植入型生态固滩技术的研究及应用

摘要：本技术依托长江中游荆江河段航道整治工程中的倒口窑心滩守护工程，在深入分析倒口窑心滩与藕池口心滩水文情势、植被生长特点的基础上，选择狗牙根、芦苇等本土化植物作为固滩植被，将固滩植被种植在经过基质改良的土壤内，并在土壤上方铺设用草绳编织成的网状固土设施，促进植被成规模生长，既可巩固护滩工程效果和促进滩地的淤积壮大，又可实现工程和周边环境的有机融合，实现了植被有效覆盖，营造出种类丰富的湿生植物群落，防止了水土流失。在保护滩面免受冲刷的同时，极大提高了航道整治工程的环境效益和生态效益。关键词：交通工程；航道建设；生态固滩；环境整治；环境绿化1技术概况河道内洪水期淹没的中低滩的稳定，是保持航道稳定的关键条件。三峡工程蓄水以后，因来沙大幅减少，洲滩冲刷萎缩现象普遍，近年来大量采取了基于软体排的护滩措施，多运用块石、混凝土等硬质材料，往往导致河床硬化，对底栖生物的生态环境造成一定的破坏。如何在传统护滩工程的基础上提出施工简单、成本低的生态结构，促进成规模的植被生长，在守护滩体稳定的同时改善局部生态环境就显得尤为必要。该技术的研发依托长江中游荆江河段航道整治工程中的倒口窑心滩守护工程，突破传统硬质护滩结构，在深入分析倒口窑心滩与藕池口心滩水文情势、植被生长特点的基础上，选择狗牙根、三叶草和芦苇作为固滩植被；将固滩植被种植在经基质改良的土壤内；并在土壤上方铺设用草绳（当年内淹没期不低于一个月时，建议采用价格稍贵更加耐腐的麻绳，下文对此不再重复补充）编织成的网状框架防冲结构，促进植被成规模地生长，在长江干流河道中首次实现了植物固滩。技术成果直接应用到荆江河段航道整治工程中，利用当地植物进行固滩，降低了工程费用，取得了显著的经济效益；提升了河道洲滩植被覆盖率，降低了工程生态环境影响风险，减少了工程生态环境补偿费用，提高了长江干线水产业经济效益，取得了良好的生态效益。同时该项技术可推广应用至相关河道治理工作中，为水利、堤防、水电、港口等众多领域的开发和建设提供参考和借鉴。2技术原理2.1技术原理护滩工程结构类型可分为传统护滩与生态护滩两种。传统护滩结构主要有四种：排体结构、抛石结构、抛枕结构、钢丝网石兜结构。近年来又衍生了单元排、三维加筋垫等对河势干扰小、固滩效果较好的护滩结构。尽管这些护滩模式适应河床变形能力强，航道整治效果较好，然而其较少考虑河道生态环境功能，多采用混凝土、土工布等硬质材料，引起地质硬化，使河道环境条件模式化、生物种类单一化，同时工程效果也易受不稳定的基底条件影响。近年来民众对生态环境越发关注，工程设计逐渐开始重视对生态环境的影响，工程结构形式走向生态化，出现了一大批采用生态护岸（坡）技术的工程。但这些生态工程由于对基质土壤固定不足或固滩植被选取不合理，遇洪水期，基质土基本全部被冲走，大部分已成活的草也被洪水冲刷带走；较长时间淹没于水下的滩体，草体难以存活，很难起到较好的生态固滩效果。针对上述缺陷，本技术选择狗牙根、三叶草和芦苇种植在经过基质改良的土壤内，并铺设用草绳编织成的网状框架防冲结构，构建了原材料且成本低，同时不会对挺水植物的生长发育产生影响的临时防冲结构，合理选用固滩植被，解决了原有的生态固滩技术存在的不耐洪水冲刷、草体难以存活的问题。技术研发流程见图1。2.2实施方案本技术提出经济高效的植入型生态固滩技术，以解决原有的生态固滩技术不耐洪水冲刷、草体难以存活的问题。以倒口窑心滩守护工程为例，实施方案主要包括三个部分：（1）适生植被物种的选取生态固滩，首先要选择合适的固滩植被。固滩植被的选择应满足以下原则。①适应性原则：固滩植被作为构建滩地生物群落的先锋物种，必须能够很好地适应当地环境，耐淹、耐污、耐冲刷，且抗旱性好、生命力强，可在贫瘠环境下存活。②本土性原则：应优先考虑本地土著物种，尽量避免引进外来物种，以防生物入侵事件的发生，保护生物多样性与生态安全。③强净化性原则：优先考虑可净化当地环境的物种，为其他物种的繁衍创造适宜的生态环境。④可操作性原则：所选物种需根系发达、固土效果好、繁殖能力强、栽培管理成本低、收获方便、淹没后易于恢复、生态景观效果良好、不影响航运及行洪安全，同时具有一定的经济利用价值。此外，固滩物种的选择还应考虑植被的时空分布，不同物种间搭配良好，做到季节更迭覆盖，空间层次分明。倒口窑心滩每年有1~2个月的时间受水道水位影响，心滩部分或者完全被淹没在水下，因此，选择物种的一个重要标准是该物种具有较好的耐涝耐淹能力，适宜季节性的淹水环境。其次，倒口窑心滩大部分时间暴露在空气中，属于陆生环境，尤其是心滩坡面，一年中大部分时间处于干燥状态，因此，选择的物种又需要能在干燥土壤中存活和生长，具有良好的耐旱能力。同时，考虑到入侵物种的生态危害，需要杜绝引入外来物种，因此物种的选择范围必需局限于长江流域的土著物种，能够很好地适应当地的环境气候条件。此外，考虑到物种的四季更迭和景观层次，植被的生态功能正常发挥，物种的选择不能过于单一，需要考虑几个物种的搭配，确保在空间上有层次，在季节更迭上有变化。（2）固滩植被繁育与管理确定固滩植被以后，还需确保其成活。鉴于倒口窑心滩目前表层淤积的基本是砂质粗颗粒，粒径大，营养贫瘠，彼此粘连性差，导致其存在一定的移动性和不稳定性。因此，适生植被恢复需要解决的第一个问题就是土壤基质的改良，如果不改变基质的理化性状，植被缺乏必要的土壤，则难以成活。基质改良需要面临两个问题：一是稳定性，如果土壤基质总是处于动荡变动中，植物种子萌发和生命代谢无法获得必要外部环境，植被的构建是不可能实现的。二是营养和水分供给，过于贫瘠和干燥的土壤对于植物的生长发育和生命代谢过程是一种胁迫和阻碍，心滩基质营养贫瘠，难以满足植物生长的需要，水分供给方面，滩地水位变幅大、变化快，植物栽种时间紧迫，且不同植物对生长环境要求不同，需要采取适宜的繁育与管理手段，以提高成活率。为确保固滩植被的成活，首先需要对土壤进行基质改良，具体操作过程如下：①就地取材，掘取附近农田、林地等地黏土运送至项目区；②植入黏土并夯实，植入土层厚度以50cm为宜；③定期施用农家肥为植物提供必需养分，同时改良土壤质地，施肥标准500kg/亩；④大规模接种土壤藻类藻种，以增加基质活力。接种后次日开始每天洒水以确保土壤藻类活性和发挥作用。三种固滩植物分别采用不同的繁育方法，其中狗牙根和芦苇采用原位分根法，三叶草采用播种法。原位分根法：收集狗牙根茎和芦苇块茎，敲掉泥土，均匀播撒，覆盖土层并压实，不定时浇水以保持湿润，数日内即可生根发芽，20天左右即能滋生新匍匐枝，略增施含氮肥水同时修剪，匍匐枝迅速蔓延并生根，形成新植被。种植密度：狗牙根覆盖全部项目区表层土壤，将匍匐茎切成3~5cm的小段播撒，密度200~300g/m2；芦苇切成30cm一段，按照6段/m2的密度栽种；三叶草200g/m2。空间分布：按地势高低将实验区一分为二，低处撒播狗牙根，高处撒播三叶草。狗牙根生命力较强，占据的空间为三叶草的两倍，且不需要人工干预两个物种的种群分布。在不遮挡狗牙根和三叶草光照的需求前提下，确定芦苇栽种密度为6段/m2。植株定植：为减缓水流冲力，在种植初期，需构建必要的临时防冲设施，将植物种植在草绳编织的格子内，通过植入性草绳结构减少水流对植株的冲击；同时，采用打木桩、压石块、编织竹篱笆等方式固定植株，以免植株倒伏，确保成活率。植被管理：种植后的管理相当重要，重点做好实施初期的养护，当天气干旱以及主河道水位过低，固滩区域土壤墒情较差时，应定期浇水，防止汛前植被发育偏缓、丰度偏低。（3）临时防冲结构种植初期，为避免植物种子或幼苗被水流冲刷带走,需在实验区设置一定的临时防冲设施，以确保植被定植生根。临时防冲结构需满足两个条件：一是较强的防冲能力，二是成本相对较低。黏性颗粒含量较多的土壤，颗粒间黏结力对土壤起动流速的影响较大，开始明显冲刷的流速更大，且同等条件下冲刷深度较小。考虑工程实际，土体回填后通常有一段时间的固结过程，密实度会有所增加，因此实际的回填土性质接近黏性土。综合以上因素，选择可降解的草绳铺设成网状框架，采用木条打桩进行固定，作为临时防冲结构。不同型式防冲结构的防冲能力不同，同等条件下，防冲结构空隙越大，防冲作用越小。不同植被生长对空间的需求也存在差异，铺设临时防冲结构时，考虑该结构的空间占用情况及其对植物的影响。在本技术方案中，狗牙根、三叶草均贴近地表，防冲结构影响不大，不需考虑间距问题。一般芦苇的种植间距约为30cm，草绳过密不方便进行栽植，需考虑间距问题，如图2、图3所示。综合考虑植株的生长空间需求、种植的可操作性以及临时防冲结构的经济性和使用寿命，确定选用直径1cm、绳间距10cm的草绳作为临时防冲结构主体。3技术可靠性本项技术所应用的草绳、钢筋等均为工程界广为采用的材料，所选取的土壤基质为临近区域的土壤，所选取的三叶草、狗牙根、芦苇也为工程当地自然普遍生长的植物物种，故从材料角度来看，本技术选用材料可靠。从施工技术来看，该技术涉及土壤回填、草绳铺设、植物播种、田间管理等技术工艺，相应均有较为成熟的操作规程，且难度较低。该技术应用于倒口窑心滩守护工程后，在1年内基本实现了守护范围内植被完全覆盖，在保障滩体稳定的同时有效改善了工程区域生态环境。值得注意的是，不同气候、不同水文情势对固滩植被的选择存在不同的要求，需合理调研后确定。后续工程技术应用推广过程中可靠与否将主要受制于植物的选取的可靠与否。本项技术主要为护滩工程，目的在于促进植被的生成和保障滩体的稳定。一定时期后，随着滩体的稳固和植被的生长，原有固滩结构将逐渐风化，固滩区域物种多样性逐渐生成，滩面将在工程引导下逐渐形成富含植被的天然状态。无论在工程安全还是生态安全角度均不存在不利影响。4技术应用情况本技术直接运用于长江中游荆江河段航道整治工程昌门溪至熊家洲段工程中倒口窑心滩守护工程设计及施工过程中，确保了工程的顺利实施。工程于2014年7月开工，2015年初实施了生态护滩区域的回填土工作，至2015年4月，生态护滩结构及主体工程基本实施完成。从跟踪分析情况来看，项目实施1年内基本实现了守护范围内植被完全覆盖，较设计方案提前2年。同时，植被覆盖度的增加以及单位面积上的植被生物量和生物多样性增加改变了项目区的土壤质量，更好地促进了植被的生长，如图4所示。由此，可以确定，项目区所采用的技术路线正确，工艺合理，目前已经提前成功完成了植入型生态固滩的指标。该技术可替代传统护滩工程保障河道内部滩体的稳定，可运用于有固滩要求的内河相关工程之中。因此本技术不仅可以用于长江航道整治，而且可以推广至我国其他内河航道治理工程，为水利、堤防、水电、港口等众多领域的开发和建设提供参考和借鉴。从目前采用的三种植物物种及技术研发过程中所考虑的水文条件来看，目前所确定的临时防冲结构能够在1.8m/s及以下流速状态下有效防止滩面冲刷，但对于2m/s及以上流速，本技术的适用性有待进一步观察。从植被生长特性来看，对于气候及生态条件类似于长江中游河段的区域，项目所提出的植入型生态固滩思路仍能适用，但需结合区域生态情况进一步论证选择固滩植被。对于生态环境与本次工程区域存在明显差异的河段，本技术的适用性有待进一步研究。5技术效益分析5.1节能低碳效益倒口窑心滩在1年内基本实现了守护范围内完全覆盖当地自然普遍生长的植物物种，在分析绿化节能减排效果时，根据覆盖植被三叶草、狗牙根及芦苇，归类于草地或草坪型绿地，则单位面积日固碳量（CO2）为23.38g/m2·d。根据倒口窑心滩实际绿化面积，则碳减排量（CO2）达26.028t/a，节能量（标准煤）为10.44tce/a，相当于节约2.584万度电。5.2经济效益本项技术直接应用于荆江河段航道整治工程倒口窑心滩守护工程的设计和施工中，产生了明显的经济效益，具体体现在：利用当地植物进行固滩，降低了工程费用，较D型排及抛石方案直接节约39万；提高了工程生态效益，降低了工程生态环境影响风险，减少了工程生态环境补偿费用，提高了长江干线水产业经济效益，节约了航道整治工程费用；保障工程效益最大化，最大限度地优化使用社会资源，降低公共管理成本，提高资金使用率。5.3社会效益本项目技术通过工程区域适生植被调研，优