濱岸帶生態工程技術研究與應用綜述

王 斐

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456)

隨著我國經濟快速發展，資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的現象十分嚴峻，經濟發展不平衡、不協調、不可持續的問題日益突出。黨的十八大把生態文明建設提到與經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設并列的位置。這就要求我們必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，把生態文明建設融合貫穿到經濟、政治、文化、社會建設的各方面和全過程。在濱岸帶開發中，容易引發一些生態問題。過度的開發利用水陸資源使得原有河流、湖周、水庫和海岸濱岸帶坡受到破壞，水土流失、水質惡化、生物棲息地嚴重破損得眾多環境問題相繼產生；傳統的硬化護岸極大的損害了濱岸帶的生態功能，隨之而來的濱岸帶生態工程技術受到越來越多專家的親睞。

1 濱岸帶生態工程技術

濱岸帶處于水生態系統和陸地生態系統之間，是鏈接兩者的紐帶，屬于水陸生態系統的過渡帶，具有明顯的邊緣效應。一方面發揮著為兩者傳遞物質、能量和信息交流的重要生態作用，可有效緩解水流對岸坡的沖刷，還能發揮凈化水體改善水質的作用；另一方面濱岸帶植被與周圍環境所形成的美麗景觀可為人類活動提供舒適的休閑勝地，促進了生態旅游的健康發展。

濱岸帶生態工程技術是一個十分寬泛的領域，它包括河流治理生態工程、生態水工學、河流生態恢復技術、海岸帶生態修復技術等。濱岸帶生態工程技術在濱岸帶的應用主要包括岸坡的生態修復與建設、河流水質的生態凈化，其中對岸坡的生態研究較多。

2 濱岸帶生態護岸

生態護岸是一種結合了生態工程與土木工程技術的新型護岸形式，在與傳統護岸一樣強調護岸的抗沖刷、抗淘蝕強度的同時，還強調岸坡穩定性、自然景觀性、生態性和親水性的完美結合。

所謂濱岸帶生態護岸，是植物或植物與非生命的土木工程材料的結合，具有“可滲透性”的人工護岸。 可以起到過濾水體，去除污染物質增強水體自凈能力；同時為動植物及微生物提供棲息場所，實現多種生物的共生與繁衍；具有較好的抗沖強度以保持河岸穩定性、減少岸坡水土流失；可提供豐富的濱岸地貌。

2.1 濱岸帶護岸工程的發展

濱岸帶生態護岸的概念最早起源于城市濱水護岸。城市護岸的功能隨著人們對水的需求和理念的變化而變化。神農時代就開始利用天然材料植物、木和土石等進行護岸，秦漢以后到宋元，出現了由樹枝、林秸、石頭等捆扎而成的護岸材料；明清時代，護岸形式有拋石、柳樹護岸、山石護岸與條石護岸。直到18世紀60年代以前，城市護岸形式遵循自然河岸形態，材料也多采用自然的山石、植物等材料，體現了河道天然河灣和豐富的植物群落，具有良性的生態循環體系。18世紀60年代至20世紀初期，隨著工業的發展和經濟的快速膨脹，城市護岸開始利用高大硬質的防護堤遏制河水的侵擾，緊束河腰、裁彎取直河道等措施雖然獲得了更多的城市用地,但是護岸景觀環境卻遭到強烈的干擾，以至于濱岸帶生態失衡、景色單調、親水困難，蓄積了生態災難。

隨著社會經濟的發展及人類對生態環境的保護意識的增強，在城市護岸的景觀設計中，人們更加注重對回歸自然、親水、景觀與文化的因素，以景觀生態學為基礎、追求人與自然和諧發展的護岸景觀研究成為國內外研究的熱點。國內有很多專家和學者也從不同角度對城市生態護岸景觀進行研究和實踐。例如胡海泓最初認為生態型護岸是作為永久河岸防護工程的，是結合工程和環境要求提出的;黃岳文則認為生態護岸是適合生物棲息和繁殖的仿自然狀態的護岸形式，是現代水利工程學、環境學、生態學、景觀學等多學科為一體的水利工程;羅立民等認為生態護岸是結合治水(水利)工程與生態環境保護的一種新型護岸技術。

20世紀80年代末瑞士、德國等國家提出“親近自然河流”概念和“自然型護岸”技術，歐洲荷蘭、英國、丹麥等均把生態堤岸設計與河流形態修復相結合，美國提出的“土壤生物工程”護岸技術，理論與施工方法都已比較成熟，并得到了廣泛的應用，常用的土壤生物護岸技術主要有土壤保持技術、地表加固技術以及生物技術與工程技術相結合的綜合保護技術，生物技術與工程技術相結合的綜合保護技術包括綠化干砌石墻、滲透式植被邊坡、綠化土工織物固土結構、綠化柵欄、活性柵欄等技術；20世紀90年代初，日本開展了“創造多自然型河川計劃”，多自然型河流治理法是在保護和創造生物良好的生存環境與自然景觀的前提下，建設具有抗洪功能的河流水利工程，堤岸盡最大可能使用自然材料，如植物、石頭和木材等[1]。

生態型護岸工程必須符合生態工程學和植物學的基本原理以及水文學和工程力學的規律，以確保生態型護岸植物的穩定生長、充分發揮固土護岸的功能，最大限度的確保護岸工程設施的安全、穩定和耐久性。國外河流生態修復工作者曾對某些形式的生態型護岸所能承受的極限水流條件進行了相關研究，得到了一些極具實用價值的研究成果[2]。

與國外的研究相比較，國內在生態護岸研究方面起步較晚。且國內生態護岸技術大致包括兩方面的研究，一是水庫植物護岸應用，二是河道植物護岸應用研究。其中在水庫植物護岸應用中實施效果較好的案例為北大港水庫圍堤壩坡的植物護坡工程，通過對本地植物的調查篩選、室內栽植試驗和野外栽植試驗等一系列工作后，最終選定了西伯利亞白刺做護坡植物，推廣應用研究結果表明該物種的固坡效果良好，此后又進一步篩選出堿蓬、金娃娃和狗牙根等5種草本植物和檉柳等多年生灌木，種植效果較好，植物長勢良好，適合大面積水庫種植[3]；遼河干流鐵嶺段生態治理工程利用灌木柳發達的根系固土護坡，抵御水流對岸坡的沖刷，灌木柳的枝葉能減緩水流速度，增加糙率，避免岸坡沖刷，大大穩定邊坡的作用[4]；上海市在黃浦江支流進木港河道生態護坡的工程中，通過現場模擬徑流試驗，研究柴籠、灌叢墊、植草三種不同類型的生態護坡對地表徑流的延滯作用，結果表明，生態護坡的優化組合方案坡頂處設置植草護坡，坡岸中部設置灌叢墊護坡，坡腳設置柴籠護坡，在控制坡面侵蝕、有效穩定和保護坡岸功能上比較顯著，試驗還發現，優化的植物護坡方案不僅能有效的保護岸坡，還能攔截地表徑流懸浮固體和營養鹽，進一步達到有效控制地表徑流對河流污染的目的[5]。長江中游嘉魚—燕子窩河段航道生態整治工程包括護灘帶、護岸及封堵竄溝工程，其中該護岸采用斜坡式護岸型式，陸上護坡的面層采用綠色環保整治建筑物雙絞格網網墊結構型式，工程效果較顯著，雙絞格網網墊裝填塊石后能有效的適應護岸不均勻沉降的要求，防止水流對基底的淘刷；工程經歷一個水文年后，填石縫隙及表面長出野生植被，有利于水土保持，同時，野生植被還發揮著一定的過濾作用，能夠有效的凈化河水防止河道水資源受到污染破壞[6]。

2.2 植物護岸研究應用

濱水岸坡修復過程中，植物群落的構建在整個修復過程中發揮著重要的作用，由于濱水岸帶具有特殊的水陸兩種環境條件的交替，生境條件較為苛刻，確定能夠應用的植物種類后，植物護岸設計的問題顯得尤為重要。

植物群落的護岸作用是指水流流經岸灘區域時，由于植物的存在，降低了水流和能量，減弱了水流對岸灘土壤的侵蝕沖刷及運移能力的過程[7]。植物護岸作用主要表現在兩個方面，一是植物地上部分對水流的消減作用，二是植物地下部分根系對土壤的穩定作用[8]。影響植物地上部分對水流的消減作用的主要因素包括植物類型、植物高度、植物葉片數量、植物迎水面積、植物密度、植物體剛度及韌性等[9]，地下根系對岸灘固岸作用主要受根系在土層中層次分布、根系密度、植物種類等因素的影響[10]。植物護岸設計需要考慮多方面因素。

2.2.1 阻力系數比

植物對水流的阻力系數研究開始于20世紀20年代的美國，研究者通過水槽試驗與原型觀測的手段[11]提出了計算水流阻力的經驗公式

式中：n為與河道邊壁物質組成粗糙程度有關的曼寧系數[12]。

自曼寧系數特征的水流阻力提出后，植物阻力系數研究中多數研究者以此為標準。植物生態學也將曼寧阻力系數廣泛的應用于植物地上部分對地表徑流的攔阻研究中。但是隨著新試驗研究的不斷進行，新的計算方式的不斷推導獲得，通用的且準確的阻力系數估算模型仍沒有得到較好的研究。因此研究某一特定植物類型的阻力系數和公式成為很多研究者的研究重點。

2.2.2 土壤抗侵蝕能力

土壤侵蝕即土壤受水流沖擊后分散并隨水流移動的過程。土壤水穩性團聚體具有不可逆凝聚的膠體性質，土壤抗侵蝕能力大小可包括土壤本身水穩性系數及植物根系的固岸抗侵蝕能力。

土壤水穩性團聚體具有不可逆凝聚的膠體性質，膠結起來的團聚體在水中受到震蕩、侵泡、沖洗等因素的影響而不易崩解，因此土壤團聚體穩定性越高，土壤侵蝕量或侵蝕強度則越低。同一植被種類在相同的養護條件下，用自身抗沖性能較高的土壤種植的草皮具有更好的抗沖性能[14]。

植物根系固岸抗侵蝕主要表現在植物根系的力學效應和水文效應兩個方面。對于輕質土壤岸灘，植物增強岸灘穩定方式是通過根系力學作用。植物根系固岸抗蝕主要是通過提高土體抗剪切力，植物根系固岸力學基礎在于植物根系分布與延伸對土體剪切強度的影響，有研究指出根系的力學效應增加了土壤團聚體的穩定性，土壤侵蝕量或侵蝕強度與土壤水穩性團聚體呈現負相關關系，團聚體穩定性增強是提高土壤抗剪強度的重要原因。對于重質土壤岸灘，根系對土壤滲透性和含水率的改善是固岸作用的重點，土壤滲透系數隨含根量的增加而增大。崇明島蘆葦群落護岸的研究顯示，春季是植物萌芽階段，夏季是植物旺盛生長階段，植物根系生長的速度超過根系衰退的速度，呈現出根系量大，根長密度長，土壤水穩性指數較高[11]。

2.2.3 河道水位

河道水位的變化對植物的生長會產生直接的作用，進而影響到植物護岸措施的效果，河流的有關特征水位決定植物種類的選擇和群落的構建。對于靠近水際線的岸坡位置，主要考慮船行波和風浪流水的侵蝕，因此往往采用長根系耐濕性好的喬木；常水位以下部分的岸坡可采用水生植物護坡，同時又對船行波起到緩沖作用；常水位與洪水位區間的植物，主要考慮坡面雨水的沖刷，兼顧考慮短時間行洪時的水土保持要求，因此可采用灌木結合草本植物的方式；洪水位以上部分岸坡，由于長期處于水位線以上，要考慮耐旱的植物種類[15]。其中水生植物選擇按其習性主要分為沉水植物、浮葉植物、漂浮植物以及沼生植物；沼生植物的主要特征是植物生長在水和土壤的過渡地帶，植物具有水生和陸生雙重習性，典型的代表植物為蘆葦。

三峽水庫建成后，形成面積高達300 km2的水位季節性漲落的庫岸消落帶。人工構建植被是控制消落帶水土流失、保護三峽庫區消落帶生態環境的重要措施，在蘆葦自然分布的三峽庫區嘉陵江岸，對位于不同海拔高度水平江岸的蘆葦進行了水淹的形態適應研究，試驗設置5個高度水平，分別為172 m、174 m、176 m、178 m和180 m。試驗結果顯示，隨著江岸高度增加，蘆葦葉片的葉傾角逐漸增大， 葉片更傾向于直立向上；莖高莖生物量比和葉生物量植株生物量比隨江岸海拔高度的增加而降低，表明受水淹影響大的蘆葦植株地上部分生物量更多投入到組織上，莖的生物量投資更多分配到莖的高向生長上。蘆葦在形態結構上對水淹有明顯的適應性反應[16]。

有關研究者將混凝土河岸做為研究對象，在其上構建河岸生境綴塊，常水位以下構建以蘆葦、菖蒲為主的植物群落，常水位以上構建葉底珠和豆科植物三葉草為主的植物群落，根系最大形變量指標結果表明，蘆葦根莖最大形變率隨著根莖的平均直徑增大而增大呈冪函數關系，具有較好的相關性，隨著根莖的平均直徑增大曲線逐漸趨于平緩，接近一個定值，從此方面考慮可以得出蘆葦地下莖在固土方面較菖蒲和葉底珠強，是較為適合作為受損河岸的修復材料[17]。

3 蘆葦的生態利用研究

3.1 蘆葦的生態利用價值

3.1.1 蘆葦濕地價值

享有“第二森林”美譽的蘆葦濕地具有不可替代的生態作用，蘆葦在其所處的水體生態系統中處于初級生產者的地位，是水體生態系統的物質和能量流的物質基礎，發揮著維持生態系統生物多樣性和環境穩定性等多方面的功能[18]。

3.1.2 凈化水質

蘆葦濕地利用自然生態系統的物理、化學和生物的三種作用，通過發揮單獨或是協同作用完成對有害廢水的凈化。蘆葦具有很強的凈化污染的能力，對污廢水中的重金屬具有顯著的吸附作用；對造紙廢水中有機物的分解也具有良好的效果，蘆葦根莖較為發達，有利用微生物生長附著，其植物根區的好氧厭氧微生物是降解有機污染物的主要微生物，一定程度上能將有機物礦化為水、二氧化碳和無機鹽等；蘆葦濕地凈化污水期間，蘆葦能夠充分利用污水中水肥資源，將污水中氮磷等營養物質吸收利用，供給自身生長發育需要[19]。

蘆葦在污染水體修復和岸坡生態修復中得到廣泛應用。盤錦蘆葦濕地在凈化城區污水中發揮了重要的作用，在盤錦118 km的海岸線范圍內尚未發生過赤潮現象;在太湖五里湖生態修復工程中被選為主要植物；滇池東北岸生態修復岸段種植了包括蘆葦在內的多種挺水植物群落；松子坑水庫、月亮湖和獺湖水庫消長帶生態防護工程中篩選出的適種植物種類中同樣有蘆葦。

3.1.3 改良土壤

濕地蘆葦通過根和根狀莖改良土壤主要表現在以下方面：可向地下部基質中輸氧，可為根際中好氧和厭氧微生物提供良好的生存環境，增強微生物的新陳代謝活動；具有松動土壤的效果，殘留在土壤中的根為土壤環境提供了一定的聯通孔道和有機物；穩定根際的導水性，2～5 a即可達到與粗沙相當的導水作用;對土地具有極強的富積能力，蘆葦生物量的50%是地下產量，以有機質形式存在于土壤中能不斷的改良濕地土壤理化性質。國內劉春紅室外實驗研究蘆葦對石油污染土壤的修復效果，經過123 d的降解，種植蘆葦的石油烴降解率明顯高于空白對照組，土壤得到有效改善[20]。

3.1.4 保持水土

蘆葦能夠阻滯水流，降低水體流速，減少流水攜沙能力，減弱流水侵蝕作用；沿海濕地內大量生長的蘆葦，可以降低海浪、臺風和風暴等自然災害的沖擊，降低對海岸的侵蝕作用[19]，在航道岸坡整治、海岸帶生態恢復以及海域圍海造陸工程的應用愈來愈廣泛。

3.2 蘆葦生態護岸的應用

基于蘆葦的生態利用價值，用做綠化淺水帶和河岸生態護岸植物選擇已得到廣泛應用。

蘆葦生態護岸通過蘆葦發達的根系使得岸坡具有一定的固土和抗沖刷能力，其與水陸交界帶形成的生態系統，既可與周圍環境形成相協調的河道景觀，又可以改變水體與底泥之間的物質交換平衡，促使懸浮物向底泥轉移，澄清水質。

連云港港疏港航道整治工程中，摒棄傳統河道護坡的治理方式，綜合考慮航運和生態恢復的要求，結合航道沖刷、航道兩岸的地形地質條件，航道岸坡的整治工程最終選擇了生態護岸設計。生態護岸結構的應用大大增加河流的自潔能力，減少河流的嚴重污染，改善了水陸交界帶生態系統。連云港航道整治工程生態護岸設計中選擇的水生植物為蘆葦、柳樹等。灘地高程的合理確定是水生植物能夠成功生長的關鍵。蘆葦適宜生長水深在20～100 cm，本航道灘地高程設置以常水位作為依據，確定常水位以下10～30 cm，即高程1.26～1.46 cm(現有灘地高程1.4～1.7 m)。灘地設緩坡，前沿設置擋墻結構，以免船行波侵蝕灘地[21]。

隨著江蘇省內航道等級的提升，船舶等級的不斷提高，航運繁忙，兩岸受船行波沖刷影響較大，省內水流水體污染嚴重，具有化學需氧量、總氮含量明顯較高，磷酸根含量稍高等特性，綜合考慮當地環境條件和水流條件，通過力學及種子成活率分析，為達到污水凈化、景觀美化及最高經濟效益的目的，有研究者對江蘇省內河航道斜坡式生態護岸植物選擇提出了較為優化的選擇，其中水位線以下植物的首選即為蘆葦。蘆葦輸氧能力較強，對廢水中的化學需氧量、總氮和總磷的去除率分別為43.7%、79.5%和75.2%[22]。

生態護岸是現代河道整治的發展趨勢，崇明島作為生態島的定位，在河道整治中充分考慮當地的自然、水文等條件，在崇明島整治的幾條環島水系骨干工程，采用的綠化混凝土護岸形式，在坡面上種植挺水植物蘆葦綠化固土和美化環境，既起到消浪防沖刷作用，又可遮擋后面的硬質護岸結構，避免硬質結構露出水面，生態景觀效果較好[23]。

加拿大、德國、日本北海道曾采用草蘆葦護坡，生態護坡設計中將一排排樁釘于堤坡，樁間夾帶棕桐繩，草蘆葦種子于棕桐繩中發芽，后于土堤上生根繁殖，對岸坡有較好的防護作用。

4 濱岸帶生態護岸工程技術展望

濱岸帶生態護岸工程加強了岸坡水土保持功能，為水陸交接帶生態保護建設提供了有利保障，對水質凈化也起到一定的作用，不僅改善了河道生態環境，也滿足了人們對景觀生態的需求。

濱岸帶生態護岸工程技術在我國濱岸帶建設中的前景比較樂觀，但國內研究多集中于退化河流濱岸帶的恢復和重建，平原河網地區研究相對比較匱乏，尤其對于區域地區極端條件的沿海灘涂濱岸帶的研究較少，因此生態護岸工程技術需適應多區域環境條件的應用，朝區域化發展；濱岸帶生態護岸區為水陸交錯地帶，分布著植物、動物和微生物，生物多樣性特征較為明顯，除了要重視植被在護岸中的作用外，還需要考慮土壤動物及微生物在植物生長初期為其提供必要的養分和有利環境，水生動物和微生物對水體的凈化作用等，對護岸的綜合生態進行深入的研究。

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