人工生态护岸技术研究与应用进展

邓灵敏 聂文婷 张志华

摘 要：传统的硬质护岸如浆砌石护岸、混凝土护岸造成河流形态平直化、阻碍了流域内水和营养物质的交换，同时随着河流污染程度的增加，河流生态环境受到了影响。人工生态护岸兼具护坡及生态修复功能，在河岸治理工程已得到广泛的应用，本文在总结国内外人工生态护岸发展现状的基础上，对当前人工生态护岸的類型、生态修复及护坡技术、国内外应用情况进行了梳理，指出了目前存在的若干问题，并对未来发展趋势进行了展望，以期为人工生态护岸的研究提供科学依据。

关键词：人工生态护岸;生态修复;河岸治理;水体净化;防洪

中图法分类号：TV861                文献标志码：A                 DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0608

河岸带是陆地与水系的交汇区域，具有重要的生态功能，如水源涵养、水土缓冲、微气候调节[1]等。然而，河流冲刷通常导致河道淤积、岸坡滑塌，同时强降雨引起水土流失[2]，因此需对岸坡采取防护措施。传统河岸防护工程主要包括浆砌石护岸、石笼护岸、混凝土护岸等，虽然在一定程度上减缓了河水对岸坡的冲刷，但由于其平直的结构、单一的材料阻断了河流岸坡与空气、水之间的交互联系，破坏了水生生物、水体环境与岸坡之间的营养交换，影响到了河流的生态功能[1]。此外，河流还面临另一个主要威胁，即污染物排放，这可能会使河水从清澈的、以植物为主的状态转变为以藻类为主的混浊状态[3]。河流护岸对河岸带生态环境有着重要的影响，因此如何既实现岸坡稳定又能维持生态环境平衡是当前面临的难题[4]。

在此背景下，兼具护坡及生态修复功能的生态护岸应运而生，在河岸治理工程中已得到广泛的应用和延伸。生态护岸采用人工与生态材料结合的方式对河岸进行改造，实现岸坡稳定的同时又能维持生态环境平衡[5-6]和河流自我修复能力[7-9]。目前，根据人为干扰程度将生态护岸分为自然生态护岸和人工生态护岸两大类型[10]。自然生态护岸指实施少量的人工措施保持其自然状态或直接将受损的护岸恢复成原有自然状态的护岸技术，适合于缓岸坡，但抗冲刷能力较差;人工生态护岸则利用工程措施，结合天然或人工特殊材料，形成生态护岸结构，既有较强的抗冲刷能力，又适宜于植物、微生物生长，较广泛地应用于各类河岸治理工程中，具有较高的研究和应用价值。

1   人工生态护岸理论研究

国外对于人工生态护岸的研究最早起源于1938年，德国科学家Seifert提出近自然河溪整治概念[11]。20世纪中叶，以德国为首的近自然河道治理工程学[12]成为早期生态护岸的主要理论基础。进入80年代后，欧洲将此理论应用于岸坡设计中，更注重于河流岸坡的自然生态属性[13]，减少硬质材料使用。美国进一步完善了此理论，通过“土壤生物工程”研究，发展了一套生态护岸的技术理论体系和施工技术[14]。90年代初期，日本也开始发展和实施河流护岸理论，进行了“多自然河川计划”，为已有的理论框架提供了更多的生态护岸施工案例和结构形式[15]。

我国人工生态护岸的研究受西方关于生态理念的影响，最早始于20世纪80—90年代，在借鉴国外生态护岸理论的基础上，开展相关理论研究。董哲仁[16]提出了生态水工学的概念，陈明曦等[17]定义了生态护岸，即在河流生态系统的基础上采用河流动力学实施的水利设施。同时，随着水利工程的进一步完善，越来越多的河流护岸采取了人工生态护岸形式，并开展自主研发和实验，在国内大中型城市进行探索和研发，如江苏[18]、北京及广州等[19]。

人工生态护岸常用型式按主要材料不同分为石笼类护岸[20-21]、土工材料护岸（三维土工网垫、土工格栅、土工膜袋等）[22-24]、介质筛护岸[25]、生态混凝土护岸[26-28]、生态砖类护岸（链锁式生态砖块护岸、自嵌式生态砖植被护岸等）[10]等。随着人们对环境要求的日渐提高，生态护岸越来越广泛应用于江河湖海、城市及小流域治理等各种护岸工程中。

2   人工生态护岸生态修复技术研究

人工生态护岸生态修复功能主要体现在水体的净化能力，护岸中的植被具有净化富营养水体中的氮磷等多方面功能，其主要机理为在一定条件下，护岸中的水生植被的根、茎、叶能吸收水体中的富营养化物质如氮磷及重金属等有害物质，以达到净化水体的目的，同时也满足了自身生长的营养需求[29]。根据此机理，专家学者对其生态修复能力进行了系列研究。

现场实验发现，自嵌式植生挡土结构生态护岸通过减速水体中的富营养物质，使其沉积在挡墙内孔中，提供植物生长所需营养，起到了良好的净化效果[30]。同样地，沉管护脚结合无砂混凝土护岸[31]利用其内部孔隙，为水生动植物提供生存空间及营养，既净化了水体同时也保证了水生动植物的生长。王万忠等[32]通过采用骨料交联法制备了具有较高透水率的多孔生态砌块，研究了所制备的不同骨料粒径的生态砌块的透水率、比表面积等对水体中硝态氮去除率的耦合效应，最后发现多孔生态砌块对硝态氮的去除率最高可达90.3%。王玉中[33]采用“生态护岸+湿地植物配置+生物飘带”的河道原位生态修复组合工艺方案，使得河道的碳氮磷指标达到了水环境III类标准。Yuan等[34]研究了4种不同类型的生态混凝土减缓地表径流和溶解有机质的功能，得到了净化效果最好的生态混凝土类型。

3   人工生态护岸护坡技术研究

人工生态护岸的护坡能力主要表现在抗冲刷、消浪挡浪及降低流速等方面，国内外学者对不同的生态护坡形式的护坡能力做了相关研究。

仝道斌等[35]在对铰接式生态护坡块的研究中发现，该类型生态护坡通过坡面植被软覆盖，减弱了河道水流对坡面的直接冲刷，同时护坡中植被根系通过“加筋”作用增强了土体的整体结构，增加了表面的抗侵蚀能力。李海东等[36]研究的植被型生态混凝土由多孔混凝土、保水材料、缓释肥料和表层土组成，整体稳定性好，抗冲刷能力强，适用于大流速区段。黄岳文[31]在对沉管护脚结合无砂混凝土护坡的研究中发现其具有良好的抗冲刷能力，在没有发生较大冲刷的情况下，护坡结构不会发生滑动破坏。李仟等[37]对仿真草皮和三棱砖组成的生态护岸进行室内模拟研究，得出了不同形式下水流紊动能的相关规律。

另一方面，各学者经过现场布设生态护岸并加以实验观测发现，植被带越宽，消浪挡浪的能力越强[38];岸坡种植红树林可以有效削弱波高、波浪在河岸上的爬高及波浪力[39-40];盐沼护岸比直立挡浪墙等硬质工程措施防护效果更好[41];采用三维土工植被网护坡[14][42]，可以明显提高固土阻滞率，提高承受暴雨冲刷能力，同时抵御较大流速的水流冲刷，显著降低流速;另外，某些特定植物能有效降低土壤孔隙水压力[43]。邢振贤等[44]进行现场试验观测，发现无砂大孔混凝土在防冲刷性能上表现优异，同时具备一定的景观效果，能较好地发挥护坡的生态和护坡功能。

4   人工生态护岸应用进展

4.1   河道应用

在国内的河道生态护岸工程实例当中，广州市河涌整治工程[18]采用无砂混凝土植草皮及三维土工网垫植草皮护坡对河岸进行了整治;天水市将三维土工网垫、无砂混凝土护坡技术应用于滨河景观工程，不仅具有防洪效果，保证了护岸的整体稳定，还创造了较好的生态环境;丽水市瓯江堤防工程[45]采用绿化混凝土、三维植物网等多种生态护岸措施，保证了防洪安全，也对环境起到了修复作用。同时，生态护岸也在我国上海、浙江、山东、江苏、安徽、辽宁、广西、福建、天津、吉林等多省（直辖市）得到成功应用。

在国外的应用案例中，发展较为成熟的国家为日本，根据地理、水文和环境等实际情况，对河流护岸采取了针对性防护措施。如在土生川、加纳川、本明川的治理工程中[15]，针对坡度大、水流急等特点，对边坡采取综合生态护坡型式，如干砌石、半干砌石等，配合以适合当地生长的植生物，使得河流的防洪及生态有了明显好转。

4.2   海岸应用

在国内海岸生态防护方面，江苏省在黄河口附近海岸的护坡建设工程中[46]，采取混凝土膜袋护坡结合互花米草的形式，起到了抵抗风浪及防护岸坡的效果;辽宁兴城对河口海岸湿地进行了整治[47]，主要采用种植大量盐生植物结合疏通潮沟、填埋低洼地方案，既起到了海岸带防冲刷作用，又构建了良好的海岸生态防护带。

在国外海岸生态防护方面，荷兰的北海海峡防护工程[48]，采用挖沟、开孔洞的混凝土，吸引海藻和水生生物栖息，同时养护海岸湿地，营造了防护和生态为一体的海岸生态防护工程;美国纽约市[49]建立了复合型护岸体系，主要包括人工湿地和海洋森林、人工珊瑚礁、人工防波堤群、航道浅化、生态效益强的护岸、生物岸线六大方面;新加坡[50]创新实施的预制混凝土人工潮汐池可以提供多种海洋生物居住地，同时也减缓了海浪对海岸坡面的冲刷。

5   存在问题及发展趋势

5.1   存在问题

（1）目前国内外研究主要集中于生态护岸的生态修复能力，对于护岸防洪、护坡、整体稳定性等基本功能未进行细致深入的研究，未形成一套完整的力学体系。在大型江河护岸的建设过程中，如果盲目使用生态护岸将可能导致滑坡及地质灾害等一系列的安全问题。

（2）国内无相关施工规范，针对不同型式的人工生态护岸，在实验及科学论证的基础上，应建立一套适用于不同环境下的人工生态护岸的施工技术规范及标准，用以指导工程实践。

（3）实际的河流护岸中，种植于生态混凝土上的植被因人工材料的酸碱性、透气性、滑移等问题，未得到营养的有效供给而导致大面积枯萎。故需进一步考虑结构—土体接触机理、施工工艺、透水性能、透气性能以及岸坡整体稳定性等问题。

5.2   发展趋势

从国内外有关研究和技术发展趋势来看，生态护岸的核心思想仍是在满足防洪要求的前提下，对河道进行生态修复，提高河流的净化能力，营造河流岸坡的生物群落多样性。同时，人工生态护岸从小型水渠到江河再到湖泊甚至海岸等领域的应用越来越广泛，应用的材料种类、护岸类型层出不穷，产生的成果随着人类对于护岸经济、安全、生态标准需求的提升而进一步丰硕。同时随着人工材料、科学实验和工程经验的进一步优化，生态护岸的标准和质量会进一步提升，最终会实现人—防洪—生态为一体的生态护岸的新型工程体系，对造福人类、造福后代具有非常深远的意义。目前，生态护岸研究有如下发展趋势：

（1）多学科交叉更为普遍。生态护岸从最初的植被与工程相结合发展到如今多元化、多学科交叉，经历了漫长过程。目前的生态护岸涉及水土保持学、材料学、土力学、水力学、土壤学、植物学、环境学、机械工程学、生物工程学、美学等多学术领域，将会孕育出更加成熟和完整的生态护岸理论体系，指导复杂、未知的实际河道环境下的生态护坡建设，使生态护岸技术具有更强的适应性。

（2）新型材料研发更为频繁。面对复杂的实际河流岸坡环境，相适应的护岸材料也越来越多地被研发和应用，但仍然无法满足实际工程建设需求，仍需进一步对护岸材料进行实验和创新，在今后的河流护岸建设中，多种新型材料将会被广泛应用。

（3）量化分析与评价标准更为成熟。目前的生态护岸在实际设计和建设过程中，因过于依赖实验及经验，缺乏具体的量化标准，从生态修复效果、防洪效果上无法对其优劣进行有效評估，修建质量因施工经验而参差不齐。随着人们对生态护岸的需求进一步提升，定量化的评估指标与体系也将会建立，在总结经验、理论的基础上，结合实际工程背景和立地条件，有效指导设计阶段、施工阶段的生态护岸建设过程。

综上，随着生态文明建设的进一步深入，新材料、新技术、新理论的出现，生态护岸将会被进一步应用于各大江河湖海岸坡中，产生巨大的社会效益、环境效益和经济效益。

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收稿日期：2021-10-25

基金项目：湖北省自然科学基金（项目编号：2021CFB129）;

中央級公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（项目编号：CKSF2021446/TB）;

中央级公益性科研院所基本科研业务费（项目编号：CKSF2021744/TB）

作者简介：邓灵敏，男，主要从事水土保持工作。E-mail：499826576@qq.com

通讯作者：张志华，男，主要从事水土保持与生态修复工作。E-mail：zhangzh@mail.crsri.cn

Review on the Research and Application of Artificial Ecological Revetment Technology

Deng Lingmin1，2    Nie Wenting1，2    Zhang Zhihua1，2

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;2.Engineering Technology Research Center for Mountain Flood Geological Disaster Prevention，Wuhan 430010，China）

Abstract：The traditional hard revetment，such as masonry revetment and concrete revetment，causes the river morphology to be straight and hinders the exchange of water and nutrients in the basin. At the same time，with the increase of river pollution，the river ecological environment is affected. Artificial ecological revetment has the functions of slope protection and ecological restoration，and has been widely used and extended in river bank control projects. On the basis of summarizing the development status of artificial ecological revetment at home and abroad，the structure types，ecological restoration technology，slope protection technology and application situation at home and abroad are summarized，and the existing problems and some researches in the current research are pointed out In order to provide scientific basis for the research and development of artificial ecological revetment.

Keywords：artificial ecological bank protection;ecological restoration;river bank management;water purification;flood control