北方地區中小河流生物護岸及固灘新模式及示范研究

張樹鵬

(沈陽市遼中區農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 沈陽 110000)

根據近20年遼寧省大水災害統計數據，中小河流堤防決口數量占堤防漫堤決口總數的95%以上，中小河流造成的災害損失大于大江大河，在沒有大江大河堤防決口的情況下，中小河流的經濟損失占80%以上，中小河流已逐漸成為全省防洪減災體系的薄弱環節，中小河流治理工作是當前河道治理的重中之重[1- 2]。遼寧省內中小河流眾多，類型不一，既有分布于山區也有分布于平原，同時還有不少城鎮和村屯沿河居于河流保護區內，傳統的中小河流治理模式，多采用修堤、護岸、清淤等單一的工程治理措施，沒有考慮生態對河道治理的影響，也沒有采用針對地形特性、氣候特性、流域特性和保護對象特性的整治措施[3- 6]。由于早期技術水平和生態意識較弱的綜合影響，大都采用混凝土等硬化材料進行河道治理，使得河流渠化現象較為嚴重，河流灘地生態格局較小，水生生物群落多樣化發展程度較低，河流的生態功能遭受不同程度的影響，較少的生態治理工程將不利于河流人文景觀及輻射工程效益的驅動[7- 11]。20世紀中葉，河道生物護岸、固灘技術逐步開始應用[12- 15]，但在我國中小河流生態治理中還處于起步階段，尤其是在北方地區應用還較少，生物護岸、固灘的理論和技術均需要進一步探索。課題研究成果對于北方地區中小河流生態治理技術具有推廣和應用價值。

1 生物堤及生物戧臺護岸新技術

1.1 技術適用條件分析

生物堤及生物戧臺是在河道清淤疏浚的基礎上，利用清淤土方結合適合的地形建設土堤或在已有堤防前建設戧臺并輔以部分生態措施，達到消化利用清淤土方、提高河岸生態綠化面積并利用生物防洪工程特有的固土和減緩水流流速的作用，保護河道堤岸完整和盡量降低洪水對兩岸的水沖沙壓破壞。

對于河道淤塞嚴重以及需要進行河道疏浚的農村段中小河流適合于生物堤及生物戧臺的工程建設，對于清淤量較大尤其是山洪易發區的中小河流山區段也具有較好的適用性。

另外生物堤及生物戧臺建設不僅可以為清淤土方找到合適去處，改善河道生態環境、提高河道防洪保安效果，在河道管理上還可以將其作為河道邊界確認的一種方式發揮明確河道管理邊界、提高河道管理效率的作用。

1.2 技術指標及設計型式

生物堤及生物戧臺作為河道清理或稱清淤疏浚的后處理工程措施，工程建設目的一是確保填筑土體穩固，避免造成二次水土流失；二是改善河流生態環境，從防洪工程角度對其無特殊要求，也無應達到的設計標準，建設規模完全取決于河道清淤土方量的大小，因此其設計應是在河道清理設計的基礎上根據地形條件和河道特點選擇適宜的工程位置和工程建設型式。

1.2.1河道清理

東部山區為遼寧省山洪災害頻繁的區域，山洪發生后，大量碎石及沙土伴隨洪水涌入到山洪溝或較大河流內，由于河流寬度加大，比降減少，水流流速放緩使得碎石和泥沙淤積在河口或者溝口段，使得河道發生阻塞，主河槽被抬高，河道行洪能力降低，使得上游洪水演進難度加大，河道左右岸防洪標準被降低。因此在每次較大洪水過后均需根據河道淤塞情況，對山區河道重點淤積段進行局部疏浚即河道清理。

河道清理沿河縱向范圍上下均應至洪水前后河道無明顯淤積河段；橫向寬度則根據上下游(無明顯淤積河段)河道河寬和清理河段歷史枯水河寬綜合確定，結合河段枯水治導線確定成果確定河道斷面清理寬度及位置；河道清理豎向深度應根據汛后實測河道斷面及河段設計河底確定，河段設計河底應是在對河段沖淤變化規律有定性認識的基礎上，結合上下游汛前汛后河道沖淤較小即較為穩定河段河底高程，根據河道流心(一般山區河流枯水流心線與洪水流心線差別較小)長度確定清淤后河道比降及各斷面設計河底高程。為避免清理后河槽邊坡失穩，建議河道清理設計兩側邊坡不小于1∶3。

河道清理后土方應就近選擇堆放在河道兩側岸坎前筑成戧臺，并在其上及迎水側一定范圍內(栽種范圍視對河道過洪影響確定，但最遠不得超過枯水治導線)栽種灌木等做生物戧臺；如河道兩側無較高岸坎則應根據上下游有堤段堤距初步確定本河段堤距及規劃堤線位置，在規劃堤線位置利用河道清理土方填筑具有一定擋水能力的小土堤，然后在土堤堤身及堤防兩側栽種灌木等做生物堤。

1.2.2生物堤及生物戧臺平面布置

在河道清理河段附近選擇河道開闊、河谷較為發育的區域布置生物堤及生物戧臺工程。生物堤位置應根據上下游有堤段堤距、本段河道走勢、河道對岸工程情況，并考慮本段河道實際管理范圍與管理范圍需求、工程征占地以及與上下游工程銜接等問題綜合確定；生物戧臺由于是在原有岸坎或土堤基礎上建設而成，工程選址可適當簡化，重點應考慮原有土堤或岸坎與河道整治規劃的關系，如河道整治規劃中原有土堤與岸坎不是防洪控制線或平面走勢待調整，則這一區段不應建設生物戧臺，避免與整治規劃相沖突。

1.2.3工程型式

生物堤建設可根據河道清理土方與擬建生物堤范圍進行初步測算，在土方平衡的基礎上設計生物堤斷面。由于生物堤建設不是按照正規堤防建設，各項工程指標均有較大差距，因此生物堤建設高度應有一定限制，不可為節省土方運距及占地而無限制的加高造成工程安全隱患，根據初步調查統計，建議生物堤建設高度不大于2m，另外生物堤雖然無堤頂通行要求，但建設時堤頂高度也應有一定控制，或者參照河道比降控制或者按照與地面相對高差控制，避免工程沿線參差不齊，影響工程外觀及后期管理。生物堤兩側邊坡在根據填筑經驗保證邊坡滲流、滑動安全的前提下，為了保證生態效果可再適當放緩。生物堤堤頂寬度沿線應基本等寬，具體寬度根據土方平衡測算結果確定。

生物戧臺建設與生物堤類似，略有區別的是生物戧臺頂高程一般應比其后岸坎或堤防頂高程略低，一則利于明確堤防堤頂范圍、便于堤防管理，二則錯落有致的結構有利于保水及為植物提供更多關照，有利于生態恢復和植物生長。

生物堤及生物戧臺的生態恢復措施主要以栽種灌木和喬木為主，草本植物自然恢復為輔，灌木栽種可以視河道實際情況安排在生物堤及生物戧臺之上以及工程兩側，喬木栽種則盡量安排在生物堤堤頂和堤后，生物戧臺如栽種喬木則應在戧臺頂和其后岸坎之上，生物堤臨水堤腳前、生物戧臺臨水坡腳前盡量不要栽種喬木，一則恐其對河道防洪影響太大，另外這一區域被水機會多，喬木生長也較為困難。

生物工程成活后即能發揮生態效應和一定的固灘效應，但完全發揮功效一般均需要2～3年時間，而在這之間，工程是否被水是整個生物工程能否達到預期效果的關鍵，因而為了縮短生物工程成型期，提高生物成活率及生物工程建設成功率，一般建議喬木及灌木均采用穴栽(含部分客土)的方式，如具體實施確有困難的，也應保證喬木的穴栽質量，灌木視實際情況可扦插。喬木栽種株行距一般均為2m，灌木栽種株行距不宜大于1m，灌木扦插株行距建議為0.4m。在喬木栽植區可間植灌木，發揮生物立體防護作用。生物堤及生物戧臺典型工程建設型式如圖1所示。

1.3 工程實施效果對比分析

對四個典型示范區實施了生物堤及生物戧臺的生態治理，各典型示范區生態治理前后效果對比如圖2所示。

2 短丁壩群結合灌木新技術研究

2.1 技術適用條件分析

對于遼寧東部河流流速較大、河灘高程較高的凹型河岸適合于短丁壩群結合灌木的生態治理型式，應用短丁壩可對河道水勢及坡腳進行控制和保護，這種設計治理原理在于應用灌木枝葉以及根系對岸坡進行有效防護。對短丁壩長度適當增加，將護岸灌木種植高度提升到河道最低水位以上并對岸坎進行一定程度的削坡。該生態治理方式可作為遼西和遼北多沙河流疏淤、河道岸坡防護以及河流水生態治理主要的治理型式。

2.2 技術指標及設計型式

工程主要設計要素包括岸坡坡比、短丁壩長度及型式、灌木護坡栽種位置及物種等。

岸坡穩定直接影響工程防護效果和灌木生長效果，因此在計算土坡穩定的基礎上需考慮灌木生長的需要，根據經驗采用此種工程型式岸坡坡比應不小于1∶3，有條件的工程可考慮1∶5或更緩。

短丁壩在本工程中主要為保護岸坡植被免受河水的直接沖刷破壞，在此基礎上則應盡量避免對河勢有太大的影響，因此短丁壩壩頭一般與岸坡坡腳齊平或略向河里探出1～2m，壩根與岸坡相接。短丁壩壩高視其后岸坎高程而定，如岸坎高度大于設計洪水位，則壩頭高可略高于洪水位；如岸坎高差較低，則壩根與岸坎頂高程齊平。短丁壩結構一般為石籠丁壩或拋石加石籠覆蓋丁壩，壩頂寬一般為1～2m，上下游邊坡一般為1∶1，壩頂縱向應有一定比降(一般為1%～2%，壩頭向下傾斜)，壩基礎及壩頭需考慮沖刷及整體穩定要求，設計間距一般為壩長的1～3倍。

灌木護坡栽種可由岸頂起始，岸上視實際情況而定，岸下可至枯水水位線，如河流枯水流量較小，枯水水邊遠離岸坡，則灌木護岸岸下可至坡腳。灌木護坡現應用較多的樹種有紫穗槐、杞柳、連翹、小花石榴等。由于山區河流兩側岸坎也多為砂礫石，不利于植被生長，因此灌木護岸栽種方式多為穴栽，即在岸坡上預先開挖0.5m×0.5m×0.5m的樹坑，然后放入選好的1～3年生樹苗，再往坑內填入腐殖土澆水壓實。灌木栽植株行距均為1.0m。如岸坡土質較好，適合扦插灌木枝條，則灌木枝條扦插株行距均為0.4m。對于高于設計洪水位的岸灘可采用喬木與灌木混合栽種的方式加強固灘效果。喬木栽種株行距均為2m。短丁壩群結合灌木固灘新技術典型工程建設型式如圖3所示。

圖3 短丁壩群結合灌木固灘新技術典型工程建設型式

目標層A生物護岸、固灘植被選擇原則層C抗逆性功能特性培育特性基準層P耐寒耐旱耐瘠薄性抗污性抗熱性泛固土性景觀特性光防眩培育成本繁殖特性培育技術粗放管理底層D查閱資料或實地調查獲得可供選擇的多種植物

表2 目標層和原則層判定矩陣計算結果

注：A表示為目標層；C1、C2、C3表示不同的原則層；wij表示為目標層和原則層對應下的權重；wi表示為原則層權重；(DWi)表示為判定權重。

3 基于層次模型的生物護岸、固灘植被優選研究

3.1 植物優選模型原理

由于無法量化植物優選的標準，因此本文主要結合層次分析方法對植物進行優選。主要原理為首先對植物立地生長的因素進行分析，對植物生長影響因子按防護和優選原則進行綜合確定，構建植物不同層次的優秀模型，結合判定矩陣對各因子權重和排序進行分析，最終通過植物優選綜合指數對各植物進行排序優選。

3.2 層次優選模型建立

選擇植物功能、生長以及防護作為原則層，選擇對應的12項評價因子進行植物優選層次模型的評價因子，模型結構層次見表1。

3.3 判斷矩陣的構建與計算

通過對原則層C評分，構建不同目標層和原則層之間的判斷矩陣，結果見表2—5。

表3 原則層C2及對應基準層判定矩陣計算結果

注：P6、P7、P8為對應的12個基準層具體指標。

表4 原則層C3及對應基準層判定矩陣計算結果

表5 原則層C1及對應基準層判定矩陣計算結果

從表2中分析目標層和原則層之間的判定矩陣，可見，植物的功能特性判定矩陣值最大為0.649，培育特性判定值最低，而對于功能特征C2與對應的基準層判定矩陣的計算結果可看出，與P1即植物泛固土性的判定系數最大，為0.735，而與植物的光防眩特征的判定系數最小。從培育特征C3與對應的基準層判定矩陣的計算結果可看出，與植物的繁殖特性判定系數最高，而與培育成本的判定系數最低。從植物抗逆性特征C1與對應的基準層判定矩陣的計算結果可看出，植物的抗逆性特征與耐寒性判定系數最高，這也是北方地區植物選擇最為重要的一個指標。其與抗熱性判定系數最低，影響權重最小。

3.4 各層次單一排序檢驗和綜合排序

以標度法構建判斷矩陣，運用和積法計算排序并進行一致性檢驗。檢驗和排序結果見表6—7。

表6 不同層次單一排序下的檢驗結果

注：為判定矩陣最大值；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標；CR為一致性比例。

表7 各層次下的綜合排序結果

在不同層次單一排序檢驗中，主要檢驗一致性比例CR值，若CR值為0，則表述為具有一致性，而若CR小于0.1，則具備滿意一致性，從各層次總的排序進行一致性比例CR的計算：

CI總=∑aiCIi=0.238×0.032+0.033+0.110×0.038=0.03

RI=∑aiRIi=0.238×0.580+0.652×1.120+0.110×0.900=0.967

CR總=CI總RI總=0.033/0.967=0.034<0.1

可見總排序各層次下不同評價因子可通過滿意一致性的檢驗。

3.5 植物綜合優選度計算結果

在判定矩陣和評價因子一致性檢驗基礎上，結合專家賦分的方法，通過層次分析方法對各指標權重進行計算，對北方地區50余種供選植物進行，部分植物優選結果見表8。

通過對北方地區多種植物進行優選，對于生物護岸、固灘而言，喬木中檉柳的優選綜合指數最高，為4.579，柏木的優選綜合指數最低，為3.972，而在灌木中紫穗槐的優選綜合指數最高，達到4.964，茅莓的優選綜合指數最低，為3.164。草本植物中狗牙根的優選綜合指數最大，為4.209，草本植物的優選綜合指數普遍偏低，這主要是通過這些年的生態治理實踐中，灌木和喬木一般為生態治理主要植被，而草本植物應用較少。

4 主要結論

(1)對于河道淤塞嚴重以及需要進行河道疏浚的農村段中小河流適合于生物堤及生物戧臺的工程建設，此外對于清淤量較大的山洪易發區的中小河流也具有較好的適用性。生物堤建設高度不大于2m，另外生物堤雖然無堤頂通行要求，但建設時應參照河道比降控制或者按照與地面相對高差控制。

表8 植物優選度計算結果

(2)對于遼寧東部河流流速較大、河灘高程較高的凹型河岸適合于短丁壩群結合灌木的生態治理型式，短丁壩結構一般為石籠丁壩或拋石加石籠覆蓋丁壩，壩頂縱向應有一定比降(一般為1%～2%，壩頭向下傾斜)，設計間距一般為壩長的1～3倍。

(3)在北方地區生物護岸、固灘的最優喬木為楓楊，最優灌木為紫橞槐。