河道生態(tài)治理中生態(tài)材料的應(yīng)用研究

朱翔華

(燈塔市水利工作服務(wù)中心，遼寧 燈塔 111300)

0 引 言

一般地，傳統(tǒng)的河道治理多選用修筑防護(hù)堤、硬化河道等護(hù)岸措施，以滿足防洪排澇、行洪安全的目標(biāo)要求[1]。在穩(wěn)定岸坡、防止河道沖刷等方面這種治理方式發(fā)揮著重要作用，但也破壞了微生物、水生物的遷移通道和生存場(chǎng)所，水陸之間的連接通道被阻斷，使得河流的自凈功能逐漸下降，生態(tài)系統(tǒng)失去原有的平衡，水環(huán)境開始惡化。自1990年，生態(tài)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于河道治理。因此，以保護(hù)河道水生態(tài)環(huán)境和恢復(fù)河道生態(tài)多樣性為出發(fā)點(diǎn)，以滿足多功能開發(fā)和環(huán)境、資源可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性為條件的生態(tài)河道建設(shè)，逐漸成為生態(tài)、生物、環(huán)境、水利等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

依據(jù)水生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)和生態(tài)理念，現(xiàn)代河道治理要重視生態(tài)、社會(huì)和行洪排澇功能，充分發(fā)揮水系的生態(tài)、環(huán)境和資源功能，不斷改善生物舒適性、河流安全性，從而實(shí)現(xiàn)人水和諧相處及河流系統(tǒng)良性循環(huán)[3]。如何選擇適合的生態(tài)材料是實(shí)現(xiàn)河道治理目標(biāo)的關(guān)鍵，這也是落實(shí)生態(tài)理念的重要內(nèi)容。

實(shí)踐表明，建筑材料、工程構(gòu)造、河岸形式等因素與河道治理密切相關(guān)。為保證河流系統(tǒng)擁有完整的食物鏈，河道生態(tài)治理必須創(chuàng)造多樣性的水生動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境，而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換、能量傳遞和完整食物鏈的關(guān)鍵就是選擇合適的生態(tài)材料。因此，生態(tài)材料要符合生態(tài)、安全、景美等多功能呢要求，充分利用多孔質(zhì)特性創(chuàng)造人水和諧的自然景觀。

1 硬質(zhì)與生態(tài)材料的比較

1.1 硬質(zhì)材料

1)破壞景觀環(huán)境。傳統(tǒng)的河道治理比較注重行洪排澇、岸坡穩(wěn)定等基本功能的實(shí)現(xiàn)，因此河道建設(shè)時(shí)普遍存在河岸河底硬質(zhì)化、渠系化、斷面規(guī)則化等現(xiàn)象。傳統(tǒng)河道治理大多選用混凝土、漿砌石等抗沖能力強(qiáng)的硬質(zhì)材料，由此構(gòu)造的河岸耐久性和抗沖刷性好，行洪能力強(qiáng)且水流速度快，可以充分發(fā)揮穩(wěn)定岸坡、行洪排澇等基本功能。雖然這種方式可以保證行洪安全，但硬質(zhì)的漿砌塊石邊坡、擋墻生硬的阻斷了水陸動(dòng)植物間的交流，河流孕育生命的功能被潮起潮落留于岸坡上的污濁破壞，以往青翠、綠意的自然景觀消失不見，現(xiàn)代工業(yè)文明使得滿目青綠、碧波蕩漾、魚游淺底、大樹庇蔭的河流自然景觀逐漸消失。

2)破壞水生態(tài)環(huán)境。硬質(zhì)材料完全覆蓋整個(gè)河岸表面，嚴(yán)重破壞了水生、陸生動(dòng)植物原有的生存環(huán)境。此外，硬質(zhì)邊坡阻斷了淺層地下水、地表水與河流之間交換，自然過濾與滲透功能的失去使得河水變得更加渾濁。硬質(zhì)材料對(duì)水生態(tài)環(huán)境的破壞主要體現(xiàn)在：①采用水泥、石料等材料修筑的河道岸坡，大大降低了河流水質(zhì)凈化、水源涵養(yǎng)等功能，水生物種難以生存并進(jìn)一步了加劇水體的惡化；②水流速度的加快使得部分水生物種被沖走，岸坡上天然植物的缺乏和水生物種的減少，不利于水鳥等野生動(dòng)植物的生存；③河水溫度受到陽(yáng)光作用出現(xiàn)過大的變化，破壞了水系統(tǒng)平衡，特別是夏季高溫季節(jié)易滋生病菌、蚊蠅等，使得河流發(fā)黑發(fā)臭和水污染加劇。

1.2 生態(tài)材料的特點(diǎn)

1)符合岸坡穩(wěn)定要求。在確保河道行洪安全的基礎(chǔ)上研究應(yīng)用的生態(tài)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源調(diào)度、防洪排澇等基本目標(biāo)，所以生態(tài)材料具備抗沖刷及邊坡穩(wěn)定的功能。

2)符合水陸系統(tǒng)交流的要求。生態(tài)河流是一個(gè)與周邊生態(tài)系統(tǒng)密切聯(lián)系、與周圍生態(tài)環(huán)境物質(zhì)交流交換的開放式系統(tǒng)，生態(tài)材料能夠?qū)崿F(xiàn)水流、地下與地表水系統(tǒng)間的交流互換。

3)符合水生動(dòng)植物棲息要求。河流是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化、不斷改進(jìn)、自然循環(huán)的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)存在著完整的生物鏈，不同生物能夠互為食物，所以生態(tài)材料要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)適合水生、陸生、水陸兩生動(dòng)植物生長(zhǎng)的棲息環(huán)境。

4)符合自然景觀要求。人水和諧為現(xiàn)代河道建設(shè)的主要目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)生態(tài)、資源等功能的情況下，河道生態(tài)治理還要符合景觀要求。

2 常見的生態(tài)材料

2.1 加筋麥克墊

實(shí)踐表明，植被是有效控制風(fēng)力、水流等外在因素引起的平緩坡面水土流失的重要手段。加筋麥克墊是將聚合物絲原料按特定的纏繞方式，制成三維空腔開敞式且孔隙率不低于90%的柔性結(jié)構(gòu)，其主要功能如下：為植被生長(zhǎng)提供臨時(shí)保護(hù)，有效抑制裸露土體的沖刷；此外，能夠提供永久加緊作用，增強(qiáng)植被的抗沖作用。實(shí)際上，天然加筋材料有亞麻、黃麻、椰棕墊或柴排等多種植被，因其維持加筋時(shí)間較短而具有臨時(shí)性特征，采用此類材料構(gòu)造的岸坡質(zhì)量并不均勻很容易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。此外，使用惰性材料的加筋麥克墊提供的加筋時(shí)間較長(zhǎng)，其服役年限比較久遠(yuǎn)屬于永久性材料，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)、工廠化生產(chǎn)，防護(hù)質(zhì)量較均勻，其主要特點(diǎn)如下：

1)生態(tài)性好。符合生態(tài)治理總體要求，具有較強(qiáng)的加筋與植被再生功能，生態(tài)性較好。

2)成本較低。加筋麥克墊材料的使用能夠大大節(jié)約水泥、石料的用量，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)較明顯，總體投資低。

3)安全性強(qiáng)。由加筋麥克墊構(gòu)造的防護(hù)系統(tǒng)抗沖流速可達(dá)到4-5m/s，其自然滲透體系能夠快速的消散因水位驟降而引起的孔隙水壓力，從根本上避免崩岸的形成。

4)便于施工與連接?？梢耘c水利工程其它結(jié)構(gòu)牢固的聯(lián)結(jié)為一體，整體性好、穩(wěn)定性強(qiáng)。施工過程中不受天氣變化的限制，無需投入大型機(jī)械和專業(yè)技術(shù)人員，所以能夠明顯加快施工效率。

2.2 生態(tài)石籠

生態(tài)石籠是指按照機(jī)械編織的方式，采用經(jīng)特殊防腐處理且延性較好的低碳鋼絲編織成箱籠，并填充石料的結(jié)構(gòu)，見圖1。生態(tài)石籠具有抗沖刷性好、撓性大等優(yōu)點(diǎn)，石料間的孔隙為微生物、動(dòng)植物、水土之間的聯(lián)系創(chuàng)造了條件，并且具有一定的變形適應(yīng)性。在孔隙內(nèi)水生植物能夠茁壯的生長(zhǎng)，同時(shí)植物根系可以與土壤固結(jié)，有利于增強(qiáng)石籠抗沖性和穩(wěn)定性，在一定程度上延長(zhǎng)使用年限。

圖1 生態(tài)石籠結(jié)構(gòu)

為了防止鋼筋腐蝕、銹蝕以及延長(zhǎng)石籠使用壽命，可采用PVC涂層及鍍鋅層處理鋼絲表面，結(jié)合實(shí)際工程要求可將石籠制成多種尺寸和形狀，其存在的特點(diǎn)如下：

1)整體穩(wěn)定性好。格網(wǎng)是利用專用機(jī)械編制而成的雙絞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即使箱籠出現(xiàn)局部破壞也不會(huì)影響其整體性。采用適度變形的低碳鋼絲將全部工程連接成整體，該過程不需要分縫，并且結(jié)構(gòu)整體在出現(xiàn)不均勻沉陷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重問題或者裂縫。

2)透水性好。經(jīng)過填充料的孔隙，可以將擋墻砌體后填土中的水排出，并且通過砌體能夠快速的排出滲入墻后土的地表水，從而減少墻后地下水壓力。

3)可變性更強(qiáng)。在新建生態(tài)護(hù)岸工程中，可以沿原護(hù)腳方向安裝箱籠，墻身長(zhǎng)度可以任意的增加。在墻身受力條件和地基承載力允許時(shí)，可在原墻身上繼續(xù)疊砌，結(jié)合實(shí)際需要適當(dāng)提高墻身高度。

4)易于維護(hù)。因在順長(zhǎng)方向石籠可以加設(shè)有隔板網(wǎng)，從而形成獨(dú)立的立方體，當(dāng)網(wǎng)格破壞導(dǎo)致某個(gè)立方體出現(xiàn)石塊擾動(dòng)而被水流沖走時(shí)，這僅僅是有限的、局部的口，加之雙向交織的鐵絲網(wǎng)能夠有效的控制局部破壞進(jìn)一步延伸，維修時(shí)只需將局部損壞的網(wǎng)格重新填滿石料修補(bǔ)即可，所以維修較為簡(jiǎn)單。

5)施工方便、迅速。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，可將網(wǎng)箱體工廠化制成半成品，按設(shè)計(jì)圖在施工現(xiàn)場(chǎng)定型組裝，并鋪設(shè)在開挖好或整理好的基坑、土坡上，然后砌壘、鋪設(shè)成擋土墻或護(hù)坡，經(jīng)蓋網(wǎng)加設(shè)、填充料灌入等完成施工。該過程具有便于機(jī)械化操作、受氣候干擾小、操作便捷等特點(diǎn)，在加快工程進(jìn)度的同時(shí)又能保證施工質(zhì)量。

2.3 生態(tài)袋

生態(tài)袋是指用特殊的軟體材料替代硬質(zhì)石材、鋼筋、混凝土等填充材料，由此形成的營(yíng)養(yǎng)土可維持植物的生長(zhǎng)需求，比較適用于軟性邊坡。這種特殊材料具有透水不透土的特殊功能，土壤中的水分可以自由的交換，但防止土壤、養(yǎng)分等填充物的流失以更好的維持植物生長(zhǎng)。透過生態(tài)袋植物根系能自由進(jìn)入基礎(chǔ)土壤生長(zhǎng)，類似于把土體與袋體用無數(shù)根錨桿連接，從而發(fā)揮再次穩(wěn)固的功能，時(shí)間越久邊坡穩(wěn)定性就越強(qiáng)，這不僅減少了后期維護(hù)成本，而且生態(tài)袋具有裂口不延伸、不助然、無毒、抗老化、抗紫外線等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)了零污染，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 植生型生態(tài)混凝土

植生型生態(tài)混凝土的主要構(gòu)成材料有保水材料、表層土、多孔混凝土、難溶性肥料等，其中多孔混凝土發(fā)揮著重要的骨架作用，通常由粗骨料、細(xì)料、水泥、礦渣、硅灰等材料組成。無機(jī)人工土壤、苔泥炭、高分子吸水材料及其混合物等為工程中普遍選用的保水材料，在表面鋪設(shè)表層土創(chuàng)造適于植被生長(zhǎng)的環(huán)境，并提供生長(zhǎng)初期所需的養(yǎng)分。植生型生態(tài)混凝土能夠增強(qiáng)岸坡抗沖能力，其主要特點(diǎn)如下：

1)自然植物的生長(zhǎng)有利于加速修復(fù)生態(tài)環(huán)境，激發(fā)土壤層生物活性恢復(fù)物種多樣性。

2)自然結(jié)合的土壤與植物根系能夠增強(qiáng)護(hù)坡斜面的牢固性，植物根系的生長(zhǎng)可以加快松散土壤團(tuán)?；?。

2.5 生態(tài)魚槽磚

生態(tài)魚槽磚是一種可以提供覓食、繁衍、避難、棲息等場(chǎng)所以滿足水生生物生長(zhǎng)需求的多孔質(zhì)磚塊，有利于實(shí)現(xiàn)水生、陸地一體化生態(tài)效果。

3 工程實(shí)例

3.1 圍場(chǎng)河工程

在項(xiàng)目前期工作中，該工程就貫徹落實(shí)生態(tài)治河理念，力求與自然、生態(tài)、環(huán)保、低碳的和諧統(tǒng)一。在水位變動(dòng)區(qū)擬設(shè)置防護(hù)以有效控制水土流失，以天然斜坡方式作為河道護(hù)坡類型；選擇材料時(shí)，該項(xiàng)目詳細(xì)的比較與分析了不同生態(tài)材料特性，并確定護(hù)坡結(jié)構(gòu)為生態(tài)石籠，全段未使用傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料。在各方面該項(xiàng)目均受到好評(píng)，并成為生態(tài)治河的典范被廣泛的宣傳推廣。

3.2 高南河護(hù)岸工程

高南河護(hù)岸工程主要包括人工湖建設(shè)和生態(tài)護(hù)岸治理等內(nèi)容，治理段長(zhǎng)5km，通過實(shí)施治理以充分發(fā)揮防洪排澇功能。由于該工程位于城市核心區(qū)，具有較高的生態(tài)景觀要求，在施工過程中嚴(yán)格把控質(zhì)量與選材關(guān)，最終成為游暢、景美、岸綠的典范工程。

護(hù)岸選型時(shí)綜合考慮了沿岸的用地功能，結(jié)合不同的用地類型合理劃分防護(hù)功能區(qū)，并選擇下沉式、跳出式親水平臺(tái)等適用于各功能區(qū)的護(hù)岸型式。

4 結(jié) 語(yǔ)

河道治理中硬質(zhì)材料存在一定的局限性，現(xiàn)已無法適應(yīng)河道生態(tài)治理的要求，生態(tài)材料對(duì)于改善水環(huán)境、恢復(fù)水生態(tài)等發(fā)揮著重要作用，因此被成為維持生態(tài)系統(tǒng)的“生命體”。文章全面分析了硬質(zhì)材料在河道治理中的不足，并結(jié)合實(shí)踐工程提出生態(tài)材料的功能，歸納總結(jié)了常見的幾種生態(tài)材料及其特點(diǎn)，可為其他河流生態(tài)治理和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。