農村河道治理中的護坡材料及技術應用實例

謝三桃,朱 青,2

(1.安徽省水利水電勘測設計院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省水資源利用與水環境保護工程技術研究中心,安徽 合肥 230088)

農村河道治理中的護坡材料及技術應用實例

謝三桃1,朱 青1,2

(1.安徽省水利水電勘測設計院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省水資源利用與水環境保護工程技術研究中心,安徽 合肥 230088)

針對當前國內農村河道治理中護坡材料及其應用方面存在的一些爭議,從河流生態修復與護坡功能等角度,指出河道護坡由坡腳、河岸、堤坡3個基本要素構成,探討了護坡生態構建的概念與內涵,歸納分析了國內外目前相對先進的護坡材料的類型、使用方法及適用范圍,提出了復合型材料構建護坡生態功能的方法,并將河道護坡生態構建運用于不同區域農村河道工程實例。結果表明，河道護坡生態構建是對不同護坡材料的最優化組合和應用,可為農村河道綜合治理提供理論和實踐參考。

農村河道;護坡材料;護坡功能;生態修復

農村河道是指發源于農村區域或流經農村的自然河流,廣義上也包括人工開鑿的引水、灌溉或排水的溝渠。天然的農村河道具有平面形態自然、水質條件良好、生物多樣性豐富等特點,是農村生活與生產不可或缺的自然資源,不僅承擔著防洪、排澇、灌溉、生態、景觀等功能,發揮著生物生長、棲息及繁衍等生態廊道作用[1],同時還傳承著棲居在沿河兩岸人們的歷史文明,寄托著游子對故鄉的思念情結。從人類生存學和景觀生態學的角度來說,鄉村河道作為農村重要的自然資源和環境載體,關系到農民生存,影響著鄉村發展,是塑造鄉村風貌和改善宜居環境的重要因素[2]。

20世紀八九十年代,受傳統治水理念的影響[3],在我國河道治理過程中,河道被侵占或裁彎取直、兩岸采用混凝土或漿砌石襯砌、渠化等現象較為嚴重,形成“千河一面”的局面,河流岸邊生態環境遭破壞，棲息地消失，河流形態自然性與多樣性減少以及適宜性和美學價值降低[4]。近年來,我國加大對生態水利工程的投入,開展美好鄉村的建設,各地掀起了農村中小河流綜合治理的熱潮；而河道護坡作為河流的重要組成部分,為避免重蹈以往城市河流的治理模式,根據區域鄉土氣息特點及其生態服務功能需求,開展農村河道治理中護坡材料與生態構建的研究,對于美好鄉村建設及其河道生態保護具有十分重要的意義。

當前,國內外對河道護坡構建技術開展了很多研究,例如生態混凝土護坡、三維植被護坡、石籠護坡等,并將這些護坡統稱為“生態護坡”。其實,生態護坡是一個泛指的概念,國內外學者對其稱謂與內涵的研究仍存在一些不明確的問題和爭議,而究其根本,生態護坡技術就是對河道護坡生態構建材料與方法的應用。鑒于此,本文著重從河流生態修復與護坡功能等方面,探討護坡生態構建的材料及其使用方法,并結合不同類型的農村河道護坡工程案例,介紹護坡生態構建的實踐效果,為農村河道綜合治理提供理論和實踐參考。

1 河道護坡功能及構成

1.1 河道護坡構成要素

圖1 河道護坡構成要素及其空間分布

河流廊道中的護坡是河流的基本組成部分,廣義上的河道護坡由坡腳、河岸、堤坡3部分組成(圖1)。其中,坡腳是指維持岸坡穩定的基礎結構部分,一般采用拋石、石籠或木樁進行固基,防止河水的淘刷;河岸是指平水期水陸交錯的區域,一般由駁岸與河漫灘構成,駁岸是指水體邊緣與陸地交界處的構筑物,保護河岸穩定,防止水土流失及河岸崩塌；河漫灘是指在平水期水位消落、泥沙沉積而形成的天然灘涂地,該區域通常是水草豐茂區域,適宜植物的生長和生物的棲息,同時也是人類親水活動較為頻繁的區域。堤坡是指防御一定洪水標準的坡面體,坡體為土工結構,坡面一般采用植物或硬質材料進行防護,主要防止雨水、洪水、波浪沖刷。三者是有機結合的整體,缺一不可,共同承擔著河道護坡穩定及生態保護的作用。

1.2 河道護坡功能

傳統的河道整治工程對于河道護坡技術的應用存在一定的誤區,重防洪輕生態,重景觀輕自然,多采用鋼筋混凝土或花崗巖等材料將河道包裹成銅墻鐵壁式的行洪通道、打造成雕欄玉砌的園林景觀廊道[5],究其原因是未將河流作為一個有機的生命體來認識,對河道護坡構成要素的功能界定不清。筆者認為,河道護坡功能應從岸坡穩定、生態服務、環境美化等角度統籌考慮,除滿足防止水流沖刷、淘蝕、維持堤岸穩定要求外,還須兼顧維護各類生物適宜生長、棲息和生態景觀完整性的功能[6]。

河道護坡功能首先是護坡,其次是生態。其護坡功能主要表現在:①減緩地表徑流對岸坡表面的侵蝕;②減小河岸水流流速，從而降低河水的侵蝕速度;③通過河岸植物根系增強河岸亞表層的強度,提高岸坡穩定性。河道護坡是河流生態系統與陸地生態系統進行物質、能量、信息交換的自然過渡帶,是由生物和生境結構組成的開放式系統,其生態功能主要表現在:①透水性的坡面結構具有滯洪補枯、調節生態水位的作用;②多樣的生境條件可為生物提供棲息、繁衍與避難場所;③通過護坡植物與微生物攔截、吸收、降解地表徑流攜帶的污染物,改善河道水體水質。“人水和諧共生”是治河之本,而河道護坡是承接人與水相親的重要紐帶,應具有一定景觀觀賞、親水及休憩等服務功能。

2 基于生態構建內涵的護坡類型

2.1 河道的生態修復與護坡生態構建

由式 （25） 分子小于0可知對C1的函數關系為減函數，即科技創新或者科研合作的費用對企業來說成為一種較大的負擔，特別是在銀行給予貸款優惠利率和非優惠利率一定的情況下，企業為了開展綠色化生產方式進行技術創新的意愿受到資金缺口和政府對金融機構的監管成本影響較大，資金缺口和政府監管機構的監管成本越大，企業轉向綠色生產化的意愿就降低的越快。

河流生態修復是當前中小河道生態治理研究的熱點之一,生態修復的理論和實踐也給環境和生態問題的解決提供了理論指導和技術支撐。國內外對河流生態修復及其相關的概念有不同的理解和做法,在歐洲的德國、法國、瑞士、奧地利等國,主要根據河流形態的特點和生物棲息繁殖的需求,采用一種近自然(close-to-nature)工法[7-8]對河流生態系統進行修復;美國生態學會主要從河流特定生態系統的結構、功能，生物多樣性及其變遷過程等角度,提出河流生態修復是一個竭力再現歷史上固有的河流生態系統的過程[9];國內董哲仁等[8-12]認為,河流生態修復需從改善河流水文條件、地貌條件、水質條件、維持生物多樣性等角度,在充分發揮生態系統自修復功能的基礎上,采取工程和非工程措施,促使河流生態系統恢復到較為自然的狀態,從而是改善生態完整性和可持續性的一種生態保護行動。研究者雖然對河道生態修復的定義方式不同,但是共同體現了河道生態修復的最終目的是促進河流生態系統的良性循環。河流生態修復的措施一般分為工程措施和非工程措施,其中工程措施包括水文情勢修復、水質改善、河流地貌修復和生物多樣性保護4大類;非工程措施包括管理制度、體制機制、監測與評估以及能力建設等4個方面。

河道護坡生態構建是基于河流生態功能提出的一種建設模式,即利用不同類型的護坡材料,在確保邊坡形態穩定的基礎上,構建生物生長與棲息的生態環境,并以此維持生態系統自我運行與修復。護坡生態構建的具體內涵包括:①在滿足行洪排澇功能的基礎上,保證岸坡穩定,防止水土流失;②河道護坡是一個開放式的生態交錯帶,有著較為完善的由初級生產者、消費者和分解者形成的生物群落及其良好的生存環境,并與周圍生態系統進行物質、信息與能量交換;③護坡生態構建是一個動態平衡的過程,通過營造多樣的生境條件,護坡內的生態系統能夠自我修復并能形成良性循環,適應和調節外界環境的動態變化。

表1 護坡生態構建常用的材料及特點

2.2 護坡生態構建的材料類型

目前國內外對于護坡生態構建的技術研究較為廣泛,應用類型有很多,且技術日趨成熟。根據護坡材料的不同可將生態構建的護坡分為草皮護坡、石籠(植石)護坡、植物梢料護坡、生態預制塊(混凝土)護坡、土工合成材料護坡等(表1),這些護坡材料在實際工程中都有應用。

以上常用的材料在護坡功能與使用方法等方面都有各自的特點和要求。草皮護坡是最常用的一種岸坡防護結構形式,它具有防止水流沖刷、改善生物棲息地及美化環境等多種功能,設計時應根據河道設計防洪水位與橫向邊坡大小,將草皮護坡布置在漫灘水位與洪水位之間或水流較緩的區域,在施工初期草皮未長成時需做好水土流失防治工作。石籠(植石)護坡多用于河道坡腳或河水流速較大的區域,具有很強的防沖和固基作用,設計中須驗算水流淘刷深度以確定塊石防護范圍,根據河道邊坡,必要時在坡腳設置擋墻,并按照滿足在水流和波浪作用下的穩定性要求確定面層塊石尺寸,塊石層下面必須設反濾層,從施工工藝要求出發,可采用拋石、干砌石、鉛絲石籠等材料和結構類型。植物梢料護坡是一種古老的岸坡防護生態工程技術,在梢料發育到一定程度后,這類結構不僅可促使河水泥沙淤積,有效減小河岸侵蝕,還能較快形成植被覆蓋層,恢復河岸植被和河邊生境,形成自然景觀。梢料材料一般利用長2～3 m、直徑約為10～25 mm的活植物枝條加工而成,枝條須平整碼放,并用活木樁或粗麻繩固定,面層可用少量塊石(直徑約20 cm)壓重,防止被洪水沖走。生態預制塊(混凝土)護坡是一種由鉸接形高強度預制混凝土塊鋪面的系統,具有很強的抗沖刷能力,預制塊中間設有孔洞或采用無砂混凝土,護坡結構具有多孔性和透水性,可改善岸坡棲息地條件。預制混凝土塊鋪面底部須設置反濾層和墊層,可選用土工布或碎石,生態混凝土構件的水灰比為0.2～0.25,正常pH值須控制在10以下,預制塊空隙間種植或自然發育形成的適宜植物類型為本土草,應避免種植灌木和樹木,以免其根系生長造成混凝土破損。土工合成材料護坡是一種生物或有機廢料再生利用的生態工程技術,主要產品有生態袋、植物纖維毯、抗沖生物毯等,這些材料具有反濾功能,既能防止內部營養物質流失,又能實現坡面上下水分、空氣等的交流,保證坡面植物的正常生長；設計中應考慮到生物材料或植物纖維降解和植被生長之間的關系,應保證織物降解時間大于形成植被覆蓋所需的時間,并根據水流沖刷力計算生態袋或植物纖維抗撕裂強度,一般撕裂強度應大于10 kN/m,草籽應選擇多種本土草種,保證植物生長的成活率。

河道護坡由坡腳、河岸及堤坡3個部分組成,有時單一的護坡形式不能滿足護坡要求,通常情況下會選擇多種護坡材料聯合使用,形成復合形護坡生態構建模式,達到較好的護坡效果。從工程設計角度出發,對于坡腳部位,一般采用石籠、拋石或木樁等進行護腳,使之滿足水流沖刷侵蝕作用下的局部抗侵蝕穩定性要求,并有助于生物棲息地功能的加強;對于駁岸部分,坡度較緩的河岸區可采用自然草皮、植物梢料、生態植被毯等護岸形式,坡度較陡的區域可采用生態擋墻、加筋生態袋、疊砌石等護岸形式,使之在滿足岸坡穩定與生物棲息等功能要求的同時,兼顧一定的生態景觀效果。堤坡一般在常水位以上,可采用的護坡種類很多,如:自然植被護坡、混凝土空心塊或鉸接混凝土塊、混凝土框格、土工格柵、生態型混凝土、生態植被毯等,具體類型主要根據河道兩岸的地形及不同河段的功能定位進行選定,滿足一定標準的防洪要求,同時需要與周邊土地利用規劃相結合。

3 農村河道治理中護坡技術的應用

圖2 毛石擋墻+活柳枝護坡設計

根據區域地形地貌特點,我國農村河道可劃分為平原區河道、丘陵區河道及山丘區河道3大類,針對不同結構的農村河道,表1中5種護坡材料在實際工程中都有應用。

圖3 “生態袋+生態預制塊”護坡設計

南京江寧區某中小河道位于丘陵崗區,河底比降為1/500,豐水期水流較急,河道邊坡較陡,水土流失較為嚴重。設計在常水位至河底采用邊坡為1∶2生態連鎖式預制塊進行護腳,常水位至5年一遇洪水之間采用1∶1.5生態袋錯位疊放,中間采用土工格柵進行錨固,生態袋表面通過鋪設草皮恢復植被,頂部高程以5年一遇設計洪水位進行控制,5年一遇洪水位以上采用1∶5緩坡與堤頂或周邊地形自然銜接(圖3)。施工完3個月后,生態袋植被覆蓋率達到100%,護坡穩定,未發現水土流失現象,生態預制塊空隙間生長了一些水生植物,有水蓼、菖蒲、菱等,植物群落結構豐富,為水生動植物的生長發育和物質的分解、代謝、循環提供了良好的條件[27]。

圖4 格賓石籠+生態混凝土護坡設計及實施效果

四川省松潘縣岷江川主寺河段位于岷江上游源頭,屬于高原山區河道,平均海拔在2 900 m左右,治理河道長4.0 km,河底平均比降為1/127,河床地層均為第四系洪沖積層,揭露的土層為卵礫石層(層厚多在10 m以上),受河水沖刷或淘刷的影響,河床多出現深泓與露灘,岸坡土壤貧瘠,植被脆弱,水土流失嚴重。對于坡腳為卵礫石基層,存在滲透系數大、穩定性差、沉降不均勻等問題,設計采用1.5 m(高)×3.0 m(寬)格賓石籠網對河道兩岸進行固基。對于河道護坡護岸的形式,設計主要從各區段的地形地貌特點、生態服務要求及景觀功能定位等角度綜合選用。其中,上游源頭生態保護河段5年一遇洪水位以下的岸坡采用生態混凝土護坡,以上的堤坡采用草皮護坡(圖4),與周邊地形自然銜接,形成了河道源頭自然風貌和生態修復態勢;中游濱河休閑廊道河段,邊坡較緩的岸線采用散石護岸,呈現河道自然、生態的特點,較陡的岸線采用疊石護岸,在石縫之間栽種草木,為魚類和底棲生物提供了良好的棲息場所;下游高原牧民暢壩河段,高邊坡岸線采用分級植生式生態混凝土擋墻,有效地解決了邊坡穩定性與水土流失問題[28]。

4 結 語

農村河道的生態保護和修復與人類社會的發展表面上存在矛盾,但實質上應該是統一的,因為人類來源于自然,是自然的組成部分,人類和其他的動植物在河流生態系統中占據著不同的生態位,彼此之間相輔相成,撇開人類活動談農村河道生態護坡建設是不切實際的。我國正處于大規模的城鎮化過程中,一些農村河道也正逐步向城市河道演變,維護人類與河流自然生態環境的協同性是當今農村河道綜合治理與生態建設的一個重要目標和方向；而河道護坡作為農村河道的掩體和保護層,護坡材料及其技術的應用直接關乎農村河道自然風貌的留存與生命體征的延續。尊重農村河道生態自然演替過程,運用“師法自然”的表現手法,通過草、木、土、石等天然材料構建起“人水和諧共生”的河道護坡,是當前乃至今后農村河道護坡治理的發展方向。

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Slope protection material and example of technology application in treatment of rural river

XIE Santao1, ZHU Qing1,2

(1.AnhuiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Hefei230088,China;2.AnhuiEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterResourcesUtilizationandWaterEnvironmentalProtection,Hefei230088,China)

In view of some controversies existing in the slope protection material and its application technology in the rural river regulation, from the aspects of river ecological restoration and slope protection function, the author of this paper thought that the river slope protection consisted of 3 basic factors such as slope toe, bank, and slope of bank, and probed the concept and connotation of ecological construction of slope protection, and summarized and analyzed the type, using method and application range of slope protection material which were relatively advanced both at home and abroad at present, and put forward a method of constructing ecological function of slope protection by using composite materials. The ecological construction of river slope protection was applied in rural river engineering in different regions. The application results show that the ecological construction of river slope protection is an optimization combination and an application of different slope protection material, which can provide theory and practice

for the comprehensive treatment of rural river.

rural river; slope protection material; function of slope protection; ecological restoration

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.006

謝三桃(1978—),男,高級工程師,主要從事城市生態水利規劃方面的設計與研究。E-mail:416946371@qq.com

X32

A

1004-6933(2015)01-0035-06

2014-11-15 編輯：徐 娟)