生态修复在通榆河岸坡防护中的应用

生态修复在通榆河岸坡防护中的应用

中国有许多河流和长海岸线，而传统的硬河岸建设成本很高。因此，除了河道沿线的硬质边坡，如混凝土、砂浆和干层压板等硬边坡外，大多数都是硬边坡，没有特殊保护。土质岸坡迎水坡面在雨滴溅蚀、降雨径流冲蚀、河水对坡面的分散侵蚀和水浪的淘蚀等外力作用下,水土流失严重,堤防安全和航道的通畅受到威胁。硬质护坡使生态系统的水、陆两相之间物质循环和能量流动受到影响,不符合生态建设和低碳环保的要求。因此,有必要寻找生态型护岸方式。采用植被加固航道堤防和道路边坡早在国际上引起广泛重视并在实践中取得良好效果。近10年来,国内也有许多成功的经验和案例。江苏省苏北地区河流众多,航道密集,岸坡防护任务艰巨且困难重重。本文以苏北航道“两纵”之一的通榆河为试验段进行混合型生态护坡技术的试验研究,探讨低成本的通榆河护岸养护方式,为今后类似航道的建设和岸坡综合整治提供经验和借鉴。1通榆河流域概况通榆河南起南通长江北岸,北至连云港市赣榆县,全长415km。通榆河于1959年2月初开挖,1991年10月经批准进行全面整治,2001年全线建成通航。河面宽110m,航道常水位2m,洪水期(每年的6—7月间,持续20~30d)水位3m,目前最大通航吨位500t,最大浪高0.6m。通榆河流域属于黄淮冲击海相沉积平原,偏碱性的黄沙壤土因富含云母等疏松矿物而不耐冲击。在流经城镇的部分有混凝土或岩石性驳岸,但在80%以上流经乡村的河道没有驳岸,由于风浪、船形波和雨水冲刷作用,土质岸坡坍塌现象严重,有50km以上河道的岸坡明显凹陷,由此产生的河道淤塞达2000多处,总长度达20km以上,对通榆河的通航(特别是枯水期)造成明显影响。2材料和方法2.1通榆河流域水系水生植物环境分析考虑到在以后航道岸坡防护中的推广应用价值,试验设计遵循以下原则:1)因地制宜,就地取材。通榆河流域水系密布,水生植物和湿生植物种类众多。就地取材可以大大节省成本,有利于这种技术的推广。2)体现低碳理念。工程技术与生态技术相结合,当植被生长良好并形成次生群落后,可形成稳定的复合岸坡结构,真正实现岸坡的可持续防护。2.2两个方面的生长状况经过实地考察并结合前人经验,本试验选择芦苇、茭白、杞柳作为试验植物。芦苇是一种广适性水生或湿生禾本科挺水植物,多年生,茎秆直立,高1~3m,地下有发达的匍匐根状茎。茭白是一种多年生宿根型禾本科植物。具根状茎,匍匐横向生长速度快,只能生长于水生环境。用分株法繁殖,每株带有一部分老茎及匍匐根。杞柳是一种落叶丛生多年生灌木。喜光阳性树种,抗雨涝,以在土层深厚的砂壤土和沟渠边坡地生长最好。在浅积水2~3个月的不利条件下,仍能正常生长。2.3竹材的粗端化木桩、竹篱为了加固堤岸,保护移栽的芦苇、茭白,特地在移栽区域的外围设置了木质排桩和竹质篱笆。1)木质排桩。以杉木为材料,本地取材且价格较低。木桩长4.5m,粗端直径8cm,细端朝下夯入泥中约2m,水深约1m,水面上露出1.5m以消减波浪的冲击,并保护植被和岸坡少受过往船只的挤靠。木桩间距10cm,在离上端0.2m和1.5m处的外侧分别用横木连接。木桩直线排列,与原岸线平行,以原有水-岸交界线为参照将木桩设置在这条交界线及其延长线上。2)竹篱。用厚0.8cm、宽3cm的刚竹片编织成高1.5m、宽1m的篱笆,覆盖双层土工布后用钢丝绑在木桩上。木质排桩和竹篱共同形成混合型栅栏。2.4回填造林地2010年3月,在木质排桩和竹篱安装到位后,将坍塌到河床中的泥土回填到岸坡坍塌处,在修复岸坡的同时进行河道清淤,回填泥土的高度在常水位之上10~20cm(防止移栽植物生长过慢而被即将来临的洪水淹没)。将新形成的泥土表面整理成约15°的坡面。2.5调查方案设计2010年4月20日—25日,在总结了2009年预试验的经验和教训的基础上进行对比试验,将1km裸露岸坡分成5等份作为试验段,分别采用以下几种试验设计方案:1)方案1:不设置混合型栅栏,不回填泥土,只在2m宽的近岸水面(水深0~40cm)移栽芦苇和茭白(均为带土的已经发新芽的根茎),每种植物种植区域的长度各100m,株距和行距均为30cm,栽植深度20cm,用土覆盖植物根基并压实以防止被波浪拔起。在斜坡—坡肩50cm范围内扦插杞柳,柳条长30cm,不设置防护措施,目的是探讨这种简便方案推广的可行性。在岸坡的水线和斜坡上设置10个位置标记(30cm长,带刻度标记的竹片,垂直于坡面插入泥土中,检测竹片在土中掩埋深度的变化,从而计算岸坡坍塌或淤积的量)以监控岸坡坍塌或位移的情况。2)方案2:在岸坡与水面原有交界线(因岸坡塌陷已不复存在)位置上设置混合型栅栏(方法如2.3)。移栽植物的种类和方法同方案1。3)方案3:在方案2栅栏的基础上增加回填土的操作,即:在移栽植物前,将坍塌到河床中的泥土回填到岸坡坍塌处(已由排桩和竹篱与河道隔开,形成相对封闭的区域),具体做法如2.4。该试验区的横截面如图1。然后按方案1的方法移栽芦苇(没有移栽茭白,因其只能长在水中)。4)方案4:将方案3的植物种植方式改为芦苇种子播种。将2009年秋天收集到的当地芦苇的种子播撒在新形成的泥土表面,再覆盖1mm泥土,适当压实,以防干燥后被风吹走。5)方案5:不做任何处理,作为对照。在6—7月洪水季节每3d观察记录1次(担心移栽的植物被长时间水淹而死亡),其他时间每周观察记录1次,并对可能出现的问题设计预案。以12月1日观察的结果作为一个生长周期的主要分析数据。在探讨不同方法护坡效果的同时,进行成本核算,为今后在其他航道上进行推广摸索经验。3结果与分析3.15植物群落结构及生态修复措施1)方案1:总体效果差。水中移栽的芦苇和茭白存活率低(分别为60%,50%),生长和发育状态差,岸上扦插的柳条大部分随塌陷的泥土散失在河流中。12月1日观察植被覆盖度只有20%。主要原因如下:(1)波浪的影响大,植物新生的嫩芽容易被折断。(2)河面上各种漂浮物很容易堆压在植物体上,产生机械损伤和遮光作用。(3)由于移栽植物不能在短时间内形成密集的群落,岸坡仍在不断坍塌(表1),移栽植物即使部分存活也很难快速繁育。2)方案2:总体效果好。植物存活率100%,自我扩增速度快,12月1日观察结果表明,水中植物群落覆盖度100%,水面上高度150cm,自然迁入的植物有水花生、水蓼、浮萍等。由于岸坡较陡,裸露坡面上扦插的柳条有部分随坍塌泥土而散失,次生植物群落少,覆盖度只有60%,但岸坡坍塌速度(表1)明显减缓。坡肩上扦插柳条生长良好,形成茂密的次生群落,主要植物种类有:狗尾草、一年蓬、红蓼、水蓼、狗牙根等。在工程预算较少时可以采用这种修复方式。3)方案3:总体效果很好,达到了生态修复的预期效果。回填土岸坡上移栽的芦苇生长良好,自然迁入的水花生、水蓼、红蓼、一年蓬、狗尾草、野菊、蒿草等植物形成次生群落,由于植物的高度差,这些自然迁入的植物没有影响芦苇的生存。覆盖度100%,完全阻挡了波浪的影响。坡肩上的情况与方案2相同。4)方案4:保护岸坡效果不佳。主要原因分析如下:芦苇种子虽能正常发芽,但生长速度太慢,植株高度在夏季洪水来临时才有20cm左右,大部分被淹没至死,没有被淹的芦苇实生苗,也因生长缓慢而被遮光,大部分死亡。在该试验段上存活并取得优势的是自然迁入的次生植物群落,虽然也产生了明显的消浪和岸坡防护作用,但芦苇种子繁殖是不成功的。而次生种群的繁殖速度不够快,在形成密闭的群落之前,大量回填的泥土会随雨水而流失。5)方案5:效果很差。岸坡上几乎没有新的植物迁入和植被形成,裸露岸坡在波浪和雨水的双重作用之下继续坍塌。由于没有农民的耕作,坡肩上有部分自然迁入的植物(狗尾草、一年蓬、小飞蓬等),但不足以阻挡雨水的冲刷。3.2坡面的立地条件由于芦苇和茭白的生长速度快,营造的小环境极利于次生群落的形成,一年之内(4—12月)迅速形成密闭的次生群落,在水-岸之间形成隔离带,起到了很好的岸坡防护作用。所以,本试验中选择芦苇和茭白是成功的。坡肩上扦插的杞柳虽然发芽率在95%以上,但后期的成活率只有65%。主要原因有2个:1)原有的和自然迁入的植物的繁殖速度快,迅速形成种群优势,明显抑制杞柳生长甚至降低成活率;2)坡面的较高处墒情不够,致使杞柳生长速度不如其他杂草快。但从岸坡防护的初衷来看,形成这种次生群落恰恰达到了预期目的。所以,没必要采取特别措施来“除草”。而芦苇种子的直接播种远不如移栽植株效果好,如果只有芦苇种子可用,则可以考虑先在地势平坦且条件可控的地段播种,然后再移栽到岸坡上和水域中。3.3栽植区域内的土壤条件从方案1、2、3的实施效果可以看出,植物移栽区域外侧栅栏防护的效果非常显著,在所保护的区域内形成相对稳定的物理环境,为移栽植物的生长提供了较好的条件。只要有这种防护,无论是否回填土,移栽效果都非常好。反之,移栽是很难成功的。主要原因有2个:1)船型波的剧烈冲击;2)新开挖航道的岸坡上缺少原生植被,移栽植物的根基无法稳固。3.4合成坡与生长结果回填土非常疏松且富含营养,十分有利于芦苇的生长,所以方案3中的芦苇长势比方案2的更好更整齐。由于回填土减缓了坡度,在坡面上扦插的柳条及其次生群落生长良好。回填土可以对岸坡进行整形,降低坡度和落差,从而对岸坡起到立竿见影的防护效果。3.5岸坡无法抵御来自上侧的雨水冲刷作用在试验之前,居民在坡肩上种植油菜,耕作行为致使岸坡上的植被很难形成固定的密闭群落,岸坡无法抵御来自上侧的雨水冲刷作用。被推入通榆河的农作物秸秆直接破坏岸边植物,所以,人居活动的影响是不容忽视的。本试验设计中,在试验区和农民的种植区之间设置了2m宽的缓冲区,2个月后,该区域即全部被自然植被覆盖,这对岸坡上侧具有重要的防护作用。3.6加强度的应用。请看控制好各由于通榆河常水位与洪水位相差近1m,移栽植物种植的位置和高度就显得十分重要。种植位置太高,对常水位时的岸坡没有防护作用,太低则经不起洪水的浸泡。本试验中采用的直接移栽和回填土再移栽的方法均可行,但回填土可以抬高芦苇,减少洪水对移栽芦苇的威胁。3.7护坡方案经济效益评价由于生态修复工程既要考虑工程因素,又要考虑自然因素,而自然因素中的生物因素变化很快,所以,对方案效果的综合评价是很有必要的。将上面的实验设计、结果分析,加上坡面位置的变化情况和工程造价,对几种方案的护坡综合效果评价列于表1。根据当地目前的市场行情,浆砌块石岸坡的造价约2800元/m,混凝土岸坡的造价约3500元/m。由此可见,生态修复和生态护坡技术能大幅度地节省航道护坡的费用,同时,为航道两岸的园林造景和生态建设打下了良好的基础。4航道岸坡植物物种丰富护坡技术的研究和应用一定要遵循生态学规律和因地制宜的原则。在类似通榆河的河流中,在岸坡水线以