河道生态护坡

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生态护坡所涉及的范围很广泛,目前国内外对其还没有明确的定义。国外一般把生态护坡定义为“用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程措施和非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀。”也有学者提出了坡面生态工程(Slope Eco-Engineering,SEE)或坡面生物工程(Slope Bio-Engineering)的概念,指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建造工程,也指利用植物进行坡面保护和侵蚀控制的途径与手段。国内对于生态护坡概念的研究也取得了一定的进展,刘秀峰等提出了生物护坡的概念,所谓“生物护坡工程”即是利用生物(主要是指植物)对边坡进行植被重建,建立一个新的植物群落,以期达到恢复生态环境,治理水土流失之目的。此外,还有“植被固坡”“植物护坡”等提法。

无论是植被护坡、生物护坡还是坡面生态工程,都带有一定的生态色彩,应称为生态型护坡,属于生态护坡的范畴,但它们只是从形式上对生态护坡进行了简单的描述。真正意义上的生态护坡是一个完整的生态系统,它不仅包括植物还应包括动物及微生物,系统内部之间以及系统与相邻系统(如河流生态系统、陆地生态系统等)间均发生着物质、能量和信息的交换,具有很强的动态性。真正意义上的生态护坡应该是在保证边坡稳定的基础上,以营造河道边坡系统的生物多样性为目标,在水-土-生物之间形成物质、信息和能量的循环体系,进行自组织和自我修复,使护坡不仅具有景观效果,还能修复受污染的河流水体,营造健康的河流生态系统。

内含

尽管生态护坡技术获得了较为广泛的应用,但仍被看作是一门相对年轻的技术领域,它融入了多学科和多方面的内容。绝大多数人认为在边坡上种植植物就是生态护坡,笔者认为生态护坡应该是既满足河道护坡功能,又有利于恢复河道系统生态平衡的系统工程。其具体内涵应包括以下几个方面:(

1)护坡内涵。生态护坡首先是护坡,其次是生态。因此,生态护坡不仅要满足河道的泄洪、排涝等要求,而且还要能防止水土流失。

(2)生态内涵。生态护坡是在保证边坡稳定的基础上,以营造河坡系统生物的多样性为主要目标,以此来恢复河流系统河床的异质性,给坡面植物、动物和微生物提供良好的生存环境,从而达到营造河流生态系统的形态多样性,提高河流水体的自净能力的目的。

(3)系统内涵。生态护坡的系统内涵主要表现在4个方面:首先,生态护坡是整个河流生态系统中的一个子系统,它具有自动调节水文过程、缓冲洪水、控制侵蚀、截留降解污染物等功能,因而使整个河流生态系统具有重要的调节功能,它功能的好坏直接影响到河流生态系统的健康。其次,生态护坡是一个开放式的系统,也是个耗散结构系统。处于非平衡状况的生态护坡在与外界,如河流生态系统、陆地生态系统等不断交换物流、能流和信息流的过程中输入了负熵流,使系统的熵值减少,从而维持系统的有序平衡,继而在3种流量交换中产生新的不平衡由有序至无序,再与外界交流中输入新的有序平衡。第三,生态护坡是一个动力式的系统,它与水流之间是相互作用的,水流对河道边坡有冲刷作用,河道边坡对水流有阻碍作用,河坡生态系统是地表水与地下水交换的媒介。第四,生态护坡还应是可持续发展的系统,从而保证整个河流生态的可持续发展。

特点

生态护坡的内涵表明,生态护坡既满足了河道体系的防护标准,又利于河道系统恢复生态的平衡。前一个要素是人对自然的要求,即人们为了社会经济的发展和安全改造自然;后一个要素反映了人们对自然的尊重,即改造自然但不破坏自然的平衡。二者结合体现了“人与自然环境协调发展”理念。

根据以上所述,生态护坡应具有以下特点:

(1)从内涵看,强调护坡和生态两个标准的协调,不仅需要根据当地自然和社会经济发展状况提出河道的防护体系标准,而且需要了解河道本身的自然生态体系,使得工程实施后能尽快恢复河道系统的生态平衡。涉及的领域更宽,技术手段更多,方法更复杂。

(2)丰富了原有护坡模式,不仅包括传统的防护绿化型,而且还包括滩地的人工湿地系统,种植养殖等开发型模式。

(3)材料的选择多样化,包括土、石、混凝土、生态型混凝土制品、土工合成材料、适宜的植物等。只要满足生态防护的要求,不排斥采用混凝土进行防护。

(4)与传统的绿化美化不同,生态护坡强调尽量利用自然的力量达到植被系统的生态平衡和自然修复,恢复自然的四季景观。

形式

近年来人们开发出了多种既能起到良好边坡防护作用,又能改善工程环境、体现自然环境美的生物护坡新技术,主要有复合种植基护坡、植物护坡、垂直绿化护坡、喷播类护坡、基材类护坡和特种混凝土护坡等。

植物护坡

根系较为发达的固土植物具有良好的稳固水土的作用,现阶段关于此类技术的研究相对较为深入,通过种植发达根系植物达到护坡固土的目的,具有固土保沙、防止水土流失、生态环保等优点,除此之外,在城市河道护坡方面还可以进行园林景观制造。在种植固土植物之前,要结合所在地区的气候条件来选择合适的植物种类,最好选择一些耐碱、耐寒、耐旱和抗虫害能力较强的植物种类,种植过程中还应该注意植物的混合种植。现阶段,许多发达国家采用水力喷播在人工种植难度较大的坡面上进行草坪种植。相比传统植草方法,不仅具有能够全天候施工,速度快的优点,还能够缩短工期,从而节省人力物力,此外,此种方法种植的草坪成坪速度快,养护费用大大减少。

生态混凝土护坡

植被型生态混凝土最开始并不是用于河道护坡方面,日本最先将此技术应用于河道护坡方面,随着我国社会的进步,目前我国许多城市也对植被型生态混凝土进行了较为深入的研究。植被型生态混凝土的组成部分有以下4个方面,一是多孔混凝土,二是保水材料,三是缓释肥料,四是表层土。作为植被型生态混凝土的骨架,多孔混凝土主要是将粗骨料和水泥掺和适量的细掺合料制成,为了供给植物必需的水分,其保水材料主要以机质保水剂为主,以无机保水剂为辅。多数植被草均能良好的生长在植被型生态混凝土上,在河道护坡结构中铺设生态混凝土预制块体,或将此结构直接作护坡结构,不仅是混凝土护坡的体现,也使得在护坡上的植物种植成为可能,将美化环境和绿化环境进行结合。

复合种植基护坡

固土种植基可分为多种形式,其中土工网垫固土种植基的组成材料主要是聚丙烯等高分子材料,由网垫、种植土、籽等组成。固土网垫是一种稳定的空间网垫,其质地疏松但柔韧,具有的高度和空间适合植物生长,利于土壤和沙粒的填充。植物的根系通过网孔生长,所长成的草皮最好采用网垫、草皮、泥土表层进行结合。固土网垫往往是人工铺设的,种植植物通常选择草籽加水力喷草技术来进行,此护坡结构目前得到了较为广泛的应用。

按照不同的护坡类型将各种生态护坡技术进行归纳分类并指出其适应范围:

类型 具体方法(技术) 适应范围
植物护坡 撒草种穴播或沟播、OH液植草、片石骨架植草、空心六棱砖植草、铺草皮、行栽香根草、灌木护坡、草灌混栽护坡、乔灌结合护坡 较缓较矮的各种土质边坡及严重风化的岩层和成岩作用差的软岩层边坡,且边坡自身稳定
垂直绿化护坡 栽植攀援性或垂吊性植物 岩石边坡、已修建的圬工砌体护坡和混凝土边坡
复合
种植基护坡
绿化网、三维植被网、三维固土网垫、土工格栅、土工网、土工格室等结合植草护坡 设计稳定的上、下边坡,特别是土质贫瘠的上边坡和土石混填的下边坡;公路、堤坝边坡
喷播类护坡 液压喷播技术
客土喷播技术
喷混植生技术
公路、铁路、城建边坡防护岩石中强风化,边坡基本稳定,坡比1:1~1:0.75多用于陡于1:0.75的岩质边坡
基材类护坡 PEB生态护坡技术
有基材喷播绿化法
厚层基材喷射植被护坡
坡比小于1:1的各类边坡
高陡(坡比1:0.3~1:0.5)的稳定岩石路堑边坡
坡比小于1:0.3的各类边坡
特种混凝土护坡 植被型生态混凝土技术
植被混凝土护坡录化技术
坡比小于1:0.75的坡面
岩石边坡和混凝土边坡,坡比在1:1~1:0.15的高陡边坡

功能

护坡功能

生态护坡功用首先是护坡,其次是生态。因此生态护坡首先要满足防洪、排涝和稳定河岸的功能。生态护坡的护坡功能主要是通过边坡上的植物来保护河岸,主要表现在:①减缓地表径流对岸坡表面的侵蚀;②减小河岸一侧水流流速从而降低河水的侵蚀速度;③通过河岸植物根系增强河岸亚表层的强度以提高河岸的稳定性;④作为河岸的缓冲带可以防止漂浮物或冰块对河岸的影响从而保护河岸。在机理上,植物对岸坡面主要有两方面的影响:水文效应和机械效应。

在水文方面,植被调节近地面气候、地表和地下水文状况,通过植被的降雨截留功能、削弱溅蚀功能和抑制地表径流功能等,使植被生长地区的水循环途径发生变化,因而影响了侵蚀过程,减少水土流失。在机械方面,植被通过其枝杆和根系与土壤的机械作用,增加根际土层的机械强度,甚至直接加固土坡,起到固土护坡的作用。根系对根际土层土坡的加强作用是植被稳定土坡的最有效的机械途径。侧根加强土坡的聚合力,在土坡本身内摩擦角度不变的情况下,通过土壤中根的机械束缚增强根际土层的抗张强度;同时垂直生长的根系把根际土层稳固地锚固到深处的土层上,更增加了土体的迁移阻力,提高土层对滑移的抵抗力。

生态功能

Naiman等人指出生态交错群落区与其相邻的生态系统相比,具有很大的差异性。由于生态护坡就是一个典型的生态交错群落区,与相邻的生态系统(河流生态系统和陆地生态系统)相比,在护坡生态系统中生物物种更加丰富,即具有很高的生物多样性,护坡生态系统的这种生物多样性对城镇河流水文、地貌、生态以及社会经济发展均具有较大的影响。

设计原则

在进行城市河道生态护坡的设计前,应先对河道岸坡进行工程定位,以了解岸坡的稳定性、被河水冲刷的侵蚀程度及其他自然情况,并综合考虑气候、水文、地质等自然条件以及人类政治经济文化等社会因素。

水力稳定性原则

河道的安全性是保障人类生活、社会经济及河道内生态系统正常发展的基本前提,因此护坡的设计应满足稳定的要求。对岸坡冲刷坡面物理结构、水源、容纳污染、维持生态能力等安全参数进行研究,从而实现对岸坡水力稳定性的合理设计。岸坡的不稳定性因素主要有:①由于岸坡面逐步冲刷引起的不稳定;②由于表层土滑动破坏引起的不稳定;③由于深层滑动引起的不稳定。因此,应对影响岸坡稳定的水力参数和土工技术参数进行研究,从而实现对护坡的水力稳定性设计。

生态原则

生态护坡设计应与生态过程相协调,尽量使其对环境的破坏影响达到最小。这种协调意味着设计应以尊重物种多样性,减少对资源的剥夺,保持营养和水循环,维持植物生境和动物栖息地的质量,有助于改善人居环境及生态系统的健康为总体原则。主要包含以下三个方面:

(1)当地原则。设计应因地制宜,在对当地自然环境充分了解的基础上,进行与当地自然环境相和谐的设计,包括:①尊重传统文化和乡土知识;②适应场所自然过程,设计时要将这些带有场所特征的自然因素考虑进去,从而维护场所的健康;③根据当地实际情况,尽量使用当地材料、植物和建材,使生态护坡与当地自然条件相和谐。

(2)保护与节约自然资源原则。对于自然生态系统的物流和能流,生态设计强调的解决之道有4条:①保护不可再生资源,不是万不得已,不得使用;②尽可能减少能源、土地、水、生物资源的使用,提高使用效率;③利用原有材料,包括植被、土壤、砖石等服务于新的功能,可以大大节约资源和能源的耗费;④尽量让护坡处于良性循环中,从而使资源可以再生。

(3)回归自然原则。自然生态系统为维持人类生存和满足其需要提供各种条件和过程,这就是所谓的生态系统的服务。着重体现在:①自然界没有废物,每一个健康生态系统,都有完善的食物链和营养级,所以生态设计应使系统处于健康状态;②边缘效应,在两个或多个不同的生态系统边缘带,有更活跃的能流和物流,具有丰富的物种和更高的生产力,也是生物群落最丰富、生态效益最高的地段,河道岸坡作为水体生态与陆地生态之间的边缘带,在设计时应充分考虑其边缘效应;③生物多样性,保持有效数量的动植物种群,保护各种类型及多种演替阶段的生态系统,尊重各种生态过程及自然的干扰,包括自然火灾过程、旱雨季的交替规律以及洪水的季节性泛滥。

技术性原则

生态护坡是将植物生长基质固定在土壤中,利用植物根系的锚固作用,使护坡更加稳定和更具抗冲刷能力。生态护坡造价低,且具有美化环境的独特效果。从专业技术性角度来讲,生态护坡的设计应注意以下3点:

生态护坡是将植物生长基质固定在土壤中,利用植物根系的锚固作用,使护坡更加稳定和更具抗冲刷能力。生态护坡造价低,且具有美化环境的独特效果。从专业技术性角度来讲,生态护坡的设计应注意以下3点:

(1)必须够营造一个适宜陆生植物和水生动植物生长的环境。对岸上常水位以上部分覆土,种植三叶草等草种和常绿灌木,进行护坡固土,以保持水土和保证水陆两生植物四季常绿;局部地方采用自然式护坡,在水中抛掷块石或种植有防浪作用的芦苇、菖蒲等耐湿喜水植物,保护河堤及生态环境。

(2)尽量采用自然材料,减少刚性结构,增强护坡在视觉中的软效果,美化工程环境,避免二次环境污染。

(3)考虑人们的亲水要求,在保证生态护坡本质作用正常发挥的前提下,适当增添一些适宜人们休闲、活动的景观,将其建成集排涝防洪、绿化、景观、休闲等多功能为一体的复合生态系统。

植物选择

植物枝叶具有降雨截留、径流延滞、土壤增渗、蒸腾等水文效应,根系能够固结土壤和支撑坡体的机械效应,具有良好的护坡工程性状,是稳固护坡岸的积极因素。在栽种植物前,应先进行乡土物种的植被调查,然后根据调查结果,充分考虑栽种植物与周边环境的协调性、景观性、安全性、地域适应性及生态平衡等问题,并按以下条件严格选择:①适合气候、地理条件的乡土植物品种;②土壤要求低、耐干旱和贫瘠能力强的品种;③抗病虫害能力强、对周围环境危害性小的品种;④寿命或者效果发挥时间长的品种;⑤具有能够美化环境的效果的品种;⑥容易养护管理的品种;⑦具有市场性的品种。

研究进展

在生态护坡理论研究上,吸收国外河道整治和其他领域生态护坡研究成果的基础上也取得了长足的发展。卢志灵根据上海市河道的具体特点,讨论了生态型护坡的结构型式;季永兴等综合分析了原有河道护坡结构及其对环境水利和生态水利的影响,并在吸取国内外有关河道整治和其他领域生态护坡经验的基础上,探讨了不同材料的生态护坡结构新方法。在引滦入唐工程中,陈海波等提出网格反滤生物组合护坡技术;胡海泓等人在广西漓江治理工程中提出了石笼挡墙、网笼垫块护坡、复合植被护坡等生态型护岸技术;另外,云南地理所周跃提出了“坡面生态工程”技术;俞孔坚等提出水位多变情况下的亲水生态护岸设计。下面介绍几种国内常用的生态型护坡技术。

发达根系植物固土护坡技术

发达根系植物固土护坡技术,既可以达到固土保土,防止水土流失,又可以满足生态环境的需要,还可进行景观造景。目前,国内很多河流治理及高速公路边坡防护建设中都使用了这一技术,如在吉林省西部嫩江流域治理工程中,吉林省水土保持科学研究所许晓鸿等选择出牛毛草、早熟禾、翦股颖等8种乡土草本植物作为当地的护坡植物,河柳等灌木为迎水坡脚防浪林的植物。这一技术主要是利用植物地上部分形成堤防迎水坡面软覆盖,减少坡面的裸露面积和外营力与坡面土壤的直接接触面积,起到护坡作用,利用植物根系与坡面土壤的结合,改善土壤结构,增加坡面表层土壤团粒体,提高坡面表层的抗剪强度,有效地提高了迎水坡面的抗蚀性,大大减少了坡面土壤损失,不仅其护坡效果显著,且投资仅为工程护坡的10.9%~22.1%,在取得了良好的经济效益的同时,其社会效益和生态效益也很明显。但此类做法对当地土质、自然气候及植物品种具有较高的要求,推广具有一定的局限性。

铁丝网与碎石复合种植

铁丝网与碎石复合种植主要由镀锌或喷塑铁丝网笼装碎石、肥料及种植土组成。镀锌铁丝网笼容易锈蚀,在河道护坡方面一般不宜选用,而应选用耐锈蚀的喷塑铁丝网笼。铁丝网与碎石复合种植一个最大的优点就是它比较适合于流速大的河道,抗冲刷能力强、整体性好、适应地基变形能力强,避免了预制的混凝土块体护坡的整体性差和现浇混凝土护坡与模袋混凝土护坡适应地基变形能力差的弱点,同时又能满足生态型护坡的要求,即使进行全断面护砌,生物与微生物都能照样生存。国外在这方面已有一定的工程实例。铁丝网笼可以做成不同形状,既可以用作护坡,又可以做成砌体挡土墙。但此类做法对于材料和施工水平的要求比较高,施工中对工人的技术要求较高,施工前需要对施工人员进行培训。

三维植被网护岸

三维植被网技术以往多见于山坡及高速公路边坡的防护中,这一技术现在也开始被用于河道岸坡的防护上。它主要是指利用活性植物并结合土工合成材料等工程材料,在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统,通过植物的生长对边坡进行加固的一门新技术,根据边坡地形地貌、土质和区域气候的特点,在边坡表面覆盖一层土工合成材料并按一定的组合与间距种植多种植物,通过植物的生长活动达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的,可在坡面形成茂密的植被覆盖,在表土层形成盘根错节的根系,有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀,增加土体的抗剪强度,减小孔隙水压力和土体自重力,从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。

三维植被网护坡技术综合了土工网和植物护坡的优点,起到了复合护坡的作用。边坡的植被覆盖率达到30%以上时,能承受小雨的冲刷,覆盖率达80%以上时能承受暴雨的冲刷。待植物生长茂盛时,能抵抗冲刷的径流流速达6m/s,为一般草皮的2倍多。土工网的存在,对减少边坡土坡的水分蒸发,增加入渗量有良好的作用。同时,由于土工网材料为黑色的聚乙烯,具有吸热保温的作用,可促进种子发芽,有利于植物生长。

发展趋势

由于对生态护坡系统框架的理解没有统一的认识,造成了人们对生态护坡认识的片面性和盲目性。对于什么是生态护坡,什么样的护坡生态系统才具有生态完整性和生态安全性,生态护坡应如何设计、施工和管理才能保持其生态健康等问题的理解更是仁者见仁,没有统一的说法。因此,为了能更全面的认识生态护坡的内涵,更充分的发挥生态护坡的功能,从而保障河流生态系统的健康,今后生态护坡的研究应该重点从以下几个方面进行。

生态护坡新材料的开发

由于现有生态型护坡技术是不完善的生态护坡技术,而且其中大多数技术是从国外直接引进的,其生态材料也直接进口。这必然会存在许多弊端,如护坡成本太高,难以大范围推广。由于自然地理条件的差异,导致护坡效果不明显,由于其不是真正意义上的生态护坡,故难以达到修复受污染的水体,提高河流自净能力的目的。因此,新材料的开发应成为今后生态护坡研究的一个重点。

生态护坡服务功能的研究

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。处于陆地生态系统与河流生态系统交界处的护坡生态系统兼有单纯的生态内涵和水利特性的内涵,因而其服务功能应包括行洪排涝功能生态支持功能和文化美学功能。目前关于生态护坡的研究,在理论上主要集中于生态护坡的概念、内涵以及行洪排涝功能等方面的宏观性研究,已取得了一些定性的成果;在实践上主要集中于护坡的材料、施工方法及成本等方面。然而关于生态护坡生态支持功能,如截留污染物、营造生物的多样性、提高河流自净能力以及防止水土流失等定量化的研究,文化美学功能,如休闲娱乐功能、生态景观以及人文景观的研究却不多见。

生态护坡设计的研究

生态护坡的设计应包括护坡材料、护坡植物、坡比以及护坡结构型式的优化选择等。直观有效的研究方法是实验方法,通过实验研究在不同地质条件下,不同护坡材料、护坡植物、坡比以及护坡结构型式等对水流流态、流速等河道水力特性的影响,对坡面稳定性的影响,对护坡生态系统恢复、重建的影响,对邻近生态系统的影响等,进而总结出生态护坡设计的原则和标准,为生态护坡的设计提供依据。

生态护坡与相邻生态系统之间关系的研究

通过实验研究不同护坡形式对流态、流速、水位等河道水流特性的影响以及水流对护坡的稳定性影响作为地表水与地下水之间的媒介,通过试验研究分析生态护坡在两者之间是如何起作用的,以便为防止地下水受污染提供理论依据。

生态护坡综合评价的研究

正是由于关于生态护坡量化的研究很少,这就给生态护坡的建设、保护与管理带来了一定的困难,缺乏统一的衡量标准,也造成了目前对生态护坡理解的盲目性和片面性。因此,有必要利用现代数学方法和先进的计算机技术等手段对生态护坡进行综合评价研究,提出合理而全面的生态护坡综合评价指标体系和构建可操作的生态护坡综合评价模型,为生态护坡的建设提供理论依据、评价标准、施工标准,从而实现对生态护坡的有效管理和控制。

生态护坡管理的研究

如果说河道整治的最终程序是对整个流域或城镇进行有效的规划和控制,那么生态护坡的管理则应成为重要的第一步。生态护坡的研究属于多目标、大尺度问题,传统的诸如统计等管理方法已不适合生态护坡的管理。目前,地理信息系统(GIS)以其强大的数据和信息处理功能在资源调查和水土流失等方面已经得到应用,如利用GIS对内河岸线资源进行评价、河岸稳定性评价;夏继红等提出将技术应用于生态护岸的统筹规划、优化设计、监控管理和综合评估等方面,可以提高设计管理效率,减少施工的生态干扰,为方案选择提供科学的评判依据。因此,全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等技术在生态护坡管理中的研究亟待展开。