基于生物基質(zhì)的河道護岸護坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)在遼寧地區(qū)的應(yīng)用

楊洪寧

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

基于生物基質(zhì)的河岸護坡護岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)近些年在許多區(qū)域得到應(yīng)用，是水利部重點推廣的實用新技術(shù)(推廣編號為TZ2014089)，并作為遼寧省第一批河道綜合治理和生態(tài)修復(fù)支撐技術(shù)得到推廣。該項技術(shù)可以解決傳統(tǒng)剛性混凝土未能考慮生態(tài)和綠化的綜合效益。基于生物基質(zhì)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)通過配置強度較高的大骨料，使得其混凝土骨料層可以滿足堤防安全的需求，此外其連續(xù)孔隙的混凝土骨料層配合活性菌劑，使得植被生長條件得到明顯改善。混凝土骨料層和生物基質(zhì)的有效結(jié)合可滿足河道堤防安全和生態(tài)功能的雙重需求。該項技術(shù)已經(jīng)在一些省份生態(tài)護岸護坡綜合治理、城市河道黑臭水體治理、河湖濱海植被抗沖刷性修復(fù)、山體邊坡生態(tài)修復(fù)等工程實例中得到應(yīng)用，但在遼寧地區(qū)應(yīng)用還較少，為此本文針對該項生態(tài)修復(fù)新技術(shù)，立足于遼寧地區(qū)河道特點，對技術(shù)指標、施工工藝及實施效果進行了介紹，以期為遼寧地區(qū)河流生態(tài)修復(fù)提高重要的技術(shù)參考。

1 試驗方法

1.1 骨料層基礎(chǔ)平臺的試驗方法

在已預(yù)制好的混凝土六棱塊護岸基礎(chǔ)上，充填多孔骨料并在C20框格梁上進行澆筑，不需要對原有的堤防進行結(jié)構(gòu)性的拆除和破壞措施。骨料基礎(chǔ)層采用直徑為45mm的單一石料、標號為42.5的水泥以及添水劑和水一起進行機械攪拌120分鐘后，澆筑時間控制在30分鐘內(nèi)完成。

1.2 植被配置方法

經(jīng)過對遼寧地區(qū)實地調(diào)研分析，地被植物選用適合于寒冷地區(qū)的高冰草、紫羊茅、虉草，這幾類為禾木科，菊科選用了波斯菊，豆科類選用了紫花苜蓿，此外還選用了藜科的駝絨藜作為生態(tài)植物。生態(tài)植被修復(fù)措施配置方案見表1。

1.3 試驗土壤菌群分析

為分析不同植物生長受生物基質(zhì)的綜合影響，將高冰草選為試驗植物，試驗播種面積為30m2，播種的數(shù)量為22g/m2，試驗原底土壤取有機質(zhì)含量為5.3%，適合于植物生長。試驗土壤和生物機質(zhì)的養(yǎng)分見表2。

1.4 試驗設(shè)備

試驗現(xiàn)場采用機械方式對基礎(chǔ)骨料層進行攪拌和現(xiàn)場澆筑，骨料層采用的機械設(shè)備分別為：裝載機和攪拌機各1臺，現(xiàn)場基質(zhì)填充和混拌采用機械結(jié)合人工輔助方式進行。無紡布的鋪設(shè)和作物種子的播種均采用人工方式進行。

1.5 試驗流程

(1)對達到試驗標準河段坡面進行清理整平和密實度處理，并對框格梁進行支模和澆筑試驗處理；

表1 植被生物基質(zhì)配置方案

表2 試驗區(qū)土壤和生物基質(zhì)的養(yǎng)分和有效菌數(shù)

(2)將水泥、石料、BSC-WY系列添加劑和水生物基質(zhì)混凝土骨料層按配合比加入到攪拌機進行均勻攪拌處理，拌合后出料運至試驗工作面澆筑在框格梁內(nèi)整平；

(3)將澆筑作業(yè)面與攪拌機的距離控制在120m以內(nèi)，如果澆筑作業(yè)面與攪拌地點距離超過120m，則要求攪拌地點和試驗作業(yè)面進行轉(zhuǎn)場，以保證試驗質(zhì)量，整個試驗流程操作時間在10分鐘以內(nèi)進行控制；

(4)澆筑完畢的拌合料，應(yīng)對表面進行整平表面處理，3天內(nèi)禁止人員行走、行車及加載負荷；

(5)試驗作業(yè)面在3天內(nèi)每天進行早晚2次的作業(yè)養(yǎng)護，3天內(nèi)若遇到陰雨天氣則不需要進行養(yǎng)護；

(6)作業(yè)面澆筑完成7天后可以進行骨料層內(nèi)生物基質(zhì)層實施過程試驗；

(7)覆蓋20～50g/m2的無紡布用于初期保墑，無紡布應(yīng)用鉛絲或竹簽扦插固定；

(8)蓋無紡布后28天內(nèi)視天氣情況澆水養(yǎng)護，晴熱天氣蒸發(fā)量大時應(yīng)在早上7點前澆透水一遍，陰雨天氣則無需澆水。

1.6 質(zhì)量檢驗方法

(1)骨料層的質(zhì)量檢驗：按照標準設(shè)計尺寸(本次試驗采用的尺寸為200mm×200mm)制作混凝土骨料層的生物基質(zhì)的試驗?zāi)K，進行30天的保養(yǎng)維護后進行試驗備用，各試驗制件方式、維護方法及模塊的制作尺寸的誤差均嚴格按照GB/T 50082的要求進行規(guī)定。

(2)植被恢復(fù)和生長覆蓋度的檢驗方法

對試驗現(xiàn)場播種的高冰草進行現(xiàn)場采樣，對不同處理方式下的植物樣品進行采集后進行檢測和分析，并對基質(zhì)土壤表層5cm的土樣進行采集后，對其酸堿度、孔隙率含水量等物理和化學(xué)指標進行測定，現(xiàn)場進行平行4組的試驗，每個試驗樣品采集的面積為45m2，生物菌劑按照高劑量(10t/hm2)和標準劑量(5t/hm2)進行2種比例進行摻入。在植物生長試驗時，設(shè)置有機肥和不施肥兩種方式進行，分別按照植物不同生長時期測定的單株重量、分蘗數(shù)以及表層5cm的基質(zhì)土壤的酸堿度以及土壤孔隙水含量等指標進行測定。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 添加劑用量對骨料層抗壓穩(wěn)定影響試驗結(jié)果

對采用相同配比方案的不同用量添加劑下骨料層的抗壓強度進行了試驗分析，分析結(jié)果見表3。

表3 不同型號下添加劑用量對骨料層抗壓強度的影響試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，通過對生物基質(zhì)進行添加劑的使用后使得其骨料層的減少功能得到明顯增強，并由于添加劑的粘合和其他成分的調(diào)節(jié)作用，使得其骨料層的抗壓強度逐步得到提升，在水泥用量較少的條件下其抗壓強度提升效果也較為明顯。此外，在相同配比方式下不同型號生物基質(zhì)下的骨料層抗壓強度有不同程度的差異，在實際施工過程中。應(yīng)結(jié)合不同設(shè)計需求對其對于的型號進行選擇，也可以按照施工條件和設(shè)計部門的要求進行單獨定制型號。

2.2 水泥用量對骨料層抗壓強度影響試驗結(jié)果

為分析水泥用量對生物基質(zhì)骨料層的抗壓強度進行試驗分析，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同水泥用量對骨料層抗壓強度影響分析結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，在同一試驗條件下抗壓強度和水泥用量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，隨著水泥用量的增加，骨料層的抗壓強度也相應(yīng)的增加，增加水泥使用量可提供骨料試驗樣塊的抗壓強度，但由于水泥用量的增加勢必造成工程造價，因此在實際施工中要重點考慮水泥用量，優(yōu)化工程造價成本。此外從試驗結(jié)果還可看出，水泥用量和孔隙度成反相關(guān)，隨著水泥用量的增加，骨料模塊的孔隙度逐步減小，當水泥配比方案用量為450g/cm3，其試驗孔隙度可以達到30%，當水泥配比方案用量達到350g/cm3，其試驗孔隙度高于30%，不同水泥用量下其孔隙度具有較為明顯的差異度。

2.3 植物生物量指標受生物基質(zhì)的影響試驗結(jié)果

以高冰草為例，探討了生物基質(zhì)不同菌群對植物生物量指標的影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 生物基質(zhì)對各植物生物量的影響試驗結(jié)果

植物生物量可以從單株重量和分蘗數(shù)進行其葉面和總體草量兩個指標的反映，從試驗結(jié)果可看出，采用高劑量的生物基質(zhì)菌落下高冰草的顯著度高于其他試驗組，其他組試驗單株重量差異度較小，正常生物基質(zhì)菌落劑量下，分蘗指標和正常施普通有機肥處于同一個水平，均低于采用高劑量的生物基質(zhì)菌落，分蘗指標要高于對照組。從試驗結(jié)果可說明生物基質(zhì)菌落的用量可以將植物生物量進行顯著增加。

2.4 骨料層抗凍性能試驗結(jié)果

考慮到北方地區(qū)的氣候寒冷特點，對骨料層模塊進行了28天的養(yǎng)護后，該試驗?zāi)K的骨料層混凝土配比為0.34，對試驗?zāi)K進行了凍融循環(huán)試驗，并對不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失度和強度損失率進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見表6。

表6 骨料層的抗凍性能測試結(jié)果

從試驗分析結(jié)果可看出，凍融循環(huán)次數(shù)和骨料層模塊的質(zhì)量損失度和強度損失量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，質(zhì)量損失度和強度損失率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而遞增，尤其是在凍融循環(huán)次數(shù)達到150次以上時，其質(zhì)量損失度和強度損失率變化較為明顯，抗凍等級可達到F200標準，在北方地區(qū)要推廣和應(yīng)用該項生態(tài)修復(fù)技術(shù)，需要對其混凝土的抗凍性能進行設(shè)計，通過增加活性的礦物摻合料來提高生物基質(zhì)骨料層模塊的抗凍耐久性能。

2.5 植物生態(tài)修復(fù)效果調(diào)查

在試驗區(qū)進行了為期3個月的生態(tài)修復(fù)后，對試驗區(qū)各調(diào)查樣范圍內(nèi)播種的植物進行了調(diào)查，并對自然恢復(fù)區(qū)植物的品種進行了調(diào)查，試驗區(qū)采樣植物品種調(diào)查結(jié)果見表7，對比自然恢復(fù)區(qū)的植物調(diào)查結(jié)果見表8。

表7 試驗區(qū)生物基質(zhì)下植物生態(tài)修復(fù)效果調(diào)查結(jié)果

表8 未采用生物基質(zhì)對比區(qū)植物調(diào)查結(jié)果

圖1 試驗河段生態(tài)修復(fù)效果

試驗區(qū)在進行不同植物群的播種后，在同一個自然生態(tài)恢復(fù)區(qū)，設(shè)置了植物生長對比區(qū)，從而對比分析采樣區(qū)植物生態(tài)修復(fù)的效果，通過近3個月的植物生長觀察試驗，對試驗區(qū)內(nèi)播種的植物進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表7，相比于對照區(qū)自然生態(tài)下的植物調(diào)查生物量見表8，采樣生物基質(zhì)進行河岸生態(tài)修復(fù)后，植物種類、覆蓋度、以及高度均較自然生態(tài)下的植物有明顯改善，植物種類也到不同程度的豐富，各類植物的單株數(shù)量也得到顯著增加，試驗河道生態(tài)修復(fù)效果如圖1所示，從圖中可看出，采用生物基質(zhì)技術(shù)進行河道生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后，植物量增加顯著，此外對試驗骨料層模塊進行了采集，經(jīng)過28天的養(yǎng)護期后，進行室內(nèi)抗沖刷的試驗，其總體抗沖刷能力可達到6m/s。

3 技術(shù)潛力和優(yōu)勢分析

3.1 在遼寧地區(qū)的應(yīng)用潛力分析

通過對生物基質(zhì)下河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)進行試驗、檢測以及植物生態(tài)修復(fù)效果的試驗分析，該項技術(shù)可結(jié)合遼寧地區(qū)氣候、土壤以及實際施工條件，在中小河流和城市段河流生態(tài)修復(fù)中得到應(yīng)用和推廣，本文分析的植物組合適合于遼寧地區(qū)的氣候特點，在完成工程措施后可以保持播種植物的生長效果，此外本文試驗分析的骨料層混凝土配比為0.34，其孔隙度可達到29.6%，抗壓強度7天和20天可分別達到12.2MPa和14.7MPa，并可達到抗凍等級可以達到F200標準，可以滿足遼寧地區(qū)冬季氣候寒冷、防沖需求。技術(shù)整體在遼寧地區(qū)尤其是東部山區(qū)具備推廣和應(yīng)用的潛力，此外采用BSC-WY03添加劑后，可以用普通水泥用量、骨料配比不進行調(diào)整的前提下，其抗凍等級也可達到F200標準，在北方寒冷地區(qū)工程實際應(yīng)用能力較好。

3.2 相比于傳統(tǒng)生態(tài)混凝土技術(shù)的優(yōu)勢

基于生物基質(zhì)的河道治理生態(tài)修復(fù)技術(shù)可以有效提高土壤的生物菌落，增強土壤的活性，提升土壤的物理和化學(xué)指標。活性菌落在基質(zhì)層中具有較高的豐富度，使得土壤中各類有機污染物及有機物可以生產(chǎn)滿足植物生長所需要的的養(yǎng)分，避免采用有機化肥對水體產(chǎn)生的二次污染，即達到水質(zhì)環(huán)保要求，也可符合河流生態(tài)景觀的需求，可以維持植物長期良好的生長狀態(tài)，持續(xù)較長的生態(tài)效應(yīng)。針對治理區(qū)域進行多樣性和專業(yè)化的生態(tài)植物播種，對區(qū)域植被生態(tài)效果修復(fù)十分有益。由于在生物基質(zhì)上采用多種保水、保肥材料使得植物生長具有良好的效應(yīng)，從試驗區(qū)和對照區(qū)域植物修復(fù)效果對比分析表明生物基質(zhì)技術(shù)對區(qū)域植被修復(fù)具有較明顯的效果，對于河道治理而言，即保障防洪安全的同時又具備了較好的生態(tài)效果。

4 技術(shù)應(yīng)用建議

(1)在實際工程施工時，骨料層宜采用框格進行束縛，施工現(xiàn)場進行澆筑方式，從而保持骨料層的整體穩(wěn)定性，此外植物根系可通過骨料層的孔隙度穿透骨料層，并在岸、坡進行扎根，與骨料層形成立體的錨固和加筋效應(yīng)，增加河岸、堤防的穩(wěn)定性、抗沖刷以及水保能力。

(2)框格梁式的混凝土充填方式工程造價、施工難度以及植被覆蓋度上好于六棱及工字磚砌方式，建議在實際工程應(yīng)用時采用框格梁式進行混凝土的充填澆筑；

(3)骨料層混凝土配比為0.34，其孔隙度可達到29.6%，抗壓強度7天和20天可分別達到12.2MPa和14.7MPa，這種配比方案較為經(jīng)濟，在實際工程中也可進行適當調(diào)整。