亚热带多雨区生态护岸结构与效能研究——以荣市前门河道为例

Tang Van Tai 李奎鹏 Tran Ngoc Binh Nguyen Nhu Anh

(1.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096；2.烟台市水利建筑勘察设计院，山东 烟台 264001；3.越南荣市医学大学；4.越南建设公司)



亚热带多雨区生态护岸结构与效能研究
——以荣市前门河道为例

Tang Van Tai1李奎鹏2Tran Ngoc Binh3Nguyen Nhu Anh4

(1.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096；2.烟台市水利建筑勘察设计院，山东 烟台 264001；3.越南荣市医学大学；4.越南建设公司)

传统护岸工程大量使用浆砌石、钢筋混凝土等材料建造成直立式结构，给河流水环境、生物群落等带来了诸多不利影响。以越南荣市的前门河道为研究对象，针对前门河道的水生态特征与河道岸边环境、土壤条件，设计并建造了抛石型和石笼型两种生态护岸形式。通过为期1年的香根草生长状况跟踪监测，提出了一种适用于亚热带多雨区的生态护岸植被，通过Miseq高通量测序实验测定了生态护岸微生物群落多样性，揭示了其生态净水机理。

生态护岸；抛石护岸；石笼护岸；香根草

20世纪90年代以来，越南经济和城市建设发展迅速，然而由于部分城市的环境保护基础设施建设相对滞后，内河水质污染现象严重。荣市属于义安省，是一个快速发展中的城市。在近年来的河道综合整治中，现浇不透水混凝土被大量应用于河道护岸整治中。硬化混凝土护岸割裂了土壤与水体的联系，使水体自净能力降低，破坏了生物的栖息环境，导致河流生态失衡和自然景观恶化[1]。河岸边坡作为水生态系统中非常重要的组成部分，是生命体最活跃的区域[2]，是水体与陆地的过渡带，具有水域和陆地双重特性，发挥着水、陆生态系统间物质、能量和信息交流的作用[3]，承担着护岸保护、生态廊道和缓冲滞留带的功能[4]。为恢复护岸生态功能，修复河道水生态系统，硬质混凝土护岸必须拆除重建或进行原位修复，使之具有生态、美观、经济、防洪等多重功能[5]。

1 试验概况及方法

1.1 试验地点概况

越南属于亚热带季风地区，气候最显著的特点是全年气温较高，四季界限不明显，日气温变化较大，空气湿度相对较高，可达85%—98%。

本次实验在蓝江支流前门河进行，前门河的水文条件与蓝江有密切的关系。前门河从蓝江流过荣市，它不仅是重要的取水、排洪工程，而且还是荣市重要的水生态系统。前门河边坡条件较好，河道流量相对较小，适合开展生态护岸实验。实验地点位于荣市前门河上游的新丰村，具体位置如图1所示(黑色圆圈处)。每年汛期季节，前门河极易出现河道边坡被洪水侵蚀的现象，因此将该河作为生态护岸建设的研究对象具有典型意义。

1.2 研究方法

实验研究了在越南亚热带气候条件下，石笼型和抛石型两种生态护岸的固土防蚀效果、植物生长状况与生态改善效能。通过观察、测量香根草的生物量，分析了香根草作为生态护岸植物的可行性；通过长期跟踪监测，对比了两种不同护岸的实际工程效果；采集两种生态护岸表面的泥样，采用Miseq高通量测序测定不同护岸表面微生物多样性，揭示生态护岸的净水机理。

1.3 生态护岸构建

使用自然材料(石头、土壤、香根草植物)结合人工材料(铁笼、塑料网)构造两种生态护岸。按照设计图(图2)使用石材、铁笼、铁网、塑料网、香根草、土工布及土壤等建造抛石型和石笼型护岸。首先挖掘表面土壤层深度10cm，然后覆盖土工布以分开土壤与石材。为适应植物生长需要，同时防止块石流出或冲刷失稳，两种护岸的填充块石直径均选择10—20cm。

石笼型护岸构造，先把铁笼安装在预定的位置，再用块石填充。抛石型护岸构造，先将石材均匀抛在护岸表面，然后覆盖塑料网。

护岸构造完成后，为便于植物初期生长，将河道边坡附近的天然土壤覆盖于护岸表面，覆土厚度为5cm，然后进行香根草种植。护岸建造形式如图3所示。

图2 生态护岸设计图

2 试验结果与分析

2.1 植物生长状况

通过为期1年的跟踪监测，两种生态护岸上植物生长状况如图4所示。冬季时，天气寒冷，雨量稀少，阳光强度较低，植物生长缓慢；春季期间植物开始生长，香根草生长速度很快，生物量分别增加了23.4倍和28.5倍；夏季，天气湿热，雨量充沛，是热带植物最佳的生长时期，石笼型护岸表面香根草生物量增加了38.2倍，而抛石型护岸表面香根草生物量增加了52.3倍；进入秋季后，植物生长逐渐缓慢，石笼型和抛石型护岸的香根草增加比率分别为42.1倍和57.2倍。

从11月到1月属于冬季，天气寒冷，雨量缺少，温度大约10—18℃,阳光强度较低，植物难以繁殖。由此，石笼型和抛石型护岸表面香根草生长速度较慢，生物量增加比率分别为5.78倍和6.72倍。从2月到3月属于春季，天气温暖，温度大约16—25℃，阳光强度高，植物开始繁殖。石笼型和抛石型的香根草生长速度快，生物量分别增加23.4倍和28.5倍。从4月到8月属于夏季，天气湿热，雨量充沛，温度大约28—39℃，对于热带植物是最佳的生长条件。两种生态护岸的香根草生长速率开始有区别，石笼型护岸表面香根草生物量增加38.2倍，而抛石型护岸表面香根草生物量增加52.3倍。由于这段时间高暴雨强度冲刷路面污染带来的径流进入河槽内，护岸表面的香根草植被将雨水中污染物拦截和过滤，使污染物累积于护岸土壤表面，同时香根草已经将土壤中的污染物吸收和转化，提高了自身的生物量。不过石笼型护岸表面充填的土地层较薄，因此拦截污染能力弱于抛石型护岸，因此石笼型表面香根草生长速度较慢。从9月到10月属于秋季，温度范围20—32℃，雨量充沛，经常出现暴雨，也是植物生长速率开始变缓的季节，而且暴雨经常冲刷和侵蚀护岸表面土壤造成土壤缺少营养物质，影响香根草的生长速率。所以，这段时间香根草生物量增长速度变慢，在第二年11月，石笼型和抛石型护岸的香根草增加比率为42.1倍和57.2倍。

2.2 生态护岸效能分析

2.2.1 固土护坡

石笼型和抛石型两种生态护岸主要是靠石头等材料重力配置在坡脚从而提高坡脚的稳定性，同时削弱水流对土壤的冲刷强度。石材重力形成的压力提高了静摩擦力，可保证坡面的稳定性。此外，石材重力也会增加对土壤的压力，提高土壤的抗滑应力。

香根草是一种多年生长的草类，根系发达，且根系有较高的抗拉和抗剪强度。香根草的固土效能可完全等同灌木和树，单位面积香根草的根系抗拉强度可达40—180MPa，抗剪强度可达75MPa[6]。在第一年种植香根草后，其根系长度达到2—3m，可穿过石材扎入下层土中，护坡完全满足稳定性要求。由于香根草的根系发达，能适应干旱气候，无需专门洒水养护。

朱兴杰等[7]以大凌河生态护岸工程为例，提出了抛石+植树护岸方案与空心块斜坡式生态护岸方案，研究发现抛石+植树护岸具有良好的固土能力和推广价值。何旭升等[8]将护岸结构与水质改善技术相结合，提出了净水石笼护岸与净水箱护岸技术， 通过实验研究， 发现石笼护岸具有良好的固土效果和生态效能。

2.2.2 改善水生态

(1)净化河水。香根草可以种植在含重金属、酸、碱等多种复杂条件的土壤中，能吸收水和土壤中的氮、磷和各种污染物质，对于水体和土壤有很强的净化能力。香根草根系给多种微生物提供了生长和繁殖的场所，提高了土壤降解和吸附污染物的效能。

(2)防止河岸两边含有污染的雨水过多地汇入径流。城市表面都被混凝土覆盖，导致雨水不能渗透于地下，在路面形成径流，然后含有大量污染物的雨水会进入河槽造成河水污染。在建造生态护岸时，护岸的香根草植被可以沉淀与拦截雨水中的重金属和污染物质，并且香根草根系和微生物可以固定和吸收污染物，减少了雨水径流的污染浓度，避免污染进入河槽。另外在石头表面会形成生物膜，膜中的细菌可发挥分解、转化和固定作用来降低水中污染物。

(3)提高水生态多样性。生态护岸石笼型和抛石型都形成了多孔洞的结构。护岸孔洞结构可以提高水体和土体的交换，岸边地下水与河槽水的相互补充形成了河道水文和生态平衡。护岸孔洞结构还提供了水生动物的生产、避难和觅食的区域，增加了水生动物数量和多样性。通过生物操纵原理，草类和水生植物吸收富营养化、细菌和原生动物的有机污染牧食，然后水生动物在生长过程中(水生动物包括原生动物、浮游动物和鱼类)牧食藻类和污染物质，另外通过生物的食物链和生物与环境交换物质，一部分重金属被吸附在动物体内使水中富营养化、污染物质与重金属浓度降低。

2.3 微生物群落多样性

实验采集了一个水样和两个泥样，对样品进行Miseq高通量测序实验，探究石笼和抛石护岸表面附着微生物的群落多样性。各样品分别为1—护岸附近的河水；2—石笼护岸水位线附近泥样；3—抛石护岸水位线附近泥样。3个样品的序列信息及多样性指数如表1所示。

由表1可知，根据Chao1指数和ACE指数判定的样品中物种总数由高到低排序为2>3>1。根据Shannon指数和Simpson指数判定的样品中微生物群落多样性由高到低排序为3>2>1。

表1 样品序列信息及多样性指数

实验结果表明，石笼护岸和抛石护岸附着微生物的总数和多样性都远超过水中悬浮微生物。石笼护岸中微生物的物种总数最高，可能是由于石笼护岸是阶梯状结构，护岸总体积大，微生物可附着生长空隙多，所以微生物总量较多。抛石护岸中微生物群落多样性最高，可能是由于抛石护岸适合植物生长，植物和护岸空隙为微生物营造了多种不同生长条件，所以微生物多样性显著提高。

通过高通量测序技术，样品1共检测到198个菌属，样品2共检测到332个菌属，样品3共检测到351个菌属。对检测到的物种组成结果进行属水平上的分类，取至少在某一样品中含量超过1%的属以10为底取对数后做图，如图6所示。

由图6可知，两种生态护岸表面附着微生物的总量和优势菌属的相对含量都要明显高于水体，说明生态护岸的空隙和植物根系可以为微生物的附着繁殖提供载体与空间。河水中的微生物会逐渐在石头表面和护岸空隙中富集、繁殖，形成生物膜结构，发挥降解转化水中污染物的功能。

3 结论

(1)香根草作为一种根系发达、抗逆性强的多年生植物，在生态护岸环境生长良好，是一种良好的亚热带多雨区生态护岸植物。

(2)石笼护岸和抛石护岸在固土防蚀、改善水质等方面具有重要作用，适合越南地区河道护岸改造。其中，石笼护岸更适用于边坡较窄、河水较深、冲刷严重的河道；抛石护岸更适用于滞留带较宽、水位较浅、边坡平缓的河道。

(3)石笼护岸和抛石护岸形成的多孔透水结构可显著提高河道生物量和微生物群落多样性，有效改善河道水生态系统。

[1]王新军,罗继润.城市河道综合整治中生态护岸建设初探[J].复旦学报：自然科学版,2006,45(1):120—126.

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[3]夏继红,严忠民.生态河岸带研究进展与发展趋势[J].河海大学学报:自然科学版,2004,32(3):252—255.

[4]张建春,彭补拙.河岸带研究及其退化生态系统的恢复与重建[J].生态学报,2003,23(1)：26—63.

[5]汪洋,周明耀,赵瑞龙，等.城镇河道生态护坡技术的研究现状与展望[J].中国水土保持科学,2005,3(1):88—92.

[6]TruongaPNV,LochR.VETIVERSYSTEMFOREROSIONANDSEDIMENTCONTROL[J].Proc, 2004,36(1):125—127.

[7]朱兴杰,邹春.大凌河朝阳城区段河道生态护岸设计[J].中国水土保持,2013,(4):30—31.

[8]何旭升,逄勇,鲁一晖，等.净水型护岸技术的探讨[J].水利学报,2008,39(6):659—666.

责任编辑：富春凯

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.06.050

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.06.004

2016-10-21

Tang Van Tai(1987—)，男，越南籍，东南大学博士研究生。研究方向：水生态修复。

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1674-6341(2016)06-0009-04