李 凱，程金花?，祁生林

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.北京市水影響評價中心，100071，北京)

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

生態(tài)護岸的發(fā)展是從近自然河道治理開始的。在國外，德國對河道生態(tài)整治的研究和實踐起步最早。早在1938年，德國學者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、同時創(chuàng)造河流的生態(tài)多樣性[4]。Odum[5]在20世紀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“進自然河溪整治”得到了更深一步的解讀。日本在20世紀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合的方式，以增強坡面的穩(wěn)定性和控制侵蝕[6]。近些年，我國也開始重視生態(tài)護岸的理論研究和實踐探索。鄭天柱等[7]用生態(tài)工程學的理論探索討論河道生態(tài)恢復的機理；陳明曦等[8]認為生態(tài)護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”的概念。這些生態(tài)護岸實踐既保證河岸的穩(wěn)定性又給予植物足夠的生長空間，達到了良好的生態(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[11]。若為永定河下游段通水恢復植被，則需要對現(xiàn)有河道進行治理和防護。目前大多的河道防護工程采用硬質(zhì)護岸，為生態(tài)環(huán)境的恢復造成了極大的困難。據(jù)統(tǒng)計[12]，城市河道采用硬質(zhì)砌護后，水生物也只相當于原來的50%，沿河生物種類也減少70%以上。相對于傳統(tǒng)護坡工程而言，生態(tài)護岸有助于對徑流水質(zhì)的改善[13]。生態(tài)護岸旨在創(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)護岸與護坡的研究進行有機結合，通過測定不同護岸配置下的產(chǎn)流量、泥沙量、流速、流深以及水樣的面源污染指標，研究5種護岸材料的減流減沙效益以及復合護岸形式與單一護岸形式的生態(tài)防護效果差異，同時探究不同生態(tài)護岸形式的坡面水動力學特征，研究永定河流域(北京段)不同生態(tài)護岸形式的生態(tài)防護效果。

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，水土流失嚴重，雨滴直接擊濺與大量水分快速下滲導致河岸帶結構極易被破壞。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)律常用的一種測驗設施，試驗規(guī)劃時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，將集水設施布設在小區(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，清理淤積的泥沙費工費時，也會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)設計在傳統(tǒng)的徑流小區(qū)結構的基礎上，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]。

試驗于2019年7—9月進行，選取河北省廊坊市固安縣東北村永定河沙質(zhì)河道布設本次研究徑流小區(qū)。設置13個長5 m、寬2 m的野外標準徑流小區(qū)，其中10個1∶2邊坡比的野外徑流小區(qū)，3個1∶1邊坡比野外徑流小區(qū)，每個坡比包含1個裸坡空白對照徑流小區(qū)。簡易徑流小區(qū)布設如圖1所示。

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

護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

試驗開始前用水多次噴灑徑流小區(qū)至坡面即將產(chǎn)流，試驗開始待坡面產(chǎn)流后用1 L/瓶收集徑流泥沙樣品，每1 min為1個樣品，間隔1 min再接取，產(chǎn)流后30 min停止實驗，每場試驗共計收集15個樣品。試驗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]。測量流速時間點的同時用鋼尺測定3段坡面的徑流深度后取平均值分析。分別于試驗開始和結束使用溫度計測定水溫，平均值計算水動力黏滯系數(shù)。每場試驗設置2次重復，取所得數(shù)據(jù)均值進行分析。

收集的樣品用于測定徑流量及產(chǎn)沙量，應用方程計算各徑流小區(qū)對于空白對照小區(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為對照徑流小區(qū)產(chǎn)流量，L；n2為有護岸措施徑流小區(qū)產(chǎn)流量，L。

(2)

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

(3)

式中：Re為徑流雷諾數(shù)；η為水的運動黏滯系數(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 結果與分析

3.1 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況

本研究設定0.20、0.50和0.75 m3/h 3個放水流量，模擬小雨、中雨、大雨降水情況下匯流后對岸坡的沖刷，每場試驗設置2組重復，將各徑流小區(qū)不同護岸形式下的徑流量以及泥沙產(chǎn)量作為監(jiān)測指標進行分析研究，對不同護岸配置形式的保土保沙能力進行評估。對3個放水流量不同護岸形式產(chǎn)流產(chǎn)沙進行分析如圖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

將各個徑流小區(qū)在3個放水流量下的徑流產(chǎn)沙量與空白對照小區(qū)進行對比，獲得不同護岸形式的減流、減沙效率，結果如表2所示。

表2 各徑流小區(qū)3個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個放水流量沖刷試驗中，小流量下，土工格柵網(wǎng)護岸對徑流攔截的效果好于自然石護岸，生態(tài)袋護岸攔截效果好于石籠護岸和松木樁護岸，而大流量下，自然石護岸攔截的效果好于土工格柵網(wǎng)護岸，松木樁護岸攔截效果好于石籠護岸和生態(tài)袋護岸。在0.20 m3/h流量下，5種生態(tài)護岸材料徑流小區(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。對徑流泥沙攔截效果最好的護岸材料是生態(tài)袋。

復合配置的護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)袋的復合配置護岸減流減沙效果在9種護岸形式中最好，3種配置減流效果相近，減沙效果較好的是生態(tài)袋與松木樁復合護岸形式和生態(tài)袋與石籠復合護岸形式，土工格柵網(wǎng)與生態(tài)袋復合形式護岸的減沙效果相對差些。

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

3.2 水動力學特征

在坡面水流侵蝕力的作用下，坡面侵蝕形態(tài)隨著沖刷時間的延續(xù)不斷發(fā)生變化，從而使坡面水流的水力學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，坡面水動力學參數(shù)及水流流態(tài)的變化對坡面侵蝕過程有著重要的影響[24]，分析不同護岸形式的徑流小區(qū)在3個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)護岸形式下弗勞德數(shù)均>1，雷諾數(shù)均<500，說明本試驗的坡面流屬于急流狀態(tài)，在流態(tài)上均表現(xiàn)為層流。3種放水沖刷強度下，生態(tài)護岸的布設使得雷諾數(shù)相對于裸坡空白對照增大、而弗勞德數(shù)則表現(xiàn)為減小，這說明生態(tài)護岸的布設具有明顯的減緩流態(tài)、流型的作用。不同護岸布置形式徑流小區(qū)的徑流弗勞德數(shù)隨沖刷強度增大而逐漸增大，出現(xiàn)這種趨勢的主要原因是水流在從坡上向坡下運動的過程中,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比關系中越來越大,徑流慣性力的增大意味著擾動土體的能量增大,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，復合配置護岸減緩流態(tài)效果最好的是生態(tài)袋與石籠復合配置形式。

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

3.3 面源污染指標削減效果

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

圖5 0.75 m3/h放水流量下不同護岸形式徑流小區(qū)面源污染指標削減率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)護岸形式對TP、N和有機物含量的消減率較高的前3種均為：生態(tài)袋與松木樁復合護岸、格柵覆土與生態(tài)袋復合護岸、生態(tài)袋與石籠復合護岸。對照空白小區(qū)，不同護岸配置形式對COD和BOD5面源污染指標的削減率均>35.1%，生態(tài)袋復合護岸形式的削減率>73.5%。

4 討論

在本文中5種護岸材料在野外徑流小區(qū)放水沖刷試驗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]對于北京永定河現(xiàn)有生態(tài)護岸進行綜合評價分析后所得結果一致。復合型護岸的減流減沙效果以及對面源污染指標的減緩作用都要好于單一的護岸形式，同時與植被復合應用更能恢復生態(tài)河道的生物多樣性和特殊性，實現(xiàn)生態(tài)效益、社會效益與經(jīng)濟效益的有機結合[26]。

在與空白徑流小區(qū)的對照比較中，護岸的布置增加了徑流的紊動，使得徑流雷諾數(shù)相對空白對照小區(qū)升高，而弗勞德數(shù)相對于空白對照小區(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，這是因為沖刷強度增大使得水流的紊動性增大，慣性力作用增強，擾動水體使其脫離規(guī)則運動，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)護岸形式對面源污染指標的削減效果可以得出生態(tài)護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。

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

5 結論

2)復合配置形式的護岸對比單一配置形式護岸的減流減沙效果以及對各指標的減緩效果都更優(yōu)秀，其中生態(tài)袋與石籠復合配置效果最好，比單一生態(tài)袋護岸對照空白徑流小區(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)修復中，建議將2種或以上護岸材料同植被復合用于護岸，以提高水土保持性能及生態(tài)穩(wěn)定性。

3)護岸的布置增加了岸坡徑流的紊動型，致使雷諾數(shù)相對于空白對照小區(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。