的定性认识总结出以下几点结论，对于实际工程中防浪林种植宽度、底坡取斜和底坡高程确定具有参考价值。

沿波浪传播方向种树林带越宽，消浪效果越好。防浪林沿波浪传播方向应当具有相当的宽度，才可以起到预期的防浪护岸效果，具体的数值应当通过专门针对风暴潮的模型实验确定。

在未完全淹没树身整体时，水深淹没树木越深，消浪效果越好。因为波浪的形成是大量水质点协同做有规律的椭圆形运动，当树冠刚好处于主要运动区时，树枝的摇摆将水质点的有规律椭圆运动破坏，所以波浪被消减，于是，树枝处于运动集中区越多，对波浪的破坏愈大。但当水深很浅时，主要由树干来消浪，树干摇摆不大，水流只产生绕流现象，难以消减波浪。当水深太深时，水深位于波浪水质点集中椭圆运动区下方，水面以下，水质点椭圆运动逐渐减弱，所以，消减也不大。

大波的消浪效果要好于小波。波高较大的波浪，水质点椭圆运动强烈，可以充分带动树枝运动，树枝运动也就可以充分发挥打乱水质点有规律运动的作用，当波浪波高较小时，难以充分带动树枝运动。

周期较大的和周期较小的波的消浪效果好于周期中间值的波浪。在实验中观察到，当波浪周期处于某一值时，树林会和波浪同步摇摆，并没有产生消减波浪的效果，反而还有使波浪稍稍增加的作用。这应该是波浪周期趋于树木的自振周期，两者产生“共振”。当防浪林宽度较窄时，要通过模型实验确定哪个周期范围的波浪会有“共振”发生，以防制造出险情。不过当树宽较大时，这样的现象不明显。

斜底消浪效果好于平底。从实验中观察到，当其它因素都相同时，斜底的消浪效果要好于平底，所以实际防浪工程中，应当将树木种植于一定坡度之上。植物消浪适用于湖滩条件比较好、湖滩呈向湖心的斜坡的地方，植物生长立地条件不够的需要先对湖滩进行基底改造，然后再种植植物实现消浪。

浮式消浪技术

浮式消浪技术对水体交换影响比较小，可以模块式安装，不过浮式防波堤结构较复杂，造价比较高。浮式防波堤的结构形式是影响消浪效果的重要因素，各种类型的浮式防波堤的消浪机理也有所差异，归纳起来主要有以下几种消波过程:波能反射——利用堤前部分反射能量，所以防波堤的相对入水深度是影响消浪效果的重要参数。波列间的干涉消能——由于传递的波浪频率与结构本身运动产生的波浪频率不同，形成两波间波动的相互牵制和抵消。紊动消能——水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，破坏了原来波浪质点有规律的运动，转变为杂乱的紊动而达到消能目的。波浪力做功——波浪力使结构产生位移或变形所做的功，有部分是不可逆转的能耗。

人工浮岛是将植物种植在浮体上，通过植物根系形成的微生物膜和微生态系统，起到净化水质、去除污染物、提高水体透明度的功能，同时通过遮光作用抑制藻类的生长。人工浮岛不仅本身能够起到消浪的效果，还能为动物和植物提供栖息地，改善生态环境效果显著。人工浮岛技术在太湖、滇池和玄武湖等湖泊得到广泛应用。

防污屏消浪结构由浮体围油栏、防污屏、浮漂、卸扣和锚等材料通过串联组成，通过围油栏和防污屏将围隔内的水体和围隔外的水体进行柔性分开，一定程度上也能够起到消减波浪的作用。

筏式消浪技术

通过多种筏式的规则波试验，综合消浪效果，结合锚拉力、操作性、经济性和可回收性等因素评价，单层平筏式消浪结构较好。它具有消浪效果好、锚链拉力小、投资小和操作性强等优点。

波浪传播方向上较长，吃水较小。由于竹排浮式结构本身透水的特点，波动水体爬到竹排上后很快便渗到底部，其直接阻拦波浪作用较小，即产生波浪的反射来消耗波能的作用甚微，它的消波作用主要决定于摩阻长度及其透水性。

筏式结构的消浪机理是阻止波浪质点的垂直分量，使波浪有规律的质点运动转化为杂乱的紊流消能运动；竹排上的波浪下渗破坏了竹排与水底之间波浪质点运动的水平分量，波浪沿筏身传播，通过沿程摩擦消能，楠竹间隙摩擦和弹性吸收以及平筏整体振动滞后消耗而达到较好的消浪效果。

研究发现由于波浪与平筏的相互作用基本均匀，平筏的漂移很小，锚链上没有突出的脉动张力，故锚链拉力均匀，无明显的危险荷载。研究还表明通过增大竹排的刚度和增加竹排的长度等措施能够改善竹排消浪效果。

展   望

消浪工程缓解了波浪对植物的破坏作用，保护了植物生长。但现有的各种消浪技术仍存在一定的问题:消浪效果不足，无法为植物生长提供立地条件；消浪过于彻底，隔断了消浪区和湖泊的水体交流；消浪工程过于突兀，不能与湖泊环境融为一体；消浪工程后期维护和运行工作量大等等。并且目前仍没有形成系统的针对湖泊水生植物生长的消浪技术。

目前，湖泊的水文气象资料缺乏，波浪与水生植物立地条件和生长条件的关系研究比较少，消浪工程设计的基础资料比较缺乏，这些现状制约了消浪技术的发展。因此建立湖泊的水文气象资料数据库是设计科学合理的消浪工程的基础条件。

（文字来源：中国水利报）