人工生態(tài)護(hù)岸技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

鄧靈敏?聶文婷?張志華

摘 要：傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸如漿砌石護(hù)岸、混凝土護(hù)岸造成河流形態(tài)平直化、阻礙了流域內(nèi)水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，同時(shí)隨著河流污染程度的增加，河流生態(tài)環(huán)境受到了影響。人工生態(tài)護(hù)岸兼具護(hù)坡及生態(tài)修復(fù)功能，在河岸治理工程已得到廣泛的應(yīng)用，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外人工生態(tài)護(hù)岸發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前人工生態(tài)護(hù)岸的類型、生態(tài)修復(fù)及護(hù)坡技術(shù)、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況進(jìn)行了梳理，指出了目前存在的若干問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為人工生態(tài)護(hù)岸的研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工生態(tài)護(hù)岸;生態(tài)修復(fù);河岸治理;水體凈化;防洪

中圖法分類號(hào)：TV861? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0608

河岸帶是陸地與水系的交匯區(qū)域，具有重要的生態(tài)功能，如水源涵養(yǎng)、水土緩沖、微氣候調(diào)節(jié)[1]等。然而，河流沖刷通常導(dǎo)致河道淤積、岸坡滑塌，同時(shí)強(qiáng)降雨引起水土流失[2]，因此需對(duì)岸坡采取防護(hù)措施。傳統(tǒng)河岸防護(hù)工程主要包括漿砌石護(hù)岸、石籠護(hù)岸、混凝土護(hù)岸等，雖然在一定程度上減緩了河水對(duì)岸坡的沖刷，但由于其平直的結(jié)構(gòu)、單一的材料阻斷了河流岸坡與空氣、水之間的交互聯(lián)系，破壞了水生生物、水體環(huán)境與岸坡之間的營(yíng)養(yǎng)交換，影響到了河流的生態(tài)功能[1]。此外，河流還面臨另一個(gè)主要威脅，即污染物排放，這可能會(huì)使河水從清澈的、以植物為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽孱悶橹鞯幕鞚釥顟B(tài)[3]。河流護(hù)岸對(duì)河岸帶生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，因此如何既實(shí)現(xiàn)岸坡穩(wěn)定又能維持生態(tài)環(huán)境平衡是當(dāng)前面臨的難題[4]。

在此背景下，兼具護(hù)坡及生態(tài)修復(fù)功能的生態(tài)護(hù)岸應(yīng)運(yùn)而生，在河岸治理工程中已得到廣泛的應(yīng)用和延伸。生態(tài)護(hù)岸采用人工與生態(tài)材料結(jié)合的方式對(duì)河岸進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)岸坡穩(wěn)定的同時(shí)又能維持生態(tài)環(huán)境平衡[5-6]和河流自我修復(fù)能力[7-9]。目前，根據(jù)人為干擾程度將生態(tài)護(hù)岸分為自然生態(tài)護(hù)岸和人工生態(tài)護(hù)岸兩大類型[10]。自然生態(tài)護(hù)岸指實(shí)施少量的人工措施保持其自然狀態(tài)或直接將受損的護(hù)岸恢復(fù)成原有自然狀態(tài)的護(hù)岸技術(shù)，適合于緩岸坡，但抗沖刷能力較差;人工生態(tài)護(hù)岸則利用工程措施，結(jié)合天然或人工特殊材料，形成生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，既有較強(qiáng)的抗沖刷能力，又適宜于植物、微生物生長(zhǎng)，較廣泛地應(yīng)用于各類河岸治理工程中，具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

1? ?人工生態(tài)護(hù)岸理論研究

國(guó)外對(duì)于人工生態(tài)護(hù)岸的研究最早起源于1938年，德國(guó)科學(xué)家Seifert提出近自然河溪整治概念[11]。20世紀(jì)中葉，以德國(guó)為首的近自然河道治理工程學(xué)[12]成為早期生態(tài)護(hù)岸的主要理論基礎(chǔ)。進(jìn)入80年代后，歐洲將此理論應(yīng)用于岸坡設(shè)計(jì)中，更注重于河流岸坡的自然生態(tài)屬性[13]，減少硬質(zhì)材料使用。美國(guó)進(jìn)一步完善了此理論，通過(guò)“土壤生物工程”研究，發(fā)展了一套生態(tài)護(hù)岸的技術(shù)理論體系和施工技術(shù)[14]。90年代初期，日本也開始發(fā)展和實(shí)施河流護(hù)岸理論，進(jìn)行了“多自然河川計(jì)劃”，為已有的理論框架提供了更多的生態(tài)護(hù)岸施工案例和結(jié)構(gòu)形式[15]。

我國(guó)人工生態(tài)護(hù)岸的研究受西方關(guān)于生態(tài)理念的影響，最早始于20世紀(jì)80—90年代，在借鑒國(guó)外生態(tài)護(hù)岸理論的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)理論研究。董哲仁[16]提出了生態(tài)水工學(xué)的概念，陳明曦等[17]定義了生態(tài)護(hù)岸，即在河流生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用河流動(dòng)力學(xué)實(shí)施的水利設(shè)施。同時(shí)，隨著水利工程的進(jìn)一步完善，越來(lái)越多的河流護(hù)岸采取了人工生態(tài)護(hù)岸形式，并開展自主研發(fā)和實(shí)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)大中型城市進(jìn)行探索和研發(fā)，如江蘇[18]、北京及廣州等[19]。

人工生態(tài)護(hù)岸常用型式按主要材料不同分為石籠類護(hù)岸[20-21]、土工材料護(hù)岸（三維土工網(wǎng)墊、土工格柵、土工膜袋等）[22-24]、介質(zhì)篩護(hù)岸[25]、生態(tài)混凝土護(hù)岸[26-28]、生態(tài)磚類護(hù)岸（鏈鎖式生態(tài)磚塊護(hù)岸、自嵌式生態(tài)磚植被護(hù)岸等）[10]等。隨著人們對(duì)環(huán)境要求的日漸提高，生態(tài)護(hù)岸越來(lái)越廣泛應(yīng)用于江河湖海、城市及小流域治理等各種護(hù)岸工程中。

2? ?人工生態(tài)護(hù)岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

人工生態(tài)護(hù)岸生態(tài)修復(fù)功能主要體現(xiàn)在水體的凈化能力，護(hù)岸中的植被具有凈化富營(yíng)養(yǎng)水體中的氮磷等多方面功能，其主要機(jī)理為在一定條件下，護(hù)岸中的水生植被的根、莖、葉能吸收水體中的富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)如氮磷及重金屬等有害物質(zhì)，以達(dá)到凈化水體的目的，同時(shí)也滿足了自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求[29]。根據(jù)此機(jī)理，專家學(xué)者對(duì)其生態(tài)修復(fù)能力進(jìn)行了系列研究。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自嵌式植生擋土結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)岸通過(guò)減速水體中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使其沉積在擋墻內(nèi)孔中，提供植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)，起到了良好的凈化效果[30]。同樣地，沉管護(hù)腳結(jié)合無(wú)砂混凝土護(hù)岸[31]利用其內(nèi)部孔隙，為水生動(dòng)植物提供生存空間及營(yíng)養(yǎng)，既凈化了水體同時(shí)也保證了水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)。王萬(wàn)忠等[32]通過(guò)采用骨料交聯(lián)法制備了具有較高透水率的多孔生態(tài)砌塊，研究了所制備的不同骨料粒徑的生態(tài)砌塊的透水率、比表面積等對(duì)水體中硝態(tài)氮去除率的耦合效應(yīng)，最后發(fā)現(xiàn)多孔生態(tài)砌塊對(duì)硝態(tài)氮的去除率最高可達(dá)90.3%。王玉中[33]采用“生態(tài)護(hù)岸+濕地植物配置+生物飄帶”的河道原位生態(tài)修復(fù)組合工藝方案，使得河道的碳氮磷指標(biāo)達(dá)到了水環(huán)境III類標(biāo)準(zhǔn)。Yuan等[34]研究了4種不同類型的生態(tài)混凝土減緩地表徑流和溶解有機(jī)質(zhì)的功能，得到了凈化效果最好的生態(tài)混凝土類型。

3? ?人工生態(tài)護(hù)岸護(hù)坡技術(shù)研究

人工生態(tài)護(hù)岸的護(hù)坡能力主要表現(xiàn)在抗沖刷、消浪擋浪及降低流速等方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同的生態(tài)護(hù)坡形式的護(hù)坡能力做了相關(guān)研究。

仝道斌等[35]在對(duì)鉸接式生態(tài)護(hù)坡塊的研究中發(fā)現(xiàn)，該類型生態(tài)護(hù)坡通過(guò)坡面植被軟覆蓋，減弱了河道水流對(duì)坡面的直接沖刷，同時(shí)護(hù)坡中植被根系通過(guò)“加筋”作用增強(qiáng)了土體的整體結(jié)構(gòu)，增加了表面的抗侵蝕能力。李海東等[36]研究的植被型生態(tài)混凝土由多孔混凝土、保水材料、緩釋肥料和表層土組成，整體穩(wěn)定性好，抗沖刷能力強(qiáng)，適用于大流速區(qū)段。黃岳文[31]在對(duì)沉管護(hù)腳結(jié)合無(wú)砂混凝土護(hù)坡的研究中發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗沖刷能力，在沒(méi)有發(fā)生較大沖刷的情況下，護(hù)坡結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞。李仟等[37]對(duì)仿真草皮和三棱磚組成的生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行室內(nèi)模擬研究，得出了不同形式下水流紊動(dòng)能的相關(guān)規(guī)律。

另一方面，各學(xué)者經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)生態(tài)護(hù)岸并加以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，植被帶越寬，消浪擋浪的能力越強(qiáng)[38];岸坡種植紅樹林可以有效削弱波高、波浪在河岸上的爬高及波浪力[39-40];鹽沼護(hù)岸比直立擋浪墻等硬質(zhì)工程措施防護(hù)效果更好[41];采用三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡[14][42]，可以明顯提高固土阻滯率，提高承受暴雨沖刷能力，同時(shí)抵御較大流速的水流沖刷，顯著降低流速;另外，某些特定植物能有效降低土壤孔隙水壓力[43]。邢振賢等[44]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)砂大孔混凝土在防沖刷性能上表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)具備一定的景觀效果，能較好地發(fā)揮護(hù)坡的生態(tài)和護(hù)坡功能。

4? ?人工生態(tài)護(hù)岸應(yīng)用進(jìn)展

4.1? ?河道應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)的河道生態(tài)護(hù)岸工程實(shí)例當(dāng)中，廣州市河涌整治工程[18]采用無(wú)砂混凝土植草皮及三維土工網(wǎng)墊植草皮護(hù)坡對(duì)河岸進(jìn)行了整治;天水市將三維土工網(wǎng)墊、無(wú)砂混凝土護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用于濱河景觀工程，不僅具有防洪效果，保證了護(hù)岸的整體穩(wěn)定，還創(chuàng)造了較好的生態(tài)環(huán)境;麗水市甌江堤防工程[45]采用綠化混凝土、三維植物網(wǎng)等多種生態(tài)護(hù)岸措施，保證了防洪安全，也對(duì)環(huán)境起到了修復(fù)作用。同時(shí)，生態(tài)護(hù)岸也在我國(guó)上海、浙江、山東、江蘇、安徽、遼寧、廣西、福建、天津、吉林等多?。ㄖ陛犑校┑玫匠晒?yīng)用。

在國(guó)外的應(yīng)用案例中，發(fā)展較為成熟的國(guó)家為日本，根據(jù)地理、水文和環(huán)境等實(shí)際情況，對(duì)河流護(hù)岸采取了針對(duì)性防護(hù)措施。如在土生川、加納川、本明川的治理工程中[15]，針對(duì)坡度大、水流急等特點(diǎn)，對(duì)邊坡采取綜合生態(tài)護(hù)坡型式，如干砌石、半干砌石等，配合以適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的植生物，使得河流的防洪及生態(tài)有了明顯好轉(zhuǎn)。

4.2? ?海岸應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)海岸生態(tài)防護(hù)方面，江蘇省在黃河口附近海岸的護(hù)坡建設(shè)工程中[46]，采取混凝土膜袋護(hù)坡結(jié)合互花米草的形式，起到了抵抗風(fēng)浪及防護(hù)岸坡的效果;遼寧興城對(duì)河口海岸濕地進(jìn)行了整治[47]，主要采用種植大量鹽生植物結(jié)合疏通潮溝、填埋低洼地方案，既起到了海岸帶防沖刷作用，又構(gòu)建了良好的海岸生態(tài)防護(hù)帶。

在國(guó)外海岸生態(tài)防護(hù)方面，荷蘭的北海海峽防護(hù)工程[48]，采用挖溝、開孔洞的混凝土，吸引海藻和水生生物棲息，同時(shí)養(yǎng)護(hù)海岸濕地，營(yíng)造了防護(hù)和生態(tài)為一體的海岸生態(tài)防護(hù)工程;美國(guó)紐約市[49]建立了復(fù)合型護(hù)岸體系，主要包括人工濕地和海洋森林、人工珊瑚礁、人工防波堤群、航道淺化、生態(tài)效益強(qiáng)的護(hù)岸、生物岸線六大方面;新加坡[50]創(chuàng)新實(shí)施的預(yù)制混凝土人工潮汐池可以提供多種海洋生物居住地，同時(shí)也減緩了海浪對(duì)海岸坡面的沖刷。

5? ?存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

5.1? ?存在問(wèn)題

（1）目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中于生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)修復(fù)能力，對(duì)于護(hù)岸防洪、護(hù)坡、整體穩(wěn)定性等基本功能未進(jìn)行細(xì)致深入的研究，未形成一套完整的力學(xué)體系。在大型江河護(hù)岸的建設(shè)過(guò)程中，如果盲目使用生態(tài)護(hù)岸將可能導(dǎo)致滑坡及地質(zhì)災(zāi)害等一系列的安全問(wèn)題。

（2）國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)施工規(guī)范，針對(duì)不同型式的人工生態(tài)護(hù)岸，在實(shí)驗(yàn)及科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，應(yīng)建立一套適用于不同環(huán)境下的人工生態(tài)護(hù)岸的施工技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

（3）實(shí)際的河流護(hù)岸中，種植于生態(tài)混凝土上的植被因人工材料的酸堿性、透氣性、滑移等問(wèn)題，未得到營(yíng)養(yǎng)的有效供給而導(dǎo)致大面積枯萎。故需進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)—土體接觸機(jī)理、施工工藝、透水性能、透氣性能以及岸坡整體穩(wěn)定性等問(wèn)題。

5.2? ?發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，生態(tài)護(hù)岸的核心思想仍是在滿足防洪要求的前提下，對(duì)河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，提高河流的凈化能力，營(yíng)造河流岸坡的生物群落多樣性。同時(shí)，人工生態(tài)護(hù)岸從小型水渠到江河再到湖泊甚至海岸等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，應(yīng)用的材料種類、護(hù)岸類型層出不窮，產(chǎn)生的成果隨著人類對(duì)于護(hù)岸經(jīng)濟(jì)、安全、生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)需求的提升而進(jìn)一步豐碩。同時(shí)隨著人工材料、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步優(yōu)化，生態(tài)護(hù)岸的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步提升，最終會(huì)實(shí)現(xiàn)人—防洪—生態(tài)為一體的生態(tài)護(hù)岸的新型工程體系，對(duì)造福人類、造福后代具有非常深遠(yuǎn)的意義。目前，生態(tài)護(hù)岸研究有如下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）多學(xué)科交叉更為普遍。生態(tài)護(hù)岸從最初的植被與工程相結(jié)合發(fā)展到如今多元化、多學(xué)科交叉，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)過(guò)程。目前的生態(tài)護(hù)岸涉及水土保持學(xué)、材料學(xué)、土力學(xué)、水力學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、生物工程學(xué)、美學(xué)等多學(xué)術(shù)領(lǐng)域，將會(huì)孕育出更加成熟和完整的生態(tài)護(hù)岸理論體系，指導(dǎo)復(fù)雜、未知的實(shí)際河道環(huán)境下的生態(tài)護(hù)坡建設(shè)，使生態(tài)護(hù)岸技術(shù)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

（2）新型材料研發(fā)更為頻繁。面對(duì)復(fù)雜的實(shí)際河流岸坡環(huán)境，相適應(yīng)的護(hù)岸材料也越來(lái)越多地被研發(fā)和應(yīng)用，但仍然無(wú)法滿足實(shí)際工程建設(shè)需求，仍需進(jìn)一步對(duì)護(hù)岸材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，在今后的河流護(hù)岸建設(shè)中，多種新型材料將會(huì)被廣泛應(yīng)用。

（3）量化分析與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更為成熟。目前的生態(tài)護(hù)岸在實(shí)際設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，因過(guò)于依賴實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，缺乏具體的量化標(biāo)準(zhǔn)，從生態(tài)修復(fù)效果、防洪效果上無(wú)法對(duì)其優(yōu)劣進(jìn)行有效評(píng)估，修建質(zhì)量因施工經(jīng)驗(yàn)而參差不齊。隨著人們對(duì)生態(tài)護(hù)岸的需求進(jìn)一步提升，定量化的評(píng)估指標(biāo)與體系也將會(huì)建立，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程背景和立地條件，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)階段、施工階段的生態(tài)護(hù)岸建設(shè)過(guò)程。

綜上，隨著生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)一步深入，新材料、新技術(shù)、新理論的出現(xiàn)，生態(tài)護(hù)岸將會(huì)被進(jìn)一步應(yīng)用于各大江河湖海岸坡中，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2021-10-25

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2021CFB129）;

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：CKSF2021446/TB）;

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（項(xiàng)目編號(hào)：CKSF2021744/TB）

作者簡(jiǎn)介：鄧靈敏，男，主要從事水土保持工作。E-mail：499826576@qq.com

通訊作者：張志華，男，主要從事水土保持與生態(tài)修復(fù)工作。E-mail：zhangzh@mail.crsri.cn

Review on the Research and Application of Artificial Ecological Revetment Technology

Deng Lingmin1，2? ? Nie Wenting1，2? ? Zhang Zhihua1，2

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;2.Engineering Technology Research Center for Mountain Flood Geological Disaster Prevention，Wuhan 430010，China）

Abstract：The traditional hard revetment，such as masonry revetment and concrete revetment，causes the river morphology to be straight and hinders the exchange of water and nutrients in the basin. At the same time，with the increase of river pollution，the river ecological environment is affected. Artificial ecological revetment has the functions of slope protection and ecological restoration，and has been widely used and extended in river bank control projects. On the basis of summarizing the development status of artificial ecological revetment at home and abroad，the structure types，ecological restoration technology，slope protection technology and application situation at home and abroad are summarized，and the existing problems and some researches in the current research are pointed out In order to provide scientific basis for the research and development of artificial ecological revetment.

Keywords：artificial ecological bank protection;ecological restoration;river bank management;water purification;flood control