一种基于红树林种群空间配置的海堤堤前冲刷抑制方法与流程

1.本发明属于海岸工程领域，特别是涉及一种基于红树林种群空间配置的海堤堤前冲刷抑制方法。


背景技术：

2.传统的海堤堤前冲刷防护通常采用在堤脚铺设混凝土防护块体、排体等措施，以固定海底泥沙，提高其抵抗冲刷的能力，降低海堤堤前冲刷风险。以上的防护技术多为使用混凝土硬质结构的“硬防护”，工程造价较高，且不利于围垦后受损潮间带生态系统的恢复。近年来，“软防护”理念和技术开始推广应用，例如柔性软体排、沙龙、人工沙坝等，但这些工艺一般适用于沙质海岸。我国华南地区广布淤泥潮滩，不适用于上述软防护冲刷抑制工艺，但亚热带气候环境适宜红树林生长。
3.红树林被誉为“海岸卫士”，具有消浪、缓流、促淤、固土、提高潮间带滩面稳定性的生态功能，因此具有极强的海岸防护效果。因此，红树林在海堤堤前冲刷抑制方面具有良好的应用前景。潮间带无植被的裸滩种植红树林后，植物的凋落物和腐殖质可以增加土壤有机质含量，即为植被的“固碳作用”，这一过程可实现对土壤底质的改良，增加土体黏性。因此，采用植被进行冲刷抑制的“软防护”工程相较于硬防护工程具有防护效果好、工程造价低，兼具生态效益等优点，是践行生态文明、“双碳”政策的时代背景下的优选方案。
4.目前尚无系统性的方法可以对这种“软防护”技术的冲刷抑制效果进行评估，防护效果无法提前预判，一定程度上不利于该冲刷抑制技术的推广应用。目前已有在海堤向海一侧种植红树林，恢复因围垦造成的生态系统受损的实践，这些技术大多通过研发、改良种植技术以提高种植的成活率，但未能综合评估其冲刷抑制功能。目前涉及红树林消浪和促淤等功能的研究属于海岸动力、泥沙运动等领域，这些研究大多聚焦植物的地上部分(呼吸根、支柱根和茎等)对水流的作用，通过植被自身的糙率加大潮间带底床摩阻，抑制冲刷，促进堤前泥沙淤积，但忽略了植物地下部分(根)的固土和改良土壤的能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于红树林种群空间配置的海堤堤前冲刷抑制方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于红树林种群空间配置的海堤堤前冲刷抑制方法，包括：
7.获取海堤堤前的生态环境数据，基于所述生态环境数据，得到红树林数据，其中所述红树林数据包括：红树林物种、适宜生境和幼苗成活率；
8.获取不同红树林物种生长处的土壤底质样品，对所述土壤底质样品进行测量，得到碳汇速率；
9.获取不同红树林物种生长处的土壤柱状样品，对所述土壤柱状样品冲刷速率进行测量，得到固土效果值；
10.基于所述碳汇速率、所述固土效果值及所述幼苗成活率，对堤前红树林植被带进行红树林物种空间配置，得到红树林先锋带的空间配置方案；对所述空间配置方案冲刷速率进行量化，得到冲刷抑制系数；
11.基于所述碳汇速率、所述固土效果值和所述冲刷抑制系数，得到所述空间配置方案的综合得分，基于所述综合得分，评估海堤堤前冲刷抑制效果。
12.优选地，所述生态环境数据包括水文、泥沙、植被环境、波浪、潮流、泥沙底质和裸滩底床高程。
13.优选地，得到碳汇速率的过程包括：
14.通过室内实验，对所述土壤底质样品进行测量，得到测量指标；基于测量指标，得到碳汇速率。
15.优选地，所述测量指标包括：土壤密度、含水量、土壤粒度、土壤有机质含量和酸碱值。
16.优选地，得到固土效果值的过程包括：
17.通过水槽实验，对所述土壤柱状样品进行测量，得到土壤冲刷速率，基于所述土壤冲刷速率，计算得到固土效果值。
18.优选地，所述空间配置方案包括：随机性配置方案、对齐型配置方案和错落型配置方案。
19.优选地，得到冲刷抑制系数的过程包括：
20.通过物理模型试验，对所述空间配置方案进行量化，得到堤前冲刷程度和冲刷抑制效果值，基于所述堤前冲刷程度和所述冲刷抑制效果值，得到冲刷抑制系数。
21.优选地，得到所述空间配置方案的综合得分的过程包括：
22.获取红树林物种的面积占比，基于所述碳汇速率和所述面积占比，计算得到碳汇功能基础得分；
23.基于所述面积占比、所述固土效果值和所述冲刷抑制系数，计算得到固土功能基础得分；
24.分别获取碳汇功能权重配比和固土功能权重配比，基于所述碳汇功能基础得分和固土功能基础得分，得到所述空间配置方案的综合得分。
25.本发明的技术效果为：
26.本发明通过获取海堤堤前的生态环境数据，得到红树林数据，其中红树林数据包括：红树林物种、适宜生境和幼苗成活率；通过对土壤底质样品进行测量，得到碳汇速率；通过对土壤柱状样品进行测量，得到固土效果值；通过幼苗成活率，对红树林物种进行空间配置，得到红树林先锋带的空间配置方案；通过对空间配置方案抗冲刷效应进行量化，得到冲刷抑制系数；通过碳汇速率、固土效果值和冲刷抑制系数，得到空间配置方案的综合得分，通过综合得分，评估海堤堤前冲刷抑制效果。
27.本发明专利综合运用海岸动力学、生态学和土力学试验方法与技术，可评估不同红树林物种的固土消浪减蚀效果，并综合量化不同红树林空间配置方案的固土和固碳能力，对海堤防护建设工程提供支撑，有助于达到见效快、低成本、生态效益好的堤前冲刷抑制效果。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
29.图1为本发明实施例中的不同阶段堤前冲刷抑制技术剖面示意图；
30.图2为本发明实施例中的红树林多物种空间配置试验段植被配置格局方案示意图，(a)为随机型，(b)为对齐型，(c)为错落型；
31.图3为本发明实施例中的物理模型试验俯视图；
32.图4为本发明实施例中的海堤堤前冲刷抑制方法流程图；
33.其中1-海堤；2-堤前裸滩；3-浪高仪和流速仪；4-淤积后抬升滩面；5-先锋带红树林；6-中高潮滩红树林；7-堤前抛石带；8-物理模型边界；9-推板式造波机；10-红树林多物种空间配置试验段。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
36.实施例一
37.如图4所示，本实施例中提供一种基于红树林种群空间配置的海堤堤前冲刷抑制方法，包括：
38.获取海堤堤前的生态环境数据，基于所述生态环境数据，得到红树林数据，其中所述红树林数据包括：红树林物种、适宜生境和幼苗成活率；
39.获取不同红树林物种生长处的土壤底质样品，对所述土壤底质样品进行测量，得到碳汇速率；
40.获取不同红树林物种生长处的土壤柱状样品，对所述土壤柱状样品的冲刷速率进行测量，得到固土效果值；
41.基于所述碳汇速率、所述固土效果值及所述幼苗成活率，对堤前红树林植被带进行红树林物种空间配置，得到红树林先锋带的空间配置方案；对所述空间配置方案的冲刷抑制效果进行量化，得到冲刷抑制系数；
42.基于所述碳汇速率、所述固土效果值和所述冲刷抑制系数，得到所述空间配置方案的综合得分，基于所述综合得分，评估海堤堤前冲刷抑制效果。
43.本实施例中，实施背景为：广州市某海堤前向海一侧为主航道，货轮行驶产生船行波造成堤前岸坡冲刷，整治目的为在海堤向海侧潮间带种植红树林，通过多种红树林空间配置实现堤前冲刷抑制，并具有较高碳汇效应。如图1所示：
44.步骤1：拟整治区域海岸地区的水文、泥沙、植被环境现场调研和资料收集，明确该区域堤前冲刷范围和当地适宜的红树林物种。通过收集资料或现场观测，获取波浪、潮流、泥沙底质，裸滩底床高程等资料。明晰当地红树林的物种、适宜生境和幼苗成活率，为后续红树林空间配置的组合提供可选的物种库。
45.步骤2：林下土壤取样及理化性质室内实验。采集红树林物种以及裸滩(作为对照)处的土壤底质样品，测量指标包括土壤密度、含水量、土壤粒度检测、土壤有机质含量、ph值等，评估各红树林物种的单位面积碳汇速率c(见公式1)。
46.步骤3：林下土壤抗冲刷性能水槽实验。采集各树种林下土壤柱状样品，通过水槽试验，测量常态和极端波流条件下的土壤冲刷速率(单位时间冲刷质量占比e，见公式2)，评估红树林物种抑制土壤冲刷的单位面积固土效果g＝1-e，进行冲刷抑制的主力红树林物种论证和选取。
47.步骤4：红树林种群空间配置初步设计。结合步骤2中的碳汇速率、步骤3中的固土效果、成活率、采购及移植价格等，将步骤3中最终选定的红树林物种布置于堤前向海侧，构成先锋植被带和中高潮滩植被带(如图1所示)，令其起到固土效果，采用随机型、错落型、条带型等原则将其布置于光滩区、堤前区，形成红树林先锋带空间配置方案(如图2所示)。
48.步骤5：开展整体物理模型试验，评估红树林空间配置的堤前冲刷抑制效果。将步骤4中所初步设计的红树林空间配置方案，按模型缩尺理论布置于波流水池中(如图3所示)，按物理模型相似理论选取合适的模型沙和模型树种。模型沙的选取参数由步骤3中确定，模型沙应与实际潮滩底质起动相似、沉降相似、单位时间冲刷速率相似。在实验中根据模型相似理论进行造波和造流，测量无红树林、单一红树林物种、红树林多物种空间配置后的堤前冲刷程度，量化各种配置方案的单位面积冲刷抑制效果，测量各种配置格局冲刷抑制系数p(见公式2)。
49.步骤6：树种群落空间配置优化调整。综合水槽实验、整体试验评估对固土效应的评估，以及步骤2中对红树林物种碳汇效果评估，确定红树林空间配置方案的固土和碳汇综合得分，计算公式：
[0050][0051][0052]
w＝αpc+βpgꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0053]
式中pc为当前方案碳汇功能基础得分，n为选取的红树林物种个数，a为某物种面积占比，c为单位面积碳汇能效；pg为当前方案固土功能基础得分，g为单位面积固土效果，p为配置格局冲刷抑制系数；w为综合得分，α，β分别为碳汇和固土功能权重。该权重赋值由专家根据拟整治区存在问题和环境因子确定。比较各方案得分w，确定最优方案为w值最大者。
[0054]
本实施例有益效果：
[0055]
本实施例通过在海堤堤前人工种植红树林，利用多个红树林物种进行空间配置格局形成堤前先锋植被带，利用植被根系的直接固土作用和间接土壤改良固碳作用，减缓或抑制堤前冲刷，实现堤前岸滩稳定。首先，本实施例相较于之前的红树林修复等生态涵养技术，能通过波流水槽实验和整体物理模型试验，有针对性地评估植被的冲刷抑制效果。另外，本发明能在确保植被带的冲刷抑制效果的基础上，通过理化性质室内实验评估了红树林物种的碳汇功能。
[0056]
本实施例专利综合运用海岸动力学、生态学和土力学试验方法与技术，可评估不同红树林物种的固土消浪减蚀效果，并综合量化不同红树林空间配置方案的固土和固碳能力，对海堤防护建设工程提供支撑，有助于达到见效快、低成本、生态效益好的堤前冲刷抑
制效果。
[0057]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。