生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應用前景

蘇國青，韓雷，王正君，李樹航，狄高健

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

河流是魚類、微生物等水生生物重要的棲息地，為生物的生長、活動和繁殖提供了空間。然而，水利工程特別是護坡工程的建設(shè)對這些自然棲息地造成了很大的危害。其中以魚類的影響最為明顯：一方面，河岸硬質(zhì)化不僅使得魚類正?；顒涌臻g減小，影響河流生態(tài)穩(wěn)定；另一方面，光滑的河岸也破壞了洪水期間魚類的天然庇護所，使魚類暴露在惡劣的水環(huán)境中，危害魚類的生長和繁殖，迫使魚類遷移，進而導致生物多樣性減少，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。鑒于此，新型魚巢砌塊生態(tài)護岸技術(shù)應運而生，其目的就是利用魚巢砌塊的空腔結(jié)構(gòu)人為構(gòu)建魚巢，為魚類創(chuàng)建出流速較小、干擾較小的生活空間，以此修復河流水生態(tài)系統(tǒng)。

1 魚巢砌塊生態(tài)護岸技術(shù)概述

1.1 研究背景

隨著社會不斷發(fā)展，回歸自然、生態(tài)環(huán)保、親水景觀等觀念深入人心，人們對城市河流的生態(tài)景觀需求越來越高。而傳統(tǒng)水利工程建設(shè)雖然滿足防洪、通航、防止水土流失等功能，但是河道渠化、硬質(zhì)化也阻斷了自然河流的連續(xù)性，對河流生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響，產(chǎn)生了脅迫[1]。

在這種背景下，為了修復河流生態(tài)，滿足人們的親水需求，促進人與自然和諧相處，河道護岸技術(shù)也由傳統(tǒng)的混凝土、石料、砂漿、瀝青等護岸措施逐步向生態(tài)型護岸技術(shù)發(fā)展。但是，常見的諸如：干砌石護岸、草皮護岸、生態(tài)混凝土護岸、格賓墊護岸等生態(tài)修復措施均注重借助植被根系的力學效應和水文效應來達到防治水土流失、修復河流生態(tài)系統(tǒng)的目的，雖然也具備生態(tài)、造景功能，但對河流生境和生物物種多樣性保護有所不足。因此，為了在河道行洪期間保護水生生物，維護河流水生態(tài)系統(tǒng)平衡，魚巢砌塊生態(tài)護岸構(gòu)件應運而生。

1.2 定義與類別

目前，魚巢砌塊有關(guān)概念還沒有明確，本文僅根據(jù)個人認知提出初步意見以供參考。根據(jù)調(diào)查收集和總結(jié)現(xiàn)有魚巢砌塊應用發(fā)明的特點，可以初步認為魚巢砌塊是一種具備空腔結(jié)構(gòu)、近水壁面有開孔，能通過砌塊間組合連接構(gòu)造出人工魚巢，為魚類或其他水生動、植物提供適宜棲息、生存空間的預制混凝土構(gòu)件。通常按照材料不同，將魚巢砌塊分為無砂混凝土魚巢砌塊和普通混凝土魚巢砌塊；根據(jù)砌塊的外形特點，可將魚巢砌塊分為常規(guī)型和異體型；根據(jù)砌塊空腔開孔方向和數(shù)量的不同，可將魚巢砌塊分為通透型和分割型；按照鏈接方式的區(qū)別，魚巢砌塊也可分為錨固型和嵌合型。其具體分類及特點見表1。

表1 魚巢砌塊分類標準及特點

1.3 主要功能特點

魚巢砌塊作為一種新型生態(tài)護岸構(gòu)件，在保留了傳統(tǒng)硬質(zhì)護砌防止水土流失、抵抗沖刷侵蝕等護岸功能的同時，也因為其多孔的結(jié)構(gòu)特點，可以在魚巢附近生成紊亂的水流，降低流速，增加水中溶氧量，有利于提高生物多樣性。魚巢砌塊的功能特點主要有下幾個方面：

(1)安全可靠，適用性廣。魚巢砌塊生態(tài)護岸構(gòu)件通常會布置鋼筋，所以砌塊具有較高的強度和良好的抗變形能力，而且各塊之間相互柔性連接，錯位布置，能適應大多的河岸曲線，最終安裝成型的生態(tài)護岸具有較高的抗壓強度和抗沖擊能力，在維持護岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全以及水流、波浪侵蝕方面具有明顯的優(yōu)勢。

(2)生態(tài)環(huán)保，促進人與自然和諧相處。魚巢砌塊護岸具備良好的生態(tài)修復功能，能對水生動植物群落的生存環(huán)境進行修復和保護，為水生動植物提供生長、生存空間，進而減輕人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾亂，促進人與自然環(huán)境的和諧相處，具有較好的生態(tài)效益和綜合社會效益。

(3)功能全面，填補現(xiàn)有生態(tài)護岸技術(shù)的不足。在河道行洪期水流流速增大時，可以為游泳能力較弱的魚類與其他小型水生生物提供一個安全的庇護場所，以利于保護河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。

(4)施工便捷，綜合效益高。與傳統(tǒng)漿砌石、干砌石或現(xiàn)澆混凝土相比，生態(tài)魚巢砌塊由于其模塊化結(jié)構(gòu)特點與預制特性，具有施工便捷，占地少、節(jié)省投資、施工周期短，受氣候等環(huán)境因素影響小等優(yōu)勢，整體施工過程簡單明了，工程質(zhì)量易于控制和保證。

2 新型魚巢砌塊生態(tài)護岸技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，魚巢砌塊生態(tài)護岸技術(shù)在國外除了日、韓兩國研究應用得較多，相關(guān)研究也相對比較成熟外，歐洲和北美等國家的學者雖然也對生態(tài)護岸進行了大量的研究，但主要側(cè)重植物對河流生態(tài)恢復的影響，在河道汛期保護魚類方面，尚未提出代表性的研究成果。國內(nèi)對魚巢砌塊的研究起步于21世紀初，近些年來漸漸興起，雖然在工程應用領(lǐng)域國內(nèi)學者做了許多嘗試，提出多種魚巢砌塊的體型結(jié)構(gòu)與護岸形式，但在相關(guān)理論的研究方面卻相對不足。

2.1 國外相關(guān)研究進展

經(jīng)濟快速發(fā)展帶來的河川污染造成了人水關(guān)系逐漸疏離。而隨著環(huán)保意識的增長，人們?yōu)榻鉀Q親水問題開始提出種種河川治理方案。其中，1973年(昭和48年)，將最初被開發(fā)出來為美化高速公路的景觀綠化塊應用到堤岸工程。發(fā)展到1977年(昭和52年)，開發(fā)出一種既可作為魚類和水生生物的棲息地，也可以在洪水期間作為魚類庇護所，防止魚苗和其他魚類被沖走的空心混凝土砌塊——魚巢砌塊[2]。進入20世紀80年代后，日本興起“實施有助于河川環(huán)境保護和創(chuàng)造的河川工程”，在這種背景下，魚巢砌塊開始廣泛應用于日本“多自然型河川”工法。20世紀90年代至21世紀初，日本對魚巢砌塊的研究逐漸從應用轉(zhuǎn)向理論，具體研究內(nèi)容包括砌塊材料對魚類行為的影響，魚巢砌塊的聚魚效果和魚類保護效果，不同魚類喜愛的砌塊結(jié)構(gòu)等[3-5]。發(fā)展至今，魚巢砌塊已被廣泛應用于日本河川生態(tài)治理，相關(guān)發(fā)明創(chuàng)造繁多，研究體系完備。

2.2 國內(nèi)相關(guān)研究進展

2002年華清青生態(tài)環(huán)保科技(北京)公司根據(jù)韓國植草砌塊系列產(chǎn)品，發(fā)明了兩種具有植物根系固定和魚類生存功能的多孔混凝土砌塊，明確指出魚巢砌塊是為魚類提供生存空間[6]。這是國內(nèi)首次出現(xiàn)“魚巢砌塊”概念，對之后魚巢砌塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論研究產(chǎn)生了重大影響[7]。王興勇，郭軍，劉樹坤，陳興等人根據(jù)常見幾種魚類的游泳能力，提出了魚巢砌塊基本結(jié)構(gòu)及尺寸大小，通過數(shù)值模擬研究了不同連接方式下魚巢砌塊的水力特性，從內(nèi)外流場分布以及流態(tài)等方面驗證了魚巢砌塊對魚類生存的保護作用[8-9]。

趙進勇、魏保義、王曉峰對魚巢砌塊的概念、功能、材料、施工工藝等進行了探討[10]。在此之后，何旭升、逄勇、魯一暉等人研究了魚巢砌塊在凈化城市河流水體中發(fā)揮的作用[11]。董哲仁，孫東亞，彭靜闡述了水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫及其機理，反思了傳統(tǒng)水利工程規(guī)劃設(shè)計理念和方法的缺陷，認為魚巢砌塊在岸坡防護、加強河道內(nèi)棲息地結(jié)構(gòu)能發(fā)揮很好的作用[12]。徐云偉，田雷，徐恒則具體介紹了魚巢砌塊在模擬自然結(jié)構(gòu)方面的特點[13]。

宋睿、高禮洪等通過研究魚巢砌塊在麗水甌江修復工程中的應用以及施工后河流兩岸植被生長情況和水生生物物種種類、數(shù)量增幅，對魚巢砌塊護岸構(gòu)件應具備的生態(tài)、景觀功能進行了驗證，為魚巢砌塊在類似河流生態(tài)修復工程中的應用提供了借鑒經(jīng)驗[14-16]。楊小宸在收集和歸納了現(xiàn)有城市河道生態(tài)防護型式的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了一種新型生態(tài)魚巢護岸技術(shù)，并將該技術(shù)成功應用于城市河道治理工程[17]。陳興生通過將魚巢砌塊與漿砌石、現(xiàn)澆混凝土等傳統(tǒng)護岸技術(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)魚巢砌塊在整體性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工便捷性和綜合效益等方面更具優(yōu)勢[18]。韓莉娟、邢浩翰進行了魚類對孔隙結(jié)構(gòu)喜愛程度的對比試驗，得出魚類喜愛的孔隙特點，并由此提出了多孔型生態(tài)護岸塊體(魚巢砌塊)的設(shè)計原則與鋪設(shè)方式[19-20]。梅凌云、陳港回、何雯、劉志峰等人以長江中下游地區(qū)城市——南京為例，淺析了新型魚巢砌塊單體的設(shè)計方法以及拼接方法，并對現(xiàn)有砌筑方式無法滿足親水、觀賞等景觀需求的缺陷進行改進，提出一種新型魚巢砌塊護岸結(jié)構(gòu)[21-22]。

3 生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)應用前景

在水生態(tài)文明建設(shè)越來越受到重視的今天，集防洪、排澇、生態(tài)、景觀等功能于一體的生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)的出現(xiàn)可以說是大勢所趨。同傳統(tǒng)護岸形式相比，生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)在政策支持、社會認可、技術(shù)優(yōu)勢、投資效益等方面具有極大的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢為魚巢砌塊護岸技術(shù)的推廣和應用打下了堅實的基礎(chǔ)。

(1)政策支持方面。生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)的出現(xiàn)，有利于提高河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進人與自然和諧相處，是對國家生態(tài)文明建設(shè)號召的積極響應，符合國家的十四五發(fā)展規(guī)劃。

(2)社會認可方面。魚巢砌塊護岸技術(shù)作為一種新型生態(tài)護岸型式社會認可度較高。隨著人們環(huán)保意識的增長以及國家對生態(tài)文明建設(shè)的呼吁，人與自然和諧相處的理念深入人心。同傳統(tǒng)“三面光”的護岸工程而言，具備相同功效且更美觀、環(huán)保、和諧的生態(tài)護岸更易被民眾認可。

(3)技術(shù)優(yōu)勢方面。生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)彌補了傳統(tǒng)護岸技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)造成脅迫以及常見生態(tài)護岸形式對魚類保護力度不足的缺陷，利用魚巢砌塊本身的結(jié)構(gòu)特點構(gòu)建出魚類生存、繁衍、躲避洪水的庇護空間，改善了河道生境多樣性，具備更優(yōu)秀的生態(tài)效益。

(4)投資效益方面。目前，國內(nèi)兼顧魚類保護功能生態(tài)護岸技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品較少，而生態(tài)護岸工程作為全國堤壩工程建設(shè)的熱點，其建設(shè)規(guī)模也在逐年增長。由此可以看出，魚巢護岸技術(shù)將在未來很長一段時間內(nèi)保持技術(shù)領(lǐng)先地位，投資效益可期。

綜上所述，生態(tài)型魚巢砌塊護岸技術(shù)在未來河道生態(tài)治理和修復中具有良好的應用前景。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)收集到的專利發(fā)明與相關(guān)資料，梳理了國內(nèi)外魚巢砌塊護岸技術(shù)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀。魚巢砌塊生態(tài)護岸的研究最早起源于日本，21世紀初傳入我國作為現(xiàn)有生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)形式的一種補充。目前，國內(nèi)對魚巢砌塊的研究偏應用、輕理論，在很多方面還需要深入研究；提出了魚巢砌塊生態(tài)護岸技術(shù)的核心構(gòu)件——魚巢砌塊的定義，分類及主要功能特點；同時，從政策支持、社會認可、技術(shù)優(yōu)勢、投資效益等方面的優(yōu)勢分析魚巢砌塊護岸技術(shù)具備良好的應用前景。