基于生物基质的河道护岸护坡生态修复技术在辽宁地区的应用

2021-01-21杨洪宁

水利技术监督 2021年1期

杨洪宁

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110003)

基于生物基质的河岸护坡护岸生态修复技术近些年在许多区域得到应用，是水利部重点推广的实用新技术(推广编号为TZ2014089)，并作为辽宁省第一批河道综合治理和生态修复支撑技术得到推广。该项技术可以解决传统刚性混凝土未能考虑生态和绿化的综合效益。基于生物基质的生态修复技术通过配置强度较高的大骨料，使得其混凝土骨料层可以满足堤防安全的需求，此外其连续孔隙的混凝土骨料层配合活性菌剂，使得植被生长条件得到明显改善。混凝土骨料层和生物基质的有效结合可满足河道堤防安全和生态功能的双重需求。该项技术已经在一些省份生态护岸护坡综合治理、城市河道黑臭水体治理、河湖滨海植被抗冲刷性修复、山体边坡生态修复等工程实例中得到应用，但在辽宁地区应用还较少，为此本文针对该项生态修复新技术，立足于辽宁地区河道特点，对技术指标、施工工艺及实施效果进行了介绍，以期为辽宁地区河流生态修复提高重要的技术参考。

1 试验方法

1.1 骨料层基础平台的试验方法

在已预制好的混凝土六棱块护岸基础上，充填多孔骨料并在C20框格梁上进行浇筑，不需要对原有的堤防进行结构性的拆除和破坏措施。骨料基础层采用直径为45mm的单一石料、标号为42.5的水泥以及添水剂和水一起进行机械搅拌120分钟后，浇筑时间控制在30分钟内完成。

1.2 植被配置方法

经过对辽宁地区实地调研分析，地被植物选用适合于寒冷地区的高冰草、紫羊茅、虉草，这几类为禾木科，菊科选用了波斯菊，豆科类选用了紫花苜蓿，此外还选用了藜科的驼绒藜作为生态植物。生态植被修复措施配置方案见表1。

1.3 试验土壤菌群分析

为分析不同植物生长受生物基质的综合影响，将高冰草选为试验植物，试验播种面积为30m2，播种的数量为22g/m2，试验原底土壤取有机质含量为5.3%，适合于植物生长。试验土壤和生物机质的养分见表2。

1.4 试验设备

试验现场采用机械方式对基础骨料层进行搅拌和现场浇筑，骨料层采用的机械设备分别为：装载机和搅拌机各1台，现场基质填充和混拌采用机械结合人工辅助方式进行。无纺布的铺设和作物种子的播种均采用人工方式进行。

1.5 试验流程

(1)对达到试验标准河段坡面进行清理整平和密实度处理，并对框格梁进行支模和浇筑试验处理；

表1 植被生物基质配置方案

表2 试验区土壤和生物基质的养分和有效菌数

(2)将水泥、石料、BSC-WY系列添加剂和水生物基质混凝土骨料层按配合比加入到搅拌机进行均匀搅拌处理，拌合后出料运至试验工作面浇筑在框格梁内整平；

(3)将浇筑作业面与搅拌机的距离控制在120m以内，如果浇筑作业面与搅拌地点距离超过120m，则要求搅拌地点和试验作业面进行转场，以保证试验质量，整个试验流程操作时间在10分钟以内进行控制；

(4)浇筑完毕的拌合料，应对表面进行整平表面处理，3天内禁止人员行走、行车及加载负荷；

(5)试验作业面在3天内每天进行早晚2次的作业养护，3天内若遇到阴雨天气则不需要进行养护；

(6)作业面浇筑完成7天后可以进行骨料层内生物基质层实施过程试验；

(7)覆盖20～50g/m2的无纺布用于初期保墒，无纺布应用铅丝或竹签扦插固定；

(8)盖无纺布后28天内视天气情况浇水养护，晴热天气蒸发量大时应在早上7点前浇透水一遍，阴雨天气则无需浇水。

1.6 质量检验方法

(1)骨料层的质量检验：按照标准设计尺寸(本次试验采用的尺寸为200mm×200mm)制作混凝土骨料层的生物基质的试验模块，进行30天的保养维护后进行试验备用，各试验制件方式、维护方法及模块的制作尺寸的误差均严格按照GB/T 50082的要求进行规定。

(2)植被恢复和生长覆盖度的检验方法

对试验现场播种的高冰草进行现场采样，对不同处理方式下的植物样品进行采集后进行检测和分析，并对基质土壤表层5cm的土样进行采集后，对其酸碱度、孔隙率含水量等物理和化学指标进行测定，现场进行平行4组的试验，每个试验样品采集的面积为45m2，生物菌剂按照高剂量(10t/hm2)和标准剂量(5t/hm2)进行2种比例进行掺入。在植物生长试验时，设置有机肥和不施肥两种方式进行，分别按照植物不同生长时期测定的单株重量、分蘖数以及表层5cm的基质土壤的酸碱度以及土壤孔隙水含量等指标进行测定。

2 试验结果分析

2.1 添加剂用量对骨料层抗压稳定影响试验结果

对采用相同配比方案的不同用量添加剂下骨料层的抗压强度进行了试验分析，分析结果见表3。

表3 不同型号下添加剂用量对骨料层抗压强度的影响试验结果

从试验结果可看出，通过对生物基质进行添加剂的使用后使得其骨料层的减少功能得到明显增强，并由于添加剂的粘合和其他成分的调节作用，使得其骨料层的抗压强度逐步得到提升，在水泥用量较少的条件下其抗压强度提升效果也较为明显。此外，在相同配比方式下不同型号生物基质下的骨料层抗压强度有不同程度的差异，在实际施工过程中。应结合不同设计需求对其对于的型号进行选择，也可以按照施工条件和设计部门的要求进行单独定制型号。

2.2 水泥用量对骨料层抗压强度影响试验结果

为分析水泥用量对生物基质骨料层的抗压强度进行试验分析，试验结果见表4。

表4 不同水泥用量对骨料层抗压强度影响分析结果

从试验结果可看出，在同一试验条件下抗压强度和水泥用量呈现明显的正相关性，随着水泥用量的增加，骨料层的抗压强度也相应的增加，增加水泥使用量可提供骨料试验样块的抗压强度，但由于水泥用量的增加势必造成工程造价，因此在实际施工中要重点考虑水泥用量，优化工程造价成本。此外从试验结果还可看出，水泥用量和孔隙度成反相关，随着水泥用量的增加，骨料模块的孔隙度逐步减小，当水泥配比方案用量为450g/cm3，其试验孔隙度可以达到30%，当水泥配比方案用量达到350g/cm3，其试验孔隙度高于30%，不同水泥用量下其孔隙度具有较为明显的差异度。

2.3 植物生物量指标受生物基质的影响试验结果

以高冰草为例，探讨了生物基质不同菌群对植物生物量指标的影响，试验结果见表5。

表5 生物基质对各植物生物量的影响试验结果

植物生物量可以从单株重量和分蘖数进行其叶面和总体草量两个指标的反映，从试验结果可看出，采用高剂量的生物基质菌落下高冰草的显著度高于其他试验组，其他组试验单株重量差异度较小，正常生物基质菌落剂量下，分蘖指标和正常施普通有机肥处于同一个水平，均低于采用高剂量的生物基质菌落，分蘖指标要高于对照组。从试验结果可说明生物基质菌落的用量可以将植物生物量进行显著增加。

2.4 骨料层抗冻性能试验结果

考虑到北方地区的气候寒冷特点，对骨料层模块进行了28天的养护后，该试验模块的骨料层混凝土配比为0.34，对试验模块进行了冻融循环试验，并对不同循环次数下的质量损失度和强度损失率进行了统计分析，结果见表6。

表6 骨料层的抗冻性能测试结果

从试验分析结果可看出，冻融循环次数和骨料层模块的质量损失度和强度损失量呈现明显的正相关，质量损失度和强度损失率均随着冻融循环次数的增加而递增，尤其是在冻融循环次数达到150次以上时，其质量损失度和强度损失率变化较为明显，抗冻等级可达到F200标准，在北方地区要推广和应用该项生态修复技术，需要对其混凝土的抗冻性能进行设计，通过增加活性的矿物掺合料来提高生物基质骨料层模块的抗冻耐久性能。

2.5 植物生态修复效果调查

在试验区进行了为期3个月的生态修复后，对试验区各调查样范围内播种的植物进行了调查，并对自然恢复区植物的品种进行了调查，试验区采样植物品种调查结果见表7，对比自然恢复区的植物调查结果见表8。

表7 试验区生物基质下植物生态修复效果调查结果

表8 未采用生物基质对比区植物调查结果

图1 试验河段生态修复效果

试验区在进行不同植物群的播种后，在同一个自然生态恢复区，设置了植物生长对比区，从而对比分析采样区植物生态修复的效果，通过近3个月的植物生长观察试验，对试验区内播种的植物进行了调查，调查结果见表7，相比于对照区自然生态下的植物调查生物量见表8，采样生物基质进行河岸生态修复后，植物种类、覆盖度、以及高度均较自然生态下的植物有明显改善，植物种类也到不同程度的丰富，各类植物的单株数量也得到显著增加，试验河道生态修复效果如图1所示，从图中可看出，采用生物基质技术进行河道生态系统修复后，植物量增加显著，此外对试验骨料层模块进行了采集，经过28天的养护期后，进行室内抗冲刷的试验，其总体抗冲刷能力可达到6m/s。

3 技术潜力和优势分析

3.1 在辽宁地区的应用潜力分析

通过对生物基质下河流生态修复技术进行试验、检测以及植物生态修复效果的试验分析，该项技术可结合辽宁地区气候、土壤以及实际施工条件，在中小河流和城市段河流生态修复中得到应用和推广，本文分析的植物组合适合于辽宁地区的气候特点，在完成工程措施后可以保持播种植物的生长效果，此外本文试验分析的骨料层混凝土配比为0.34，其孔隙度可达到29.6%，抗压强度7天和20天可分别达到12.2MPa和14.7MPa，并可达到抗冻等级可以达到F200标准，可以满足辽宁地区冬季气候寒冷、防冲需求。技术整体在辽宁地区尤其是东部山区具备推广和应用的潜力，此外采用BSC-WY03添加剂后，可以用普通水泥用量、骨料配比不进行调整的前提下，其抗冻等级也可达到F200标准，在北方寒冷地区工程实际应用能力较好。

3.2 相比于传统生态混凝土技术的优势

基于生物基质的河道治理生态修复技术可以有效提高土壤的生物菌落，增强土壤的活性，提升土壤的物理和化学指标。活性菌落在基质层中具有较高的丰富度，使得土壤中各类有机污染物及有机物可以生产满足植物生长所需要的的养分，避免采用有机化肥对水体产生的二次污染，即达到水质环保要求，也可符合河流生态景观的需求，可以维持植物长期良好的生长状态，持续较长的生态效应。针对治理区域进行多样性和专业化的生态植物播种，对区域植被生态效果修复十分有益。由于在生物基质上采用多种保水、保肥材料使得植物生长具有良好的效应，从试验区和对照区域植物修复效果对比分析表明生物基质技术对区域植被修复具有较明显的效果，对于河道治理而言，即保障防洪安全的同时又具备了较好的生态效果。