河岸带生态护坡技术研究与应用

2013-06-07张丹丹史常青王冬梅

湖南农业科学 2013年22期

张丹丹，史常青，王冬梅

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

河岸带又称滨岸带、岸边带、水陆交错带等，是河流生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的一个重要过渡带，它介于河流和高地植被之间，受到地表水以及地下水的影响，是一种最典型的生态过渡带，具有明显的边缘效应[1]。Naiman[2]及张建春等[3]将河岸带功能概括为廊道功能、缓冲带功能和植物护岸功能。河流生态护坡是在保护、创造生物良好的生态环境和自然景观的前提下，保证护坡措施具有一定强度和耐久性的同时，兼顾护坡工程的环境效应和生物效应，以期达到恢复生态环境，治理水土流失的目的[4]。

传统的河道护坡主要使用浆砌或干砌块石护坡、钢筋混凝土护坡等，这类护坡工程的造价相对较高，且是水下施工，日后维护工作难以实施。其最大的缺点还在于，它仅仅从满足河流防洪、排涝、航运和引水等基本功能的角度出发进行设计施工，忽略了与河流同为整体的动物、植物及微生物的生存发展，很少考虑对环境和生态的影响[5]。这类护坡形式易破坏河流航道的生态功能，引起河流生态环境恶化。近年来，以重建受损河岸生态系统为目的，同时融合防洪、生态、景观和河流自净效应为一体的生态护坡技术引起人们的广泛关注，并进行了一系列的研究与探索。

1 河岸带生态护坡技术研究现状

1.1 国外研究现状

发达国家对河流生态退化问题认识较早，很早就开始反思破坏河流自然环境带来的负面效应，认为传统的河流治理，主要采用硬质材料建造护岸工程，破坏了河流生态系统。为了有效保护河道岸坡和生态环境，一些学者提出了生态型护坡技术。如：在20世纪80年代末瑞士、德国等国的学者提出了“自然型护岸”技术[6]；德国的莱茵河由于裁弯取直，导致河流流速加快，加剧冲刷，现正进行改造，将水泥河堤改为生态河堤，力求河流回归自然状态。20世纪90年代初，日本又首先提出了“亲水”观念，提倡有条件的河流采用木桩、卵石等天然材料修建河堤，开展了“创造多自然型河川计划”，把生态护坡技术应用于城镇河道建设中；法国在城市河道建设时要求河道地面工程尽量建成透水的草地，增加水体与土体之间的交换。近20 a来，土壤生物工程（soilbioengineering）护岸技术在欧美风靡一时[7]。该项技术的应用原理与其他工程不同，它采用有生命力植物的根、茎（枝）或整体作为结构的主体元素，按一定方式和方向排列插扦、种植或掩埋在边坡的不同位置，在植物群落生长和建群过程中加固和稳定边坡，控制水土流失和实现生态修复。常用的坡面生态工程技术，主要包括土壤保持技术、地表加固技术和生物工程综合保护技术[8]。这些技术，在欧美国家已经得到广泛运用，如1995年美国新泽西州雷里坦河曾采用生物护岸工程，用可降解生物纤维编织袋装土，沿河道坡面形成梯形岸坡并种植植被，200 a一遇的洪水位的考验证实了它的可靠性，尽管流量大，冲刷力强，但是生物护岸工程基本上没有损坏。

1.2 我国研究现状

生态护坡技术的应用起源于中国,但是，我国在生态护坡技术方面的研究起步较晚。1993年我国引进土工材料植草护坡技术，并开发研制出了各种各样的土工材料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术在各种边坡工程中陆续获得应用[9]。2003年，许文年等研究开发了植被混凝土护坡绿化技术。该技术有广阔推广前景，实现了工程建设中边坡防护和绿化两大功能的有机结合，填补了这一技术领域的空白。近些年在充分吸收国外河道整治和其他领域生态护坡研究成果的基础上，我国河岸带生态型护坡技术也取得了长足的发展。如：在广西漓江治理工程中，胡海泓等[10]提出了石笼挡墙、网笼垫块护坡、复合植被护坡等生态型护坡技术；季永兴等[11]探讨了不同材料的生态型护坡结构新方法；夏继红等[5]从现代数学、生态学、水力学的角度分析了生态河岸带今后的发展趋势；在引滦入唐工程中，陈海波等[12]提出网格反滤生物组合护坡技术；卢志灵根据上海市河道的具体特点，讨论了生态型护坡结构形式。

2 河岸带生态护坡技术方法

河岸带生态护坡技术是在满足河道边坡稳定和安全的基础上，采用植物及植物与工程材料相结合的方法，实现河流系统与动物、植物、微生物及人类活动相协调的生态技术，以达到一种水体和土体、水体和生物相互涵养，适合生物生长的近自然状态。目前，国内外常见的河岸带护坡技术可大致划分为以下三类[13]：①单纯的植被护坡，即利用植被根系的固土功能，保护河道岸坡，可结合河道原有的植被进行护坡；②植被护坡与工程措施相结合，如通过格宾网、生态混凝土现浇网格、生态袋（植被袋）填土等方式，对植被进行加筋，增强岸坡抗侵蚀的能力；③生态材料护坡，如利用水泥生态种植基进行护坡，或者植被型生态混凝土和土工材料进行护坡。

我国现有河道主要采用石笼结构、土工网复合植被技术、网格反滤生物工程、植被型生态混凝土、水泥生态种植基、多孔质护岸、多自然型护岸等生态型护岸形式治理。另外也有采用自然土质岸坡、自然缓坡、植树、植草等生态工程护堤，防止水土流失，也为水生植物的生长、水生动物的繁育、两栖动物的栖息繁衍活动创造条件。下面重点介绍6种在工程中已经得到应用的护岸技术。

2.1 植物护坡

植被护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡、美化生态环境的一种新技术，涉及岩土工程、恢复生态学、植物学、景观生态学等多学科于一体的综合工程技术。植被护坡主要利用植被根系的土壤增强作用，降低风浪的冲淘，加强土壤的聚合力，提高滑移抵抗力，同时可以美化水利环境[13]。在植物选择方面应根据当地的地质条件、气候环境等特点进行选择，选择根系发达，适应性强，成活率高，抗病虫害能力强的植物种。国内很多河道的治理都使用了这一技术，如在吉林省西部嫩江流域，许晓鸿等[14]提出牛毛草[Bulbostylis barbata（Rottb.） kunth.]、草地早熟禾（Poa pratensis L.）、翦股颖（Agrostis atolonifera L.）等多种草本植物为护坡植物，河柳（Salix matsudana）等灌木为迎水坡脚防浪林的植物护坡技术。该技术利用植物地上部分进行消能护坡，利用植物根系的锚固作用，提高坡面表层的抗剪强度，有效地提高了迎水坡面的抗蚀性，大大减少了坡面土壤流失，不仅其护坡效果显著，且投资仅为工程护坡的10.9%～22.1%。

2.2 自然型护岸

自然型护岸，即以天然的植被、原石、木材等材料来代替传统的混凝土护岸，尽量创造接近自然型的河道[15]。自然型护岸工程形式又可分为自然原型护岸、自然型护岸、多自然型护岸。自然原型护岸主要采用乔灌混交的方法，充分利用高低错落的空间和光照条件，以达到最佳郁闭效果，同时利用植物舒展而发达的根系稳固堤岸，增强其抵抗洪水、保护河堤的能力。自然型护岸不仅种植植被，还采用天然石材、木材护底，以增强堤岸抗洪能力，如采用木桩、块石等具有一定强度的材料保护坡脚，使整个护岸结构的抗冲刷能力大大提高。多自然型护岸，即在自然型护岸的基础上，再用钢筋砼等材料，以确保大的抗洪能力[16]。多自然型护岸比自然原型护岸和自然型护岸有更强的抗水流冲刷能力，能抵御更大的洪水，同时也具备其他生态护岸所共有的生态效应，是目前使用最广泛的一种生态护岸形式。自然型护岸在我国的应用也比较广泛，如成都府河右岸望江公园段，护岸采用包括坡脚护底、丁坝、石笼在内的多自然化手段；堤防形式采用土堤防，减少人工构造痕迹，创造出被绿色覆盖的良好护岸；同时注意与公园的竹林（绿色）自然景观协调，保护现有树林并纳入自然景观[17]。该项目的成功实施成为成都地区乃至我国的河流生态环境建设、河流整治、湖泊、水库等建设的典范。

2.3 网石笼结构生态护岸

石笼是一种生态格网结构，现也称之为格宾网。现代工业化生产的石笼单元普遍采用六面方筐，内设隔网，编网材料有金属丝、钢筋和塑料格栅等，网眼通常为菱形或正方形。河流护岸网石笼结构由镀锌或喷塑铁丝网笼装碎石、肥料及种植土组成，在河道护坡中，一般选用耐锈蚀的喷塑铁丝网笼。填充的石料之间的孔隙受到人为和自然因素的影响不断被泥土充填，植物根系深深扎入石料之间的泥土中，从而使工程措施和植被措施相结合。石笼在我国的使用较晚，近10 a才在生态护坡挡土墙和河道护岸工程中大量使用，已经成功实施了很多工程，如太仓长江大堤顺堤河生态护岸工程[18]。该工程设计中采用绿格网垫护坡，结合软结构与植被技术的应用，该工艺适应该河道地质条件差、容易产生局部坍塌的具体情况。即可保护河岸、又促进水与土体之间的自然交换、增强水体自净能力，实现植被绿化、景观美化的生态环境，达到工程建筑与生态环境有机结合的目的。该工程在广大的平原河道工程具有一定的典型性。

2.4 生态袋护坡

生态袋是由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制作而成的土工网袋，网袋内含有草籽，种植时内填种植土，并采用连接扣连接，保证边坡的稳定性。生态袋是由高分子材料制成的，具有抗老化、高强度、耐酸碱、无毒、不降解等特点，使用寿命高达70 a以上，100%回收，零污染。生态袋护坡技术采用环保的生态袋代替钢筋混凝土等硬性材料，实现了以柔性的绿色岸坡取代硬性的传统岸坡。它集土木工程和生态环境绿化为一体，是水利部科技推广的先进适用技术[19]。由于其生态性、整体性、环保性等特点，这一技术已广泛应用于水利边坡生态防护工程中。如北京市植物园湖区，湖边驳岸形式初始为混凝土柱护坡和随地形漫坡入水两种形式，但由于长期的湖水冲刷，土壤流失比较严重，导致驳岸失去连贯性与完整性，整体水域景观效果遭到破坏。后来完全采用适于植被生长、具有生态修复功能的生态袋护坡技术，恢复了受损的驳岸，为植被的生长提供了土壤基质，使得植被的恢复与园林景观的建立成为可能。作为一项绿色的护坡、绿坡工程系统，生态袋技术值得大力推广。

2.5 植被型生态混凝土护坡

植被型生态混凝土由植物、多孔渗水混凝土肥料、泥土和保水材料组成，具有高透水性、较大的拔出力、高透气性和安全性，实质上是一种有着连续孔隙的多孔混凝土，水与空气容易通过或存在于其连续通道内[20]。这种护坡具有较好的抗冲刷性能，表面的覆草形成堤防迎水坡面的软覆盖，具有缓冲性能，草生根后，草、土、混凝土形成一体，可提高堤防边坡的稳定性，既实现了混凝土护坡，又能在坡上种植花草，美化环境，形成硬化和绿化完美结合，与传统的浆砌石混凝土护坡相比，生态效应更显著。植被型生态混凝土的应用在我国刚刚起步，如江苏省水利厅以生态系统理论为基础，结合河道整治工程，研发了生态混凝土护砌材料，在江苏吴江东开发区的庞山中心河和治太重点工程太浦河蚂蚁漾段堤防的护岸工程中都得到了应用，实现了混凝土上长草，取得了显著的社会效益和生态效益[21]。

2.6 土工材料复合种植基护坡

该项护坡技术可分为土工网垫固土种植基、土工格栅固土种植基、土工单元固土种植基等多种形式。其中，土工网垫固土种植基主要是利用活性植物并结合土工合成材料等工程材料，在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统，通过植物的生长对边坡进行加固的一门新技术。它综合了土工网和植物护坡的优点。这一技术已在上海浦东国际机场围海大堤工程中得到应用。土工格栅固土种植基，是利用土工格栅加固土体，并在格栅内植草，绿化边坡。土工单元固土种植基是利用聚丙烯、高密度聚乙烯等片状材料，经热熔粘接成蜂窝状的单元格子体，在蜂窝状单元中填土植草，起固土护坡作用[22]。在我国城市河道护岸工程中，应用较为广泛的土工合成材料种植基可分为铁丝网与碎石复合种植基、土工材料固土种植基等。如在吉林省舒兰市防洪应急项目拉林河新发护岸工程中，采用“土工格栅石笼护坡+土工格栅网格软体排护脚”技术对该险工险段进行了治理[22]。该措施的实施，提高了堤岸的抗冲刷能力，确保了新发段河道堤防的安全。不同的生态护坡形式的相对优势和应用局限对比见表1。

表1 不同生态护坡技术方法对比一览表

3 结语

现有的河岸带生态护坡技术只考虑了河岸带上的植物，忽略了与其合为一体的动物及微生物。真正意义上的生态护坡应该是在保证边坡稳定的基础上，以营造河道边坡系统的生物多样性为主要目标。因此，现有生态护坡技术，虽带有一定的生态色彩，却是不完善的生态护坡技术。生态护坡在水利工程中的技术含量相对较低，而大多数技术是从国外直接引进的，其生态材料也直接进口，这必然存在许多弊端。如：护坡成本太高，难于大范围推广；自然地理条件的差异，导致修复效果不明显。因此，生态护坡应结合我国实际现有的材料，研发出适合我国的新型生态护坡技术，而不是一味的照搬模仿。新材料的开发，应成为今后生态护坡研究的一个重点。

河岸带上有丰富的资源，是生物群落生长的敏感地带，也是珍稀濒危生物的适宜栖息地，具有很高的生物多样性。河岸带具有的独特边缘效应，使其各方面的特征都不稳定且脆弱，尤其在过多的人为扰动下，河岸带生态系统将会作出响应，甚至会造成该生态系统的失衡。现有的护坡技术在一定程度上对河岸带生态系统平衡产生影响。因此，在生态护坡的同时，尽量保留原有的生物多样性，采用就地取材的办法选择合适的护坡材料，并尽可能地利用自然护岸或近自然护岸的方法，避免过多的大范围对河岸带的干扰破坏，维持河岸带生态系统的自然状态。另外，还要加强提高人们对河岸带生态护坡系统重要性的认识，只有这样才能变被动为主动，自发地保护河岸带生态系统，使其合理、健康的发展。

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