復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)在河流治理中的應(yīng)用研究

陳卓英，倪培桐， 鐘偉強(qiáng)， 李曉剛

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510630；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630；4.深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000)

傳統(tǒng)的河流治理工程對(duì)于生態(tài)環(huán)境以及資源造成一定的破壞和不利影響，具體表現(xiàn)為蜿蜒曲折的自然河流被渠系化、直線化，水環(huán)境污染，水資源有效利用量減少，生態(tài)嚴(yán)重失衡。自20世紀(jì)以來，國際上對(duì)傳統(tǒng)治水導(dǎo)致自然環(huán)境被破壞的做法進(jìn)行了反思，并開始有意識(shí)著手對(duì)遭受破壞的河流自然環(huán)境進(jìn)行修復(fù)[1,2]。如德國、瑞士提出了“河流再自然化”的概念，將河流修復(fù)到接近自然的程度。英國優(yōu)先考慮河流生態(tài)功能的恢復(fù)，要求河流治理時(shí)的“近自然化”。荷蘭提出了“給河流以空間”的理念，強(qiáng)調(diào)河流生態(tài)修復(fù)與防洪的結(jié)合。

我國河道整治理念和措施較為滯后，但自20世紀(jì)90年代起在相關(guān)研究領(lǐng)域也取得了大量成果[1]。由于河流情況千差萬別，在治理過程中雖然采取了很多生態(tài)治理技術(shù)和措施，但這些技術(shù)措施在不同類型河流上適用性差別很大，在一定程度上影響了治理成效。鑒于此中小河流生態(tài)護(hù)岸的水力學(xué)特性和景觀特性是人們關(guān)注的重要問題。如含植物的水流阻力問題[3-5]、河道流速分布及紊流特性[6-9]、土體的抗沖刷能力等[10-12]。

深圳葵涌河是流經(jīng)深圳市龍崗區(qū)葵涌街道的主要河流，原有河道岸坡為漿砌石護(hù)坡，隨著城市開發(fā)建設(shè)的加快，葵涌河污染問題越來越嚴(yán)重，河流生態(tài)系統(tǒng)受到一定程度的破壞，影響本地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。作為河流綜合治理示范工程，葵涌河中岸坡修復(fù)中采用了復(fù)合生物磚結(jié)構(gòu)，這是介于植被護(hù)坡和砌石、混凝土護(hù)坡之間的一種護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式，兼有兩種護(hù)坡形式的優(yōu)點(diǎn)。首先是穩(wěn)定性好，雙孔混土結(jié)構(gòu)交錯(cuò)排列互相擠壓，加上自重易形成一個(gè)整體，與干砌石塊或河道卵石相比，難以被水流沖刷掀起，具有整體穩(wěn)定性特點(diǎn)，并且磚塊之間主要靠植物的根系盤根錯(cuò)節(jié)的連接和穩(wěn)固。其次是施工簡便，可采用干砌形式，無需水泥砂漿勾縫，僅在生物磚坡面的坡頂位置和生物磚坡面的坡底位置與硬化物交結(jié)處采取水泥砂漿固結(jié)。然而由于復(fù)合生物磚結(jié)構(gòu)中約表面積40%是植被及土壤結(jié)構(gòu)，另外表面積約60%為水泥磚結(jié)構(gòu)，其抗沖性能及景觀效果受到質(zhì)疑。本文采用模型物理模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析的方法分析了這種生物磚護(hù)坡結(jié)構(gòu)的抗沖刷特性及生態(tài)景觀效果，為中小河流治理積累數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

葵涌河位于深圳龍崗區(qū)，流經(jīng)葵涌街道；發(fā)源于火燒天北，在沙魚涌匯入大鵬灣海域，上游有羅屋田河與徑心河在高源村匯合成葵涌河干流，河道全長10.9 km，流域集雨面積42.84 km2，河床平均比降1.28%。地區(qū)多年平均氣溫為 22.5 ℃，多年平均降雨量為2 135 mm?？亢釉诳i路斷面10年一遇洪水洪峰流量為643 m3/s，河道流速可以達(dá)到3.2～5.8 m/s。

1.2 復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

生物磚結(jié)構(gòu)主要包括3部分：①雙孔水泥磚，單孔尺寸為20 cm×20 cm×39 cm，壁厚4 cm，由于上下左右錯(cuò)縫，在坡面砌筑時(shí)可以干砌施工，無需水泥砂漿勾縫；②營養(yǎng)土，自然種植土按1∶0.2配合泥炭土，并加入適量NPK 復(fù)合肥；③植被部分以狗牙根為主，采用狗牙根、百喜草種子，加入適量山毛豆等灌木種子或稀植勒杜鵑、野牡丹小苗培育。生物磚現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)及試驗(yàn)樣品培育現(xiàn)場(chǎng)均在葵涌河綜合治理工程現(xiàn)場(chǎng)。在已砌好的磚孔內(nèi)回填營養(yǎng)土，并澆水壓實(shí)，使磚孔內(nèi)營養(yǎng)土填充飽滿。圖1和圖2分別為生物磚尺寸圖及施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 護(hù)坡生物磚設(shè)計(jì)圖(單位：cm)Fig.1 A design chart of the slop protection biological brick

圖2 葵涌河生物磚護(hù)岸試點(diǎn)工程照片F(xiàn)ig.2 The biological brick Pilot project at Kuichong river

1.3 生物磚抗沖刷能力室內(nèi)物理模型試驗(yàn)

含植被土體抗沖物理試驗(yàn)方法可分為兩類，其一是縮尺模型，用剛體或者柔體塑料建立植被模型，研究含植被水流的水力學(xué)特性；其二是用有壓管流模擬原體河道流速，直接沖刷原體植被，該方法近似于原體模型。由于含植被土體的縮尺模型還存在相似性等困難，因此本文采用有壓管流模擬原體流速建立生物磚結(jié)構(gòu)抗沖刷能力試驗(yàn)。模型由高位水箱-量水堰-鋼管-閘閥-方形有機(jī)玻璃管-尾水渠-地下水庫組成。生物磚抗沖刷能力物理模型試驗(yàn)裝置見圖3，有壓流試驗(yàn)段采用透明有機(jī)玻璃板制作，有機(jī)玻璃方管長10.0 m×0.30 m×0.15 m，其中試驗(yàn)段橫斷面過渡為0.20 m×0.15 m，從而保證可產(chǎn)生超過6.0 m/s流速，滿足葵涌河道設(shè)計(jì)流速要求(3.2～5.8 m/s)。試驗(yàn)段方管底部設(shè)置長0.56 m×0.30 m×0.40 m的方箱，用于放置生物磚試驗(yàn)樣品，生物磚表面與試驗(yàn)方管底部平齊，上部預(yù)留有機(jī)玻璃活動(dòng)板方便安裝與拆卸生物磚試驗(yàn)樣品，活動(dòng)板與有機(jī)玻璃水槽之間嵌入止水橡膠，以防漏水漏氣。試驗(yàn)采用的樣品在葵涌現(xiàn)場(chǎng)培育，生長8個(gè)月，狗牙根草高度約0.30～0.40 m，試驗(yàn)樣品見圖4。

圖3 試驗(yàn)裝置布置圖(單位：cm)Fig.3 Arrangement of test equipment

圖4 試驗(yàn)樣品照片F(xiàn)ig.4 Photos of test sample

生物磚試驗(yàn)樣品分為兩組，一組在沖刷前水中浸泡12 h，以模擬降雨后，土壤含水增大情況；另外一組按照自然狀態(tài)直接進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。為便于比較，本文對(duì)所有樣品進(jìn)行沖刷12 h試驗(yàn)，然后測(cè)量生物磚沖刷坑的深度。

2 護(hù)岸效果分析

2.1 抗沖能力

含有狗牙根草的土體破壞首先是在水流作用下植被根系稀疏區(qū)域受水流沖刷，產(chǎn)生水土流失，并使植被根系裸露，最終植被根系被沖走，削弱了植被根系的錨固作用。圖5是不同流速條件下(3.2～5.8 m/s)生物磚上游孔、下游孔的最大沖刷深度。天然植被條件下上游孔的草皮沖刷坑深度約為1.5～4.8 cm，下游孔約為0.3～4.2 cm；濕潤條件(浸泡12 h后沖刷)上游孔的草皮沖刷坑深度約為2.0～6.0 cm，下游孔約為0.4～5.5 cm。試驗(yàn)表明，生物磚最大沖坑深度與管道流速有關(guān)，流速越大沖坑深度越大(見圖5)。試驗(yàn)過程中，狗牙根在水體的沖擊作用下，全部倒伏在生物磚土層表面，形成植被覆蓋層，阻止土體被水流迅速帶走。由于植被密度大，根系生長好，其對(duì)土層的保護(hù)作用大。試驗(yàn)使用的生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)為雙孔結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)組次內(nèi)，上游孔較下游坑沖刷深度大，約1.5 cm，這主要是上游孔缺少植被覆蓋，根部土壤大部分暴露在水流中，其侵蝕破壞相對(duì)嚴(yán)重(見圖5)。另外試驗(yàn)樣品浸泡12 h后，土體含水量大，松散程度高，易于被沖刷；試驗(yàn)組次內(nèi)，上游孔濕潤條件下的沖刷深度要較一般情況大約0.8 cm，而下游孔在約為0.6 cm。對(duì)比張春欣、韓雷等的試驗(yàn)[12-14]，本文的復(fù)合型護(hù)岸結(jié)構(gòu)的土體裝填在水泥孔中，狗牙根草具有匍匐枝及發(fā)達(dá)的根系，由于植被中另外含有部分灌木，灌木根系的抗拉強(qiáng)度大，起到了加筋草皮的作用，有助于防止土層沖刷破壞，受水泥磚和植被的雙重保護(hù)，本文的試驗(yàn)樣品未出現(xiàn)的全部破壞情況。從目前廣東中小河流治理實(shí)踐看，河道流速一般不會(huì)超過5.8 m/s，因此這種生物磚結(jié)構(gòu)可以基本適應(yīng)廣東省中小河流治理中所涉及的所有中小河流。

圖5 上游孔、下游孔沖坑的最大沖刷深度Fig.5 The maximum scour depth of upstream and downstream holes

2.2 生態(tài)景觀效果

利用生物磚對(duì)葵涌河常水位以上進(jìn)行了護(hù)坡改造，植被生長效果較好。生物磚的磚孔填土部分面積占有37%，具有滲水功能，并且可以利用植物來吸取水中的氮、磷，減輕水體富營養(yǎng)化程度，同時(shí)通過對(duì)雨水的滲透截流，豐富地下水資源。與原有漿砌石護(hù)坡相比，其可以成為多種生物的棲息地，有組于維護(hù)河道兩岸的生態(tài)平衡。由于生物磚結(jié)構(gòu)通過交錯(cuò)及左右擠壓固定，不需要水泥勾縫，施工時(shí)可以結(jié)合河道岸坡地形施工，由于具有剛性和軟性防護(hù)相結(jié)合的特點(diǎn)，可以起到模袋混凝土的作用，維持河道彎曲形態(tài)，并保持河道原有的淺灘和深潭的交替結(jié)構(gòu)，有助于增加多種生態(tài)環(huán)境條件，增加生物多樣性。這種植被形態(tài)可以為河道附近的水生、陸生、及兩棲生物提供棲息地。

葵涌河護(hù)坡與河道垂直護(hù)岸結(jié)構(gòu)之間修建生態(tài)透水混凝土道路，并在道路與河道之間修建仿木欄桿等景觀工程，提高周邊群眾休閑活動(dòng)。護(hù)坡采用復(fù)合生物磚結(jié)構(gòu)，植被發(fā)芽率及生長情況是評(píng)判景觀效果的重要因素。生物磚孔為了滿足幼苗生長發(fā)育而專門配制的含有多種礦質(zhì)營養(yǎng)，疏松通氣，保水保肥能力強(qiáng)，無病蟲害的床土?？亢蝇F(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)表明，與一般土壤相比，填充營養(yǎng)土的植被幼苗發(fā)育較好。種植1個(gè)月后，生物磚結(jié)構(gòu)植被生長狀況比較，營養(yǎng)土內(nèi)種植的狗牙根草籽發(fā)芽率高。植被生長3個(gè)月后，從外觀上看不出營養(yǎng)土與營養(yǎng)土的草皮密度，但其根系密度也遠(yuǎn)高于非營養(yǎng)土培植的植被。

由于狗牙根草可以匍伏生長，且混合有灌木，提高了植被密度。植被生長8個(gè)月后(見圖4)，由于狗牙根草高度在30～40 cm，而灌木高度在30～50 cm。從現(xiàn)場(chǎng)視覺效果看，以狗牙根草為主的植被最終將水泥磚消除于視線內(nèi)，與周邊景觀融為一體，實(shí)現(xiàn)自然化綠化效果，與河道對(duì)面未進(jìn)行改造的漿砌石護(hù)岸形成鮮明的對(duì)比。

3 結(jié) 語

結(jié)合深圳市葵涌河生態(tài)修復(fù)工程，本文就一種典型的復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)的抗沖刷能力及護(hù)岸效果進(jìn)行了總結(jié)。從實(shí)踐看，廣東省中小河流流速一般不會(huì)超過5.8 m/s，從抗沖性能上，這種生物磚結(jié)構(gòu)可以基本適應(yīng)該區(qū)域所涉及中小河流。

(1)利用有壓管道產(chǎn)生高速水流，本文建立了護(hù)岸結(jié)構(gòu)物理模型試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)單元的原體沖刷表明，浸泡12 h、流速為5.8 m條件下，沖刷12 h后沖刷坑最大深度不超過5.5 cm，生物磚結(jié)構(gòu)不會(huì)被完全破壞，抗沖性能良好。

(2)深圳市葵涌河復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明營養(yǎng)土可以增加狗牙根草的成活率，提高植被根系密度。狗牙根草在生長3個(gè)月后可以覆蓋復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)的水泥磚部分并形成良好的景觀效果。

(3)復(fù)合生物磚護(hù)岸結(jié)構(gòu)由于良好的抗沖性能、穩(wěn)固特點(diǎn)及生態(tài)景觀效果，兼具植被和混凝土護(hù)坡的優(yōu)點(diǎn)是適用于城鎮(zhèn)河道的護(hù)岸護(hù)坡形式。

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[1] 陳興茹.國內(nèi)外河流生態(tài)修復(fù)相關(guān)研究進(jìn)展[J], 水生態(tài)學(xué)雜志,2011,32(5):122-128.

[2] 羅華超.生態(tài)修復(fù)理論在河道治理中的應(yīng)用與研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2010.

[3] Kouwen N, Li R M, Simons D B. Flow resistance in vegetated waterways[J]. Trans ASCE, 1981,24(3):684-698.

[4] Wenxin Huai, Wanyun Xue, Zhongdong Qian. Large-eddy simulation of turbulent rectangular open-channel flow with an emergent rigid vegetation patch[J]. Advances in Water Resources, 2015,(80)：30-42.

[5] Naot D, Nezu I, Nakagawa H. Hydrodynamic behavior of partially vegetated open channels[J].Journal of Hydraulic Engineering,1996,122(11):625-633.

[6] Stephan U, Gutknecht D. Hydraulic resistance of submerged flexible vegetation[J].Journal of Hydrology,2002,269:27-43.

[7] Nepf HM, Vivoni E R. Flow structure in depth-limited, vegetated flow[J].Journal of Geophysical Research,1999,35(2):28 547-28 557.

[8] 董哲仁.生態(tài)水工學(xué)的理論框架[J].水利學(xué)報(bào)，2003，(1):1-6.

[9] 王 超，王沛芳.城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)與管理[M],北京：科學(xué)出版社，2004.

[10] 吳福生.河道漫灘及濕地上淹沒柔性植物水流的紊流特性[J].水利學(xué)報(bào)，2007，38(11)：1 301-1 305.

[11] 王文雍，劉昭偉，陳永燦，等.剛性沉水植被水流的流速垂向分布[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2012,(S2):253-257.

[12] 鐘春欣，張 瑋.植草型生態(tài)護(hù)岸水力特性試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2010,41(10):22-40.

[13] 張 瑋，鐘春欣，應(yīng)翰海.草皮護(hù)坡水力糙率實(shí)驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007,18(4):483-489.

[14] 張術(shù)彬，田振華，韓 雷.植被護(hù)坡水流沖刷穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].中國水利，2016,(16):11-13.

[15] 徐華敏，王衛(wèi)標(biāo)，李玉芬，等.浙江省中小河流治理項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)技術(shù)問答[M]. 北京：中國水電出版社，2013.

[16] 黃本勝，陳曉文，黃錦林，等.廣東省山區(qū)中小河流治理工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：中國水電出版社，2016.