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生态护坡材料与河流水质关系 摘要 目前对生态护坡的研究大多集中在生态护坡的定义、生态护坡植物种植对水质的 净化，而对于如何合理的选择生态护坡材料及生态护坡材料与河流水质之间的相互影 响程度鲜有研究。本文从三个方面，进行生态护坡材料与河流水质关系的实验研究： ( 1 ) 护坡材料的使用对河流水质的影响分析；( 2 ) 河流水质对护坡材料的影响分 析；( 3 ) 生态护坡材料对降解污染物、保护河流水质、提高河流自净能力的作用分 析。 主要研究结论如下： ( 1 ) 混凝土护坡材料对河流水质及周围环境的影响实验研究表明，混凝土护坡 材料在使用初期释放碱度，使周围环境p h 升高。混凝土护坡材料表面局部环境的p h 值可达l o 2 1 3 ，不利于生态护坡种植植物的生长。碱度释放程度和释放速度与护坡 材料的种类和孔隙度有关。土壤对混凝土材料释放碱度有一定缓冲作用，可使混凝土 周围p h 值降低1 5 - 2 0 左右。 ( 2 ) 混凝土护坡材料在水中释放的碱度物质与河流中物质产生化学沉淀作用， 对河道水中的高分子有机物及含氮、磷化合物有一定去除效果。 ( 3 ) 提出新概念“污染物一面积负荷率”，指与河水接触的单位面积护坡材料在 单位时间内能够降解污染物的质量。此定义中的污染物包括化学需氧量( c o d ) 、总 氮( t n ) 、总磷( t p ) 。 ( 4 ) 在放置护坡材料的实验装置初期运行的l 7 天，河水中有机物的下降以物 理吸附作用为主，平均有机物去除率在1 6 9 6 - - - - 2 6 9 6 ，c o d 一面积负荷为3 7 - 6 9g m 2 d ； 连续运行1 0 天后，有机物去除率有所降低，平均有机物去除率值4 6 7 - - - 1 3 3 2 ，c o d 一 面积负荷率为0 7 7 - - 3 2 6g m 2 d 。 ( 5 ) 混凝土护坡材料对水中氮、磷也有不同程度净化作用。混凝土护坡材料对 t n 的净去除率为2 6 2 - 4 1 5 ，t n 一面积负荷率为7 8 0 1 7 8 0m g m 2 d ；对t p 的净去除率为4 3 9 - - 6 7 3 ，t p - 面积负荷率为1 1 2 - - - - 2 0 5m g m 2 d 。 本文设计了模拟动态水流的小型实验装置，确定了实验方法，论文在实验基础上 设计了一种快速现场测试护坡材料碱度方法，对实际工程选材及施工操作具有实际指 导意义和应用价值，并创新性的提出生态护坡材料净化水质的评价指标。为今后继续 深入研究河道护坡材料和水环境关系奠定了基础。 关键词：生态护坡材料碱度净化水质面积负荷 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne c o - s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a l s l l - a n dr l v e rq u a l i ，t y a b s t r a c t m o s tr e s e a r c h e so ne c o l o g i c a lb a n kf o c u so ni t sd e f i n i t i o na n dt h ew a t e rp u r i f i c a t i o n o fp l a n t i n gv e g e t a t i o n sp r e s e n t l y w h a ts h o u l db ek n o w ni sh o wt oc h o o s et h eb e t t e r e c o - s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a la n dt h ei m p a c tb e t w e e ne c o - - s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a l sa n d r i v e rq u a l i t y t h i sp a p e ri sb a s e do ne x p e r i m e n ta b o u tt h er e l a t i o n s h i p ，w h i c hc a l le p i t o m i z e i nt h r e ep a r t s ：( 1 ) t h ei m p a c to nw a t e rq u a l i t yb ya p p l y i n gt h ee c o - s l o p ep r o t e c t i o n m a t e r i a l ；( 2 ) t h ei m p a c to ne e o s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a lb e c a u s eo ft h er i v e rf l o w i n ga n d f r e e z i n g ；( 3 ) a n a l y s i so nt h el e v e lo fd e g r a d i n gp o l l u t a n t s ，p r o t e c t i n gt h ew a t e rq u a l i t ya n d i m p r o v i n gt h er i v e rs e l f - p u r i f i c a t i o n m a i nc o l l u s i o n s ( 1 ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee c o - s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a lr e l e a s ea l k a l i n i t y a tt h ef i r s td a y s ，w h i c hc a u s et h ei n c r e a s i n go ft h ep h t h eh i g l l e s tv a l u eo ft h ep hi s 10 2 13n e a r b yt h em a t e r i a l s t h es o i la r o u n dt h em a t e r i a l sc a nr e d u c et h ev a l u eo fp ht o 8 2 1 1 5 ( 2 ) w h e nt h ea l k a l i n i t yo ft h ee c o s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a ls p r e a dt ot h er i v e r , i tc a l l a r i s ec h e m i c a lr e a c t i o nw h i c hc a nd e g r a d et h ep o l l u t a n t ss u c ha sn i t r o g e nc o m p o u n d sa n d p h o s p h o r u sc o m p o u n d s ( 3 ) i nt h i s p a p e r , t h ec o n c e p tp o l l u t a n t s a r e ac o n t a i n m e n tr a t e i sf i r s tm e n t i o n e d ， w h i c hm e a n st h a tt h ed e g r a d e dp o l l u t a n t sw e i g h tb yp e ra r e ao ft h ee c o s l o p ep r o t e c t i o n m a t e r i a li nu n i tt i m e c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sa r e i n c l u d e di nt h ep o l l u t a n t s ( 4 ) i nt h ef i r s ts e v e nd a y so ft h ee x p e r i m e n tr u n n i n g ，t h ed e c r e a s eo ft h ep o l l u t a n t si s c a u s e db yp h y s i s o r p t i o n ，t h ea v e r a g er e m o v a ll e v e li s16 - 2 6 c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d a r e ac o n t a i n m e n tr a t ei s3 。7 - 6 9 9 m 2 d i nt h en e x t1 0d a y s ，t h ea v e r a g e r e m o v a ll e v e li s4 6 7 - - - 13 3 2 a n dc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d - a r e ac o n t a i n m e n tr a t ei s 0 7 7 3 2 6 9 l m 2 d ( 5 ) e c o - s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a lc a l ld e g r a d en i t r o g e nc o m p o u n d sa n dp h o s p h o r u s c o m p o u n d s t h er e m o v a ll e v e lo fn i t r o g e nc o m p o u n d si s2 6 2 - - 41 5 ，t h er e m o v a l l e v e lo fn i t r o g e nc o m p o u n d si s4 3 9 - - - 6 7 3 t h et o t a ln i t r o g e n - a r e ac o n t a i n m e n tr a t ei s 7 8 o 17 8 0 m g m 2 d t h et o t a lp h o s p h o r u s a r e ac o n t a i n m e n tr a t ei s11 2 2 0 5 m g m 2 d t h ee x p e r i m e n t a ls e t u p ，e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dt h ef i r s te v a l u a t i o ni nt h i sp a p e r c a nb et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h e f u r t h e rs t u d yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne c o s l o p e p r o t e c t i o nm a t e r i a l sa n dw a t e rq u a l i t y k e y w o r d s ：e c o s l o p ep r o t e c t i o nm a t e r i a l ；a l k a l i n i t y ；w a t e rp u r i f i c a t i o n ；a r e ac o n t a i n m e n t r a t e 插图清单 图2 1 浸水实验混凝土材料实图7 图2 2 混凝土试块浸水实验装置图7 图2 3 现场实验图片l o 图2 4 护坡材料覆土植草实验装置图l l 图2 5 测定面积负荷的实验水箱运行示意图1 5 图2 6 各水箱运行示意图1 6 图3 1 试块碱度变化示意图( 以c a o 计) 2 2 图3 2 试块碱度变化示意图( 以c a c o , 计) 2 2 图3 31 号试块p h 变化总趋势图2 3 图3 42 号试块p h 变化总趋势图2 4 图3 53 号试块p h 变化总趋势图2 4 图3 64 号试块p h 变化总趋势图2 4 图3 75 号试块p h 变化总趋势图2 5 图3 8 土壤中p h 变化趋势图2 6 图3 9 铺设护坡材料后草籽生长情况2 7 图3 1 0 对照实验( 无试块) 草籽生长情况2 8 图3 1 1 生物显微镜拍摄图片( 一) 3 0 图3 1 2 生物显微镜拍摄图片( 二) 3 l 图3 1 3 第一周期试验水箱中有机物降解曲线图3 1 图3 1 4 试验水箱有机物去除率图3 2 图3 1 5 一期试验水箱c o d 平均去除率分布图。3 2 图3 1 6 二期试验水箱有机物降解变化图3 3 图3 1 7 二期试验水箱c o d 去除率关系图3 3 图3 1 8 二期试验水箱c o d 平均去除率分布图3 4 图3 1 9 一期、二期c o d - 面积负荷率柱状图3 6 图3 2 0 试验水箱不同试验时段有机物去除率柱状图3 6 图3 2 1 各试验水箱总氮去除率柱状图3 8 图3 2 2 各试验水箱总磷去除率柱状图3 9 图3 2 3 各水箱u v 值变化曲线4 0 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 。5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表3 1 0 表3 1 l 表格清单 实验混凝土护坡材料一览表1 5 水质测定项目与方法1 5 不同试块碱度释放实验2 3 护坡材料浸水后释放碱性程度的分类2 5 不同护坡材料覆土撤播草种2 7 环境水对混凝土材料的侵蚀性作用程度2 9 一期实验平均c o d 除去率分析表3 3 二期实验水箱中平均c o d 除去率分析一览表3 4 一期、二期试验水箱有机物去除情况对照一览表3 5 护坡材料净水实验时段3 6 混凝土护坡材料对总氮( t n ) 净化效果一览表3 7 总磷( t p ) 净化效果一览表3 9 不同混凝土试块材料内外壁细菌密度4 2 符号清单 刁污染物的去除率，； r 净污染物净去除率，。指扣除实验水体本身的自净作用后，反映护坡材料对 水质净化作用； 磊染物污染物的面积负荷率，g 污染物( m 2 d ) ； 疋d d 叫0 d 一面积负荷率，g c o d ( m 2 d ) ； 叫n 一面积负荷率，g t n ( m 2 d ) ： 岛叫p 一面积负荷率，g t p ( m 2 d ) ； p h 值水中氢离子浓度的负对数； 如水混凝土材料与清水按体积比1 ：1 浸水后释放碱度达到平衡时，水中氢离子 浓度的负对数的值； c 0 2 侵蚀侵蚀性二氧化碳是指水中能引起碳酸钙溶解的二氧化碳的量，以c 0 2 i n g l 计； n h 4 氨态氮。水中的n h 。和n h t + 总和； 刎卅氮。水中的有机氮、氨态氮、硝态氮、亚硝态氮的总和； 铲叫磷。水中有机磷和无机磷总和； c o d 。, 化学需氧量，用重铬酸钾为强氧化剂，在强酸性条件下氧化水中还原性物 质的量，用0 2 l n g l 表示，代表水中有机污染物质的相对含量，是水中有机 物污染综合指标之一； u v 2 钳紫外吸光度，代表水中具有苯环和共轭双键结构有机物的相对含量，是水 中有机物污染综合指标之一。；紫外吸光度值越高，水中有机污染物含量 相对较高； m g t , 毫克升，物质浓度单位； g l 克升，物质浓度单位； 脚_ 升，体积单位； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金腿王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字疹兰影签字日期：刮u 年手月7 7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金匿王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：巷兰祭s 导师签名： 签字日期：p 卜年年月叫日 2 1 嘭 签字日期：m f d 年牟月j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：安德洁霆蔽竣叶竹丸院 通讯地址：合9 e 哥许幸曳南踣弼多 电话：o ；乡7 土掌7 f 弓。7 邮编： ； 致谢 感谢合肥工业大学给我提供继续求学和提高的机会，特别要感谢我的导师 徐得潜教授整个硕士期间在学业和生活上给予我极大的关怀和帮助。同样非常 感谢陈慧老师给予我的指导和帮助。 本文是在徐得潜老师和陈慧老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、研 究过程到最后的定稿，无不凝结着两位老师的心血。在论文的研究阶段更是从 两位老师那里学到了专业知识技能和探索问题的思考方法。老师们渊博深厚的 专业知识、严谨务实的治学态度、积极进取、不断创新的学术思想和兢兢业业 的工作精神使我受益匪浅，是我终身学习的榜样。最后再次对两位老师表示感 谢。 从开始进入课题到论文的顺利完成，得到了许多同学的宝贵意见，在此感 谢所有关心我和支持我的朋友们，谢谢你们的信任和鼓励。 最后，感谢我的家人给我的支持和鼓励。 作者：李兴彩 2 0 10 年3 月2 9 日 i 1 引言 第1 章绪论 城市河流是城市生存和发展必不可少的要素，承担着城市防洪、排水的基 本功能，在城市社会经济发展和生态环境保护中，也占有十分重要的地位。城 市河流具有供应水源、改善水质，提供绿地、保护环境、保护资源、调节小气 候、形成水面景观、休闲娱乐、交通运输、文化教育等各项功能。然而随着社 会经济发展和城市建设步伐的加快，人类对河流进行了多目标、全方位、大规 模、高频次的干预，如截弯取直、河道横断面几何规则化、河床材料的硬质化 等工程措施，使得城市河流形态趋于均一化，造成了水体污染，从而改变了河 流生境的多样性，降低甚至破坏了其生态系统的功能，使河流本身自净能力 下降，给人们的生产、生活带来了严重的负面影响。 长期以来，传统的河道护坡材料主要有浆砌或干砌块石护坡、现浇混凝土 护坡、预制混凝土块体护坡等。其缺点主要包括：护坡工程造价相对较高；水 下施工、维护工作难度较大；河道形式单一、生硬呆板，破坏了沿岸的景观； 其最大的缺点还在于，它仅仅从满足河道边坡的稳定性和河道行洪、排涝功能 出发进行设计施工，没有考虑对环境和生态的影响。 因此，如何恢复河道生态、促进水质净化，成为一个重要的课题。面对城 市河道治理存在的误区，许多学者、专家都在积极探讨，并呼吁尽快改变这一 现状，以实现城市的可持续发展。 新型材料是实现生态护坡建设发展的载体，多功能型生态护坡材料的发明 与应用是河道护坡发展的趋势。生态护坡材料应满足的基本要求：一是满足防 洪抗冲标准要求，要点是构建能透水、透气、生长植物的生态防护平台。二是 满足河道边坡生态平衡要求，即要建立良性的河坡生态系统能保障河流岸坡 安全与稳定，同时作为河道水体和陆地之间物质、能量、信息交换的纽带，且 能为河岸带动物、微生物的栖息繁衍及植物生长提供了环境，增强水体自净功 能，修复脆弱的生态环境。 而市场上生态护坡材料多种多样，各种材料在应用后对周围环境的影响及 其耐久性受到周围环境的影响程度等问题都是未知的，在实际工程实践中选择 护坡材料时，需要对材料本身的性能有更多的了解。国内外文献报到未涉及此 问题的深入研究。 本文针对目前国内常用护坡材料进行实验，研究各材料与河流水质的相互 影响关系及程度。文中从三个方面进行实验研究：护坡材料的使用对河流水质 的影响分析；河流水质对护坡材料性能的影响分析；生态护坡材料对降解污染 物、保护河流水质、提高河流自净能力的作用分析。研究成果将在合理选择护 坡材料方面起到一定的指导作用。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代后期，德国及瑞士等西方发达国家已深刻认识到混凝土护 岸是导致河流污染的根本原因，开始将生态学原理应用于土木工程，恢复受损 河岸生态系统的实验研究，于上个世纪8 0 年代末提出了“自然型护岸”技术 嵋；2 0 世纪9 0 年代德国、美国、日本、法国、瑞士、奥地利、荷兰等国家都 大规模拆除已经修建的混凝土河道，对其进行生态恢复。美国和日本在这方面 的工作积极而富有成效，河岸生态环境得到了良好恢复。其中，日本首先提出 了“亲水”观念，把生态护坡技术应用于城镇河道建设中，并进行了实践，推出 了植被型生态混凝土。 目前，在美国以及欧洲一些国家，较为常用的是土壤生物工程护岸技术并 广泛的应用于工程实践中口叫们，土壤生物工程护岸技术对改善水质产生一定影 响。在美国南加州山区研究了护坡对水质的影响，获得了较丰富的实际经验3 。 弗吉尼亚理工大学研究了林业坡地中，植物的收割、管理方式对弗吉尼亚海岸 地带地表水体水质的改善作用的影响n 引。佛罗里达环境保护局通过工程实例， 对林地护坡中微生物的综合作用进行了评估n 引。 日本大成建设技术研究所在1 9 8 9 年研制了能有效抑制水体富营养化的多 孔生态混凝土材料，其内部具有大量的连通孔，依靠大孔混凝土的物理、化学 及生物化学作用，达到净水作用。使用这种混凝土在公园内小河上建造净水渠， 污水在其中停留一定时间即可去除水中b o d 。4 0 5 0 ，长时间停留可去除 b o d 。8 0 9 0 。 国内于1 9 9 7 年开始研究生态混凝土净水技术，主要成果有： 2 0 0 1 年同济大学n 们研制出一套生态混凝土污水处理装置，并在上海虹口 区的南泗塘河段的河道上进行了现场实验。实验结果表明：s s 、c o d 、b o d s 、总 磷、总氮、氨氮的去除率分别为9 8 8 、5 7 o 、8 2 3 、7 8 1 、2 4 9 、1 5 4 。 李小平等人n 明在上海市进木港生态河道示范区，通过现场模拟径流实验， 研究了柴笼、灌丛垫、植草3 种不同类型的生态护坡技术对地表径流的延滞作 用和污染控制作用。采用生态护坡组合方案，在河岸坡顶一坡中一坡脚位置，依 次设置植草护坡一灌丛垫一柴笼，可优势互补，通过护坡材料的对地面径流截 污作用，达到有效控制地表径流对河流污染的目的。 吕锡武、吴义锋等n 们在黄浦江边采用生态混凝护砌开挖的实验河道种植植 物，并采用“三面光 护砌的河道为对照，研究了生态护砌种植植物对黄浦江 水水质的改善效果。实验考察了种植植物的生态混凝土实验河道对河水的有机 物( c o d 。) 、氨氮( n h 。- n ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 的降解情况；生态护砌能 有效降低河水的u v 蝴值，而对照河道河水的u v ：。值则没有明显降低。研究表 明，河道采用生态护砌种植植物技术能有效改善水质，修复和完善河流生态系 统。 2 许国东等对多孔混凝土水质净化性能进行研究，设计制作了多孔混凝土 水质净化实验装置，对5 种不同粗骨料粒径和空隙率的多孔混凝土进行了水质 净化性能实验。附着在多孔混凝土表面的生物体的数量可间接地通过溶解氧的 消耗量来检测。多孔混凝土的水质净化性能可通过总磷( t p ) 和总氮( t n ) 的 去除量进行评价。实验结果表明：多孔混凝土在水中具有富集营养物质，使生物 膜附着生长其上的效应；采用1 0 2 0 m m 粒径的集料所制备的空隙率为2 5 的 多孔混凝土其水质净化效果最佳。 国内外对生态混凝土材料的净水技术有一些研究。据文献报道日本长崎大学于 1 9 9 4 年起进行现场试验，将直径1 m ，高0 5 m 的多孔混凝土l o 个一组地投入海中，并 于1 9 9 5 年2 月至1 9 9 6 年2 月每月实测一次水质变化，发现生态混凝土有富集营养物 质的功能。另有文献报道，使用生态混凝土在公园内小河上建造净水渠( 1 5 m 2 m x o 4 m ) ，水在其中停留1 3h 可去除水中的b o d4 0 - - 5 0 ，长时间停留可去除8 0 9 0 。 同济大学材料科学与工程学院陈志山等研究生态混凝土用于污水处理中，首先对污水 进行预处理，去除固体悬浮物质后，再经过推流式生态混凝土水处理装置，达到污水 净化的目的；在实验室研究的基础上，进行了河道污水的就地净化现场试验，结果表 明，c o d 和b o d 去除率超过5 0 ，t p 去除率超过7 0 ，t n 去除率达到2 0 。纪荣平 等研究了生态混凝土对太湖梅梁湾水源地水质改善效果，中试结果表明：生态混凝土 对t n 、t p 、c o k 的平均去除率分别为3 6 1 ，5 3 8 ，2 2 9 。通过生态混凝土可使 水体的富营养状况有所降低，水质等级有所提高，对富营养化水源地水质有较明显的 改善。东南大学吴义锋等采用生态混凝土介质对富营养化饮用水源水进行预处理，结 果表明：在水力停留时间8 的条件下，t p 、t n 、c o d h 的平均去除率分别达到 4 8 7 ，3 3 1 ，2 9 4 ，取得了一定净水效果。 综上所述，目前国内外对于生态护坡的研究主要集中在植被型生态护坡建 设、生态护坡材料净化水质作用的研究，其中生态护坡材料以多孔混凝土为主 要研究对象。护坡材料多为混凝土制成，碱度较大，碱度的释放会对护坡试块 周围的水环境、土壤环境产生影响，进而影响覆土植物的生长；水体中的侵蚀 性二氧化碳以及秋冬季节水体的冻融是否会对河岸的护坡材料产生影响；如何 定量的评定各护坡材料的净水能力的大小等问题，目前均无深入定量的研究。 对指导生态护坡材料的选择缺乏合理的依据，未形成指标评价体系。本文即在 实验的基础上解决护坡材料与水质关系定量研究及如何建立评价指标的问题。 1 3 生态护坡材料与河流水质相互影响关系分析 生态护坡材料与河流水质的关系，本文从三个方面探讨两者之间关系： ( 1 ) 河道护坡材料的使用对河流水质产生的影响。 河道生态护坡种植的植物对周围环境碱度有一定的要求，河道护坡材料多 为混凝土制成，碱度较大，对周围水质及土壤的影响是不可忽视的问题。需从 3 护坡材料的碱度释放速度及变化趋势、护坡材料碱度释放对周围水环境、土壤 环境的影响三方面进行研究。从而能对生态护坡工程在实践中起到指导作用， 如对生态护坡材料的选择，铺设方式对河流水质的影响分析，铺砌完成后覆土 进行植物种植的间隔时间等。 ( 2 ) 河流对护坡材料产生的影响。 城市河道中水的p h 值为中性，其主要污染物是有机物和氮磷化合物，这 些污染物对河道混凝土护坡材料的侵蚀性影响很小，但有一点不容忽视，即河 水中侵蚀性c o ：对护坡材料具有侵蚀作用，会引起护坡材料的耐久性程度降低。 多孔性生态混凝土的空隙率较大，一般达到2 0 - 3 5 9 6n 羽，孔隙中生长的 植物根系和寄居的微生物会不断释放c o 。和有机酸，在孔隙微小的区域中积累， 这将会对混凝土有侵蚀破坏作用。虽然目前这方面没有研究报道，但应值得进 一步考察研究。 另外，秋冬季河水的冻融对河道护坡材料在耐久性方面也会产生一定的影 响。河水进入多孔性护坡材料的空隙中，冬季气温下降，孔隙细小使空隙内水 不易流出，冻结时产生的膨胀压力会传递给周围的护坡材料。长年累月的冻融 势必会对材料的耐久性产生一定的影响。 设计实验：河流中侵蚀性c d 对护坡材料试块的影响分析；模拟河流 冻融交替对护坡材料试块的影响分析。 ( 3 ) 河道护坡材料的净水作用研究 目前国内外对河道生态护坡的净水作用进行了研究，相关实验也只是针对 某种特定河道护坡材料净水效果的研究。在护坡材料选择上，未确立具有指导 意义的量化指标。本文即在实验的基础上，着重解决此项问题。 评价河道护坡工程对改善水环境作用是一项复杂的研究工作，由于牵涉的 学科面广，目前大多停留在定性阶段。在护坡材料的使用对改善河道水质影响 的评价研究报告中，大多采用“去除率 的概念。 “去除率 是一个相对指标，使用时是有条件的，尤其是小型实验装置获 取的数据不能直接应用于实际河道中，否则将产生很大的误差与实际情况不相 符合。其原因是：河道中采用的各种护坡形式不同，河道的湿周不同，护坡材 料与水体接触面积大小不同都将导致计算结果的偏差。 单纯用“去除率指标来评价各种护坡方式对净化水质作用较片面，不能 全面真实反映护坡技术与净水程度之间关系。经过实验研究，本文提出采用护 坡材料的“污染物一面积负荷率( 磊垫砌) 指标评价净水效果和净水程度将更 加符合客观规律。 1 4 研究内容 目前国内在生态护坡技术对改善河流水环境方面工作虽然有一些研究，但 就不同护坡形式和护坡材料的选取对改善水环境的系统性研究工作不多，且缺 4 乏生态护坡对改善水环境作用的系统评价方法。本文主要从以下三方面进行研 究： ( 1 ) 护坡材料的使用对河流水质的影响分析 护坡材料的碱度释放速度及变化趋势 护坡材料对周围水环境p h 影响研究 护坡材料对周围土壤p h 的影响研究 不同护坡材料覆土后对栽种植物的不同影响 ( 2 ) 河流水质对护坡材料的影响分析 河流中侵蚀性c a 对试块的影响分析 模拟河流冻融交替对试块的影响分析 ( 3 ) 生态护坡技术对截留降解污染物、保护河流水质、提高河流自净能力的 作用分析研究。 生态护坡材料对河流水质净化的评价指标 生态护坡材料对河流中有机物降解的影响分析 护坡材料对河流中总氮降解的影响分析 护坡材料对河流中总磷降解的影响分析 1 5 预期研究成果 经实验及分析，预期研究成果如下： ( 1 ) 护坡材料指标评价体系的建立； ( 2 ) 得出护坡材料碱度释放规律结论及进行有关影响因素的分析； ( 3 ) 护坡材料碱度释放对河道水质及周边土壤的影响程度； ( 4 ) 水体中侵蚀性二氧化碳及冻融因素对护坡材料耐久性的影响； ( 5 ) 护坡材料对水体中有机物、总氮、总磷的降解水平及影响因素； ( 6 ) 建立护坡材料对水体中有机物、总氮、总磷降解的初级模型及其参 数的确定； ( 7 ) 建立护坡材料净水功能的量化评价指标。 5 第2 章生态护坡材料与水质关系实验方法 2 1 护坡材料的使用对河流水质影响的实验分析 目前混凝土材料在河道生态护坡中应用较广，产品种类多。混凝土护坡材 料基本成分是碎石、砂、水泥、添加剂等以不同水灰比制造而成。护坡材料的 使用对河流水质影响研究的实验设计如下： 2 1 1 护坡材料的碱度释放速度实验 碱度指水中所含能接受质子的物质的总量，是水中吸收质子的能力。天然 水中碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳酸盐及氢氧化物的存在。混凝土护坡 材料在环境中能释放碱度，导致环境的p h 值上升，碱度过高会影响植物的生 长。 目前混凝土材料在河道生态护坡中应用较广，产品种类多。混凝土护坡材料( 无 论是普通混凝土还是生态混凝土) 基本成分是碎石、砂、水泥、添加剂等以不同水灰 比制造而成。混凝土材料的基本组份是水泥，在水化时，将产生c a ( o h ) 。，使得混凝土 呈强碱性，p h 值高达1 2 1 3 左右，这种强碱性环境将不利于植物和水中生物的生长。 有些厂家为了降低产品的碱度，在混凝土生产中加入醋酸纤维等添加剂，生产出低碱 度生态混凝土。据资料表明，种植植物的护坡材料的p h 值在小于1 0 以下较好，植物 成活率较高。 目前混凝土材料p h 值的测定方法：将达到一定龄期的混凝土破碎，充分研磨后， 用0 0 8 r a m 孔径过筛，称取l o g 试样，加入到1 0 0 m 无c 0 2 蒸馏水中，用橡皮塞塞紧以 防碳化，每隔约5 分钟震动均匀1 次，2 h 后用酸度计测定p h 值n 明。需要实验仪器 有万能粉碎机、玛瑙研钵、分析天平、分析筛、摇床、p h 仪、玻璃器皿等。上述混凝 土材料p h 值的测定方法测定过程繁琐，试验中使用仪器种类较多，现场测定难度较 大。 本文研究的一个内容是设计一种简易测定护坡材料的碱度释放方法，可用于现场 测定，为选择低碱度护坡材料和各种混凝土护坡材料的碱度释放提供检测方法。 浸水法测定混凝土护坡材料碱度释放的实验方法设计：将混凝土试块放入试验水箱的 清水中，使试块逐渐浸入清水，排除试块空隙中空气。记录浸水量体积和试块体积。 由水泵控制水箱中水呈循环流动，定时取水箱中水样，采用玻璃电极法测定浸出水样 中的p h 值( 或采用酸碱滴定法测定碱度值，在无p h 仪条件下，也可采用精密p h 试 纸测定浸出液的p h 值) 。实验设备及仪器：精密p h 仪、水箱、循环泵、1 l 量筒。 实验材料及装置见图2 1 、2 2 ： 6 圈2l浸水实验混凝材料实圈 一 ：鎏壁鞠瑟鐾鎏淄 卜甏j 懋挚j 。：豢蕊渤誉j 田22混凝土试块浸水实验装量圈 酸碱滴定法步骤如下： 1 ) 取试块加入碱度一致的自来水，淹投混凝土试块计时，设立平行样： 2 ) 取适当的时间间隔测一次碱度，平行试样两份，分别置于1 5 0 m l 三角 瓶。 3 ) 加入等量酚酞指示剂，摇匀： 4 ) 若溶液呈红色用01 0 0 0 m o l l 的h c l 溶液滴定至刚好无色( 可与无c 魄 燕馏水的锥形瓶比较) 。记录用量( p ) 。若加酞酞指示剂后溶液无色，则不需用 m l 溶液滴定； 5 ) 再于每瓶中加入等量甲基橙指示剂，混匀。 6 ) 苦水样变为桔黄色，继续用0 1 0 0 0 m o l l 的h c l 溶液滴定至刚刚变为 桔红色为止( 与无c o ：的蒸馏水中颜色比较，记录用量( m ) 。如果加甲基橙指示 剂后溶液为桔红色，则不需用h c i 溶液滴定。 7 ) 计算总碱度( 以c a o 和c a c o 。表示) 总碱度( c a o - t t ，m g l ) ：c ( p + m i ) _ x 一2 8 0 4 1 0 0 0 y 总碱度( c a c 0 3 ，m g l ) ：c ( p + m i ) x 一5 0 0 5 1 0 0 0 y 式中：c h c i 标准溶液浓度( m o i l ) 2 8 0 4 一氧化钙摩尔质量( 去c 白d ，g m 0 1 ) z 5 0 0 5 一碳酸钙摩尔质量( 去c 口鹏，g t 0 0 1 ) z 矿一水样体积( m l ) p 一酚酞为指示剂滴定至终点时消耗h c i 标准溶液的量( m l ) 膨一甲基橙为指示剂滴定至终点时消耗h c i 标准溶液的量 ( m l ) 2 1 2 护坡材料对周围水环境p h 影响研究实验 本文自主设计测定护坡材料对周围水环境p h 影响的实验，具有很强的可 操作性，为生态护坡材料选择时混凝土护坡材料对周围水环境的影响提供了检 测方法。 将混凝土试块放入实验水箱的清水中，使试块逐渐浸入清水，排除试块空 隙中空气。记录浸水量体积和试块体积。由水泵控制水箱中水呈循环流动，定 时取水箱中水样，采用玻璃电极法测定浸出水样中的p h 值( 或采用酸碱滴定 法测定碱度值) ，实验装置同上。 物理概念：混凝土材料浸水后释放碱度达到平衡时，水中氢离子浓度的负对数的 值。p h 值反应材料释放碱度的程度。当材料浸水后碱度达到平衡时溶液p h 值超过1 1 ， 对水生生物生长不利。 计算公式：p h = 一l g i - f 实验如下： ( 1 ) 将待测混凝土护坡材料试块浸没入等体积的水中，15 小时后采用玻 璃电极法测定浸水中p h 值，即为p 水。根据表3 1 中数据判断护坡材料释放 碱性程度。 ( 2 ) 在无p h 仪条件下，也可采用精密p h 试纸测定1 ：1 浸出液的p h 值。 ( 3 )若混凝土护坡材料与浸水体积比为v 。：y 。，且v 。v ，v ， v 。时，该 混凝土护坡材料的p 水值可按下式( 2 1 ) 计算 p 月袅水= p q + l g 争 ( 2 1 ) ，0 式中，p 日浸水一一混凝土材料与清水按体积比1 ：l 浸水后释放碱度达 到平衡时，水中氢离子浓度的负对数的值； 幽一一浸水中的实测p h 值； k 一一实验加入的浸水体积( l ) ； 虼一一护坡材料体积( l ) 。 2 1 3 护坡材料对周围土壤p h 的影响研究实验 电位分析法分为电位法和电位滴定法两类。电位法也称离子选择电极法， 它利用膜电极将被测离子的活度转换为电极电位而加以测定的一种方法；电位 滴定法利用电极电位的变化来指示滴定终点的容量分析方法。在测定离子的浓 度时，电位法仅仅测定溶液中的自由离子，它不破坏溶液中的平衡关系，而电 位滴定法测定被测离子的总浓度。 电位测量时，将一支指示电极与另一支合适的参比电极插入被测试液中， 构成一个电化学电池，并通过离子计( 或p h 计) 测定该试液的电动势或电极 电位( 或p h ) ，以求得被测物质的含量。 用电位法测定p h 时，精密度较高。采用电位法测定土壤p h 是将p h 玻璃 电极和甘汞电极插入土壤悬液或浸出液中，测定其电动势值，再换算成p h 值。 在酸度计上测定，经过标准溶液定值后则可直接读取p h 值。水土比例对p h 值 的影响较大，尤其对于石灰性土壤稀释效应的影响更为显著，以采取小水土比 为宜，本法规定土壤p h 为l ：1 的水土比例。为了接近于野外土壤的实际含水情 况，避免水分过多时的溶解影响，选用浸提的水或盐溶液( 酸性土壤为1 o m k c l ， 中性和碱性土壤可采用0 0 1 m c a c l 。) 与土之比为2 5 ：l 。近年来，还有采用接 近野外土壤水分状况的水土比1 ：1 或饱和泥浆的，这对于碱性土壤可得到较 好的效果。 本实验设计是为了测定不同的混凝土护坡材料对周围土壤环境的影响，为 生态护坡工程后期植物的种植提供土壤碱度环境的科学依据。 实验图片2 3 ： 9 围23 现场实验田片 实验过程为：选择地表5 c m 以下的黄泥土，均匀取样填充实际试块中心孔 洞，每次分2 个区域取土样即圆形的中心和四周，各称取通过2 m m 孔径筛的风 干试样2 0 9 ( 精确至0 1 9 ) 于5 0 m l 高型烧杯中，加去除c 0 ：的水2 0 m i ，以搅拌器搅拌 i m i n ，使土粒充分分散，放置3 0m in 后进行测定。 2 1 4 不同护坡材料覆土后对栽种植物的影响差异实验 本实验取不同的护坡材料试块按土、石相问的形式摆放成同格状，覆 土后均匀播撤草种一狗牙根，定期浇水，观察草的长势。实验目的是在实 践过程中，对混凝土护坡材料对植物生长情况影响进行揉究。护坡材料的 基本组份是水泥，在水化时会释放一定的碱度通过土壤的碱度变化影响 植物的生长。 种植植物后对水质净化效果的加强程度，是研究的发展方向。通过实 验建立起的评价指标，希望能够在种植植物后，将指标的应用范围拓展， 进而可对不同护坡材料种植植物后的净永效果进行评判。 实验装置见图2 4 ： 圈2 4 护坡材料疆土植草实验装置嘲 2 2 河流对护坡材料影响的实验分析 2 2 1 河流中侵蚀性c 0 2 对护坡材料的影响分析实验 河漉中微生物及水生生物的呼吸作用释放c o , ，对混凝土材料的侵蚀性影响不能 忽视，可能影响到混凝士材料的耐久性。尤其在水质污染较重的河段应加以重视。多 孔性生态混凝土的空隙率较大，一般达到2 0 3 5 9 6 ，并具有一定强度( 1 5 2 5 m p a ) t i t , 孔骧中生长的植物根秉和寄居的微生物会不断释放c 仉和有机酸，在孔隙微小的 区域中积累，这将会对混凝土有侵蚀破坏作用。虽然目前这方面没有研究报道，但应 值得进一步考察研究。 侵蚀性二氯化碳是指水中能引起碳酸钙溶解的二氧化碳洲。侵蚀性二氧化碳在水 中与混凝土材料中的基本成分发生下列化学反应， c a c 0 3 + c 0 2 + 峨o = c a ( h c 0 3 ) 2 m g c o , + c b + 日，d = m g ( h c 0 3 ) ， 当水中游离c 0 ，含量大于上述平衡，混凝土中的碳酸盐( c a c o , ) 会溶解，产生可 溶性的重碳酸盐( c a l i c 0 3 ) ，反应平衡向右移动。参与这部分与碳酸盐反应的c o , ，就 是水体中的侵蚀性二氧化碳。目前在合肥市几条主要河道中，如南淝河、十五里河、 板桥河中均存在有机物、氨氮、磷和重碳酸盐，这种生物学分解有机物过程必然存在， 在选择护坡材料时应予考虑侵蚀