中小河流护岸工程的生态性分析

中小河流护岸工程的生态性分析

1重建混凝土河岸的自然生态系统目前，我国大部分地区的河流自清洁能力和修复能力有所下降，河流污染严重。河流水体污染严重的根本原因在于水利工程设计上,基于牛顿力学而形成的以“还原论”思想为基础的工程技术体系。这种传统技术的核心是工程结构的安全性及耐久性,材料主要是施工性好、耐久性强的混凝土或钢筋混凝土。其缺点在于没有考虑人工构造物对生物及生态环境的影响,忽略了河流也是具有生命(生物)的生态系统,结果人工构造物隔断了水生态系统和陆地生态系统的联系,破坏了河流的各种生态过程,导致河流的自我净化及自我恢复能力降低、河流水体污染严重的后果。国外对修复受损河流生态系统的研究发展很快,20世纪70年代以来,德国、瑞士、日本等发达国家进行了大量的混凝土河岸的生态修复实验研究,大规模改修了混凝土河岸,恢复河流的自然生态系统,积累了大量成果范例。其中重要的一条就是恢复重建受损河岸生态系统,首先需要恢复河岸原有的芦苇群落。芦苇(Phragmitesaustralis)是禾本科多年生草本植物,世界广布种,在自然生境中,以根状茎繁殖为主,能适应不同的生态环境,在水深20～50cm,pH6.5～9.0的范围内,能够正常生长发育,形成群落,是构成河岸植物群落的代表植物种。芦苇具有很强的水质净化、紧缚土壤及为动植物、微生物提供生息生存空间等环境保护作用。同时芦苇在景观美化和农业区生态系统恢复方面都是一种非常重要的植物,其作为绿化浅水带和河岸缓冲带的植物材料已在世界各地广泛种植。但是由于人类活动对生态环境的严重干扰,农村、城市的开发,河岸的混凝土化,导致芦苇自然群落正在大面积减少,其具有的环境保护作用在不断丧失。目前关于芦苇的研究成果,多集中于研究芦苇的形态结构、群落调节、生理生态特性等方面。但基于以减少对芦苇原生地破坏,恢复重建混凝土河岸的芦苇群落为目的,快速培育芦苇幼苗技术和方法的研究则很少。本研究提出一种在确保河岸工程具有抗洪防止河岸侵蚀结构的前提条件下,将河岸工程设计为芦苇等生物能够生存的多孔隙结构,恢复重建河岸生态系统的工程化方法。2研究区域和方法2.1实验河段9-12日实验地点位于长春市东北师范大学净月校区内,实验河流段为流经校区的净月潭水库泄洪河道下游,距净月潭国家森林公园约1km。该区属于温带大陆性半湿润季风气侯,年平均气温为4.6℃,冬季1月份最冷,最低气温达-36.5℃,平均气温为-17.2℃;夏季7月份最热,最高气温达38℃,平均气温为23℃。年平均日照约2866h,平均降水量为567.0mm。实验河段长约700m,宽约为8.0m,河床比降约为1/1000,河道深度为1.5～2m,河床构成为淤泥和砾石,最大洪水流速约0.1m·s-1。河流南侧为混凝土护岸;对岸侧为自然裸露的土质岸坡,坡度约为30°～45°,坡脚冲刷侵蚀严重,其中岸坡种植稀疏河柳(SalixbabylonicaL.),杂草优势种主要有野稗(E.crusgalli)、狗尾草(S.viridis)、苋菜(A.retroflexusL.)等。2.2实验材料及方法2001年6月,选长50m、宽14m的典型退化自然裸露的土质岸坡为实验区(A)构建芦苇群落,其对照区为自然裸露的土质岸坡(B)和混凝土护岸(C)。我国目前广泛采用的浆砌石等混凝土护岸工程设计未考虑动植物及微生物的生存,没有其能够生存的孔隙空间。本研究在传统的护岸工程设计中加入生态学原理,在保证能够达到防止河岸崩塌及侵蚀的同时,创造出生物能够生存的多孔隙河岸空间,营造生物的生育环境,建设符合生态学原理的新型护岸工程。根据实验地的河道特性,在实验区(A)选择用芦苇恢复受损河岸生态系统的工程化方法中的抛石+芦苇护岸法,即正常水位线以下的区域使用石质紧硬的花岗岩铺设,块石粒径为3～50cm;抛石护岸厚度,近岸部分的抛石厚度为0.6～0.8m,而对离岸较近的抛石厚度为0.8～1.0m,在石头间缝隙内扦插芦苇苗。实验共用石料26m3。施工后对各项检测指标进行了跟踪调查。2.3测试指标和方程式由以下指标检测芦苇型生态护岸工程是否满足抵抗洪水侵蚀的工程强度和是否为生物生存提供了栖息环境。2.3.1抗清洗和侵蚀能力在河岸边设置观测桩测定。2.3.2植物覆盖率设置1m×1m的样方调查。2.3.3底栖动物多样性指数在护岸坡脚角各设置50cm×50cm×20cm的底泥采样点3个,在每个采样点各采底泥泥样3个,混合为代表样品。底栖动物用钢筛筛选后,捡出肉眼可见的生物放入塑料瓶内,用4%的福尔马林液固定,然后鉴定种类、计数及称量。然后,将之换算成生物量(g/m2),并推算出密度(个/m2)。底栖动物多样性指数按Shannon-Wiener生物多样性指数方程计算:H=−∑i=1sPilogP2−iΗ=-∑i=1sΡilogΡ2-i式中,H为生物多样性指数;s为物种数目;Pi为属于种i的个体在全部个体s中的比例。2.3.4经济成本实际成本计算方法。3结果与分析3.1抗侵蚀及冲刷实际观测可知,在施工后的7～9月雨水集中季节,实验区A与混凝土护岸对照区C相比,没有发生侵蚀及冲刷现象。而自然裸露的土质岸坡对照区B河岸冲刷侵蚀严重。3.2植物覆盖率浆砌混凝土护岸植物不可能生长,植物覆盖率为零,构建后的芦苇群落生长发育良好,植物覆盖率达到95%。3.3底栖动物的种类和数量在实验区A共采集到了8个种属的底栖动物,其中寡毛类2种,软体动物2种,水生昆虫3种,其他动物1种。在底栖动物各类群中,以寡毛类的水丝蚓和苏式尾鳃蚓数量最多,约占底栖动物的97%以上,该物种是研究点的绝对优势钟。有研究报道,寡毛类动物对水体有机污染和缺氧有很强的耐受能力,可作为水质评价的指标,说明该研究点水体污染较为严重。底栖动物是河流生态系统的主要消费者,其种类和数量与水生植物及其环境有密切的关系。由表1,2可知,各区底栖动物种类、密度、生物量、多样性指数A区>B区>C区,说明实验区芦苇群落庞大的根系可以吸收底泥中无机盐类营养物,而且也是大量微生物以生物膜形式附着的良好介质,利于水体净化,同时也改善了底质,是底栖动物数量增多的主要原因。由此证明基于生态学原理设计的的多孔隙河岸空间为底栖动物提供了良好的繁衍、栖息环境。3.4经济成本的情况目前我国浆砌混凝土护岸的经济成本一般为120元·m-3,而本事例的经济成本为75元·m-3。用芦苇恢复受损河岸的工程化方法不仅降低了经济成本,而且带来了附加生态及景观价值。4生态恢复与工程应用相结合河岸是连接水生态系统和陆地生态系统的纽带。但是目前广泛采用的混凝土护岸破坏了河岸这种生态纽带作用,导致河流自我净化能力降低,河流污染严重。因此,河流护岸工程应尽可能在防止河岸冲刷侵蚀的同时,将生态学原理纳入水利工程中,在工程结构中加入生态学设计,采取工程和植物措施相结合的技术手段,为水生植物的生长、水生动物的繁育和两栖动物的栖息繁衍创造条件,恢复河岸水陆生态交错区的结构与功能,提高河