我国海岸工程技术展望

Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０１５

　　文章编号:１００５￣９８６５(２０１５)０１￣０００１￣１３

我国海岸工程技术展望

左其华ꎬ窦希萍ꎬ段子冰

(南京水利科学研究院ꎬ江苏南京　２１００２９)

摘　要:从海岸动力监测体系、河口海岸侵蚀及防护、海岸工程深水和离岸趋势、极端条件下海岸工程结构安全、岛礁工程开发技术、海岸管理与数字海岸、亲水工程、海洋能技术利用开发和海岸工程研究等九个方面对我国海岸工程中面临的问题ꎬ以及国外相关工程技术进展情况进行了分析ꎬ并指出我国未来海岸工程领域需要加以关注的重点问题和发展趋势ꎮ关键词:海岸工程ꎻ海岸防护ꎻ工程建设ꎻ环境与管理ꎻ科学研究

中图分类号:Ｐ７５３　　　文献标志码:Ａ　　　ＤＯＩ:１０.１６４８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５￣９８６５.２０１５.０１.００１

ＰｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ

(ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００２９ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｆｏｒｅｉｇｎｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｎｉｎｅａｓｐｅｃｔｓꎬｓｕｃｈａｓｄｙｎａｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬｅｓｔｕａｒｉｎｅａｎｄｃｏａｓｔｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬｄｅｅｐｗａｔｅｒａｎｄｏｆｆｓｈｏｒｅｔｒｅｎｄｏｆｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｓａｆｅｔｙｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｉｓｌａｎｄａｎｄｒｅｅｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｃｏａｓｔｒｅｓｅａｒｃｈ.ＴｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＣｈｉｎａａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ.

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｇｉｔａｌｃｏａｓｔꎬｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｃｅａｎｅｎｅｒｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻｃｏａｓｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎻｐｒｏｊｅｃｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎻｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔꎻｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ

ＺＵＯＱｉｈｕａꎬＤＯＵＸｉｐｉｎｇꎬＤＵＡＮＺｉｂｉｎｇ

近十多年来ꎬ我国在海岸工程建设方面取得了令人瞩目的成绩ꎬ推动了该领域科学技术的发展ꎮ在河口治理、海岸防护、港口建设、围填海工程、跨海桥隧、修船造船、能源工程、渔业工程、海岸管理和科学研究等方面大大缩短与国际发达国家的差距ꎮ但是ꎬ也应该看到ꎬ我国海岸工程的进展相当大的比重是集中体现在建设规模上ꎮ随着可持续发展的要求ꎬ尤其是国家城镇化建设对沿海发展的需要ꎬ海岸工程将面临新的机遇和挑战ꎮ这些机遇和挑战主要包括海岸动力监测体系的完善、河口海岸普遍冲刷趋势与防护、大型海岸工程向离岸和深水发展、极端条件下海岸工程结构安全、岛礁工程和围填海工程的新技术应用、海岸管理与数字海岸建立、亲水工程与生态环境需求、海洋能利用和谨慎开发、海岸工程科学研究的多学科交叉与多手段耦合研究等[１]ꎬ应引起人们的重视与思考ꎮ

１　海岸动力监测体系

１.１　国际海岸动力监测状况

国际海洋观测目标是建立全球联网的立体观测系统ꎬ目前已发展起包括卫星遥感、浮标阵列、海洋观测站、水下剖面、海底有缆网络和科学考察船的全球化观测网络ꎬ作为数字海洋的技术支持体系ꎬ提供全球性的实时或准实时的基础信息和信息产品服务ꎮ例如ꎬ全球海洋观测系统(ＧＯＯＳ)和全球实时地转流观测计划

收稿日期:２０１４￣０９￣３０

作者简介:左其华(１９５４￣)ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授级高级工程师ꎬ主要从事海岸工程方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｑｈｚｕｏ＠ｎｈｒｉ.ｃｎ

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海　　洋　　工　　程第３３卷

(ＡＲＧＯ)等ꎬ覆盖面都非常广泛ꎮ美国国家基金委员会有关未来１０年海洋科学的重点发展领域中ꎬ将“大断面全球海洋大气立体观测”放在首位ꎮ美国的“海洋观测计划”是用几千公里的光缆将海洋和陆地连接ꎬ将光缆接入互联网ꎬ建立穿越海洋的“信息高速公路”ꎮ国际ＡＲＧＯ计划将建成由３０００余个浮标组成的全球９０个浮标、６０个海岸自动观测网和１７５个水位观测站以及多源卫星构成的海洋动力环境监测网ꎬ并由国家观测网———海王星(ＮＥＰＴＵＮＥ)计划ꎬ布设在水下约３０００ｍ海床上ꎬ覆盖海域约５００万平方公里ꎮ欧洲国家也在多个重点海域进行了长期连续观测ꎮ

日本和韩国在其邻近海域部署长期的国家断面进行长时间序列观测ꎬ为本国的海洋生态与环境、生物资１５００ｋｍꎬ宽约２００ｋｍ光/电缆连接的深海地震观测网(ＡＲＥＮＡ)ꎬ并计划延伸至我国的东海海域ꎬ目前正向地震、海洋学和生物学等多学科观测和研究方向发展ꎮ韩国政府已在黄海南部建立了海洋科学观测站ꎬ并计划在济州岛西南海域建立海底观测系统ꎮ

经过几十年的建设和发展ꎬ我国也初步形成近岸海洋动力观测系统ꎮ对于一些大中型海岸工程项目ꎬ政府也明确要求进行旨在加强科学论证的现场观测ꎮ目前ꎬ我国常规海洋业务观测主要依靠国家海洋局和中国科学院一些近海海洋观测平台ꎮ为了摸清我国现有包括海岸工程在内的海洋状况、规划和优化海洋发展布局ꎬ２００７年实施了“我国近海海洋综合调查与评价”专项(简称９０８专项)ꎬ进行近海海洋综合调查ꎬ尝试构建我国近海“数字海洋”信息基础框架ꎮ

国家海洋局现有１５个中心站、６６个海洋岸基观测站、６个固定浮标以及少量ＡＲＧＯ浮标ꎮ在近海方面ꎬ自２００２年以来ꎬ我国已在太平洋和印度洋布放了３５个剖面浮标ꎮ这些测量的主要目的是获取海洋内部的海流、温度和盐度等资料ꎬ而波浪等对海岸工程影响较大的参数似尚未明确包括在内ꎮ中国科学院２００９年在北黄海长山群岛所属獐子岛以南２０海里(１２２°４５’Ｅꎬ３８°４５’Ｎ附近)ꎬ水深约５０ｍ处ꎬ与地方共建了黄海５０ｍ处ꎬ建立东海海洋环境长期综合观测浮标ꎬ在嵊山岛建立陆基支撑站ꎮ该站涵盖物理海洋、海洋地质、海洋生态和海洋化学等诸多要素的综合测量ꎬ主要开展长江口区域海洋环境长期多参数的连续观测ꎮ２００７２００９年新建南沙海洋环境观测站ꎬ与西沙站、大亚湾站、海南三亚国家近海生态环境监测站构成南海海洋环境与生态监测网络[２]ꎮ

在海岸动力观测体系建立方面ꎬ台湾因其地理位置和沿岸范围局限ꎬ与大陆相比观测体系更完善些ꎮ总体上来讲ꎬ我国大陆海洋观测手段仍以岸基台站为主且数量不足ꎬ分布不尽符合需要ꎻ离岸观测能力薄弱ꎬ空间覆盖率低ꎻ长期和连续观测资料少ꎬ不能满足多学科同步观测的要求ꎬ观测技术也相对落后ꎻ观测数据不能共享ꎬ科学研究资源严重浪费ꎬ与世界发达海洋国家相比有较大差距ꎬ制约了海岸工程科学研究的发展ꎮ采用岸站、雷达、浮标、潜标、海上平台、卫星遥感等多种观测手段[３￣４]ꎬ建设覆盖范围广、高效、稳定的１.３　海洋监测发展趋势

策依据是今后一段时期的重要工作ꎮ

我国近期在海洋观测技术方面主要有这样几个发展趋势[５]:

卫星观测技术虽有其先进性ꎬ但要应用于工程还需一定的时间ꎬ这除其技术本身的一些缺陷外ꎬ主要是海洋观测网络ꎬ提高海洋观测技术水平ꎬ建立数据开放共享的管理应用平台ꎬ为预防和减轻海洋灾害提供决年在西沙群岛的主岛———永兴岛(１１２°２０’Ｅꎬ１６°５０’Ｎ)建立了西沙海洋环境观测站ꎬ以物理海洋观测为主ꎮ海洋环境观测平台及其陆基支撑站ꎻ并在东海长江口嵊山岛(舟山群岛)以东海域(１２３°Ｅꎬ３０°３０’Ｎ)ꎬ水深１.２　我国海岸动力监测状况

源和军事海洋学研究提供基础资料ꎮ日本在日本列岛东部海域沿日本海沟的跨越板块边界ꎬ建设了长约实时海洋观测网ꎬ截止到２００７年４月全球海洋中的ＡＲＧＯ浮标已达到２８５２个ꎮ目前美国有基于ＮＯＡＡ的业务海洋产品和服务中心为用户提供相关海洋信息ꎮ美国和加拿大联合正在东北太平洋海底建设深海长期

１)改进的传统方法仍是今后工程应用观测的主要手段

某一位置采样的间断性ꎮ传统的海岸动力测量通常在某一固定位置ꎬ每隔一段时间观测一次ꎻ而卫星观测是由运行轨道决定ꎬ数天重复一次ꎬ对若干平方公里的海面观测ꎮ改进的传统观测方法仍是今后应用的主要手段ꎮ传统的测量仪器和设备应向易于操作、实时处理和智能采样方向发展ꎬ未来的浮标(筒)将使用现代的、更为可靠的海洋动力变化跟踪单元ꎬＧＰＳ技术将是每个浮筒上的标准配置ꎬ提供整体系统精度ꎻ声学测波仪器应在如何减小恶劣环境下的噪声上下功夫ꎻ通过布放测量仪器以及改进传感器精度的方法ꎬ获区不同水深

第１期左其华ꎬ等:我国海岸工程技术展望

３

处的水动力要素等ꎮ

２)遥感技术向实用性方向发展

遥感技术是今后的主要发展方向ꎬ已经有人试图将这一方法用于水动力长期分布的估计ꎮ在船舶或平

台上ꎬ可利用海上雷达测波和流ꎬ地面的ＨＦ雷达也已在大范围水动力测量方面证明其能力ꎮ然而ꎬ雷达光束映象信息和由三维雷达映象谱到海洋环境要素之间求逆的技术还不完全成熟ꎮ

卫星遥感资料正成为大尺度海洋气象水文研究的重要部分ꎬ一般海况下已经达到浮筒的测量精度ꎮ双频率高度计的测量精度也在提高ꎬ特别在风速测量上ꎮ卫星高度计所测水文气象资料已是而且还继续是这一领域全球信息源ꎬ在这方面我国近几年内会有较明显的进展ꎮ利用北斗导航系统ꎬ从太空用孔径雷达和高精度光学照相对海流、波浪、泥沙输运和风暴潮的观测将会有较快的进展ꎮ

遥测仪器的一个发展趋势就是由卫星实时传输大量的数据ꎮ采用该方法进行实时处理能减少数据信息存储量ꎬ使得仪器能较长时间运行ꎮ由于卫星遥感资料是不定时的ꎬ也不是等时间间隔的观测ꎬ采样覆盖范围较大从而分辨率受到限制ꎬ也不能自动增加对极端现象的观测ꎬ从而遥感资料可能漏掉最大值ꎬ用此方法估计的多年一遇的值可能会偏小ꎮ为此ꎬ必须针对各卫星的特点和长处ꎬ采用多种手段ꎬ尽量使其满足工程需要ꎬ例如与岸基观测站相结合等ꎮ英国ＳＯＳ(卫星观测系统)已有一种想法ꎬ就是将雷达高度计成本降低ꎬ用小卫星组成较为密集的网格覆盖全球ꎬ称为ＧＡＮＤＥＲ(消除风险全球高度计网络)计划ꎮ该计划由１２~１６个卫星组成ꎬ是一简单的低成本系统ꎮ

传统量测技术与卫星遥感技术的组合已被使用多年ꎬ今后会结合得更多更好ꎬ还可以与近岸长期测站资料相配合得到深水处的气象水文长期分布ꎮ

３)更为精确的反演技术和非线性方法是今后主要研究内容

非线性海洋动力要素随机性的特性仍然是今后研究的热点ꎮ目前卫星遥感波浪资料处理正在进行不同

版本的、由ＳＡＲ映象中得到海洋环境要素算法的研究ꎬ其精确度还有待改进ꎮ所有ＳＡＲ映象谱的内在弱点在于雷达传播方向显著衰减ꎮ非线性效应导致ＳＡＲ图像谱在方位上存在高波数截断ꎬ截断之后有些信息丢失ꎬ沿运行方向传播的水面波动ꎬ其ＳＡＲ图像谱存在“双峰”现象ꎮ这些都可能用非线性理论加以解释ꎮ

虽然目前的气象水文观测技术可以满足现在海岸工程中设计的基本需要ꎬ但离岸的大型建筑物ꎬ如美国海军可移动离岸海上基地(ＭＯＢＳ)的可行性研究就要求知道数平方公里范围内波浪场的空间耦合特性ꎮ目前的仪器还没有办法或还不能被证明可以提供这样重要的信息ꎮ随着我国海洋资源开发的不断深入ꎬ有理由相信我们也会很快遇到类似问题ꎮ

４)注重长期观测资料的连续性判别

限于当时经济条件和技术水平ꎬ我国不少建于２０世纪６０年代初期的海岸观测站点大都位于浅水处ꎬ数

十年过去ꎬ观测点水深变化较大ꎬ有的甚至已数易观测点ꎮ从测量方法看ꎬ早期资料所用的量测手段均较落后ꎬ有些是目测ꎬ而现在大多是自动量测ꎬ甚至采用卫星测量ꎻ从观测点环境动力看ꎬ有些河口地区受到上游人为因素影响ꎬ入海水文条件已经发生很大变化ꎮ早期多年实测资料与现有资料的连续利用是我国今后工程水文资料同化分析中亟待解决的难点ꎮ

５)观测资料的共享与否对我国海岸工程技术进展影响甚大

我国现场观测技术及其应用水平提高应该采取的另一重大对策就是要解决资料共享这一难题ꎮ２０世

纪８０年代中期以前ꎬ国家海洋水文站点资料是对外公开的ꎮ近三十余年来ꎬ这些海洋站点的资料使用必须是有偿的ꎬ甚至有时有偿也是难以取得ꎬ更无法共享一些单位观测的资料ꎮ出现这一现象的主要原因应是国家对海洋水文现场观测投入不足ꎬ其次是部门局部利益问题ꎮ我国沿海数以百计海岸工程的建设项目ꎬ尤其近些年国家建设投入的增多ꎬ基本上每一较大的工程都有大小规模不等的现场观测ꎬ但没有对这些资料进行整合并建立相应的数据库ꎬ以致这些资源的开发利用不够ꎬ既带来较大的浪费ꎬ也阻碍海岸工程技术的进步ꎮ

２　河口海岸侵蚀及防护

２.１　河口及水下三角洲将普遍侵蚀

入海泥沙锐减使得河口三角洲海岸岸滩在新的动力泥沙环境下发生新的调整ꎬ过去的淤涨型河口海岸转化成平衡型或侵蚀型ꎮ长江三峡枢纽工程建成后ꎬ入海泥沙减少了３/４ꎬ长江口门外的水下三角洲堆积速

４

海　　洋　　工　　程第３３卷

率已明显趋缓ꎬ淤积速率从１９５８~１９７８年时段的５５ｍｍ/ａ下降为１９７８~１９９８年时段的１１ｍｍ/ａꎬ近２０年长江口水下三角洲已出现大范围的侵蚀[６]ꎻ黄河因上游取水以及小浪底等枢纽工程的建设ꎬ黄河三角洲从过去年均造陆２３ｋｍ２ꎬ演变为大面积的侵蚀后退ꎬ使胜利油田受到潮淹堤坍的威胁ꎬ具有重要生态功能的滨海湿地大面积丧失ꎬ滩涂资源减少ꎻ珠江三角洲河道大量采砂ꎬ使得入海泥沙大量减少ꎮ中小河流存在同样的问题ꎬ渤海湾沿岸许多入海河流出现有河无尾的现象ꎬ如滦河入海泥沙在引滦工程后减少了９５％ꎻ胶州湾２０世纪８０年代的入湾河流泥沙仅相当于５０年代的２％~３％ꎻ苏北废黄河口和现代黄河三角洲北部废弃河口２.２　海岸侵蚀日趋严重

地区ꎬ是河流改道导致海岸侵蚀的典型实例ꎮ

海岛岸线侵蚀问题国的平原海岸亦有７０％左右在侵蚀后退[７]ꎮ我国海岸侵蚀自２０世纪５０年代末期日渐明显ꎬ较发达国家迟如海滩资源与海底砂矿开采、水库截留泥沙等ꎬ各种类型的海岸侵蚀均有所加剧ꎮ２０００年以来ꎬ沙质海岸侵

海岸侵蚀是一种全球性的自然灾害ꎮ目前ꎬ世界上７０％的沙质海岸出现侵蚀ꎬ侵蚀速率为１０ｃｍ/ａꎬ中

约半个世纪ꎮ上世纪６０年代海岸侵蚀主要发生在粉沙淤泥质海岸ꎬ进入７０年代ꎬ由于不合理的开发活动ꎬ蚀速率大多在１~３ｍ/ａ之间ꎬ淤泥质海岸侵蚀速率大都在１０~２０ｍ/ａꎮ我国海岸侵蚀总体上是北强南弱ꎬ长江口以北遭受海岸侵蚀的岸段十分普遍ꎬ且侵蚀速率较大ꎬ如江苏省较多海岸遭受侵蚀[８]ꎻ山东省有７０％的沙岸受到侵蚀ꎬ侵蚀速率约为２ｍ/ａꎻ河北省海岸带无论是南岸的泥岸还是北岸的沙岸均以蚀退、冲滩为主要势态ꎬ辽西海岸目前也在蚀退ꎻ长江口以南ꎬ除受强潮影响的杭州湾北岸以外ꎬ海岸侵蚀现象发生较少ꎻ福建省的中、南部海岸侵蚀较严重ꎬ广东、海南和广西等省、自治区也有局部海岸侵蚀现象发生ꎮ

预计全球性海平面上升将加剧这一侵蚀过程ꎮ据代表性长期验潮站资料统计ꎬ过去１００年全球海平面上升速率为１.５ｍｍ/ａꎮ近３０年来ꎬ中国沿海海平面总体上升了９０ｍｍꎬ２００７年中国沿海海平面平均上升速３２ｍｍꎮ海平面上升直接导致海岸侵蚀加剧和大片海滨湿地的丧失ꎮ２.３　国外海岸防护发展状况

率为２.５ｍｍ/ａꎬ高于全球海平面的上升速率ꎮ有人预计未来１０年ꎬ中国沿海海平面将比２００７年上升

对于海岸侵蚀ꎬ欧美等国初期采取护岸工程进行防护ꎬ防护型式趋于多样化ꎮ如德国采用木质丁坝护岸ꎬ木质丁坝的优点是与环境的亲和性较好ꎬ修建后可捕集海岸泥沙ꎬ防护岸线ꎻ采取培育连续的沙丘链ꎬ防止海岸后退ꎻ在没有足够构筑空间的海岸ꎬ采用移动式海堤挡御风暴潮ꎬ在没有风暴潮的季节里ꎬ打开通道ꎬ供人们与自然海岸互动ꎮ２０世纪９０年代以来ꎬ环境友好型的人工育滩工程在欧、美、日等发达国家的海岸防护中逐步兴起ꎮ目前欧洲大部分海岸均受到人工控制ꎬ如海岸防护及堤防工程、沙丘稳定工程、土地围垦工程、河流控制工程等ꎮ“硬工程”为防潮堤和海堤ꎬ“软工程”指海滩补给及砾石滩补给喂养措施ꎬ由于“软２.４　海岸整体防护体系的规划与建立工程”的灵活性和兼容性ꎬ在欧洲得到推广应用ꎮ岛礁工程技术只是一个硬件条件海岸防护工程的理想目标是通过人为引导ꎬ使岸滩剖面和岸线形态达到平衡ꎮ海岸整体防护设计的基本思路为按照海岸侵蚀和防护的时空尺度差异ꎬ分级(不同尺度)控制ꎮ凡属需护滩工程的海岸应进行平衡剖面的研究才能使护滩更为有效ꎮ利用重要海岸工程作为一级节点ꎬ构造人工岬角(凹湾)作为二级、三级乃至多级节点ꎬ人为增加岸线的相对长度使海洋动力能量分散释放ꎬ保沙固沙ꎬ从而构建海岸整体防护体系ꎮ一级节点的布局主要是针对大范围的海岸侵蚀趋势ꎬ遏制潮流作用引起的水下岸坡进一步侵蚀后退ꎬ从而在更长周期内起到对近岸海滩和堤防工程的保护作用ꎻ二级节点即人工岬角工程主要针对近岸海滩冲刷ꎬ通过岬角控制保存侵蚀粗化泥沙ꎬ进而对其下覆沉积物起到保护作用ꎮ福建的自然岬湾岸线和日本福冈能古岛的人工岬湾岸线就是采用多级节点(岬角)控制的方式ꎬ塑造动态平衡的多级嵌套稳定岬湾岸线ꎬ以实现海２.５　海岸防护形式的多样性

我国现行的海岸侵蚀防护工程还是以“硬工程”为主ꎬ但已经逐渐由单一的海堤转变为加固海堤和消浪护岸并重的组合防护ꎮ近年来ꎬ开始采用柔性防护如草皮种植、混凝土模袋护坡等ꎬ都取得了良好的防护效果ꎬ如福建沿海主要是修筑海堤和种植防护林ꎬ绝大多数风成沙地类型的砂质海岸后滨沙丘大都有防风沙植被ꎬ沙堤海岸也大都有木麻黄固定沙丘ꎮ限于技术经济等原因ꎬ像江苏沿海的护滩工程多以短、矮、密为特点ꎬ防护功能局限在堤前较小范围内ꎬ离岸堤外滩面下蚀和水下岸坡的蚀退依然发展ꎬ随着时间的推移ꎬ侵蚀岸防护的目的[９]ꎮ

第１期左其华ꎬ等:我国海岸工程技术展望

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对近岸护滩工程和现有海堤仍存在潜在威胁ꎮ

尽管我国在侵蚀海岸防护方面开展了不少研究与实践工作ꎬ相比发达国家来说ꎬ在海岸防护的同时兼顾海岸生态与环境保护方面还有不少差距ꎮ采用适当的方式通过自然过程塑造稳定海岸线ꎬ这已是一种趋势ꎬ人工养滩和人工岬湾防护技术在国外已经得到了非常广泛的应用ꎬ并且也取得了相当良好的效果ꎮ美国人工育滩与护岸建筑在海岸侵蚀防护中运用的比例达到４∶１以上ꎬ在欧洲、日本等发达国家人工育滩的实践也在迅速增加ꎮ近岸补沙在海滩侵蚀防治上与海滩补沙、沙丘补沙等方法相比更具有主动性ꎬ目前荷兰近岸补沙的补沙量和占人工育滩工程的比例都在增长[１０]ꎮ

我国海岸防护可根据具体海岸的侵蚀情况考虑尝试使用人工养滩、人工岬湾与丁坝群、离岸堤相结合的

防护措施ꎬ在原有刚性防护的基础上结合使用柔性防护技术ꎮ在实施海岸工程项目时ꎬ要避免不合理的工程布置导致泥沙运动的不平衡ꎬ加剧海岸的不稳定性ꎮ对于一些由于泥沙来源阻断而遭受侵蚀的沙质海滩ꎬ国际上多采用人工养滩加潜堤防护的形式ꎬ即形成所谓的栖息海滩(ｐｅｒｃｈｅｄｂｅａｃｈ)ꎬ注重这类海岸防护形式的研究ꎬ对我国沙质海滩旅游资源的恢复具有相当重要的意义ꎮ

要重视红树林等生物对海岸防护的重要性ꎬ因开发利用不得不占用的应采取就地补偿等措施ꎮ

３　海洋开发与海岸工程建设

３.１　海岸工程深水和离岸趋势及其挑战

３.１.１　海岸防护工程前沿水深将越来越大

目前ꎬ沿海各地围填海需求迫切ꎬ使得沿海防护工程ꎬ特别是海堤工程不断地外移ꎬ海岸防护工程前沿水

深将越来越大ꎬ基础条件和动力条件也将更加复杂ꎮ海岸工程的建设提高了这些防护工程的建设标准ꎬ但也３.１.２　跨海桥隧工程建设将成为热点

导致工程建设风险增大和海岸防护工程建设标准不连续等问题ꎮ

舟山群岛开发、胶东湾和港珠澳大桥等工程开启了我国跨海桥隧建设高潮ꎮ今后更多的跨海桥隧工程

将在海峡和岛屿之间建设ꎮ琼州海峡是我国三大海峡之一ꎬ位于广东雷州半岛和海南岛之间ꎬ长约８０ｋｍꎬ宽２０~４０ｋｍꎬ平均水深约４４ｍꎬ最大深度１２０ｍꎬ拟建的琼州海峡跨海桥梁工程将面临水深、风大、浪高、地质构造复杂、通航要求高、环境敏感等不利因素ꎬ且桥梁线位必须绕避国家级自然保护区的珊瑚礁ꎬ桥梁选址３.１.３　深水港需求持续和建桥技术难度都相当大ꎮ

为适应国际船舶大型化的发展趋势ꎬ国内、外大型港口都在进行航道深水化的研究和建设[１１]ꎮ如:韩国

２０ｍꎻ美国长滩港航道水深１８.３ｍꎮ预计今后数年内ꎬ我国还将建设为数可观的２０~３０万吨乃至５０万吨级泊位的码头和航道ꎮ例如:广东茂名港已启动３０万吨级博贺新港区建设ꎬ阳江港西岸临港新区可建３０万吨级航道ꎻ钦州港、防城港正在开挖３０万吨级航道ꎻ天津港正在建设３０万吨级航道ꎻ日照港也将建设３０万吨级原油码头ꎻ青岛港与巴西原料供应商合作ꎬ正在规划建设４个４０万吨级码头ꎬ３０~４０万吨级航道也将应运而生ꎻ连云港、洋口港正在建设３０万吨级航道ꎻ宁波－舟山港虾峙门口外航道水深已达２２ｍꎬ３０万吨级船舶可满载进出该港ꎻ大连港现也可以进出３０万吨级船舶ꎻ长江口１２.５ｍ深水航道上延到南京也将于２０１５年底竣工ꎬ将大力推动江海联运ꎮ此外ꎬ在建港条件较差的淤泥质海岸建设深水大港ꎬ尤其是利用淤泥质海岸３.１.４　海上人工养殖进一步向深水发展

外的潮汐水道建港ꎬ是建港科学和工程技术的一大进展ꎮ

我国未来一段时期内会沿着“近海养殖”和“外海养殖”两条途径同时发展ꎮ“近海养殖”将主要以改善

釜山港航道水深１８ｍ以上ꎻ荷兰鹿特丹港航道水深２５ｍꎻ美国西雅图港航道水深２０ｍꎻ新加坡港航道水深

养殖条件ꎬ优化提升技术装备水平ꎬ实现健康养殖为主要任务ꎻ“外海养殖”将重点突破新型养殖装备研发ꎬ提升配套养殖管理技术水平和技术装备ꎬ以开发拓展外海养殖空间ꎬ提高水产品产量ꎮ开展开放性海域养殖设施安全构建与系统配套装备技术探讨是养殖业向外海发展的基础ꎮ重点研究海上养殖平台构建与系统装备技术ꎬ海上废弃海洋工程结构渔业利用模式和海上游弋式养殖装备技术ꎻ建立开放性海域养殖设施安全规范和标准化技术ꎻ研究海洋增养殖渔场环境保护、渔场建造与防护工程等技术ꎬ推进我国海洋牧场建设ꎻ研究深水养殖结构抗风、浪、流关键技术ꎬ优化筏式养殖工程设施材料ꎬ研究筏架布局与养殖海域环境的相互关

６

３.１.５　海岸工程环境将更为复杂

海　　洋　　工　　程第３３卷

系ꎻ研究设置礁的类型、形状、位置等ꎬ诱导聚群性鱼类形成密集的群体ꎮ

目前ꎬ自然环境条件相对良好的岸线已基本全部开发利用ꎬ随着海岸工程向水深处发展ꎬ限于对动力要

素的了解ꎬ海岸工程的可靠性越来越不确定ꎮ我国海岸工程建筑物结构型式比较单一ꎬ对于适合深水和恶劣自然条件下的新型结构型式还需进一步研究ꎮ此外ꎬ海岸工程的建筑寿命普遍较低ꎬ在结构耐久性研究中还需进行大量的基础性工作ꎻ施工技术与国际前沿的差距主要体现在拼装技术、疏浚技术和环保技术上ꎻ施工设备与国际前沿的差距也主要体现在深水施工能力上ꎮ先进施工技术的研究和大型施工装备的研制是提高３.２　极端条件下海岸工程结构安全我国海岸工程建设能力和效率的前提保证ꎮ

３.２.１　极端条件变化是海岸工程结构安全永久的问题

近十年来ꎬ全球气候变化问题成为科技界最热门的话题之一ꎮ讨论或可分为三个不同阶段ꎮ开始是认

为全球气候正在变暖ꎬ文献[１２]指出:“研究成果表明ꎬ未来５０~１００年全球气候将继续向变暖的方向发展”ꎮ然而国际上就全球是否变暖争议颇多ꎬ不同的依据支持不同的观点ꎬ而且还有人将这一严格的科学课题使其政治化ꎬ作为发达国家限制发展中国家发展的一种手段ꎮ后来采用一种较为婉转的说法ꎬ即气候变化ꎮ然而要证明气候是否有某种特定的变化趋势ꎬ应有相当长的、无争议实测数据来证明ꎬ仅仅采用某种模式来推演ꎬ尚不能算是严谨ꎮ其实一些自然现象ꎬ如潮汐等就有其自身的变化周期ꎮ针对自然灾害频发ꎬ目前较为科学的一种讲法是极端气象条件的影响ꎮ这应该是一古老的课题ꎬ而不是近年科学技术的新发现ꎮ

极端气象条件发生具有显著的不确定性ꎬ而气候变化以及海平面上升等则具有明显的趋势性ꎬ因而极端气象条件更具有危害性ꎮ２０１１年３月１１日在日本西太平洋国际海域发生了里氏９.０级地震ꎬ据统计ꎬ自有记录以来ꎬ此次的９.０级地震在全世界已发生的地震中排第三ꎮ根据后续调查ꎬ此次地震引起的海啸最高达到２４ｍꎬ核泄漏等级为７级ꎬ属于最高级ꎮ可以肯定各国对于核电站灾害防御的标准是海岸工程中最高的ꎬ３.２.２　极端条件的不确定性对沿海建设的挑战

尤其是日本这样地震高发地区更是重中之重ꎬ然而这个标准也没能抵御这次海啸的破坏ꎮ

无论我们的设计标准取多少年一遇ꎬ与通常状态相比都可以认为是极端气象条件ꎮ１０００年一遇不是要

到１０００年才会发生ꎬ或许明天就会发生ꎬ只是概率较小而已ꎮ极端气象条件的不确定性给海岸工程带来巨３.２.３　海岸工程结构的可靠性(度)设计

大的挑战ꎮ随着沿海经济的发展ꎬ极端气象条件引起的灾害将更加严重ꎮ

海岸工程结构的可靠性(度)设计是今后一大重点ꎮ问题是我们对海岸动力条件的变化(包括现场资

料)究竟知道多少?这些变化对极端气象条件的确定有怎样的影响?一个工程究竟要抵御什么样的极端气象条件ꎬ是逐级抵御还是仅在最前沿一级抵御?如果超设计标准的极端条件发生及其危害究竟有多大ꎬ能否预报(估)?有什么减灾方案?尤其是对在役多年的海岸工程建筑物安全性能的了解更为重要ꎬ象日本福岛核电站维护那样的“侥幸”心理如何避免?

过去的十多年是我国海岸工程发展最为快速、最为集中的时期之一ꎮ从建国以来不同时期海岸工程建设的经验和教训看ꎬ虽然这一时期的建设标准和技术水平比２０世纪５０年代和７０年代要高很多ꎬ但是可以３.３　岛礁工程开发技术

预见在今后一段时间内ꎬ海岸工程结构的除险加固将集中地提到海岸工程管理者的议事日程上来ꎮ

３.３.１　岛礁开发利用应是围填海工程的优先发展方向

日本不惜投入巨资在远离国土１０００多公里的冲之礁进行人工筑岛ꎬ其精神值得我国思考ꎮ

我国社会经济发展尚处于并将还要在一定时间内处于重化工和城市化发展时期ꎬ对建设用地仍将保持

较高的需求ꎮ根据今后一段时期港口、临港工业发展形势和建设用地占补平衡的需要ꎬ未来海岸陆域形成工程、工业围海造地工程、农业围垦工程仍将保持一定的规模ꎻ石油开采由陆向滩海发展ꎬ海油陆采平台因其经济优势在滨海油田将持续发展ꎻ滨海城市、旅游的发展和建设用地日益紧张ꎮ围填海工程将呈现上升趋势ꎻ随着建设技术的提高和城市大型化、工业区大型化、农业现代化、用海集约化ꎬ为降低单位围海造地难度和成本ꎬ单位围海工程规模或会得到限制ꎬ但诸多“花整为零”工程的集合ꎬ数十、上百乃至数百平方公里的围海工程或将越来越多ꎮ

第１期左其华ꎬ等:我国海岸工程技术展望

７

迄今为止的海岸开发及其工程大都是根据沿海建设的需要从陆地或以陆地为基础向海向扩展的ꎬ这既是受自然和经济条件的限制ꎬ也与我国长期以来对海洋权益重视不够有关ꎮ当我们正在内海渤海沿岸进行大规模围填海工程时ꎬ南海以及东海的一些岛屿正在被其他国家侵占或蚕食ꎮ从国家长久利益出发ꎬ岛礁开发利用应是我国今后一段时间围填海工程的优先主题ꎮ

政府应从国家长久之计考虑ꎬ制定宽松积极的激励政策ꎮ海岛开发需要有与之相适应的规划ꎬ在技术层３.３.２　人工岛是海岸开发利用的重要形式次上要有规程(范)或者指导书ꎮ

人工岛式围填海是目前国际发展趋势ꎬ虽然会增加围填海成本ꎬ但是具有十分明显的环境和生态优势ꎮ

正基于此ꎬ日本围填海已很少自岸线向外延伸、平推ꎬ而是通常建成人工岛ꎮ神户的港岛和六甲岛、东京湾内的扇岛、长崎市的香烧岛、大阪市的钢铁净岛等ꎬ都是十分知名的人工岛ꎮ为适应沿海港口深水化需要ꎬ在近岸水深不足的地区ꎬ依托岛屿围海和海上人工岛形式的海港陆域形成工程将逐渐增多ꎮ海上人工岛具有岛屿的特征和景观ꎬ同时避免了依托陆地的围海造地工程对海洋环境的显著影响ꎬ将对海洋环境的影响降至最低ꎬ属于环境友好型设施ꎬ因而具有良好的应用前景ꎮ大连、唐山、葫芦岛、天津、福建、海南等地已开始实施３.３.３　岛礁海岸工程的特殊性较大规模的海上人工岛建设ꎮ

岛礁多兀立于大陆架和大陆坡ꎬ周边海底地形陡ꎬ变化大ꎬ有的地方水深甚至达百米、千米以上ꎬ而岛礁

的高程仅数米ꎬ直接受深水海洋动力的影响ꎬ海岸工程建设难度较大ꎻ海域受不同季节风吹流和常年海流影响显著ꎬ流场模拟及预测具有一定难度ꎻ波浪由大水深直接传至水深１~２ｍ的礁坪ꎬ对于波浪传播的模拟和破波特性认识均面临新的课题ꎻ岛礁上部物质松散ꎬ生物碎屑密度较大ꎬ但颗粒孔隙密布ꎬ湿容重小ꎬ在风、浪、流影响下ꎬ活动性极强ꎬ其施工技术有待研究ꎻ受台风大浪影响频繁ꎬ远离大陆ꎬ岛礁面积小ꎬ缺乏淡水和３.４　亲水工程

砂石料ꎬ现场施工条件恶劣ꎬ且礁坪水浅ꎬ外部物资运输困难ꎬ工程造价数倍于其他类似工程ꎮ

３.４.１　亲水工程越来越受到重视

我国重要海岸工程已充分认识到亲水工程的重要性ꎬ甚至像核电厂这样重要的能源设施也在要考虑亲

水需要ꎬ并作为工程设计考虑的重要因素之一ꎮ在海岸防护工程建设中ꎬ有些城市为了保持其独特的海岸风景ꎬ宁肯降低海堤建设高程标准ꎬ也要保持沿海的亲水性ꎮ我国沿海已建立一系列的经济开发区ꎬ沿海城市３.４.２　游艇业前景广阔

的增加ꎬ特别是沿海城镇化的建设将催生建设更多的亲水工程ꎮ

游艇业作为重要的海岸休闲业之一ꎬ我国在今后数年内将有较快的发展ꎮ近年世界范围内海上游艇业

呈稳步上升的发展趋势ꎬ增速每年为６％~７％ꎮ美国在经历了２０世纪８０年代短暂的低迷状态后ꎬ９０年代至今游艇市场又进入了蓬勃发展的时期ꎬ注册和使用的游艇数量基本上维持在１７００多万艘的水平ꎮ２００８年美国游艇消费人数达７０００万ꎬ占全国总人口的１/４ꎮ挪威、新西兰等国家人均拥有游艇比例高达８∶１ꎬ美国为１４∶１ꎮ意大利８０００公里海岸线和内湖岛屿上分布大大小小８４万个游艇泊位ꎮ法国约有爱好者９００万人ꎬ２００３年拥有游艇９０多万艘ꎬ分布在大小３７４个港口和码头共有１６余万个泊位ꎮ

亚洲游艇业在２０世纪７０年代逐步发展ꎬ主要集中在日本、韩国、新加坡以及我国香港、台湾地区ꎮ日本台风大ꎬ濑户内海、名古屋、东京附近和九州西岸的多岛海域是游艇的主要集中地ꎬ目前拥有约４０万艘游艇ꎮ香港星罗棋布的２３５个岛屿及众多海湾ꎬ目前有游艇、帆船逾２万艘ꎮ

２００７年大陆具有游艇１１００艘ꎬ其中上海、青岛、深圳三市占４０％ꎮ广东２０１２年已建游艇泊位５００多

个ꎬ据估计如在建的５个游艇会所都建成ꎬ近几年新增泊位将到１８００个ꎮ显然ꎬ我国游艇业的发展有非常大的空间ꎮ游艇业的发展离不开航道水域、港口码头、游艇俱乐部、景观水系等基础设施的配套建设ꎮ目前我国在这些方面还存在很多障碍ꎬ在一定程度上阻碍了游艇业的发展ꎮ我们可以通过多种方式ꎬ有计划有步骤地建设一批国际水平的配套设施ꎬ满足游艇消费的需求ꎬ同时要注重资源的可持续利用ꎬ防治污染环境ꎻ保障停泊水域或者停泊点的游艇的安全ꎻ向游艇提供航行所需的气象、水文情况和海事管理机构发布的航行通(警)告等信息服务ꎮ

８

海　　洋　　工　　程第３３卷

３.４.３　渔港工程是沿海城镇化的重要组成部分

农村建设重点工程ꎬ提出“改扩建或新建一批沿海中心渔港、一级渔港、二级渔港、避风锚地和内陆重点渔港”ꎮ未来渔港建设的发展趋势将更加注重渔港功能多样化、渔港村镇一体化、生态环保、防灾减灾体系建立等ꎮ渔港设施要控制污染ꎬ使渔港水域保持海洋生物生存的良好状态ꎬ要设计能满足水流交换的新材料、新结构ꎬ尽量减少和避免对生态环境的破坏ꎬ注重对港区海洋水域生态环境的修复ꎬ降低其维护费用ꎬ延长渔港的使用寿命ꎮ要充分利用沿岸区域ꎬ建设和改造具有海水交换功能的防护工程以及水产动植物生息、繁殖的具有藻场功能的水工建筑物ꎬ以缓解对海洋自然环境的影响ꎮ研究采取各种生物、工程和技术措施ꎬ对已保护、利用潮汐、海流、波浪等自然能源来实现增养殖渔场的水质交换工程技术措施等ꎮ

遭到破坏的水域生态进行修复ꎬ重建水域生态平衡[１３]ꎮ渔港与浅海养殖结合ꎬ研究沿岸渔场环境的修复与３.４.４　亲水工程建设标准和结构多样性

２０１１年国务院发布«中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要»ꎬ明确把渔港作为新

亲水海岸工程需要解决二个主要问题:一是建设标准ꎻ二是多样性ꎮ亲水工程如游艇工程、海上养殖工

程、渔港工程等的设计目前都没有各自的标准ꎬ一般参照港口航道设计规范ꎮ如何在不降低设计标准又能满足工程景观和亲水要求ꎬ这正是需要进行研究的ꎮ如核电工程ꎬ对不同等级的建筑物按其等级防御不同风浪标准进行设计ꎬ值得其他大中型海岸工程参考ꎮ东南亚一些国家利用红树林资源开发海岸旅游业ꎬ由于红树林能遮掩强烈海洋动力的作用ꎬ使得防护工程具有良好的亲水性及与环境的和谐性ꎮ

目前我国海岸工程亲水的结构形式还比较单一ꎬ给结构工程师和建筑设计师留有更多的发展空间ꎮ３Ｄ３.５　海洋能技术利用和谨慎开发３.５.１　海洋能开发前景看好

打印技术在亲水工程方面的应用可能是海岸工程使用这一技术的最早尝试ꎮ

在当前大力发展新能源的背景下ꎬ海洋能开发技术将会得到前所未有的发展ꎮ如:英国、加拿大、俄国、

韩国将建成１００~１０００ｋＷ级的潮汐电站ꎻ美国、日本、印度尼西亚、印度将建１０万ｋＷ级的温差电站ꎻ英国、１００ｋＷ级的波浪能和潮流能实用化电站、万千瓦级潮汐电站ꎬ到２０２０年前我国海洋能开发的总装机容量有望达到或超过２０万ｋＷꎮ

从总体上看ꎬ我国海洋能开发利用尚处于初级阶段ꎬ技术不成熟ꎬ无法和常规能源竞争ꎮ目前我国对海洋能的开发利用还主要局限在渔业和油气资源开发上ꎬ与我国海洋能源状况及经济社会可持续发展对能源的需求不相适应ꎮ２００７年«可再生能源法»的颁布实施ꎬ为我国海洋能等可再生能源的开发利用奠定了良好３.５.２　潮汐能工程

的法律基础ꎬ使我国海洋能开发迎来了重要的战略机遇期ꎮ

潮汐能开发的一个明显趋势是向巨型化发展ꎬ各国已完成技术经济论证ꎬ几个著名站址装机容量都在挪威、日本将建万千瓦级的波力电站和潮流电站ꎮ我国也将建设海岛多能互补独立供电系统(１００ｋＷ级)、

１００万ｋＷ以上ꎮ当前潮汐发电技术研究的重点问题各国的分歧并不大ꎬ或者基本形成共识ꎬ多数是倾向单济上并不合算ꎮ当前影响众多电站开工的主要不是技术问题ꎬ而是投资效益和生态环境问题ꎮ

我国在２０世纪７０年代前曾是国际上拥有最多的潮汐发电站的国家ꎮ国家«可再生能源中长期发展规

库开发ꎬ单向运行ꎮ而水轮机组则主张不要太追求效率高、结构复杂的机组ꎬ因为以高投资换取高效率在经

划»提出了积极推进海洋能的开发利用ꎬ到２０２０年建成潮汐电站１００ＭＷ的目标ꎬ但是没有提到具体方案ꎮ联系到我国目前多个大型潮汐电站(福建大官坂、八尺门和浙江健跳港、黄墩港、杭州湾和乐清湾以及长江口北支[１４]等)项目长期处于规划设计或讨论阶段ꎬ可以看出ꎬ国家希望发展对潮汐能的利用ꎬ但对水库式潮汐电站的经济性以及可能带来的环境影响问题也很慎重ꎮ

潮汐发电技术是土木、水利、机械、材料、发电、输电、可靠性等技术的集成ꎬ一次性投资大ꎬ与常规能源利用相比经济性不好ꎮ借鉴国内外潮汐发电的经验和教训ꎬ我国大规模开发潮汐电站应遵循积极规划、谨慎开３.５.３　波浪能电站

发、技术进步、降低成本、适度扶持、逐步形成规模的原则ꎮ

目前开展波浪能利用研究的有英国、日本、挪威、中国、丹麦、美国、西班牙、葡萄牙等２０多个国家ꎬ其中

又以英、日、挪等国对波浪发电的研究最为踊跃ꎬ极有可能在今后１０年内达到目前风能的经济技术水平ꎮ我

第１期左其华ꎬ等:我国海岸工程技术展望

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国波浪发电虽起步较晚ꎬ但在国家科技攻关、“８６３”计划等支持下ꎬ取得了较快的发展和较大的进步ꎮ微型波力发电技术已经成熟ꎬ并已商品化ꎮ小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列ꎬ与国际领先水平的差距不大ꎮ但在波浪能发电规模方面ꎬ世界上已从１０２ｋＷ、１０３ｋＷ级发展到１０４ｋＷ级的应用ꎬ而我国目前仍停留在１０ｋＷ、１０２ｋＷ级的水平上ꎬ至２０２０年的远景目标也只是发展到１０２~１０３ｋＷ级的波力电站ꎬ波浪能开发的规模远小于挪威、英国等ꎮ

波浪能发电的前沿技术主要有:１)将分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来ꎬ集中、经济、高效地转化为有用的电能ꎬ承受海洋灾害性气候的破坏ꎬ实现安全运行ꎻ２)大部分波能装置从波能到电能的总转换效率只有１０％~３０％ꎬ且投资巨大ꎬ因此ꎬ研究的关键问题是提高转换效率和降低成本ꎻ３)防腐技术和防生物附着技术ꎻ４)抗浪技术ꎬ如合理的转换装置设计、锚泊系统设计及下潜避浪技术ꎻ５)综合利用ꎬ如波浪能与风能、太阳能与海洋热能的综合利用ꎬ英国建成的波力发电装置ꎬ顶部同时安装了的风力发电机ꎻ日本建成的多３.５.４　海流能装置

用途波能发电装置“巨鲸”ꎬ还安装了太阳能发电机ꎮ

２０世纪９０年代以前ꎬ国外潮流发电技术研究不像潮汐、波浪发电技术那样活跃ꎬ只在英国等较少几个

国家进行ꎮ９０年代中后期ꎬ开展潮流能利用的国家逐渐增多ꎮ当前潮流发电技术发展趋势是在小容量示范装置试验成功的基础上ꎬ向大型化发展ꎬ以降低装置的单位装机容量造价ꎮ有人论证后认为ꎬ只有当装机容量达５００ｋＷ以上时才可能获得商业性收益ꎮ加大转换装置的装机容量有两个途径:一是加大单机装机容量ꎻ二是由潮流发电单体装置组成类似“风力田”的电站群系统ꎮ英国ＭＣＴ公司计划单机经过７００~８００ｋＷ３.５.５　海岸风能利用

的过渡后ꎬ向３~５ＭＷ目标迈进ꎬ英国爱丁堡大学已提出了１０ＭＷ的开发方案ꎮ

要正面回答海岸沿线风能装置大范围的建立对沿海生态是否有影响ꎮ

４　海岸管理与数字海岸

４.１　海岸开发存在的主要问题

２８５ｋｍ２ꎮ围海造地是人类向海洋拓展生存空间和生产空间的一种重要手段ꎬ然而ꎬ围填海也带来了一些生态环境问题ꎬ主要有:１)改变岸线、海底的形态ꎬ影响自然条件下的动力场与泥沙运动规律ꎬ在某种情况下会造成局部持续的淤积或冲刷ꎬ破坏海岸与海底的自然平衡状态ꎬ对海岸带生态系统和航运等产生影响ꎮ２)打破生态敏感区、湿地范围内的海岸与海底的自然平衡状态ꎬ海洋植物和动物生存环境受到严重影响ꎮ３)导致海洋自然性状改变ꎬ海洋灾害潜在威胁加大ꎻ围海造地造成天然海湾的消失、河口束窄、岸线趋于平直等自然形状特征的改变ꎬ自然纳潮空间区域的缩小、滩涂消失ꎬ减少甚至消失了波浪消能的空间ꎬ加大了潮灾的隐患ꎮ虽然近年有些地区的岸线有些增长ꎬ但有数据表明ꎬ我国的海岸线比新中国成立初期缩短了１５００多公里ꎬ海湾减少百余个ꎮ２０１１年初ꎬ历时６年的中国９０８专项海岛海岸带调查发现ꎬ中国海岸线因填海造地正逐年减少ꎮ在过去２０年间共７００多个小岛消失ꎮ４)围海造地可导致潮差变小ꎬ潮汐冲刷能力降低ꎬ海水自净能力减弱ꎮ近１０年来ꎬ我国因围填海失去了近５０％的湿地ꎻ２００２~２００７年ꎬ湿地消失速度从２０ｋｍ２/ａ４.２　海岸管理国际前沿状况

增加到１３４ｋｍ２/ａꎮ因此ꎬ海岸管理的必要性和迫切性将更加凸显ꎮ

据有关分析ꎬ１９９０~２００８年ꎬ我国围填海总面积从８２４１ｋｍ２增至１３３８０ｋｍ２ꎬ平均每年新增围填海面积

海岸带立法是世界性的发展趋势ꎮ迄今为止ꎬ大多数海洋国家和地区都制定了有关海岸带的法律ꎮ近年来ꎬ荷兰、日本、美国等具有围海造田传统的国家ꎬ已经先后出现了海岸侵蚀、土地盐化、物种减少等问题ꎮ有的国家开始采取透空式的海上大型浮式建筑物取代围海ꎬ有的国家甚至已不允许围海ꎬ并开始将围海造田的土地恢复成原来的湿地面貌ꎬ探索与水共存的新路ꎮ

１９７２年美国通过了世界上第一部«海岸带管理法»(ＣＺＭ)ꎬ由美国海洋与大气局(ＮＯＡＡ)的海洋和海岸

资源管理署(ＯＣＲＭ)在全国范围内实施[１５]ꎮ其目标为:１)为了生态功能、文化遗产和经济利益的可持续ꎬ保护和修复海岸和海洋资源ꎻ２)构建可恢复的海岸群落ꎬ维持健康的海洋和海岸ꎻ３)提高人们的意识和行动能力ꎬ使海岸地区的公众和生态系统受益ꎮ为了实现上述目标ꎬ国家海岸带管理委员会协助各州进行海岸的综合规划和社团的发展以及其他保护和恢复栖息地、缓解风险、保护水质、海域使用的项目ꎮＯＣＲＭ帮助３４个

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海　　洋　　工　　程第３３卷

州和地区在维持和加强管理能力的同时ꎬ提高国家的海岸管理目标ꎬ负责海岸和河口土地的保护ꎬ保护海岸和河口土地的平衡、再生以及生态、历史和美学价值ꎮ

国土面积２０％(约７０００ｋｍ２)的陆地是通过填海造陆形成ꎮ荷兰１９５０年到１９８５年间湿地损失了５５％ꎮ湿地的丧失让荷兰在降解污染、调节气候的功能上出现许多环境问题ꎬ如近海污染、鸟类减少等ꎮ１９９０年ꎬ荷兰农业部制定«自然政策计划»ꎬ要通过３０年时间恢复这个国家的“自然”ꎮ位于荷兰南部西斯海尔德水道两岸的部分堤坝将被推倒ꎬ一片围海造田得来的３００公顷“开拓地”将再次被海水淹没ꎬ恢复为可供鸟类栖息的湿地ꎬ通过使过去的景观复原ꎬ为老百姓的生活增添亮丽的风景线ꎮ

日本在过去１００多年中ꎬ共从海洋中索取了１２万ｋｍ２土地ꎬ沿海城市约有三分之一土地都是通过填海４.３　我国海岸管理状况

获取的ꎮ“注重规划控制、防止各自为政”ꎬ“注重依法审批ꎬ尊重民众权益”是其成功的一大特色ꎮ

我国在社会经济可持续发展战略和海洋事业发展中均提出了海岸带综合管理的战略思路ꎬ将建立海岸带综合管理制度作为海岸带地区社会经济可持续发展的战略方针和指导思想ꎮ１９９７~２０００年ꎬ在广东、广西、海南等地进行了海岸带综合管理能力建设ꎬ其目的就在于探索建立海岸带综合管理机制、提高合理利用海洋资源和保护海洋环境的综合管理能力ꎮ目前ꎬ我国对海岸带资源的管理基本上是传统的分工、分类管理ꎬ根据自然资源属性及其开发产业ꎬ按行业部门进行计划管理ꎮ随着海岸带开发利用的不断深入ꎬ参与海岸带开发管理的部门日渐增多ꎬ仅在海岸带地区范围内ꎬ涉海部门就有２０个左右ꎬ如:农业部渔业局具有管理海洋渔业生产的职能ꎻ交通部门具有管理港口作业和海上航运的职能ꎻ国家旅游局具有管理海洋旅游活动的职能等ꎮ不同的部门根据自己的职能ꎬ对同一地区往往从不同的目标进行管理ꎬ或对同一对象从不同的角度或方法进行控制ꎬ再加上有些地区管理分工不同ꎬ由此则容易造成部门间的不协调ꎮ

近年来ꎬ我国海岸带环境质量似有不断恶化的趋势ꎬ与海岸带管理法律的缺位以及缺乏有法可依的有效综合管理有着密切联系ꎮ目前我国已有的一些海岸和海岸工程管理法律ꎬ虽然不能完全满足我国沿海地区４.４　现代海岸管理必须借助于数字海岸的建立

经济发展战略的需要ꎬ但最大的问题仍是执法难ꎬ违法的成本太低ꎮ

现代化的技术是海岸管理最为有力的支撑ꎬ数字海岸将是长远、持续的努力方向ꎬ也是提高海岸带管理水平的关键ꎮ数字海岸的建立和应用可以全面促进海岸带的管理和开发ꎬ并在规划、动态监控、资源开发、海岸侵蚀防护、防灾减灾、工程建设、土地利用、生态环境保护等方面起到辅助研究、辅助开发、辅助管理、辅助决策等作用ꎮ这将涉及到不同的部门和技术ꎬ如信息技术、模拟技术、管理系统等[１６]ꎮ

１)信息技术

欧洲荷兰的围填海历史早ꎬ规模大ꎬ技术要求高ꎬ是世界上公认的海洋管理和利用最成功的国家之一ꎬ占

数字海岸的信息包括气象、水文、地震、海向地形、海岸工程结构、保护区环境和社会经济情况等基础数

据库ꎮ目前一些长期气象水文资料ꎬ有陆地卫星、海洋水色卫星、气象卫星和雷达卫星等遥感资料ꎮ近几十年来ꎬ美国利用遥感资料建立起各类数据库ꎬ研究人员可以免费使用数据库的资料ꎬ如美国国家航天航空局戈达德航天中心建立的北美土地数据系统(ＮＬＤＡＳ:ｎｏｒｔｈ￣ａｍｅｒｉｃａｎｌａｎｄｄａｔａａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ)和全球土地数据同化系统(ＧＬＤＡＳ:ｇｌｏｂａｌｌａｎｄｄａｔａａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ)ꎬ可以通过数值气象预报模型(ＮＷＰ)更精确地进行分析和预测模拟ꎮ信息系统应通过国内外不同渠道、多种方法、综合手段来丰富基本信息资源ꎬ应具有实时性和长期性ꎮ

２)模拟技术

在海岸工程建设中可基于海岸信息ꎬ利用模拟技术建立海岸动力模型、结构安全性模型、灾害预测评价

模型等ꎮ动力模型包括河口径流、潮汐、波浪、台风、风暴潮、泥沙运动等ꎻ结构安全包括工程老化、极端条件下结构可靠性等ꎻ灾害预测评价模型主要用于工程会否失事以及失事后的损失评估等ꎮ

３)管理系统

海岸带的管理过程包括经常性和突发性的干预ꎬ即自然和人为对海岸的影响ꎮ在此基础上ꎬ研究海岸侵

蚀、海岸价值、海岸养护与否、侵蚀控制与否对海岸带利用潜力的影响ꎬ以海岸损失最小、防御和恢复成本最小为目标ꎬ最终实现对海岸线的有效保护ꎮ数字海岸技术在管理中的应用可包括:１)参与海岸带规划ꎬ提高和改善海岸带管理开发的质量和效率ꎻ２)全方位、全天候地动态监控海岸带ꎬ及时作出相应的结论和对策ꎻ

第１期左其华ꎬ等:我国海岸工程技术展望

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３)保护和合理开发海岸带资源ꎬ提高海岸带资源的利用效率ꎻ４)海岸侵蚀防护ꎬ包括对海岸侵蚀的实际现状海岸灾害的防范、规避ꎬ海岸灾害的抵抗、消除ꎬ海岸灾害的灾中救护、灾后恢复和灾后重建等ꎻ６)参与海岸带工程的规划、勘察、设计、建设和管理的整个过程ꎻ７)参与海岸带生态环境的调查监控、评估分析、综合研究、对策制定、措施落实等ꎻ８)促进沿海国防建设ꎮ

数字海岸建设的难点在于实际有价值数据的获得ꎬ这不是仅靠少数几个部门和单位所能完成的ꎮ

和演进趋势、成因的探讨ꎬ使防护对策制定更加科学、高效ꎻ５)海岸带防灾减灾ꎬ包括海岸灾害的预测、预报ꎬ

５　海岸工程研究

５.１　海岸工程学科总体发展趋势

海岸工程学科也是一门古老学科ꎬ通过数百年特别是最近几十年的研究ꎬ一些经典的研究办法已基本做到了极致ꎬ没有新的研究理论和方法ꎬ就很难有新的突破ꎮ自然科学是互通的ꎬ将其他学科的研究方法和成果应用到本学科往往会取得突破性的进展ꎮ国家自然科学基金委员会组织全国专家对海洋科学的过去进行了回顾ꎬ对未来１０年的发展趋势进行了预测ꎬ提出今后１０年海洋科学的４大发展趋势:１)多学科交叉、渗透和综合ꎻ２)重点研究与资源、环境、气候等和人类生存与发展密切相关的重大问题ꎻ３)全球化和国际化ꎻ４)采用高新技术ꎬ并趋向于全覆盖、立体化、自动化和信息化ꎮ

海岸工程是多学科交叉的领域ꎬ包括了所有的自然学科ꎮ海洋工程科学研究涉及数学、力学、物理学、化学、材料学、电学等不同类型学科ꎮ遥感技术成果与海岸演变、海流、泥沙运动等研究已结合得相当紧密ꎻ光学、声学的成果促进了水波传播的研究ꎻ新材料、新工艺的采用使得深水港建设、大型围填海工程、桥隧工程５.２　海岸工程基础学科发展要与现场实验研究紧密结合等有了较大的突破ꎻ计算机技术促进了各行各业快速技术进步ꎮ

欧美很注重现场实验研究ꎬ以促进海岸工程基础学科的发展ꎮ以防波堤技术为例[１７￣１８]ꎬ近２０多年来ꎬ

欧美出现过三次防波堤事故的研究热潮ꎬ即ꎬ１９８０年前后葡萄牙锡尼斯防波堤事故后对斜坡堤稳定性的分进对防波堤破坏模式的研究ꎮ这些研究热潮ꎬ大大促进了防波堤技术的发展ꎮ

ＤＥＬＩＬＡＨ、ＤＥＬＴＡ’９３、ＤＵＣＫ’９４等现场联合观测ꎬ并持续进行了实验室研究ꎬ引起学术界的关注ꎬ促进了海岸动力学的发展ꎮ

国际发达国家注重将水动力观测与海岸地形影响等结合起来研究ꎬ如欧美等国家进行一系列如

析ꎻ１９９４年深水防波堤会议前后对直立堤损坏的分析ꎻ２０世纪９０年代后期结合防波堤可靠度设计方法的改

我国有不同类型的可将工程与学术研究紧密结合的海岸ꎬ也有很多值得从科学研究角度进行深入探讨和总结的工程实例ꎬ且有一支庞大的海岸工程技术研究队伍ꎮ但我们的现场及实验室研究大多是服务于某一特定工程ꎬ尤其是工程的立项和建设ꎬ积累了很多的测量资料ꎬ却很少开展相应的基础理论和基本方法的研究工作ꎮ提高我国在海岸工程学科的国际学术地位ꎬ必须要重视海岸工程基础学科发展与现场实验研究５.３　数学模型、物理模型及其复合技术的发展

数学模型在我国海岸工程科学研究中将占有更高的比例ꎬ但要加强国际品牌数学模型的研发ꎮ我国拥有众多从事海岸数学模型研究的科研人员ꎬ然而我国并没有拥有象ＤＥＬＦＴ３Ｄ、ＭＩＫＥ２１、ＳＷＡＮ、ＡＮＳＹＳ等类似的国际著名软件ꎮ这其中既有传统固有的、封闭不开放的科研机制因素ꎬ也有我国科研人员研制的模型大多没有经过较严格的物理模型和现场实验的检验ꎬ其验证往往具有明显的地域或类型的局限性ꎬ而前述的几个著名软件都是经过前后多年的论证检验后才逐步成型的ꎮ此外ꎬ我国的模型大多没有自己的理论体系ꎬ相当多的程序是基于模仿ꎮ

物理模型今后一段时间内还将在海岸工程各阶段科学研究中起到相当重要的作用ꎬ甚至是决定性的作用ꎮ要加强在相似理论、现场验证资料的可靠性和量测技术水平提高等方面的研究ꎮ在采用天然水和重力加速度不变的限制条件下ꎬ流体动力模拟物理模型的可选择性很小ꎬ离心试验装置的大型化可部分地解决困难ꎬ但难以较为准确地解决结构的三维破坏特性ꎮ泥沙运动相似理论近年进展不大ꎬ有什么新的理论或者是其他学科的理论可以借鉴?没有现场资料的验证就没有现行条件下的物理模型试验ꎬ然而用以验证的现场资料可靠性怎样?这些用来验证的大多经过扰动的样品在多大程度上代表现场的实际情况?这些用短期实及技术的紧密结合ꎮ

１２

为试验研究水平提高的制约因素ꎮ

海　　洋　　工　　程第３３卷

测资料验证的结果真的可以被外延来预测未来多年的演变?还有实验室量测技术水平的提高速度不快已成

物理模型和数学模型结合起来的复合模型将越来越多地在海岸工程中得到应用ꎮ物理模型会成为数学模型验证的重要手段ꎬ甚至与现场资料起到相同的作用ꎮ经过现场实测资料和物理模型试验资料验证的数５.４　海洋动力￣结构￣地基相互作用

学模型又可以作为物理模型的继续ꎬ进行多方案的试验研究ꎬ或提供较为优化的方案供物理模型研究ꎮ

长期以来ꎬ海岸工程中的水动力￣结构￣地基是相互作用的已成为共识ꎮ日本对过去２０多年混合堤的损坏作了总结ꎬ将损坏形态与原因归结为蛇行破坏ꎬ基床过高、过宽或过陡引起破碎波冲击波压作用ꎬ波浪引起绕堤头或沿堤水流对基床淘刷损坏ꎬ堤前海床冲刷或液化ꎬ地基承载力不足等ꎮ统计分析表明ꎬ防浪护岸破坏的主要原因是波浪力超过海墙抗力、越浪及墙前海床冲刷ꎮ５０％的护岸损坏是由于海床冲刷引起ꎮ

海洋动力￣结构￣地基相互作用研究受研究手段的限制ꎬ一直进展缓慢ꎮ重大工程要加大“流￣固￣弹”三位一体的现场观测ꎬ这是推动这一方向研究进展的关键ꎮ已有一些重大工程进行了这样的监测ꎬ但主要是解决工程问题ꎬ应紧密结合基本理论加强研究力度ꎮ在实验室模拟方面还有很多基础性的问题有待解决ꎬ如流体与固体、弹性体模拟时间不匹配ꎻ泥沙冲淤与水流时间匹配问题ꎻ结构耐久性中时间尺寸确定ꎻ流体重力相似与结构弹性相似、强度相似不兼容等问题ꎮ地基如何在实验室中模拟一直是该研究方向的瓶颈ꎬ这需要寻找新的模拟材料以推动实验室模拟的进展ꎮ

６　结　语

通过分析我国海岸动力监测体系、河口海岸侵蚀及防护、海洋开发与海岸工程建设、海岸管理与数字海岸和海岸工程研究等方面存在的问题和国外进展情况ꎬ可以期望今后十多年中ꎬ海岸工程仍将保持快速的发展趋势ꎬ并继续为国民经济发展发挥重要作用ꎮ随着综合国力的提升和国内海岸开发技术的相对成熟ꎬ我国海岸工程技术向国外输出ꎬ将面临更多的国际合作与竞争ꎬ这将促使其国际化ꎬ进而在一些重要领域处于国际领先行列ꎮ我国海岸工程技术水平提高任重而道远ꎬ中国海岸工程领域的发展将随着中国经济建设的发展而更加辉煌ꎮ参考文献:

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