密云水库集水区河岸生物工程措施初探（高甲荣,王芳）

摘要：密云水库是北京城区的重要饮用水源地, 如何治理集水区内的水土流失, 改善集水区生态环境非常重要。从河岸带的功能出发, 阐述了河岸生物工程措施的复合功能, 介绍了河岸生物工程措施植物的选取原则, 以此为基础, 详细介绍了集水区河岸生物工程措施的类型及设计模式, 以期为密云水库集水区河岸整治提供理论基拙。

关键词：密云水库集水区 河岸带 生物工程

密云水库担负着北京市工业和生活用水的重任,但由于集水区域人类的频繁活动, 一方面造成宝贵的水资源浪费另一方面大量泥沙淤积水库, 水质严重污染。因此, 加强以保护流域水源的水量、水质和水源环境为主要目的的防护林工程建设, 防治洪水灾害, 减少水土资源流失和浪费, 保证水库永续利用是当务之急。这样, 就需要从一个新的角度去认识和调控人在密云水库集水区发展经济与利用水资源, 使人类的生产活动在改造自然和利用自然中与自然环境协调发展[7、8]。

生物工程是将生物学原理应用在构筑土体工程、水体工程以及固坡、护岸工程中的一种工程技术。其特征是把植物或植物器官作为有生命的建筑材料运用到工程中, 同时与无生命的建筑材料相结合, 在植物生长发育过程中达到维持自身的生命力和持久地保护工程建筑物[3-5]。由于它能够提供侵蚀控制的技术、基于环境的设计和美学上愉悦的形态, 目前已在一些发达国家中的河流堤岸稳固工程中被广泛使用。

对河岸带与河岸生物工程的功能、生物工程护岸植物的选择、河岸生物工程的营造技术等当前河岸生物工程研究中的几个热点问题进行了探讨, 希望能为密云水库集水区河岸的整治工作提供一些理论帮助。

1 河岸带的功能

河岸带是指高低水位之间的河床及高水位之上直至河水影响完全消失为止的地带, 河岸带也泛指一切邻近河流、湖泊、池塘、湿地以及其他特殊水体并且具有显著资源价值的地带[9]。河岸带对流域水文、地貌、生态均具有较大的影响, 河岸带3个重要的功能是①自然河岸廊道以及与之相联系的对地表和地下水径流的保护功能②对开放的野生动植物生境以及其他特殊地和旅行廊道的保护功能③可提供多用途的娱乐场所和舒适的环境。其中河岸带的廊道、缓冲带和植物河岸功能研究较多。

1.1 廊道功能

根据河流廊道及其溶解物原理、宽度原理、连接度原理, 河岸带廊道的独特功能归纳起来主要有①增加物种种类的多样性（常住和暂时）；②相邻地区之间物质和能量的交换；③为该地区物种提供安全地带或其他资源；④为生物提供分散和迁移的途径[12-15]。

1.2 缓冲带功能

缓冲带功能实际上是河流廊道功能的一部分, 缓冲带概念的提出旨在强调河岸带在农田与河道之间所起的缓冲作用。河流两岸一定宽度的缓冲带可以通过过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等河岸带机械、化学和生物功能效应使进人地表和地下的水污染物毒性减弱及污染程度减低[12-15]。

1.3 护岸功能

河岸带植被护岸主要有3个方面的功能：①减小河岸一侧水流流速从而降低河水的侵蚀速度；②通过河岸植物根系增强河岸亚表层强度以提高河岸的稳定性；③作为河岸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。

2 生物工程的复合功能

生物工程（Soil Bioengineering）是在古老且已濒临消失的“ 手工技艺” 上发展起来的一门专门领域[2]。它是在人们认识到现代景观过于单调而重新受到广泛重视, 并且努力通过科学方法来寻求自然和技术之间的协调。生物工程的任务在于通过适宜于生物工程的植物、土壤、水来转化、调节或者控制景观中的自然力,改善土壤的机械特性, 削减水的毁坏力。这样营造的植物工程体能够形成一种新型生活空间, 其作用表现出来一个生态-机械作用综合体, 从而达到并维持自然平衡状态——稳定[1-3]。生物工程不是传统土木工程替代品, 而应该视为对土木工程的必要完善和补充[3-5]。其复合功能见表1。

3 生物工程护岸植物的选择

选择护岸植物是生物工程实施的一个重要环节。要从多方面考虑, 扬长避短, 充分发挥植物护岸的效果。植物的选择应符合适地适树原则, 因害设防和综合治理的原则, 生态经济兼容的原则, 植物的功能性和共生性原则, 以短养长、长短结合的原则和景观动态性等原则。主要的优势树种包括杨、柳、械、松等, 这些种类多数有对抗或逃避干扰的能力, 并具有高产和损坏后很强的再生能力。

（1）垂柳, 垂柳在水中可以生存7d之久, 为河岸绿化的优良树种。

（2）旱柳, 为护岸固堤保土的优良树种, 同时可以作为园林绿化树种。

（3）小叶杨, 生长较快, 适应性强, 广泛用于防风固沙、保持水土及“ 四旁” 绿化。

（4）枫杨, 是河流、湖泊、水库优良的护岸树种。

（5）紫穗槐, 繁殖能力强, 适应性广, 为优良的护岸树种。

4 生物工程营造技术

河岸地带的主要生态功能在于遮蔽水体、维持氧平衡以及防止水体的富营养化, 保持河岸具有很强的“ 渗透性” , 能够让水体、岸边土壤连成一体,以保证生态流、物流、能流的顺利进行[10-11]。为了达到这种要求, 在河岸处理方式上, 应该以软式稳定法来代替钢筋混凝土和石砌挡土墙的硬工程, 仿效自然河岸, 这样不仅能够维护河岸的生态功能、美学价值, 而且有利于降低工程造价和管理维修费用。因此, 在综合治理中对原有河道护坡和护岸结构进行改造, 常用的生物工程护岸技术主要有自然缓坡式护岸、自然改造型护岸、生物技术与工程技术相结合的综合保护技术。

4.1 自然缓坡式护岸

这种护岸不需过多的人工处理, 按自然的安息角进行放坡, 并按每层25-30cm厚逐层夯实, 面层种植植被或铺设细砂、卵石, 形成草坡、沙滩或卵石滩。通过植物对坡面的有效覆盖, 使其免受表面侵蚀, 从而起到保持土壤的作用。主要包括草皮移植、草播种、乔灌树种直播、侵蚀控制网和活枝灌丛席等技术。

4.2 自然改造型护岸

该技术主要是通过在护岸植被形成之前, 运用自然可降解的材料, 来保护岸坡。当岸坡的角度超过自然安息角或土质不稳定时, 需要对护岸进行人工防冲蚀和加固处理, 可运用稻草、黄麻等自然界原生物质制作垫子、纤维织物等, 通过覆盖或层层堆迭等形式来阻止土壤的流失和边坡的侵蚀, 并在岸坡上种植植被和树木。当这些原生纤维材料慢慢降解, 并最终回归自然时, 岸坡的植被已形成发达的根系, 降低土壤孔隙水压来加固土层和提高抗滑力。主要包括灌丛席、灌丛层、原木式椰子壳纤维、根系填塞、活性淤泥植物、草卷、活枝扦插、枝条篱墙、活枝柴捆、排水式活枝柴捆、垄沟式种植、压枝和枝干篱墙等技术, 见图1。

4.3 生物技术与工程技术相结合的综合保护技术

按照力学原则, 运用木材、石块、金属、土工织物及水泥、混凝土等材料, 结合植物种植形成的护岸,包括混凝土构件护岸、干砌块石护岸、木桩护岸、金属笼、土工织物垄护岸等。这种护岸融工程技术与生态绿化为一体, 一方面石材、混凝土等材料的硬度高,能抵抗较强的水流冲蚀, 保证护岸的安全稳定, 另一方面护岸材料之间具有许多的空隙和缝隙, 有利于植物的根系生长, 并允许水陆间进行生态流的交换, 为鱼、虾等水生动物提供了可靠的栖居空间。在景观方面属于软硬景观结合, 具有较强的层次感。此外, 这种护岸对生态系统的干扰较小, 景观上也接近于自然, 且施工方法较简单。在流速小于3m/s。, 岸坡高度小于3m时应优先采用, 主要包括绿化干砌石墙、渗透式植被边坡、绿化网箱、绿化土工织物固土结构、绿化栅栏、活性栅栏等技术, 见图2。

5 结语

河岸生物工程措施主要是利用植被来保护河道岸坡的, 这些技术与传统护岸工程方法相比较, 除了具有增强岸坡的稳定性、防止水土流失等工程措施所具有的功能外, 还具有成本小、工程量小、环境景观协调性好、适应性好等优点。在坡面发生不稳定时还可以调整自身状况来适应坡面变化, 维持较高的抗侵蚀能力。每种护岸措施都有自身的特点和适用范围, 使用中需要根据河岸的具体情况, 结合考虑经济、环境和景观等诸因素, 确定断面形式及组合方式, 加强生物工程技术的应用, 这种技术的使用, 不仅创造坚实的、可持续的、美学上令人愉悦的水岸, 而且为水生和陆地野生生物提供生存环境, 并对地表径流起到净化作用。

参考文献：

1 Barker,D.H.Vegetation and slopes-stabilization.Protection and Ecology.Institute of Civil Engineer,London:Thomas Telford,1995.

2 Bergmann,W.& Schiechtl,H.M.Ingenieurbiologie,Handbuch zum naturnahen Wasser-und Erdbau.Wiesbaden und Berlin:Bauverlag,1986,11-22.

3 Morgan,R.R.C.& Rickson,R.J.Slope stabilization and erosion control-A bioengineering approach.London:E & EN Spon.

4 Tobias,S & Grubinger H. Verbundfestigkeit,ein neuer Ansatz bei Festigkeitafragen in der Ingenieurbiologie.Interpraevent-Tagungspublikation,1988,Band 4,239-251.

5 Gray D H,Sotir B R.Biotechnical and Soil Binengineering Slope Stabilization:A practical guide for erosion control John Wiley & sons,Tornoto,1996,106-129.

6 Ming-han Li,Karen E.Eddleman.Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineering methods-A biotechnical streambank stabilization design approach.Landscape and Urban Planning.2002,(60):225-242.

7 郑万均.中国树木志（第二卷）[M].北京：中国林业出版社，1985，1954-2009，2359-2393.

8 王礼先，高甲荣，谢宝元，陈丽华.密云水库集水区生态经济分区研究[J].水土保持通报，1999，19（2）：1-6.

9 刘霞，杜桂森，张会，华振玲，刘静.密云水库的浮游植物及水体营养程度.环境科学研究，2003，16（1）：27-29.

10 高甲荣.北京密云水库集水区水源保护林建设与发展对策[J].水土保持通报，1999，19（5）：1-6.

11 朱国平，徐伟，齐实，杨海龙，周利军.山东省招远市城东河河道近自然治理设计初探[J].水土保持研究，2004，11（1）：160-162.

12 周应海.试谈南淝河综合治理中的生态设计[J].当代建设，2001，（4）：35.

13 夏继红，严忠民.生态河岸带研究进展与发展趋势[J].河海大学学报（自然科学版）.2004，32（3）：252-255.

14 张迎春，彭补拙.河岸带研究及其退化生态系统的恢复与重建[J].生态学报，2003，23（1）：56-63.

15 张建春，史志钢，彭补拙.皖西南大别山麓河岸带滩地生态重建与植物护坡效能分析[J].山地学报，2002，20（1）：85-89.

16 温金平.城市河流堤岸生态设计模式探析[M].中国园林，2004，（10）：19-23.

作者简介：高甲荣（1963-）, 男, 副教授, 博士。

来源：《北京水务》2006.2