海岸带堤防：人类抗争海洋风暴的利器 -海岸带如何划分

亲爱的读者，当你看到风暴天气下汹涌澎湃的海水始终无法越过城市的堤防，你是否感叹人类的强大？当你徜徉在金色的海滩上听着游泳者的欢声笑语，你是否感叹人生的幸福？当你在生态大堤上漫步，看见鱼鸟和底栖生物的生命力，你是否感叹世界的美好？是的，我和你有同样的感受。而这一切都要归功于今天的主角——堤防。

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堤防，简言之就是拦水的堤坝。沿江、河、湖、海的岸边修建的挡水建筑物称为堤；构建在河谷或者河流中拦截水流的水工建筑物称为坝。“防水的堤坝”合称为“堤防”（《辞海》1999版缩印本第668页）。本文专注于海岸带堤防。

堤防的重要性

海岸带是人口与社会经济发展的集聚地带，全球超过 50%的人口、 80%的大都市分布于沿海 100 km 范围内，有着大量的工程建设，从港口、航道工程、路桥工程到土地围垦、水产养殖、海上风电场建设等。与此同时，海洋极端天气如台风，在河口海岸带汇聚，经由海岸到达城市的过程中，往往产生‘三碰头’，‘四碰头’，也即在天文大潮、风暴潮、洪水、灾害性波浪碰巧在同一时间发生，容易造成严重的海岸带灾害。这其中，海岸堤防是抵御洪水和风暴潮、保护海岸和控制海滩形态发展的主要手段，是灾害级联路径的关键一环，能够把海洋灾害尽可能地抵挡在城市外延（图 1）。因此，堤防安全关系到海岸带几十亿人民的生命安全，并直接制约着社会经济的发展。

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图1 海岸带洪水风险级联路径

堤防的前世今生海岸带堤防历史悠久，与其相关的人造港口设计和建造是工程历史上最老的分支之一。比如，公元前3000年尼罗河上建造的A-ur港口，就使用了最原始最简单的堤防；公元前2000年位于海岸上的法鲁斯港（Port of Pharos），堤防长度就超过了2.5公里。但是，这些堤防设计往往缺少科学支撑，不了解海岸过程，使得后面侵蚀问题严重，如1887年斯卡伯勒（Scarborough）建的直立墙（图2），三年后就必须增加挡板，九年后就必须增加额外的地基保护和木制丁坝。T.B. Keay (1941)提出建造堤防保护海岸的关键是研究当地自然条件；二战后期，包含基本海岸过程的理论模型开始建立，其中Mulberry 港就使用了风、波高和波周期等参数进行设计，开启了现代堤防工程的时代。1953年的北海风暴，由于风暴增水，极限波浪和天文大潮同时发生，海水越过海岸带堤防，造成了极大的破坏（图2）。因此，1953年后海岸带堤防工程建造活跃起来，特别是1970年代开始，堤防工程领域涌现出大量新颖的解决方案，例如人工岬角、离岸防波堤、水下潜堤，沙滩养护等。自此之后，海岸过程得到了全面的了解。其中包括深水波预测，海岸带波浪转换，波浪-结构相互作用，海岸沉积物迁移和海岸演变等，促进了海岸带堤防工程的蓬勃发展。 6 I/ G) c* \8 v8 w* t$ D

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图2（上图）英国斯卡伯勒（Scarborough）直立墙，（下图）1953年的北海风暴在荷兰导致的洪水堤防的安全 P- n% r0 `4 W/ q

堤防的存在改变了原有波浪或水流的物理过程，不可避免地产生了强非线性的波浪-堤防相互作用，容易引发越浪（漫堤）和地基冲刷等灾害风险（图3），造成堤防护层破坏、结构失稳甚至出现决堤或者堤防倒塌。

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图3 波浪-堤防相互作用中堤防安全相关物理过程

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波浪越浪是一个复杂的随机过程，受风场、波浪场和水动力场等不确定性因素共同控制。工程应用中通常采用平均越浪量作为容忍阈值来进行结构设计，容易低估最大越浪量而造成灾难。例如美国新奥尔良的堤防是根据平均越浪量设计的高度，却低估了卡特里娜飓风带来的越浪量，造成了 2005年的决堤和洪水事件（图4）。解决堤防越浪量不确定性大这一问题的关键是使用动态降尺度模型框架来考察不确定性从大气风场到海岸带波浪越浪的传递过程；并借助集合化方法来定量化堤防越浪的不确定性。基于英国Newlyn港口的案例分析，Zou et al. （2013）首次采用这种方法，发现波浪越浪量的标准差达到集合化均值的 60%以上，更是入射波浪高度标准差的 3-5 倍。然而，即使弄明白堤防越浪量的置信区间，我们却还不清楚堤防越浪的空间分布。该越浪水体的飞溅过程极其复杂，决定了堤防后方的危险区（图5）。Peng and Zou (2011) 通过考察越浪水体在重力、摩擦阻力和惯性力控制下的运动形态，综合堤防顶部越浪水体的层厚和速度等影响因子，提出了一套新的越浪水体飞溅解析模型，为海岸工程设计和规划提供了依据。该越浪水体飞溅解析模型由于简单实用，被应邀纳入到EurOtop越浪手册。

图4 2005年卡特里娜飓风中新奥尔良决堤和洪水事件（Photo by Jocelyn Augustino/FEMA）

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图5 英国 Dawlish海岸波浪越浪事件（引用自bbc网站）

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堤防还面临的一个巨大威胁是地基冲刷。地基冲刷能够造成泥沙流失和堤防失稳（图6），影响堤防安全和生态安全。近些年的波浪-泥沙运动耦合数值模型由于其灵活度、可控度和准确度，为研究地基冲刷的物理机制提供了一个新的思路。通过综合“部分单元格”技术和共用同一个正交结构网格，完成水动力、泥沙运动和地形演变的全耦合，能够解决追踪水土分界面的实时变形这一难题，构建准确高效的“波-堤-床”数值模型。进一步研究发现，破碎波激发的高速水流能加速地基冲刷，但逆时针涡旋会减弱地基冲刷程度（Peng et al. 2018）。

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图6 崇明东滩外大堤地基发生冲刷绿色堤防

由于全球尺度海平面上升、洪水和风暴强度日趋增加、地面沉降和沉积物供应状况发生变化，沿海地区的洪水灾害风险正在增大。为了应对气候变化的挑战，传统堤防需要昂贵的维护费用来抵御不断增加的洪水风险，因此正变得不可持续。美国国家科学院院刊就指出，2100 年全球堤防的投资和维护成本预计高达 120-710 亿美元 (Hinkel et al., 2014)。相比 “硬”工程方法，Temmerman et al. (2013) 在《Nature》杂志撰文，认为具有“软硬结合” 的绿色堤防结合潮滩盐沼、红树林和贝类礁等天然系统（图 7）， 不仅可提升抗击风暴潮和波浪的自然能力，还可通过无机和有机沉积物的供给使地面高程抬升；更重要的是，绿色堤防不仅具有固碳、提供动植物栖息地、促进人与自然和谐相处，还是一座“活”的堤防，其生物这一构成部分能够根据自然条件而进行自适应，从而可以应对气候变化带来的挑战。

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在当前高强度人类活动和气候变化双重胁迫新情境的影响下，国际上越来越多的学者和政府开始认可绿色堤防工程理念，以减少极端天气事件带来的洪水风险，构建平衡的生态系统，增加海岸防护的可持续性和自适应性。但是，由于绿色堤防概念比较新，现有的研究和工程实践经验非常有限，其中动力-地貌-生物-结构相互作用理论就是亟待解决的科学难题之一；其根本在于其决定着近岸能量的反射、传输、衰减和频域再分布等，影响着堤防越浪和地基冲刷，控制着植被带和结构物附近的沉积物输运，并最终关联岸线变迁、堤岸稳定以及建筑物安全等。另一方面，如何说服政府部门、行业单位、投资方和社区群众来推广绿色堤防的概念和设计，如何合理评估绿色堤防的洪水灾害风险和海岸带防灾减灾的功能性，也是极具挑战性的应用难题之一；需要广大科研工作者和业界人员共同努力，构建绿色堤防的模式，制定绿色堤防工程规范和评估标准，充分开展物理、生态、人文地理、社会经济和城市应急管理等学科交叉，打造绿色堤防示范区，为世界绿色堤防的发展提供“中国模式”。

图7 绿色堤防工程示意图 (Temmerman et al., 2013)参考文献 + R" Y% o3 h+ f- W- _0 O8 t

Hinkel, J., Lincke, D., Vafeidis, A. T., Perrette, M., Nicholls, R. J., Tol, R. S. J., Marzeion, B., Fettweis, X., Ionescu, C., & Levermann, A. (2014). Coastal flood damage and adaptation costs under 21st century sea-level rise. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111(9), 3292–3297.

Temmerman, S., Meire, P., Bouma, T. J., Herman, P. M. J., Ysebaert, T., & De Vriend, H. J. (2013). Ecosystem-based coastal defence in the face of global change. Nature, 504, 79–83.

Peng, Z., Zou, Q.-P., & Lin, P. (2018). A partial cell technique for modeling the morphological change and scour. Coastal Engineering, 131, 88–105.

Peng, Z., & Zou, Q.-P. (2011). Spatial distribution of wave overtopping water behind coastal structures. Coastal Engineering, 58(6), 489–498.

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Zou, Q.-P., Chen, Y., Cluckie, I., Hewston, R., Pan, S., Peng, Z., & Reeve, D. (2013). Ensemble prediction of coastal flood risk arising from overtopping by linking meteorological, ocean, coastal and surf zone models. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 139(671), 298–313.

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