人工生態(tài)護岸技術(shù)研究與應(yīng)用進展

鄧靈敏?聶文婷?張志華

摘 要：傳統(tǒng)的硬質(zhì)護岸如漿砌石護岸、混凝土護岸造成河流形態(tài)平直化、阻礙了流域內(nèi)水和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，同時隨著河流污染程度的增加，河流生態(tài)環(huán)境受到了影響。人工生態(tài)護岸兼具護坡及生態(tài)修復(fù)功能，在河岸治理工程已得到廣泛的應(yīng)用，本文在總結(jié)國內(nèi)外人工生態(tài)護岸發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前人工生態(tài)護岸的類型、生態(tài)修復(fù)及護坡技術(shù)、國內(nèi)外應(yīng)用情況進行了梳理，指出了目前存在的若干問題，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望，以期為人工生態(tài)護岸的研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工生態(tài)護岸;生態(tài)修復(fù);河岸治理;水體凈化;防洪

中圖法分類號：TV861? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0608

河岸帶是陸地與水系的交匯區(qū)域，具有重要的生態(tài)功能，如水源涵養(yǎng)、水土緩沖、微氣候調(diào)節(jié)[1]等。然而，河流沖刷通常導(dǎo)致河道淤積、岸坡滑塌，同時強降雨引起水土流失[2]，因此需對岸坡采取防護措施。傳統(tǒng)河岸防護工程主要包括漿砌石護岸、石籠護岸、混凝土護岸等，雖然在一定程度上減緩了河水對岸坡的沖刷，但由于其平直的結(jié)構(gòu)、單一的材料阻斷了河流岸坡與空氣、水之間的交互聯(lián)系，破壞了水生生物、水體環(huán)境與岸坡之間的營養(yǎng)交換，影響到了河流的生態(tài)功能[1]。此外，河流還面臨另一個主要威脅，即污染物排放，這可能會使河水從清澈的、以植物為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽孱悶橹鞯幕鞚釥顟B(tài)[3]。河流護岸對河岸帶生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，因此如何既實現(xiàn)岸坡穩(wěn)定又能維持生態(tài)環(huán)境平衡是當(dāng)前面臨的難題[4]。

在此背景下，兼具護坡及生態(tài)修復(fù)功能的生態(tài)護岸應(yīng)運而生，在河岸治理工程中已得到廣泛的應(yīng)用和延伸。生態(tài)護岸采用人工與生態(tài)材料結(jié)合的方式對河岸進行改造，實現(xiàn)岸坡穩(wěn)定的同時又能維持生態(tài)環(huán)境平衡[5-6]和河流自我修復(fù)能力[7-9]。目前，根據(jù)人為干擾程度將生態(tài)護岸分為自然生態(tài)護岸和人工生態(tài)護岸兩大類型[10]。自然生態(tài)護岸指實施少量的人工措施保持其自然狀態(tài)或直接將受損的護岸恢復(fù)成原有自然狀態(tài)的護岸技術(shù)，適合于緩岸坡，但抗沖刷能力較差;人工生態(tài)護岸則利用工程措施，結(jié)合天然或人工特殊材料，形成生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)，既有較強的抗沖刷能力，又適宜于植物、微生物生長，較廣泛地應(yīng)用于各類河岸治理工程中，具有較高的研究和應(yīng)用價值。

1? ?人工生態(tài)護岸理論研究

國外對于人工生態(tài)護岸的研究最早起源于1938年，德國科學(xué)家Seifert提出近自然河溪整治概念[11]。20世紀(jì)中葉，以德國為首的近自然河道治理工程學(xué)[12]成為早期生態(tài)護岸的主要理論基礎(chǔ)。進入80年代后，歐洲將此理論應(yīng)用于岸坡設(shè)計中，更注重于河流岸坡的自然生態(tài)屬性[13]，減少硬質(zhì)材料使用。美國進一步完善了此理論，通過“土壤生物工程”研究，發(fā)展了一套生態(tài)護岸的技術(shù)理論體系和施工技術(shù)[14]。90年代初期，日本也開始發(fā)展和實施河流護岸理論，進行了“多自然河川計劃”，為已有的理論框架提供了更多的生態(tài)護岸施工案例和結(jié)構(gòu)形式[15]。

我國人工生態(tài)護岸的研究受西方關(guān)于生態(tài)理念的影響，最早始于20世紀(jì)80—90年代，在借鑒國外生態(tài)護岸理論的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)理論研究。董哲仁[16]提出了生態(tài)水工學(xué)的概念，陳明曦等[17]定義了生態(tài)護岸，即在河流生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用河流動力學(xué)實施的水利設(shè)施。同時，隨著水利工程的進一步完善，越來越多的河流護岸采取了人工生態(tài)護岸形式，并開展自主研發(fā)和實驗，在國內(nèi)大中型城市進行探索和研發(fā)，如江蘇[18]、北京及廣州等[19]。

人工生態(tài)護岸常用型式按主要材料不同分為石籠類護岸[20-21]、土工材料護岸（三維土工網(wǎng)墊、土工格柵、土工膜袋等）[22-24]、介質(zhì)篩護岸[25]、生態(tài)混凝土護岸[26-28]、生態(tài)磚類護岸（鏈鎖式生態(tài)磚塊護岸、自嵌式生態(tài)磚植被護岸等）[10]等。隨著人們對環(huán)境要求的日漸提高，生態(tài)護岸越來越廣泛應(yīng)用于江河湖海、城市及小流域治理等各種護岸工程中。

2? ?人工生態(tài)護岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

人工生態(tài)護岸生態(tài)修復(fù)功能主要體現(xiàn)在水體的凈化能力，護岸中的植被具有凈化富營養(yǎng)水體中的氮磷等多方面功能，其主要機理為在一定條件下，護岸中的水生植被的根、莖、葉能吸收水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)如氮磷及重金屬等有害物質(zhì)，以達到凈化水體的目的，同時也滿足了自身生長的營養(yǎng)需求[29]。根據(jù)此機理，專家學(xué)者對其生態(tài)修復(fù)能力進行了系列研究。

現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，自嵌式植生擋土結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸通過減速水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)，使其沉積在擋墻內(nèi)孔中，提供植物生長所需營養(yǎng)，起到了良好的凈化效果[30]。同樣地，沉管護腳結(jié)合無砂混凝土護岸[31]利用其內(nèi)部孔隙，為水生動植物提供生存空間及營養(yǎng)，既凈化了水體同時也保證了水生動植物的生長。王萬忠等[32]通過采用骨料交聯(lián)法制備了具有較高透水率的多孔生態(tài)砌塊，研究了所制備的不同骨料粒徑的生態(tài)砌塊的透水率、比表面積等對水體中硝態(tài)氮去除率的耦合效應(yīng)，最后發(fā)現(xiàn)多孔生態(tài)砌塊對硝態(tài)氮的去除率最高可達90.3%。王玉中[33]采用“生態(tài)護岸+濕地植物配置+生物飄帶”的河道原位生態(tài)修復(fù)組合工藝方案，使得河道的碳氮磷指標(biāo)達到了水環(huán)境III類標(biāo)準(zhǔn)。Yuan等[34]研究了4種不同類型的生態(tài)混凝土減緩地表徑流和溶解有機質(zhì)的功能，得到了凈化效果最好的生態(tài)混凝土類型。

3? ?人工生態(tài)護岸護坡技術(shù)研究

人工生態(tài)護岸的護坡能力主要表現(xiàn)在抗沖刷、消浪擋浪及降低流速等方面，國內(nèi)外學(xué)者對不同的生態(tài)護坡形式的護坡能力做了相關(guān)研究。

仝道斌等[35]在對鉸接式生態(tài)護坡塊的研究中發(fā)現(xiàn)，該類型生態(tài)護坡通過坡面植被軟覆蓋，減弱了河道水流對坡面的直接沖刷，同時護坡中植被根系通過“加筋”作用增強了土體的整體結(jié)構(gòu)，增加了表面的抗侵蝕能力。李海東等[36]研究的植被型生態(tài)混凝土由多孔混凝土、保水材料、緩釋肥料和表層土組成，整體穩(wěn)定性好，抗沖刷能力強，適用于大流速區(qū)段。黃岳文[31]在對沉管護腳結(jié)合無砂混凝土護坡的研究中發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗沖刷能力，在沒有發(fā)生較大沖刷的情況下，護坡結(jié)構(gòu)不會發(fā)生滑動破壞。李仟等[37]對仿真草皮和三棱磚組成的生態(tài)護岸進行室內(nèi)模擬研究，得出了不同形式下水流紊動能的相關(guān)規(guī)律。

另一方面，各學(xué)者經(jīng)過現(xiàn)場布設(shè)生態(tài)護岸并加以實驗觀測發(fā)現(xiàn)，植被帶越寬，消浪擋浪的能力越強[38];岸坡種植紅樹林可以有效削弱波高、波浪在河岸上的爬高及波浪力[39-40];鹽沼護岸比直立擋浪墻等硬質(zhì)工程措施防護效果更好[41];采用三維土工植被網(wǎng)護坡[14][42]，可以明顯提高固土阻滯率，提高承受暴雨沖刷能力，同時抵御較大流速的水流沖刷，顯著降低流速;另外，某些特定植物能有效降低土壤孔隙水壓力[43]。邢振賢等[44]進行現(xiàn)場試驗觀測，發(fā)現(xiàn)無砂大孔混凝土在防沖刷性能上表現(xiàn)優(yōu)異，同時具備一定的景觀效果，能較好地發(fā)揮護坡的生態(tài)和護坡功能。

4? ?人工生態(tài)護岸應(yīng)用進展

4.1? ?河道應(yīng)用

在國內(nèi)的河道生態(tài)護岸工程實例當(dāng)中，廣州市河涌整治工程[18]采用無砂混凝土植草皮及三維土工網(wǎng)墊植草皮護坡對河岸進行了整治;天水市將三維土工網(wǎng)墊、無砂混凝土護坡技術(shù)應(yīng)用于濱河景觀工程，不僅具有防洪效果，保證了護岸的整體穩(wěn)定，還創(chuàng)造了較好的生態(tài)環(huán)境;麗水市甌江堤防工程[45]采用綠化混凝土、三維植物網(wǎng)等多種生態(tài)護岸措施，保證了防洪安全，也對環(huán)境起到了修復(fù)作用。同時，生態(tài)護岸也在我國上海、浙江、山東、江蘇、安徽、遼寧、廣西、福建、天津、吉林等多省（直轄市）得到成功應(yīng)用。

在國外的應(yīng)用案例中，發(fā)展較為成熟的國家為日本，根據(jù)地理、水文和環(huán)境等實際情況，對河流護岸采取了針對性防護措施。如在土生川、加納川、本明川的治理工程中[15]，針對坡度大、水流急等特點，對邊坡采取綜合生態(tài)護坡型式，如干砌石、半干砌石等，配合以適合當(dāng)?shù)厣L的植生物，使得河流的防洪及生態(tài)有了明顯好轉(zhuǎn)。

4.2? ?海岸應(yīng)用

在國內(nèi)海岸生態(tài)防護方面，江蘇省在黃河口附近海岸的護坡建設(shè)工程中[46]，采取混凝土膜袋護坡結(jié)合互花米草的形式，起到了抵抗風(fēng)浪及防護岸坡的效果;遼寧興城對河口海岸濕地進行了整治[47]，主要采用種植大量鹽生植物結(jié)合疏通潮溝、填埋低洼地方案，既起到了海岸帶防沖刷作用，又構(gòu)建了良好的海岸生態(tài)防護帶。

在國外海岸生態(tài)防護方面，荷蘭的北海海峽防護工程[48]，采用挖溝、開孔洞的混凝土，吸引海藻和水生生物棲息，同時養(yǎng)護海岸濕地，營造了防護和生態(tài)為一體的海岸生態(tài)防護工程;美國紐約市[49]建立了復(fù)合型護岸體系，主要包括人工濕地和海洋森林、人工珊瑚礁、人工防波堤群、航道淺化、生態(tài)效益強的護岸、生物岸線六大方面;新加坡[50]創(chuàng)新實施的預(yù)制混凝土人工潮汐池可以提供多種海洋生物居住地，同時也減緩了海浪對海岸坡面的沖刷。

5? ?存在問題及發(fā)展趨勢

5.1? ?存在問題

（1）目前國內(nèi)外研究主要集中于生態(tài)護岸的生態(tài)修復(fù)能力，對于護岸防洪、護坡、整體穩(wěn)定性等基本功能未進行細致深入的研究，未形成一套完整的力學(xué)體系。在大型江河護岸的建設(shè)過程中，如果盲目使用生態(tài)護岸將可能導(dǎo)致滑坡及地質(zhì)災(zāi)害等一系列的安全問題。

（2）國內(nèi)無相關(guān)施工規(guī)范，針對不同型式的人工生態(tài)護岸，在實驗及科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，應(yīng)建立一套適用于不同環(huán)境下的人工生態(tài)護岸的施工技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)工程實踐。

（3）實際的河流護岸中，種植于生態(tài)混凝土上的植被因人工材料的酸堿性、透氣性、滑移等問題，未得到營養(yǎng)的有效供給而導(dǎo)致大面積枯萎。故需進一步考慮結(jié)構(gòu)—土體接觸機理、施工工藝、透水性能、透氣性能以及岸坡整體穩(wěn)定性等問題。

5.2? ?發(fā)展趨勢

從國內(nèi)外有關(guān)研究和技術(shù)發(fā)展趨勢來看，生態(tài)護岸的核心思想仍是在滿足防洪要求的前提下，對河道進行生態(tài)修復(fù)，提高河流的凈化能力，營造河流岸坡的生物群落多樣性。同時，人工生態(tài)護岸從小型水渠到江河再到湖泊甚至海岸等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用的材料種類、護岸類型層出不窮，產(chǎn)生的成果隨著人類對于護岸經(jīng)濟、安全、生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)需求的提升而進一步豐碩。同時隨著人工材料、科學(xué)實驗和工程經(jīng)驗的進一步優(yōu)化，生態(tài)護岸的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量會進一步提升，最終會實現(xiàn)人—防洪—生態(tài)為一體的生態(tài)護岸的新型工程體系，對造福人類、造福后代具有非常深遠的意義。目前，生態(tài)護岸研究有如下發(fā)展趨勢：

（1）多學(xué)科交叉更為普遍。生態(tài)護岸從最初的植被與工程相結(jié)合發(fā)展到如今多元化、多學(xué)科交叉，經(jīng)歷了漫長過程。目前的生態(tài)護岸涉及水土保持學(xué)、材料學(xué)、土力學(xué)、水力學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境學(xué)、機械工程學(xué)、生物工程學(xué)、美學(xué)等多學(xué)術(shù)領(lǐng)域，將會孕育出更加成熟和完整的生態(tài)護岸理論體系，指導(dǎo)復(fù)雜、未知的實際河道環(huán)境下的生態(tài)護坡建設(shè)，使生態(tài)護岸技術(shù)具有更強的適應(yīng)性。

（2）新型材料研發(fā)更為頻繁。面對復(fù)雜的實際河流岸坡環(huán)境，相適應(yīng)的護岸材料也越來越多地被研發(fā)和應(yīng)用，但仍然無法滿足實際工程建設(shè)需求，仍需進一步對護岸材料進行實驗和創(chuàng)新，在今后的河流護岸建設(shè)中，多種新型材料將會被廣泛應(yīng)用。

（3）量化分析與評價標(biāo)準(zhǔn)更為成熟。目前的生態(tài)護岸在實際設(shè)計和建設(shè)過程中，因過于依賴實驗及經(jīng)驗，缺乏具體的量化標(biāo)準(zhǔn)，從生態(tài)修復(fù)效果、防洪效果上無法對其優(yōu)劣進行有效評估，修建質(zhì)量因施工經(jīng)驗而參差不齊。隨著人們對生態(tài)護岸的需求進一步提升，定量化的評估指標(biāo)與體系也將會建立，在總結(jié)經(jīng)驗、理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程背景和立地條件，有效指導(dǎo)設(shè)計階段、施工階段的生態(tài)護岸建設(shè)過程。

綜上，隨著生態(tài)文明建設(shè)的進一步深入，新材料、新技術(shù)、新理論的出現(xiàn)，生態(tài)護岸將會被進一步應(yīng)用于各大江河湖海岸坡中，產(chǎn)生巨大的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

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收稿日期：2021-10-25

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金（項目編號：2021CFB129）;

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（項目編號：CKSF2021446/TB）;

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費（項目編號：CKSF2021744/TB）

作者簡介：鄧靈敏，男，主要從事水土保持工作。E-mail：499826576@qq.com

通訊作者：張志華，男，主要從事水土保持與生態(tài)修復(fù)工作。E-mail：zhangzh@mail.crsri.cn

Review on the Research and Application of Artificial Ecological Revetment Technology

Deng Lingmin1，2? ? Nie Wenting1，2? ? Zhang Zhihua1，2

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;2.Engineering Technology Research Center for Mountain Flood Geological Disaster Prevention，Wuhan 430010，China）

Abstract：The traditional hard revetment，such as masonry revetment and concrete revetment，causes the river morphology to be straight and hinders the exchange of water and nutrients in the basin. At the same time，with the increase of river pollution，the river ecological environment is affected. Artificial ecological revetment has the functions of slope protection and ecological restoration，and has been widely used and extended in river bank control projects. On the basis of summarizing the development status of artificial ecological revetment at home and abroad，the structure types，ecological restoration technology，slope protection technology and application situation at home and abroad are summarized，and the existing problems and some researches in the current research are pointed out In order to provide scientific basis for the research and development of artificial ecological revetment.

Keywords：artificial ecological bank protection;ecological restoration;river bank management;water purification;flood control