永定河生態(tài)護岸模式的適宜性觀測研究

梁淑娟，樊 華，王利軍，楊建英，高甲榮，馮明明

（1.教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.北京市水利規(guī)劃設(shè)計院，北京100048）

目前河流的治理關(guān)注生態(tài)性和景觀性，河流生態(tài)保護已經(jīng)成為當前的環(huán)境問題[1]。北京市從2002年開始實施生態(tài)治河工程，修復(fù)河流是生態(tài)治河的核心內(nèi)容。永定河是海河水系最大的一條河流，是首都重要的防洪安全屏障、供水水源河道和水源保護區(qū)，近年來河流干涸斷流、生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，實現(xiàn)河流“自然景觀、城市景觀和田園景觀”河道建設(shè)至關(guān)重要。生態(tài)護岸利用植物或者植物與土木工程相結(jié)合，對河道坡面進行防護、促進河流生態(tài)修復(fù)[2]，重視河道生態(tài)、安全、親水、景觀效果建設(shè)，是河道治理的新方法、新趨勢，其應(yīng)用已經(jīng)成為一種需求被提上日程[3]。國內(nèi)外對于生態(tài)護岸的研究集中在生態(tài)護岸的機理、新型材料開發(fā)、護岸技術(shù)研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用方面[4]，主要是根據(jù)護岸的結(jié)構(gòu)材料、護岸措施類型和護岸部位劃分護岸形式，常用的護岸技術(shù)包括自然型護岸、土壤生物工程護岸、三維植被網(wǎng)護岸、植物護坡技術(shù)等。目前研究欠缺的是：根據(jù)河流岸坡的特點評價生態(tài)護岸效果，研究護岸模式的適宜性以及將示范區(qū)的生態(tài)護坡模式推廣到護岸。本文在定量分析上辛莊9種護坡措施的土壤抗侵蝕效果，調(diào)查永定河“蓮石湖—門城湖”示范段的河岸特點，定性分析11種生態(tài)護岸技術(shù)的防護效果和配置特點的基礎(chǔ)上，提出永定河不同河段適宜的生態(tài)護岸模式和適宜推廣到護岸的護坡措施。其研究結(jié)果可為北京市永定河綠色生態(tài)走廊建設(shè)規(guī)劃提供理論依據(jù)，為我國防洪河流生態(tài)護岸技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考價值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)特點

永定河全長747km，流域總面積4.7萬km2，是全國四大重點防洪江河之一，其中北京段長170km，流經(jīng)門頭溝、石景山、豐臺、大興和房山五個區(qū)，地理區(qū)位見圖1。北京市永定河“蓮石湖—門城湖”示范段布設(shè)了11種生態(tài)護岸技術(shù)，形成了溪流—湖泊—濕地連通的河流生態(tài)系統(tǒng)。其河岸設(shè)計特點為：河岸高程為80～100m，流速為1～3m／s，門城湖（三家店—麻峪河段）河道長5.24km，平均寬294m，總面積172hm2，水面面積67hm2。蓮石湖（石景山—京原橋）河道長5.8km，平均寬376m，總面積226 hm2，水面面積105hm2。

北京市延慶縣上辛莊生態(tài)示范區(qū)以“徑流小區(qū)布設(shè)不同生態(tài)護坡措施”展示了開發(fā)建設(shè)項目護坡工程的案例和研發(fā)的新型生態(tài)護坡技術(shù)。根據(jù)布設(shè)的護坡類型和水土流失監(jiān)測的需要，設(shè)計了36個徑流小區(qū)，分4組不同的規(guī)格，選取北京市滑雪道、濕地、河岸護坡措施的示范小區(qū)K1—K9，其基本特征為：土質(zhì)邊坡，坡向向北，面積5m×11.18m，坡比1∶2（26.5°），具體情況詳見表1。

圖1 永定河及其流域（北京段）與護岸示范段位置

表1 K1－K9號徑流小區(qū)的設(shè)計情況

1.2 研究方法

在2008—2010年33場出流場降雨條件下，對上辛莊K1—K9號徑流小區(qū)進行植被調(diào)查和徑流量、泥沙量的采樣測定。植被覆蓋度采取等距不連續(xù)采樣，計算出現(xiàn)植被的樣數(shù)和總植被樣數(shù)，求比值得出。小區(qū)泥沙量和徑流量是對K1—K9小區(qū)分別采集2個水樣（容積750ml），測出桶內(nèi)泥水總量，采取水樣含沙量過濾干法測定含沙量，求出平均含沙量進而計算得出。

2011年11月進行了永定河“蓮石湖—門城湖”不同河段護岸措施防護效果的現(xiàn)場勘察。按照從左岸到右岸，下游到上游的路線調(diào)查，結(jié)合永定河設(shè)計資料，得出11種護岸技術(shù)配置的河段河流彎曲度、水面朝向、岸坡傾斜度、岸坡抗侵蝕程度、抗水流沖刷度和防護現(xiàn)狀等指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)護坡效果及適宜性分析

2.1.1 植被覆蓋度對護坡效果的影響 生態(tài)護坡也稱植物固坡或坡面生態(tài)工程，可理解為在坡面上種植植物，達到穩(wěn)定坡面和防止侵蝕的效果[5]，可見生態(tài)護岸是一種特殊的生態(tài)護坡。植被具有截留雨量、削減雨滴侵蝕能量和抑制地表徑流等水文功能[6]。植物根系的“加筋”作用可以穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防止土壤侵蝕，莖葉具有截留降雨、削弱濺蝕、抑制徑流的作用。上辛莊示范基地天然分布的植物種類主要有荊條、鐵桿蒿、黃花蒿、米蒿、沙棘、灰菜等，植被調(diào)查結(jié)果見表2。

3a內(nèi)各個小區(qū)出現(xiàn)了較明顯的植被演替變化，較多的外來種和雜草入侵，與原始植物種形成種間競爭關(guān)系。K4號小區(qū)沙打旺代替原始播種的早熟禾和紫穗槐，成為優(yōu)勢種長勢很好。K8號和K9號為相鄰的對照小區(qū)，未播種，出現(xiàn)了相同的入侵種，區(qū)別是K8號在2010年遭破壞，成為裸地，K9號鐵桿蒿為優(yōu)勢種（表2）。植被群落特征是描述群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量指標，植物種類和數(shù)量直接關(guān)系植被覆蓋度、生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征[7]。植被長勢良好的小區(qū)，對應(yīng)的植被覆蓋度較大，植被稀疏、長勢不均、出現(xiàn)裸露的小區(qū)植被覆蓋度較小。

表2 2008－2010年徑流小區(qū)植被調(diào)查情況表

隨著小區(qū)護坡年限的增加，平均植被覆蓋度大致呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，K7和K9號小區(qū)在2009年的平均植被覆蓋度達到最大。分析其原因為：接近原始設(shè)計的護坡年限，植物生長穩(wěn)定均勻，長勢好；2009—2010年植被演替變化明顯，優(yōu)勢種退化，植被長勢不均勻，甚至出現(xiàn)裸露。相比2009年，K7號小區(qū)草灌植物種類最多，K9號自然恢復(fù)程度最好，植被覆蓋度較大。3a內(nèi)，平均植被覆蓋度較大的小區(qū)是K4，K1，K3；相比較小的小區(qū)是K8，K7，K9。究其原因，K7等高綠籬埂護坡植物是生長較慢的沙棘和荊條小灌木，綠化后長時間無法形成地表覆蓋；K8和K9號未采取植物措施，自然恢復(fù)，且K8小區(qū)被人為破壞。說明K1植草護坡＋水平截流溝，K3生態(tài)植被毯護坡和K4土工格柵＋客土護坡植物成活率高、長勢好，截水溝、土工格柵可以存儲坡面降水，利于植物生長；植被毯護坡植物的適應(yīng)性相對較差，植物覆蓋度低。

2.1.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙量與護坡效果 根據(jù)徑流量和泥沙量測定結(jié)果，以8號裸露小區(qū)為對照，分別計算出其余8個小區(qū)的截留率和減沙率，顯示不同護坡措施的保土和保水性能[8]。用水減沙比表示坡面采取調(diào)控措施后，減流量與減沙量之間的比值，反映出不同處理的坡面，減少的徑流流量與減少的泥沙量比值大小及調(diào)控能力[9]。K1—K9號小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量相關(guān)指標值見表3。

立地條件相同的同一規(guī)格不同處理的小區(qū)，植被截留降水性能和土壤抗沖刷效果差異都很大，體現(xiàn)在不同群落植被和不同防護工藝方面。截留率比較：K4＞K9＞K1＞K6＞K3＞K2＞K7＞K5；減沙率比較：K4＞K6＞K1＞K2＞K3＞K5＞K9＞K7，用水減沙比比較：K4＞K9＞K1＞K5＞K6＞K3＞K2＞K7。可見：K4小區(qū)的保土和保水性能最好，徑流攜沙性能最差，蓄水攔沙效果最好；K1和K2小區(qū)都布設(shè)截流溝和單一植物種，但截留率相差較大；K5和K7號小區(qū)抗土壤沖刷和截留降雨效果相對最差，截留率最小值分別為28.06%，54.92%，但K5小區(qū)用水減沙比達9.59m3／t；K9號自然恢復(fù)小區(qū)的植被有灰綠藜、鐵桿蒿和狗尾草，植被截留降雨作用明顯，抗土壤沖刷效果差。其原因是：K4灌草植物群落比K1，K2單一草本群落和K9自然恢復(fù)植被的土壤抗沖刷效果好；K1水平截流溝比K2“Y”型截流溝攔截降水和保土的效果都好；K5椰纖植生袋護坡和K7碼石護坡的原始種退化，植被適應(yīng)性差，出現(xiàn)裸露，說明植物長勢不好，演替退化的邊坡，加速了徑流的攜沙能力，土壤沖刷量和徑流量很大，植物根系對土壤抗沖性有顯著作用[9]。K9自然恢復(fù)的植被攔截徑流，防止土壤沖刷效果較好，但無工程措施固土能力差，土壤抗沖效果不好。

表3 K1－K9號徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量相關(guān)指標值

2.1.3 適宜推廣的護岸模式 生態(tài)護坡應(yīng)是“既滿足河道體系的防護標準，又有利于河道系統(tǒng)恢復(fù)生態(tài)平衡”的系統(tǒng)工程[10]。草本植物對岸坡的保護效果受岸坡的高度和水位的影響。植被、塊石堆砌等自然原型護岸多用于河岸緩坡型；木樁、石材等工程措施多用于較陡的坡岸或沖蝕較嚴重的地段[11]。根據(jù)上辛莊示范區(qū)9種不同護坡小區(qū)的植被生長狀況、植被覆蓋度和降雨條件下保土保水性能的分析結(jié)果，結(jié)合河岸的特點，將護坡推廣到較陡（約26.5°）的河岸防護存在的問題和建議模式包括：

（1）K3，K4，K5和K6代表護岸工程，K5椰纖植生毯＋客土護坡，土壤抗沖刷和截留降水效果很差，不適合推廣；K3生態(tài)植被毯護坡減沙率99.18%，截留率66.99%，因為植被毯內(nèi)植物的成活率低、適應(yīng)性差，采用抗逆性好、繁殖性強的鄉(xiāng)土植物種子可推廣到岸坡較低，流速較小的河岸；K6六棱花飾磚護坡保水性能差，工程防護抗沖刷性能好，選取淺根系、耐旱、繁殖性強的植物可推廣到流速較大、岸坡較高，河流順直的河岸。土工格柵固土種植基護坡，草皮生根后草土格柵形成一體，可增加岸坡的穩(wěn)定性。K4土工格柵＋客土護坡保土保水性能最好，植被生長良好，是優(yōu)先的推廣模式，適合親水平臺附近、迎水面、流速較大的岸坡。

（2）K1和K2代表滑雪道道面防護工程，保土保水性能相對都好，K1高羊茅＋水平截流溝的抗土壤沖刷和截留降水效果比K2結(jié)縷草＋Y型截留溝好，K2結(jié)縷草長勢不好，植被覆蓋度相對較低。K1更適合推廣到河流彎曲的凹面、流速較小、坡岸較低的岸坡。

（3）K7濕地，K8裸露，K9自然恢復(fù)小區(qū)：K7等高綠籬埂護坡植被長勢不好，保土保水性能差，不適合推廣。K8裸露小區(qū)遭到人為破壞，導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙量很大，造成嚴重的土壤侵蝕，需要人工維護。K9自然恢復(fù)小區(qū)植被恢復(fù)程度較好，減沙效果好，可適用于河岸邊坡較寬，施工復(fù)雜的地段，人工播撒草籽，使其自然恢復(fù)。

2.2 生態(tài)護岸效果及適宜性分析

2.2.1 生態(tài)護岸效果及配置分析 永定河護岸措施結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、護岸植物的景觀適宜性、護岸平臺的親水性都關(guān)乎河流的生態(tài)健康安全性，為永定河“河溪—湖泊—濕地”護岸適宜性模式的推廣提供重要的依據(jù)。河道斷面形態(tài)、河流彎曲形態(tài)、河岸的坡度和高度等與河流流速相關(guān)[12]。河流的彎曲程度、河床的復(fù)雜形態(tài)、高程起落變化、河面的迎或背水面特點、河流的流速大小、河岸岸坡的傾角高程、坡岸帶周邊水土保持措施或設(shè)施的布設(shè)等，都會對護岸模式的配置產(chǎn)生重要的影響，直接關(guān)系河岸的防洪和生態(tài)功能。所以護岸模式的配置需要綜合考慮河岸設(shè)計的特點、河流的生態(tài)環(huán)境、護岸的適生植物、河岸的親水空間等。永定河11種生態(tài)護岸技術(shù)在不同河段的配置特點見表4。

生態(tài)護岸模式的適宜性需要按照河岸的特點和護岸的功能綜合考慮（表4）。根據(jù)2011年11月調(diào)查現(xiàn)狀，結(jié)合護岸技術(shù)的配置特點，綜合評價防護效果的優(yōu)缺點、防護措施的適用性和適生的植物種，總結(jié)如下：

（1）H1，H2和H3工程措施與扦插柳復(fù)合護岸比較：SG生態(tài)磚護岸無坍塌，但親水性差；沒有塊石扦插的柳枝長勢好，但塊石適合緩坡型河岸；卵石具備天然性、生態(tài)性和景觀性的特點，但易被沖刷使岸坡坍塌，適合于流速較小、河流彎曲的凹面。

（2）H4，H5，H6，H7，H10單一措施護岸比較：山石親水性好，栽植水生蘆葦不受阻隔，適合生物的憩息，但無植物凈水的效果，適合流速大，河流形態(tài)復(fù)雜的河段；塊石與水生鳶尾配置，穩(wěn)定不易被沖刷，景觀性和生態(tài)性較好，但不適合較陡流速大的岸坡；生態(tài)磚親水性好，保護岸坡長期穩(wěn)定不坍塌，但景觀單一，不適合水生生物的生存；柳枝長勢茂盛，根系固持岸坡，適合水生植物生長，但河岸邊坡土壤抗沖刷性能差；卵石護岸景觀性好，減弱水流對岸邊的沖刷，保護近岸的親水平臺。

（3）H8，H9和H11工程、植物復(fù)合護岸比較：松木樁扦插柳枝近自然護岸，順河流彎曲布設(shè)，景觀性、生態(tài)性和穩(wěn)定性效果好，適宜湖水較深，水流較大，人類難以親近的地段，防止人為破壞；生態(tài)袋和仿木樁防止河岸坡面的土壤侵蝕，保護岸坡的穩(wěn)定，但生態(tài)效果和抗水流沖刷效果不好，適合親水平臺水流較小的岸坡；鉛絲石籠和生態(tài)袋穩(wěn)固岸坡，土壤抗侵蝕和水流沖刷效果很好，防護年限很長，但生態(tài)袋內(nèi)未采用活種子，景觀生態(tài)效果差，適合流速較大、岸坡較陡的地段。

（4）永定河適生的植物種類：柳枝、結(jié)縷草生長良好，水土保持效果明顯，可以有效控制河岸土壤侵蝕，適于湖邊、河岸種植。鳶尾對TN、NH3—N和COD整體去除效果很好，千屈菜和荇菜吸收有害物質(zhì)、凈化水體，景觀效果好，適合淺水洼地[13]。紫穗槐，豆科落葉灌木，具有根瘤菌，能改良土壤；耐陰、耐旱、耐水濕，適于河岸。狗尾草適應(yīng)性強，在河岸邊大量種植，可以增加綠化面積以及美化環(huán)境，凈化水質(zhì)。浮萍，多年生細小草本，漂浮水面，水面覆蓋度較大，美化環(huán)境效果較好。

2.2.2 適宜推廣的生態(tài)護岸模式 生態(tài)護岸是集防洪、生態(tài)、景觀、自凈功能于一體的恢復(fù)后的自然河岸或具有自然河岸可滲透性的人工護岸[14]。根據(jù)永定河11種護岸措施在河岸的配置特點和防護效果的對比，發(fā)現(xiàn)單純植物護岸、工程護岸、植物工程復(fù)合護岸模式存在問題是：（1）單純的植物護岸防止河岸坍塌效果較差，適合于緩坡性的河岸，為了增加景觀異質(zhì)性和生物多樣性，可配置適宜的水生植物。（2）工程護岸，可以提供良好的親水平臺，穩(wěn)固河岸抗水流沖刷，但生態(tài)景觀效果差，適合于岸坡較陡，河流曲直變化明顯的河段。（3）工程、植物復(fù)合護岸，兼顧良好的景觀效果和防護效果，需要合理配置，關(guān)注河流的親水功能，注重護岸措施的維護，適合于復(fù)雜變化的河岸坡度和河流形態(tài)等?？梢钥紤]工程護岸和工程、植物復(fù)合護岸間隔布設(shè)的形式，最大化的滿足河流的親水、景觀、防護效果。

生物技術(shù)與工程技術(shù)復(fù)合的護岸保證岸坡的安全穩(wěn)定，提供了生物的棲居空間，景觀層次性好[15]。不同的河段特點適宜于不同的生態(tài)護岸模式，基于此，針對11種護岸技術(shù)配置存在的問題，建議采用以下8種互補的護岸模式：（1）SG生態(tài)磚和扦插柳枝復(fù)合護岸與SG生態(tài)磚護岸隔段布設(shè)，提供親水平臺，適宜于坡度陡、高程大、流速大的岸坡；（2）山石與塊石扦插柳枝隔段布設(shè)，美化景觀效果，適宜于陡緩復(fù)雜、流速較大的岸坡；（3）卵石扦插柳枝和魚巢磚隔斷布設(shè)，增加生物的多樣性，適宜于河流彎曲復(fù)雜，坡度較緩的岸坡；（4）栽植蘆葦、鳶尾水生植物與山石或塊石復(fù)合護岸，增加生態(tài)景觀效果，適宜于坡度陡緩復(fù)雜、自然彎曲河流；（5）扦插柳枝與水生植物混合配置模式，利用植被長勢特點，增加人類親水性，適宜于坡度較緩，水流流速較小的岸坡；（6）松木樁攔擋扦插柳復(fù)合護岸，生態(tài)、景觀、抗沖刷效果好，適宜于河流彎曲多樣化，水位很深、流速較小的岸坡；（7）卵石和水生植物復(fù)合護岸，增加生態(tài)景觀和植物多樣性，適宜于河流彎曲的凹面、流速較小、坡度較緩的岸坡；（8）活種子植被袋和仿木樁或鉛絲石籠復(fù)合護岸，采用成活率高的活種子，增加景觀美，適宜于流速大、河流彎曲變化復(fù)雜、坡度較陡、河岸高度較大的岸坡。

3 結(jié)論

本文基于國內(nèi)外對生態(tài)護岸防護效果研究的欠缺性，以供水和防洪河道——永定河示范段的生態(tài)護岸為研究對象，采用數(shù)據(jù)定量和調(diào)查定性分析相結(jié)合的方法，首次提出永定河不同河段特點的適宜的生態(tài)護岸模式和適宜推廣到河岸的生態(tài)護坡模式，為永定河河岸的治理提供重要的參考價值。

（1）接近原始設(shè)計的護坡年限，植被演替變化不明顯，植被覆蓋度隨著護坡年限的增加而降低。生態(tài)護坡抗土壤侵蝕效果類比河岸坡的抗土壤沖刷度，坡度26.5°的徑流小區(qū)可類比河岸的較陡邊坡，植被配置都可選取生長迅速、成活率高、綠期長的鄉(xiāng)土樹種和多年生草本植物。

（2）根據(jù)河流彎曲度、河岸高程、河岸坡度、抗水流沖刷度、岸坡抗土壤侵蝕度等影響防護效果的指標，結(jié)合生態(tài)護岸的景觀、防洪、生態(tài)、親水功能，綜合分析表明8種互補的生態(tài)護岸模式和6種植被生長良好、保土保水性能好的護坡措施適宜推廣到相應(yīng)不同特點的河岸。

（3）工程、植物復(fù)合護岸（塊石扦插柳枝護岸）效果最好，彌補了單純植物護岸（扦插柳枝護岸）的防護效果和工程護岸（生態(tài)磚護岸）的景觀效果，適宜的護岸模式兼顧河岸特點和生態(tài)功能，需要合理搭配。H8松木樁攔擋扦插柳復(fù)合護岸近自然、景觀、生態(tài)、穩(wěn)定性好，K4土工格柵＋客土種植灌草護坡，工程和植物復(fù)合保土保水性能最好，最適合推廣。

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