北方地區(qū)中小河流生物護(hù)岸及固灘新模式及示范研究

張樹(shù)鵬

(沈陽(yáng)市遼中區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

根據(jù)近20年遼寧省大水災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中小河流堤防決口數(shù)量占堤防漫堤決口總數(shù)的95%以上，中小河流造成的災(zāi)害損失大于大江大河，在沒(méi)有大江大河堤防決口的情況下，中小河流的經(jīng)濟(jì)損失占80%以上，中小河流已逐漸成為全省防洪減災(zāi)體系的薄弱環(huán)節(jié)，中小河流治理工作是當(dāng)前河道治理的重中之重[1- 2]。遼寧省內(nèi)中小河流眾多，類型不一，既有分布于山區(qū)也有分布于平原，同時(shí)還有不少城鎮(zhèn)和村屯沿河居于河流保護(hù)區(qū)內(nèi)，傳統(tǒng)的中小河流治理模式，多采用修堤、護(hù)岸、清淤等單一的工程治理措施，沒(méi)有考慮生態(tài)對(duì)河道治理的影響，也沒(méi)有采用針對(duì)地形特性、氣候特性、流域特性和保護(hù)對(duì)象特性的整治措施[3- 6]。由于早期技術(shù)水平和生態(tài)意識(shí)較弱的綜合影響，大都采用混凝土等硬化材料進(jìn)行河道治理，使得河流渠化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，河流灘地生態(tài)格局較小，水生生物群落多樣化發(fā)展程度較低，河流的生態(tài)功能遭受不同程度的影響，較少的生態(tài)治理工程將不利于河流人文景觀及輻射工程效益的驅(qū)動(dòng)[7- 11]。20世紀(jì)中葉，河道生物護(hù)岸、固灘技術(shù)逐步開(kāi)始應(yīng)用[12- 15]，但在我國(guó)中小河流生態(tài)治理中還處于起步階段，尤其是在北方地區(qū)應(yīng)用還較少，生物護(hù)岸、固灘的理論和技術(shù)均需要進(jìn)一步探索。課題研究成果對(duì)于北方地區(qū)中小河流生態(tài)治理技術(shù)具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

1 生物堤及生物戧臺(tái)護(hù)岸新技術(shù)

1.1 技術(shù)適用條件分析

生物堤及生物戧臺(tái)是在河道清淤疏浚的基礎(chǔ)上，利用清淤土方結(jié)合適合的地形建設(shè)土堤或在已有堤防前建設(shè)戧臺(tái)并輔以部分生態(tài)措施，達(dá)到消化利用清淤土方、提高河岸生態(tài)綠化面積并利用生物防洪工程特有的固土和減緩水流流速的作用，保護(hù)河道堤岸完整和盡量降低洪水對(duì)兩岸的水沖沙壓破壞。

對(duì)于河道淤塞嚴(yán)重以及需要進(jìn)行河道疏浚的農(nóng)村段中小河流適合于生物堤及生物戧臺(tái)的工程建設(shè)，對(duì)于清淤量較大尤其是山洪易發(fā)區(qū)的中小河流山區(qū)段也具有較好的適用性。

另外生物堤及生物戧臺(tái)建設(shè)不僅可以為清淤土方找到合適去處，改善河道生態(tài)環(huán)境、提高河道防洪保安效果，在河道管理上還可以將其作為河道邊界確認(rèn)的一種方式發(fā)揮明確河道管理邊界、提高河道管理效率的作用。

1.2 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)型式

生物堤及生物戧臺(tái)作為河道清理或稱清淤疏浚的后處理工程措施，工程建設(shè)目的一是確保填筑土體穩(wěn)固，避免造成二次水土流失；二是改善河流生態(tài)環(huán)境，從防洪工程角度對(duì)其無(wú)特殊要求，也無(wú)應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)規(guī)模完全取決于河道清淤土方量的大小，因此其設(shè)計(jì)應(yīng)是在河道清理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上根據(jù)地形條件和河道特點(diǎn)選擇適宜的工程位置和工程建設(shè)型式。

1.2.1河道清理

東部山區(qū)為遼寧省山洪災(zāi)害頻繁的區(qū)域，山洪發(fā)生后，大量碎石及沙土伴隨洪水涌入到山洪溝或較大河流內(nèi)，由于河流寬度加大，比降減少，水流流速放緩使得碎石和泥沙淤積在河口或者溝口段，使得河道發(fā)生阻塞，主河槽被抬高，河道行洪能力降低，使得上游洪水演進(jìn)難度加大，河道左右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)被降低。因此在每次較大洪水過(guò)后均需根據(jù)河道淤塞情況，對(duì)山區(qū)河道重點(diǎn)淤積段進(jìn)行局部疏浚即河道清理。

河道清理沿河縱向范圍上下均應(yīng)至洪水前后河道無(wú)明顯淤積河段；橫向?qū)挾葎t根據(jù)上下游(無(wú)明顯淤積河段)河道河寬和清理河段歷史枯水河寬綜合確定，結(jié)合河段枯水治導(dǎo)線確定成果確定河道斷面清理寬度及位置；河道清理豎向深度應(yīng)根據(jù)汛后實(shí)測(cè)河道斷面及河段設(shè)計(jì)河底確定，河段設(shè)計(jì)河底應(yīng)是在對(duì)河段沖淤變化規(guī)律有定性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合上下游汛前汛后河道沖淤較小即較為穩(wěn)定河段河底高程，根據(jù)河道流心(一般山區(qū)河流枯水流心線與洪水流心線差別較小)長(zhǎng)度確定清淤后河道比降及各斷面設(shè)計(jì)河底高程。為避免清理后河槽邊坡失穩(wěn)，建議河道清理設(shè)計(jì)兩側(cè)邊坡不小于1∶3。

河道清理后土方應(yīng)就近選擇堆放在河道兩側(cè)岸坎前筑成戧臺(tái)，并在其上及迎水側(cè)一定范圍內(nèi)(栽種范圍視對(duì)河道過(guò)洪影響確定，但最遠(yuǎn)不得超過(guò)枯水治導(dǎo)線)栽種灌木等做生物戧臺(tái)；如河道兩側(cè)無(wú)較高岸坎則應(yīng)根據(jù)上下游有堤段堤距初步確定本河段堤距及規(guī)劃堤線位置，在規(guī)劃堤線位置利用河道清理土方填筑具有一定擋水能力的小土堤，然后在土堤堤身及堤防兩側(cè)栽種灌木等做生物堤。

1.2.2生物堤及生物戧臺(tái)平面布置

在河道清理河段附近選擇河道開(kāi)闊、河谷較為發(fā)育的區(qū)域布置生物堤及生物戧臺(tái)工程。生物堤位置應(yīng)根據(jù)上下游有堤段堤距、本段河道走勢(shì)、河道對(duì)岸工程情況，并考慮本段河道實(shí)際管理范圍與管理范圍需求、工程征占地以及與上下游工程銜接等問(wèn)題綜合確定；生物戧臺(tái)由于是在原有岸坎或土堤基礎(chǔ)上建設(shè)而成，工程選址可適當(dāng)簡(jiǎn)化，重點(diǎn)應(yīng)考慮原有土堤或岸坎與河道整治規(guī)劃的關(guān)系，如河道整治規(guī)劃中原有土堤與岸坎不是防洪控制線或平面走勢(shì)待調(diào)整，則這一區(qū)段不應(yīng)建設(shè)生物戧臺(tái)，避免與整治規(guī)劃相沖突。

1.2.3工程型式

生物堤建設(shè)可根據(jù)河道清理土方與擬建生物堤范圍進(jìn)行初步測(cè)算，在土方平衡的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)生物堤斷面。由于生物堤建設(shè)不是按照正規(guī)堤防建設(shè)，各項(xiàng)工程指標(biāo)均有較大差距，因此生物堤建設(shè)高度應(yīng)有一定限制，不可為節(jié)省土方運(yùn)距及占地而無(wú)限制的加高造成工程安全隱患，根據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，建議生物堤建設(shè)高度不大于2m，另外生物堤雖然無(wú)堤頂通行要求，但建設(shè)時(shí)堤頂高度也應(yīng)有一定控制，或者參照河道比降控制或者按照與地面相對(duì)高差控制，避免工程沿線參差不齊，影響工程外觀及后期管理。生物堤兩側(cè)邊坡在根據(jù)填筑經(jīng)驗(yàn)保證邊坡滲流、滑動(dòng)安全的前提下，為了保證生態(tài)效果可再適當(dāng)放緩。生物堤堤頂寬度沿線應(yīng)基本等寬，具體寬度根據(jù)土方平衡測(cè)算結(jié)果確定。

生物戧臺(tái)建設(shè)與生物堤類似，略有區(qū)別的是生物戧臺(tái)頂高程一般應(yīng)比其后岸坎或堤防頂高程略低，一則利于明確堤防堤頂范圍、便于堤防管理，二則錯(cuò)落有致的結(jié)構(gòu)有利于保水及為植物提供更多關(guān)照，有利于生態(tài)恢復(fù)和植物生長(zhǎng)。

生物堤及生物戧臺(tái)的生態(tài)恢復(fù)措施主要以栽種灌木和喬木為主，草本植物自然恢復(fù)為輔，灌木栽種可以視河道實(shí)際情況安排在生物堤及生物戧臺(tái)之上以及工程兩側(cè)，喬木栽種則盡量安排在生物堤堤頂和堤后，生物戧臺(tái)如栽種喬木則應(yīng)在戧臺(tái)頂和其后岸坎之上，生物堤臨水堤腳前、生物戧臺(tái)臨水坡腳前盡量不要栽種喬木，一則恐其對(duì)河道防洪影響太大，另外這一區(qū)域被水機(jī)會(huì)多，喬木生長(zhǎng)也較為困難。

生物工程成活后即能發(fā)揮生態(tài)效應(yīng)和一定的固灘效應(yīng)，但完全發(fā)揮功效一般均需要2～3年時(shí)間，而在這之間，工程是否被水是整個(gè)生物工程能否達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵，因而為了縮短生物工程成型期，提高生物成活率及生物工程建設(shè)成功率，一般建議喬木及灌木均采用穴栽(含部分客土)的方式，如具體實(shí)施確有困難的，也應(yīng)保證喬木的穴栽質(zhì)量，灌木視實(shí)際情況可扦插。喬木栽種株行距一般均為2m，灌木栽種株行距不宜大于1m，灌木扦插株行距建議為0.4m。在喬木栽植區(qū)可間植灌木，發(fā)揮生物立體防護(hù)作用。生物堤及生物戧臺(tái)典型工程建設(shè)型式如圖1所示。

1.3 工程實(shí)施效果對(duì)比分析

對(duì)四個(gè)典型示范區(qū)實(shí)施了生物堤及生物戧臺(tái)的生態(tài)治理，各典型示范區(qū)生態(tài)治理前后效果對(duì)比如圖2所示。

2 短丁壩群結(jié)合灌木新技術(shù)研究

2.1 技術(shù)適用條件分析

對(duì)于遼寧東部河流流速較大、河灘高程較高的凹型河岸適合于短丁壩群結(jié)合灌木的生態(tài)治理型式，應(yīng)用短丁壩可對(duì)河道水勢(shì)及坡腳進(jìn)行控制和保護(hù)，這種設(shè)計(jì)治理原理在于應(yīng)用灌木枝葉以及根系對(duì)岸坡進(jìn)行有效防護(hù)。對(duì)短丁壩長(zhǎng)度適當(dāng)增加，將護(hù)岸灌木種植高度提升到河道最低水位以上并對(duì)岸坎進(jìn)行一定程度的削坡。該生態(tài)治理方式可作為遼西和遼北多沙河流疏淤、河道岸坡防護(hù)以及河流水生態(tài)治理主要的治理型式。

2.2 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)型式

工程主要設(shè)計(jì)要素包括岸坡坡比、短丁壩長(zhǎng)度及型式、灌木護(hù)坡栽種位置及物種等。

岸坡穩(wěn)定直接影響工程防護(hù)效果和灌木生長(zhǎng)效果，因此在計(jì)算土坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上需考慮灌木生長(zhǎng)的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用此種工程型式岸坡坡比應(yīng)不小于1∶3，有條件的工程可考慮1∶5或更緩。

短丁壩在本工程中主要為保護(hù)岸坡植被免受河水的直接沖刷破壞，在此基礎(chǔ)上則應(yīng)盡量避免對(duì)河勢(shì)有太大的影響，因此短丁壩壩頭一般與岸坡坡腳齊平或略向河里探出1～2m，壩根與岸坡相接。短丁壩壩高視其后岸坎高程而定，如岸坎高度大于設(shè)計(jì)洪水位，則壩頭高可略高于洪水位；如岸坎高差較低，則壩根與岸坎頂高程齊平。短丁壩結(jié)構(gòu)一般為石籠丁壩或拋石加石籠覆蓋丁壩，壩頂寬一般為1～2m，上下游邊坡一般為1∶1，壩頂縱向應(yīng)有一定比降(一般為1%～2%，壩頭向下傾斜)，壩基礎(chǔ)及壩頭需考慮沖刷及整體穩(wěn)定要求，設(shè)計(jì)間距一般為壩長(zhǎng)的1～3倍。

灌木護(hù)坡栽種可由岸頂起始，岸上視實(shí)際情況而定，岸下可至枯水水位線，如河流枯水流量較小，枯水水邊遠(yuǎn)離岸坡，則灌木護(hù)岸岸下可至坡腳。灌木護(hù)坡現(xiàn)應(yīng)用較多的樹(shù)種有紫穗槐、杞柳、連翹、小花石榴等。由于山區(qū)河流兩側(cè)岸坎也多為砂礫石，不利于植被生長(zhǎng)，因此灌木護(hù)岸栽種方式多為穴栽，即在岸坡上預(yù)先開(kāi)挖0.5m×0.5m×0.5m的樹(shù)坑，然后放入選好的1～3年生樹(shù)苗，再往坑內(nèi)填入腐殖土澆水壓實(shí)。灌木栽植株行距均為1.0m。如岸坡土質(zhì)較好，適合扦插灌木枝條，則灌木枝條扦插株行距均為0.4m。對(duì)于高于設(shè)計(jì)洪水位的岸灘可采用喬木與灌木混合栽種的方式加強(qiáng)固灘效果。喬木栽種株行距均為2m。短丁壩群結(jié)合灌木固灘新技術(shù)典型工程建設(shè)型式如圖3所示。

圖3 短丁壩群結(jié)合灌木固灘新技術(shù)典型工程建設(shè)型式

目標(biāo)層A生物護(hù)岸、固灘植被選擇原則層C抗逆性功能特性培育特性基準(zhǔn)層P耐寒耐旱耐瘠薄性抗污性抗熱性泛固土性景觀特性光防眩培育成本繁殖特性培育技術(shù)粗放管理底層D查閱資料或?qū)嵉卣{(diào)查獲得可供選擇的多種植物

表2 目標(biāo)層和原則層判定矩陣計(jì)算結(jié)果

注：A表示為目標(biāo)層；C1、C2、C3表示不同的原則層；wij表示為目標(biāo)層和原則層對(duì)應(yīng)下的權(quán)重；wi表示為原則層權(quán)重；(DWi)表示為判定權(quán)重。

3 基于層次模型的生物護(hù)岸、固灘植被優(yōu)選研究

3.1 植物優(yōu)選模型原理

由于無(wú)法量化植物優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)，因此本文主要結(jié)合層次分析方法對(duì)植物進(jìn)行優(yōu)選。主要原理為首先對(duì)植物立地生長(zhǎng)的因素進(jìn)行分析，對(duì)植物生長(zhǎng)影響因子按防護(hù)和優(yōu)選原則進(jìn)行綜合確定，構(gòu)建植物不同層次的優(yōu)秀模型，結(jié)合判定矩陣對(duì)各因子權(quán)重和排序進(jìn)行分析，最終通過(guò)植物優(yōu)選綜合指數(shù)對(duì)各植物進(jìn)行排序優(yōu)選。

3.2 層次優(yōu)選模型建立

選擇植物功能、生長(zhǎng)以及防護(hù)作為原則層，選擇對(duì)應(yīng)的12項(xiàng)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行植物優(yōu)選層次模型的評(píng)價(jià)因子，模型結(jié)構(gòu)層次見(jiàn)表1。

3.3 判斷矩陣的構(gòu)建與計(jì)算

通過(guò)對(duì)原則層C評(píng)分，構(gòu)建不同目標(biāo)層和原則層之間的判斷矩陣，結(jié)果見(jiàn)表2—5。

表3 原則層C2及對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)層判定矩陣計(jì)算結(jié)果

注：P6、P7、P8為對(duì)應(yīng)的12個(gè)基準(zhǔn)層具體指標(biāo)。

表4 原則層C3及對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)層判定矩陣計(jì)算結(jié)果

表5 原則層C1及對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)層判定矩陣計(jì)算結(jié)果

從表2中分析目標(biāo)層和原則層之間的判定矩陣，可見(jiàn)，植物的功能特性判定矩陣值最大為0.649，培育特性判定值最低，而對(duì)于功能特征C2與對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)層判定矩陣的計(jì)算結(jié)果可看出，與P1即植物泛固土性的判定系數(shù)最大，為0.735，而與植物的光防眩特征的判定系數(shù)最小。從培育特征C3與對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)層判定矩陣的計(jì)算結(jié)果可看出，與植物的繁殖特性判定系數(shù)最高，而與培育成本的判定系數(shù)最低。從植物抗逆性特征C1與對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)層判定矩陣的計(jì)算結(jié)果可看出，植物的抗逆性特征與耐寒性判定系數(shù)最高，這也是北方地區(qū)植物選擇最為重要的一個(gè)指標(biāo)。其與抗熱性判定系數(shù)最低，影響權(quán)重最小。

3.4 各層次單一排序檢驗(yàn)和綜合排序

以標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，運(yùn)用和積法計(jì)算排序并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)和排序結(jié)果見(jiàn)表6—7。

表6 不同層次單一排序下的檢驗(yàn)結(jié)果

注：為判定矩陣最大值；CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為一致性比例。

表7 各層次下的綜合排序結(jié)果

在不同層次單一排序檢驗(yàn)中，主要檢驗(yàn)一致性比例CR值，若CR值為0，則表述為具有一致性，而若CR小于0.1，則具備滿意一致性，從各層次總的排序進(jìn)行一致性比例CR的計(jì)算：

CI總=∑aiCIi=0.238×0.032+0.033+0.110×0.038=0.03

RI=∑aiRIi=0.238×0.580+0.652×1.120+0.110×0.900=0.967

CR總=CI總RI總=0.033/0.967=0.034<0.1

可見(jiàn)總排序各層次下不同評(píng)價(jià)因子可通過(guò)滿意一致性的檢驗(yàn)。

3.5 植物綜合優(yōu)選度計(jì)算結(jié)果

在判定矩陣和評(píng)價(jià)因子一致性檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合專家賦分的方法，通過(guò)層次分析方法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，對(duì)北方地區(qū)50余種供選植物進(jìn)行，部分植物優(yōu)選結(jié)果見(jiàn)表8。

通過(guò)對(duì)北方地區(qū)多種植物進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)于生物護(hù)岸、固灘而言，喬木中檉柳的優(yōu)選綜合指數(shù)最高，為4.579，柏木的優(yōu)選綜合指數(shù)最低，為3.972，而在灌木中紫穗槐的優(yōu)選綜合指數(shù)最高，達(dá)到4.964，茅莓的優(yōu)選綜合指數(shù)最低，為3.164。草本植物中狗牙根的優(yōu)選綜合指數(shù)最大，為4.209，草本植物的優(yōu)選綜合指數(shù)普遍偏低，這主要是通過(guò)這些年的生態(tài)治理實(shí)踐中，灌木和喬木一般為生態(tài)治理主要植被，而草本植物應(yīng)用較少。

4 主要結(jié)論

(1)對(duì)于河道淤塞嚴(yán)重以及需要進(jìn)行河道疏浚的農(nóng)村段中小河流適合于生物堤及生物戧臺(tái)的工程建設(shè)，此外對(duì)于清淤量較大的山洪易發(fā)區(qū)的中小河流也具有較好的適用性。生物堤建設(shè)高度不大于2m，另外生物堤雖然無(wú)堤頂通行要求，但建設(shè)時(shí)應(yīng)參照河道比降控制或者按照與地面相對(duì)高差控制。

表8 植物優(yōu)選度計(jì)算結(jié)果

(2)對(duì)于遼寧東部河流流速較大、河灘高程較高的凹型河岸適合于短丁壩群結(jié)合灌木的生態(tài)治理型式，短丁壩結(jié)構(gòu)一般為石籠丁壩或拋石加石籠覆蓋丁壩，壩頂縱向應(yīng)有一定比降(一般為1%～2%，壩頭向下傾斜)，設(shè)計(jì)間距一般為壩長(zhǎng)的1～3倍。

(3)在北方地區(qū)生物護(hù)岸、固灘的最優(yōu)喬木為楓楊，最優(yōu)灌木為紫橞槐。