張瑋,張妍
(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098)
在對長江中下游邊坡進行防護時,發(fā)現(xiàn)大部分的自然邊坡上均長有植物,且植物生長具有明顯的梯級分布特征,自下而上呈現(xiàn)為沒有植物、少數(shù)植物、大量植物。在進行生態(tài)護岸工程設(shè)計時,應(yīng)充分重視和利用這種自然現(xiàn)象。因此分析研究岸坡上植物分布特征及影響因素,對于生態(tài)護岸建設(shè)具有十分重要的指導(dǎo)意義。
在進行生態(tài)護岸設(shè)計時,結(jié)構(gòu)選型是需要確定的首要問題,可根據(jù)一定的原則來加以選擇。對于運河這樣的人工河流來說,可以參照常水位進行結(jié)構(gòu)選型和護岸結(jié)構(gòu)布置。例如,在京杭運河的航道整治工程中,高龍剛、錢進[1]以常水位為界,將護岸結(jié)構(gòu)分為兩部分:常水位以下為重要防護區(qū),采用整體性好、強度高的護岸結(jié)構(gòu);常水位以上為生態(tài)區(qū),選用生態(tài)性、景觀性較好的結(jié)構(gòu)。在蘇南運河無錫段的護岸設(shè)計中,河海大學[2]根據(jù)不同特征水位區(qū)域內(nèi)的水動力特性,將護岸斷面分為護底區(qū)、重防護區(qū)、親水區(qū)、景觀區(qū),分別采用拋石護底、透水預(yù)制混凝土沉箱、天然塊石生態(tài)平臺和植物景觀區(qū)等結(jié)構(gòu)。對于天然河流,生態(tài)護岸工程設(shè)計需要考慮的因素要復(fù)雜得多。作為長江南京以下12.5 m深水航道整治工程的組成部分,在對通州沙河段進行固灘時,阮學成等[3]根據(jù)灘面植物生長情況以及灘面高程,將護灘分為生態(tài)修復(fù)區(qū)和生態(tài)保護區(qū)兩部分:生態(tài)修復(fù)區(qū)為低水露出、植被稀疏的灘段,采用生態(tài)軟體排護底,在空隙處種植蘆葦;生態(tài)保護區(qū)為高灘、植被受沖刷的灘段,采用大網(wǎng)格土工格柵,在十字塊勾連的間隙中種植植物。工程完成后發(fā)現(xiàn),生態(tài)修復(fù)區(qū)的部分蘆葦未能成活,尤其是低灘段成活率較低。在長江中游枝江—江口河段航道整治工程中,為提高護坡的生態(tài)功能,選用鋼絲網(wǎng)石籠墊護岸結(jié)構(gòu),并在其基礎(chǔ)上進行植草實驗。經(jīng)過一個洪水期后,洪水位以上播種的草籽生長正常,洪水位以下大部分已成活的草被洪水沖刷帶走。
上述工程實踐說明,在對于自然河流岸坡進行植被防護或者生態(tài)修復(fù)時,必須符合當?shù)氐纳鷳B(tài)屬性和特點,才能達到預(yù)期目標,取得工程的成功。
本文基于天然河流岸坡的青黃帶現(xiàn)象,深入分析青黃帶特征,研究其主要影響因素,在此基礎(chǔ)上,探討天然河流生態(tài)護坡設(shè)計的原則,據(jù)此進行護坡種類和結(jié)構(gòu)形式的選擇,可為類似條件下生態(tài)護坡設(shè)計提供參考。
在長江中下游地區(qū),由于受江水淹沒、水流沖刷、波浪侵蝕等動力因素作用以及植物對生長環(huán)境的要求,河道岸坡上的植物生長呈現(xiàn)梯度分布的特征,如圖1(a)所示[4]。岸灘上沒有植物的區(qū)域與植物生長茂密的區(qū)域之間存在一條較為明顯的過渡帶,也就是所謂的青黃帶,邊界線分別為黃線和青線,如圖1(b)所示。在青線以上區(qū)域,植物生長良好,能形成較完整的植物群落;在黃線以下區(qū)域基本沒有植物,或只有少數(shù)水生植物存活;青黃帶范圍植物由疏至密,逐漸變化。
圖1 青黃帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of the green-to-yellow zone
河流岸坡上的植物位于水生系統(tǒng)和陸生系統(tǒng)的交錯區(qū),影響因素眾多,形態(tài)分布多樣,歸納起來,青黃帶主要具有以下特征:
1)形態(tài)。青黃帶存在于水域向陸域過渡的河岸帶上,其外部形態(tài)可以反映出周圍水環(huán)境的狀態(tài)[5],由于河流狹長的形態(tài)特征,因此青黃帶為大致平行于岸線的狹長帶狀結(jié)構(gòu)。
2) 顏色。青線以上范圍枝葉茂密、綠樹成蔭,綠色的植物將邊坡覆蓋;青黃帶范圍內(nèi),岸坡上生長部分低矮草本植物,種類較少,邊坡視覺上為青黃交錯;黃線以下范圍,邊坡裸露在空氣中,該區(qū)域呈現(xiàn)為泥土的黃色。
3)位置。青黃帶位于河道水位變動區(qū),在洪水期淹沒,中水期大部分出露、小部分淹沒,枯水期則完全露出。
對于一般河流來說,黃線位于河道最枯水位以上,青線位于最高洪水位以下,青黃帶為枯水位與洪水位間的一段區(qū)域;對于河口段來說,黃線位于最低潮位以上,青線位于最高潮位以下,青黃帶是潮間帶的一段區(qū)域,如圖2所示。
4)植物類型。在黃線以下區(qū)域,岸坡上沒有植物或長有少數(shù)水生植物,且呈現(xiàn)單種分布的特征。青黃帶區(qū)域主要生長耐淹性較好的草本植物,如狗牙根、虉草、百喜草等,在被淹一段時間后,短期露出即可迅速恢復(fù)生命力,形態(tài)穩(wěn)定為低矮草叢。青線以上區(qū)域,出現(xiàn)由草本植物向草-灌-喬混合群落的轉(zhuǎn)變,物種豐富度、生物多樣性指數(shù)較高,岸坡呈現(xiàn)出豐富多彩的生態(tài)景觀。
圖2 青黃帶分區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the green-to-yellow zone subarea
岸坡上的植物生長主要與岸坡穩(wěn)定和植物本身特性有關(guān),岸坡穩(wěn)定性直接決定植物的生存條件,而植物的耐淹性則直接影響其生存狀況。
河道岸坡的穩(wěn)定性主要包括岸坡坡面的穩(wěn)定性和岸坡整體的穩(wěn)定性。
2.1.1 坡面穩(wěn)定性
岸坡表面沖刷可分為水上和水下兩部分,水上部分坡面主要受降雨徑流沖刷作用,水下部分坡面主要受水流沖刷和波浪掏蝕作用。
降雨徑流引起的沖刷是水上部分坡面侵蝕常見的類型。在強降雨過程中,雨滴攜帶較大動能,降落至地面使得土體顆粒飛濺,雨水不斷滲入土壤;當降雨量超過入滲量,坡面形成徑流,將地表松散的土體顆粒帶走;隨著降雨繼續(xù),坡面開始出現(xiàn)坑洞和溝槽,逐漸形成細溝并不斷加深、加寬;當降雨到達一定程度后,細溝周邊土體不斷崩塌,被徑流沖走。只要降雨不停,坡面侵蝕的過程就一直持續(xù),侵蝕的程度不斷加劇。
河道中的水流,受重力作用沿河槽順流而下,對淹沒在水中的坡面產(chǎn)生沖刷作用。水流持續(xù)沖刷岸坡形成沖刷坑,將表面泥沙帶向下游,植物根系沒有土壤的保護,直接受到水流的拖曳力。水流的拖拉、拔根等水流機械作用力對邊坡表面土體和植物產(chǎn)生干擾和破壞[6],嚴重影響岸坡的穩(wěn)定性。
河流中的波浪主要為船行波和風成波,對坡面產(chǎn)生掏蝕作用。船行波為船舶航行激起的水面波動,風成波為風作用于水面產(chǎn)生的波動,這些波動引起的波浪傳至岸邊,在岸坡上爬升、跌落和破碎,對岸坡產(chǎn)生壓力和吸力,沖蝕破壞邊坡的表面土體和植物,造成岸坡表面的水土流失,進而影響坡面穩(wěn)定。
受洪枯季或潮汐的影響,河流出現(xiàn)漲落水(潮)過程。隨著水位的變動,岸坡的沖蝕區(qū)域也在上升和下移,因此青黃帶的寬度與水位變化幅度,即高低水位差有直接關(guān)系。對于長江中游河段,洪枯季水位變化明顯,如監(jiān)利站年最高水位與最低水位之間相差約12 m[7]。由于其水位變化幅度較大,岸坡受到水流作用的區(qū)域也變大,因此青黃帶的寬度也較寬。對于長江下游的感潮河段,河道同時受到上流徑流和潮汐作用的影響,水位變化過程較為平緩,高低水位變化幅度相對要小一些,如徐六徑站最高潮位與最低潮位之間相差約6.4 m[8],水流在岸坡上的作用區(qū)域較小,因此青黃帶寬度相對較窄。
2.1.2 岸坡整體穩(wěn)定
地下水的存在及變化是造成岸坡整體崩塌、滑坡的主要影響因素[9]。地下水主要由河流和降雨補給,隨著河道水位周期性的漲落,地下水位在垂向上通過岸坡與河流進行交換。交換過程會影響坡體的穩(wěn)定性,使坡體產(chǎn)生深層滑動。
洪水漲水過程中,河道水位升高,坡體浸泡在水中,浮力增加;隨著地下水位升高,土體孔隙水壓力增加、有效應(yīng)力減小,坡體的抗剪強度降低,這些變化過程將會引起坡體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)降低。洪水降落過程中,河道水位回落,地下水位也隨之下降,坡體自重增加,再加上坡體抗滑穩(wěn)定能力降低,較易引起坡體的深層滑動,危及邊坡的穩(wěn)定性[10-11]。
坡體穩(wěn)定性較好的邊坡較少發(fā)生大塊土體移動、崩塌,植物可穩(wěn)定生長;而坡體穩(wěn)定性較差的邊坡土體易受到擾動,出現(xiàn)坡體滑動等破壞,植物失去生長的環(huán)境和條件。
長江中下游的河道水位變動情況復(fù)雜:一是水位變幅不定,中游受汛期影響變幅可達到十幾米,感潮河段受上游來水和潮汐的雙重影響,變幅相對較小;二是變化周期不定,中游汛期長達幾個月,而下游感潮河段以天為變化單位[12]。在受到水流淹沒時,植物的耐淹性影響著岸坡上的植物分布和生長狀況。
河流水位在洪水位與枯水位之間來回變動,決定植物淹沒的范圍和時間,水位變動對植物的影響因植物耐淹適應(yīng)能力的不同而有所區(qū)別。長江中下游的坡面植物沿高程呈現(xiàn)梯度分布:黃線以下區(qū)域大部分時間均淹沒于水中,坡上原生植物因抗沖性、適應(yīng)性較差或淹沒時間太長,逐漸停止生長直至消亡;青黃帶區(qū)域水位變動頻繁,坡上生長的少數(shù)耐淹、低矮的草本植物可良好適應(yīng)干濕環(huán)境交替,其他不能適應(yīng)這種變動環(huán)境的脆弱植物則逐漸消失;青線以上區(qū)域水位波動較少,只有當遇到較大洪水時,青線至最高洪水位才會受到影響,而這部分區(qū)域長有種類眾多的草本植物,穩(wěn)定的草本群落可抵抗這種短期的波動影響[13]。
總之,由于不同植物對水位變動產(chǎn)生的耐淹適應(yīng)反應(yīng)不同,岸坡植物分布沿高程呈現(xiàn)為沒有植物、少量植物、植物茂密,且岸坡不同區(qū)域植物類型也各不相同。
在建設(shè)長江中下游生態(tài)護岸時,可結(jié)合青黃帶位置對生態(tài)護岸工程進行分區(qū),并根據(jù)“宜植則植,宜防則防”的指導(dǎo)思想,在不同區(qū)域采用不同的防護理念和措施:青線以上區(qū)域適宜植物生長,因此應(yīng)以生態(tài)景觀為主;青黃帶區(qū)域,應(yīng)考慮當?shù)厮?、地質(zhì)等情況,若水動力較強、岸坡穩(wěn)定性較差或原生植物不耐淹,則應(yīng)以防護為主;若岸坡穩(wěn)定性尚可且原生植物耐淹適應(yīng)性較好,宜采用復(fù)合植被護坡結(jié)構(gòu);黃線以下區(qū)域不具備生長植物的條件,應(yīng)以工程防護為主。
青線以上范圍為“宜植區(qū)域”,該區(qū)域受江水侵擾較少,主要為短期淹沒以及降雨引起的地表徑流作用。因此該部分岸坡宜采用植被護岸,選取合適的植物構(gòu)建完整的群落結(jié)構(gòu),木本植物發(fā)達的根系可以防止土壤受到侵蝕,草本植物可加強土壤對徑流的滲透能力。層次豐富的群落既可減緩地表徑流、固土護坡,又能改善邊坡的景觀環(huán)境、形成河岸帶生態(tài)廊道。
植被是該區(qū)域的關(guān)鍵,植物的選擇以及配置方式直接影響到該區(qū)域生態(tài)護岸的功能效益和生態(tài)效益。選配坡面植物時應(yīng)遵循以下原則:
1)岸坡穩(wěn)定:雖然該區(qū)域的干擾因素較少,但在選取植物時應(yīng)選擇枝葉茂密、根系發(fā)達的植物,以降低坡面沖刷、提高坡面穩(wěn)定性。
2)因地制宜:選擇植物的時候要綜合考慮植物的生長特性和地域性,選用工程區(qū)域的本土植物,結(jié)合與本土植物特性相似、生長速度快的先鋒植物,建立的群落更易趨于穩(wěn)定,并能與當?shù)刈匀痪坝^相協(xié)調(diào)。
3)合理搭配:草本植物、灌木、喬木組成的群落物種豐富度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)高,抗外界干擾的能力強,是理想的自然群落結(jié)構(gòu),因此構(gòu)建草-灌-喬群落對于岸坡生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。
4)經(jīng)濟合理:考慮到護坡的運行管理和養(yǎng)護費用等因素,設(shè)計時要統(tǒng)籌兼顧,注重價格合理、施工方便、維修簡單等。
參照上述原則,根據(jù)長江中下游的水文、氣象、地質(zhì)情況,結(jié)合植物的生長特性以及前人的研究[14-15],推薦部分可用于長江中下游護岸的植物,見表1。
表1 長江中下游護岸植物推薦表Table 1 Recommendation form of plants for the revetmentinthemiddleandlowerreaches of YangtzeRiver
青黃帶為“宜植則植,宜防則防”區(qū)域,該范圍內(nèi)水位變化頻繁,坡面連同植物一起受到水流波浪的反復(fù)作用。在該區(qū)域布防時,應(yīng)綜合考慮岸坡穩(wěn)定性和植物耐淹性,因此以下分兩種情況討論。
第一種情況是青黃帶區(qū)段的岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定尚可,不會出現(xiàn)大面積水土流失,且坡上植被屬于耐淹性較好的物種。為最大程度保護河道的生態(tài)系統(tǒng),可在該區(qū)域采用植物與工程措施相結(jié)合的復(fù)合植被護坡,在保證岸坡穩(wěn)定的同時,又能為植物提供穩(wěn)定的生長環(huán)境。適用該區(qū)域的生態(tài)護岸有以下常用結(jié)構(gòu):
1)鋼絲網(wǎng)石籠結(jié)構(gòu)。網(wǎng)籠采用抗腐蝕、耐磨損、高強度的鋼絲編織成六面方筐,隔板將網(wǎng)籠分為若干個單元,單元內(nèi)填充碎石[16]。網(wǎng)石籠結(jié)構(gòu)具有柔韌性好、耐久性好、透水性好、施工簡便等優(yōu)點。水流流經(jīng)石籠時,所攜帶的泥沙將落淤于石籠縫隙內(nèi),為該區(qū)域草本植物提供生長條件。網(wǎng)石籠護坡結(jié)構(gòu)在長江航道已成功應(yīng)用于多處工程,如長江中游藕池口水道的砂埠磯護岸工程[17]、長江中游嘉魚至燕子窩河段護坡工程[18]等。
2)預(yù)制件植被護坡。預(yù)制件為具有一定形狀的預(yù)制混凝土框格構(gòu)件,草本植物可在開口的磚框內(nèi)生長。預(yù)制件可根據(jù)河道水流情況,設(shè)計為表面凹凸的砌塊[19],這種結(jié)構(gòu)可以有效分散水流的沖刷作用,保護土壤基質(zhì),為草本植物生長創(chuàng)造環(huán)境。構(gòu)件可在預(yù)制場批量生產(chǎn),施工迅速且工程效果美觀,因此工程應(yīng)用較多,如湖北漢江的護岸工程采用的混凝土預(yù)制框格結(jié)構(gòu),鎮(zhèn)江的濱江堤岸采用的植被與混凝土砌塊相結(jié)合的護岸結(jié)構(gòu)[19]。
第二種情況是青黃帶區(qū)段的岸坡穩(wěn)定性較差,汛期過后岸坡水土流失嚴重;或者在工程地區(qū),青黃帶范圍內(nèi)原生植物耐淹適應(yīng)性較差,洪水過后無法繼續(xù)存活,而在未經(jīng)研究的情況下貿(mào)然引入非本土物種極有可能造成物種入侵或難以適應(yīng)當?shù)貤l件等。在這種情況下,岸坡不適宜采用植被護岸,而應(yīng)以工程防護措施為主,為使生態(tài)護岸具有良好的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性,可選用與黃線以下區(qū)域相同的結(jié)構(gòu)形式。
黃線以下區(qū)域為“宜防區(qū)域”,該部分是岸坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)。由于該區(qū)域淹水中的時間較長,植物莖稈受到水流拖曳力作用,根系處泥沙受到?jīng)_刷,植物不易生存,因此應(yīng)以工程防護為主。目前,該區(qū)域常用的工程結(jié)構(gòu)有:
1)軟體排結(jié)構(gòu)。長江中下游常見的軟體排結(jié)構(gòu)有系混凝土塊排、模袋砂軟體排、混凝土塊鉸鏈排、混凝土單元排等結(jié)構(gòu)形式。其主要特點是利用土工織物的隔離性、柔韌性和反濾性對岸坡進行防護,防止水流直接沖刷岸坡造成水土流失,能良好適應(yīng)岸坡的局部變形。軟體排結(jié)構(gòu)整體性好、透水性好、變形能力強,生態(tài)性較好,因此廣泛運用于長江中下游的護岸工程中。
2)四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)?;炷了拿媪呁杆蚣苡深A(yù)制的6根長度相等的鋼筋混凝土桿件相互連接組成,呈正三棱錐體。當水流通過時,框架的自身結(jié)構(gòu)能柔性調(diào)整水流,消減水流動能從而達到促淤護岸的效果,同時其具有良好的穩(wěn)定性以及耐久性,框架空隙為動植物提供了生長空間。在工程中,常將若干個透水框架捆綁在一起,拋投形成護岸帶;或在系結(jié)混凝土塊軟體排周邊布置四面六邊透水框架群[20]。
3)扭雙工字形透水框架結(jié)構(gòu)。在長江南京以下深水航道建設(shè)工程中,文獻[21-22]提出了扭雙工字形透水框架??蚣苡?個工字形構(gòu)件垂直交叉組成,采用螺接的方式連接。這種結(jié)構(gòu)可有效提高框架間的鉤連性,增強框架群的整體穩(wěn)定性;螺栓連接的拼裝方式避免了焊接點的腐蝕問題;框架可大規(guī)模生產(chǎn),組裝便捷,具有快速成型的工藝性能。
4)主動鉤連體結(jié)構(gòu)。在長江南京以下深水航道白茆沙整治工程中,首次應(yīng)用了主動鉤連體。主動鉤連體由2個U形構(gòu)件和1根連接桿組成,相互之間通過卡扣固定。鉤體相互鉤連交錯,形成類似植物龐大根系的骨架型結(jié)構(gòu)[23],能起到較好的固灘促淤作用。該結(jié)構(gòu)適于灘面平緩、水深較淺、水流變化均勻的區(qū)域。
1)長江中下游河段通常存在一條青黃帶,其為平行堤岸的帶狀結(jié)構(gòu),位于河道水位變動區(qū),岸坡表面顏色自上而下由綠色向黃色過渡,沿高程坡上植物的數(shù)量和種類存在階梯形差異。
2)岸坡的穩(wěn)定性和植物的耐淹性是影響青黃帶的主要因素。河道水流和波浪的不斷作用,使得坡面受到侵蝕以及坡體產(chǎn)生滑動破壞;水位漲落變化影響植物受淹的范圍和時間,由于不同植物的耐淹性不同,岸坡上的植物呈現(xiàn)梯級分布。
3)在進行河道的生態(tài)護岸工程設(shè)計時,可以參照青黃帶現(xiàn)象,對于護岸形式進行選擇和布置,以“宜植則植,宜防則防”為指導(dǎo)思想,對于不同區(qū)域采用不同的防護理念和工程措施。
4)青線以上為“宜植區(qū)域”,應(yīng)采用植被護岸,根據(jù)當?shù)厍闆r并按一定原則選配適當植物,構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落。
5)青黃帶范圍為“宜植則植,宜防則防”區(qū)域,若岸坡穩(wěn)定、原生植物耐淹,可采用復(fù)合植被護岸;若岸坡不具備植物生長的條件,則應(yīng)以工程防護為主,采用與“宜防區(qū)域”相同的工程結(jié)構(gòu)。
6)黃線以下為“宜防區(qū)域”,該區(qū)域應(yīng)以保護坡面、防止水土流失為主,可選用軟體排、透水框架等防護型工程護岸結(jié)構(gòu)。
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