張慧琴,歐牛泉

(1.韶關(guān)市防洪管理中心,廣東 韶關(guān) 512000; 2.重陽鎮(zhèn)政府,廣東 韶關(guān) 512000)

0 引 言

堤防是抵御洪澇災(zāi)害的重要屏障,但隨著現(xiàn)代化城市發(fā)展,堤防與城市環(huán)境協(xié)調(diào)問題愈發(fā)突顯。傳統(tǒng)堤防大多采用干砌石、漿砌石、混凝土等材料硬化修建[1],很多情況下僅考慮了防洪功能,而忽略了堤防工程對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響,導(dǎo)致生物多樣性破壞[2-3]。為順應(yīng)河道生態(tài)治理發(fā)展趨勢,生態(tài)景觀、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)堤防等相關(guān)研究應(yīng)運而生。

20世紀(jì)起,歐美國家已開始研究生態(tài)堤防,提出環(huán)境在河道堤防設(shè)計中的重要性,提倡自然型護岸。隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn),中國近年也逐步重視堤防岸線作用,從傳統(tǒng)硬化堤防開始轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源節(jié)約型、環(huán)境友好型生態(tài)堤防,更加注重可持續(xù)發(fā)展[4]。本文主要探索生態(tài)堤防應(yīng)用優(yōu)勢,通過生態(tài)堤防應(yīng)用對河道行洪的主要影響、材料比選及成本等問題分析,尋找相關(guān)對策,并對生態(tài)堤防未來發(fā)展提出建議。

1 生態(tài)堤防概述

1.1 特 點

生態(tài)堤防在保證堤身穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,不再局限于單一防洪功能,而根據(jù)需求采用不同的多孔介質(zhì)基礎(chǔ)材料,滿足植物生長條件,并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計打造水陸銜接的柔性景觀[5]。生態(tài)堤防兼顧防洪安全、生態(tài)效益和景觀價值,充分發(fā)掘堤防作用。萬里碧道建設(shè)是生態(tài)堤防建設(shè)的典型案例,將治水與治岸結(jié)合,統(tǒng)籌生態(tài)、安全、文化、景觀和休閑功能,建立了復(fù)合型廊道[6]。根據(jù)洪水的時空特點,生態(tài)堤防在汛期發(fā)揮防洪屏障作用,非汛期則作為城市景觀、休閑游憩場所。

1.2 類 型

生態(tài)堤防根據(jù)河道特征、地理位置、社會需求、經(jīng)濟條件、國土空間規(guī)劃等多方面因素,采用不同的形式建設(shè),主要有自然原型堤防、自然型堤防、人工自然型堤防3種類型[7-8](表1)。自然原型堤防最接近自然,造價相對較低,多用于兩岸人口較少、河道防洪風(fēng)險較小的地區(qū);自然型堤防造價適中,多用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣級堤防;人工自然型堤防造價高,多用于對防洪和景觀要求高的城市。

表1 生態(tài)堤防類型Tab.1 Types of ecological levees

2 生態(tài)堤防主要優(yōu)勢

2.1 提高堤防穩(wěn)定性

植被淺層根系與土壤形成復(fù)合體,發(fā)揮預(yù)應(yīng)力加固作用[9],伴隨根系生長,與堤身內(nèi)部基礎(chǔ)材料建立聯(lián)系,起到加筋作用,從而達(dá)到固土護坡的目的。植被通過吸收和蒸發(fā)水分降低邊坡水壓力,從而增強土壤黏結(jié)力,提高堤岸的抗沖刷能力[10]。胡其志等[11]研究中發(fā)現(xiàn)根系與格柵的復(fù)合加筋效果很好,其黏聚力相較于素土、格柵加筋土分別增加了265.0%、33.2%。新孟河延伸拓浚工程中采用生態(tài)護坡技術(shù),在坡腳鋪設(shè)具有過濾、防滲、提高地基承載能力的素混凝土軟排,坡上鋪筑透水性墊層和草皮護坡,工程建成后通過了汛期檢驗,未出現(xiàn)質(zhì)量問題[12]。

2.2 保障河道生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)堤防基于河道生態(tài)系統(tǒng),考慮河道生物原始循環(huán)狀態(tài),保留生物多樣性,維持河道生態(tài)平衡與生態(tài)穩(wěn)定。生態(tài)堤防通過生態(tài)混凝土、生態(tài)防護袋、混合材料搭配等方式,確保滿足植被生長條件[5]。多孔介質(zhì)[13]可增強護堤地透水性,使雨水能滲透地下土壤,降低城市內(nèi)澇風(fēng)險。植被通過截留、吸附過程可凈化雨水徑流,對COD,TN,TP,SS等污染去除起積極作用,在改善水環(huán)境和促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)方面具有重要意義[14-15],并且植物光合作用對調(diào)節(jié)局部微小氣候具有顯著影響。張棟[16]實驗發(fā)現(xiàn):灌叢墊在雨強30,60 mm/h的條件下,對徑流污染物的截留率分別為氨氮62.61%,50.13%、磷酸鹽59.53%,42.70%、硝氮55.61%,42.03%,可在污染物阻控方面起到積極作用。

2.3 提升堤防景觀價值

河流是城市的脈絡(luò),堤防是防治洪澇災(zāi)害的重要屏障。堤防修建須占用河流岸線,根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》,其中堤防背水側(cè)護堤地占5～30 m寬度,且堤防須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),因此偶有高出陸域的堤防擋墻出現(xiàn),與城市景觀相違和,導(dǎo)致附近地塊使用價值降低。

堤防作為水陸交界的開放空間,在保證河道行洪安全的前提下,是作為城市綠地較好的選擇,通過設(shè)置植物景觀、親水平臺、特色雕塑等,運用色彩、線條等方法,將單調(diào)的堤防打造成城市景觀,構(gòu)建休閑游憩場所[17-18],改善城市熱島效應(yīng),增加了岸線使用價值。復(fù)式斷面防洪堤[19]打破了傳統(tǒng)防護形式,淮河蚌埠主城區(qū)段[20]結(jié)合河道水位變化影響范圍,將行洪斷面沿垂直方向劃分為三級景觀區(qū),根據(jù)枯水期、豐水期特征布設(shè)相應(yīng)設(shè)施和景觀,打造城市多級彈性空間。

金華市梅溪流域綜合治理工程[21]中采用生態(tài)堤防改善河道生態(tài)系統(tǒng),通過放緩堤防坡度、沿河布設(shè)景觀等方式使水利、生態(tài)、景觀相互協(xié)調(diào),在保障行洪安全的前提下,將梅溪流域打造成為了“金華最美河道”。昆山市牛灣涇黑臭河道治理工程[22]中對硬質(zhì)駁岸進(jìn)行改造,新建生態(tài)石籠墻,并結(jié)合控源截污、生態(tài)清淤、生態(tài)修復(fù)工程等治理黑臭水體問題,該工程運行半年后,水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),水體自凈能力逐步恢復(fù)。

3 生態(tài)堤防應(yīng)用主要問題及解決對策

3.1 對河道行洪的主要影響

3.1.1河道綜合糙率

生態(tài)堤防種植植物會使河道綜合糙率發(fā)生變化,研究表明[23-24]:河道綜合糙率隨植物高度的增加而增加。而糙率對河道水面線具有一定影響,恒定均勻流的計算式可表示為

(1)

式中:Q為設(shè)計流量,m3/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;n為糙率;R為水力半徑,m;i為水力坡降。

仝道斌等[25]的河工模型試驗結(jié)果表明:河道綜合糙率隨著植被糙率的增加而增加,當(dāng)河道寬深比大于60時,邊坡植被引起的綜合糙率變化不大于10%;當(dāng)河道寬深比大于100時,邊坡植被引起的綜合糙率變化不大于7%。馬三力[26]的研究同樣發(fā)現(xiàn),在相同條件下,無植被群河段、草或蘆葦河段、樹或稀疏灌木層河段、中密度灌木叢河段的水位標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.294,0.301,0.415,0.496,植被群使河道糙率增大,河道水位隨著糙率值增大而抬高。

3.1.2阻水比

生態(tài)堤防迎水側(cè)植被位于行洪斷面內(nèi),如果種植高大植物,將縮窄河道過水?dāng)嗝婷娣e,植被群疊加效應(yīng)會引起局部水位壅高,親水平臺等臨水工程同樣會增大阻水比,導(dǎo)致局部水位壅高。仝道斌等[25]的河工模型試驗(河道長度40 m,寬度8～12 m,水深0.04～0.08 m,河床糙率0.018)顯示:與無植被河段對比,種植密集植被使水位壅高0.3～1.3 mm,種植稀疏植被+喬灌木、稀疏植被使水位壅高 0.1～0.4 mm。

3.1.3對策建議

生態(tài)堤防對河道行洪影響主要表現(xiàn)在河道綜合糙率和阻水比的增大,因此,生態(tài)堤防應(yīng)根據(jù)河道行洪要求選擇對河道綜合糙率影響較小的植被種植,比如臨水側(cè)選種矮生草本植被。而且,生態(tài)堤防建設(shè)前應(yīng)做洪水影響評價,擬建工程產(chǎn)生的阻水比應(yīng)滿足規(guī)范要求。DB44/T 1661-2021《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)規(guī)程》中提出臨水工程外緣不宜伸入主河槽,臨河景觀宜布置在5 a一遇洪水位以上,且不應(yīng)在行洪河道內(nèi)種植林木、高桿作物。

3.2 材料比選及成本問題

生態(tài)堤防建設(shè)材料和種植植被的比選是多學(xué)科交叉工作,不同類型的建設(shè)材料、植被所需成本具有較大差異,且會產(chǎn)出不同的效果。

3.2.1建設(shè)材料

堤防一般要求整體穩(wěn)定、抗沖刷、耐久,通過純植被岸坡很難實現(xiàn),因此生態(tài)堤防多采用植被與工程材料結(jié)合的方式建設(shè)。常見的工程建設(shè)材料如表2所列,實際建設(shè)時常根據(jù)地理環(huán)境、河道條件、防洪等級、成本控制等因素比選材料。然而,這些材料各有利弊,如生態(tài)混凝土[27]具有透水透氣的特點,能保持持續(xù)活性,適宜植物生長,且抗沖刷能力良好,但其降堿處理問題仍亟待解決。

表2 生態(tài)堤防常用的建設(shè)材料[28]Tab.2 Common construction materials for ecological levees

3.2.2植 被

主根粗壯的喬木會增加附加荷載,加大岸坡下滑驅(qū)動力,導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性降低,韓紀(jì)坤等[29]發(fā)現(xiàn)須根發(fā)達(dá)的紫荊錨固性能更好,與榆葉梅錨固性能相差5%～25%,且將紫荊種植于坡腳處、榆葉梅種植于坡頂處,其岸坡比素土邊坡安全系數(shù)增加61.2%,可達(dá)到2.153。因此生態(tài)堤防不宜選種高大喬木,宜選種低矮的喬木、灌木及草本植物(表3)。堤防迎水側(cè)適合種植根莖蔓延能力強的草本植物,以及布設(shè)花卉景觀,但多數(shù)草本植物具有季節(jié)性,不耐寒,從而導(dǎo)致冬季整體景觀效果不佳。

表3 生態(tài)堤防常見植被Tab.3 Common vegetation in ecological dykes

3.2.3成 本

生態(tài)堤防建設(shè)大致包含前期準(zhǔn)備及設(shè)計、施工造價、后期管護等方面費用。生態(tài)堤防建設(shè)質(zhì)量直接影響后期使用的耐久性,既要保證防洪性能,又要達(dá)到城市景觀效果,其建設(shè)成本相對較高,并且后期管理維護仍需投入一定的資金。胡閩[30]對比了3種生態(tài)護岸工程造價(鉸鏈?zhǔn)交炷翂K為48.86萬/100 m,空心六角塊為26.95萬/100 m,格賓石籠為47.03萬/100 m),空心六角塊造價較低,但其穩(wěn)定性不如鉸鏈?zhǔn)交炷翂K和格賓石籠,綜合考慮材料特點、經(jīng)濟性及運用場景的重要性,最終選擇了鉸鏈?zhǔn)交炷翂K進(jìn)行生態(tài)護岸設(shè)計。

3.2.4對策建議

生態(tài)堤防應(yīng)根據(jù)地理環(huán)境、河道條件、防洪等級、成本控制等多方面因素綜合考慮,比選適宜的建設(shè)材料及植被,并嚴(yán)格把控生態(tài)堤防設(shè)計環(huán)節(jié),確保設(shè)計的科學(xué)性、合理性。因此,可采用多指標(biāo)評價法[8],運用生態(tài)、社會、經(jīng)濟、安全等多類型指標(biāo),比選出最優(yōu)設(shè)計方案。

4 結(jié)論與建議

生態(tài)堤防具有顯著的生態(tài)效益和景觀價值。生態(tài)堤防的應(yīng)用,可以提高堤防穩(wěn)定性,保障河道生態(tài)系統(tǒng),提升堤防景觀價值,且對改善城市熱島效應(yīng)具有積極作用。然而,生態(tài)堤防應(yīng)用及未來發(fā)展仍需注意以下幾點。

(1) 生態(tài)堤防設(shè)計是綜合性、系統(tǒng)性的,應(yīng)考慮防洪功能、自然條件、社會環(huán)境、經(jīng)濟成本、國土空間規(guī)劃等多方面因素,合理布局,統(tǒng)籌發(fā)展。

(2) 生態(tài)堤防的植被及景觀工程會占用一定的行洪斷面,實際應(yīng)用前需進(jìn)行洪水影響評價,保證其設(shè)計符合防洪要求。

(3) 生態(tài)堤防迎水側(cè)選用植被應(yīng)具備親水、根系發(fā)達(dá)、生長快、適應(yīng)力強等特點,但不宜種植高大林木及高桿作物;布設(shè)的臨水景觀工程不應(yīng)妨礙河道行洪。因此,生態(tài)堤防設(shè)計方案宜采用多指標(biāo)評價法,運用生態(tài)、社會、經(jīng)濟、安全等多類型指標(biāo),比選出最優(yōu)設(shè)計方案。

(4) 目前,國內(nèi)的生態(tài)堤防未大規(guī)模應(yīng)用,主要受到防洪安全、經(jīng)濟成本、地理位置等多方面因素制約。因此,需進(jìn)一步深入研究,尋找更為經(jīng)濟的基礎(chǔ)材料、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式、科學(xué)的管護方式,加快推進(jìn)生態(tài)堤防規(guī)?；瘧?yīng)用。