收稿日期:2009-03-31 基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008Z X07101-004-04);科技部世博科技专项(2007BAK27B05)。
作者简介:候高健(1983-),男,硕士研究生,主要研究方向为水污染控制。
河道护岸生态化建设进展候高健,徐竟成,黄翔峰(同济大学环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)摘 要:护岸对河道生态环境有着直接的影响作用,生态护岸是从生态学角度来审视护岸的功能和作用。
生态护岸种类繁多,地方性较强,结合工程实例,本文概括与总结了生态护岸的内涵、结构形式、优越性、以及发展趋势。
关键词:河道护岸;生态护岸;进展中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1673-9655(2009)05-0039-051 生态护岸概念及其内涵生态型护岸又称人工自然型护岸,是对天然自然护岸生态功能的一种模拟与强化,可以是恢复后的自然河岸或是只有生态传质作用的人工护岸。
旨在创造良好的生物生存环境,以及绿色的自然景观,同时具有一定强度、安全性和耐久性,满足水利和行洪需要,也是水域和陆地之间相互涵养,并且有着丰富生物和能量活动的陆地与水域的过渡地带[3]。
国外同行一般把生态护岸定义为:“借助土木工程措施,单独使用绿色植被,或者绿色植被与非生命材料相结合,旨在减轻坡面的不稳定性和侵蚀的护坡”[4]。
生态护岸也被称作坡面生态工程或坡面生物工程[5～6]。
河海大学的夏继红等对生态护岸的内涵做了较细致的阐述,提出生态护坡应该是一个系统,不仅仅只是在岸坡上种植植被这么简单,其含义应该包含两个方面:首先是护坡的水利工程效益,其次是生态效益[7]。
顾名思义,行洪、排涝功能是生态护坡的基本属性,要保证岸坡的稳定性、耐久性,以及防止坡岸的水土流失;其次,生态护坡是个开放式的系统,是陆地和水体之间物质、能量、信息等沟通和交流的桥梁与纽带,护岸自身的生物之间也存在着复杂的食物链关系,是一个循环的、有生命的体系。
2 生态护岸的选材护岸材料的选择是护岸实现生态化的重要步骤,此外护岸工程具有用材量大的特性。
所以,生态护岸用材的生态影响不可忽视,其中植被和骨架结构是护岸生态功能的主要载体。
生态护岸主要依靠护岸植物的地下根系和地上茎叶保护岸坡,其作用可概括为根系的力学效应和植被的水文效应两个方面[8]。
护岸植被的选择:在选择护岸植被时,应该优先选择使用本地的乡土植物[9]。
此外,护岸植被应当具有根系发达、萌芽力强、生长快、适应能力强、自我繁殖与更新能力强等特点,同时应兼顾植被的有用性、经济效益和环境效益等原则。
但是河岸是个复杂的生态体系,植被和护岸构型之间是不可孤立的,要将其结合起来综合考虑,所以,护岸植被的地方性很强,灵活把握选材原则是关键。
例如:吉林省水土保持科学研究所的许晓鸿等[10～11],在充分考虑吉林省西部嫩江流域的气候、水文、土壤、当地植被等特殊情况后,提出了以当地的牛毛草、早熟禾、白绿苔草等草本植物为迎水坡面护坡植被,以紫羊茅、草地早熟禾、野麦草、翦股颖等为背水坡面护坡植被,河柳等灌木为迎水坡脚防浪林的植物护岸技术。
护岸构筑材料的选择:首先考虑选用当地的天然材料,既供应充足,又价格低廉,环境融合也相对容易。
其次材料的选择要考虑稳定性的需求,不仅要考虑坡面上防止冲刷、防止表面滑动等稳定性的要求,而且要注意坡岸深层滑动引起的不稳定性。
还有,生态护岸要求所用材料在满足强度要求的同时,要性质稳定,即本身不会引起对环境的不利影响。
例如:在使用生态混凝土护坡和固化技术护坡等措施时,就应当考虑防止渗出物毒性的问—93—环境科学导刊 2009,28(5):39-43 CN53-1205/X I SS N1673-9655题,而干砌护岸就要注意防止内部掏空引起的不稳定问题。
3 生态护岸的结构形式生态护岸有坡式护岸、坝式护岸、墙式护岸和复合型护岸等形式,其中以坡式护岸最为常用[12]。
其结构形式因国情、河流水文地质、当地动植物的种类和习性、土地利用情况,以及当地居民的需要而改变。
护岸的结构形式分类存在多种叫法:自然原型、自然型、多自然型[1]、传统河工学、改良型重力式[13],以及邓欢欢等人在《河道生态修复中的生态护岸技术》中提及的全自然护岸、半自然护岸、多自然护岸[14]。
311 全自然护岸全自然护岸又叫全植被护岸,通常是指在经过平整处理的岸坡上,种植不同品种的护坡植物而形成的护岸,通过植被根系力学效应和水力学效应来固土保土、防止水土流失和绿化坡岸,具有生态和景观的双重功能[15]。
例如:树桩护岸,树枝压条护岸,灌木护岸,湿生、水生植物护岸等护岸形式[16]。
全自然护岸中植被防护能力有限,适用于护坡角度较小、河流流速平缓、防洪需求较低的河段。
但这类护岸接近自然状态下的护岸,对坡岸平衡生态体系影响较小,自然融合能力较强,完整地保留了陆地与河流的物质、能量、信息等交换能力,也为多种物种的生存和繁衍提供了栖息地,施工快速、简便,造价也十分低廉。
312 半自然护岸半自然护岸是利用一定的工程措施,采用植被与石材、木材等自然材料相结合,使坡面既有一定的防洪能力,又为植被生长提供适宜的基质。
自然材料的使用起到了一定的框架和加固作用,岸坡的稳定性和抗冲刷能力得到了大幅度的提高,石材、木材等自然材料的使用,使护岸的防护作用立竿见影,随后通过植被根系的加筋纠结作用,以及植被茎叶的缓冲吸能作用,使坡岸能有效抑制暴雨、径流对坡岸的冲刷作用。
结合植被使用的天然材料通常有石块、卵石、木桩等,使用的组合形式多种多样,浙江省开化县音坑乡姚家村用草皮、鹅卵石和青石修建的防洪河堤就是一个很好的例子[17]。
抛石护岸也是一种半自然护岸,可以直接在坡面抛石,或者对坡面做削坡和压实处理之后抛石。
根据虎林市现已完成的珍宝岛护岸工程[18],抛石护岸是既省资金又施工方便的一种施工工艺。
313 多自然护岸多自然护岸是利用工程措施,较大规模地使用混凝土、高分子材料及药剂等人工材料与植物结合形成一个具有较大抗侵蚀能力的护岸结构[14]。
这类护岸对生态干扰较大,施工较为复杂,造价也相对较高,但护岸作用明显而牢固,也有相应的生态功能。
多用于对护岸抗冲击能力要求较高,或坡岸陡峭不适合修建以上两种类型护岸的河道岸坡。
随着科学技术,特别是材料科学的发展,多自然护岸出现了很多不同的结构类型,例如:石龙护岸、净水箱护岸[19]、复合种植基护岸、生态混凝土护岸、土壤固化剂护岸[20]、固化桩护岸[21]等。
石龙护岸:又叫净水石龙护岸[22],是将直径不太大的自然石头装入方形或圆柱形的铁丝笼,有柔韧性好、结实耐用、施工结束即有很好的防护作用等特点。
不但能够达到预期的抗洪能力,而且有很高的空隙率,这些空隙有一定的净水能力,也便于植被扎根。
当植被长成后,丰富的根系可以将石头、土壤、植被捆为一体增加护岸的牢固性,提高护岸的抗洪能力。
王艳颖等[23]对林庄港木栅栏砾石笼生态护岸的水环境改善效果进行了监测,在长度为200m 的监测河段,河道水体中COD 、T N 和TP 的浓度分别下降1011%～2017%、915%～1319%和1012%～2111%,污染物浓度沿程降低较为明显。
净水箱护岸:是对人工湿地和浮床技术的继承和沿用,净水箱中间设隔板,在隔板靠近箱体后壁一侧的下部设孔隙,隔板将箱体内部分成两个格室。
当污水由无溢流口的一侧流入净水箱时,其在水压力的作用下将通过隔板下的孔隙进入另一侧格室,并从溢流孔流出,滴入下一层箱体[22]。
净水箱护岸砌块用于常水位以上,是对垂直河岸生态功能不足的一种补充,特别适合在城市河道使用。
很多新建和改建的城市护岸常常受限于空间的不足,护岸形式倾向于采用陡直的挡土墙结构,净水箱在垂直挡土墙上的悬挂对汇流雨水等起到了净化作用。
生态混凝土护岸:生态混凝土是在混凝土中加入相应的轻质多孔岩石、长效缓释肥料、保水材料等制作而成[24],其添加物可有不同的种类搭配,目的是为植被的附着和扎根提供载体,同时又继承了混凝土的牢固性。
吉林省水利实业公司使植被型生态混凝土构件化,可以利用生态混凝土预制块体—04—环境科学导刊 第28卷 第5期 2009年10月进行铺设,可以在坡面硬化的同时,保留护坡的生态功能。
根据在三峡大学内进行的试验[7],一块经植被混凝土护坡绿化技术修复的坡面(纯草本植物),当污水经过后,溶解氧上升7812%,以Cr6+为代表的重金属元素削减了8710%,挥发酚类化合物削减了32147%,总氮和总磷削减率分别为22173%和20193%,COD削减了13148%, BOD削减33158%。
若实际工程应用中护岸植被是藤、草、灌相结合的立体结构,不难理解其对污染物的削减、拦截作用会更强。
土工材料复合种植基护岸:这类护坡多采用防锈处理后的铁丝,或者聚丙烯等高分子材料作为骨架,内部填充土壤、沙石等基质构成[25]。
常见的有土工网垫固土种植基、土工单元固土种植基等多种形式。
其中网垫型生态护岸材料是利用强度较高、柔韧性较好的纤维材料,通过特殊手段编织而成的坡面保护层,网垫内有大量空隙,为植被提供适宜的生长载体。
例如棕纤维生态网垫和三维植被网[26]。
土工单元固土种植基是利用高分子材料焊接,或者用混凝土做成蜂窝状外框,然后填土,种植植被,以此来达到增强护坡抗冲刷能力的目的。
但土工材料复合种植基护坡难以抵御较大洪水冲刷,而且迎水面不应当采用这种护岸。
固化技术护岸:固化技术是通过有机或无机固化剂、胶结材料和特殊的工艺手段把松散的土壤或其它固体物质凝结成具有整体强度的固体材料[27～28]。
土壤固化剂护岸和固化桩护岸是固化技术的两种不同应用形式。
上海青浦区金泽镇的田山村[21],成功地利用固化技术解决了本村的河岸环境问题,具体做法是利用本村收集的建筑垃圾,经粉碎处理后,添加固化剂将其固化成固化桩,对侵蚀较严重的河段实施了固化桩(+植被)护岸工程,对土质河岸实施了边坡整体固化工程。
采用固化桩和土壤整体固化(+植草),以及水生植物等一系列技术对一个污塘进行了生态重建与修复。
4 生态护岸的功能411 景观功能水与绿色植被相互交接的地方,从来都是人们所喜爱的休闲与运动场所。
若护坡有丰富的植被覆盖,再配合河岸的小道,以及相应的休闲,娱乐设施等,不难想象,这里将使人们亲近自然的梦想成为现实。
412 净水功能生态护岸是陆地与河流之间的缓冲带,有助于河流水质的安全与稳定,一定宽度生态护岸带的存在,通过捕获流失的土壤和营养物质,可减少岸坡上的营养物质流入河流[29]。
(1)生态护岸对有机物的去除能力[30]水流中的污染物,在流经护岸植被根系时,会被根系周围的的细菌和真菌作为营养物而提取,将有机污染物分解为无机物,无机物又可以为植被提供营养。
