监利东港湖崩岸生态防治措施研究

刘川顺，鲁晓义，毛北平

（1.武汉大学水利水电学院，430070，武汉；2.长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，430012，武汉）

监利东港湖崩岸生态防治措施研究

刘川顺1，鲁晓义1，毛北平2

（1.武汉大学水利水电学院，430070，武汉；2.长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，430012，武汉）

湖泊水质恶化和人类活动破坏湖岸植物系统，从而削弱了湖岸抵御风浪侵蚀的能力，在风浪的侵蚀作用下，湖岸逐渐崩塌后退，造成土地资源损失和湖岸建筑物损毁。本文提出沿湖岸种植香根草，利用香根草发达、强劲的根系加固湖岸土体，防治风浪对湖岸的侵蚀。理论计算和在东港湖的试点应用结果表明，香根草护岸可使风浪产生的湖岸侵蚀减少90%，而造价不到传统护岸措施的1/10，并且有多重生态效益。

湖泊；波浪侵蚀；崩岸；香根草；护岸；生态

湖岸崩塌造成沿岸耕地损失、建筑物损毁，属于严重的湖泊灾害。长江中下游湖泊多为平原冲积型遗迹湖，土质疏松，湖岸抵抗风浪侵蚀的能力较弱，加之湖泊水体严重污染或人类活动导致湖岸植物消亡，进一步削弱了湖岸的抗侵蚀力，因而这一地区湖泊崩岸更为常见。

如湖北省监利县东港湖是冲积型地貌湖泊，自从2001年承包给私营业主养鱼，湖泊遭受严重污染，湖水又黑又臭，水生植物灭绝，湖泊生态系统的破坏导致湖岸崩塌。东港湖是一个面积6.5 km2、湖岸线长12.5 km的小型湖泊，除了1.5 km长的人工湖岸，天然湖岸全都发生崩塌，每年崩塌后退0.5～1.2 m，局部湖岸一年崩塌后退超过5 m。湖岸四周是肥沃的农田和密集的居民房屋，由于崩岸每年损失10亩（1亩=1/15 hm2）以上农田，有些居民被迫搬家。

东港湖崩岸的防治，如果采取建造浆砌石或混凝土护岸的传统措施，施工条件差，造价昂贵，而且不利于湖岸生态系统修复。考虑到大部分湖岸高度为1.5～2.5 m，采取沿湖岸种植香根草条带，利用香根草发达、强劲的根系加固湖岸土体，以此抵御风浪侵蚀，是比较可行的崩岸防治方案。

一、香根草固土护岸的技术方案

1.香根草护岸的独特优势

香根草是生长在热带、亚热带地区的多年生草本植物，用于固土护岸具有独特的优势。

（1）根系特别发达强劲

香根草被称为拥有最长根系的草本植物且根系密集。1年龄以上香根草根长2.2～3 m，近乎竖直向下生长，每簇香根草生长着须根420～620根，根径0.3～1.5 mm，根系抗拉强度达到40～120 MPa，平均抗拉强度80 MPa，是其他植物根系的3～6倍。

（2）适应环境能力超强

香根草是一种旱、湿两栖植物，耐淹、耐旱能力超强：被持续淹没2个月仍能恢复生长；成年香根草根系深扎土中，无惧干旱，能在年降雨量少于300 mm的情况下正常生长。香根草具有很强的抗逆性，能在pH值3.0～11.0的土壤、重金属土壤和贫瘠的土壤中生长，并且具有很强的吸收、消减土壤和水体中各种污染物的能力。

（3）很强的水土保持能力

香根草快速生长和分蘖繁殖，种植3个月后就簇生成丛，1年龄以上的香根草根数可以分蘖扩大10倍，在湖岸形成茂密的篱笆，使地面降雨径流流速降低70%，并由此减少90%以上的水土流失到湖泊，从而减少湖泊淤积和面源污染。

2.东港湖崩岸防治实施方案

（1）移植季节的选择

在长江中下游地区，从11月下旬开始至第二年3月中旬为香根草冬眠期，这一阶段不能移植香根草；11月上旬移植香根草，草苗也可以立根和长出新叶，但是如果随后较早出现严寒气候，新根扎土深度不够，就会被冻死；5～10月份移植香根草虽然可以存活，但移植后一个月内如果遇上高温少雨，或人工浇水不及时，新苗可能会干死。因此，长江中下游气候地区最适宜的香根草移植季节是3月下旬至4月下旬。

东港湖护岸试验的香根草移植分两次进行，第一次在2014年10月国庆节假期，第二次在2015年4月清明节假期，两次移植草苗都自然存活，但第一次移植的草苗被不知情农民损毁近半，故第二次补种草苗，共形成60 m长香根草护岸试验段。

（2）移植步骤及方案

①在武汉大学香根草种苗基地，选择生长年龄1.5年以上的香根草作为移植种苗，剪除上部草茎，保留下部草茎长度15～20 cm，挖出草蔸并保留根系长度10 cm以上，装进编织袋，运送到移植现场拆分草蔸，将草苗根系剪至5～8 cm。

②按照行距20 cm开挖深度10～20 cm的V形种植沟（气温温和、雨水密集时挖浅沟，气候干燥、少雨时挖深沟）。如果土壤特别贫瘠，可在种植沟底部垫上5～10 cm厚的肥土层。

③沿沟每隔15 cm种植1丛草苗，每丛栽草苗4～6根，香根草种植带至湖岸陡坎边缘距离S取裸土湖岸每年崩塌后退的长度（见图1）。草苗竖直放置于种植沟中央，回填土并压实，然后浇水至回填土完全湿润饱和。

（3）维护与管理

①香根草移植1个月内，清除香根草种植范围内快速生长的杂草，如遭遇持续高温干旱天气，应视根区土壤水分情况决定是否浇水。

②在每年冬眠期收割地表草茎，保留草茬高度10～20 cm，促进来年生长并开发草茎的利用价值。

二、东港湖香根草护岸效果的计算评估

1.预备工作

湖岸之所以被风浪侵蚀，其实质是风浪对岸土产生的剪切力超过了土体的允许剪切力，因此裸土湖岸的侵蚀速率取决于波浪要素和土壤的性质。香根草密集、强劲的根系对松散的土壤颗粒体具有很强的团聚作用，增强了土体抵抗风浪剪切侵蚀的能力，根系对土体产生的附加抗剪力取决于根系的密度——单位面积土体中全部根系的横断面积。因此，开展香根草护岸效应评估要进行基本资料的收集和前期测试工作。

（1）气象与湖泊水文资料

湖北省监利县属于亚热带季风气候，四季分明，湿润多雨。根据1980—2015年的气象资料，多年平均降雨1 450 mm，主要降雨期为3—8月；多年平均风速2.8～3 m/s，历年最大风速平均值14.0 m/s，20 m/s以上的极大风速出现在3～8月，该时期5 m/s以上风速出现的频率也高于其他时期。以降雨量和风速大小为分界标准，分丰水期和非丰水期计算岸坡冲蚀速率。3—8月为丰水期，9月至次年2月为枯水期。丰水期湖泊平均水深取为2.0 m，枯水期湖泊平均水深取为1.5 m，最大风区长度3.4 km。

（2）湖岸土壤的物理力学性质

取3组土样，在武汉大学土力学实验室开展常规土工试验，测得东港湖岸坡土样粘聚c=10 kN/m2，内摩擦角φ=12°，重度γ=18.31 kN/m3，塑限WP=18.35，液限WL=37.50，塑性指数IP=19.15，孔隙比e=0.94，平均粒径d50=0.018 mm，颗粒级配不均匀系数Cu=8.33，土壤粒径级配曲线曲率系数Cc=1.61，级配良好。

（3）香根草根系调查

选择3丛代表性香根草，采用开槽掘土法沿每丛草的东、西、南、北4个方向逐层取出25 cm×25 cm×25 cm的含根土块，测量记录每块土的深度和到该草丛中心的水平距离，统计出每块土中根系的数量，用游标卡尺测量出根系直径。由根系调查得到代表性单丛（平均每丛）香根草的根系分布模型为：根数513根，根系直径0.4～2.1 mm，根系水平分布范围半径245 mm，最大根深大于2 m。

2.波浪要素计算

东港湖位于平原地区，波浪要素（波长、波高及波周期）采用我国堤防设计规范（GB 50286—2013）推荐的莆田公式计算。分丰水期和枯水期两种情况，由水深、风区长度和风速，计算出各自情况下的波浪要素。

图1 湖岸香根草种植方案横断面

3.裸土湖岸风浪侵蚀计算

Osman和Thorne（1988）研究波浪对黏土岸坡侧向侵蚀，提出了计算平均侵蚀速率的侧向侵蚀计算模型：

式中，b为湖岸侵蚀后退距离，m；db/dt为湖岸侵蚀速率，m/s；τ为风浪产生的土壤有效切应力，N/m2；τc为土壤临界切应力，N/m2；Se为侵蚀速率经验常数，Osman和Thorne通过开展黏土岸坡侵蚀试验，给出了侵蚀速率常数与土壤临界切应力之间的关系式：

式中，ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；其他物理量意义及量纲同前。

Temple，et al.（1987）提出了确定各种土质土壤临界切应力的公式，其中黏性土临界切应力按下式计算

式中，τcb为土壤基本允许切应力，N/m2；Ce为孔隙比修正系数。黏土孔隙比修正系数和基本允许切应力由以下公式确定：

式中，e为孔隙比；Ip为塑性指数。

波浪对湖岸土体产生的有效切应力τ用Parchure（2001）公式进行计算：

式中，fw为波浪摩阻系数；ub为近底波浪质点水平速度，m/s。

根据微幅波的理论，fw及ub可以采用以下公式计算：

式中，ɑ为波浪振幅，即有效波高的一半，有效波高取最大波高的一半，m；k为波数，即在波浪传播方向上2π长度内出现的全波数目，无量纲；h为波浪序列在岸坡影响区底部的水深，即波高的一半，m；Ks为相对粗糙度，无量纲，根据Soulsby(1997)推荐的Ks与粒径间的关系为Ks=2.5d50；其他各物理量意义及量纲同前。

由土工试验结果算得τc、Se和Ks，由波浪要素和Ks算得不同级别风浪对岸土产生的剪切力τ，由τ、τc、Se利用式（1）算得不同级别风浪对裸土湖岸的侵蚀率。

4.香根草生长条件下湖岸风浪侵蚀计算

关于植草护岸条件下的风浪侵蚀速率，荷兰学者Seijffert J.W.和Verheij H.J.(1998)通过开展植草条件下岸坡波浪冲蚀模型试验，提出了相应侵蚀率计算的经验公式：

式中，E2为根土复合体平均冲蚀速率，m/s；Hs为波浪有效波高，m；cE为含根土冲蚀系数，1/（m·s）。cE代表着植物根系生长岸坡抵抗波浪冲蚀能力的强弱，主要取决于土体含根率：

取表1中根深1m处土体含根率（单位面积土体中的全部根系截面积）RAR（mm2/m2），计算出不同级别风浪对香根草生长条件下湖岸的侵蚀率如表1所示。

由表1中各级风力风浪作用下裸土湖岸、植草湖岸的侵蚀率乘以各级风在1年内出现的时间，累加可得到1年间东港湖裸土湖岸、香根草生长湖岸侵蚀崩塌后腿的距离分别为780 mm、70 mm。现场调查知种植香根草之前湖岸年侵蚀崩塌后退距离为0.5～1.2 m（大小与不同湖岸段的土质和风向有关），现场观察到种植香根草之后湖岸没有明显的崩塌后退，可见湖岸崩塌的理论估算结果与实际情况基本相符。

表1 不同级别风浪对裸土湖岸、香根草生长湖岸的侵蚀速率

三、结语

相对传统的浆砌石挡墙护岸，香根草护岸不仅实施简易，更节省投资。对于2m高的湖岸，建浆砌石挡墙，每延米造价高达658元，而香根草种植方案护岸每延米仅需54元。此外，浆砌石护岸或混凝土护岸破坏湖岸生态，而香根草护岸不仅能防止湖岸水土流失、减少湖泊淤积，还能减轻湖泊面源污染，有利于两栖动物繁衍生存。■

[1] 袁根，张炜.香根草在河坡防护上的应用[J].江苏水利，2004(3).

[2] 夏汉平,敖惠修.应用香根草对垃圾场进行植被恢复及净化垃圾污水的研究[J].广州环境科学，2002(1).

[3] 夏汉平,等.香根草在土壤改良和水土保持中的作用[J].热带地理，1996(3).

[4] Osman AM,Thorne CR.Riverbank stability analysis.I:Theory[J].Journal of Hydraulic Engineering,1988.

[5] Temple D M,K M Robinson,R.M.Ahring,and G.S.Davis.Stability design of grass-lined channels[M].Washington,D C：US.DepartmentofAgriculture,1987.

[6] Parchure T M,McAnally Jr W H,TeeterAM.Desktopmethod forestimating vessel-induced sediment suspension[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001.

[7] Soulsby R.Dynamics of marine sands:a manual for practical applications[M].London:Thomas Telford,1997.

Studies on ecological approach for controlling bank collapse of Donggang Lake in Jianli

//Liu Chuanshun,Lu Xiaoyi,Mao Beiping

Due to the worsening of water quality in Dong gang Lake and damage of lake shore botanical system caused by human activities,the capability of lake shore against wave erosion has been degraded.Under the functioning of wave erosion,lake shore has been back up that has resulted in a great loss of land and damage of structures.However,vetiver grass has deep and strong roots that can consolidate soil of lake shore and prevent erosion of wave.According to theoretical calculation and its applicable results to the pilot project of Dong gang Lake,the revetment formed by vetiver grass can reduce 90%of erosion,with only 1/10 cost of the traditional structural measures.It can also generate a great deal of ecological benefits.

lake;wave erosion;bank collapse;vetiver grass;revetment;ecology

P343.3责任编辑B

1000-1123（2017）18-0014-03

2017-08-10

刘川顺，教授。

责任编辑 车小磊