基于土壤生物工程的河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究

余錦輝

(福建宏宇工程管理有限公司，福建 漳州 363000)

0 引言

在流水作用下形成河流地貌，可以對(duì)地表徑流和地下徑流進(jìn)行匯總和接納，將其與內(nèi)陸和大海相連接，作為自然界中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要途徑。河流作為一個(gè)整體的生態(tài)系統(tǒng)，具有完整的信息和物質(zhì)以及能量循環(huán)機(jī)制，可以與陸地中的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和能量以及信息交換。而能夠?qū)⒑恿骱蛢?nèi)陸聯(lián)系起來的過渡地帶為河岸，是促進(jìn)兩者進(jìn)行交換的重要紐帶，但隨著時(shí)間的推移和流水的作用，河道在長期的應(yīng)用中會(huì)存在許多問題，容易發(fā)生不同程度的生態(tài)破壞，需要對(duì)河道進(jìn)行穩(wěn)固和修建。隨著城市化的不斷推進(jìn)，在城市面積逐漸擴(kuò)大的前提下，河道作為城市中的重要個(gè)體，其功能定位發(fā)生了很大程度的變化，并且隨著許多功能的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，城市河道也開始進(jìn)行擴(kuò)建工程，在工程施工中經(jīng)常發(fā)生河道淤堵等問題，破壞了原有的地貌形式和植被情況，造成了城市環(huán)境的改變[1]。因此才需要對(duì)河道進(jìn)行合理的規(guī)劃，促使河道具有穩(wěn)定地保護(hù)岸坡，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)生態(tài)環(huán)境與人文環(huán)境的和諧發(fā)展。傳統(tǒng)的城市河道采用工程護(hù)坡進(jìn)行修復(fù)，直接將現(xiàn)澆混凝土石塊作為堆砌物料，雖在在一定程度上具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但存在造價(jià)高和修護(hù)難度大的問題。本文以此為基礎(chǔ)，選擇土壤生物工程作為護(hù)坡修建的條件，設(shè)計(jì)城市內(nèi)河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，為持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1 工程概況

選擇某省城區(qū)多條具有代表性的河道進(jìn)行采樣，該省的面積為121452km2，包含有3個(gè)開發(fā)區(qū)，全年平均溫度在22.4℃左右，氣候溫和且降雨量較為集中。城市內(nèi)的河流流域?yàn)槠皆?，境?nèi)地層發(fā)育也完全，包含有花崗巖和砂頁巖，土壤主要為水稻土和沖擊土，具有明顯的分布變化特征[2]。該城市內(nèi)具有茂密的森林，森林覆蓋率超過52%，內(nèi)含草本植物600多種，且種類多樣。按照從上游到下游的水流方向完成采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)河流的情況進(jìn)行分析，具體情況見表1。

表1 河流采樣點(diǎn)布置情況

對(duì)其現(xiàn)有的護(hù)坡情況進(jìn)行分析。

(1)硬質(zhì)護(hù)坡：為該城區(qū)內(nèi)河道最常見的護(hù)坡情況，直接采用鋼筋混凝土石塊搭建完成，呈現(xiàn)溝渠化特點(diǎn)。

(2)原始岸坡：在河流過渡區(qū)自然形成，具有自然植被，受河流沖刷影響與陸地形成特殊區(qū)域，具有相對(duì)穩(wěn)定性。

(3)生態(tài)護(hù)坡：整體建造范圍較小，現(xiàn)階段無法滿足防洪排澇要求，也不能發(fā)揮風(fēng)景區(qū)的功能[3]。

以現(xiàn)有的河道護(hù)坡情況入手，發(fā)現(xiàn)植物護(hù)坡具有穩(wěn)定和美觀的特征，因此本文以土壤生物工程為設(shè)計(jì)方案，研究河道的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。

2 基于土壤生物工程設(shè)計(jì)河道生態(tài)護(hù)坡

2.1 選擇植物

以土壤生物工程技術(shù)進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計(jì)，需要選擇適合于現(xiàn)有河道生存的植物，以此才能保證植被在后期的生長。以上文中選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)河流的水質(zhì)進(jìn)行分析，按照國家環(huán)保局編訂的HJ/T 91—2002《地表水和水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水質(zhì)采樣，分別以枯水期和豐水期2個(gè)階段進(jìn)行采樣，并將水樣放入至冰箱內(nèi)保存，在完成分析后對(duì)該省河流的現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見表2[4]。

表2 河流水質(zhì)分析 單位：mg/L

根據(jù)表中內(nèi)容所示，綜合所有的水質(zhì)特征，能夠判斷選擇的河流內(nèi)水質(zhì)均為Ⅴ類劣質(zhì)水，說明該城市內(nèi)的河道的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)被破壞[5]。因此不僅需要挑選生命力頑強(qiáng)的植物，還要因地制宜對(duì)河道的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行改良，植物作為土壤生物工程的核心材料，選擇毛白楊和金絲柳作為應(yīng)用材料，對(duì)其特性進(jìn)行分析。

(1)毛白楊：對(duì)土壤的要求不高，能夠在堿性條件下生長，且根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的生命力，由于該省的溫度和濕度處于中等太偶見，該植物具有抗污染和耐煙塵的特點(diǎn)，且樹葉茂盛枝干挺拔。

(2)金絲柳：該植物的樹形較為優(yōu)美，只需要安插枝條即可成活，適應(yīng)性極強(qiáng)，且繁殖能力優(yōu)異，能夠在濕潤的土壤中快速繁殖[6]。

以選擇的植被材料為生物基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人工邊坡形態(tài)實(shí)驗(yàn)河道生態(tài)護(hù)坡施工。

2.2 設(shè)計(jì)邊坡形態(tài)扦插施工

本次選擇的植物具有高度適應(yīng)性，為了保證護(hù)坡工程的合理進(jìn)行，首先對(duì)植物材料進(jìn)水箱培養(yǎng)，觀察植被的生根情況，并了解植被的根系分布情況。臨近所選的河道工程開挖1條臨水邊坡，設(shè)置長、寬、深分布為10、5、7m，在其東西向和南北向用推土機(jī)堆砌1條邊坡，具體情況如圖1所示[7]。

圖1 河流邊坡設(shè)計(jì)

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)規(guī)劃好設(shè)計(jì)圖，將堆砌好的邊坡壓實(shí)整平，將左右兩側(cè)的邊坡標(biāo)記為“A”和“B”[8]。兩側(cè)邊坡被平均分為10段，“邊坡A”從東到西依次為A1、A2、A3、A4、A5，“邊坡B”被分為B1、B2、B3、B4、B5，每段長度為5m[8]。在進(jìn)行護(hù)坡植被扦插之前，需要對(duì)人工坡面的植物材料適用性進(jìn)行計(jì)算，此次以發(fā)芽率和成活率作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中，q—植被的發(fā)芽率[9]，%；e—選擇的植被總樣本，個(gè)；w—發(fā)芽的樣本數(shù)量，個(gè)；r—成活率，%；t表示成活的樣本數(shù)量[10]，個(gè)。對(duì)水箱內(nèi)培育完成的樣本植物進(jìn)行挑選，以成活率較高的樹苗作為施工對(duì)象，選擇合適的方式進(jìn)行施工。

一般情況下，土壤生物工程的施工技術(shù)包含有多種形式，此次選擇植物方格的形式進(jìn)行扦插，將植物活枝組成不同大小的中空方格結(jié)構(gòu)，大小分別為55、65、75、85、95cm，相鄰方格中扦插的植物采用繩子進(jìn)行固定。在完成整個(gè)護(hù)岸施工后，監(jiān)測(cè)此次設(shè)計(jì)的護(hù)岸防護(hù)效果。

3 測(cè)試分析

上文中通過土壤生物工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了河道生態(tài)護(hù)坡施工，為驗(yàn)證新的方法具有應(yīng)用效果，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。以2個(gè)階段驗(yàn)證新方法的有效性：第1階段測(cè)試生態(tài)護(hù)坡的穩(wěn)定性，即在不同的條件下對(duì)此次構(gòu)建的生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行安全系數(shù)測(cè)試，安全系數(shù)越大則說明防護(hù)效果越好。第2階段測(cè)試護(hù)坡的抗沖刷性，在整體護(hù)坡中選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在正常的洪水位下檢驗(yàn)護(hù)坡的抗沖刷百分比，比值越高說明防護(hù)效果越好。由于此次設(shè)計(jì)中全部以實(shí)驗(yàn)點(diǎn)作為基礎(chǔ)，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)直接對(duì)建設(shè)完成的植物邊坡樣本進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證本文方法的具體效果。

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果分析

生態(tài)護(hù)坡最基本的功能就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在工程評(píng)定中需要對(duì)建設(shè)的護(hù)坡安全系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)要求》確定邊坡的最小安全系數(shù)要超過1.15K。以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)上文中建造完成的護(hù)坡，以正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位以及震度條件為標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)計(jì)洪水位以10年為標(biāo)準(zhǔn)，震度條件為7級(jí)，對(duì)不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 邊坡最小安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(K)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，選擇不同測(cè)試條件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)證，在本文方法應(yīng)用下，不同大小的植物方格的安全系數(shù)各不相同，但遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求，其中正常蓄水位>設(shè)計(jì)洪水位>震度條件，具有應(yīng)用價(jià)值。分別對(duì)植物各自的防護(hù)效果進(jìn)行分析，其中毛白楊的整體防護(hù)效果要高于金絲柳的防護(hù)效果，且隨著護(hù)岸方格的面積增加，其最小安全系數(shù)逐漸加大，產(chǎn)生的防護(hù)效果更好。

3.2 抗沖刷性測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上文中的測(cè)試結(jié)果可知，本文方法設(shè)計(jì)的護(hù)坡具有一定的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上對(duì)其抗沖刷性進(jìn)行分析，由于植物養(yǎng)護(hù)土壤均為河道周圍土樣，在設(shè)計(jì)洪水位下，直接以毛白楊植物設(shè)計(jì)完成的護(hù)岸進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算每組樣本的抗沖刷百分比。此次抗沖刷性能主要以剩余的土壤量作為基礎(chǔ)，在10年、15年和20年為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水位下進(jìn)行不間斷地10次沖擊，所剩的土壤量越多說明抗沖刷性能越好，計(jì)算方式如下：

(3)

式中，z—沖擊后的剩余土壤占比，%；x—丟失的土壤面積，m2；c—原有土壤面積，m2。將測(cè)試數(shù)值代入到公式(3)中完成計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 土壤剩余量統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在本文方法應(yīng)用下對(duì)毛白楊植物構(gòu)建的護(hù)坡進(jìn)行測(cè)試，以設(shè)計(jì)洪水位下完成抗沖刷測(cè)試，隨著植物護(hù)坡方塊的面積增加，其土壤剩余量會(huì)逐漸增多，說明構(gòu)建的植物護(hù)坡方塊越大，其抗沖刷性能越好，綜合兩個(gè)階段測(cè)試結(jié)果可知，以95cm的單一方格為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用毛白楊植物進(jìn)行護(hù)岸構(gòu)建，可以具備較好的防護(hù)效果。

4 結(jié)語

本次以土壤生物工程技術(shù)為依托，在選定的河道工程中分析了其現(xiàn)有的護(hù)岸情況，設(shè)計(jì)了新的生態(tài)護(hù)坡施工技術(shù)，并在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中論證了新方法的有效性，具備抗沖刷性和穩(wěn)定性，可以投入實(shí)際工程應(yīng)用。但由于本次時(shí)間有限，在研究過程中僅選擇2種類型植物作為護(hù)岸基礎(chǔ)植被，而且均為單獨(dú)類型的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用上可能具有單一性，存在一些不足之處。后續(xù)研究中會(huì)針對(duì)問題所在，挑選更多適用于護(hù)岸工程的植被類型，并設(shè)計(jì)多種護(hù)岸結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)河道護(hù)坡工程的有效施工提供理論支持，對(duì)城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供保障。