植入型生態(tài)固灘技術(shù)的研究及應(yīng)用

摘要：本技術(shù)依托長江中游荊江河段航道整治工程中的倒口窯心灘守護(hù)工程，在深入分析倒口窯心灘與藕池口心灘水文情勢、植被生長特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇狗牙根、蘆葦?shù)缺就粱参镒鳛楣虨┲脖唬瑢⒐虨┲脖环N植在經(jīng)過基質(zhì)改良的土壤內(nèi)，并在土壤上方鋪設(shè)用草繩編織成的網(wǎng)狀固土設(shè)施，促進(jìn)植被成規(guī)模生長，既可鞏固護(hù)灘工程效果和促進(jìn)灘地的淤積壯大，又可實(shí)現(xiàn)工程和周邊環(huán)境的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了植被有效覆蓋，營造出種類豐富的濕生植物群落，防止了水土流失。在保護(hù)灘面免受沖刷的同時，極大提高了航道整治工程的環(huán)境效益和生態(tài)效益。關(guān)鍵詞：交通工程；航道建設(shè)；生態(tài)固灘；環(huán)境整治；環(huán)境綠化1技術(shù)概況河道內(nèi)洪水期淹沒的中低灘的穩(wěn)定，是保持航道穩(wěn)定的關(guān)鍵條件。三峽工程蓄水以后，因來沙大幅減少，洲灘沖刷萎縮現(xiàn)象普遍，近年來大量采取了基于軟體排的護(hù)灘措施，多運(yùn)用塊石、混凝土等硬質(zhì)材料，往往導(dǎo)致河床硬化，對底棲生物的生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞。如何在傳統(tǒng)護(hù)灘工程的基礎(chǔ)上提出施工簡單、成本低的生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)成規(guī)模的植被生長，在守護(hù)灘體穩(wěn)定的同時改善局部生態(tài)環(huán)境就顯得尤為必要。該技術(shù)的研發(fā)依托長江中游荊江河段航道整治工程中的倒口窯心灘守護(hù)工程，突破傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)灘結(jié)構(gòu)，在深入分析倒口窯心灘與藕池口心灘水文情勢、植被生長特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇狗牙根、三葉草和蘆葦作為固灘植被；將固灘植被種植在經(jīng)基質(zhì)改良的土壤內(nèi)；并在土壤上方鋪設(shè)用草繩（當(dāng)年內(nèi)淹沒期不低于一個月時，建議采用價格稍貴更加耐腐的麻繩，下文對此不再重復(fù)補(bǔ)充）編織成的網(wǎng)狀框架防沖結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植被成規(guī)模地生長，在長江干流河道中首次實(shí)現(xiàn)了植物固灘。技術(shù)成果直接應(yīng)用到荊江河段航道整治工程中，利用當(dāng)?shù)刂参镞M(jìn)行固灘，降低了工程費(fèi)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益；提升了河道洲灘植被覆蓋率，降低了工程生態(tài)環(huán)境影響風(fēng)險，減少了工程生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)用，提高了長江干線水產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，取得了良好的生態(tài)效益。同時該項技術(shù)可推廣應(yīng)用至相關(guān)河道治理工作中，為水利、堤防、水電、港口等眾多領(lǐng)域的開發(fā)和建設(shè)提供參考和借鑒。2技術(shù)原理2.1技術(shù)原理護(hù)灘工程結(jié)構(gòu)類型可分為傳統(tǒng)護(hù)灘與生態(tài)護(hù)灘兩種。傳統(tǒng)護(hù)灘結(jié)構(gòu)主要有四種：排體結(jié)構(gòu)、拋石結(jié)構(gòu)、拋枕結(jié)構(gòu)、鋼絲網(wǎng)石兜結(jié)構(gòu)。近年來又衍生了單元排、三維加筋墊等對河勢干擾小、固灘效果較好的護(hù)灘結(jié)構(gòu)。盡管這些護(hù)灘模式適應(yīng)河床變形能力強(qiáng)，航道整治效果較好，然而其較少考慮河道生態(tài)環(huán)境功能，多采用混凝土、土工布等硬質(zhì)材料，引起地質(zhì)硬化，使河道環(huán)境條件模式化、生物種類單一化，同時工程效果也易受不穩(wěn)定的基底條件影響。近年來民眾對生態(tài)環(huán)境越發(fā)關(guān)注，工程設(shè)計逐漸開始重視對生態(tài)環(huán)境的影響，工程結(jié)構(gòu)形式走向生態(tài)化，出現(xiàn)了一大批采用生態(tài)護(hù)岸（坡）技術(shù)的工程。但這些生態(tài)工程由于對基質(zhì)土壤固定不足或固灘植被選取不合理，遇洪水期，基質(zhì)土基本全部被沖走，大部分已成活的草也被洪水沖刷帶走；較長時間淹沒于水下的灘體，草體難以存活，很難起到較好的生態(tài)固灘效果。針對上述缺陷，本技術(shù)選擇狗牙根、三葉草和蘆葦種植在經(jīng)過基質(zhì)改良的土壤內(nèi)，并鋪設(shè)用草繩編織成的網(wǎng)狀框架防沖結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了原材料且成本低，同時不會對挺水植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響的臨時防沖結(jié)構(gòu)，合理選用固灘植被，解決了原有的生態(tài)固灘技術(shù)存在的不耐洪水沖刷、草體難以存活的問題。技術(shù)研發(fā)流程見圖1。2.2實(shí)施方案本技術(shù)提出經(jīng)濟(jì)高效的植入型生態(tài)固灘技術(shù)，以解決原有的生態(tài)固灘技術(shù)不耐洪水沖刷、草體難以存活的問題。以倒口窯心灘守護(hù)工程為例，實(shí)施方案主要包括三個部分：（1）適生植被物種的選取生態(tài)固灘，首先要選擇合適的固灘植被。固灘植被的選擇應(yīng)滿足以下原則。①適應(yīng)性原則：固灘植被作為構(gòu)建灘地生物群落的先鋒物種，必須能夠很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，耐淹、耐污、耐沖刷，且抗旱性好、生命力強(qiáng)，可在貧瘠環(huán)境下存活。②本土性原則：應(yīng)優(yōu)先考慮本地土著物種，盡量避免引進(jìn)外來物種，以防生物入侵事件的發(fā)生，保護(hù)生物多樣性與生態(tài)安全。③強(qiáng)凈化性原則：優(yōu)先考慮可凈化當(dāng)?shù)丨h(huán)境的物種，為其他物種的繁衍創(chuàng)造適宜的生態(tài)環(huán)境。④可操作性原則：所選物種需根系發(fā)達(dá)、固土效果好、繁殖能力強(qiáng)、栽培管理成本低、收獲方便、淹沒后易于恢復(fù)、生態(tài)景觀效果良好、不影響航運(yùn)及行洪安全，同時具有一定的經(jīng)濟(jì)利用價值。此外，固灘物種的選擇還應(yīng)考慮植被的時空分布，不同物種間搭配良好，做到季節(jié)更迭覆蓋，空間層次分明。倒口窯心灘每年有1~2個月的時間受水道水位影響，心灘部分或者完全被淹沒在水下，因此，選擇物種的一個重要標(biāo)準(zhǔn)是該物種具有較好的耐澇耐淹能力，適宜季節(jié)性的淹水環(huán)境。其次，倒口窯心灘大部分時間暴露在空氣中，屬于陸生環(huán)境，尤其是心灘坡面，一年中大部分時間處于干燥狀態(tài)，因此，選擇的物種又需要能在干燥土壤中存活和生長，具有良好的耐旱能力。同時，考慮到入侵物種的生態(tài)危害，需要杜絕引入外來物種，因此物種的選擇范圍必需局限于長江流域的土著物種，能夠很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣候條件。此外，考慮到物種的四季更迭和景觀層次，植被的生態(tài)功能正常發(fā)揮，物種的選擇不能過于單一，需要考慮幾個物種的搭配，確保在空間上有層次，在季節(jié)更迭上有變化。（2）固灘植被繁育與管理確定固灘植被以后，還需確保其成活。鑒于倒口窯心灘目前表層淤積的基本是砂質(zhì)粗顆粒，粒徑大，營養(yǎng)貧瘠，彼此粘連性差，導(dǎo)致其存在一定的移動性和不穩(wěn)定性。因此，適生植被恢復(fù)需要解決的第一個問題就是土壤基質(zhì)的改良，如果不改變基質(zhì)的理化性狀，植被缺乏必要的土壤，則難以成活?；|(zhì)改良需要面臨兩個問題：一是穩(wěn)定性，如果土壤基質(zhì)總是處于動蕩變動中，植物種子萌發(fā)和生命代謝無法獲得必要外部環(huán)境，植被的構(gòu)建是不可能實(shí)現(xiàn)的。二是營養(yǎng)和水分供給，過于貧瘠和干燥的土壤對于植物的生長發(fā)育和生命代謝過程是一種脅迫和阻礙，心灘基質(zhì)營養(yǎng)貧瘠，難以滿足植物生長的需要，水分供給方面，灘地水位變幅大、變化快，植物栽種時間緊迫，且不同植物對生長環(huán)境要求不同，需要采取適宜的繁育與管理手段，以提高成活率。為確保固灘植被的成活，首先需要對土壤進(jìn)行基質(zhì)改良，具體操作過程如下：①就地取材，掘取附近農(nóng)田、林地等地黏土運(yùn)送至項目區(qū)；②植入黏土并夯實(shí)，植入土層厚度以50cm為宜；③定期施用農(nóng)家肥為植物提供必需養(yǎng)分，同時改良土壤質(zhì)地，施肥標(biāo)準(zhǔn)500kg/畝；④大規(guī)模接種土壤藻類藻種，以增加基質(zhì)活力。接種后次日開始每天灑水以確保土壤藻類活性和發(fā)揮作用。三種固灘植物分別采用不同的繁育方法，其中狗牙根和蘆葦采用原位分根法，三葉草采用播種法。原位分根法：收集狗牙根莖和蘆葦塊莖，敲掉泥土，均勻播撒，覆蓋土層并壓實(shí)，不定時澆水以保持濕潤，數(shù)日內(nèi)即可生根發(fā)芽，20天左右即能滋生新匍匐枝，略增施含氮肥水同時修剪，匍匐枝迅速蔓延并生根，形成新植被。種植密度：狗牙根覆蓋全部項目區(qū)表層土壤，將匍匐莖切成3~5cm的小段播撒，密度200~300g/m2；蘆葦切成30cm一段，按照6段/m2的密度栽種；三葉草200g/m2?？臻g分布：按地勢高低將實(shí)驗區(qū)一分為二，低處撒播狗牙根，高處撒播三葉草。狗牙根生命力較強(qiáng)，占據(jù)的空間為三葉草的兩倍，且不需要人工干預(yù)兩個物種的種群分布。在不遮擋狗牙根和三葉草光照的需求前提下，確定蘆葦栽種密度為6段/m2。植株定植：為減緩水流沖力，在種植初期，需構(gòu)建必要的臨時防沖設(shè)施，將植物種植在草繩編織的格子內(nèi)，通過植入性草繩結(jié)構(gòu)減少水流對植株的沖擊；同時，采用打木樁、壓石塊、編織竹籬笆等方式固定植株，以免植株倒伏，確保成活率。植被管理：種植后的管理相當(dāng)重要，重點(diǎn)做好實(shí)施初期的養(yǎng)護(hù)，當(dāng)天氣干旱以及主河道水位過低，固灘區(qū)域土壤墑情較差時，應(yīng)定期澆水，防止汛前植被發(fā)育偏緩、豐度偏低。（3）臨時防沖結(jié)構(gòu)種植初期，為避免植物種子或幼苗被水流沖刷帶走,需在實(shí)驗區(qū)設(shè)置一定的臨時防沖設(shè)施，以確保植被定植生根。臨時防沖結(jié)構(gòu)需滿足兩個條件：一是較強(qiáng)的防沖能力，二是成本相對較低。黏性顆粒含量較多的土壤，顆粒間黏結(jié)力對土壤起動流速的影響較大，開始明顯沖刷的流速更大，且同等條件下沖刷深度較小?？紤]工程實(shí)際，土體回填后通常有一段時間的固結(jié)過程，密實(shí)度會有所增加，因此實(shí)際的回填土性質(zhì)接近黏性土。綜合以上因素，選擇可降解的草繩鋪設(shè)成網(wǎng)狀框架，采用木條打樁進(jìn)行固定，作為臨時防沖結(jié)構(gòu)。不同型式防沖結(jié)構(gòu)的防沖能力不同，同等條件下，防沖結(jié)構(gòu)空隙越大，防沖作用越小。不同植被生長對空間的需求也存在差異，鋪設(shè)臨時防沖結(jié)構(gòu)時，考慮該結(jié)構(gòu)的空間占用情況及其對植物的影響。在本技術(shù)方案中，狗牙根、三葉草均貼近地表，防沖結(jié)構(gòu)影響不大，不需考慮間距問題。一般蘆葦?shù)姆N植間距約為30cm，草繩過密不方便進(jìn)行栽植，需考慮間距問題，如圖2、圖3所示。綜合考慮植株的生長空間需求、種植的可操作性以及臨時防沖結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，確定選用直徑1cm、繩間距10cm的草繩作為臨時防沖結(jié)構(gòu)主體。3技術(shù)可靠性本項技術(shù)所應(yīng)用的草繩、鋼筋等均為工程界廣為采用的材料，所選取的土壤基質(zhì)為臨近區(qū)域的土壤，所選取的三葉草、狗牙根、蘆葦也為工程當(dāng)?shù)刈匀黄毡樯L的植物物種，故從材料角度來看，本技術(shù)選用材料可靠。從施工技術(shù)來看，該技術(shù)涉及土壤回填、草繩鋪設(shè)、植物播種、田間管理等技術(shù)工藝，相應(yīng)均有較為成熟的操作規(guī)程，且難度較低。該技術(shù)應(yīng)用于倒口窯心灘守護(hù)工程后，在1年內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了守護(hù)范圍內(nèi)植被完全覆蓋，在保障灘體穩(wěn)定的同時有效改善了工程區(qū)域生態(tài)環(huán)境。值得注意的是，不同氣候、不同水文情勢對固灘植被的選擇存在不同的要求，需合理調(diào)研后確定。后續(xù)工程技術(shù)應(yīng)用推廣過程中可靠與否將主要受制于植物的選取的可靠與否。本項技術(shù)主要為護(hù)灘工程，目的在于促進(jìn)植被的生成和保障灘體的穩(wěn)定。一定時期后，隨著灘體的穩(wěn)固和植被的生長，原有固灘結(jié)構(gòu)將逐漸風(fēng)化，固灘區(qū)域物種多樣性逐漸生成，灘面將在工程引導(dǎo)下逐漸形成富含植被的天然狀態(tài)。無論在工程安全還是生態(tài)安全角度均不存在不利影響。4技術(shù)應(yīng)用情況本技術(shù)直接運(yùn)用于長江中游荊江河段航道整治工程昌門溪至熊家洲段工程中倒口窯心灘守護(hù)工程設(shè)計及施工過程中，確保了工程的順利實(shí)施。工程于2014年7月開工，2015年初實(shí)施了生態(tài)護(hù)灘區(qū)域的回填土工作，至2015年4月，生態(tài)護(hù)灘結(jié)構(gòu)及主體工程基本實(shí)施完成。從跟蹤分析情況來看，項目實(shí)施1年內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了守護(hù)范圍內(nèi)植被完全覆蓋，較設(shè)計方案提前2年。同時，植被覆蓋度的增加以及單位面積上的植被生物量和生物多樣性增加改變了項目區(qū)的土壤質(zhì)量，更好地促進(jìn)了植被的生長，如圖4所示。由此，可以確定，項目區(qū)所采用的技術(shù)路線正確，工藝合理，目前已經(jīng)提前成功完成了植入型生態(tài)固灘的指標(biāo)。該技術(shù)可替代傳統(tǒng)護(hù)灘工程保障河道內(nèi)部灘體的穩(wěn)定，可運(yùn)用于有固灘要求的內(nèi)河相關(guān)工程之中。因此本技術(shù)不僅可以用于長江航道整治，而且可以推廣至我國其他內(nèi)河航道治理工程，為水利、堤防、水電、港口等眾多領(lǐng)域的開發(fā)和建設(shè)提供參考和借鑒。從目前采用的三種植物物種及技術(shù)研發(fā)過程中所考慮的水文條件來看，目前所確定的臨時防沖結(jié)構(gòu)能夠在1.8m/s及以下流速狀態(tài)下有效防止灘面沖刷，但對于2m/s及以上流速，本技術(shù)的適用性有待進(jìn)一步觀察。從植被生長特性來看，對于氣候及生態(tài)條件類似于長江中游河段的區(qū)域，項目所提出的植入型生態(tài)固灘思路仍能適用，但需結(jié)合區(qū)域生態(tài)情況進(jìn)一步論證選擇固灘植被。對于生態(tài)環(huán)境與本次工程區(qū)域存在明顯差異的河段，本技術(shù)的適用性有待進(jìn)一步研究。5技術(shù)效益分析5.1節(jié)能低碳效益倒口窯心灘在1年內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了守護(hù)范圍內(nèi)完全覆蓋當(dāng)?shù)刈匀黄毡樯L的植物物種，在分析綠化節(jié)能減排效果時，根據(jù)覆蓋植被三葉草、狗牙根及蘆葦，歸類于草地或草坪型綠地，則單位面積日固碳量（CO2）為23.38g/m2·d。根據(jù)倒口窯心灘實(shí)際綠化面積，則碳減排量（CO2）達(dá)26.028t/a，節(jié)能量（標(biāo)準(zhǔn)煤）為10.44tce/a，相當(dāng)于節(jié)約2.584萬度電。5.2經(jīng)濟(jì)效益本項技術(shù)直接應(yīng)用于荊江河段航道整治工程倒口窯心灘守護(hù)工程的設(shè)計和施工中，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，具體體現(xiàn)在：利用當(dāng)?shù)刂参镞M(jìn)行固灘，降低了工程費(fèi)用，較D型排及拋石方案直接節(jié)約39萬；提高了工程生態(tài)效益，降低了工程生態(tài)環(huán)境影響風(fēng)險，減少了工程生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)用，提高了長江干線水產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了航道整治工程費(fèi)用；保障工程效益最大化，最大限度地優(yōu)化使用社會資源，降低公共管理成本，提高資金使用率。5.3社會效益本項目技術(shù)通過工程區(qū)域適生植被調(diào)研，優(yōu)