湖泊護(hù)岸香根草的種植方案及其效應(yīng)評(píng)估

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(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

湖泊護(hù)岸香根草的種植方案及其效應(yīng)評(píng)估

劉川順,魯曉義,王書(shū)法,陳曦濛,華成普

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

風(fēng)浪侵蝕導(dǎo)致湖岸崩塌和岸線后退，造成沿岸財(cái)產(chǎn)和土地資源損失，目前生態(tài)護(hù)岸已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。香根草因其發(fā)達(dá)的根系、卓越的植物力學(xué)特性和強(qiáng)大的抗逆性，特別適合湖泊防浪護(hù)岸。為了研究香根草在湖泊護(hù)岸工程中的效果，結(jié)合監(jiān)利縣東港湖崩岸防治，介紹了湖岸香根草的種植方案和種植技術(shù)，采用水岸側(cè)侵蝕模型計(jì)算了裸土湖岸和香根草生長(zhǎng)湖岸在風(fēng)浪作用下的侵蝕速率。結(jié)果表明，種植香根草可使湖岸的侵蝕速率減小90%以上。相對(duì)傳統(tǒng)的剛性護(hù)岸，香根草護(hù)岸更加節(jié)省工程費(fèi)用、更為環(huán)境友好。

湖岸侵蝕；風(fēng)浪；生態(tài)護(hù)岸；香根草；側(cè)向侵蝕模型

1 研究背景

湖泊水面寬闊，容易形成風(fēng)浪，對(duì)土質(zhì)湖岸產(chǎn)生侵蝕。長(zhǎng)江中下游湖泊多為平原沖積型遺跡湖，湖岸抵抗風(fēng)浪侵蝕的能力較弱。近30 a來(lái)，人類活動(dòng)頻繁、水質(zhì)污染，湖岸生態(tài)衰退，削弱了湖岸抵抗風(fēng)浪侵蝕的能力，崩岸加劇，造成湖岸建筑物損毀、土地資源損失。

崩岸防治的傳統(tǒng)措施有拋石護(hù)岸、鉸鏈沉排護(hù)岸等，這類硬質(zhì)護(hù)岸工程不僅造價(jià)高，而且不利于湖泊生態(tài)[1]。在中小河流治理方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量有關(guān)河流植物護(hù)岸的研究和應(yīng)用，但是有關(guān)湖泊植物護(hù)岸的研究和應(yīng)用少有報(bào)道，主要原因是：①湖泊風(fēng)浪對(duì)湖岸的侵蝕力比一般中小河流的水流對(duì)河岸的侵蝕力更加強(qiáng)烈，一般植物很難抵御湖泊風(fēng)浪的侵蝕；②植物護(hù)岸防浪效應(yīng)的量化評(píng)估具有相當(dāng)難度。

本文從湖泊護(hù)岸防浪對(duì)護(hù)岸植物的要求，提出采用種植香根草構(gòu)建湖泊生態(tài)護(hù)岸帶，并結(jié)合湖北省監(jiān)利縣東港湖崩岸治理，提出香根草種植方案和種植技術(shù)，然后根據(jù)水岸側(cè)侵蝕理論，計(jì)算裸土湖岸和香根草生長(zhǎng)湖岸在風(fēng)浪作用下的侵蝕速率，建立評(píng)估香根草護(hù)岸防浪效應(yīng)的計(jì)算模型，對(duì)東港湖的香根草護(hù)岸效果進(jìn)行評(píng)估分析。

2 香根草固土護(hù)岸可行性及實(shí)施方案

2.1 香根草防浪護(hù)岸的可行性

2.1.1 防浪護(hù)岸植物應(yīng)具備的條件

采用植物進(jìn)行防浪護(hù)岸，就是利用植物的根系將松散的岸土顆粒團(tuán)聚起來(lái)，形成根土復(fù)合體，根系不僅加強(qiáng)了土顆粒之間的凝聚力，而且對(duì)土體起到加筋作用，從而提高湖岸抵抗風(fēng)浪侵蝕的能力[2-3]。要實(shí)現(xiàn)植物的上述防浪護(hù)岸功能，要求植物根系具備以下物理力學(xué)性能：①根系必須足夠細(xì)密，以免波浪把土顆粒從根系網(wǎng)絡(luò)中淘走；②根系必須足夠長(zhǎng)，以免波浪將根系從土體中拔出；③根系必須足夠堅(jiān)韌，以免波浪作用力將根系拉斷。此外，湖岸植物所處的生長(zhǎng)環(huán)境，要求護(hù)岸植物具備以下性能：①植物應(yīng)具備較強(qiáng)的耐淹、耐旱能力，以適應(yīng)湖泊水位的漲落；②植物應(yīng)具備較強(qiáng)的抗逆性，以適應(yīng)各種污染成份和不同酸堿度的湖泊水體和湖岸土體；③植物對(duì)湖岸不同類型土壤應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性。

2.1.2 香根草防浪護(hù)岸的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

香根草是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶地區(qū)的多年生草本植物，特別適合河流、湖泊防浪護(hù)岸和水土保持[4]。香根草的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

(1)根系特別發(fā)達(dá)、強(qiáng)勁。香根草被稱為“擁有最長(zhǎng)根系的草本植物”，且根系密集。生長(zhǎng)1 a以上香根草的根長(zhǎng)2.2～3.0 m，近乎豎直向下生長(zhǎng)，每簇香根草生長(zhǎng)著須根420～620根，根徑0.3～1.5 mm，根系抗拉強(qiáng)度40～120 MPa，平均抗拉強(qiáng)度80 MPa，是其他植物根系抗拉強(qiáng)度的3～6倍。

(2)較強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境、改善環(huán)境的能力。香根草是一種旱、濕兩棲植物，耐淹、耐旱能力超強(qiáng)。香根草被持續(xù)淹沒(méi)2個(gè)月，仍能恢復(fù)生長(zhǎng)。成年香根草根系深扎土中，無(wú)懼干旱，能在年降雨量lt;300 mm的情況下正常生長(zhǎng)。香根草具有很強(qiáng)的抗逆性，能在pH值3.0～11.0的土壤、重金屬土壤生長(zhǎng)并且具有很強(qiáng)的吸收、消減土壤和水體中各種污染物成分的能力。香根草能在極為貧瘠的土壤中生長(zhǎng)，廣泛適應(yīng)各種不同類型的土壤。

(3)很強(qiáng)的水土保持能力。香根草快速生長(zhǎng)和分蘗繁殖，種植3個(gè)月后就簇生成叢，生長(zhǎng)1 a以上的香根草根數(shù)可以分蘗擴(kuò)大10倍，在湖岸形成茂密的籬笆，使地面降雨徑流流速降低70%，并使得流失到湖泊的水土減少90%以上，從而減少湖泊淤積和面源污染。

香根草卓越的物理力學(xué)性能和對(duì)惡劣生長(zhǎng)環(huán)境的超強(qiáng)適應(yīng)性，使之成為護(hù)岸植物的首選。

香根草自東南亞引入到中國(guó)，已經(jīng)在南方10多個(gè)省區(qū)的水土保持、河流及公路護(hù)坡中得到應(yīng)用。香根草通過(guò)分蘗繁殖，因而不會(huì)自發(fā)無(wú)序蔓延和排斥其他植物，不會(huì)造成外來(lái)物種入侵。

2.2 東港湖采用香根草護(hù)岸的實(shí)施方案

2.2.1 東港湖基本情況

湖北省監(jiān)利縣東港湖面積6.5 km2，湖岸線長(zhǎng)12.5 km。自2001年承包給私營(yíng)業(yè)主養(yǎng)魚(yú)，漁場(chǎng)老板將大量雞糞拋投到湖中給魚(yú)催肥，湖泊嚴(yán)重污染，水生植物滅絕，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的破壞導(dǎo)致11 km長(zhǎng)的天然湖岸崩塌(人工湖岸段長(zhǎng)1.5 km)。湖岸以粉質(zhì)黏土為主，每年崩塌后退0.5～1.2 m，局部湖岸1 a內(nèi)崩塌后退超過(guò)5 m，部分居民被迫搬家。

筆者提出沿湖岸種植香根草的方案，利用香根草發(fā)達(dá)、強(qiáng)勁的根系加固土體，抵御風(fēng)浪侵蝕。

2.2.2 香根草移植季節(jié)的選擇

長(zhǎng)江中下游地區(qū)11月份下旬開(kāi)始至次年3月份中旬為香根草冬眠期，這一階段不能移植香根草；11月份上旬移植香根草，草苗也可以立根和長(zhǎng)出新葉，但是如果隨后較早出現(xiàn)嚴(yán)寒氣候，新根扎土深度不夠，就會(huì)被凍死；5—10月份移植香根草，雖然可以存活，但是移植后1個(gè)月內(nèi)如果遇上高溫少雨，需人工澆水。因此，對(duì)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，最適宜的香根草移植季節(jié)是3月份下旬至4月份下旬。監(jiān)利縣東港湖護(hù)岸試驗(yàn)的香根草移植是分2次進(jìn)行的，第1次是在2014年10月份的國(guó)慶節(jié)假期，第2次是2015年4月份的清明節(jié)假期，共形成了60 m長(zhǎng)的香根草護(hù)岸試驗(yàn)段。

2.2.3 香根草種苗準(zhǔn)備

在武漢大學(xué)香根草種苗基地，選擇生長(zhǎng)年齡1.5 a以上的香根草作為移植的種苗，剪除上部草莖，保留下部草莖長(zhǎng)度15～20 cm，挖出草蔸并保留根系長(zhǎng)度10 cm以上，裝進(jìn)編織袋，運(yùn)送到移植現(xiàn)場(chǎng)拆分草蔸，將草苗根系剪至5～8 cm。

2.2.4 香根草現(xiàn)場(chǎng)種植方案

根據(jù)湖泊常水位至湖岸頂部的垂直高差，分2種情況布局湖岸香根草種植帶(圖1)。

(a)淺水陡岸(坡比gt;1∶1)

(b)深岸或坡岸(坡比1∶1～1∶2)

圖1湖岸香根草種植方案橫斷面圖

Fig.1Cross-sectionsofvetiverplantingpatterns

(1)當(dāng)湖岸陡峭(坡比gt;1∶1)，且湖岸頂部與湖泊常水位之間的高差≤1 m，可在湖岸頂部按照行距20 cm、株距15 cm、深度15 cm平行湖岸種植4行香根草苗，每株栽草苗4～6根。香根草種植帶至湖岸陡坎邊緣距離S(見(jiàn)圖1(a))取裸土湖岸每年崩塌后退的長(zhǎng)度。

(2)當(dāng)湖岸頂部與湖泊常水位之間的高差gt;1 m，可在湖岸邊坡沿等高線種植等行距香根草條帶(若岸坡陡峭，可將湖岸坡削緩至1∶1～1∶2，取決于湖岸高度)。香根草條帶最下一行應(yīng)高于湖泊常水位的波浪爬高范圍，最上部一行應(yīng)高出汛期洪水位的波浪爬高范圍(見(jiàn)圖1(b))，圖1中h為波浪高度加波浪爬高，計(jì)算方法見(jiàn)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(2013版)[5]。香根草的行距、株距、每叢種植根數(shù)及種植深度同上。

草苗豎直放置于種植溝中央，回填土并壓實(shí)，然后澆水至回填土完全濕潤(rùn)飽和。

2.2.5 香根草的維護(hù)與管理

(1)香根草移植1個(gè)月內(nèi)，清除香根草種植范圍內(nèi)快速生長(zhǎng)的雜草，如遭遇持續(xù)高溫干旱天氣，應(yīng)視根區(qū)土壤水分情況決定是否澆水。

(2)在冬眠期收割地表草莖，保留草茬高度10～20 cm，促進(jìn)來(lái)年生長(zhǎng)。

3 東港湖香根草護(hù)岸效果的計(jì)算評(píng)估

3.1 預(yù)備工作

湖岸之所以被風(fēng)浪侵蝕，其實(shí)質(zhì)是風(fēng)浪對(duì)岸土產(chǎn)生的剪切力超過(guò)了土體的允許剪切力，因此裸土湖岸的侵蝕速率取決于波浪要素和土壤性質(zhì)。香根草密集、強(qiáng)勁的根系對(duì)松散的土壤顆粒體具有很強(qiáng)的團(tuán)聚、加筋作用，增強(qiáng)了土體抵抗風(fēng)浪剪切侵蝕的能力，根系對(duì)土體產(chǎn)生的附加抗剪力取決于根系的密度,即單位面積土體中全部根系的橫斷面積。因此，開(kāi)展香根草護(hù)岸效應(yīng)評(píng)估要進(jìn)行以下基本資料收集和前期測(cè)試工作：

(1)氣象與湖泊水文資料。湖北省監(jiān)利縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，濕潤(rùn)多雨。根據(jù)1980—2015年的氣象資料，多年平均降雨1 450 mm，主要降雨期為3—8月份；多年平均風(fēng)速2.8～3.0 m/s，歷年最大風(fēng)速平均值14.0 m/s，一年之中各級(jí)風(fēng)的累計(jì)天數(shù)及波浪要素見(jiàn)表1。其中波浪要素按豐水期和枯水期2種情況，采用莆田公式[5]計(jì)算得到。

表1 不同級(jí)別風(fēng)1 a的出現(xiàn)時(shí)間及其形成的波浪要素

20 m/s以上的極大風(fēng)速出現(xiàn)在3—8月份，該時(shí)期5 m/s以上風(fēng)速出現(xiàn)的頻率也高于其他時(shí)期。以降雨量和風(fēng)速大小為分界標(biāo)準(zhǔn)，分豐水期和非豐水期計(jì)算岸坡沖蝕速率。3—8月份為豐水期，9月份—次年2月份為枯水期。豐水期湖泊平均水深取為2.0 m，枯水期湖泊平均水深取為1.5 m，最大風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度3.4 km。

(2)湖岸土壤的物理力學(xué)性質(zhì)。取3組土樣，在武漢大學(xué)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展常規(guī)土工試驗(yàn)，測(cè)得東港湖岸坡土樣黏聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=12°，重度γ=18.31 kN/m3，塑限WP=18.35%，液限WL=37.50%，塑性指數(shù)IP=19.15，孔隙比e=0.94，平均粒徑d50=0.018 mm，顆粒級(jí)配不均勻系數(shù)Cu=8.33，土壤粒徑級(jí)配曲線曲率系數(shù)Cc=1.61，級(jí)配良好。

(3)香根草根系調(diào)查。選擇3叢代表性香根草，采用開(kāi)槽掘土法沿每叢草的4個(gè)方向逐層取出25 cm×25 cm×25 cm(長(zhǎng)×寬×高)的含根土塊，測(cè)量記錄每塊土的深度和到該草叢中心的水平距離，統(tǒng)計(jì)出每塊土中根系的數(shù)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量出根系直徑。由根系調(diào)查得到平均每叢香根草的根系分布為：根數(shù)513，根系直徑0.4～2.1 mm，根系水平分布范圍半徑245 mm，最大根深gt;2 m。不同深度的根系分布情況如表2所示。

表2 單株香根草根系分布情況

注：因湖水浸透，2 m深以下無(wú)法開(kāi)展根系挖掘

3.2 風(fēng)浪侵蝕裸土湖岸的計(jì)算

Osman等[6](1988)研究波浪對(duì)岸坡的侵蝕，提出了側(cè)向侵蝕計(jì)算模型,其中侵蝕速率為

(1)

式中：E為侵蝕速率(m/s);b為湖岸侵蝕后退距離(m);t為時(shí)間(s)；τ為風(fēng)浪產(chǎn)生的土壤有效切應(yīng)力(Pa)；τc為土壤臨界切應(yīng)力(Pa)；se為侵蝕速率經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Osman等通過(guò)開(kāi)展黏土岸坡侵蝕試驗(yàn)，給出了侵蝕速率常數(shù)與土壤臨界切應(yīng)力之間的關(guān)系式為

(2)

式中ρ為水的密度，取1 000 kg/m3。

Temple等[7](1987)提出了確定各種土質(zhì)土壤臨界切應(yīng)力的公式，其中黏性土臨界切應(yīng)力計(jì)算公式為

(3)

式中：τcb為土壤基本允許切應(yīng)力(Pa)；Ce為孔隙比修正系數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，黏土孔隙比修正系數(shù)Ce和基本允許切應(yīng)力τcb分別為：

Ce=1.48-0.57e;

(4)

τcb=(51.25Ip2+684.97Ip+2 284.8)×10-4。

(5)

波浪對(duì)湖岸土體產(chǎn)生的有效切應(yīng)力τ用Parchure等[8](2001)公式計(jì)算，即

(6)

式中：fw為波浪摩阻系數(shù)；ub為近底波浪質(zhì)點(diǎn)水平速度(m/s)。

根據(jù)微幅波的理論，fw及ub可以采用式(7)—式(10)計(jì)算。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：T為波浪周期(s);L為波浪波長(zhǎng)(m);Aab為中間變量；ɑ為波浪振幅(m)，即有效波高的一半，有效波高取最大波高的一半；k為波數(shù)，即在波浪傳播方向上2π長(zhǎng)度內(nèi)出現(xiàn)的全波數(shù)目，無(wú)量綱；h為波浪序列在岸坡影響區(qū)底部的水深(m)，即波高的一半；Ks為相對(duì)粗糙度，無(wú)量綱， Soulsby[9](1997)推薦的Ks與粒徑的關(guān)系為Ks=2.5d50。

由土工試驗(yàn)結(jié)果算得τc，se和Ks，由表1中的波浪要素和Ks算得不同級(jí)別風(fēng)浪對(duì)岸土產(chǎn)生的剪切力τ，由τ，τc，se利用式(1)算得不同級(jí)別風(fēng)浪對(duì)裸土湖岸的侵蝕率，見(jiàn)表3。

3.3 風(fēng)浪侵蝕香根草生長(zhǎng)湖岸的計(jì)算

關(guān)于植草護(hù)岸條件下的風(fēng)浪侵蝕速率，荷蘭學(xué)者Seijffert等[10](1998)通過(guò)開(kāi)展植草條件下岸坡波浪沖蝕模型試驗(yàn)，提出了相應(yīng)侵蝕率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

(11)

表3 裸土湖岸、香根草湖岸侵蝕速率對(duì)比

式中：E2為根土復(fù)合體平均沖蝕速率(m/s)；Hs為波浪有效波高(m)；cE為含根土沖蝕系數(shù)(m-1·s-1)。cE代表著植物根系生長(zhǎng)岸坡抵抗波浪沖蝕能力的強(qiáng)弱，主要取決于土體含根率RAR，即

cE=0.001 3 RAR-1.006 。

(12)

式中RAR為土體含根率，即單位面積土體中的全部根系截面積(mm2/m2)。

取表2中根深1 m處土體含根率RAR計(jì)算出不同級(jí)別風(fēng)浪對(duì)香根草生長(zhǎng)條件下湖岸的侵蝕率，如表3所示。

由表3中各級(jí)風(fēng)力風(fēng)浪作用下裸土湖岸、植草湖岸的侵蝕率乘以各級(jí)風(fēng)在1 a內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)間，累加得到1 a內(nèi)東港湖裸土湖岸、香根草生長(zhǎng)湖岸侵蝕崩塌后退的距離分別為780，70 mm?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查知種植香根草之前湖岸年侵蝕崩塌后退距離為0.5～1.2 m(大小與不同湖岸段的土質(zhì)和風(fēng)向有關(guān))，種植香根草之后湖岸沒(méi)有明顯的崩塌后退，可見(jiàn)崩塌的理論估算結(jié)果與實(shí)際崩岸情況基本相符。

相對(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸，香根草護(hù)岸不僅實(shí)施簡(jiǎn)易，且節(jié)省了投資。對(duì)于2 m高的湖岸，設(shè)置漿砌石擋墻+格賓石籠基礎(chǔ)，每延米造價(jià)高達(dá)658元，而按本文提出的種植香根草方案護(hù)岸，每延米僅需54元。

4 結(jié) 語(yǔ)

香根草由于發(fā)達(dá)、強(qiáng)勁的根系和在各種惡劣生存環(huán)境下強(qiáng)大的生命力，特別適合防治風(fēng)浪侵蝕湖岸。本文的理論研究和試點(diǎn)應(yīng)用研究表明，生長(zhǎng)年齡1 a以上的湖岸香根草種植帶，可將湖岸侵蝕崩塌速度減小90%以上。

相對(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸，香根草護(hù)岸不僅實(shí)施簡(jiǎn)易，且節(jié)省投資。此外，漿砌石護(hù)岸或混凝土護(hù)岸破壞湖岸生態(tài)，而香根草護(hù)岸有多重生態(tài)功能：防止湖岸水土流失，減少湖泊淤積；吸收水體和岸土中的污染物成分，改善湖泊水質(zhì)；有利于兩棲動(dòng)物繁衍生存。

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(編輯：占學(xué)軍)

Vetiver-Planting for Protecting Lakeshore from Wave Erosion:Patterns and Effectiveness Assessment

LIU Chuan-shun, LU Xiao-yi, WANG Shu-fa, CHEN Xi-meng, HUA Cheng-pu

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Lakeshore slumping and recession resulting from wave erosion usually causes heavy loss of waterfront property and land resources. Ecological revetment has become the new trend of lakeshore erosion control. In this paper, vetiver is adopted to protect lakeshore against wave attack because of its well-developed root system, phytomechanical properties and adaptability to adverse environment. With the shore-protection works of Donggang Lake as a case study, the patterns and techniques of planting vetiver are introduced. Furthermore, the erosion rates of bare soil lakeshore and vetiver lakeshore were computed and compared using lateral erosion model. Results show that vetiver planting on lakeshore could reduce the shore erosion rate by over 90%. Compared with rigid revetment, ecological revetment is more economic and more environmentally friendly.

lakeshore erosion; wave; ecological revetment; vetiver; lateral erosion model

10.11988/ckyyb.20170725 2017,34(11):148-152

2017-06-26；

2017-07-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2042016kf1070)

劉川順(1963-)，男，湖北鄂州人，教授，博士，主要從事河流、湖泊治理相關(guān)研究,(電話)13986256781(電子信箱)860486289@qq.com。

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1001-5485(2017)11-0148-05