湖泊护岸香根草的种植方案及其效应评估

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(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

湖泊护岸香根草的种植方案及其效应评估

刘川顺,鲁晓义,王书法,陈曦濛,华成普

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

风浪侵蚀导致湖岸崩塌和岸线后退，造成沿岸财产和土地资源损失，目前生态护岸已经成为一种趋势。香根草因其发达的根系、卓越的植物力学特性和强大的抗逆性，特别适合湖泊防浪护岸。为了研究香根草在湖泊护岸工程中的效果，结合监利县东港湖崩岸防治，介绍了湖岸香根草的种植方案和种植技术，采用水岸侧侵蚀模型计算了裸土湖岸和香根草生长湖岸在风浪作用下的侵蚀速率。结果表明，种植香根草可使湖岸的侵蚀速率减小90%以上。相对传统的刚性护岸，香根草护岸更加节省工程费用、更为环境友好。

湖岸侵蚀；风浪；生态护岸；香根草；侧向侵蚀模型

1 研究背景

湖泊水面宽阔，容易形成风浪，对土质湖岸产生侵蚀。长江中下游湖泊多为平原冲积型遗迹湖，湖岸抵抗风浪侵蚀的能力较弱。近30 a来，人类活动频繁、水质污染，湖岸生态衰退，削弱了湖岸抵抗风浪侵蚀的能力，崩岸加剧，造成湖岸建筑物损毁、土地资源损失。

崩岸防治的传统措施有抛石护岸、铰链沉排护岸等，这类硬质护岸工程不仅造价高，而且不利于湖泊生态[1]。在中小河流治理方面，国内外学者开展了大量有关河流植物护岸的研究和应用，但是有关湖泊植物护岸的研究和应用少有报道，主要原因是：①湖泊风浪对湖岸的侵蚀力比一般中小河流的水流对河岸的侵蚀力更加强烈，一般植物很难抵御湖泊风浪的侵蚀；②植物护岸防浪效应的量化评估具有相当难度。

本文从湖泊护岸防浪对护岸植物的要求，提出采用种植香根草构建湖泊生态护岸带，并结合湖北省监利县东港湖崩岸治理，提出香根草种植方案和种植技术，然后根据水岸侧侵蚀理论，计算裸土湖岸和香根草生长湖岸在风浪作用下的侵蚀速率，建立评估香根草护岸防浪效应的计算模型，对东港湖的香根草护岸效果进行评估分析。

2 香根草固土护岸可行性及实施方案

2.1 香根草防浪护岸的可行性

2.1.1 防浪护岸植物应具备的条件

采用植物进行防浪护岸，就是利用植物的根系将松散的岸土颗粒团聚起来，形成根土复合体，根系不仅加强了土颗粒之间的凝聚力，而且对土体起到加筋作用，从而提高湖岸抵抗风浪侵蚀的能力[2-3]。要实现植物的上述防浪护岸功能，要求植物根系具备以下物理力学性能：①根系必须足够细密，以免波浪把土颗粒从根系网络中淘走；②根系必须足够长，以免波浪将根系从土体中拔出；③根系必须足够坚韧，以免波浪作用力将根系拉断。此外，湖岸植物所处的生长环境，要求护岸植物具备以下性能：①植物应具备较强的耐淹、耐旱能力，以适应湖泊水位的涨落；②植物应具备较强的抗逆性，以适应各种污染成份和不同酸碱度的湖泊水体和湖岸土体；③植物对湖岸不同类型土壤应具有广泛的适应性。

2.1.2 香根草防浪护岸的独特优势

香根草是生长在热带、亚热带地区的多年生草本植物，特别适合河流、湖泊防浪护岸和水土保持[4]。香根草的优势表现为：

(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。生长1 a以上香根草的根长2.2～3.0 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40～120 MPa，平均抗拉强度80 MPa，是其他植物根系抗拉强度的3～6倍。

(2)较强适应环境、改善环境的能力。香根草是一种旱、湿两栖植物，耐淹、耐旱能力超强。香根草被持续淹没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lt;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、重金属土壤生长并且具有很强的吸收、消减土壤和水体中各种污染物成分的能力。香根草能在极为贫瘠的土壤中生长，广泛适应各种不同类型的土壤。

(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，生长1 a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%，并使得流失到湖泊的水土减少90%以上，从而减少湖泊淤积和面源污染。

香根草卓越的物理力学性能和对恶劣生长环境的超强适应性，使之成为护岸植物的首选。

香根草自东南亚引入到中国，已经在南方10多个省区的水土保持、河流及公路护坡中得到应用。香根草通过分蘖繁殖，因而不会自发无序蔓延和排斥其他植物，不会造成外来物种入侵。

2.2 东港湖采用香根草护岸的实施方案

2.2.1 东港湖基本情况

湖北省监利县东港湖面积6.5 km2，湖岸线长12.5 km。自2001年承包给私营业主养鱼，渔场老板将大量鸡粪抛投到湖中给鱼催肥，湖泊严重污染，水生植物灭绝，湖泊生态系统的破坏导致11 km长的天然湖岸崩塌(人工湖岸段长1.5 km)。湖岸以粉质黏土为主，每年崩塌后退0.5～1.2 m，局部湖岸1 a内崩塌后退超过5 m，部分居民被迫搬家。

笔者提出沿湖岸种植香根草的方案，利用香根草发达、强劲的根系加固土体，抵御风浪侵蚀。

2.2.2 香根草移植季节的选择

长江中下游地区11月份下旬开始至次年3月份中旬为香根草冬眠期，这一阶段不能移植香根草；11月份上旬移植香根草，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，但是移植后1个月内如果遇上高温少雨，需人工浇水。因此，对于长江中下游地区，最适宜的香根草移植季节是3月份下旬至4月份下旬。监利县东港湖护岸试验的香根草移植是分2次进行的，第1次是在2014年10月份的国庆节假期，第2次是2015年4月份的清明节假期，共形成了60 m长的香根草护岸试验段。

2.2.3 香根草种苗准备

在武汉大学香根草种苗基地，选择生长年龄1.5 a以上的香根草作为移植的种苗，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。

2.2.4 香根草现场种植方案

根据湖泊常水位至湖岸顶部的垂直高差，分2种情况布局湖岸香根草种植带(图1)。

(a)浅水陡岸(坡比gt;1∶1)

(b)深岸或坡岸(坡比1∶1～1∶2)

图1湖岸香根草种植方案横断面图

Fig.1Cross-sectionsofvetiverplantingpatterns

(1)当湖岸陡峭(坡比gt;1∶1)，且湖岸顶部与湖泊常水位之间的高差≤1 m，可在湖岸顶部按照行距20 cm、株距15 cm、深度15 cm平行湖岸种植4行香根草苗，每株栽草苗4～6根。香根草种植带至湖岸陡坎边缘距离S(见图1(a))取裸土湖岸每年崩塌后退的长度。

(2)当湖岸顶部与湖泊常水位之间的高差gt;1 m，可在湖岸边坡沿等高线种植等行距香根草条带(若岸坡陡峭，可将湖岸坡削缓至1∶1～1∶2，取决于湖岸高度)。香根草条带最下一行应高于湖泊常水位的波浪爬高范围，最上部一行应高出汛期洪水位的波浪爬高范围(见图1(b))，图1中h为波浪高度加波浪爬高，计算方法见《堤防工程设计规范》(2013版)[5]。香根草的行距、株距、每丛种植根数及种植深度同上。

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。

2.2.5 香根草的维护与管理

(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)在冬眠期收割地表草茎，保留草茬高度10～20 cm，促进来年生长。

3 东港湖香根草护岸效果的计算评估

3.1 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、加筋作用，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,即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以下基本资料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月份；多年平均风速2.8～3.0 m/s，历年最大风速平均值14.0 m/s，一年之中各级风的累计天数及波浪要素见表1。其中波浪要素按丰水期和枯水期2种情况，采用莆田公式[5]计算得到。

表1 不同级别风1 a的出现时间及其形成的波浪要素

20 m/s以上的极大风速出现在3—8月份，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月份为丰水期，9月份—次年2月份为枯水期。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黏聚力c=10 kPa，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4个方向逐层取出25 cm×25 cm×25 cm(长×宽×高)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。由根系调查得到平均每丛香根草的根系分布为：根数513，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gt;2 m。不同深度的根系分布情况如表2所示。

表2 单株香根草根系分布情况

注：因湖水浸透，2 m深以下无法开展根系挖掘

3.2 风浪侵蚀裸土湖岸的计算

Osman等[6](1988)研究波浪对岸坡的侵蚀，提出了侧向侵蚀计算模型,其中侵蚀速率为

(1)

式中：E为侵蚀速率(m/s);b为湖岸侵蚀后退距离(m);t为时间(s)；τ为风浪产生的土壤有效切应力(Pa)；τc为土壤临界切应力(Pa)；se为侵蚀速率经验常数，Osman等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为

(2)

式中ρ为水的密度，取1 000 kg/m3。

Temple等[7](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计算公式为

(3)

式中：τcb为土壤基本允许切应力(Pa)；Ce为孔隙比修正系数。根据参考文献[6]，黏土孔隙比修正系数Ce和基本允许切应力τcb分别为：

Ce=1.48-0.57e;

(4)

τcb=(51.25Ip2+684.97Ip+2 284.8)×10-4。

(5)

波浪对湖岸土体产生的有效切应力τ用Parchure等[8](2001)公式计算，即

(6)

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可以采用式(7)—式(10)计算。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：T为波浪周期(s);L为波浪波长(m);Aab为中间变量；ɑ为波浪振幅(m)，即有效波高的一半，有效波高取最大波高的一半；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(m)，即波高的一半；Ks为相对粗糙度，无量纲， Soulsby[9](1997)推荐的Ks与粒径的关系为Ks=2.5d50。

由土工试验结果算得τc，se和Ks，由表1中的波浪要素和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，见表3。

3.3 风浪侵蚀香根草生长湖岸的计算

关于植草护岸条件下的风浪侵蚀速率，荷兰学者Seijffert等[10](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为

(11)

表3 裸土湖岸、香根草湖岸侵蚀速率对比

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(m-1·s-1)。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RAR，即

cE=0.001 3 RAR-1.006 。

(12)

式中RAR为土体含根率，即单位面积土体中的全部根系截面积(mm2/m2)。

取表2中根深1 m处土体含根率RAR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3所示。

由表3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 a内出现的时间，累加得到1 a内东港湖裸土湖岸、香根草生长湖岸侵蚀崩塌后退的距离分别为780，70 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)，种植香根草之后湖岸没有明显的崩塌后退，可见崩塌的理论估算结果与实际崩岸情况基本相符。

相对传统的硬质护岸，香根草护岸不仅实施简易，且节省了投资。对于2 m高的湖岸，设置浆砌石挡墙+格宾石笼基础，每延米造价高达658元，而按本文提出的种植香根草方案护岸，每延米仅需54元。

4 结 语

香根草由于发达、强劲的根系和在各种恶劣生存环境下强大的生命力，特别适合防治风浪侵蚀湖岸。本文的理论研究和试点应用研究表明，生长年龄1 a以上的湖岸香根草种植带，可将湖岸侵蚀崩塌速度减小90%以上。

相对传统的硬质护岸，香根草护岸不仅实施简易，且节省投资。此外，浆砌石护岸或混凝土护岸破坏湖岸生态，而香根草护岸有多重生态功能：防止湖岸水土流失，减少湖泊淤积；吸收水体和岸土中的污染物成分，改善湖泊水质；有利于两栖动物繁衍生存。

[1] 杨梦云，张根喜，朱永辉.上荆江河段南五洲崩岸整治工程护岸形式选择[J].长江科学院院报，2012，29(12)：10-14.

[2] NORRIS J A. Causes and Effects of Streambank Erosion and Mass-Wasting Along Stevens Creek in Northeast Lancaster County, Nebraska: A Photographic Qualitative Case Study[D]. Lincoln: University of Nebraska-Lincoln, 2013.

[3] BEESON C E，DOYLE P F. Comparison of Bank Erosion at Vegetated and Non-Vegetated Channel Bends[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2007, 31(6):983-990

[4] TRUONG P, VAN T T, PINNERS E. VETIVER SYSTEM APPLICATIONS Technical Reference Manual[M/OL].[2017-06-26]. http://vnvn.org.vn/img/uploads/VNVN/Gioi_thieu/Gioi_thieu_co_vetiver/TVN-Manual_Vf_3.pdf.

[5] GB 50286—2013,堤防工程设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2013.

[6] OSMAN A M, THORNE C R. Riverbank Stability Analysis. I: Theory[J]. Journal of Hydraulic Engineering,1988,114(2):134-150.

[7] TEMPLE D M, ROBINSON K M, AHRING R M,etal. Stability Design of Grass-lined Channels[M]. Washington, D C：U.S. Department of Agriculture, 1987：46-48.

[8] PARCHURE T M, MCANALLY J W H, TEETER A M. Desktop Method for Estimating Vessel-induced Sediment Suspension[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001,127(7): 577-587.

[9] SOULSBY R. Dynamics of Marine Sands: A Manual for Practical Applications[M]. London: Thomas Telford, 1997：47-48.

[10] SEIJFFERT J W, VERHEIJ H J. Grass Covers and Reinforcement Measures[R]. Netherlands: Balkema, 1998.

(编辑：占学军)

Vetiver-Planting for Protecting Lakeshore from Wave Erosion:Patterns and Effectiveness Assessment

LIU Chuan-shun, LU Xiao-yi, WANG Shu-fa, CHEN Xi-meng, HUA Cheng-pu

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Lakeshore slumping and recession resulting from wave erosion usually causes heavy loss of waterfront property and land resources. Ecological revetment has become the new trend of lakeshore erosion control. In this paper, vetiver is adopted to protect lakeshore against wave attack because of its well-developed root system, phytomechanical properties and adaptability to adverse environment. With the shore-protection works of Donggang Lake as a case study, the patterns and techniques of planting vetiver are introduced. Furthermore, the erosion rates of bare soil lakeshore and vetiver lakeshore were computed and compared using lateral erosion model. Results show that vetiver planting on lakeshore could reduce the shore erosion rate by over 90%. Compared with rigid revetment, ecological revetment is more economic and more environmentally friendly.

lakeshore erosion; wave; ecological revetment; vetiver; lateral erosion model

10.11988/ckyyb.20170725 2017,34(11):148-152

2017-06-26；

2017-07-28

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2042016kf1070)

刘川顺(1963-)，男，湖北鄂州人，教授，博士，主要从事河流、湖泊治理相关研究,(电话)13986256781(电子信箱)860486289@qq.com。

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