周曉明，袁彬鴻，劉洪濤

(1.湖北宜昌市河道堤防建設(shè)管理處，湖北 宜昌 443000；2.北京福仕汀科技有限公司，北京 100193； 3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

宜昌市作為三峽水利工程和葛洲壩水利樞紐工程所在地，對(duì)于保障長(zhǎng)江流域地區(qū)防洪安全的戰(zhàn)略意義重大。位于長(zhǎng)江左岸主城區(qū)的宜昌城區(qū)段防洪護(hù)岸工程采用完全硬質(zhì)化的漿砌預(yù)制混凝土六棱塊護(hù)坡形式，具有較好的防護(hù)功能，但生態(tài)功能價(jià)值較低[1]。為探索硬質(zhì)護(hù)坡的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在長(zhǎng)江流域的適應(yīng)性和可行性，以宜昌段防洪護(hù)岸工程改造為研究案例，經(jīng)技術(shù)應(yīng)用比對(duì)，采用BSC剛性護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)，開展相關(guān)試驗(yàn)研究。

BSC剛性護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)是一個(gè)集安全功能、水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)功能于一體的基礎(chǔ)平臺(tái)，主要技術(shù)形式為“生物+抗侵蝕結(jié)構(gòu)”。系統(tǒng)包含兩大功能，一是骨料層，具有：7～18 MPa抗壓強(qiáng)度、25%～50%連續(xù)孔隙率、可抗5 m/s流速的水流沖刷性能，能滿足城市河道對(duì)防洪抗沖功能基礎(chǔ)要求[ 4]；二是富含BSC菌落的基質(zhì)植被層，具有豐富的微生物，能有效分解，轉(zhuǎn)換各種有機(jī)污染物。

1 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)平臺(tái)骨料層試驗(yàn)方案

采用直接在已存在的漿砌預(yù)制混凝土六棱塊護(hù)岸基礎(chǔ)上澆筑C20框格梁并充填多孔型骨料層進(jìn)行基礎(chǔ)防護(hù)，無(wú)需對(duì)原有堤防結(jié)構(gòu)做任何拆除或破壞措施，然后充填生物基質(zhì)層進(jìn)行生態(tài)、植被修復(fù)。

基礎(chǔ)骨料層試驗(yàn)方案，采用φ50 mm單一粒徑石料、P.O42.5水泥、BSC-WY添加劑、水為原料通過(guò)機(jī)械混拌，混拌時(shí)間120 s，20 min內(nèi)澆筑完成。

1.2 基質(zhì)植被配置方案

經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查和研究，本次試驗(yàn)采用了多樣化植被恢復(fù)方案為生態(tài)、植被恢復(fù)基礎(chǔ)措施(表1)，其中采用冷暖季禾草狗牙根、高羊茅混播作為地被植物，金雞菊、百日草等混播作為景觀植物，紫花苜蓿作為多樣性補(bǔ)充。

表1 基質(zhì)植被配比/配置表Tab.1 Substrate and vegetation configuration

為測(cè)定BSC生物基質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)量的影響，選試植物為狗牙根，播種量25 g/m2，選樣面積為25 m2。背景土壤為取自宜昌當(dāng)?shù)亓己梅N植土有機(jī)質(zhì)含量4.7%，背景土壤和BSC生物基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分(見表2)。

表2 長(zhǎng)江宜昌城區(qū)段生態(tài)修復(fù)改造工程參試土壤和BSC菌群養(yǎng)分分析Tab.2 Analysis of soil and BSC microorganism

1.3 研究方案

基礎(chǔ)骨料層的現(xiàn)場(chǎng)攪拌、轉(zhuǎn)運(yùn)、澆筑采用機(jī)械方式，所用機(jī)械：柳工LG250裝載機(jī)1臺(tái)、350自落式攪拌機(jī)1臺(tái)、時(shí)風(fēng)轉(zhuǎn)運(yùn)車3臺(tái)、卡特CAT8000挖掘機(jī)1臺(tái)?；|(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)混拌采用機(jī)械+人工輔助鋪攤方式充填，所用機(jī)械：廈工XG500裝載機(jī)1臺(tái)、工人6人、輔助釘耙6把。播種、覆蓋無(wú)紡布和澆水采用人工方式。

1.4 骨料基礎(chǔ)層檢驗(yàn)方法

試樣塊制作：按照不同配比制作150 mm×150 mm×150 mm尺寸的生物基質(zhì)混凝骨料層試塊，養(yǎng)護(hù)28 d后備用。試件制作方法、養(yǎng)護(hù)方法、尺寸偏差應(yīng)符合GB/T 50082 的規(guī)定。

孔隙率測(cè)定：孔隙率采用排水法來(lái)測(cè)定，分別稱量試塊在空氣中重量和水中重量，通過(guò)排水量計(jì)算出孔隙體積和比例，試驗(yàn)溫度為20～25 ℃?？箟涸囼?yàn)：抗壓試驗(yàn)的具體步驟, 應(yīng)依照參照GB/T 50081中的規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)機(jī)的上、下壓板應(yīng)有一端為球絞支座，可隨意轉(zhuǎn)動(dòng)。加荷速度宜取0.2～0.4 MPa。取樣數(shù)量：每種處理3個(gè)重復(fù)。

1.5 基質(zhì)植被恢復(fù)及生長(zhǎng)量檢驗(yàn)檢測(cè)方法

試驗(yàn)在研究現(xiàn)場(chǎng)取樣，主要采集不同處理下狗牙根各時(shí)期鮮活樣品到國(guó)家草地生態(tài)野外觀測(cè)站實(shí)驗(yàn)室(沽源站)進(jìn)行檢測(cè)、分析，并采集表層(5 cm)基質(zhì)土壤帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定酸堿度pH值、持水孔隙率等理化指標(biāo)，測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》。

研究現(xiàn)場(chǎng)設(shè)4組試驗(yàn)，每組設(shè)10個(gè)平行，每個(gè)試樣面積50 m2。在種植基質(zhì)摻入BSC生物菌劑，BSC生物菌劑按高(10 t/hm2)和正常(5 t/hm2)2個(gè)比例摻入。試驗(yàn)設(shè)置普通有機(jī)肥(發(fā)酵過(guò)的雞糞)和不施肥兩種對(duì)照。分別于分蘗期、抽穗期和成坪期統(tǒng)計(jì)和測(cè)定分蘗數(shù)、單株鮮重、表層5 cm基質(zhì)酸堿度、土壤孔隙率等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 骨料層抗壓強(qiáng)度和BSC-WY外加劑使用量正相關(guān)

從表3所示結(jié)果，可得知專門為生物基質(zhì)混凝土設(shè)計(jì)配置的BSC-WY系列外加劑不僅在減水功能上有明顯效果，還因其中添加的黏膠和其他調(diào)節(jié)成分，使得骨料層在少用水泥條件下仍然提升了抗壓強(qiáng)度。

同時(shí)，不同型號(hào)BSC-WY系列外加劑在采用相同配合比條件下，對(duì)骨料試樣塊抗壓強(qiáng)度的影響差異顯著，實(shí)際工程中可以根據(jù)設(shè)計(jì)或其他不同需求選擇使用相應(yīng)型號(hào)，甚至單獨(dú)定制。

表3 不同型號(hào)和摻量梯度外加劑對(duì)骨料層抗壓強(qiáng)度影響表Tab.3 Effects of different model and gradient admixtures on compressive strength of aggregate layer

2.2 骨料層抗壓強(qiáng)度和水泥用量增加正相關(guān)

從表4可得知，在相同條件下水泥用量和抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)性，水泥用量的增加可以提供骨料試樣塊的抗壓強(qiáng)度，但水泥用量的增加會(huì)增加工程建造成本，實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮。

水泥用量和孔隙率呈負(fù)相關(guān)性，隨著水泥用量增加骨料試樣塊孔隙率呈逐步降低趨勢(shì)，水泥在采用400 kg/m3方案配比時(shí)孔隙率仍可達(dá)到25%，在采用300 kg/m3方案配比時(shí)孔隙率大于30%，具有明顯差異。

表4 不同水泥摻量對(duì)骨料層抗壓強(qiáng)度影響表Tab.4 Effect of different cement content on compressive strength of aggregate layer

2.3 生物基質(zhì)對(duì)狗牙根生物量指標(biāo)的影響

單株鮮重和分蘗數(shù)可作為反映草坪草總體和葉片生物量評(píng)價(jià)指標(biāo)。從分析結(jié)果看(表5)，BSC生物菌劑用量高的采樣中狗牙根單株鮮重顯著高于其他3組試驗(yàn)的(p<0.05)，其他3組試驗(yàn)單株鮮重?zé)o顯著差異。對(duì)于分蘗指標(biāo)，正常用量BSC生物菌落組與有機(jī)肥組的基本持平，但均低于高用量BSC生物菌落組，又高于對(duì)照組。這說(shuō)明，提高BSC生物菌落施用量可顯著提高狗牙根的生物量。

表5 BSC生物菌落對(duì)狗牙根生物量指標(biāo)的影響Tab.5 Effects of BSC microorganism on biomass of Bermuda-grass

注：數(shù)據(jù)后標(biāo)注不同字母表示同一列數(shù)據(jù)之間存在顯著差異(p<0.05)。

2.4 不同植物配置和種植方案的植被生態(tài)恢復(fù)效果

在大規(guī)模應(yīng)用播種多樣化植物為建群種的同時(shí)，設(shè)置了以鋪設(shè)單一科屬商用草坪草的對(duì)照區(qū)，觀察原生型種植方案和鋪草坪種植方案的植被恢復(fù)效果和生態(tài)恢復(fù)保持效果。經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季觀察，發(fā)現(xiàn)生物多樣性的多科屬播種原生型種植方案植被恢復(fù)和景觀效果明顯優(yōu)于單一科屬草坪鋪設(shè)種植方案(見表6)。

2.5 BSC生物菌落對(duì)原生鄉(xiāng)土植物生長(zhǎng)影響

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土品種狗尾巴草進(jìn)行單株鮮重和分蘗數(shù)葉片生物量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且根據(jù)田間調(diào)查結(jié)果可以看出，BSC生物菌落可促進(jìn)鄉(xiāng)土植物的自然恢復(fù)性生長(zhǎng)，植物種類豐富(見圖1)，同時(shí)增加植物單株生長(zhǎng)量。

3 討 論

對(duì)河道的硬質(zhì)護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)化改造已經(jīng)是我國(guó)水利建設(shè)和生態(tài)文明建設(shè)的大勢(shì)所趨[2,3]，國(guó)內(nèi)已有一些地區(qū)進(jìn)行硬質(zhì)護(hù)岸生態(tài)化改造試驗(yàn)，并獲得成功[ 4]。BSC剛性護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)具有可恢復(fù)多元的水陸兩域植被，能轉(zhuǎn)移和固定被微生物分解的污染物以及固定漂流(移)物，同時(shí)還有動(dòng)物的孵化、棲息保育能力[4,5]，是對(duì)剛性硬質(zhì)護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)的一種可能技術(shù)。

表6 長(zhǎng)江干堤宜昌城區(qū)段硬質(zhì)剛性護(hù)岸生態(tài)修復(fù)工程 10個(gè)月后植被種類調(diào)查表Tab.6 Investigation on vegetation species after ecological restoration project 10 months

圖1 免拆除長(zhǎng)江干堤剛性硬質(zhì)護(hù)岸直接原位生態(tài)修復(fù)效果對(duì)照Fig.1 Comparison of ecological restoration effect of in-situ rigid bank protection

3.1 基礎(chǔ)骨料層

從試驗(yàn)結(jié)果可以得知，BSC-WY系列混凝土外加劑可以有效提高多孔型混凝土骨料層的抗壓強(qiáng)度。BSC-WY系列混凝土外加劑不僅具有減水劑的性能，還具有一定膠體性能，可以進(jìn)一步提高多孔型混凝土骨料層的抗壓強(qiáng)度。

生物基質(zhì)混凝土骨料層屬于多孔動(dòng)植物相容型混凝土，制造盡可能多的連續(xù)孔隙最終目的是讓植物可以生長(zhǎng)其中，進(jìn)而為后期的生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)。高孔隙率和高抗壓強(qiáng)度之間是矛盾的[1,2,3]，通過(guò)專有的BSC-WY系列混凝土外加劑的使用和調(diào)節(jié)，在一定程度上可以讓多孔動(dòng)植物相容型混凝土保持30±5%的連續(xù)孔隙率情況下，具有7～18 MPa的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用，一般推薦使用水泥用量為320 kg/m3配比方案較為經(jīng)濟(jì)。

3.2 基質(zhì)植被層

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土品種狗尾巴草進(jìn)行單株鮮重和分蘗數(shù)葉片生物量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且根據(jù)當(dāng)年田間調(diào)查結(jié)果可以看出，BSC生物菌落可促進(jìn)鄉(xiāng)土植物的自然恢復(fù)性生長(zhǎng)，恢復(fù)生長(zhǎng)的植物種類豐富，并且植物單株生長(zhǎng)量，同時(shí)滿足生物多樣性的恢復(fù)。

BSC生物菌落顯著提高了植物生物量，對(duì)基質(zhì)受水泥使用引起的強(qiáng)堿性浸出液影響植物生長(zhǎng)有很好的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)基質(zhì)持水性也有改善效果。以生物基質(zhì)為基礎(chǔ)的BSC剛性護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)江干堤宜昌城區(qū)段的生態(tài)和植被修復(fù)，初步研究結(jié)果表明本系統(tǒng)適合于剛性硬化護(hù)岸的生態(tài)修復(fù)。

□