佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水土資源以及生態(tài)環(huán)境在一定程度上受到傳統(tǒng)河流治理工程的不利影響和破壞，主要體現(xiàn)為生態(tài)嚴(yán)重失衡、江河斷流、河流污染、自然河道被直線化或渠系化等[1-2]。針對自然環(huán)境受傳統(tǒng)治水的破壞問題，有學(xué)者開始深入反思以往的治水方法，強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)受傳統(tǒng)水利工程的脅迫，并提出近自然河流治理、環(huán)境修復(fù)和生態(tài)水工學(xué)的概念。如1980s末瑞士、德國等生態(tài)學(xué)者提出“自然型護岸”技術(shù)和全新的“親近自然河流”概念；1990s美國、英國、日本等國家相繼提出“土壤生物工程”護岸技術(shù)、“近自然”河道設(shè)計技術(shù)、“創(chuàng)設(shè)多自然河力計劃”等。目前，國外成功的河道整治措施有池塘修復(fù)、深淺灘重塑、人工濕地修建、緩沖帶恢復(fù)、水邊濕均沼澤地森林、河道邊坡降低、植被重建等。實踐表明，這些技術(shù)能夠明顯改善河流的水生態(tài)環(huán)境、有效促進水的良性循環(huán)以及提升水體自凈能力。

近年來，中國借鑒國外先進的河道整治技術(shù)及經(jīng)驗，強調(diào)城鎮(zhèn)景觀效應(yīng)和生態(tài)保護在城鎮(zhèn)河道整治中的作用。例如，浙江紹興大規(guī)模整治河道水系，以“流暢、景美、岸綠、水清”的現(xiàn)代水系為目標(biāo)，取得了極其顯著的成效；上海浦東區(qū)將“環(huán)?！崩砟顫B入管理、施工、設(shè)計的每個環(huán)節(jié)，因地制宜地實行“生態(tài)治水”工程，通過實施水邊栽植物、兩岸植樹木、生態(tài)型護岸、河坡種草木、水流多樣化等措施，為重塑江南水鄉(xiāng)風(fēng)光、修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)、建設(shè)水生態(tài)文明城市注入新的活力和生機；成都府南河將文化、生態(tài)、排水、綠化、交通、防洪等功能集于一體，在經(jīng)濟、社會、環(huán)保方面取得了明顯成效?？紤]到不同地區(qū)河流情況的差異性，雖然治理過程中形成了許多整治技術(shù)和修復(fù)措施，但在河流適用性上這些技術(shù)措施具有很大差別，并對治理成效產(chǎn)生一定影響。鑒于此，人們關(guān)注的重點問題逐漸轉(zhuǎn)向中小河流生態(tài)護岸的景觀特性和水力學(xué)特性，如土體的抗沖刷能力、河道紊流特性及流速分布、含植物的水流阻力問題等。

在大凌河河流護岸中，漿砌石護坡為河道原有岸坡類型，城市開發(fā)建設(shè)的加快使得河流水污染問題日趨突出，河流生態(tài)系統(tǒng)破壞對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。河流水系生態(tài)修復(fù)工程引入了復(fù)合生態(tài)磚結(jié)構(gòu)，該護坡結(jié)構(gòu)形式處于混凝土、砌石和植被護坡的中間狀態(tài)，可以兼具多種護岸的優(yōu)勢：①穩(wěn)定性好，相互擠壓交錯排列的雙孔混凝土結(jié)構(gòu)，在自重作用下形成抗水流沖刷能力較強的整體，較河道卵石或干砌塊石具有整體穩(wěn)定性特點，其中植物根系的錯節(jié)盤根為實現(xiàn)塊石穩(wěn)固和連接的主要途徑；②施工簡便，可以利用干砌形式而不必實行水泥砂漿勾縫，僅在硬化物與生態(tài)磚坡面坡地位置、坡頂為主交界處利用水泥砂漿固結(jié)。然而，由于水泥磚結(jié)構(gòu)、土壤及植被結(jié)構(gòu)占復(fù)合生態(tài)磚結(jié)構(gòu)的60%和40%，其景觀效果及抗沖性能仍需進一步實踐驗證。文章利用現(xiàn)場調(diào)查分析法及物理模型試驗分析生態(tài)磚護岸結(jié)構(gòu)的生態(tài)景觀效果、抗沖刷特性，以期為中小河流水環(huán)境保護和生態(tài)治理方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持[3-5]。

1 研究方法

1.1 河流概況

大凌河屬遼寧省西部最大的河流，流經(jīng)火山巖、碎屑巖和黃土地區(qū)，流域面積2.35萬km2，全長397km。該流域自西向東徑流朝陽、北漂、義縣、凌海等市縣，年均徑流量16.67億m3，含沙量57kg/m3，河床比降0.25%。大凌河有北、西、南3源，主要支流有清河、細河、老虎山河、大定河、牤牛河、瓦子峪河、涼水河等，建設(shè)有白石、龍?zhí)丁㈤愅醣亲?、瓦房店水庫及水泉鴿子洞等水利樞紐工程，對于保障沿途居民生產(chǎn)生活用水、生態(tài)環(huán)境保護和工農(nóng)業(yè)發(fā)展等發(fā)揮著重要作用。流域內(nèi)屬溫帶季風(fēng)氣候，年降水量450-600mm，特殊的地勢條件和環(huán)境氣候使得降水量年內(nèi)分配極不衡，其中55%以上降水集中于7、8月，大雨時洪水猛急極易泛濫，上、中游植被覆蓋率低且多荒山丘陵，汛期洪澇災(zāi)害和水土流失問題突出。

1.2 現(xiàn)場試驗

將生態(tài)磚結(jié)構(gòu)按照不同材料類型劃分成雙孔水泥磚、營養(yǎng)土、植被3部分，其中雙孔水泥磚上下左右錯縫，壁厚4cm，單孔尺寸39cm×20cm×20cm，坡面砌筑時不必實行水泥砂漿勾縫，能夠用于干砌施工；將泥炭土與自然種植土按1:5配置，加入適量NPK復(fù)合肥生成相應(yīng)的營養(yǎng)土；狗牙根為主要植被類型，選用百喜草、狗牙根種子加入適量野牡丹小苗、稀植勒杜鵑或山毛豆等灌木種子培育。

在生態(tài)修復(fù)工程現(xiàn)場培育試驗樣品及設(shè)置生態(tài)磚現(xiàn)場試點，把營養(yǎng)土回填至砌筑好的磚孔內(nèi)，澆水壓實后保證營養(yǎng)土填充飽滿。

1.3 室內(nèi)物理試驗

針對原體河道流速利用有壓管流模擬，并對原體植被直接沖刷的方法近似于原體模型；另外，用柔體塑料或剛體創(chuàng)設(shè)植被縮尺模型，也可用于水力學(xué)特性以及抗沖物理試驗研究。

文章考慮到相似性難以實現(xiàn)的含植被土體縮尺模型，為創(chuàng)建生態(tài)磚結(jié)構(gòu)抗沖刷能力試驗對原體流速利用有壓管流加以模擬。模型的主要組成部分包括地下水庫、尾水渠、方形有機玻璃管、閘閥、鋼管、量水堰、高位水箱，利用0.15m×0.30m×10.0m的有機玻璃方管制作有壓流試驗段，為保證能夠產(chǎn)生6.0m/s流速試驗段橫斷面過渡為0.15m×0.20m，此條件下可以達到3.1-5.6m/s的設(shè)計流速要求。為放置生態(tài)磚試驗樣品將0.40m×0.30m×0.56m的方箱設(shè)置于試驗段方管底部，保持試驗方管底部與生態(tài)磚表面平齊，為便于生態(tài)磚試驗樣品的安裝與拆卸上部預(yù)留有機玻璃活動板，為防止漏水漏氣將止水橡膠嵌入有機玻璃水槽與活動板之間。在生態(tài)修復(fù)工程現(xiàn)場培育試驗所需的樣品，狗牙根草生長8個月后達到0.30-0.40m高。

為模擬降水后土壤含水率增加的情景，將生態(tài)磚試驗樣品劃分為沖刷前水中浸泡12h、自然狀態(tài)下直接沖刷兩組，所有樣品沖刷12h后測量生態(tài)磚沖刷坑深度，在此基礎(chǔ)上對比分析生態(tài)磚抗沖能力[6]。

2 效果分析

2.1 抗沖能力

受水流沖刷作用植被根系稀疏區(qū)域產(chǎn)生水土流失，土體中狗牙根草的根系裸露，在水力沖刷下根系被沖走，由此使得根系的錨固作用在一定程度上有所減弱。結(jié)合生態(tài)磚下游孔、上游孔在3.1-5.6m/s不同流速條件下的最大沖刷深度，下游孔、上游孔在天然植被條件下的沖刷深度為0.3-4.1cm和1.4-4.8cm；下游孔、上游孔在浸泡12h后濕潤條件下的沖刷深度為0.4-5.6cm和2.0-6.0cm。試驗表明，管道流速在很大程度上決定了生態(tài)磚最大沖坑深度，沖坑深度隨流速的增加而增大。最大沖刷深度，見圖1。在水體沖擊作用下試驗過程中的狗牙根全部倒伏于生態(tài)磚土層表面，形成的植被覆蓋層可發(fā)揮阻止水流迅速帶走土體的作用。因根系生長好、植被密度大，其保護土層的作用較為明顯。采用雙孔結(jié)構(gòu)的生態(tài)磚護岸參與試驗，試驗組次內(nèi)下游坑沖刷深度要<上游孔約1.5cm，其原因為植被覆蓋在上游孔比較缺乏，水流中暴露大部分根部土壤，故具有較為嚴(yán)重的侵蝕破壞。此外，浸泡12h后試驗樣品具有較大的土體含水量，松散程度高易于被沖刷；相對于一般情況，濕潤條件下上游孔、下游孔的沖刷深度大約0.8cm、0.6cm。結(jié)合韓雷、張春欣等文獻資料，裝填于水泥孔中的復(fù)合生態(tài)護岸土體，能夠為根系發(fā)達、生長匍匐枝的狗牙根草提供適宜的環(huán)境，由于根系抗拉強度大的部分灌木也包含于植被內(nèi)，這在一定程度上發(fā)揮著加筋草皮的作用，對降低土層沖刷破壞發(fā)揮著積極作用，試驗樣品受植被與水泥磚的雙重保護，因此沒有發(fā)生全部破壞的現(xiàn)象。結(jié)合大凌河水系生態(tài)治理實踐，一般情況下水流速度<5.6m/s，對于該流域水生態(tài)治理生態(tài)磚結(jié)構(gòu)均具有較強的適用性[7]。

圖1 最大沖刷深度

2.2 生態(tài)景觀效果

采用生態(tài)磚護坡改造水生態(tài)修復(fù)常水位以上區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被生長具有較好的效果。磚孔填土部分占生態(tài)磚的36%，不僅發(fā)揮著明顯的滲水功能，也可為減輕水體富營養(yǎng)化程度、促進植物吸收水中氮磷等創(chuàng)造有利條件，同時在一定程度上滲透攔截雨水，有利于儲蓄地下水資源。較原有漿砌石護坡有利于維護河道兩岸的生態(tài)平衡，為生物棲息創(chuàng)造良好的生長條件。通過左右擠壓及交錯固定的生態(tài)磚結(jié)構(gòu)不必實行水泥勾縫，施工過程中具有一定的地形適應(yīng)性，因兼具柔性與剛性的雙重特點，能夠發(fā)揮模袋混凝土的功能，可維護蜿蜒曲折的自然河流形態(tài)，保持深灘、淺灘交替的河道原有結(jié)構(gòu)，在增加生物多樣性、改善生態(tài)環(huán)境條件等方面發(fā)揮著積極作用。另外，這種植被形態(tài)也能為魚類洄游、動物棲息繁衍和植物生長提供適宜的空間環(huán)境，發(fā)揮著穩(wěn)定河岸、美化環(huán)境、保持水土、調(diào)節(jié)微氣候和維持生物多樣性等功能，也是陸地與水域生態(tài)系統(tǒng)信息、能量、物資交換的重要過渡帶。

將生態(tài)透水混凝土道路修建于河道垂直護岸結(jié)構(gòu)與河道護坡之間，并把仿木護欄等景觀工程修建于河道與道路之間，由此可提升河流的休閑娛樂功能。工程中評判復(fù)合生態(tài)磚護岸景觀效果的關(guān)鍵因素有植被生長情況、發(fā)芽率等指標(biāo)，為滿足幼苗生長發(fā)育生態(tài)磚孔專門配置了無病蟲害、保肥保水能力強、疏松同期、含有多種礦質(zhì)營養(yǎng)的床土。通過對比試驗，充填營養(yǎng)土較一般土壤能夠更好的發(fā)育植被幼苗?，F(xiàn)場比較種植1個月后的生態(tài)磚結(jié)構(gòu)植被生長情況，狗牙根草籽種植于營養(yǎng)土內(nèi)時具有較高的發(fā)芽率，植被生長3個月后營養(yǎng)土與一般土壤的草皮密度，從外觀上還難以明確區(qū)分，但一般土壤栽培的植被根系密度遠遠低于營養(yǎng)土。

因混合有灌木且可以匍匐生長，種植的狗牙根草能夠提升植被密度。狗牙根草、灌木在生長8個月后的高度達到25-46cm和25-50cm。以狗牙根草為主的植被與周邊景觀融為一體，水泥磚將最終被植被完全覆蓋，視覺上視線較好的綠化、自然化效果，較漿砌石護岸其景觀效果非常明顯。

3 結(jié) 論

文章以大凌河水系生態(tài)修復(fù)工程為例，總結(jié)了生態(tài)磚護岸的生態(tài)效果及其抗沖刷能力。結(jié)合大凌河水系生態(tài)治理實踐，一般情況下水流速度低于5.6m/s，對于該流域水生態(tài)治理生態(tài)磚結(jié)構(gòu)均具有較強的適用性，主要結(jié)論如下：

1)為創(chuàng)建護岸結(jié)構(gòu)物理模型利用有壓管道產(chǎn)生高速水流，并沖刷結(jié)構(gòu)原體，結(jié)果表明流速為5.6m/s、浸泡12h情況下，下游孔、上游孔沖刷深度≤5.6cm、6.0cm，生態(tài)磚結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖性能，不會發(fā)生完全破壞。

2)現(xiàn)場試驗表明，復(fù)合生態(tài)磚護岸能夠提高植被根系密度和狗牙根草成活率，生長3各月后生態(tài)磚護岸結(jié)構(gòu)的水泥部分能夠被狗牙根草完全覆蓋，其景觀效果良好。

3)因存在生態(tài)景觀效果好、穩(wěn)固性強、抗沖性能好以及兼具混凝土與植被護坡優(yōu)點，復(fù)合生態(tài)磚護岸結(jié)構(gòu)比較適用于中小河流護岸工程。