河道治理護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究

楊 蕾

(阜新市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 阜新 123099)

0 引 言

近年來，河道護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為水利部重點(diǎn)推廣的實(shí)用新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于我國水生態(tài)修復(fù)、河道綜合治理等諸多領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)能夠綜合考慮綠化與生態(tài)效益，解決傳統(tǒng)剛性混凝土存在的問題[1]。為滿足堤防安全需求該項(xiàng)技術(shù)配置有較高強(qiáng)度的大骨料，此外配合活性菌劑的混凝土骨料層能夠明顯改善植被的生長條件，充分發(fā)揮生態(tài)修復(fù)中生物基質(zhì)的功能作用。因此，有效結(jié)合生物基質(zhì)與混凝土骨料層能夠滿足河道生態(tài)、堤防安全的雙重功能需求，在山體邊坡生態(tài)修復(fù)、河湖濱海植被抗沖刷性修復(fù)、城市河道黑臭水體治理以及生態(tài)護(hù)岸護(hù)坡綜合治理等工程實(shí)例中，該項(xiàng)技術(shù)均有所應(yīng)用，而將其應(yīng)用于遼寧地區(qū)的實(shí)例研究卻鮮有報(bào)道[2-4]。鑒于此，文章結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況和河道特點(diǎn)，從實(shí)施效果、施工工藝、技術(shù)指標(biāo)的角度系統(tǒng)探究了該項(xiàng)生態(tài)修復(fù)新技術(shù)，以期為流域水生態(tài)修復(fù)、河道綜合治理及其整治方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方法

1.1 骨料層基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

采用多孔骨料充填六棱混凝土預(yù)制塊，并以C20框架梁為基礎(chǔ)完成護(hù)岸的澆筑施工，該過程無需對(duì)原有堤防實(shí)施破壞、拆除等結(jié)構(gòu)性措施。將水、減水劑、P.O42.5水泥、粒徑45mm的單一石料均勻混合，機(jī)械攪拌120min后制成骨料基礎(chǔ)層，控制澆筑時(shí)間不宜超過30min。

1.2 護(hù)岸植被配置

通過野外實(shí)地調(diào)研，選擇虉草、紫羊茅、高冰草等適合于寒冷地區(qū)的禾木科，以及紫花苜蓿、波斯菊等豆科和菊科類地被植物，生態(tài)植物選用了藜科的駝絨藜，護(hù)岸植被配置方案見表1。

表1 植被生物基質(zhì)配置

1.3 土壤菌群分析

為深入探究生物基質(zhì)對(duì)不同植物生長的綜合影響，選擇試驗(yàn)植物為高冰草，試驗(yàn)播種量25g/m2，播種面積40m2，土壤有機(jī)質(zhì)含量取適合于植物生長的5.2%，生物機(jī)質(zhì)與試驗(yàn)土壤養(yǎng)分見表2。

表2 土壤養(yǎng)分和有效菌數(shù)

對(duì)基礎(chǔ)骨料層利用機(jī)械的方式進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場攪拌、澆筑，試驗(yàn)所用設(shè)備有1臺(tái)攪拌機(jī)和1臺(tái)裝載機(jī)，采用人工輔助結(jié)合機(jī)械的方式混拌、充填現(xiàn)場基質(zhì)，利用人工的方式播種作物種子、鋪設(shè)無紡布。

1.4 試驗(yàn)流程

步驟1：清理整平達(dá)標(biāo)河段坡面，在密實(shí)度符合試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上支框架梁模板，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完成澆筑試驗(yàn)處理。

步驟2：按設(shè)計(jì)配合比將生物基質(zhì)混凝土骨料層、BSC-WY系列添加劑、石料、水泥等依次加入攪拌機(jī)，經(jīng)均勻攪拌處理出料運(yùn)至工作面澆筑、整平。

步驟3：控制攪拌機(jī)與澆筑作業(yè)面之間的距離不超過120m，對(duì)于超過要求的應(yīng)對(duì)試驗(yàn)作業(yè)面或攪拌地點(diǎn)轉(zhuǎn)場，為了保證試驗(yàn)質(zhì)量控制整個(gè)操作流程不超過10min。

步驟4：拌合料澆筑完成后，必須對(duì)其表面做整平處理，3d內(nèi)嚴(yán)禁加載負(fù)荷、行車以及行走。每天早晚2次對(duì)試驗(yàn)作業(yè)面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，連續(xù)養(yǎng)護(hù)3d，若3d內(nèi)雨陰雨天氣則無需養(yǎng)護(hù)。

步驟5：完成澆筑7d后開展生物基質(zhì)層試驗(yàn)，初期保墑可用20-50g/m2的無紡布覆蓋，并利用竹簽或鉛絲扦插固定無紡布。

步驟6：結(jié)合天氣情況對(duì)生物基質(zhì)層進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，陰雨天氣無需澆水而蒸發(fā)量較大的晴熱天氣應(yīng)在早7點(diǎn)前澆水。

1.5 質(zhì)量檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)生物基質(zhì)試驗(yàn)?zāi)K尺寸為200mm×200mm，將混凝土骨料層標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)30d后取出以備試驗(yàn)使用，按照GB/T50082的要求控制模塊制作尺寸誤差、維護(hù)方法和試驗(yàn)制件方式，由此完成混凝土骨料層的質(zhì)量檢驗(yàn)[5]。

現(xiàn)場采集已播種的高冰草試樣，并檢測分析所采集的多種處理方式下的植物樣品。然后采集表層基質(zhì)5cm土壤試樣，測定其含水量、孔隙率、酸堿度等指標(biāo)，為保證檢測精準(zhǔn)度現(xiàn)場開展4組平行試驗(yàn)。樣品采集范圍取50m2，按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量6t/hm2、高劑量12t/hm2兩種比例摻入生物菌劑[6-7]。對(duì)植物生長試驗(yàn)設(shè)置不施肥、施有機(jī)肥兩種方式，并對(duì)土壤孔隙水含量、表層基質(zhì)5cm土壤酸堿度、分蘗數(shù)、單株重量等指標(biāo)，按照不同生長時(shí)期分別測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加劑用量影響分析

試驗(yàn)分析不同添加劑用量、相同配合比方案下的骨料層抗壓強(qiáng)度，見表3所示。

表3 不同添加劑用量試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，使用添加劑后明顯增強(qiáng)了生物基質(zhì)減少骨料層的功能，其它成分的調(diào)節(jié)和添加劑的黏合作用顯著提高了骨料層的抗壓強(qiáng)度，在較少水泥用量的情況下具有較為明顯的提升其抗壓強(qiáng)度的效果。此外，在不同生物基質(zhì)型號(hào)相同配合比方案下骨料層的抗壓強(qiáng)度存在一定差異，實(shí)際施工過程中要考慮不同設(shè)計(jì)需求合理選擇相應(yīng)的型號(hào)，也可考慮設(shè)計(jì)單位、施工條件等要求定制單獨(dú)的型號(hào)。

2.2 水泥用量影響分析

試驗(yàn)分析生物基質(zhì)骨料層抗壓強(qiáng)度受不同水泥用量的影響，如表4所示。

表4 不同水泥用量試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4 不同水泥用量試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，水泥用量與抗壓強(qiáng)度在相同試驗(yàn)條件下存在顯著的正相關(guān)性，骨料層的抗壓強(qiáng)度試著水泥用量的增加而增大，即骨料試樣的抗壓強(qiáng)度由增加的水泥用量提供。然而，增加的水泥用量必然會(huì)導(dǎo)致工程成本的增大，所以為優(yōu)化工程造價(jià)成本應(yīng)重點(diǎn)控制水泥的用量。此外，孔隙度與水泥用量總體上存在負(fù)相關(guān)性，骨料模塊的孔隙度隨著水泥用量的增加而減小，水泥用量達(dá)到370g/cm3時(shí)孔隙度達(dá)到30%左右，試驗(yàn)孔隙度在不同水泥用量條件下存在較為顯著的差異。

2.3 植物生物量指標(biāo)影響

一般地，可以利用總體草量和葉面兩個(gè)指標(biāo)反映植物生物量的分蘗數(shù)、單株總量，試驗(yàn)分析植物生物量指標(biāo)受生物基質(zhì)不同菌群的影響，結(jié)果見表5。

表5 不同生物基質(zhì)菌落試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，高冰草的單株重量在高劑量生物基質(zhì)菌落條件下明顯高于其它組，其它試驗(yàn)組的差異不明顯；正常施普通有機(jī)肥和分蘗指標(biāo)在正常生物基質(zhì)菌落劑量條件下處于相同水平，均低于高劑量試驗(yàn)組，與對(duì)照組相比分蘗指標(biāo)較高。研究表明，植物生物量隨著生物基質(zhì)菌落的增加而明顯增大。

2.4 骨料層抗凍性能

考慮到遼寧地區(qū)氣候寒冷的實(shí)際情況，在標(biāo)養(yǎng)條件下對(duì)骨料層模塊養(yǎng)護(hù)28d，然后選用水灰比為0.35的骨料層混凝土開展凍融循環(huán)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析不同凍融條件下的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失度，如表6。研究表明，骨料層模塊的強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失度與凍融循環(huán)次數(shù)存在顯著正相關(guān)性，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失度不斷增大，特別是超過160次凍融循環(huán)時(shí)出現(xiàn)較為明顯的強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失度變化，可達(dá)到F200抗凍等級(jí)。將該項(xiàng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于北方地區(qū)時(shí)，需要合理設(shè)計(jì)其抗凍性能，為提高生物基質(zhì)骨料層抗凍性能可以增加活性的礦物摻合料[8]。

表6 骨料層抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

2.5 植物生態(tài)修復(fù)效果

在生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)施3個(gè)月后，全面調(diào)查試驗(yàn)區(qū)生物基質(zhì)下的植物以及自然修復(fù)區(qū)內(nèi)的植物品種如表7所示。為更好的對(duì)比植物生態(tài)修復(fù)效果，在試驗(yàn)區(qū)播種植物群并在相同自然生態(tài)修復(fù)區(qū)設(shè)置了植物生長對(duì)比區(qū)。結(jié)果表明，河岸生態(tài)修復(fù)后明顯改善了采樣生物基質(zhì)的植物高度、覆蓋度以及種類，并在一定程度上豐富了植物種類，明顯增加了單株植物數(shù)量。實(shí)地調(diào)查顯示，對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)利用生物基質(zhì)技術(shù)修復(fù)，能夠顯著增加植物量；此外，對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的試驗(yàn)骨料層模塊開展室內(nèi)抗沖試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其抗沖能力達(dá)到5m/s。

表7 試驗(yàn)區(qū)與自然修復(fù)區(qū)的植物品種

續(xù)表7 試驗(yàn)區(qū)與自然修復(fù)區(qū)的植物品種

3 技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用潛力

3.1 生態(tài)混凝土技術(shù)優(yōu)勢

在河道治理中應(yīng)用生物基質(zhì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)，能夠明顯改善土壤的活性、物理與化學(xué)性能，顯著增加其生物菌落。在基質(zhì)層中活用菌落的豐富度較高，這為滿足植物生長所需要的養(yǎng)分、快速分解土壤中的有機(jī)物等提供了有利條件，同時(shí)可以防止水體受有機(jī)化肥的二次污染，在改善水質(zhì)條件的基礎(chǔ)上滿足河流生態(tài)景觀需求，為維持較長的生態(tài)效應(yīng)以及良好的植物生長狀況奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9]。通過專業(yè)化撥冗多樣性的生態(tài)植物，試驗(yàn)區(qū)取得了非常顯著的生態(tài)修復(fù)效果。多種保水、保肥材料的施用為生物基質(zhì)上植物的生長提供了有利環(huán)境，生物基質(zhì)技術(shù)具有明顯的植被修復(fù)效果，在河道治理工程中其生態(tài)效果顯著，且能夠保證河道防洪安全。

3.2 生態(tài)技術(shù)的應(yīng)用潛力

通過試驗(yàn)分析植物生態(tài)修復(fù)效果以及生物基質(zhì)下的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)可結(jié)合實(shí)際施工條件、土壤類型、氣候特點(diǎn)等應(yīng)用于城市段河流和中小河流的生態(tài)修復(fù)[10]。文章結(jié)合遼寧地區(qū)氣候環(huán)境設(shè)計(jì)組合的植物措施，在實(shí)施工程措施的基礎(chǔ)上達(dá)到長期的修復(fù)效果。此外，試驗(yàn)配合比為0.35的骨料層混凝土能夠達(dá)到F200抗凍等級(jí)，滿足河道防沖和寒冷氣候要求。在北方地區(qū)該項(xiàng)技術(shù)具有廣泛應(yīng)用的潛力，在不調(diào)整骨料、普通水泥用量配比的情況下，BSC-WY系列添加的使用也可使混凝土達(dá)到F200抗凍等級(jí)，因此具有較好的實(shí)際應(yīng)用能力。

4 結(jié) 論

1)實(shí)際工程施工時(shí)宜選用框格約束生物基質(zhì)骨料層，為保證骨料層整體穩(wěn)定性可采取施工現(xiàn)場澆筑的方式。此外，植物根系能夠穿過骨料層內(nèi)孔隙，在河岸、邊坡扎根發(fā)揮加筋的作用，并并與骨料層形成整體增強(qiáng)堤防、河岸的抗沖化能力和穩(wěn)定性。

2)在植被覆蓋度、施工難易程度、工程造價(jià)、填充方式等方面，框格梁式混凝土均優(yōu)于工字磚及六棱砌筑形式，可結(jié)合實(shí)際情況利用框格梁式充填澆筑。