城市河道生態(tài)護(hù)岸對(duì)河道近岸水質(zhì)的影響

郭亞晶，呂超鵬，楊怡雯，胡 廣，胡紹慶

(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

城市河道護(hù)岸作為連接水體與陸地的生態(tài)交錯(cuò)帶，生物多樣性豐富，在維持水體生態(tài)平衡、控制水土流失、凈化污染物、調(diào)節(jié)局部小氣候等方面具有重要的功能和價(jià)值[1-3]。在全面治理城市河道及其流域水體的同時(shí)，河道護(hù)岸建設(shè)工程往往忽略了河流原有的自然風(fēng)貌和生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到損害，河道護(hù)岸應(yīng)有的生態(tài)服務(wù)功能和價(jià)值得不到發(fā)揮，保護(hù)好城市自身的生態(tài)資源，建設(shè)可持續(xù)的生態(tài)護(hù)岸逐漸成為國(guó)內(nèi)外護(hù)岸建設(shè)的發(fā)展方向[4]。目前我國(guó)在城市河道生態(tài)護(hù)岸的研究，在理論上主要集中于生態(tài)護(hù)岸的概念、內(nèi)涵以及功能等方面的宏觀研究；在實(shí)踐上主要集中于護(hù)岸的材料、工程技術(shù)、綜合評(píng)價(jià)等方面[5]。關(guān)于生態(tài)護(hù)坡生態(tài)服務(wù)功能的研究較為有限。本文通過對(duì)杭州城市河道生態(tài)護(hù)岸對(duì)近岸水質(zhì)影響的研究，為構(gòu)建河道生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，建立穩(wěn)定的生態(tài)護(hù)岸景觀提供借鑒。

1 研究地概況

杭州是因水而文明的重點(diǎn)風(fēng)景旅游城市，位于長(zhǎng)江三角洲南沿，市區(qū)河網(wǎng)密布，包含的8個(gè)城區(qū)(西湖區(qū)、濱江區(qū)、上城區(qū)、下城區(qū)、拱墅區(qū)、江干區(qū)、余杭區(qū)、蕭山區(qū))共有1 100多條河道[6-7]。自2006年起杭州就綜合開展了流域性的河道生態(tài)保護(hù)工程，護(hù)岸技術(shù)從原來傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸技術(shù)向生態(tài)護(hù)岸技術(shù)發(fā)展，改善河道的生態(tài)景觀，把杭州打造成親水宜居城市，延續(xù)杭州“因水而生、因水而立、因水而興、因水而強(qiáng)”的歷史[8-9]。

本研究選取杭州市繞城高速公路以內(nèi)區(qū)域運(yùn)河水系的河道作為調(diào)查對(duì)象(圖1)。首先按照天然材料在護(hù)岸材料中所占的比例將護(hù)岸分為自然原型生態(tài)護(hù)岸、自然型生態(tài)護(hù)岸和多自然型生態(tài)護(hù)岸和非生態(tài)護(hù)岸4個(gè)類型[5]。自然原型護(hù)岸是指單純的采用植物材料進(jìn)行固土的護(hù)岸，如植草護(hù)岸、防護(hù)林護(hù)岸等；自然型護(hù)岸采用種植植被與石材、木材等天然材料相結(jié)合，來增強(qiáng)護(hù)岸的防洪和抗沖刷能力，如松木樁護(hù)岸、石籠護(hù)岸等；多自然型護(hù)岸是一種植物與工程措施相結(jié)合的復(fù)合型護(hù)岸技術(shù)，采用鋼筋混凝土等材料，如植被型生態(tài)混凝土護(hù)岸、網(wǎng)籠墊塊護(hù)岸等[5, 10]。選取杭州城市中具有代表性的余杭塘河及其支流嬰兒港河及西湖茅家埠附近小溪流作為研究河道，在每條河道及河道周圍地塊選取不同類型的生態(tài)護(hù)岸(自然原型、自然型和多自然型)和非生態(tài)護(hù)岸的護(hù)岸特征和近岸水體水質(zhì)分別進(jìn)行調(diào)查，研究生態(tài)護(hù)岸對(duì)河道近岸水質(zhì)的影響。

圖1 調(diào)查點(diǎn)的分布

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查

杭州地區(qū)少見多自然型河岸，因此只選擇自然型和自然原型兩種生態(tài)護(hù)岸及非生態(tài)護(hù)岸作為調(diào)查對(duì)象。在余杭塘河及其支流嬰兒港及茅家埠分別選取不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)的河道，選擇不同護(hù)岸類型的典型地段設(shè)置樣地15個(gè)。使用GPS測(cè)量樣地中心點(diǎn)的坐標(biāo)，并記錄樣方所在地的經(jīng)緯度及其坡向；使用激光測(cè)距儀測(cè)量護(hù)岸的坡度和寬度。在樣地內(nèi)隨機(jī)選取3點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量取其平均值。

在樣地范圍內(nèi)河岸外延5 m內(nèi)河道隨機(jī)選取三處樣點(diǎn)，用便攜式流速儀測(cè)量水速。每樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值。

在15個(gè)典型護(hù)岸類型樣地外延5 m內(nèi)河道采取水樣。分別于雨天和晴天各取1次，以區(qū)分生態(tài)護(hù)岸在不同徑流量條件下的作用效果。每次在樣方地近岸隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)采集等量水樣，合并注滿事先準(zhǔn)備好的水瓶中，放置于0～4 ℃的冰箱保存。

2.2 室內(nèi)測(cè)量

利用水質(zhì)多參數(shù)分析儀測(cè)量水樣的pH值、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)；使用SGZ-200B濁度計(jì)測(cè)量水濁度(Turbidity)，單位為NTU；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使用鉬酸銨分光光度法測(cè)定水樣中的磷含量。每個(gè)水樣進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量，取其平均值。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用相關(guān)分析研究不同類型護(hù)岸結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境因子和水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性；將不同護(hù)岸類型的環(huán)境因子和水質(zhì)參數(shù)分別繪制成箱圖分析護(hù)岸類型對(duì)河道近岸水質(zhì)的影響，并用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析不同護(hù)岸類型的水文狀況的差異程度是否達(dá)到顯著水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)周圍水質(zhì)的影響

Spearman 相關(guān)分析表明，3種不同護(hù)岸類型和不同天氣條件下(晴天、雨天)護(hù)岸結(jié)構(gòu)(寬度、坡度)對(duì)周圍水質(zhì)的影響各異，說明降水會(huì)對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性造成影響(表1)。在晴天天氣條件下，護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)水體電導(dǎo)率、磷含量和溶解氧的影響比較大。在雨天天氣條件下，對(duì)水體濁度、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧的影響比較大。

表1 不同天氣條件下護(hù)岸結(jié)構(gòu)與周圍水質(zhì)相關(guān)性比較

注：表中僅顯示與護(hù)岸結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)的水質(zhì)因子。+，顯著正相關(guān)；-，顯著負(fù)相關(guān)。

通過對(duì)比不同天氣條件護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)水體電導(dǎo)率、磷含量、溶解氧的影響較大，其中坡度的影響更大。護(hù)岸坡度越大，地表徑流流速越快，在護(hù)岸上停留的時(shí)間越短，地表徑流在土壤中的滲入量減少，同時(shí)與植物的接觸時(shí)間也減少，其污染物截留和降解效率也隨之降低[11-12]。因此護(hù)岸坡度越大，水體含鹽量和總磷越高，護(hù)岸緩沖帶的作用時(shí)間變短，使得水溶解氧降低。護(hù)岸寬度也會(huì)影響地表徑流在護(hù)岸上的停留時(shí)間，護(hù)岸寬度越寬，停留時(shí)間越長(zhǎng)，護(hù)岸緩沖帶截留污染物的能力越好，因此護(hù)岸寬度越寬，水體磷含量越少。而晴天和雨天護(hù)岸對(duì)電導(dǎo)率和溶解氧的影響卻與之相反，可能與土壤機(jī)制和徑流量有關(guān)。

3.2 不同護(hù)岸類型對(duì)周圍水質(zhì)的影響

3種不同護(hù)岸類型(自然原型、自然型、非生態(tài)型)在不同天氣條件下(晴天、雨天)對(duì)周圍水質(zhì)具有不同的影響(圖2)。對(duì)于水體pH值，在晴天和雨天天氣條件下，3種不同護(hù)岸類型間均沒有明顯的差異，非生態(tài)型護(hù)岸和自然原型護(hù)岸的河道水體pH值基本維持在 7.2～7.5(弱堿)，其中雨天自然型護(hù)岸的河道水體pH值平均值最趨近于7.0，為7.2。對(duì)于水體溶解氧，晴天天氣條件下3種不同護(hù)岸類型間沒有明顯的差異，但自然原型護(hù)岸的河道水體溶解氧相對(duì)較高，為6.5 mg·L-1；雨天天氣條件下，自然原型與非生態(tài)型護(hù)岸河道的水體溶解氧存在顯著差異，自然原型護(hù)岸溶解氧高于非生態(tài)型護(hù)岸。對(duì)于水體濁度，晴天天氣條件下自然原型護(hù)岸與自然型護(hù)岸存在顯著差異，自然原型護(hù)岸的河道水體濁度小于自然型護(hù)岸，平均值為3種類型中最??；雨天天氣條件下，3種護(hù)岸類型間均存在顯著性差異，其中非生態(tài)型護(hù)岸的河道水體濁度最大，且波動(dòng)最大，自然原型護(hù)岸最小。對(duì)于水體電導(dǎo)率，晴天天氣條件下自然原型護(hù)岸與非生態(tài)型護(hù)岸和自然型護(hù)岸存在顯著差異，其中自然原型護(hù)岸的河道水體電導(dǎo)率最??；雨天天氣條件下自然原型相對(duì)較低。對(duì)于水體磷含量，晴天天氣條件下自然原型護(hù)岸與非生態(tài)型護(hù)岸和自然型護(hù)岸存在顯著差異，其中自然原型護(hù)岸的河道水體磷含量最低；在雨天天氣條件下自然原型護(hù)岸仍是最低，自然型護(hù)岸和非生態(tài)型護(hù)岸沒有顯著差異。對(duì)于水體流速，3種不同護(hù)岸類型間均沒有明顯的差異。

通過對(duì)比不同天氣件下護(hù)岸類型對(duì)水質(zhì)參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)護(hù)岸類型對(duì)水體濁度、電導(dǎo)率、磷含量的影響最大。其中自然原型護(hù)岸最佳，非生態(tài)型護(hù)岸則最差。由于自然原型護(hù)岸較非生態(tài)護(hù)岸來說能更好地保證河流生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)能量交換，為水體和陸地的動(dòng)植物、微生物提供關(guān)鍵棲息地，生態(tài)護(hù)岸與河道水體有更大的接觸面積，透氣透水性能的增強(qiáng)使得生態(tài)護(hù)岸具有更強(qiáng)的吸附能力，并且為微生物的富集提供良好條件，可以增強(qiáng)微生物凈化水體的功能，使河道水質(zhì)得到改善。自然原型護(hù)岸上的植物群落自身也可吸收、轉(zhuǎn)化利用水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，植物根系向河道水體釋放氧氣，為微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[13-14]。3種不同護(hù)岸類型的水速?zèng)]有明顯的差異。

4 城市河道生態(tài)護(hù)岸特征與河道水質(zhì)的關(guān)系

4.1 護(hù)岸類型與河道水質(zhì)的關(guān)系

河道工程建設(shè)會(huì)不同程度改變護(hù)岸結(jié)構(gòu)和類型，繼而對(duì)河道水體的性質(zhì)產(chǎn)生影響?？傮w來說自然原型護(hù)岸的近岸水質(zhì)最好，其次是自然型護(hù)岸，人工干預(yù)程度最大的非生態(tài)護(hù)岸則最差。自然原型護(hù)岸單純地采用植物材料進(jìn)行固土護(hù)岸，水體和陸地的動(dòng)植物、微生物構(gòu)成一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)護(hù)岸的廊道功能發(fā)揮良好的作用，水陸交錯(cuò)帶的介質(zhì)以及植物通過各種物理和化學(xué)作用來實(shí)現(xiàn)河道凈化功能[15]。自然型護(hù)岸采用種植植被與石材、木材等天然材料相結(jié)合，沒有完全隔絕陸地和河流生態(tài)系統(tǒng)的交流，保證河道水體與岸帶有一定的聯(lián)系，有利于水陸動(dòng)植物及微生物能與周圍環(huán)境順利完成物質(zhì)能量交換，增強(qiáng)微生物凈化水體功能，同時(shí)對(duì)生物棲息地環(huán)境的沖擊較小，使河道水質(zhì)得到一定的改善。而非生態(tài)護(hù)岸用鋼筋混凝土、漿砌塊石等材料，完全隔絕了陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的交流，生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈被斷開，造成關(guān)鍵棲息地喪失或連續(xù)中斷，生物多樣性喪失，阻隔了地表水與地下水的交換，河流廊道功能發(fā)生嚴(yán)重退化，沖積物和營(yíng)養(yǎng)物增加，導(dǎo)致河道水質(zhì)變差[16]。

4.2 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)與河道水質(zhì)的關(guān)系

護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)于水體電導(dǎo)率、磷含量、溶解氧的的影響較大。護(hù)岸坡度和寬度是影響生態(tài)護(hù)岸去除徑流中污染物的重要因素。因?yàn)樽o(hù)岸坡度越緩，地表徑流流速越小，流經(jīng)護(hù)岸進(jìn)入河道的時(shí)間越長(zhǎng)，增加地表徑流在土壤中的滲入量，同時(shí)坡度小意味著護(hù)岸和水體接觸更為密切，對(duì)水流的阻力更大，從而使得水速減慢。另外護(hù)岸緩沖帶的作用時(shí)間變長(zhǎng)，污染物截留和降解效率也增強(qiáng)，使得河道水體磷含量、電導(dǎo)率降低，水溶解氧升高。除了護(hù)岸坡度，護(hù)岸寬度也會(huì)影響地表徑流在護(hù)岸上的停留時(shí)間，從而影響污染物截留和降解效率，影響河道水質(zhì)。另一方面護(hù)岸結(jié)構(gòu)影響植物的選擇，護(hù)岸上的植物群落是生態(tài)護(hù)岸發(fā)揮功能的關(guān)鍵，間接影響了河道護(hù)岸的生態(tài)服務(wù)功能。

圖中的字母標(biāo)識(shí)僅與護(hù)岸類型有關(guān)，與天氣條件無關(guān)；字母標(biāo)識(shí)相同表示兩者沒有顯著差異，不同表示有顯著差異圖2 不同護(hù)岸類型對(duì)近岸水質(zhì)的影響

4.3 城市河道生態(tài)護(hù)岸的構(gòu)建建議

4.3.1 生態(tài)護(hù)岸類型優(yōu)選

在生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)中，盡可能地選擇自然原型護(hù)岸，保持河道原有的自然形態(tài)，降低人為干預(yù)程度，因?yàn)楹拥雷o(hù)岸人為干預(yù)程度越小，護(hù)岸的生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)。不同的河道采用不同的護(hù)岸類型，對(duì)于流速較大的河床，則選擇自然型護(hù)岸或者多自然型護(hù)岸來增強(qiáng)護(hù)岸的抗沖刷能力。杭州的一些河道為通航水道，如上塘河和余杭塘河，船只經(jīng)過時(shí)帶起水浪對(duì)護(hù)岸的沖刷，因此在護(hù)岸類型選擇時(shí)要考慮固土防沖刷的能力。

4.3.2 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)選

應(yīng)根據(jù)河道水流特點(diǎn)、周邊土質(zhì)條件、植被帶自然狀況等因素來選擇適宜的結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮建設(shè)投入、養(yǎng)護(hù)管理等因素。

護(hù)岸越寬，生態(tài)護(hù)岸發(fā)揮的生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)，但考慮到周邊土地利用情況和上下游水文情況，尤其是城市河道受兩岸建筑的限制，護(hù)岸的寬度不能無止境大，一般滿足“最小能接受的寬度”這個(gè)指標(biāo)，如果此河段受嚴(yán)重侵蝕作用，那么至少延伸至20 m[17]。在生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)中應(yīng)減緩護(hù)岸的坡度，護(hù)岸坡度影響地表徑流在護(hù)岸緩沖帶的作用時(shí)間及植物的選擇，植物的根系固土作用與生態(tài)護(hù)岸的穩(wěn)定性密切相關(guān)[18]。

5 小結(jié)

不同天氣條件下護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)于水體電導(dǎo)率、磷含量、溶解氧的的影響較大，其中坡度的影響最大；不同天氣條件下護(hù)岸類型對(duì)水體濁度、電導(dǎo)率、磷含量的影響最大，自然原型護(hù)岸對(duì)河道近岸水質(zhì)的作用最佳，人為干預(yù)程度最大的非生態(tài)型護(hù)岸則最差。

生態(tài)護(hù)岸類型、結(jié)構(gòu)(寬度、坡度)對(duì)生態(tài)護(hù)岸生態(tài)服務(wù)功能的影響體現(xiàn)在不同方面。據(jù)此，我們建議生態(tài)護(hù)岸的構(gòu)建要遵循安全穩(wěn)定性、生態(tài)健康性、景觀適宜性的原則；應(yīng)綜合考慮生態(tài)護(hù)岸類型、生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)選擇，以及生態(tài)護(hù)岸植物群落構(gòu)建方面，以建設(shè)穩(wěn)定、高效、美觀的生態(tài)護(hù)岸景觀，為城市河道護(hù)岸的建設(shè)提供借鑒。