河道生態(tài)護坡研究應用現(xiàn)狀及展望

丁錕奇,毛 葦,宋海洋,嚴如玉,王以鵬,計 勇*

(1.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，江西 南昌 330099;2.江西信江船閘通航中心，江西 鷹潭 335000;3.南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099)

生態(tài)護坡是一種耦合植物和工程應用的護坡形式，它在除了保證傳統(tǒng)護坡的基本功能正常運行外，還可以起到增強水體的自凈能力，加強生態(tài)美學性，調(diào)節(jié)水位，保護生態(tài)系統(tǒng)等作用[1]。因為傳統(tǒng)河道護坡長期以來主要關注的是邊坡的穩(wěn)定性與防洪防澇，多采用硬化混凝土河道、修建混凝土護堤等措施[2]。這類護坡造價成本高昂、景觀性不強，不利于生態(tài)環(huán)境的保護[3]。于是兼顧岸坡穩(wěn)定性與生態(tài)性的生態(tài)護坡理念應運而生，并且逐漸應用到工程建設中。生態(tài)護坡更加尊重生態(tài)自然規(guī)律，充分發(fā)揮了護坡工程在維持生態(tài)穩(wěn)定中的作用，在恢復自然生境、增加生物多樣性方面同樣起著非常重要的作用。但生態(tài)護坡在實際工程中也存在部分局限性，強度有限，坍塌、滑坡、植被成活率低等問題依然存在。國內(nèi)外目前對生態(tài)護坡的研究和應用著重于生態(tài)材料的選擇和應用、工程的架構形式、植被根系的加固機理等方面[4]，對于其生態(tài)性方面的深入研究、工程運行后期的情況研究相對較少[5]。因此，如何實現(xiàn)護坡工程全面生態(tài)化，結合前沿理論探索發(fā)展新型護坡技術仍是當前的重點。

1 生態(tài)護坡研究及應用現(xiàn)狀

1.1 建筑材料

生態(tài)護坡工程材料[6-7]以天然性、生態(tài)性為主，其中包括基質(zhì)材料與水生植物兩大部分?；|(zhì)材料是濕地中不可或缺的組成部分，主要包括土壤、砂石、礫石、沸石等，這些材料主要是通過物理吸附、化學吸附等方式進行水質(zhì)凈化[8]。方升華[9]發(fā)現(xiàn)表面流人工濕地的基質(zhì)材料與在生態(tài)護坡中使用的生態(tài)材料有著互通性，故在人工濕地方面對于基質(zhì)材料的研究對于河道護坡使用的生態(tài)材料具有指示性意義。由國內(nèi)外學者[10-12]研究可知選取合適的基質(zhì)材料對于水中污染物的去除效果有積極作用，在生態(tài)護坡中可通過在工程建設時，摻雜一些凈化效果好的基質(zhì)材料進行優(yōu)化配置，能有效增強水體與護坡工程的自凈能力。

水生植物是生態(tài)護坡的重要組成部分，植被深根具有錨固作用、淺根有加筋作用，很好地維護了護坡的穩(wěn)定性，有效地防止水土流失，達到了截留積累降雨、削弱灑蝕等目的。聯(lián)系生態(tài)性原則，能夠?qū)諝馄鸬搅己玫膬艋?，有效調(diào)節(jié)局部區(qū)域小氣候，改善自然生態(tài)環(huán)境。中國學者[13-15]的眾多研究表明水生植物可通過其根系、莖葉對水中污染物進行吸附、降解，從而達到對水體的凈化作用。在常水位以下護坡段種植水生植物能夠有效地加強護坡的穩(wěn)定性，滿足對于生態(tài)性與景觀性的需求，在不同的河段位置采用適宜的植物配置能夠起到更加優(yōu)質(zhì)的作用。

目前國外大多數(shù)的研究都是探討木本植物的邊坡穩(wěn)定機理，這種知識的不平衡導致了一種廣泛的認知，即木本植被相較于草本植被更加有利。L?bmann等[16]針對這種現(xiàn)狀進行了相關研究，結果發(fā)現(xiàn)木本植被與草本植被的作用效益都是高度可變的，取決于特定的當?shù)厣L條件、特定的位置要求、物種組成和植物生長情況。但草本植被比木本植被對環(huán)境變化的響應更快。因此，將與草本植被相關的生態(tài)過程整合到研究和規(guī)劃方法中是很重要的。Sanchez-Castillo等[17]就對日本森林優(yōu)勢蕨類植物(大多為草本植被)進行了生態(tài)指標的計算和形態(tài)特征的量化，探究其保護坡岸的機理，并在實際工程中加以配置，使得護坡工程得到了良好的發(fā)展形態(tài)。

1.2 構筑形式

如今，中國水利工程河道生態(tài)護坡工程形式多種多樣，技術日趨成熟，眾多學者仍然投身于更為優(yōu)質(zhì)的構筑形式研究中。李宏鈞[18]對植物纖維毯護坡機制深入研究，綜合評估了其生態(tài)防護效益，發(fā)現(xiàn)因纖維毯的不同，對植物的生長促進作用也不同。北京市水科學技術研究院[19]研發(fā)了“坡改平”生態(tài)護坡技術，獲得國家專利并在北京市昌平區(qū)生態(tài)清潔小流域示范區(qū)建設中采用。梁慷[20]在對植生混凝土進行研究中，采用了粉煤灰進行大量摻雜的實驗方法，不僅能降低混凝土的堿性，更適合植物的生長，還有利于加強護坡工程的穩(wěn)定性，在黃河下游險工護坡工程中取得了良好效益。當前常用的生態(tài)護坡構筑類型及其特性見表1，不同的護坡構筑形式適應不同的實際工程要求，在進行護坡的建造工程前，需要對該工程地區(qū)進行勘察，結合當?shù)氐乃臈l件，實際功能等綜合聯(lián)系起來以確定適宜的護坡形式。

表1 生態(tài)護坡構筑形式

生態(tài)護坡在國外發(fā)展歷史悠久，早在1633年日本就采用鋪設草皮、栽種樹木的方法治理荒坡。20世紀70年代末，瑞士將德國的生物護岸法發(fā)展為近自然工法，使之得到迅速發(fā)展，后在80年代末提出自然型護岸技術，在梅爾克流域的治理中，運用該種技術使得河流生態(tài)性得到了可觀的恢復，尤其是魚類的數(shù)量得到了明顯的增加[21]。在美國新澤西州雷里坦河保護工程中采用了植生袋護坡技術，其穩(wěn)定性與可行性在經(jīng)受了一次颶風洪水后得到驗證[22]。如今在美國和歐洲的一些國家使用較多的河道護坡治理手段為土壤生物工程技術，近些年來在歐美風靡一時，成為邊坡穩(wěn)定、侵蝕控制和生境修復的重要工程手段。這種技術是通過采用具有生命力的植物根莖或完整的植物體為主要結構元素，按一定的方式與方向，序列將其扦插、種植在不同的坡面位置。在植物生長過程中，就能起到穩(wěn)定邊坡，防止水土流失的作用，具有良好的生態(tài)效益。

1.3 功能定位

盡管目前生態(tài)護坡技術運用廣泛，但還是一門比較新型的邊坡防護的技術，對其概念與功能定位還沒有一個比較一致的提法[27]。陳佳偉等[28]學者初步定義生態(tài)護坡為一種在滑坡等自然力量或人為力量形成的裸露邊坡上，多種學科綜合交融，利用生物的各種生命活動來增強邊坡的穩(wěn)定性，減少自然災害的發(fā)生，能減少因人為工程對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響的水利工程邊坡。赫曉磊[29]認為生態(tài)護坡是要綜合考慮“水環(huán)境、水資源、水景觀、水安全”，滿足護坡最基本的功能以外，要充分考慮其生態(tài)效益，采用新型的護岸材料的邊坡工程。本文認為生態(tài)護坡的概念不僅僅指在護岸邊上種植植物，它應該是一個系統(tǒng)的含義。首先其應該承載著防洪排澇的功能，保證岸坡的穩(wěn)定性與可用性。其次，是一個開放的，動態(tài)平衡的系統(tǒng)，與外界保持著物質(zhì)交換，能量傳遞，有著完整且復雜的食物鏈，維持整個生態(tài)環(huán)境的動態(tài)平衡，是一個集“穩(wěn)定性、生態(tài)性、親水性、景觀性”為一體的新型岸坡[30]。

生態(tài)護坡的功能定位上保留了重要的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流速功能，還增加了生態(tài)性的基礎元素，既保留護坡的基本作用，又增加生態(tài)方面的意義[31]。水生植物的種植既可以加筋錨固又能增加水流阻力，有效降低流速，但在一定程度上會影響河道的防洪能力[32]。故在河道防洪能力計算、生態(tài)護坡的設計中，對植物河道類型的水流阻力進行研究具有實際意義。水生植物主要是通過自身的莖葉剛度、高度、直徑等影響河道的糙率系數(shù)，進而使得流速降低[33]。圖1為生態(tài)護坡恢復自然環(huán)境模式示意，其建造應該結合當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，兼顧流域的生態(tài)平衡條件，制定因地制宜的可行規(guī)劃與措施。堅持生態(tài)化的理念，這樣不僅能夠有效的執(zhí)行護坡的基本功能，還能促進流域的生態(tài)環(huán)境發(fā)展與周邊的經(jīng)濟社會發(fā)展，促進生態(tài)化、城市化的和諧發(fā)展，維持植物生境與動物棲息地的良好質(zhì)量并改善人們居住環(huán)境的健康形態(tài)。

圖1 生態(tài)護坡恢復自然環(huán)境模式示意

2 生態(tài)護坡研究應用中存在的主要問題

2.1 缺乏因地制宜的生態(tài)材料

在生態(tài)護坡工程建造中采用合適的材料十分重要，對后續(xù)工程的實用性、耐久性、穩(wěn)定性等都有不可忽略的影響[34]。目前，很多工程中為了美學效益仍在采用漿砌片石骨架護坡以及框格梁生態(tài)護坡，這些工程應用后的植被存活率相對較低，成本偏高，經(jīng)濟性不強，耗費大量的人力、物力。且在護坡工程建造中，難免會使用人工合成材料，對水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境會有一定的影響。而為了實現(xiàn)影響最小化，護坡材料技術亟待改進。中國大部分護坡技術都是直接從國外引進，是否與中國實際工程應用條件相匹配并沒有考慮，以至于存在諸多問題：造價高，護坡效果不明顯等。因此，中國應堅持科技創(chuàng)新的原則，研究適合中國的新型的護坡材料。在工程應用中，盡量選取選擇當?shù)氐淖匀徊牧匣蛴猩鷳B(tài)效益的工程材料，盡量減少人工合成材料的使用，避免工程建設中造成二次環(huán)境污染。

在種植植被的選取中，有些工程為了與發(fā)達國家接軌，過多地采用外國植被，沒有對本地的草種植被進行選擇利用，且對鄉(xiāng)土植物關注重心不足，這可能會造成物種入侵，威脅生物多樣性等生態(tài)問題。在香港、澳門、廣東和廣西等地，薇甘菊通過攀緣纏繞并覆蓋附主植物，對當?shù)刂脖辉斐蓢乐氐钠茐腫35]。土荊芥原產(chǎn)于熱帶美洲，如今在中國多地都有野生種，其喜生長于河岸邊，常常是雜草群落的優(yōu)勢種，因為對生境質(zhì)量要求不高，故發(fā)展速度快，數(shù)量多，分布范圍廣，容易威脅到種植在護坡上的草種[36]。與人類活動影響相比，物種入侵造成的后果更加嚴重。當人類停止對某環(huán)境的破壞，基于自我修復能力，生境能逐漸恢復，但是當入侵物種停止對某環(huán)境的輸入后，已傳入的個體是不會自動衰敗的，因物種入侵而滅絕的本地鄉(xiāng)土植被不會再生[37]。

2.2 缺乏提供水生生物棲息地

護坡工程地理位置十分特殊，處于具有動態(tài)性、開放性的水陸交錯帶，具有獨特的生態(tài)結構特征和生態(tài)功能，能為動植物提供良好的棲息地生境。多樣的環(huán)境條件、多樣的地形因素、多樣的植被分布等成就了其適合不同生物生存的先天條件，為不同生物的遷移、生存、庇護提供了棲息場所，故其具有較高的生物多樣性。Fry等[38]在研究中發(fā)現(xiàn)有70%的脊椎動物的棲息地都分布在河岸緩沖帶，Wenger[39]在研究中發(fā)現(xiàn)有90%的鳥類的棲息地都分布在距離河岸150～170 m的植被緩沖帶，并且河道兩側的植被還能夠為蟲類、鳥類提供覓食的良好天然環(huán)境[40]。故生態(tài)護坡在保護生物多樣性方面具有優(yōu)勢性、代表性。

目前對于護坡的研究主要是放在坡面上，較少涉及到坡腳的生態(tài)性研究，僅有少數(shù)工程形式會在長期處于浸水狀態(tài)的坡腳設置適合水生動物生活的區(qū)域，如多孔結構護坡，與水生生物之間有良好的相關性。因其特殊的孔隙結構使得其會天然形成魚道、魚巢，可以提供給水生生物棲息、繁殖的場所。植被的根、莖能夠為魚類的產(chǎn)卵、幼魚的生長提供空間，對保護生物多樣性有一定的積極作用。其他的構筑形式并沒有過多的考慮到水生生物棲息地的問題，水生生物是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一個部分，探討生態(tài)護坡與水生生物之間的鏈接關系對其生態(tài)性的研究具有指導意義。

2.3 缺乏基于生物的生態(tài)系統(tǒng)恢復目標

雖然生態(tài)護坡在國內(nèi)外應用廣泛，技術較為成熟，但大多數(shù)護坡的植物景觀效果單調(diào)，動植物棲息生境條件和生態(tài)系統(tǒng)結構整體性差，造成生物多樣性與豐度不高。在長江中下游航道整治工程中建設的生態(tài)護坡就存在上述問題，單一的植被播種使得坡岸的自然恢復效果不強。保證河流的生物多樣性能夠促進水體的更新凈化，提升河道的整體價值性，恢復河道中的生物鏈接關系，能夠使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定?，F(xiàn)在的生態(tài)護坡設計原理主要考慮的是植物的生態(tài)作用，對微生物與水生微型動物的作用沒有更深入的了解，忽略了生態(tài)護坡作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng)的功能[41]，且現(xiàn)如今對該方面的研究資料較少，研究重心偏移不足。

微生物群落是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)充滿生氣的一部分，從某種意義上說，微生物群落的發(fā)展直接導致了生物的發(fā)展[42]。微生物處理在中國污水處理中是主要的方法之一，其借助微生物的分解作用可以把污水中的有機物轉(zhuǎn)化為無機物，提升水體質(zhì)量[43]。微生物種類多、分布廣、個體數(shù)量多、體積小、代謝能力強、繁殖速度快。微生物的這些基本特征，使其在水處理方面發(fā)揮巨大效能，對有機物的降解、水體發(fā)黑發(fā)臭問題起到良好的處理作用。郭偉杰等[44]在研究中發(fā)現(xiàn)生態(tài)護坡相較于無植物護坡而言微生物的數(shù)量及豐度更多，反映了護坡兼具凈化和生態(tài)景觀效應?；谖⑸锏膬艋|(zhì)特性，探究其與生態(tài)護坡之間的耦合作用，能夠為目前的生態(tài)護坡進行賦能，發(fā)揮更大的效能。

水生微型動物往往被用作監(jiān)測污染的指示生物，對有毒物質(zhì)比細菌更為敏感，可用以確定污水中的毒性閾值，在研究水生態(tài)和環(huán)境質(zhì)量方面的應用日益增多，其種類和數(shù)量可以反映環(huán)境因子的變化，進而可以反映污水處理結果的質(zhì)量水平。水生微型動物在凈化水質(zhì)方面也有著獨特的生態(tài)效益，首先，其自身就能代謝可溶性的有機物，其次，還能通過分泌粘液等有利于細菌凝聚的物質(zhì)，使得在沉降過程中可以挾帶著細菌下沉，從而能有效改善污泥的沉降性能。如今，在以生態(tài)系統(tǒng)恢復為目標中對水生微型動物的關注度往往不夠，進而會導致恢復自然環(huán)境水平出現(xiàn)一定的偏差。

3 生態(tài)護坡研究應用展望

3.1 開展基于河道生態(tài)系統(tǒng)保護的構筑形式及材料研究

a)發(fā)展生態(tài)護坡新結構。人類活動對于河流的生態(tài)系統(tǒng)的破壞短時間難以完全恢復，在建造生態(tài)護坡時，應該結合河道的特點實施具體有效的護坡形式。不能一味地追求美觀性與經(jīng)濟性等，忽視了因地制宜作用的重要性。在工程建造中，要結合原始河道特征與河岸社會條件，因地制宜地確定合理的、經(jīng)濟的構造形式，注重生態(tài)自然，完善河道的護坡系統(tǒng)。在構筑形式選取中，盡量考慮水生生物的棲息地問題，執(zhí)行與自然環(huán)境的互助互利原則，健全保護生態(tài)系統(tǒng)的完整體系。

b)發(fā)展生態(tài)護坡新材料。隨著相關研究的進展，市場上有關生態(tài)護坡材料多種多樣，在工程實施初期都起到令人滿意的效果，當前工程中常用的優(yōu)質(zhì)材料與植物種類見表2，生態(tài)價值與效益俱佳。但是護坡工程在應用時間中后期，其耐久性、對生態(tài)環(huán)境的影響、周邊環(huán)境等不確定因素對其穩(wěn)定性與生態(tài)性的影響都是未知的，現(xiàn)階段，國內(nèi)外并未過多對此類問題進行深入研究。在基于河道生態(tài)系統(tǒng)保護的材料研究亟待進一步拓展以完善生態(tài)護坡的天然性與生態(tài)性。

表2 常用的護坡材料與植物

3.2 開展基于水生生物繁育的生態(tài)護坡水力學研究

發(fā)展生態(tài)護坡多功能。許多水生生物的自然繁殖是在水溫、水流、溶解氧、光照條件、水位變化，以及卵的附著物等外界條件制約下進行的。生態(tài)護坡作為水陸交錯帶的重要存在之一承擔著為生物的繁育、生長、棲息構建良好生境的責任，尤其是其坡腳處，天然地構成了魚道與魚巢，非常有利于水生生物的自然繁殖。在坡腳生長的植物根系是產(chǎn)黏性卵的魚類主要的產(chǎn)卵場地，例如鯉、鯽、團頭魴。此種魚類的卵可以附著或纏繞在植物上生長發(fā)育，這樣就不會使得魚卵脫落，沉至水底導致窒息死亡，有效地保證了種群的數(shù)量增長。

部分新型的具有生態(tài)價值的生態(tài)護坡形式見表3，對生物的生長、繁衍有促進作用。就水生生物的繁育而言，其對生態(tài)水文、水力條件有著特殊的要求，其中的流速與水深是極其重要的影響因子。戴凌全等[49]通過研究發(fā)現(xiàn)金沙江下游宜賓江段四大家魚產(chǎn)卵繁殖期的最佳流速為0.9～1.0 m/s，最佳水深為9.0～12.0 m。張俊等[50]的研究表明流動不均勻的低速渦流區(qū)有利于聚集魚群，反映了合適的低速水流狀態(tài)能為魚群的棲息、繁育、庇護提供良好的生存條件。水生植物通過影響河道的糙率系數(shù)，從而導致流速改變，使得生態(tài)護坡能夠消能、消浪，有效減緩近岸流速，對于水生生物的繁育機制提供良好的基礎。現(xiàn)階段，可將研究聚焦于對水生生物繁育的生態(tài)護坡水力學研究，可通過建立完備的理論體系，擴充豐富生態(tài)護坡生態(tài)性的基本內(nèi)容。

表3 具有生態(tài)價值的生態(tài)護坡形式

3.3 開展基于完整生態(tài)廊道的生態(tài)護坡技術研究

發(fā)展生態(tài)護坡落地推廣?！袄鹊馈边@一概念來自于生態(tài)景觀學，其本義是指不同于周圍景觀基質(zhì)的線狀或帶狀景觀要素[54]，而生態(tài)廊道是指具有連接孤立而分散的生態(tài)單元的能力，在保護生物多樣性方面優(yōu)點突出，可增加生態(tài)系統(tǒng)連通性的一種廊道類型。其中河道護坡的建設就是構成河流生態(tài)廊道的重要部分，河流廊道的不同組成元素對應著不同的功能屬性，見表4。在構建生態(tài)廊道中應該充分尊重、合理利用河流沿岸的自然條件，在河道護坡建設中應避免生態(tài)環(huán)境的破壞，從生態(tài)性的角度切入設計，真正將生態(tài)性與景觀性統(tǒng)籌發(fā)展。

表4 河流生態(tài)廊道組成部分與功能

在綠化方面應該合理選取植物類型，根據(jù)本土的植物種類，植物的生長環(huán)境與生長要求等綜合考量確定工程使用的植物類型，并且將工程的植被環(huán)境融入河道及沿岸區(qū)域內(nèi)的整體生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境，達到和諧統(tǒng)一的景觀效果，避免方枘圓鑿的情況出現(xiàn)。在親水方面應該關注人們的親水情結，在工程建設時注重公共性原則，豐富人們的文化娛樂氛圍，增加閑暇娛樂的場地，構建游憩一體化的空間結構，有利于提高人們的環(huán)保意識，提高大家熱愛、善待大自然的覺悟。在恢復生態(tài)系統(tǒng)方面應該更加注重除植物以外的生態(tài)群落，探究生態(tài)鏈間的協(xié)同競爭關系與制約機制，充分了解和掌握不同生態(tài)群落在生態(tài)護坡系統(tǒng)中所處的地位，達到促進的協(xié)同效應?；诂F(xiàn)有對生態(tài)護坡研究的基礎上，將生態(tài)護坡置于生態(tài)廊道中綜合考慮，是值得反復探究的內(nèi)容。

4 結論

河道護坡是綜合了景觀學、生態(tài)學和植物學等學科的綜合研究領域，從生態(tài)性、親水性、景觀性3個方面而言，生態(tài)護坡較傳統(tǒng)護坡有更大的實際優(yōu)勢，基于傳統(tǒng)護坡的種種不足與局限性，生態(tài)護坡的發(fā)展存在一定的必然性，正在逐漸成為中國實際護坡工程的首選。目前中國的生態(tài)護坡還存在許多不足，對于實現(xiàn)全面生態(tài)化有不小的差距，應結合中國實際情況與水文條件，進一步對生態(tài)護坡進行深入研究。強調(diào)創(chuàng)新、科學、合理，完善相關的理論體系，拓廣度，挖深度，豐富中國河道生態(tài)護坡新內(nèi)涵，實現(xiàn)護坡工程全面生態(tài)化。