基于“浪潮分离”的粤港澳大湾区海堤高标准建设技术体系研究

侯 堋，王 强，陈俊昂，刘晓建，朱小伟，郭辉群

（1.水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院，510611，广州；2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，510611，广州；3.水利部粤港澳大湾区水安全保障重点实验室，510611，广州；4.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，510635，广州）

粤港澳大湾区（以下简称“大湾区”）位于广东省南部，地处珠江流域尾闾，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。大湾区濒临南海，是国内台风登陆最频繁、受台风风暴潮威胁最严重的区域之一。近几十年，受全球气候变化影响，风暴潮灾害次数和强度呈增加趋势，登陆大湾区的超强台风引发的风暴潮灾害严重威胁着人民生命财产安全和经济社会发展。据广东省海洋灾害公报统计，广东海洋灾害以风暴潮灾害为主，2017 年“天鸽”和2018 年“山竹”受灾人口逾200万人，直接经济损失为54.6 亿元和23.78 亿元，均超过当年海洋灾害直接经济损失的96%，防潮安全已成为大湾区最突出的水安全问题之一。

海堤是沿海城市抵御海浪、风暴潮等自然灾害的第一道屏障，是保障人民生命财产安全的重要基础设施。本文在分析大湾区海堤现状、面临的主要问题及新形势的基础上，提出基于“浪潮分离”的大湾区海堤高标准建设理念与技术体系，为有效提升大湾区海堤多元功能、保障大湾区水安全提供支撑。

一、大湾区海堤现状与面临的形势和要求

1.大湾区海堤现状

大湾区已建海堤长度约2300 km，防潮体系已基本形成，在风暴潮防灾减灾中发挥了重要作用。然而，由于现有海堤多建于20 世纪80 年代之前，建设质量参差不齐，加之受极端风暴潮侵袭，目前海堤总体达标率仅为67%，已不能适应大湾区经济社会发展需求。同时，大湾区已建海堤防潮标准偏低，仅广州、深圳等城市的中心城区达到50 年一遇~200 年一遇，有60%海堤防潮标准不足50 年一遇，对标国际一流湾区与发达城市100 年一遇~500 年一遇的防洪（潮）标准，海堤设防标准明显偏低。在全球气候变化和海平面持续上升共同影响下，极端风暴潮发生频次和强度增加，最高潮位连续突破历史极值，珠江河口200 年一遇设计潮位抬高0.17~0.74 m，致使已建海堤的设防标准被动下降，大湾区海堤防潮短板日益凸显。

此外，以往大湾区海堤建设多注重防灾减灾功能，生态建设理念落实不足。已建海堤大多为浆灌砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块、板桩等刚性结构，以混凝土等灰色材料为主，改变了近岸水动力条件，破坏了陆海之间的物质交换和生物连通，隔绝生物、微生物与陆地的接触，导致海岸带生物栖息地丧失及潮间带生物群落结构改变，进而导致生物多样性下降。研究表明，与天然海岸线相比，硬质海堤导致海岸带生物多样性和物种丰度分别减少23%和45%。

2.大湾区海堤面临的形势与要求

（1）气候变化背景下大湾区的风暴潮灾害加剧

大湾区濒临南海，常年受风暴潮侵袭，根据1990—2018年统计数据，大湾区发生风暴潮97次，占全国总登陆风暴潮数的39%，是全国风暴潮发生次数最多的区域。大湾区风暴潮不仅次数多、强度大，而且登陆的频率和强度持续增加，2010年以来，西太平洋热带气旋频数有所升高，影响大湾区的超强台风增加趋势显著。气候变化导致台风等强热带天气系统以及温带天气系统发生变化，台风等极端气候事件频次、强度增加，进而导致其引发的风暴潮灾害加剧。研究表明，在未来不同气候情景SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP4-6.0和SSP5-8.5（Shared Socioeconomic Pathway，共享社会经济路径）下，全球气候将继续变暖，登陆我国的强台风可能数量更多、强度更强，预估2100年风暴潮强度将上升2%~11%，频次将增加6%~34%。同时，在气候变暖背景下，全球海平面持续上升，预计未来30年，珠江口沿海海平面将上升70~180 mm，海平面上升抬高了风暴潮、波浪和潮汐的基础水位，将进一步加剧沿海地区风暴潮灾害风险。

（2）大湾区发展战略定位对海堤建设提出新要求

大湾区战略地位和经济社会地位举足轻重，人口、产业、经济等要素高度集聚，决定了大湾区“淹不得、淹不起”。2019年2月18日，中共中央、国务院印发《粤港澳大湾区发展规划纲要》，提出将大湾区建设成为充满活力的世界级城市群及宜居宜业宜游的优质生活圈等五大战略定位。为适应气候变化和满足大湾区高质量发展要求，《粤港澳大湾区水安全保障规划》提出深圳、广州防潮能力提高至300年一遇，珠海、佛山、东莞、惠州、中山、江门、肇庆城市防潮能力提高至200年一遇；《深圳市防洪（潮）排涝规划（2021—2035）》进一步指出，深圳西部海堤防潮标准将提高至1000年一遇。目前大湾区海堤整体防潮与规划目标存在明显差距，亟须提高大湾区城市海堤洪潮防御能力。

大湾区的高质量发展决定了大湾区城市海堤必须更加重视景观生态需求。党的十八大以来，生态文明建设被纳入“五位一体”总体布局，“绿水青山就是金山银山”已成为新发展理念的重要组成部分。然而，目前大湾区已建海堤生态建设理念落实不足，对周围环境协调型、生态友好型等综合考虑不充分，与生态环境优美国际一流湾区、宜居宜业宜游优质生活圈的定位不相适应。因此，迫切需要开展海堤高标准建设，提升海堤防灾减灾能力，保护海岸带生态本底，维护海岸带健康，打造大湾区“人—城—海”景观格局，实现海堤功能综合提升。

二、基于“浪潮分离”理念的大湾区海堤高标准建设思路

1.传统海堤浪潮一体化防御设计的局限性

从海堤防潮安全角度来看，海堤的首要任务是挡潮，根据我国《海堤工程设计规范》（GB/T 51015—2014）要求，堤顶高程由设计潮（水）位、波浪爬高及安全加高组成；从堤身结构安全上，海堤需要能够抵挡浪潮的共同作用，需满足稳定、渗流、变形和抗冲刷等方面的要求。随着浪潮动力增强及城市建设要求提高，传统海堤设计局限性凸显。

（1）海堤提标与城市景观需求矛盾突出

近10 年，受“山竹”“天鸽”等极端风暴潮影响，大湾区水域浪、潮动力普遍增强，200年一遇设计潮位最大增加了0.74 m，设计波浪最大增加了0.6 m。大湾区海堤防潮标准从20年一遇~50年一遇提标至100年一遇~200年一遇，堤顶高程增幅0.64～2.1 m，平均增幅1.53 m。堤顶高程过高，造成海堤“围城”，严重影响城市景观，且随着海平面进一步上升，海堤破坏风险加剧，堤顶高程将大幅度提高，与城市景观矛盾会更加突出。

（2）传统海堤对防御超标准风暴潮韧性不足

遭遇超标准风暴潮时，台风风暴潮与近岸大浪易产生非线性耦合作用，加剧海堤破坏风险。当波浪传播到破波区时，波浪集中破碎使得波能耗散，产生向内的辐射应力，发生波浪增水，导致潮位抬升；同时，在台风风暴潮作用下潮位显著抬升，水深增大，波浪能量大幅度增强。以大湾区某海堤为例，当设计潮位为2.8 m、设计波高为0.4 m时，海堤迎水面动压力峰值为6.0 kPa；当设计潮位和设计波高分别增加0.2 m时，海堤迎水面动压力峰值分别提高为7.5 kPa和7.7 kPa，较提高前增加25%和28%；当设计潮位和设计波高同时增加0.2 m时，海堤迎水面动压力峰值提高为9.8 kPa，较提高前增加63%。而传统海堤仅依靠单一堤身进行挡潮消浪，防灾减灾韧性不足，假如滨海城市核心区在风暴潮或“风、雨、潮三碰头”的极端情况下溃堤，失去唯一防潮屏障的核心区将遭受巨大损失。

2.“浪潮分离”理念的概念及其海堤设计的新内涵

针对传统浪潮一体化海堤设计局限性，迫切需要转变海堤建设思路。现实情况下，潮位难以降低，而波高可通过消浪措施进行消减，从而剥离浪潮非线性叠加作用，减小浪潮对海堤的破坏力。因此，提出横向分离式的“浪潮分离”海堤设计新理念。

（1）理念定义

横向分离式的“浪潮分离”理念，即在垂向空间上利用堤身“挡高水”，而在横向空间上通过堤前和堤身消浪措施“消高浪”。“消高浪”在空间上包括堤前浅滩及堤身两部分，堤前浅滩因地制宜营造潜堤、红树林等措施消减极端风浪，堤身通过多级平台、混凝土块石等结构消减波浪爬高；“挡高水”在垂向空间上通过抬高堤顶高程拦挡风暴潮期间高水位（见图1）。该模式下，其堤顶高程为新标准下的设计潮位、安全加高及通过堤前、堤身措施“消高浪”后的剩余波浪爬高三者之和。

图1 “浪潮分离”式海堤原理示意图

（2）主要特点

“浪潮分离”理念有两大主要特点：一是空间层次转变，将原来的线状单一堤身防护体系转变为向海、陆延伸的带状多层次防护体系，拓展了海堤横向挡潮消浪空间，提高了海堤防灾韧性；二是功能综合提升，将传统工程型防护转变为新型生态型防护，强调安全性和景观生态性的平衡，防护空间的拓宽可为景观、生态、游憩等功能提供基础条件，从而在防灾减灾功能基础上提升生态、经济和社会效益。

三、基于“浪潮分离”的大湾区海堤高标准建设技术体系

基于“浪潮分离”的海堤设计新理念，以安全、景观、生态、游憩等功能协同提升为目标，创建了“三重防护—模块组合—系统优化”的海堤设计新方法，实现海堤多元功能综合提升。

1.三重防护

为有效应对台风期间风暴潮增水及越浪，基于现有滨海岸线构建“堤前生态消浪—堤身挡潮消浪—堤后蓄水快排”的海堤设计三重防护体系（如图2和表1所示）。第一重防护为堤前生态消浪，根据堤前滩地冲淤、潮汐、波浪等因素，利用堤前浅滩布置生态鱼礁、红树林、盐沼湿地等消浪生态措施消波耗能，减缓水层底部流速，促进悬沙落淤，降低床面侵蚀；第二重防护为堤身挡潮消浪，以挡潮和消减波浪爬高为主要功能，根据堤段所处位置的重要程度、地形地质条件、筑堤材料、水动力特性、施工条件，并结合用地条件、生态环境、工程投资等要求，综合比较确定堤型、材料和堤身防护；第三重防护为堤后蓄水快排，在堤后设置排导和蓄滞设施，对越过堤防的海水尽快导排或加以蓄积。三重防护功能各有侧重，在水平空间上互相补充，形成复合防护体系，显著提高海堤防御能力。

表1 三重防护技术体系

图2 海堤设计三重防护体系

2.模块组合

系统梳理了三重防护体系的成套模块技术，结合现场观测及模型试验明确了不同技术模块的适用条件，如表2所示。在模块选择中，需充分考虑当地现状、生态禀赋、浪潮动力等自然条件，深入分析问题与需求，依托三重防护体系中各类技术的适用条件及消浪效能，因地制宜、择优组合，从而形成海堤整体设计方案。基于不同岸线类型、不同用地空间及不同功能需求，提出了两种典型的“浪潮分离”海堤设计模式。

表2 三重防护体系不同技术模块适用条件

（1）向海拓展：堤前生态消浪+堤身防潮消浪模式

该防护模式适用于堤前浅滩较宽岸线，通过浅滩种植生态植物或布置生态鱼礁进行消浪，堤身采用多级堤，堤后建设湿地公园，该组合模式较多被新建城区采用。以广州南沙大角山公园为例，现状旧堤为刚性混凝土结构，防潮标准约20年一遇，不满足规划200年一遇防潮标准要求。不同于传统加高培厚堤防的做法，“浪潮分离”理念下需充分考虑堤前、堤身空间的消浪潜能，通过营造50 m宽红树林消浪带且将堤身设计为多级平台结构，可将波浪爬高降低至0～0.3 m，较传统“浪潮一体化”模式设计堤顶高程降低2.0～2.5 m。

（2）向陆拓展：旧堤消浪+后方道路/公园消浪挡潮模式

对于大湾区大多数滨海城市岸线，现状已建堤防的防潮标准普遍偏低，堤前及堤后用地空间受限，需充分利用现状堤防及后方道路、公园构建多重防潮体系。其中，现状旧堤主要功能为消浪，后方则通过对道路路沿、花坛进行加高或对公园微地形进行改造，达到挡潮目的。以珠海情侣路为例，现状防潮标准仅为50年一遇~100年一遇，规划为200年一遇，“浪潮分离”理念下对现状海堤进行提标加固（见图3）：一是对原海堤迎水面消浪设施、护坡结构加固，使其承担主要的消减波浪爬高功能；二是对防浪墙、路沿石或绿化带加高改造，沿线缺口设置活动式挡水设施，形成防潮封闭线，满足200年一遇高潮位设防要求，保护陆域重要设施及人民生命财产安全。

图3 珠海情侣路“浪潮分离”式海堤

3.系统优化

大湾区城市滨海岸带用地紧张，堤前红树林种植、堤身多级平台建设等海堤生态空间有限，精细化布局是实现有限空间内海堤多元功能综合提升的关键。然而，由于“横向多级”生态海堤与传统海堤在建筑材料、结构形态、空间布局等方面存在显著差异，传统海堤设计规程规范难以有效指导滨海岸带生态海堤工程建设优化布局。三维波浪数值模型或物理模型是实现精细化布局的有效手段，其能够动态捕捉植物、生态多孔礁体、多级阶梯等复杂结构表面的薄层水体流动，充分反映植物、硬质工程等与波浪的相互作用关系，精细化模拟空间尺度上波浪在远海—近岸—堤身的传输衰减过程。通过分析堤前生态消浪—堤身挡潮消浪情况，整体评估生态海堤工程布局的挡潮消浪效果，科学指导生态海堤布局优化，可提高系统优化的准确性、适用性和时效性，确保横向空间各维度分散工程生态减灾效能的联动累加效应最优。

四、“浪潮分离”理念下的大湾区海堤建设应用实践

以珠海市乾务赤坎大联围平沙东堤为例。此海堤位于鸡啼门口门西岸，现状防潮标准约50年一遇，不满足规划100年一遇防潮标准要求，在超强台风2017年“天鸽”和2018年“山竹”袭击珠海期间，水位高出堤顶0.2～0.6 m，造成较大损失，因此迫切需要对海堤进行提标加固。通过分析堤前堤后空间条件、岸线类型、功能需求等，采用“浪潮分离”的设计理念，运用“三重防护—模块组合—系统优化”的设计新方法，构建了“堤前淤泥质浅滩红树林+复合式堤身断面+堤后道路生态缓冲空间”的海堤综合防护体系。平沙东堤堤前为淤泥质浅滩，具备红树林修复的条件，因此堤前可布设约100～120 m宽的红树林，且红树林区内潮沟宽约10～20 m；堤身迎水坡采用水平4.8 m宽的栅栏板护坡消浪，接着采用8.9 m宽的两种组合生态框（平铺式、箱式）丰富生态景观且兼具消浪功能，堤顶设置防浪墙，背水坡采用草皮护坡；堤后设置景观绿化带进行绿化，并设置人行步道、景观小品等休憩设施，近背水坡堤脚侧设置排水沟，形成堤后的生态缓冲空间。通过第一道红树林防线和第二道堤身防线，可将100年一遇的波浪爬高从1.9 m消减为0～0.2 m，新的设计潮位下海堤堤顶高程为4.53～4.62 m，较传统方法设计堤顶高程降低1.7～1.9 m，节约经济投资3400万元，经济效益、景观生态效果均显著提升。

五、结论与展望

本文在系统分析大湾区海堤面临的主要问题及新形势的基础上，提出了基于“浪潮分离”的大湾区海堤高标准建设理念与技术体系，并以珠海市乾务赤坎大联围平沙东堤为例，对“浪潮分离”理念的应用效果进行简要分析。该技术可在堤防加高受限背景下提高海堤防灾减灾功能，且满足生态、景观、游憩等多元需求，生态效益、经济效益和社会效益显著。在平面上，将传统单一堤身防护转变为“堤前—堤身—堤后”多重防护，增强了防御韧性，同时实现水域岸线空间最大化利用，为植物生长、生物附着创造适宜条件；在垂向上，通过“三重防护—模块组合—系统优化”设计，实现浪潮分离、逐级消浪，降低波浪对海堤的破坏力，同时通过降低波浪爬高减少堤顶高程抬高幅度，实现海堤多元功能综合提升。

生态海堤作为一个跨学科合作的新生事物，目前仍处于积极探索阶段，在监测、规划、设计、施工、评估等各环节仍存在许多可以改进之处。针对大湾区生态海堤发展现状及未来需求，可以从以下方面进行研究完善：①依据国内外生态海堤规程规范，结合大湾区海岸带水文水动力特征及自然禀赋条件，构建适用于大湾区生态海堤高标准建设的技术标准体系，包含规划设计标准、建设施工标准、验收评估标准等，以实现对生态海堤建设的科学指导；②加强新型海岸防护工程消浪关键技术研发，结合物理实验和现场观测，识别堤前、堤身消浪技术关键参数，研究不同波浪条件下消浪效果最优的参数组合模式，优化堤体结构形式，提高防浪吸能能力；③研发新型生态防波组件产品，分析生态海堤新材料、新结构对生态系统的改善和提高作用，挖掘新型组件在生态修复工程中的消浪弱流、生态保育、减污降碳能力。