青黃帶現象及其在長江中下游河段生態護岸中的應用

張瑋，張妍

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

在對長江中下游邊坡進行防護時，發現大部分的自然邊坡上均長有植物，且植物生長具有明顯的梯級分布特征，自下而上呈現為沒有植物、少數植物、大量植物。在進行生態護岸工程設計時，應充分重視和利用這種自然現象。因此分析研究岸坡上植物分布特征及影響因素，對于生態護岸建設具有十分重要的指導意義。

在進行生態護岸設計時，結構選型是需要確定的首要問題，可根據一定的原則來加以選擇。對于運河這樣的人工河流來說，可以參照常水位進行結構選型和護岸結構布置。例如，在京杭運河的航道整治工程中，高龍剛、錢進[1]以常水位為界，將護岸結構分為兩部分：常水位以下為重要防護區，采用整體性好、強度高的護岸結構；常水位以上為生態區，選用生態性、景觀性較好的結構。在蘇南運河無錫段的護岸設計中，河海大學[2]根據不同特征水位區域內的水動力特性，將護岸斷面分為護底區、重防護區、親水區、景觀區，分別采用拋石護底、透水預制混凝土沉箱、天然塊石生態平臺和植物景觀區等結構。對于天然河流，生態護岸工程設計需要考慮的因素要復雜得多。作為長江南京以下12.5 m深水航道整治工程的組成部分，在對通州沙河段進行固灘時，阮學成等[3]根據灘面植物生長情況以及灘面高程，將護灘分為生態修復區和生態保護區兩部分：生態修復區為低水露出、植被稀疏的灘段，采用生態軟體排護底，在空隙處種植蘆葦；生態保護區為高灘、植被受沖刷的灘段，采用大網格土工格柵，在十字塊勾連的間隙中種植植物。工程完成后發現，生態修復區的部分蘆葦未能成活，尤其是低灘段成活率較低。在長江中游枝江—江口河段航道整治工程中，為提高護坡的生態功能，選用鋼絲網石籠墊護岸結構，并在其基礎上進行植草實驗。經過一個洪水期后，洪水位以上播種的草籽生長正常，洪水位以下大部分已成活的草被洪水沖刷帶走。

上述工程實踐說明，在對于自然河流岸坡進行植被防護或者生態修復時，必須符合當地的生態屬性和特點，才能達到預期目標，取得工程的成功。

本文基于天然河流岸坡的青黃帶現象，深入分析青黃帶特征，研究其主要影響因素，在此基礎上，探討天然河流生態護坡設計的原則，據此進行護坡種類和結構形式的選擇，可為類似條件下生態護坡設計提供參考。

1 河岸岸坡青黃帶

1.1 青黃帶現象

在長江中下游地區，由于受江水淹沒、水流沖刷、波浪侵蝕等動力因素作用以及植物對生長環境的要求，河道岸坡上的植物生長呈現梯度分布的特征，如圖1（a）所示[4]。岸灘上沒有植物的區域與植物生長茂密的區域之間存在一條較為明顯的過渡帶，也就是所謂的青黃帶，邊界線分別為黃線和青線，如圖1（b）所示。在青線以上區域，植物生長良好，能形成較完整的植物群落；在黃線以下區域基本沒有植物，或只有少數水生植物存活；青黃帶范圍植物由疏至密，逐漸變化。

圖1 青黃帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of the green-to-yellow zone

1.2 青黃帶特征

河流岸坡上的植物位于水生系統和陸生系統的交錯區，影響因素眾多，形態分布多樣，歸納起來，青黃帶主要具有以下特征：

1）形態。青黃帶存在于水域向陸域過渡的河岸帶上，其外部形態可以反映出周圍水環境的狀態[5]，由于河流狹長的形態特征，因此青黃帶為大致平行于岸線的狹長帶狀結構。

2） 顏色。青線以上范圍枝葉茂密、綠樹成蔭，綠色的植物將邊坡覆蓋；青黃帶范圍內，岸坡上生長部分低矮草本植物，種類較少，邊坡視覺上為青黃交錯；黃線以下范圍，邊坡裸露在空氣中，該區域呈現為泥土的黃色。

3）位置。青黃帶位于河道水位變動區，在洪水期淹沒，中水期大部分出露、小部分淹沒，枯水期則完全露出。

對于一般河流來說，黃線位于河道最枯水位以上，青線位于最高洪水位以下，青黃帶為枯水位與洪水位間的一段區域；對于河口段來說，黃線位于最低潮位以上，青線位于最高潮位以下，青黃帶是潮間帶的一段區域，如圖2所示。

4）植物類型。在黃線以下區域，岸坡上沒有植物或長有少數水生植物，且呈現單種分布的特征。青黃帶區域主要生長耐淹性較好的草本植物，如狗牙根、虉草、百喜草等，在被淹一段時間后，短期露出即可迅速恢復生命力，形態穩定為低矮草叢。青線以上區域，出現由草本植物向草-灌-喬混合群落的轉變，物種豐富度、生物多樣性指數較高，岸坡呈現出豐富多彩的生態景觀。

圖2 青黃帶分區示意圖Fig.2 Schematic diagram of the green-to-yellow zone subarea

2 青黃帶的主要影響因素

岸坡上的植物生長主要與岸坡穩定和植物本身特性有關，岸坡穩定性直接決定植物的生存條件，而植物的耐淹性則直接影響其生存狀況。

2.1 岸坡穩定性

河道岸坡的穩定性主要包括岸坡坡面的穩定性和岸坡整體的穩定性。

2.1.1 坡面穩定性

岸坡表面沖刷可分為水上和水下兩部分，水上部分坡面主要受降雨徑流沖刷作用，水下部分坡面主要受水流沖刷和波浪掏蝕作用。

降雨徑流引起的沖刷是水上部分坡面侵蝕常見的類型。在強降雨過程中，雨滴攜帶較大動能，降落至地面使得土體顆粒飛濺，雨水不斷滲入土壤；當降雨量超過入滲量，坡面形成徑流，將地表松散的土體顆粒帶走；隨著降雨繼續，坡面開始出現坑洞和溝槽，逐漸形成細溝并不斷加深、加寬；當降雨到達一定程度后，細溝周邊土體不斷崩塌，被徑流沖走。只要降雨不停，坡面侵蝕的過程就一直持續，侵蝕的程度不斷加劇。

河道中的水流，受重力作用沿河槽順流而下，對淹沒在水中的坡面產生沖刷作用。水流持續沖刷岸坡形成沖刷坑，將表面泥沙帶向下游，植物根系沒有土壤的保護，直接受到水流的拖曳力。水流的拖拉、拔根等水流機械作用力對邊坡表面土體和植物產生干擾和破壞[6]，嚴重影響岸坡的穩定性。

河流中的波浪主要為船行波和風成波，對坡面產生掏蝕作用。船行波為船舶航行激起的水面波動，風成波為風作用于水面產生的波動，這些波動引起的波浪傳至岸邊，在岸坡上爬升、跌落和破碎，對岸坡產生壓力和吸力，沖蝕破壞邊坡的表面土體和植物，造成岸坡表面的水土流失，進而影響坡面穩定。

受洪枯季或潮汐的影響，河流出現漲落水（潮）過程。隨著水位的變動，岸坡的沖蝕區域也在上升和下移，因此青黃帶的寬度與水位變化幅度，即高低水位差有直接關系。對于長江中游河段，洪枯季水位變化明顯，如監利站年最高水位與最低水位之間相差約12 m[7]。由于其水位變化幅度較大，岸坡受到水流作用的區域也變大，因此青黃帶的寬度也較寬。對于長江下游的感潮河段，河道同時受到上流徑流和潮汐作用的影響，水位變化過程較為平緩，高低水位變化幅度相對要小一些，如徐六徑站最高潮位與最低潮位之間相差約6.4 m[8]，水流在岸坡上的作用區域較小，因此青黃帶寬度相對較窄。

2.1.2 岸坡整體穩定

地下水的存在及變化是造成岸坡整體崩塌、滑坡的主要影響因素[9]。地下水主要由河流和降雨補給，隨著河道水位周期性的漲落，地下水位在垂向上通過岸坡與河流進行交換。交換過程會影響坡體的穩定性，使坡體產生深層滑動。

洪水漲水過程中，河道水位升高，坡體浸泡在水中，浮力增加；隨著地下水位升高，土體孔隙水壓力增加、有效應力減小，坡體的抗剪強度降低，這些變化過程將會引起坡體的抗滑穩定系數降低。洪水降落過程中，河道水位回落，地下水位也隨之下降，坡體自重增加，再加上坡體抗滑穩定能力降低，較易引起坡體的深層滑動，危及邊坡的穩定性[10-11]。

坡體穩定性較好的邊坡較少發生大塊土體移動、崩塌，植物可穩定生長；而坡體穩定性較差的邊坡土體易受到擾動，出現坡體滑動等破壞，植物失去生長的環境和條件。

2.2 植物耐淹性

長江中下游的河道水位變動情況復雜：一是水位變幅不定，中游受汛期影響變幅可達到十幾米，感潮河段受上游來水和潮汐的雙重影響，變幅相對較小；二是變化周期不定，中游汛期長達幾個月，而下游感潮河段以天為變化單位[12]。在受到水流淹沒時，植物的耐淹性影響著岸坡上的植物分布和生長狀況。

河流水位在洪水位與枯水位之間來回變動，決定植物淹沒的范圍和時間，水位變動對植物的影響因植物耐淹適應能力的不同而有所區別。長江中下游的坡面植物沿高程呈現梯度分布：黃線以下區域大部分時間均淹沒于水中，坡上原生植物因抗沖性、適應性較差或淹沒時間太長，逐漸停止生長直至消亡；青黃帶區域水位變動頻繁，坡上生長的少數耐淹、低矮的草本植物可良好適應干濕環境交替，其他不能適應這種變動環境的脆弱植物則逐漸消失；青線以上區域水位波動較少，只有當遇到較大洪水時，青線至最高洪水位才會受到影響，而這部分區域長有種類眾多的草本植物，穩定的草本群落可抵抗這種短期的波動影響[13]。

總之，由于不同植物對水位變動產生的耐淹適應反應不同，岸坡植物分布沿高程呈現為沒有植物、少量植物、植物茂密，且岸坡不同區域植物類型也各不相同。

3 青黃帶在生態護岸中的應用

在建設長江中下游生態護岸時，可結合青黃帶位置對生態護岸工程進行分區，并根據“宜植則植，宜防則防”的指導思想，在不同區域采用不同的防護理念和措施：青線以上區域適宜植物生長，因此應以生態景觀為主；青黃帶區域，應考慮當地水文、地質等情況，若水動力較強、岸坡穩定性較差或原生植物不耐淹，則應以防護為主；若岸坡穩定性尚可且原生植物耐淹適應性較好，宜采用復合植被護坡結構；黃線以下區域不具備生長植物的條件，應以工程防護為主。

3.1 青線以上區域

青線以上范圍為“宜植區域”，該區域受江水侵擾較少，主要為短期淹沒以及降雨引起的地表徑流作用。因此該部分岸坡宜采用植被護岸，選取合適的植物構建完整的群落結構，木本植物發達的根系可以防止土壤受到侵蝕，草本植物可加強土壤對徑流的滲透能力。層次豐富的群落既可減緩地表徑流、固土護坡，又能改善邊坡的景觀環境、形成河岸帶生態廊道。

植被是該區域的關鍵，植物的選擇以及配置方式直接影響到該區域生態護岸的功能效益和生態效益。選配坡面植物時應遵循以下原則：

1）岸坡穩定：雖然該區域的干擾因素較少，但在選取植物時應選擇枝葉茂密、根系發達的植物，以降低坡面沖刷、提高坡面穩定性。

2）因地制宜：選擇植物的時候要綜合考慮植物的生長特性和地域性，選用工程區域的本土植物，結合與本土植物特性相似、生長速度快的先鋒植物，建立的群落更易趨于穩定，并能與當地自然景觀相協調。

3）合理搭配：草本植物、灌木、喬木組成的群落物種豐富度指數、生物多樣性指數高，抗外界干擾的能力強，是理想的自然群落結構，因此構建草-灌-喬群落對于岸坡生態系統的穩定具有重要意義。

4）經濟合理：考慮到護坡的運行管理和養護費用等因素，設計時要統籌兼顧，注重價格合理、施工方便、維修簡單等。

參照上述原則，根據長江中下游的水文、氣象、地質情況，結合植物的生長特性以及前人的研究[14-15]，推薦部分可用于長江中下游護岸的植物，見表1。

表1 長江中下游護岸植物推薦表Table 1 Recommendation form of plants for the revetmentinthemiddleandlowerreaches of YangtzeRiver

3.2 青黃線區域

青黃帶為“宜植則植，宜防則防”區域，該范圍內水位變化頻繁，坡面連同植物一起受到水流波浪的反復作用。在該區域布防時，應綜合考慮岸坡穩定性和植物耐淹性，因此以下分兩種情況討論。

第一種情況是青黃帶區段的岸坡結構穩定尚可，不會出現大面積水土流失，且坡上植被屬于耐淹性較好的物種。為最大程度保護河道的生態系統，可在該區域采用植物與工程措施相結合的復合植被護坡，在保證岸坡穩定的同時，又能為植物提供穩定的生長環境。適用該區域的生態護岸有以下常用結構：

1）鋼絲網石籠結構。網籠采用抗腐蝕、耐磨損、高強度的鋼絲編織成六面方筐，隔板將網籠分為若干個單元，單元內填充碎石[16]。網石籠結構具有柔韌性好、耐久性好、透水性好、施工簡便等優點。水流流經石籠時，所攜帶的泥沙將落淤于石籠縫隙內，為該區域草本植物提供生長條件。網石籠護坡結構在長江航道已成功應用于多處工程，如長江中游藕池口水道的砂埠磯護岸工程[17]、長江中游嘉魚至燕子窩河段護坡工程[18]等。

2）預制件植被護坡。預制件為具有一定形狀的預制混凝土框格構件，草本植物可在開口的磚框內生長。預制件可根據河道水流情況，設計為表面凹凸的砌塊[19]，這種結構可以有效分散水流的沖刷作用，保護土壤基質，為草本植物生長創造環境。構件可在預制場批量生產，施工迅速且工程效果美觀，因此工程應用較多，如湖北漢江的護岸工程采用的混凝土預制框格結構，鎮江的濱江堤岸采用的植被與混凝土砌塊相結合的護岸結構[19]。

第二種情況是青黃帶區段的岸坡穩定性較差，汛期過后岸坡水土流失嚴重；或者在工程地區，青黃帶范圍內原生植物耐淹適應性較差，洪水過后無法繼續存活，而在未經研究的情況下貿然引入非本土物種極有可能造成物種入侵或難以適應當地條件等。在這種情況下，岸坡不適宜采用植被護岸，而應以工程防護措施為主，為使生態護岸具有良好的結構統一性，可選用與黃線以下區域相同的結構形式。

3.3 黃線以下區域

黃線以下區域為“宜防區域”，該部分是岸坡穩定的基礎。由于該區域淹水中的時間較長，植物莖稈受到水流拖曳力作用，根系處泥沙受到沖刷，植物不易生存，因此應以工程防護為主。目前，該區域常用的工程結構有：

1）軟體排結構。長江中下游常見的軟體排結構有系混凝土塊排、模袋砂軟體排、混凝土塊鉸鏈排、混凝土單元排等結構形式。其主要特點是利用土工織物的隔離性、柔韌性和反濾性對岸坡進行防護，防止水流直接沖刷岸坡造成水土流失，能良好適應岸坡的局部變形。軟體排結構整體性好、透水性好、變形能力強，生態性較好，因此廣泛運用于長江中下游的護岸工程中。

2）四面六邊透水框架結構。混凝土四面六邊透水框架由預制的6根長度相等的鋼筋混凝土桿件相互連接組成，呈正三棱錐體。當水流通過時，框架的自身結構能柔性調整水流，消減水流動能從而達到促淤護岸的效果，同時其具有良好的穩定性以及耐久性，框架空隙為動植物提供了生長空間。在工程中，常將若干個透水框架捆綁在一起，拋投形成護岸帶；或在系結混凝土塊軟體排周邊布置四面六邊透水框架群[20]。

3）扭雙工字形透水框架結構。在長江南京以下深水航道建設工程中，文獻[21-22]提出了扭雙工字形透水框架。框架由2個工字形構件垂直交叉組成，采用螺接的方式連接。這種結構可有效提高框架間的鉤連性，增強框架群的整體穩定性；螺栓連接的拼裝方式避免了焊接點的腐蝕問題；框架可大規模生產，組裝便捷，具有快速成型的工藝性能。

4）主動鉤連體結構。在長江南京以下深水航道白茆沙整治工程中，首次應用了主動鉤連體。主動鉤連體由2個U形構件和1根連接桿組成，相互之間通過卡扣固定。鉤體相互鉤連交錯，形成類似植物龐大根系的骨架型結構[23]，能起到較好的固灘促淤作用。該結構適于灘面平緩、水深較淺、水流變化均勻的區域。

4 結語

1）長江中下游河段通常存在一條青黃帶，其為平行堤岸的帶狀結構，位于河道水位變動區，岸坡表面顏色自上而下由綠色向黃色過渡，沿高程坡上植物的數量和種類存在階梯形差異。

2）岸坡的穩定性和植物的耐淹性是影響青黃帶的主要因素。河道水流和波浪的不斷作用，使得坡面受到侵蝕以及坡體產生滑動破壞；水位漲落變化影響植物受淹的范圍和時間，由于不同植物的耐淹性不同，岸坡上的植物呈現梯級分布。

3）在進行河道的生態護岸工程設計時，可以參照青黃帶現象，對于護岸形式進行選擇和布置，以“宜植則植，宜防則防”為指導思想，對于不同區域采用不同的防護理念和工程措施。

4）青線以上為“宜植區域”，應采用植被護岸，根據當地情況并按一定原則選配適當植物，構建穩定的植物群落。

5）青黃帶范圍為“宜植則植，宜防則防”區域，若岸坡穩定、原生植物耐淹，可采用復合植被護岸；若岸坡不具備植物生長的條件，則應以工程防護為主，采用與“宜防區域”相同的工程結構。

6）黃線以下為“宜防區域”，該區域應以保護坡面、防止水土流失為主，可選用軟體排、透水框架等防護型工程護岸結構。

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