人工填沙护滩是目前在海岸防护中应用非常广泛的“ 软” 工程方法, 被认为是抵御砂质海岸侵蚀的最佳措施, 向海滩抛沙养护已经成为发达国家常规海岸防护措施的重要组成部分^{[29, 30]}, 美国在20世纪90年代海滩养护工程规模甚至占海岸防护工程总规模的80%^[19]。我国近20年来也开展了人工抛沙养滩工程, 据调查已经有几十处受侵蚀岸段进行了养滩工程, 积累了工程经验, 取得了较好的工程效果, 促进了滨海旅游业发展, 但总体规模仍然较小^{[4, 31]}。

填沙护滩通过堆建沙丘、拓宽沙滩, 保护和减缓滩面受风浪、风暴潮等的侵蚀强度, 优质沙滩的形成还可以提供旅游休闲功能。人工养滩工程可以从海中或陆上采集沙料, 沿海岸填造沙堤（sand berm）, 沙丘（sand dune）, 补给沙滩（feeder beach）等结构, 传统的抛沙养滩工程需要长期、周期性地补充冲刷带走的泥沙, 在侵蚀严重的岸段还需要辅以丁坝或离岸堤等防护设施（图2）^{[19, 32]}。尽管填沙护滩相对于刚性工程对环境和生态的破坏大大降低, 但是经常性的人工抛沙还是会造成生物栖息地的破坏。在对局部水动力作用的深入了解基础上, 通过精确的设计, 借助自然潮汐、波浪、风场的作用将补充的沙料输运到岸滩上, 将能够有效降低补沙成本和降低生态影响, 这种设计理念已经在荷兰自然建筑项目（Building with Nature programme）中得到体现^{[33, 34]}。

图2

Fig.2

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	图2 沙质海岸防护的传统工程和生态工程设计(根据参考文献[11]修改) Fig.2 Conventional and ecological engineering design for sandy shore protection (modified after reference [11])

防护林体系是我国沿海地区的重要生态屏障, 其抵御灾害和防风固沙功能已经在实践中充分体现。我国已经制定了《全国沿海防护林体系建设工程规划（2006— 2015年）》, 设计和造林水平不断提高, 形成了消浪林带、海岸基干林带、内陆纵深防护林带组成的多层次的建设结构^[35]。截至2011年, 海岸基干林带总长度达到1.7× 10⁴km, 沿海地区累计造林4.19× 10⁶hm², 森林覆盖率达到35.6%。目前的沿海人工林建设集中在最高潮位以上, 宜林的沙质海岸, 主要由北方黑松和南方木麻黄组成的海岸基干林带, 树种单一、结构简单, 导致总体防护作用不高。特别是对潮间带的生态防护重视不足, 并且与工程海岸防护措施缺乏结合, 限制了防护林功能的充分发挥。近年来旅游业、房地产开发、海产养殖等占用沿海土地, 也造成沿海防护林的破坏和功能降低, 影响了海防林对灾害的防御功能。

在过去几十年里, 在沿海经济发展的驱动下, 我国大部分滨海湿地已经丧失, 现存的湿地也已经严重退化, 导致我国海岸带风暴潮和海岸侵蚀灾害风险急剧上升^{[3, 6, 20, 36]}。自然滨海湿地是防御风暴潮的关键屏障, 湿地植物淤积泥沙的能力, 使其能够防止海岸侵蚀和地面沉降, 有效适应海平面上升造成的灾害风险（表1）^{[12, 37, 38]}。最近的实验研究表明, 盐沼湿地可以大幅降低风暴潮影响, 即使在极端高水位和大浪状况下, 植被仍然保持稳定, 可以有效抵御地表侵蚀^[39]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 海岸生态系统各植被类型的泥沙蓄积和地面上升速度(根据参考文献[12]修改) Table 1 Sediment accretion and elevation rates in vegetated coastal ecosystems (modified after reference [12]) 植被 类型 泥沙蓄积速度 (mm/a) 地面上升速度(mm/a) 范围 平均 中位数 标准差 样本数 范围 平均 中位数 标准差 样本数 盐生湿地 0.39~61.1 6.73 5.5 0.7 98 -6.92~25 3.76 2.01 1.33 22 红树林 0.34~20.8 5.47 4.5 0.38 123 -9.5~11.3 1.87 1.4 0.53 58 海草床 0.61~6 2.02 1.48 0.44 12 -5.2~10.2 -0.08 -5.17 5.14 3

表1 海岸生态系统各植被类型的泥沙蓄积和地面上升速度(根据参考文献[12]修改) Table 1 Sediment accretion and elevation rates in vegetated coastal ecosystems (modified after reference [12])

恢复盐沼湿地应该成为海岸防护策略的关键措施。国际上已经开展了通过湿地恢复保护海岸的大规模工程, 例如从2006年起, 比利时斯凯尔特（Scheldt）河口4 000 hm²的围垦土地被恢复成盐沼湿地和漫滩, 总工程成本为6亿欧元, 与此相比, 工程未来可以减少10亿欧元因洪涝灾害造成的风险损失, 此外还能带来巨大的生态收益。英国也开展了“ 海岸控制重整（managed coastal realignment）” 将河口围填土地恢复成湿地以增强海岸防护。美国旧金山湾区和密西西比三角洲多年来一直在持续进行湿地恢复工作, 以此保护旧金山和新奥尔良等大城市对风暴潮灾害的防御能力^[11]。

目前我国已经开始在黄河三角洲等地试点开展湿地恢复工程^{[40, 41]}, 但基于海岸防护目的的湿地恢复工程较少。在湿地恢复工程中, 通常是从污染治理角度出发进行设计^[42], 由于对近岸水动力和泥沙沉积输运海岸防护设计因素考虑不足, 导致工程效果不佳。此外, 盐生植物在我国已经用于海岸防护实践, 作为工程海堤的护坡植被。20世纪60年代从国外引进了互花米草（Spartinaalterniflora）和大米草（Spartinaanglica）作为海堤护岸植被, 目前已经遍布我国南北海滩。研究和工程实践表明其有显著的消浪护岸、促淤造陆功能, 并能改变周边滩涂的生态环境。然而大米草极强的抗逆性使其成为迅速泛滥成为入侵物种, 严重破坏自然湿地生态, 其强烈的促淤效果也在部分区域造成了潮沟、航道淤塞等问题^[4]。上海市构建了乔木（池杉、杂交柳和落羽杉）与草本植物（芦苇— 海三棱藨草）相结合的植物护滩模式, 然而随着海堤向海延伸, 滩地缩窄, 堤前水深增加, 护滩植物种植难度增大^[43]。由于没有从生态工程角度有效设计, 限制了植被的海岸防护和生态恢复功能发挥。滨海湿地生态防护工程设计, 需要充分考虑当地水文水动力和高程条件, 包括防洪堤、碎波半岛、预留潮汐通道等必要的防护工程, 遵循生态规律, 通过为野生生物创造多样化的生境, 促进潮间带滩涂自然演变 ( 图3) 。

图3

Fig.3

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	图3 泥质海岸防护的传统工程和生态工程设计(根据参考文献[11]修改)Fig.3 Conventional and ecological engineering design for shore protection (modified after reference [11])

热带和亚热带海岸带的红树林生态系统可能是抵御海岸带灾害最为有效的生态屏障, 例如在2004年印度洋海啸中红树林曾经保护许多海岸社区免遭破坏^[12]。然而围海造田、围塘养殖、工程建设等已经造成我国红树林面积锐减和生态退化。自20世纪90年代以来红树林面积有所恢复, 但是造林成活率低, 恢复效果不理想^[44]。基于红树林生态系统的海岸防护研究正在日益受到重视, 现场观测和实验模拟的结果显示, 红树林可以有效抵抗强台风, 能够大幅消除波浪带来的不利影响, 可以有效促淤造地^[12]。我国南方已经将红树林作为沿海防护林体系的一部分, 并在海堤临海测种植红树林起到护坡保滩效果。在越南、泰国、印尼、印度等国家, 红树林恢复和重建也已被作为海岸防护的重要措施^[45]。越南1998— 2002年重建红树林植被的成本仅为110万美元, 就减少了730万美元的海岸工程建设成本^[12]。同时红树林还可以起到固碳、减少污染和提高生物多样性的环境和生态效益。在红树林恢复有一定技术难度, 造林需要有合适的气候、底质、水文条件, 合适的造林树种和栽培方法, 以及完善的植后管护及监测, 因此需要长期持续的研究和技术开发不断改进造林方法, 提高造林成活率^[46]。

在自然生态系统中, 水下珊瑚礁提供了海岸带的第一道防御系统。文献分析结果表明, 完整的珊瑚礁对波浪能量的削减能力平均达到97%以上, 单是礁顶可以耗散86%的波能, 可以有效地抵抗台风灾害（图4）。自然珊瑚礁生态系统正在为全球海岸带1亿以上人口提供了防灾减灾收益^[47]。受工程和旅游开发、海水污染、破坏性开采等人为活动, 以及气候变化导致的海平面上升、海温变化和海洋酸化影响, 全球范围内珊瑚礁衰退非常快, 面积不断下降, 生物多样性在减少^[48]。对珊瑚礁的生态修复研究正在得到广泛重视, 开发了珊瑚移植、人工鱼礁、底质固定、幼体附着等修复技术^[49]。珊瑚礁修复的成本为20 ~155 000＄/ m, 中位数成本为1 290 ＄/ m, 相对于离岸堤（中位数成本19 791＄/ m）等传统工程防护措施更为经济合算^[47]。同时还可以带来巨大的环境和生态收益。我国目前珊瑚礁生态修复研究相对缺乏, 仍处在起步阶段, 主要通过扩大保护区面积防止进一步衰退; 对珊瑚礁的海岸防护功能还缺乏认识, 亟需开展系统研究^[49]。

图4

Fig.4

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	图4 珊瑚礁消波能力(根据参考文献[47]修改)Fig.4 Wave attenuation capability of coral reef (modified after reference [47])

浅海和河口水域的海草床生态系统是重要的滨海水生生态系统, 在我国温带和亚热带海岸带均有分布^{[50, 51, 52]}。世界范围内海草床生态系统的生物多样性和生态功能正在退化。海草床生态系统的海岸保护能力受水动力、立地条件、生长状况等条件共同作用。在浅水和波浪较弱的地区, 海草能降低波浪和水流的能量 , 部分起到保护海岸的功能。其消波和促淤功能相比红树林和大米草等湿地植物较弱^[51]。海草床修复成本较高(100 000 ＄/hm²), 已经采取的修复措施收效不明显^[52]。

尽管很早就认识到沙滩、盐沼湿地、红树林、珊瑚礁等自然生态系统具有海岸防护功能, 但仅仅是近年来才开始基于生态工程的理念, 根据海岸防护的需求, 设计不同类型的生态海岸防护体系。基于生态工程的海岸防护体系的建设必须要根据不同海岸类型, 以及所在区域的生境条件和植被特点, 以及水动力和冲淤状况进行有效设计。例如在沿海大城市附近的沙质海岸, 需要结合刚性工程防护设施和生态工程建设, 建设离岸堤防御气候变化的灾害效应, 沿海岸填造沙堤和沙丘保护滩面应对海平面上升, 同时在潮上带种植防护林保护城市和工农业设施, 共同形成“ 离岸堤— 沙滩— 人工林” 防护体系（图2）。在泥质海岸, 可以离岸建立人工鱼礁, 在海堤迎海侧建设植物护坡等具有生物恢复功能的工程结构。在滩涂较广, 城市建成区距海较远的情况下, 应该积极恢复滨海湿地（图3）, 形成“ 人工鱼礁— 盐沼湿地” 的立体生态防护体系^[11]。而在南方泥质和生物海岸, 自然的“ 珊瑚礁— 红树林” 生态体系的恢复则是海岸防护的最有效措施^[12]。需要强调的是, 生态海岸防护体系并不完全排斥传统的海堤、丁坝等工程技术, 而是通过生态和工程措施的有效组合, 提高海岸防护体系的可持续性和生态效益。

生态工程理念强调生态过程和人为作用之间的良性互动及其产生的增效作用。通过有针对性的工程规划和设计, 充分利用不同生态种群间的相互作用, 可以达到社会和生态效益倍增（图5）^[13]。研究结果和实践经验已经证明, 沙滩、泥潭、盐沼、红树林、珊瑚礁、鱼礁、海草等自然生态系统具有消浪、缓流、增淤、固沙等功能, 可以有效地抵御海平面上升和极端气候导致的风暴潮和海岸侵蚀灾害。同时海岸生态系统的恢复, 还可以起到固碳、污染治理、提供鱼类产卵场、鸟类与野生动物栖息地等重要生态效益。长期来看, 海岸带生态恢复项目相比传统海岸防护工程更可持续, 也更为经济合算。对斯凯尔特河口湿地生态恢复工程的成本效益分析表明其效益大大超过传统海岸工程, 20年内就可以收回投资成本^[11]。

图5

Fig.5

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	图5 基于生态工程理念的海岸带适应性防护策略(根据参考文献[13]修改)Fig.5 Adaptive coastal defense strategy based on concept of ecological engineering (modified after reference [13])

尽管具有显著优点, 但是生态海岸防护技术并不能适用于所有区域, 也不能完全代替传统海岸防护工程。目前限制生态海岸防护工程发展的因素包括空间需求、技术难度、社会接受程度等（表2）。沿海湿地恢复需要占用较大土地面积, 保持城市与海面之间的较长的距离才能起到海岸防护作用, 因此在人口密集、土地昂贵的大城市周边的应用有一定困难。生态海岸工程的设计和建设具有相当大的难度, 必须要对工程周边海域的水动力和泥沙输运过程有准确认识, 对生物种群的生长习性和立地条件有清晰了解。例如已有研究表明在潮汐淹没频繁条件下盐沼植被和红树林生长会受到严重限制, 因此在湿地恢复中应该选择地面相对较高淹没不频繁的场地。如果不具备这样的场地, 可以通过建设堤堰和水闸控制淹没频率, 或者通过堆填疏浚泥提高地面高度^[53]。其他条件包括土壤肥力和保水能力、风浪条件、生物因素等也会影响湿地恢复效果。生物种群的选择也是需要考虑的关键因素, 生态防护应该尽量选用本地种群, 避免造成生态破坏, 在这方面互花米草和大米草的泛滥已经给过我们教训。目前对生态工程的海岸防护效果的研究仍然不足, 难以像传统海岸工程一样准确评判工程的防护能力, 这也制约了生态工程的广泛应用。未来需要大量开展研究, 准确量化生态海岸工程可以达到的防护标准。和传统工程防护设施一样, 生态工程措施并不能保证达到预期设计目的。由于生态系统的季节和年季生长变化, 其海岸防护效果也存在变化。公众的态度和接受程度也是一个需要关注的问题。生态工程的大规模应用, 必须符合政府部门相关规划, 得到公众支持, 特别是沿海居民、渔业、航运等利益相关方的支持^[11]。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 传统工程和生态工程海岸防护技术的效果与限制比较 (根据参考文献[11]修改) Table 2 Potential and limitations of conventional compared with ecosystem-based coastal defense (modified after reference [11]) 受影响变量 传统海岸工程 生态海岸工程 自然栖息地 破坏或退化 保护或恢复 泥沙沉积 停止或扰动（筑堤、筑坝等）, 加剧海岸侵蚀 保持 地面沉降 恶化（湿地围填、土壤排水、地下水和油气开采） 因泥沙沉降而减轻 风暴潮 河口三角洲湿地围填减少蓄水和能量耗散, 导致风暴潮灾害上升 湿地恢复增强风暴潮灾害抵御能力 长期可持续性 长期固定维护费用高 生态系统可以自我维持 成本-效益 中到高 设计和建设复杂, 附加效益高 水质功能 堤坝建设可能导致水体交换能力下降, 污染物积累和富营养化 湿地可以净化污水, 改善水质 碳储存功能 无 红树林和沼泽是重要的碳库 渔业和养殖 栖息地破坏导致渔业和养殖资源衰退 湿地和渔礁改善渔业种群栖息地 休闲功能 人工景观 自然景观 空间需求 中等 用地量大, 在土地成本高的城市区域不适用 工程施工难度 中等 要求很高, 需对本地自然状况和生态过程有深入了解 现有实施经验 大量成功经验和失败教训 较少, 仍需要深入研究 社会接受程度 广泛接受 仅在少数发达地区被接受 防护效果 工程设计标准 缺乏评判标准 适应区域 适应多数海岸类型 需要根据不同海岸类型针对性设计 健康风险 无 湿地滞水可能导致蚊子等病菌载体生长

表2 传统工程和生态工程海岸防护技术的效果与限制比较 (根据参考文献[11]修改) Table 2 Potential and limitations of conventional compared with ecosystem-based coastal defense (modified after reference [11])

我国仍处在人口大规模向沿海迁移, 海洋经济大规模发展, 海岸工程高速建设时期。大规模高强度围填海已经改变了周边海岸带动力环境, 正在导致风暴潮、海岸侵蚀、地面沉降等灾害风险增加。加之气候变化导致海平面上升和极端气候加强, 更增加了海岸带灾害事件发生风险。而目前我国海岸防护标准偏低, 对灾害的适应能力不足, 因此我国海岸整体脆弱性仍在上升, 未来几十年内我国海岸出现重大灾害损失的可能性较大^[3]。

传统海岸防护工程由于其高建设成本、高维护需求、高生态负面效应, 将逐渐被有利于生态环境保护和改善的生态海岸防护技术取代。我国已经有一些探索和实践, 譬如沿海防护林体系建设、生态海堤建设、红树林生态恢复、人工湿地建设等, 取得了较好的生态和社会效益。然而我国的海岸防护体系仍然以刚性工程建设主导, 硬质海堤长度仍然不断增加, 海岸线仍不断受到破坏。部分区域的生态工程建设并没有改变我国海岸带生态恶化的整体趋势。目前海岸工程技术人员缺少生态方面的背景知识, 生态研究人员普遍缺乏海岸防护工程技术开发和应用经验, 制约了交叉学科研究和综合技术研究的开展。同时各地海岸防护相关职能分布在水利、海洋、林业、市政、旅游、环保等多个政府部门, 在实际工作中部门的管理制度、技术规范、发展规划之间有时相互冲突, 也制约了基于生态系统的综合海岸防护体系的建设。生态海岸防护技术的长足发展将取决于交叉学科的发展和部门之间的深入协作。真正提高我国海岸带应对海平面上升的防护和适应能力, 保护沿海社会和生态, 必须要将生态工程作为海岸防护体系的核心理念, 由单纯的防御性工程向生态与工程相结合的综合系统转变, 构建基于生态系统功能的海岸防护体系。