土工合成材料在生态保护工程中的应用

王 宇，钟 华，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

土工合成材料在生态保护工程中的应用

王 宇，钟 华，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

土工合成材料因具有隔离、防渗、反滤、排水、防护、加筋等作用，在各领域得到了广泛的应用。近年来，由于生态环境保护理念的提出，土工合成材料开始作为一种生态结构或措施在生态保护工程中应用。针对土工合成材料的不同作用方式，分别从防护结构和生态辅助措施方面对它在生态保护工程中的应用进行了分析和总结，为新形势下我国生态工程的建设提供参考。

土工合成材料;生态保护工程;生态防护结构;生态辅助措施

0 引 言

土工合成材料在我国的应用开始于20世纪60年代中期，首先是塑料薄膜作为防渗材料在农业灌溉渠道中应用。80年代后，土工合成材料的应用领域扩大到高速公路、铁路、机场、井灌、民用建筑等几乎所有土建工程行业。土工合成材料具有隔离、防渗、反滤、排水、防护、加筋等作用，它的应用除了可起到常规的防护、隔离等作用外，还产生一定的生态效果，有利于生态环境的恢复和保护。近年来，由于生态环保理念的提出，土工合成材料开始作为一种生态结构或措施在生态保护工程中应用，并取得了良好的效果，其应用前景广阔。

1 土工合成材料的种类及特点

1.1 土工合成材料的种类

文献[1]将土工合成材料分为土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料等类型。土工特种材料包括土工格栅、土工膜袋、土工网、土工网垫、土工格室、土工织物膨润土垫、聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)等。土工复合材料是由上述两种或两种以上的材料复合而成，可起到多种功能的作用，更好地满足具体工程的需要。例如，复合土工膜、复合土工织物、复合排水材料等。

1.2 土工合成材料的特点

土工合成材料具有隔离、防渗、反滤、排水、防护、加筋等作用，广泛应用于路、桥与支挡工程、闸、坝工程、护岸工程、港湾及海岸工程、防汛抢险工程、地下工程、农田水利工程、环境工程、建筑工程等领域。在生态保护方面，无论是作为一种防护结构，还是作为生态辅助措施，土工合成材料都发挥了积极的作用。应用土工合成材料作为防护结构，有利于维护河渠岸坡的稳定，防止水土流失，同时，它的多孔隙性还有利于构建适宜生物生存的生境条件，保护生物多样性和生态完整性。应用土工合成材料作为生态辅助措施，可形成生物通道、生物浮岛、生物沉床等生态结构措施，既有利于生物多样性保护，又有利于提高沟渠的自净能力，改善水质。

2 土工合成材料的应用

2.1 土工合成材料作为防护结构的应用

2.1.1 格宾护岸

格宾护岸是一种新型的柔性护坡结构体系，它是由覆塑的合金锌钢丝线材编制成六角网孔的网状结构，并向其中填充石料构成的。该结构具有以下特点：①结构表面粗糙，能有效地削减波浪，防止岸坡冲刷和水土流失，起到岸坡防护的作用；②该结构属于多孔隙结构，透水性好，便于河水与堤岸间的物质能量交换，维持自然连通性；③结构覆土后，水上部分可以植草或插柳，易于生长植物，绿化河岸带；水下部分可以生长水生植物，也可以为水生动物及微生物等提供栖息、生存、繁衍的环境；④在格宾护岸结构内填充卵砾石、净水填料，种植水生植物，利用水生植物和微生物的活动吸收降解污染物质，起到净化水质的效果；⑤该结构还具有环保、稳定、抗震、防冻、耐久性好，以及良好的冻胀适应性等优点，适合在寒冷地区推广应用[2]。

格宾护岸结构在牡丹江市铁岭河大桥下游左岸城区堤防试验工程中取得了良好的生态效果。工程竣工1 a后，坡面覆土的地方长出了青草，植被覆盖良好，青蛙在格宾的孔隙里栖息，坡脚处可捕捉到鱼虾等水生动物，试验区段内整体生态环境良好，生物群落的多样性得以保护和恢复[3](图1，图2)。

图1 护岸竣工1 a后效果Fig.1 Effect of the bank after completion in 1 a

2.1.2 土工格室护岸

土工格室是由高分子聚合片材经高强度焊接而形成的一种蜂巢式三维网格结构。土工格室护岸是在土工格室内填充土或碎石料构成的一种多孔隙、蜂窝状、柔性护坡结构体系。该结构具有以下特点：①具有内部水力连通性和良好的渗透性，能促进降水期间的水分吸收，降低地表径流和土壤侵蚀；②该结构属多孔隙结构，透水透气，便于河水与堤岸间的物质能量交换；③结构覆土后，有利于植物的生长，还可为水生动物及微生物提供适宜栖息、生存、繁衍的环境；④该结构弹性好，冻胀适应性强；⑤质量轻，方便运输。

土工格室护岸在哈尔滨松花江群力大堤防护工程中取得了良好的生态效果。经覆土后，坡面植被覆盖率高，具有良好的景观生态效果。大堤经受了2013年大洪水的考验，江水浸泡29 d退水后，堤面稳定，坡面植被保存完好，除植物颜色略有变化外，未发生水土流失，生态效果显著(图3)。

图3 江水浸泡后的土工格室护堤Fig.3 Geocell revetment-dike after being immersed in river

2.1.3 土工格栅石笼护岸

土工格栅是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅。土工格栅石笼护岸是将土工格栅做成矩形或圆筒状，并向其中填充块石或砾石、卵石构成的一种透水、透气、多孔隙的柔性防护结构。该结构具有以下特点：①该结构属于多孔隙结构，透水性好，便于河水与堤岸间的物质能量交换，维持自然连通性；②可为水生动物及微生物等提供适宜栖息、生存、繁衍的环境条件；③有利于植物生长；④强度高，整体性好，耐腐蚀，可抵抗河水冲刷。

土工格栅石笼护岸在古城河整治工程中应用，取得了良好的应用效果[4](图4)。该结构的孔隙有利于草类等植物的生长，坡面稳定性好。相对于混凝土护岸，不仅造价低，还能为水生动植物提供适宜的生存空间，有利于改善水质和生态环境。

图4 土工格栅石笼整治后的古城河照片Fig.4 Gucheng river renovated with geogrid gabions

2.1.4 植生包护岸

植生包护岸是在植生包内填充土壤、肥料、草籽等，形成植生包，再将植生包按设计要求摆放成不同型式的护坡结构。该结构具有以下特点：①有利于渠内外营养和水分的交互，植生包内的草仔可根据需要填充适应当地条件的优势草种，也可让其自然生长野草；②形成坡面植被覆盖层，可为小动物的栖息、生存和繁衍提供适宜的环境条件；③植生袋的绿色外观易于融入周围环境；④施工简便，可就地取材，造价低。

植生包护岸在哈尔滨市道里区胡家段运粮河岸坡防护工程中应用，生态效果良好，坡面植被易于生长，渠坡自然(图5)。由于该渠段不均匀冻胀影响显著等原因，破损修复率较高，相对于土工格室等其它型式护岸结构，经济适用性较差。植生包护岸适用于岸坡相对稳定的渠段。

图5 植生包护岸照片Fig.5 Photo of planting bag revetment

2.2 土工合成材料作为生态辅助措施的应用2.2.1 碎石聚氨酯生物通道

碎石聚氨酯是将碎石与聚氨酯混合搅拌，使聚氨酯包裹在碎石表面，利用聚氨酯本身的黏结性将石块牢牢地粘结在一起，形成的一种新型弹性组合材料。该组合料具有粘结力强、弹性好，同时兼具透水、透气等生态特点。碎石聚氨酯生物通道是利用碎石聚氨酯构建适宜青蛙等生物逃脱水路的通道，使其自由在水域和陆域间通行，保证生态系统的连通性(图6)。

碎石聚氨酯生物通道在黑龙江省富锦市幸福灌区水田示范区农渠中的应用，取得了良好的生态效果。渠道通水、退水期间，渠道内的青蛙成功的经由生物通道在农渠水域和水田间迁移。

图6 碎石聚氨酯生物通道照片Fig.6 Photo of gravel polyurethane critter crossing

2.2.2 塑料波纹管鱼道

塑料波纹管鱼道是采用PA、PE或PP等材质的塑料波纹管按设计要求连接水田和灌排沟渠，为鱼儿在水田和沟渠中自由迁移提供通道，保证灌区生态系统的连通性，进而保护生物多样性和生态完整性。塑料波纹管鱼道断面型式有半圆型和U型。鱼道内壁的褶皱既可提供适宜鱼类游泳的糟率条件，又可为鱼儿提供休息场所[5]。塑料波纹管鱼道为柔性结构，对场地的适应性强，且施工简便，可同时兼做水田供排水的管路。

塑料波纹管鱼道在日本农田灌排沟渠中应用广泛，取得了良好的生态效果。鱼儿成功地在水田和沟渠中自由迁移。图7为上溯中的鱼在U型波纹管鱼道的褶皱内休息。

图7 鱼儿在U型波纹管鱼道内壁的褶皱中休息Fig.7 Fish rests in the inside of U-shaped bellows fishway

2.2.3 仿生植物填料

天然材料(如卵石、砾石及天然河床等)或人工合成接触材料(如塑料、纤维等)具有较大比表面，生物容易聚集生长而形成粘液状的生物膜，可以吸附、降解水体污染物。仿生植物填料技术主要是基于仿生学原理，利用比表面较大的人工立体弹性材料模仿水中水生植物，用合适的方式布置于河道中，以河渠中细菌为微生物源，在填料表面逐渐形成生物膜，通过接触氧化作用净化河渠水体[6](图8)。

图8 仿生植物填料示意图Fig.8 Schematic diagram of bionic plant fillers

2.2.4 生物浮床(浮岛)

生物浮岛是绿化技术和漂浮技术的结合体，植物生长的浮体一般是采用聚氨酯涂装的发泡聚苯乙烯制成的，质轻、耐用。生物浮岛上生长的植物可为鸟类等休息和筑巢提供场所，下部植物根系可为鱼类、水生昆虫和水中微生物等提供适宜的生息环境。同时，植物根系还能吸收引起富营养化的氮和磷，形成稳定的植物—微生物—动物共生体，它们对水体的净化起着非常重要的作用[7](图9)。

生物浮岛在台湾花莲鲤鱼潭中应用，形成了植物—微生物—动物净化体系，使潭内水质得到了净化，减少了藻类的滋生，取得了良好的生态效果。

图9 生物浮岛照片Fig.9 Photo of artificial floating raft

3 结 语

在生态保护工程中，土工合成材料可作为一种生态防护结构应用，也可作为一种生态辅助措施应用。它的应用除了可起到常规的防护、隔离等作用外，还具有良好的生态保护与恢复作用。

1)土工合成材料作为防护结构，它可以防止岸坡冲刷和水土流失，起到岸坡防护的作用，由于其具有透水性、透气性和多孔隙性，还有利于护岸结构内外水分和养分的交互，有利于植物的生长，利用水生植物和微生物的活动吸收降解污染物质，起到净化水质的效果。同时，水中植物还可以为水生动物及微生物提供适宜栖息、生存、繁衍的环境，保护生物多样性和生态完整性。

2)土工合成材料作为生态辅助措施，它可以为生物提供水路逃脱和不同生态区块间迁移的通道，保护生物多样性和生态完整性，还有利于植物—微生物—动物净化体系的形成，起到吸附、降解水体污染物质，净化水质的作用。

3)土工合成材料在生态工程中的应用除了具有岸坡防护和生态保护的作用外，其上生长的植被还具有良好的景观效果。土工合成材料在生态保护工程领域具有广阔的应用前景。

[1]GB 50290-98，土工合成材料应用技术规范[S].

[2]王 宇，刘 森，韩 雷.生态型护岸结构冻胀适应性的试验示范研究[J].黑龙江大学工程学报，2012，3(1)：33-36.

[3]潘美元，肖庆华. 雷诺护垫在生态护坡中的设计方法[J]. 中国水运，2011，11(12)：252-254.

[4]闵祥宇，魏素娟，张 钰.土工格栅石笼在古城河整治工程中的应用研究[J]. 安徽农业科学，2010，38(19)：10 442-10 444.

[5]鈴木正貴，水谷正一，後藤章. 小規模魚道による水田、農業水路および河川の接続が魚類の生息に及ぼす効果の検証[C]//農業土木学会論文集，2004：234，641-651.

[6]王 超，王伟君，王沛芳，等. 一种净化河流微污染水体的仿生植物[P]. 中国专利：ZL200420054676.0，2006-04-05.

[7]陈荷生，宋祥甫，邹国燕. 利用生态浮床技术治理污染水体[J]. 中国水利，2005，(5)：50-53.

Application of geosynthetics in nature conservation project

WANG Yu，ZHONG Hua，ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute, Harbin 150080, China)

Geosynthetics has been widely used in various fields for the effects of isolation, antiseepage, filter, drainage, protection and reinforcement. It has been using in the project of nature conservation as a ecological structure or ecological measures for many years, and it is suitable way of eco-environmental protection. The different models were analyzed in summurized that the application of which in the project of nature conservation respectively in protective structure and eco-secondary measures construction of ecological engineering.

geosynthetics; project of nature conservation; ecology protection structure; eco-secondary measures

10.13524/j.2095-008x.2015.01.008

2014-11-20;

2014-12-07

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150211.1451.007.html

黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室课题研究项目(PS13H19)

王 宇(1982-)，男，吉林松原人，工程师，硕士，研究方向：寒区河流生态修复技术、工程水力学和生态水力学，E-mail:wangyu19820224@163.com。

TV861

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2095-008X(2015)01-0038-05