長江中下游航道護岸水生植被修復技術

劉夢齊

（長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430000）

護岸工程是天然航道治理中的一項重要內(nèi)容，護岸工程以往多以混凝土、拋石等堅硬的物質(zhì)為主，設計與施工中更加注重結構的安全性和防洪性，卻忽略了護岸的美學價值、生態(tài)功能、河流生態(tài)完整性和水陸生態(tài)系統(tǒng)的連接能力。生態(tài)護岸是近幾年來我國航道治理工程中一種重要的生態(tài)修復方式，隨著相關工作的持續(xù)推進，建設生態(tài)化航道護岸已受到了越來越多工程方的重視[1]。生態(tài)護岸既能達到工程的設計要求，又能促進植物生長、生物交換、地表徑流、地下水的流通，可以為改善濱水區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性、生物的生存等創(chuàng)造良好條件。長江航道作為長江經(jīng)濟帶的重要樞紐，是我國經(jīng)濟對外發(fā)展的“黃金水道”。但在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，目前對生態(tài)護岸的生態(tài)性研究主要集中在植被覆蓋度、物種豐富度、微生物方面，而對其植被恢復狀況的追蹤研究卻相對較少。為此，本文將在此次研究中，以長江中下游航道護岸工程項目為例，提出一種針對護岸水生植被的生態(tài)修復技術。

1 工程概況

為確保修復技術的實施達到預期效果，在開展相關研究前，對長江中下游航道護岸工程項目的基本情況進行勘察。根據(jù)勘查發(fā)現(xiàn)此次研究的項目位于武漢地區(qū)上游，距離武漢約180km，上游自楊林山起，下游自石碼頭終止，對應的中游部分里程在172km～210km范圍內(nèi)。

為選擇適宜生存的水生植被，需要在掌握航道護岸的基本情況后，對該項目所在地的氣象條件進行分析，明確項目所在地內(nèi)普遍為丘陵和平原。長江中下游地區(qū)各地年平均氣溫差異很大[2]。其中，年平均氣溫受緯度的影響明顯，由南部的19℃逐步向北遞減至15℃；由于受季風影響，長江流域冬夏氣溫差異較大，尤其在長江中下游更為顯著，1月氣溫最低，為2℃～8℃；7月最熱達28℃～30℃，湖北南部、湖南、江西、江蘇等地月平均氣溫接近30℃，是我國最熱的地區(qū)之一。極端最高氣溫在長江中下游大多可超過40℃，以江西省修水站的44.9℃（1953年8月12日）為最高值，極端最高氣溫大多出現(xiàn)在7月下旬至8月中旬，極端最低氣溫全流域都在0℃以下，大多數(shù)出現(xiàn)在1月中旬至2月上旬。

長江中下游地區(qū)年降水量大于1600mm 的地區(qū)主要分布在江西、湖南部分地區(qū)。年降水量超過2000mm的地區(qū)基本分布在山區(qū)。各大支流水系平均年降水量為：洞庭湖水系1431mm，漢江904mm，鄱陽湖水系1648mm，太湖水系1177mm。受季風活動影響，各地雨季遲早不一。

2 水生植被修復技術

2.1 長江中下游航道護岸水上護坡拋石

掌握該工程項目的實際情況后，設計長江中下游航道護岸水上護坡拋石施工，通過此種方式，為護岸水生植被修復工作的開展提供良好的支撐。結合工程需求，此次水上護坡拋石工程量101794m3，選用船舶定位、運輸?shù)冉M合方式設計施工方案[3]。在此過程中，塊石運輸船舶應滿足600t以上的作業(yè)需求。根據(jù)施工現(xiàn)場情況，本維修工程每個施工面投入1 艘定位船施工。

定位船在指定拋石區(qū)定位，運輸船從一邊泊停，同時，使用長臂式挖泥機進行拋擲，水凼內(nèi)受施工區(qū)水域限制則采用短臂挖機拋投。拋石區(qū)的運輸船被固定在定位器上，GPS 精確定位后，將其拋入拋石區(qū)。在拋石過程中，要加大對拋石的監(jiān)測，以保證水下拋擲物的均勻性，在滿足設計的條件下，利用GPS 進行絞移和定位。在完成一個斷面的施工后，將定位船轉(zhuǎn)動至下一斷面，按照上一斷面的施工步驟重復施工[4]。其中長臂挖掘機拋石與短臂挖掘機拋石示意圖如下圖1 與圖2所示。

圖1 長臂挖掘機拋石示意圖

圖2 短臂挖掘機拋石示意圖

拋石采取塊石運輸船裝運，機械定位拋投，拋石時應定位準確，每艘定位船采用雙蹤單顯GPS 定位儀進行動態(tài)監(jiān)測，保證拋石的到位率[5]。拋石過程中，采用GPS 或全站儀進行施工放樣，魚嘴外側近岸區(qū)域使用圖2所示的短臂挖掘機進行拋石，拋石行為應保證均勻性，石塊的到位率應〉90%。當施工區(qū)工作面較大時，盡量使用長臂挖掘機進行施工。魚嘴外側拋石補坡時需考慮一定漂距，其中拋石的水平落距可按下式估算。

公式（1）中：Ld表示拋石水平落距，計算單位為m；Vf表示表面流速，計算單位為m/s；H 表示水深，計算單位為m；G 表示塊石質(zhì)量，計算單位為kg。采用定位船定位時，應根據(jù)拋石速度控制船體移動速度，避免漏拋或堆拋，采用機械拋石，其拋投高度應控制在水面以上一定范圍內(nèi)[6]。當設計拋石厚度超過一定厚度時，應分層拋投、分層檢測，力求做到定位準確、方量足數(shù)。拋石后，對拋投區(qū)域及時進行水下地形測量，如出現(xiàn)漏拋和拋量不足應及時進行補拋。拋石船的定位和拋投在監(jiān)理工程師旁站下完成，枯水季節(jié)露出水面的拋石，對不均勻的部分進行整理。

2.2 設計水生植被修復技術參數(shù)

完成上述設計后，結合長江中下游航道護岸的水文條件，按照下述圖3所示的內(nèi)容，設計護岸水生植被修復布置方案。

圖3 護岸水生植被修復布置方案

在此基礎上，設計各修復區(qū)域的技術參數(shù)，相關內(nèi)容如下表1所示。

表1 水生植被修復技術參數(shù)

表格中（1）～（6）對照圖3 中（1）～（6），按照上述方式，完成水生植被修復技術參數(shù)的設計。

2.3 航道護岸基底修復與生態(tài)恢復

在上述設計內(nèi)容的基礎上，可通過對航道護岸基底修復與生態(tài)恢復，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)水生植被的修復。

整治工程中，要盡量將原本陡峭、容易被沖刷的護岸區(qū)變得平坦，減輕風浪、水流等不利水文環(huán)境對濱水區(qū)生態(tài)恢復的影響[7]。同時，為了適應水生植物和敏感的底層生物的生長和繁衍，生態(tài)修復采用了演替學說，即在特定生境中，研究生態(tài)系統(tǒng)退化的成因和機理，運用生物、生態(tài)工程的技術和方法，根據(jù)人為的目的，選取合適的植物，構建生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤、植被和生物的同步恢復，使生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和生態(tài)潛能恢復到原來的或更高的水平。

在此基礎上，利用水體質(zhì)量、底質(zhì)、水生生物、湖岸帶等指標，對護岸修復區(qū)域的生態(tài)健康進行評價，確定水生植物存在的必要性和恢復潛力[8]。同時，利用生態(tài)恢復區(qū)的逆風岸坡改造和防潮防藻技術，對露灘、間歇性和非露灘的濕地生態(tài)環(huán)境進行改造。此外，利用護岸敞水區(qū)的生態(tài)調(diào)節(jié)技術，進行濕地區(qū)域植被的恢復和重建，實現(xiàn)在對資源綜合利用的同時，提高植被的修復水平。

3 修復效果

上文從三個方面，以長江中下游航道護岸工程項目為例，提出一種針對護岸水生植被的生態(tài)修復技術。為實現(xiàn)對設計成果在實際應用中效果的檢驗，按照本文提出的步驟，對長江中下游航道護岸的水生植被進行修復。在此過程中，應明確所研究的河段位于中國地勢第三級階梯，屬二級地貌區(qū)，地貌形態(tài)為堆積平原，間有湖泊和低山丘陵。由于受地質(zhì)構造的影響，河道走向為西南至東北向。河段左岸屬江漢凹陷，右岸屬江南古陸和下?lián)P子臺凹陷。

本河段除局部為原生基巖外，大部分地區(qū)河床質(zhì)由現(xiàn)代沖積層組成。南岸由丘陵階地和河漫灘組成，北岸為沖積相大平原，河道兩岸及河床第四紀十分發(fā)育，為長江河漫灘相和河床沖積相沉積。根據(jù)螺山水文站多年測驗統(tǒng)計資料可以看出本河段的河床組成情況，河床質(zhì)細沙占 59.3%，極細沙占 20.0%，河床質(zhì)主要由細沙組成，其間夾雜有少量的粗沙和小礫石。本河段河床質(zhì)年內(nèi)變化呈汛細枯粗的特征，反映河床呈汛淤枯沖的變化規(guī)律。河床質(zhì)中值粒徑年際變化在 0.102 ～0.205mm 之間，平均粒徑變化于 0.119 ～0.495mm 之間。斷面構成如下表2所示。

表2 斷面河床質(zhì)組成

根據(jù)界牌河段鉆孔資料分析，水道左右岸總體來看，上部為粉質(zhì)粘土，厚度約 7 ～22.8m 不等，下部為中等偏高緊密度的中細砂。總體上來看，本河段灘體組成抗沖性弱，特別是三峽工程蓄水后，在清水下泄作用下更易受沖。

掌握該區(qū)域的實際情況后，參照本文提出的方案，進行長江中下游航道護岸的水生植被修復，修復過程中，先設計長江中下游航道護岸水上護坡拋石。根據(jù)實際情況，設計水生植被修復技術參數(shù)，通過對航道護岸基底的修復與生態(tài)的恢復，實現(xiàn)對水生植被的修復。

完成上述設計后，將修復區(qū)域中的水生植被物種均勻度指數(shù)作為評價指標，計算公式如下。

公式（2）中：J 表示水生植被物種均勻度指數(shù)；H'表示區(qū)域植被數(shù)量平均值；S 表示水生植物種類分類單元。設定J 的取值在0～1 之間，計算取值越趨近于1，說明區(qū)域內(nèi)物種均勻度越佳，即植被修復效果越好。上述公式中，H'需要通過下述公式計算得到。

公式（3）中：P表示物種比例；i表示第i類水生植物；n 表示水生植物總和。按照上述方式，統(tǒng)計采樣檢測區(qū)域的水生植被物種均勻度指數(shù)。其結果如下表3所示。

表3 修復前后水生植被物種均勻度指數(shù)對比

根據(jù)上述結果可以看出，修復后水生植被物種均勻度指數(shù)接近于1，說明本文設計的修復技術在實際應用中的效果良好。

4 結束語

護岸區(qū)是陸域和水域的過渡區(qū)域，具有高度的空間異質(zhì)性，可以為物質(zhì)、能量等信息的頻繁交流提供渠道。通常情況下，護岸區(qū)域的生物具有多樣性，其生產(chǎn)力與生產(chǎn)水平都相對較高，同時，護岸對外部環(huán)境和水文環(huán)境的變化非常敏感，并且受人為因素的影響越來越顯著。為提高護岸的生態(tài)性，本文通過長江中下游航道護岸水上護坡拋石、設計水生植被修復技術參數(shù)、航道護岸基底修復與生態(tài)恢復，完成了此次設計。旨在通過此次設計，改善區(qū)域的生態(tài)性能，豐富航道護岸生物物種。