永定河流域(北京段)不同生態(tài)護(hù)岸形式坡面侵蝕及面源污染特征

李 凱，程金花?，祁生林

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北京市水影響評(píng)價(jià)中心，100071，北京)

生態(tài)型護(hù)岸又被廣泛稱為人工自然型護(hù)岸，是在原河岸上模擬和加強(qiáng)天然河岸的生態(tài)功能[1]。生態(tài)護(hù)岸可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的護(hù)坡功能的同時(shí)促進(jìn)河道水土的相互滲透，減少對(duì)生物生存環(huán)境的破壞，具有一定的自然景觀效果[2]。

生態(tài)護(hù)岸的發(fā)展是從近自然河道治理開始的。在國外，德國對(duì)河道生態(tài)整治的研究和實(shí)踐起步最早。早在1938年，德國學(xué)者Seifert率先提出“近自然河溪整治(near natural torrent control)”的理念[3]，即河道整治工程要遵循植物化和生命化的原理，要維護(hù)、同時(shí)創(chuàng)造河流的生態(tài)多樣性[4]。Odum[5]在20世紀(jì)60年代第一次提出“生態(tài)工程(ecological engineering methods)”的概念，這一概念的提出使“進(jìn)自然河溪整治”得到了更深一步的解讀。日本在20世紀(jì)90年代提倡 “生態(tài)河堤”，用具有生命的植物材料或?qū)⑵渑c土木工程等非生命植物材料相結(jié)合的方式，以增強(qiáng)坡面的穩(wěn)定性和控制侵蝕[6]。近些年，我國也開始重視生態(tài)護(hù)岸的理論研究和實(shí)踐探索。鄭天柱等[7]用生態(tài)工程學(xué)的理論探索討論河道生態(tài)恢復(fù)的機(jī)理；陳明曦等[8]認(rèn)為生態(tài)護(hù)岸的中心是河流的生態(tài)系統(tǒng)；董哲仁[9]提出“生態(tài)水工學(xué)”的概念。這些生態(tài)護(hù)岸實(shí)踐既保證河岸的穩(wěn)定性又給予植物足夠的生長空間，達(dá)到了良好的生態(tài)效果。

據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，在2013年永定河中下游段341.31 km2的區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度45%以上的植被占區(qū)域面積的46.44%[10]。根據(jù)北京市水務(wù)部門調(diào)查，由于氣候條件干旱，來水量不斷減少，致使永定河下游河道斷流多年，永定河河道內(nèi)干涸沙化，溝壑遍布，河床裸露，由于缺水時(shí)間較長，植被覆蓋度和成活率低，植被成活率約為60%，河道生態(tài)環(huán)境亟需恢復(fù)[11]。若為永定河下游段通水恢復(fù)植被，則需要對(duì)現(xiàn)有河道進(jìn)行治理和防護(hù)。目前大多的河道防護(hù)工程采用硬質(zhì)護(hù)岸，為生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)造成了極大的困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)[12]，城市河道采用硬質(zhì)砌護(hù)后，水生物也只相當(dāng)于原來的50%，沿河生物種類也減少70%以上。相對(duì)于傳統(tǒng)護(hù)坡工程而言，生態(tài)護(hù)岸有助于對(duì)徑流水質(zhì)的改善[13]。生態(tài)護(hù)岸旨在創(chuàng)造良好的生物生存環(huán)境，以及綠色的自然景觀，滿足水利和行洪需要的同時(shí)也為水域和陸地之間相互涵養(yǎng)的過渡地帶[14]，建造生態(tài)護(hù)岸是永定河流域(北京段)河道治理的最優(yōu)選擇。

筆者把生態(tài)護(hù)岸與護(hù)坡的研究進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過測定不同護(hù)岸配置下的產(chǎn)流量、泥沙量、流速、流深以及水樣的面源污染指標(biāo)，研究5種護(hù)岸材料的減流減沙效益以及復(fù)合護(hù)岸形式與單一護(hù)岸形式的生態(tài)防護(hù)效果差異，同時(shí)探究不同生態(tài)護(hù)岸形式的坡面水動(dòng)力學(xué)特征，研究永定河流域(北京段)不同生態(tài)護(hù)岸形式的生態(tài)防護(hù)效果。

1 研究區(qū)概況

永定河水系流域面積4萬7 016 km2，其中山區(qū)為4萬5 063 km2，占95.8%，平原1 953 km2，占4.2%。流域內(nèi)有山西、內(nèi)蒙、河北、北京及天津5省(市)和自治區(qū)的43個(gè)縣(市)，人口720萬人，耕地面積2 200 hm2。

流域內(nèi)多年平均降水量在360～650 mm之間，多年平均降水量約650 mm，官廳到三家店一帶是暴雨中心，多年平均降水量450～650 mm，北京及河北平原地區(qū)多年平均降水量在600 mm左右。

永定河流域(北京段)年水土流失模數(shù)約2 000 t/km2，治理度約為50%，干枯河道部分岸坡由于土質(zhì)疏松、植物稀少、土壤條件差等原因使得存在大量的裸地，水土流失嚴(yán)重，雨滴直接擊濺與大量水分快速下滲導(dǎo)致河岸帶結(jié)構(gòu)極易被破壞。該流域下游土壤屬砂質(zhì)土壤，含沙量多，黏粒少，土質(zhì)松散，有機(jī)質(zhì)含量較少，土壤孔隙度40%～50%，毛管孔隙度35%～45%，非毛管孔隙度5%～10%，土壤持水能力尚可，通氣性良好。

2 材料與方法

2.1 野外徑流小區(qū)分布及生態(tài)護(hù)岸布置形式

徑流小區(qū)是定量研究坡地水土流失規(guī)律和小流域水土流失規(guī)律常用的一種測驗(yàn)設(shè)施，試驗(yàn)規(guī)劃時(shí)可以盡可能地保持原有土壤地形等狀態(tài)[15]。傳統(tǒng)的徑流小區(qū)是將徑流小區(qū)與集水區(qū)、沉沙池分開，將集水設(shè)施布設(shè)在小區(qū)下方邊緣，使徑流和泥沙通過輸水管輸送到沉沙池。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)集水槽、輸水管都不同程度地存在著泥沙淤積，清理淤積的泥沙費(fèi)工費(fèi)時(shí)，也會(huì)影響到下一次降雨徑流泥沙測量[16]；因此，本研究采用的簡易徑流小區(qū)設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的徑流小區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，省去集水槽、輸水管，把小區(qū)與集水沉沙池連在一起，中間設(shè)一道截水墻，讓小區(qū)所產(chǎn)生的徑流泥沙能直接越過截水墻的刃部流入集水沉沙池中[17]。

試驗(yàn)于2019年7—9月進(jìn)行，選取河北省廊坊市固安縣東北村永定河沙質(zhì)河道布設(shè)本次研究徑流小區(qū)。設(shè)置13個(gè)長5 m、寬2 m的野外標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，其中10個(gè)1∶2邊坡比的野外徑流小區(qū)，3個(gè)1∶1邊坡比野外徑流小區(qū)，每個(gè)坡比包含1個(gè)裸坡空白對(duì)照徑流小區(qū)。簡易徑流小區(qū)布設(shè)如圖1所示。

圖1 簡易徑流小區(qū)布設(shè)圖Fig.1 Simplified layout of runoff plot

護(hù)岸材料主要包括松木樁、帶草籽生態(tài)袋、土工格柵網(wǎng)、石籠、自然石(表1)。

表1 不同生態(tài)護(hù)岸形式徑流小區(qū)布置情況Tab.1 Arrangement of runoff plots in different ecological revetment measures

2.2 徑流小區(qū)取樣測定

試驗(yàn)開始前用水多次噴灑徑流小區(qū)至坡面即將產(chǎn)流，試驗(yàn)開始待坡面產(chǎn)流后用1 L/瓶收集徑流泥沙樣品，每1 min為1個(gè)樣品，間隔1 min再接取，產(chǎn)流后30 min停止實(shí)驗(yàn)，每場試驗(yàn)共計(jì)收集15個(gè)樣品。試驗(yàn)過程中坡面徑流流速的測定采用高錳酸鉀染色劑示蹤法，將坡面分為3段，坡上(0～1.5 m)、坡中(1.5～3.0 m)和坡下(3.0～5.0 m)，于產(chǎn)流后10和20 min分別測量上、中、下3段坡面的流速，測得平均值乘以層流、過渡流和紊流的修正系數(shù)，即可得到不同流態(tài)的坡面平均流速[18]。測量流速時(shí)間點(diǎn)的同時(shí)用鋼尺測定3段坡面的徑流深度后取平均值分析。分別于試驗(yàn)開始和結(jié)束使用溫度計(jì)測定水溫，平均值計(jì)算水動(dòng)力黏滯系數(shù)。每場試驗(yàn)設(shè)置2次重復(fù)，取所得數(shù)據(jù)均值進(jìn)行分析。

收集的樣品用于測定徑流量及產(chǎn)沙量，應(yīng)用方程計(jì)算各徑流小區(qū)對(duì)于空白對(duì)照小區(qū)的徑流、泥沙攔截率、坡面徑流雷諾數(shù)以及弗勞德數(shù)。

(1)

式中:N為徑流攔截率，%；n1為對(duì)照徑流小區(qū)產(chǎn)流量，L；n2為有護(hù)岸措施徑流小區(qū)產(chǎn)流量，L。

(2)

式中:M為泥沙攔截率，%；m1為對(duì)照徑流小區(qū)產(chǎn)沙質(zhì)量，g；m2為有護(hù)岸措施徑流小區(qū)產(chǎn)沙質(zhì)量，g。

(3)

式中：Re為徑流雷諾數(shù)；η為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s，η=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2)，t為水溫，℃；v為流速，m/s；h為平均徑流深，m。

(4)

式中：Fr為弗勞德數(shù)；g為重力加速度，m2/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況

本研究設(shè)定0.20、0.50和0.75 m3/h 3個(gè)放水流量，模擬小雨、中雨、大雨降水情況下匯流后對(duì)岸坡的沖刷，每場試驗(yàn)設(shè)置2組重復(fù)，將各徑流小區(qū)不同護(hù)岸形式下的徑流量以及泥沙產(chǎn)量作為監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行分析研究，對(duì)不同護(hù)岸配置形式的保土保沙能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)3個(gè)放水流量不同護(hù)岸形式產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行分析如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 0.20 m3/h放水流量下各徑流小區(qū)徑流產(chǎn)沙量Fig.2 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.20 m3/h discharge flow

圖3 0.50 m3/h放水流量下各徑流小區(qū)徑流產(chǎn)沙量Fig.3 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.50 m3/h discharge flow

圖4 0.75 m3/h放水流量下各徑流小區(qū)徑流產(chǎn)沙量Fig.4 Runoff yield and sediment yield in runoff plots at 0.75 m3/h discharge flow

將各個(gè)徑流小區(qū)在3個(gè)放水流量下的徑流產(chǎn)沙量與空白對(duì)照小區(qū)進(jìn)行對(duì)比，獲得不同護(hù)岸形式的減流、減沙效率，結(jié)果如表2所示。

表2 各徑流小區(qū)3個(gè)放水流量下徑流泥沙削減率Tab.2 Reductions of runoffs and sediments under three discharge flows in each runoff plot

在3個(gè)放水流量沖刷試驗(yàn)中，小流量下，土工格柵網(wǎng)護(hù)岸對(duì)徑流攔截的效果好于自然石護(hù)岸，生態(tài)袋護(hù)岸攔截效果好于石籠護(hù)岸和松木樁護(hù)岸，而大流量下，自然石護(hù)岸攔截的效果好于土工格柵網(wǎng)護(hù)岸，松木樁護(hù)岸攔截效果好于石籠護(hù)岸和生態(tài)袋護(hù)岸。在0.20 m3/h流量下，5種生態(tài)護(hù)岸材料徑流小區(qū)的徑流量表現(xiàn)為自然石>土工格柵網(wǎng)>松木樁>石籠>生態(tài)袋，隨著放水流量的增大，徑流量規(guī)律發(fā)生變化，在0.75 m3/h流量下，5種生態(tài)護(hù)岸材料徑流量表現(xiàn)為土工格柵網(wǎng)>自然石>生態(tài)袋>石籠>松木樁。0.20 m3/h流量下，5種材料的生態(tài)護(hù)岸徑流小區(qū)泥沙量表現(xiàn)為土工格柵網(wǎng)>自然石>石籠>松木樁>生態(tài)袋，而在0.50和0.75 m3/h流量下表現(xiàn)為土工格柵網(wǎng)>自然石>松木樁>石籠>生態(tài)袋。在小流量下對(duì)徑流攔截效果最好的是生態(tài)袋，大流量下松木樁效果更佳。對(duì)徑流泥沙攔截效果最好的護(hù)岸材料是生態(tài)袋。

復(fù)合配置的護(hù)岸形式減流減沙的效果要比同種材料單一配置形式效果好，并且3種生態(tài)袋的復(fù)合配置護(hù)岸減流減沙效果在9種護(hù)岸形式中最好，3種配置減流效果相近，減沙效果較好的是生態(tài)袋與松木樁復(fù)合護(hù)岸形式和生態(tài)袋與石籠復(fù)合護(hù)岸形式，土工格柵網(wǎng)與生態(tài)袋復(fù)合形式護(hù)岸的減沙效果相對(duì)差些。

1∶1坡比條件下石籠護(hù)岸對(duì)徑流削效果率比生態(tài)袋護(hù)岸好，但泥沙削減率遠(yuǎn)不及生態(tài)袋護(hù)岸。

3.2 水動(dòng)力學(xué)特征

在坡面水流侵蝕力的作用下，坡面侵蝕形態(tài)隨著沖刷時(shí)間的延續(xù)不斷發(fā)生變化，從而使坡面水流的水力學(xué)特性在侵蝕過程中也不斷發(fā)生變化，在坡面侵蝕的過程中，坡面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)及水流流態(tài)的變化對(duì)坡面侵蝕過程有著重要的影響[24]，分析不同護(hù)岸形式的徑流小區(qū)在3個(gè)放水流量下的徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，9種生態(tài)護(hù)岸形式下弗勞德數(shù)均>1，雷諾數(shù)均<500，說明本試驗(yàn)的坡面流屬于急流狀態(tài)，在流態(tài)上均表現(xiàn)為層流。3種放水沖刷強(qiáng)度下，生態(tài)護(hù)岸的布設(shè)使得雷諾數(shù)相對(duì)于裸坡空白對(duì)照增大、而弗勞德數(shù)則表現(xiàn)為減小，這說明生態(tài)護(hù)岸的布設(shè)具有明顯的減緩流態(tài)、流型的作用。不同護(hù)岸布置形式徑流小區(qū)的徑流弗勞德數(shù)隨沖刷強(qiáng)度增大而逐漸增大，出現(xiàn)這種趨勢的主要原因是水流在從坡上向坡下運(yùn)動(dòng)的過程中,流速是不斷增大的,徑流慣性力占有的比例在徑流重力和慣性力的對(duì)比關(guān)系中越來越大,徑流慣性力的增大意味著擾動(dòng)土體的能量增大,反映在坡面侵蝕方面產(chǎn)沙量增大。5種護(hù)岸材料的平均弗勞德數(shù)表現(xiàn)為土工格柵網(wǎng)>自然石>松木樁>石籠>生態(tài)袋，復(fù)合配置護(hù)岸減緩流態(tài)效果最好的是生態(tài)袋與石籠復(fù)合配置形式。

表3 各徑流小區(qū)3個(gè)放水流量下水動(dòng)力學(xué)特征Tab.3 Hydrodynamic characteristics of three runoff discharges in each runoff plot

3.3 面源污染指標(biāo)削減效果

0.75 m3/h流量下，不同護(hù)岸配置形式的徑流小區(qū)面源污染指標(biāo)平均削減率如圖5所示。

圖5 0.75 m3/h放水流量下不同護(hù)岸形式徑流小區(qū)面源污染指標(biāo)削減率Fig.5 Reduction rates of non-point source pollution indicators for runoff communities with different revetment measures under 0.75 m3/h discharge flow

1∶2坡比下9種生態(tài)護(hù)岸形式對(duì)TP、N和有機(jī)物含量的消減率較高的前3種均為：生態(tài)袋與松木樁復(fù)合護(hù)岸、格柵覆土與生態(tài)袋復(fù)合護(hù)岸、生態(tài)袋與石籠復(fù)合護(hù)岸。對(duì)照空白小區(qū)，不同護(hù)岸配置形式對(duì)COD和BOD5面源污染指標(biāo)的削減率均>35.1%，生態(tài)袋復(fù)合護(hù)岸形式的削減率>73.5%。

4 討論

在本文中5種護(hù)岸材料在野外徑流小區(qū)放水沖刷試驗(yàn)的減流減沙效果中生態(tài)袋效果最好，土工格柵網(wǎng)和自然石減流減沙效果皆不理想，這與王越[25]對(duì)于北京永定河現(xiàn)有生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析后所得結(jié)果一致。復(fù)合型護(hù)岸的減流減沙效果以及對(duì)面源污染指標(biāo)的減緩作用都要好于單一的護(hù)岸形式，同時(shí)與植被復(fù)合應(yīng)用更能恢復(fù)生態(tài)河道的生物多樣性和特殊性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)結(jié)合[26]。

在與空白徑流小區(qū)的對(duì)照比較中，護(hù)岸的布置增加了徑流的紊動(dòng)，使得徑流雷諾數(shù)相對(duì)空白對(duì)照小區(qū)升高，而弗勞德數(shù)相對(duì)于空白對(duì)照小區(qū)降低。坡面徑流弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)隨著放水流量的增加而增加，這是因?yàn)闆_刷強(qiáng)度增大使得水流的紊動(dòng)性增大，慣性力作用增強(qiáng)，擾動(dòng)水體使其脫離規(guī)則運(yùn)動(dòng)，沖刷作用變大，從而使得侵蝕產(chǎn)沙量增大[27]。

筆者從各生態(tài)護(hù)岸形式對(duì)面源污染指標(biāo)的削減效果可以得出生態(tài)護(hù)岸具有顯著地面源污染控制效果，從削減率看出，氨氮的削減率大于氮的削減率，且總氮的削減率大小序列與徑流削減率相似，總磷的削減率大小序列與泥沙削減率相似，從吳東等[28]的研究可以得出：硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的輸出主要是通過地表徑流，總氮和總磷的輸出主要通過泥沙。

由于本研究試驗(yàn)于室外進(jìn)行，易存在不確定因素引起研究結(jié)果存在差異。每次試驗(yàn)開始需調(diào)整溢流槽的平衡使溢流均勻，試驗(yàn)中觀察到水流從溢流槽中溢出后易向風(fēng)向方向偏移促使匯流使部分坡面沖刷加劇，同時(shí)選地而建的徑流小區(qū)雖保留了原有的土壤地形狀態(tài)，但每個(gè)徑流小區(qū)仍存在些許差異，上述因素引起的試驗(yàn)結(jié)果差異仍待探索研究。

5 結(jié)論

2)復(fù)合配置形式的護(hù)岸對(duì)比單一配置形式護(hù)岸的減流減沙效果以及對(duì)各指標(biāo)的減緩效果都更優(yōu)秀，其中生態(tài)袋與石籠復(fù)合配置效果最好，比單一生態(tài)袋護(hù)岸對(duì)照空白徑流小區(qū)徑流削減率平均提高27.98%，泥沙削減率平均提高16.49%。在永定河河道生態(tài)修復(fù)中，建議將2種或以上護(hù)岸材料同植被復(fù)合用于護(hù)岸，以提高水土保持性能及生態(tài)穩(wěn)定性。

3)護(hù)岸的布置增加了岸坡徑流的紊動(dòng)型，致使雷諾數(shù)相對(duì)于空白對(duì)照小區(qū)增大，而泥沙產(chǎn)量隨弗勞德數(shù)減小而減小。伴隨放水流量的增大，徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢，泥沙產(chǎn)量隨弗勞德數(shù)增大而增大。