基于魚類對孔隙選擇性試驗的多孔型生態(tài)護岸塊體設(shè)計

邢浩翰，周林飛，張 靜

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110161)

長久以來，傳統(tǒng)的舊式護岸工程被建筑在全國許多城市河流當(dāng)中，對于近些年我國經(jīng)濟的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)護岸工程對于防洪、排澇等功能性上的偏重，導(dǎo)致了它并不能很好地融入當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。與此同時，大多用石料、瀝青等硬性材料建筑的傳統(tǒng)護岸對于自然環(huán)境以及生態(tài)平衡所產(chǎn)生的負(fù)面影響也日益明顯。硬質(zhì)材料有其自身的優(yōu)點，例如堅固，耐久性較強，但是僅由它構(gòu)成的傳統(tǒng)護岸打破了水陸生態(tài)的平衡，使護岸本身成為了一個封閉的系統(tǒng)，也破壞了動植物賴以生存的棲息環(huán)境，故傳統(tǒng)護岸已不再適合當(dāng)下中國的生態(tài)文明建設(shè)的大環(huán)境，需要加以手段修復(fù)城市河道生態(tài)系統(tǒng)。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 人們認(rèn)識到河道生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)對城市生態(tài)環(huán)境、城市景觀、城市品味和城市社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要性[1]。為了彌補傳統(tǒng)護岸的不足，以及改善其對生態(tài)環(huán)境造成的破壞，生態(tài)護岸應(yīng)運而生，它既具備傳統(tǒng)護岸防洪、抗?jié)?、引水等功能，同時也具備了生態(tài)、自凈乃至景觀等功能，是人與自然和諧發(fā)展的新要求[2]。隨著國內(nèi)外學(xué)者們對于生態(tài)護岸的研究日益加深，許多新的材料和新的技術(shù)被應(yīng)用到生態(tài)護岸建設(shè)上來，應(yīng)用較多的有：網(wǎng)石籠結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸、土工材料復(fù)合種植技術(shù)、植被型生態(tài)混凝土護坡，但多孔結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸研究并不多。本文所研究的便是多孔結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸，并以魚類對孔隙的選擇性試驗為基礎(chǔ)，設(shè)計出新型式的護岸塊體。

1 魚類對孔隙的選擇性試驗

為給生態(tài)護岸塊體設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，需要進行試驗去觀察魚類更喜歡棲息在何種水下環(huán)境中。試驗中分別搭建不同的水下環(huán)境，讓魚自由選擇，在控制了室溫、聲音等外界干擾下，進行3組對照試驗。

1.1 材 料

(1)試驗材料。魚選擇3種：船釘子魚(10條)、鯉魚(10條)和草魚(10條)；有孔的混凝土塊體、水生植物、河石、碎磚頭和沙；自來水。

(2) 水槽裝置。規(guī)格1.5 m×0.6 m×0.5 m；用2塊玻璃擋板將水槽3等分，稱為A水槽、B水槽和C水槽；每塊擋板上有直徑20 cm的圓洞，可讓魚在3水槽間自由穿梭。

1.2 實驗設(shè)計

(1)試驗一?？紫队袩o對魚類選擇的影響試驗。3個水槽底部鋪等量底沙，模擬3種水下環(huán)境。A水槽：無孔隙，至底部有沙；B水槽：放入少量河石，構(gòu)成少量孔隙；C水槽：放入大量河石，構(gòu)成大量孔隙。針對這3種情況，研究在水面紊亂(危險時)和水面靜止條件下，魚對棲息地的選擇。

(2)試驗二。魚類對不同材質(zhì)孔隙選擇試驗。3水槽中仍鋪等厚度沙，在A水槽放入天河石，B水槽放碎磚塊，C水槽放有孔的混凝土塊體。針對這3種情況，研究在水面紊亂和水面靜止條件下，魚類對棲息地的選擇。

(3)試驗三。水生植物有無對魚類選擇的影響試驗。試驗二中3個水槽原來所放物體不變，水生植物放入A水槽中，觀察在水面紊亂和水面靜止等條件下，A水槽中魚的數(shù)量，將其與試驗二中A槽的魚的數(shù)量進行對比。

1.3 實驗結(jié)論

魚類在水面穩(wěn)定的情況下更喜歡棲息在具有多孔隙結(jié)構(gòu)的環(huán)境當(dāng)中，而當(dāng)水面紊亂時魚類意識到危險時，會大量地躲進孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)或周圍。

(1)孔隙具有很好的集魚效果。魚類喜歡棲息在孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)及周圍，特別水面紊亂時，即危險時，會大量躲避在孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)，孔隙對于魚類的生存有著重要的作用。原因在于：孔隙結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生類似人工魚礁的集魚作用，有利于為動植物營造良好的生存環(huán)境，為魚類躲避天敵和棲息繁衍提供良好的棲息場所。綜上，孔隙結(jié)構(gòu)成為了本文設(shè)計新型式護岸塊體首要考慮的因素。

(2)魚類在孔隙材質(zhì)的選擇上，更喜歡有孔的混凝土塊體所搭建的孔隙結(jié)構(gòu)中，尤其危險時，會更多躲避其中。原因在于混凝土塊體更容易搭建成孔隙，孔隙空間較大，容易躲藏。因此，本文設(shè)計的生態(tài)護岸材料選擇混凝土，因為容易構(gòu)建出適合的孔隙結(jié)構(gòu)，抗沖刷能力好，粗糙率大。

(3)水生植物具有良好的集魚效果。原因在于：水生植物本身能形成更多更密集的孔隙供魚類生存；遇到危險時躲入其中自我保護；水生動物提供更多的有機物，進而形成完整的食物鏈。因此，本生態(tài)護岸塊體的設(shè)計要設(shè)計植生孔，為水生植物的生長提供了一定的位置。

2 設(shè)計原則

(1)根據(jù)魚類對孔隙的選擇性試驗的結(jié)論，本設(shè)計要遵循以下3原則：孔隙結(jié)構(gòu)是本文設(shè)計新型式護岸塊體首要考慮的因素，為魚類趨利避害以及生存繁衍行為提供良好的場所；設(shè)計植生孔，栽植水生植物；材料選擇混凝土。此外，要兼顧生態(tài)與景觀等功能[3]。生態(tài)型護岸的構(gòu)建需注意保存與增加生物的多樣性，積極為水生生物和兩棲動物創(chuàng)造棲息、繁衍的環(huán)境[4]。

(2)生態(tài)護岸設(shè)計需符合相關(guān)護岸設(shè)計規(guī)范。要考慮生態(tài)護岸的其耐久性，以及建筑生態(tài)護岸所使用材料等能否滿足相關(guān)規(guī)范，應(yīng)將設(shè)計對象空間確認(rèn)為立體形態(tài)，不能僅用平面圖進行護岸設(shè)計[5]。

(3)生態(tài)護岸的穩(wěn)定性。在設(shè)計護岸同時，需清楚地理解影響現(xiàn)有岸坡穩(wěn)定性的因素，或者可能影響其穩(wěn)定性的因素[6]。護岸可以防止水土流失，并且具有防洪泄洪作用，護岸與我國的社會、經(jīng)濟以及人們的生活息息相關(guān)，故其穩(wěn)定性好壞會在一定程度上影響到人民的生命財產(chǎn)安全。因此，在對生態(tài)護岸塊體設(shè)計的同時要充分考量其對生態(tài)護岸的穩(wěn)定性的影響。

(4)對于生態(tài)護岸塊體設(shè)計不宜太過復(fù)雜和難于推廣制造，應(yīng)盡量兼顧功能和制造施工的便捷性。

本文在生態(tài)護岸功能的設(shè)計上，為魚類提供了趨避場所和供魚類捕食和產(chǎn)卵的場所。為使其粗糙率大，后期會使用混凝土對其進行制作，也讓其形狀盡量規(guī)范、平整，易于制作。另外，考慮到生態(tài)護岸建設(shè)所在地的地理環(huán)境不同，在生態(tài)護岸塊體之間的連接上還需詳細(xì)設(shè)計，使其易于在大部分地理環(huán)境下易于連接嵌套。

3 多孔型生態(tài)護岸塊體的設(shè)計說明

3.1 多孔型生態(tài)護岸塊體模型外觀說明

本文設(shè)計的多孔型生態(tài)護岸塊體分為2部分，第1部分形狀為長方體，整個結(jié)構(gòu)由塊體地面的植生孔以及其他面上的過魚孔組成。除此之外，在塊體模型的6個面上，都具有規(guī)格一致且不中通的圓柱形凹槽，而且前后、左右、上下兩兩對應(yīng)面上的凹槽位置是一致的。第2部分的形狀是圓柱體，與第1部分的凹槽的直徑略小(這個差距小于等于3 mm)，但長度為凹槽深度的2倍，稱為連接柱。具體設(shè)計見圖1、圖2、圖3。圖2是塊體之間的連接方式，將連接柱插入塊體之間對應(yīng)的凹槽內(nèi)(圖示為未全部插入的示意圖)，其他面的連接方式與圖示相同。

圖1 多孔型生態(tài)護岸塊體模型外觀圖Fig.1Appearance of porous ecological revetment block model 注：1-圓形凹槽(所有凹槽規(guī)格相同，并且對應(yīng)面凹槽位置相同)；2-上壁通道；3-左壁過魚通道(與右壁完全一致)；4-植生孔；5-前壁過魚通道(與后壁完全相同)；6-連接柱。

圖2 塊體連接Fig.2 Connection of blocks

圖3 多孔型生態(tài)護岸塊體模型俯視圖、正視圖和左視圖Fig.3 Planform,front view and side view of porous ecological revetment block model

本多孔型生態(tài)護岸塊體的功能有：①塊體的6個壁較厚，若建筑材料選用混凝土，那么單個塊體自身將具有良好的穩(wěn)定性，從而使它的耐久性得到保證。②下壁的植生孔是中通的，其中不僅可以添加各種建筑材料，而且可以將水生植物栽入與地面連接的塊體當(dāng)中，為魚類提供所需有機物，從而起到更加良好的集魚效應(yīng)。③6個壁上都有較大的過魚通道(其中下壁的過魚通道即植生孔)，使塊體內(nèi)部非常開闊，使魚類及其他小型水生動物在其中穿梭更加暢通無阻，與此同時，下壁與4個角柱連接形成了相對隱蔽的空間，為魚類的棲息、繁衍提供良好的場所。④本生態(tài)護岸塊體在連接的設(shè)計上借鑒了中國傳統(tǒng)木工榫卯連接結(jié)構(gòu)，使模型塊體模塊化，模型上的6個面均具有同樣規(guī)格的凹槽，并且在對應(yīng)的兩個面上凹槽的位置是一致的，可以用小圓柱對塊體進行連接。塊體模型可以在6個面對應(yīng)的方向做相應(yīng)的連接，塊體模型上的大孔隙，在塊與塊連接后依然貫通，從而形成更加寬闊的各類供水生動物所需的場所。小圓柱和塊體模型的連接保證了良好的穩(wěn)定性，除此之外，也可以根據(jù)不同的坡度調(diào)整連接方式。這樣做的好處是可以適應(yīng)大部分的地勢地形，根據(jù)不同的地勢地形，選擇所需要嵌插的小圓柱數(shù)量，使生態(tài)護岸塊體的適應(yīng)性更強，擴展性更高，后期也可以設(shè)計更多樣式的小圓柱或具有小圓柱的類似結(jié)構(gòu)，滿足生態(tài)護岸塊體使用上的不同需求，進而發(fā)掘塊體在連接、保護和穩(wěn)定等方面的更多的可能性。

大孔隙所形成的貫通的空間和植生孔為塊體模型增添了生態(tài)功能，為魚類以及其他的小型水生動物提供了良好的趨避場所。塊體的外觀設(shè)計力求平整，選用粗糙度較大的混凝土材料進行制作，鋪設(shè)到岸坡上，可以減緩河道內(nèi)水流流速，有利于治理各類河道并改善當(dāng)?shù)睾拥乐車纳鷳B(tài)環(huán)境。塊體及小圓柱易于制作，鋪設(shè)操作簡單、便捷，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以推廣到各個城市河道及生態(tài)護岸建設(shè)上。

3.2 多孔型生態(tài)護岸塊體模型鋪設(shè)說明

3.2.1 水平方向鋪設(shè)

鋪設(shè)過程中，從一端開始逐塊進行連接。鋪設(shè)第1排時，在左右方向上，將小圓柱逐個插入塊體一側(cè)壁上對應(yīng)的8個凹槽內(nèi)，并與下一個塊體進行連接。在第1排與第2排相連時，將小圓柱插入第1排前壁的2個凹槽內(nèi)，之后與第2排塊體后壁的凹槽內(nèi)進行連接。依此類推，每一塊，每一排都由小圓柱將塊體密切連接。而由于第1層會與地面相連接，故在植生孔內(nèi)填入泥土，并將需要種植的水生植物的草籽埋入其中。水平方向鋪設(shè)第1種形式效果見圖4(a)。

若根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦斡刑厥膺B接需求，則可以在塊體左右其中一側(cè)，即水平鋪設(shè)的第2種方式。選擇其中2個凹槽進行連接，例如在鋪設(shè)第1排時，第1塊體右側(cè)上下前2個凹槽與第2塊左側(cè)上下后2個凹槽用小圓柱相連接，第2排左右相連方式與第1排相同。第2排在與第1排相連時，將小圓柱插入塊體之間前后對應(yīng)的凹槽內(nèi)。這樣可以使塊體鋪設(shè)形成一定角度，以滿足不同的地形。水平方向鋪設(shè)的第2種形式鋪設(shè)方式見圖4(b)。

第3種鋪設(shè)方式與第2種鋪設(shè)方式類似，是將第1塊體右側(cè)上下后2個凹槽與第2塊左側(cè)上下前2個凹槽用小圓柱相連接，第2排左右相連方式與第1排相同。第2排在與第1排相連時，將小圓柱插入塊體之間前后對應(yīng)的凹槽內(nèi)。這樣可以使塊體鋪設(shè)形成與第2種鋪設(shè)方式不同的角度，用來滿足不同的地形。水平方向鋪設(shè)的第3種形式鋪設(shè)方式見圖4(c)。

圖4 3種方式水平鋪設(shè)示意圖Fig.4 Three forms of block model lay out in a horizontal direction

3.2.2 垂直方向鋪設(shè)

鋪設(shè)過程中，從一端開始逐塊進行連接。鋪設(shè)第1層時，左右方向連接，將小圓柱逐個插入塊體一側(cè)壁上對應(yīng)的8個凹槽內(nèi)，并與下一個塊體進行連接。前后方向連接，將小圓柱逐個插入塊體前后壁的凹槽內(nèi)，將它們連接。在第2層與第1層相連時，將小圓柱插入第2層下壁的4個凹槽內(nèi)，之后與第1層塊體上壁的4個凹槽內(nèi)進行連接。依此類推，每一排、每一層都由小圓柱將塊體密切連接。而與水平鋪設(shè)一樣，由于第1層會與地面相連接，故在植生孔內(nèi)填入泥土，并將需要種植的水生植物的草籽埋入其中。垂直方向鋪設(shè)的第1種形式見圖5(a)。

若當(dāng)?shù)氐匦斡刑厥膺B接需求，則可以在塊體上側(cè)，選擇其中2個凹槽進行連接，例如在鋪設(shè)第1列時，第1塊塊體上側(cè)前2個凹槽與第2塊下側(cè)后2個凹槽用小圓柱相連接。第2列在與第1列相連時，將小圓柱插入塊體之間左右對應(yīng)的凹槽內(nèi)。這樣可以使塊體鋪設(shè)形成一定角度，以滿足不同的地形。垂直方向鋪設(shè)的第2種形式見圖5(b)。

第3種垂直鋪設(shè)方式與第2種垂直鋪設(shè)方式相類似，垂直方向鋪設(shè)的第2種形式見圖5(c)。

圖5 3種方式垂直鋪設(shè)示意圖Fig.5 Three forms of block model lay out in a vertical direction

3.3 多孔型生態(tài)護岸塊體與其他護岸塊體對比

本文設(shè)計的多孔型生態(tài)護岸塊體是一種新形勢的護岸塊體，它具有較大的孔隙，為魚類等小型水生動物提供了躲避天敵、生存繁衍的場所，也為水生植物提供了生長的植生孔，在水生植物的光合以及呼吸作用下，可以產(chǎn)生大量有機物，從而達(dá)到更加良好的集魚效果。除此之外，還具有可操作性較大的連接方式，在保證了多種連接方式的同時，兼具穩(wěn)定性。下面與其他的護岸塊體進行對比，從比較中觀察它的優(yōu)點，以及其他塊體的一些不足。

3.3.1 “工”字形護岸塊體

“工”字形護岸塊體(見圖6)造型過于簡單，沒有對水生動物的生存習(xí)性進行針對性的設(shè)計，且沒有為水生植物的生長提供相應(yīng)的位置。在此“工”字形護岸塊體之間相連時，內(nèi)部雖然有供魚類游動的空間，塊體上下部分沒有留出與空氣接觸的孔隙，從而使內(nèi)部空間過于封閉，從而將水陸環(huán)境隔斷。長時間的使用，會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境形成一定的破壞。

圖6 “工”字形護岸塊體Fig.6 I-shaped revetment block model

3.3.2 “日”字形護岸塊體

“日”字形護岸塊體結(jié)構(gòu)也很簡單(見圖7)，長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有2個較大的凹槽，但并不與地面聯(lián)通，在凹槽中種植植物與水中的接觸面積太小，不會起到集魚作用，并且側(cè)面的小圓孔也沒有為魚類提供寬敞的通道，從而使護岸塊體太過于封閉，僅僅能夠提供簡單的物質(zhì)交換，不能形成完整的食物鏈。此外，“日”字形護岸塊體的連接也沒有進行針對性的設(shè)計，在連接后不能形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖7 “日”字形護岸塊體Fig.7 Shape of “日” revetment block model

3.3.3 多孔型生態(tài)護岸塊體的優(yōu)點

綜上所述，本文設(shè)計的多孔型生態(tài)護岸塊體具備了親水、生態(tài)以及景觀等傳統(tǒng)護岸所不具備的功能。為魚類等小型水生動物提供了生存空間，為植物提供了生長場所，并且能夠據(jù)此進行良好的物質(zhì)交換，形成完整的食物鏈。同時，設(shè)計出新式的連接結(jié)構(gòu)，為多孔型生態(tài)護岸塊體提供了連接上更多的可能性，可以根據(jù)不同地形地勢，設(shè)計所需的不同形狀的小圓柱，增強多孔型生態(tài)護岸塊體的可擴展性，也可以根據(jù)不同需要，將不需要的凹槽在制作時填滿，只預(yù)制出需要的凹槽。

4 多孔型生態(tài)護岸塊體的穩(wěn)定性分析

護岸的穩(wěn)定性直接關(guān)系著人民的生命財產(chǎn)安全，因此，護岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。近些年，歐洲、北美以及亞洲等一些國家為了提高河道護岸的穩(wěn)定性，利用植物的根系穩(wěn)固護坡的技術(shù)來增強河道護岸的穩(wěn)定性，與此同時，此技術(shù)也被較多地利用在河道生態(tài)修復(fù)工程當(dāng)中[7]。此外，除了植物的根系可以增強護岸的穩(wěn)定性外，護岸自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也十分重要，下面對本文設(shè)計的多孔型生態(tài)護岸塊體的穩(wěn)定性進行分析。

多孔型生態(tài)護岸塊體的設(shè)計尺寸要求：應(yīng)用人工塊體或經(jīng)過分選的塊石作為斜坡堤的護坡面層，且滿足斜坡坡率為1.5～5.0時，單個塊體、塊石的質(zhì)量Q和護面層厚度t，可按下式計算[8]：

(2)

多孔隙生態(tài)護岸在滿足穩(wěn)定情況下(m=1.5～5.0)的單塊重量應(yīng)>0.004 2 t(m=5.0)或者0.014 t(m=1.5)，單塊厚度應(yīng)>0.163 m(m=5.0)或0.243 m(m=1.5)。幾種滿足穩(wěn)定需求的設(shè)計尺寸見表3。

表1 穩(wěn)定系數(shù)KDTab.1 Stability coefficient KD

表2 系數(shù)cTab.2 Coefficient c

表3 多孔型生態(tài)護岸塊體的單塊設(shè)計尺寸Tab.3 Design criterion of different size of banks

5 結(jié) 語

魚類對孔隙的選擇性試驗結(jié)果表明：孔隙結(jié)構(gòu)具有很好的集魚效果；魚類在孔隙材質(zhì)的選擇上，更喜歡有孔的混凝土塊體所搭建的孔隙結(jié)構(gòu)；水生植物具有良好的集魚效果。在此試驗基礎(chǔ)上所設(shè)計的多孔型生態(tài)護岸塊體，具備了很多功能及優(yōu)點：它為魚類等小型的水生動物提供了寬敞的通道，可以自由穿梭；除此之外，多孔型生態(tài)護岸塊體還具有供魚類趨利避害的棲息場所，這有利于魚類生存和繁衍；與地面相連的植生孔，為水生植物的生長創(chuàng)造了空間，水生植物會吸引更多的魚類，形成局部小生境；模塊化的連接方式，在保 證塊體連接的穩(wěn)定性同時，也為塊體的連接提供了更多可能，連接塊體的小圓柱可以針對特殊地形地勢的需要，設(shè)計出更多形狀，創(chuàng)造出更多連接形式。

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[1] 樂茂華,劉 軍,胡和平. 深圳市河道生態(tài)修復(fù)理念及其治理技術(shù)[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2010,(2):25-28.

[2] 郭 赟. 淺談河道生態(tài)護岸形式及應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2011,(7):119-120,122.

[3] 董福平,董 浩.日本楊木縣斧川河道整治工程的幾點啟示[J].浙江水利科技,2002,(3):24-25.

[4] 路 毅,董艷桐,李慶軍. 園林水景生態(tài)型護岸設(shè)計研究[J]. 北方園藝,2008,(5):152-154.

[5] 張建軍,任美麗,馬述萍. 簡析北方河流景觀護岸設(shè)計原則和類型[J]. 內(nèi)蒙古水利,2008,(2):135-136.

[6] 潘美元,李俊娜,尹崇清. 護岸設(shè)計原則和類型綜述[J]. 中國水運(學(xué)術(shù)版),2006,(11):108-110.

[7] 任 強.新型生態(tài)護岸在江蘇省內(nèi)河航道中的應(yīng)用(J).中國水運,2013,13(12):228-229.

[8] GB50286-2013，堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].