永定河流域(北京段)不同生态护岸形式坡面侵蚀及面源污染特征

李 凯，程金花†，祁生林

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北京市水影响评价中心，100071，北京)

生态型护岸又被广泛称为人工自然型护岸，是在原河岸上模拟和加强天然河岸的生态功能[1]。生态护岸可以实现传统的护坡功能的同时促进河道水土的相互渗透，减少对生物生存环境的破坏，具有一定的自然景观效果[2]。

生态护岸的发展是从近自然河道治理开始的。在国外，德国对河道生态整治的研究和实践起步最早。早在1938年，德国学者Seifert率先提出“近自然河溪整治(near natural torrent control)”的理念[3]，即河道整治工程要遵循植物化和生命化的原理，要维护、同时创造河流的生态多样性[4]。Odum[5]在20世纪60年代第一次提出“生态工程(ecological engineering methods)”的概念，这一概念的提出使“进自然河溪整治”得到了更深一步的解读。日本在20世纪90年代提倡 “生态河堤”，用具有生命的植物材料或将其与土木工程等非生命植物材料相结合的方式，以增强坡面的稳定性和控制侵蚀[6]。近些年，我国也开始重视生态护岸的理论研究和实践探索。郑天柱等[7]用生态工程学的理论探索讨论河道生态恢复的机理；陈明曦等[8]认为生态护岸的中心是河流的生态系统；董哲仁[9]提出“生态水工学”的概念。这些生态护岸实践既保证河岸的稳定性又给予植物足够的生长空间，达到了良好的生态效果。

据卫星遥感数据显示，在2013年永定河中下游段341.31 km2的区域内植被覆盖度45%以上的植被占区域面积的46.44%[10]。根据北京市水务部门调查，由于气候条件干旱，来水量不断减少，致使永定河下游河道断流多年，永定河河道内干涸沙化，沟壑遍布，河床裸露，由于缺水时间较长，植被覆盖度和成活率低，植被成活率约为60%，河道生态环境亟需恢复[11]。若为永定河下游段通水恢复植被，则需要对现有河道进行治理和防护。目前大多的河道防护工程采用硬质护岸，为生态环境的恢复造成了极大的困难。据统计[12]，城市河道采用硬质砌护后，水生物也只相当于原来的50%，沿河生物种类也减少70%以上。相对于传统护坡工程而言，生态护岸有助于对径流水质的改善[13]。生态护岸旨在创造良好的生物生存环境，以及绿色的自然景观，满足水利和行洪需要的同时也为水域和陆地之间相互涵养的过渡地带[14]，建造生态护岸是永定河流域(北京段)河道治理的最优选择。

笔者把生态护岸与护坡的研究进行有机结合，通过测定不同护岸配置下的产流量、泥沙量、流速、流深以及水样的面源污染指标，研究5种护岸材料的减流减沙效益以及复合护岸形式与单一护岸形式的生态防护效果差异，同时探究不同生态护岸形式的坡面水动力学特征，研究永定河流域(北京段)不同生态护岸形式的生态防护效果。

1 研究区概况

永定河水系流域面积4万7 016 km2，其中山区为4万5 063 km2，占95.8%，平原1 953 km2，占4.2%。流域内有山西、内蒙、河北、北京及天津5省(市)和自治区的43个县(市)，人口720万人，耕地面积2 200 hm2。

流域内多年平均降水量在360～650 mm之间，多年平均降水量约650 mm，官厅到三家店一带是暴雨中心，多年平均降水量450～650 mm，北京及河北平原地区多年平均降水量在600 mm左右。

永定河流域(北京段)年水土流失模数约2 000 t/km2，治理度约为50%，干枯河道部分岸坡由于土质疏松、植物稀少、土壤条件差等原因使得存在大量的裸地，水土流失严重，雨滴直接击溅与大量水分快速下渗导致河岸带结构极易被破坏。该流域下游土壤属砂质土壤，含沙量多，黏粒少，土质松散，有机质含量较少，土壤孔隙度40%～50%，毛管孔隙度35%～45%，非毛管孔隙度5%～10%，土壤持水能力尚可，通气性良好。

2 材料与方法

2.1 野外径流小区分布及生态护岸布置形式

径流小区是定量研究坡地水土流失规律和小流域水土流失规律常用的一种测验设施，试验规划时可以尽可能地保持原有土壤地形等状态[15]。传统的径流小区是将径流小区与集水区、沉沙池分开，将集水设施布设在小区下方边缘，使径流和泥沙通过输水管输送到沉沙池。实践中发现集水槽、输水管都不同程度地存在着泥沙淤积，清理淤积的泥沙费工费时，也会影响到下一次降雨径流泥沙测量[16]；因此，本研究采用的简易径流小区设计在传统的径流小区结构的基础上，省去集水槽、输水管，把小区与集水沉沙池连在一起，中间设一道截水墙，让小区所产生的径流泥沙能直接越过截水墙的刃部流入集水沉沙池中[17]。

试验于2019年7—9月进行，选取河北省廊坊市固安县东北村永定河沙质河道布设本次研究径流小区。设置13个长5 m、宽2 m的野外标准径流小区，其中10个1∶2边坡比的野外径流小区，3个1∶1边坡比野外径流小区，每个坡比包含1个裸坡空白对照径流小区。简易径流小区布设如图1所示。

图1 简易径流小区布设图Fig.1 Simplified layout of runoff plot

护岸材料主要包括松木桩、带草籽生态袋、土工格栅网、石笼、自然石(表1)。

表1 不同生态护岸形式径流小区布置情况Tab.1 Arrangement of runoff plots in different ecological revetment measures

2.2 径流小区取样测定

试验开始前用水多次喷洒径流小区至坡面即将产流，试验开始待坡面产流后用1 L/瓶收集径流泥沙样品，每1 min为1个样品，间隔1 min再接取，产流后30 min停止实验，每场试验共计收集15个样品。试验过程中坡面径流流速的测定采用高锰酸钾染色剂示踪法，将坡面分为3段，坡上(0～1.5 m)、坡中(1.5～3.0 m)和坡下(3.0～5.0 m)，于产流后10和20 min分别测量上、中、下3段坡面的流速，测得平均值乘以层流、过渡流和紊流的修正系数，即可得到不同流态的坡面平均流速[18]。测量流速时间点的同时用钢尺测定3段坡面的径流深度后取平均值分析。分别于试验开始和结束使用温度计测定水温，平均值计算水动力黏滞系数。每场试验设置2次重复，取所得数据均值进行分析。

收集的样品用于测定径流量及产沙量，应用方程计算各径流小区对于空白对照小区的径流、泥沙拦截率、坡面径流雷诺数以及弗劳德数。

(1)

式中:N为径流拦截率，%；n1为对照径流小区产流量，L；n2为有护岸措施径流小区产流量，L。

(2)

式中:M为泥沙拦截率，%；m1为对照径流小区产沙质量，g；m2为有护岸措施径流小区产沙质量，g。

(3)

式中：Re为径流雷诺数；η为水的运动黏滞系数，m2/s，η=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2)，t为水温，℃；v为流速，m/s；h为平均径流深，m。

(4)

式中：Fr为弗劳德数；g为重力加速度，m2/s。

3 结果与分析

3.1 径流小区产流产沙状况

本研究设定0.20、0.50和0.75 m3/h 3个放水流量，模拟小雨、中雨、大雨降水情况下汇流后对岸坡的冲刷，每场试验设置2组重复，将各径流小区不同护岸形式下的径流量以及泥沙产量作为监测指标进行分析研究，对不同护岸配置形式的保土保沙能力进行评估。对3个放水流量不同护岸形式产流产沙进行分析如图2、图3和图4所示。

图2 0.20 m3/h放水流量下各径流小区径流产沙量Fig.2 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.20 m3/h discharge flow

图3 0.50 m3/h放水流量下各径流小区径流产沙量Fig.3 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.50 m3/h discharge flow

图4 0.75 m3/h放水流量下各径流小区径流产沙量Fig.4 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.75 m3/h discharge flow

将各个径流小区在3个放水流量下的径流产沙量与空白对照小区进行对比，获得不同护岸形式的减流、减沙效率，结果如表2所示。

表2 各径流小区3个放水流量下径流泥沙削减率Tab.2 Reductions of runoffs and sediments under three discharge flows in each runoff plot

在3个放水流量冲刷试验中，小流量下，土工格栅网护岸对径流拦截的效果好于自然石护岸，生态袋护岸拦截效果好于石笼护岸和松木桩护岸，而大流量下，自然石护岸拦截的效果好于土工格栅网护岸，松木桩护岸拦截效果好于石笼护岸和生态袋护岸。在0.20 m3/h流量下，5种生态护岸材料径流小区的径流量表现为自然石>土工格栅网>松木桩>石笼>生态袋，随着放水流量的增大，径流量规律发生变化，在0.75 m3/h流量下，5种生态护岸材料径流量表现为土工格栅网>自然石>生态袋>石笼>松木桩。0.20 m3/h流量下，5种材料的生态护岸径流小区泥沙量表现为土工格栅网>自然石>石笼>松木桩>生态袋，而在0.50和0.75 m3/h流量下表现为土工格栅网>自然石>松木桩>石笼>生态袋。在小流量下对径流拦截效果最好的是生态袋，大流量下松木桩效果更佳。对径流泥沙拦截效果最好的护岸材料是生态袋。

复合配置的护岸形式减流减沙的效果要比同种材料单一配置形式效果好，并且3种生态袋的复合配置护岸减流减沙效果在9种护岸形式中最好，3种配置减流效果相近，减沙效果较好的是生态袋与松木桩复合护岸形式和生态袋与石笼复合护岸形式，土工格栅网与生态袋复合形式护岸的减沙效果相对差些。

1∶1坡比条件下石笼护岸对径流削效果率比生态袋护岸好，但泥沙削减率远不及生态袋护岸。

3.2 水动力学特征

在坡面水流侵蚀力的作用下，坡面侵蚀形态随着冲刷时间的延续不断发生变化，从而使坡面水流的水力学特性在侵蚀过程中也不断发生变化，在坡面侵蚀的过程中，坡面水动力学参数及水流流态的变化对坡面侵蚀过程有着重要的影响[24]，分析不同护岸形式的径流小区在3个放水流量下的径流雷诺数和弗劳德数如表3所示。

从表3可以看出，9种生态护岸形式下弗劳德数均>1，雷诺数均<500，说明本试验的坡面流属于急流状态，在流态上均表现为层流。3种放水冲刷强度下，生态护岸的布设使得雷诺数相对于裸坡空白对照增大、而弗劳德数则表现为减小，这说明生态护岸的布设具有明显的减缓流态、流型的作用。不同护岸布置形式径流小区的径流弗劳德数随冲刷强度增大而逐渐增大，出现这种趋势的主要原因是水流在从坡上向坡下运动的过程中,流速是不断增大的,径流惯性力占有的比例在径流重力和惯性力的对比关系中越来越大,径流惯性力的增大意味着扰动土体的能量增大,反映在坡面侵蚀方面产沙量增大。5种护岸材料的平均弗劳德数表现为土工格栅网>自然石>松木桩>石笼>生态袋，复合配置护岸减缓流态效果最好的是生态袋与石笼复合配置形式。

表3 各径流小区3个放水流量下水动力学特征Tab.3 Hydrodynamic characteristics of three runoff discharges in each runoff plot

3.3 面源污染指标削减效果

0.75 m3/h流量下，不同护岸配置形式的径流小区面源污染指标平均削减率如图5所示。

图5 0.75 m3/h放水流量下不同护岸形式径流小区面源污染指标削减率Fig.5 Reduction rates of non-point source pollution indicators for runoff communities with different revetment measures under 0.75 m3/h discharge flow

1∶2坡比下9种生态护岸形式对TP、N和有机物含量的消减率较高的前3种均为：生态袋与松木桩复合护岸、格栅覆土与生态袋复合护岸、生态袋与石笼复合护岸。对照空白小区，不同护岸配置形式对COD和BOD5面源污染指标的削减率均>35.1%，生态袋复合护岸形式的削减率>73.5%。

4 讨论

在本文中5种护岸材料在野外径流小区放水冲刷试验的减流减沙效果中生态袋效果最好，土工格栅网和自然石减流减沙效果皆不理想，这与王越[25]对于北京永定河现有生态护岸进行综合评价分析后所得结果一致。复合型护岸的减流减沙效果以及对面源污染指标的减缓作用都要好于单一的护岸形式，同时与植被复合应用更能恢复生态河道的生物多样性和特殊性，实现生态效益、社会效益与经济效益的有机结合[26]。

在与空白径流小区的对照比较中，护岸的布置增加了径流的紊动，使得径流雷诺数相对空白对照小区升高，而弗劳德数相对于空白对照小区降低。坡面径流弗劳德数和雷诺数随着放水流量的增加而增加，这是因为冲刷强度增大使得水流的紊动性增大，惯性力作用增强，扰动水体使其脱离规则运动，冲刷作用变大，从而使得侵蚀产沙量增大[27]。

笔者从各生态护岸形式对面源污染指标的削减效果可以得出生态护岸具有显著地面源污染控制效果，从削减率看出，氨氮的削减率大于氮的削减率，且总氮的削减率大小序列与径流削减率相似，总磷的削减率大小序列与泥沙削减率相似，从吴东等[28]的研究可以得出：硝态氮、铵态氮的输出主要是通过地表径流，总氮和总磷的输出主要通过泥沙。

由于本研究试验于室外进行，易存在不确定因素引起研究结果存在差异。每次试验开始需调整溢流槽的平衡使溢流均匀，试验中观察到水流从溢流槽中溢出后易向风向方向偏移促使汇流使部分坡面冲刷加剧，同时选地而建的径流小区虽保留了原有的土壤地形状态，但每个径流小区仍存在些许差异，上述因素引起的试验结果差异仍待探索研究。

5 结论

2)复合配置形式的护岸对比单一配置形式护岸的减流减沙效果以及对各指标的减缓效果都更优秀，其中生态袋与石笼复合配置效果最好，比单一生态袋护岸对照空白径流小区径流削减率平均提高27.98%，泥沙削减率平均提高16.49%。在永定河河道生态修复中，建议将2种或以上护岸材料同植被复合用于护岸，以提高水土保持性能及生态稳定性。

3)护岸的布置增加了岸坡径流的紊动型，致使雷诺数相对于空白对照小区增大，而泥沙产量随弗劳德数减小而减小。伴随放水流量的增大，径流雷诺数和弗劳德数均呈现增大的趋势，泥沙产量随弗劳德数增大而增大。