（环境科学专业论文）城市河流硬质护坡生态修复技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s l o p ep r o t e c t i o no f t o w nr i v e ri so n eo f i m p o r tt r a n s i t i o nz o n ef o rm a t t e r , p o w e r , a n di n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nw a t e ra r e ae c o s y s t e ma n dd r yl a n de c o s y s t e m i t p r o v i d e sv a r i o u sw a t e rl i v i n gt h i n g st h em a i ns p a c ef o re x i s t i n ga n dm u l t i p l y i n g a n d i t s i m p o r t a n tr e a l i t ya n dl u r k i n gm e a n i n gw i t h o u te x c e p f i o nt o t h ea c t i v i t yo f i n c r e a s i n gav a r i e t yo fa n i m a la n dp l a n tt h i n gs o u r c e s ，i m p r o v i n gb i o d i v e r s i t ya n d e c o s y s t e mp r o d u c t i v i t y , c o n t r o l l i n gs o i le r o s i o n ，s t a b i l i z i n gr i v e rb a n k ，a d j u s t i n gt h e t i n yc l i m a t e ，b e a u t i f y i n gt h ee n v i r o n m e n ta n dc a r r y i n go u tt h et o u r , t o o b u tal o to f r i v e rr e v e t m e n ti ss p e n tt oh a r da n dc h a r m e l i z a t i o nc u r r e n t l y , t h er e s u l tc a u s e st h e r i v e rr e v e t m e n tf i m c t i o na sb i o d i v e r s i t ya n de c o s y s t e mc r o s sz o n el o s e sc o m p l e t e l y t h e r e f o r e ，e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no ft h eh a r dr i v e rr e v e t m e n th a v ea l r e a d yb e c o m e c u r r e n tr e s e a r c hh o ts p o to f e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no f c i t yr i v e ri no u rc o u n t r y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h eb a s i ct h e o r ya b o u te c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o nc o n s t r u c t i o n ，t oi n n o v a t i v e l y a d d r e s sak i n do f t e c h n o l o g y o f w a t e r - r e s i s t a n ts u b m e r g e dp l a n t sa n dc a s i n gs o i ls l o p ep r o t e c t i o n t os o l v et h e d i f f i c u l tt e c h n i c a li s s u e sa b o u tw a t e rb a l a n c e ，f l o o d i n gs t r e s sa n dt h i c k n e s so fc a s i n g s o i ld u r i n gt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o c e s so nt h ec o n d i t i o no fb i gw a t e rl e v e r c h a n g e ，i tr e l e a s e dt h eh a z a r dt ot h er i v e re c o s y s t e mc a u s eb yh a r dr e v e t m e n t ，a n d i n c r e a s e dav a r i e t yo fa n i m a la n dp l a n tt h i n gs o u r c e s i tc a l lb eat h e o r e t i c a ls u p p o r t m a dt e c h n i c a lr e f e r e n c ef o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no f c i t yf i v e rh a r dr e v e t m e n t t h i sp a p e rd i s c u s s e sa b o u ts o l u t i o nt ot h ed i f f i c u l tt e c h n i c a li s s u e sa b o u tw a t e r b a l a n c e ，f l o o d i n gs t r e s sa n dt h i c k n e s so fc a s i n gs o i ld u r i n gt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n p r o c e s so nt h ec o n d i t i o no fb i gw a t e rl e v e rc h a n g e ，f o c u so nt h ef o l l o w i n ga r e a so f r e s e a r c h 1 b a s i n go nt h er u l eo fu s i n gr e s o u r c ef r o ml o c a lc o n d i t i o nf o re c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o n ，u s i n gw e ts o i lf r o mm o u n tb e i g ua sh a r dr e v e t m e n tb a s i cs o i l ，a n du s i n g r y e g r a s s ，r i b b o ng r a s s ，r e e da st e s tp l a n t ，d e t e r m i n e dt h en u t r i e n t sl a y i n gt h i c k n e s so f t h er e v e t m e n ts u r f a c ed u r i n gt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o c e s sb y e x p e r i m e n t 2 s t u d i e dt h es u b m e r g e ds t r e s s - r e s i s t a n tp l a n t sp e r f o r m a n c ei nw a t e r l o g g e d c o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w ：b a h i ag r a s s ，z e p h ) 7 r a n t h e sc a n d i d a , o p h i o p o g o n 河海大学硕士学位论文 j a p o n i c u sh a v et h es 虹o n gs t r e s s - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e ；i tc a nb et h ep l a n ts p e c i e sf o r r i v e rr e v e t m e n to nt h ec o n d i t i o no fl a r g ew a t e r c h a n g e 3 s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yt h eg r a v e lm u l c ht e c h n o l o g yd u r i n gt h ee c o l o g i c a l r e s t o r a t i o np r o c e s s t h er e s u l ts h o w ：g r a v e lc o v e r i n gc a r ls t r e n g t h e nt h er e v e t m e n t s u r f a c es o i la b i l i t yo fp r o t e c t i o na g a i n s te r o s i o n ，i m p r o v i n gt h es o i lp e r f o r m a n c eo f w a t e rc o n s e r v a t i o n ，a d j u s t i n gt h es o i ls u r f a c et e m p e r a t u r et op r o m o t et h ep l a n tg r o w t h ； m e a n w h i l ei tw i l ld og o o dt or e m o v ea n da b s o r bt h ec o n t a m i n a n ti nt h ep o l l u t e dw a t e r b o d y t h r o u g h t h es i t e d e m o n s t r a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w ：t h et e c h n o l o g yo f w a t e r - r e s i s t a n ts u b m e r g e dp l a n t sa n dc a s i n gs o i ls l o p ep r o t e c t i o ni s c o m p l e t e l y s u i t a b l ef o re c o l o g i c a lr e n o v a t i n go fr i v e rr e v e t m e n to i lt h ec o n d i t i o no fl a r g ew a t e r c h a n g e ，a n dh a v eac e r t a i np o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：f l i n t ys l o p ep r o t e c t i o n ，e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ，e a r t h i n gt h i c k n e s s ， s u b m e r g e - f a s tp l a n t ，p r o t e c t i o na g a i n s te r o s i o n ，w a t e rr e t a i n i n gc a p a c i t y , g r a v e l m u l c h t i i 摘要 摘要 城市河流护坡是水域生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的 一个重要过渡带，能为各种水生生物提供生存和繁衍的主要空间，同时对增加动 植物物种种源、提高生物多样性和生态系统生产力、治理水土流失、稳定河岸、 调节微气候和美化环境、开展旅游活动均有重要的现实和潜在意义。但由于当前 诸多河流护坡被硬质化和渠道化，结果导致河流护坡作为生态交错带的功能完全 丧失。因此，对河流硬质护坡进行生态修复己成为目前我国城市河流生态修复的 研究热点。 本文在探讨了生态型河流护坡构建的基本原理的基础上，针对大水位变化条 件下河流硬质护坡在生态修复过程中存在着覆土厚度、淹水胁迫及水分保持等技 术难点问题，开创性的提出了一种保水基质一耐淹植物覆土护坡技术，不仅缓解 了硬质护坡给河流生态系统造成的危害，提高了区域内的生物多样性，而且在很 大程度上为城市河流硬质护坡的生态修复提供了理论支持和技术参考。 本文针对大水位变化条件下河流硬质护坡在生态修复过程中存在着水分保 持、淹水胁迫及覆土厚度等技术难点问题，重点开展了以下几个方面的研究工作： 1 根据生态护坡因地制宜、就地取材的构建原则，选用了北固山湿地土壤作 为硬质坡面土壤基质，以黑麦草、蘸草和芦苇作为供试植物，确定出了通过实验 研究硬质护坡生态修复中坡面营养基质的敷设厚度； 2 研究了在淹水胁迫条件下护坡植物的耐淹性能，研究结果表明：百喜草、 葱兰和麦冬具有很强的耐淹性，可作为大水位变化条件下河流护坡的植物种类； 3 研究了碎石覆盖技术在硬质护坡生态修复中应用的可行性，研究结果表 明：碎石覆盖处理能够增强护坡表层土壤的抗冲刷能力、提高土壤的保水性能、 调节土壤的表层温度以促进植物的生长，同时还可以对污染水体中的污染物具有 一定吸附去除效果。 通过现场示范研究结果表明，保水基质一耐淹植物覆土护坡技术完全适于在 大水位变化条件下硬质护坡的生态修复中运用，并具有定的应用积推广价值。 关键词：硬质护坡，生态修复，覆土厚度，耐淹植物，抗冲刷能力，保 水性能，碎石覆盖 本研究得到国家“十五”重大科拽专项“8 6 , 3 ”课题一“镇江水环境质量改善与生态修复技术研究 及示范( 2 0 0 3 a a 6 0 1 1 0 0 ) 项目资助 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者c ：浏l 砷月；日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 益客主盔l 研中月弓日 7 第一章绪论 第一章绪论 自古以来河流与人类的发展就有着密不可分的关系，从古代黄河流域的黄帝 部落到长江流域的苗蛮都落，他们都是傍水而栖、耕地而作，这些无不呈现出人 类的生存和发展与河流戚戚相关。人类社会的稳步前进离不开河流的良性发展， 同时，河流的健康也反映着人类社会文明的进步。但随着人类社会的快速发展， 现代化步伐的日益加快，人类与河流之间的矛盾愈演愈烈。由此，如何协调好人 类社会对河流资源的利用与河流的健康发展之间的关系，使人与自然能够和谐共 生，这是当今人类社会需要认真研究的一个重要课题。 1 1 研究背景 随着社会经济的快速发展需要，人类对河流水资源的开发利用日益增强。另 一方面，考虑到河流的行洪和堤防能力，人类开始大量兴建闸、坝、混凝土护坡、 渠道衬砌等水利工程来调节水资源，进行水力发电，并征服洪涝灾害和旱灾。在 一定程度上，水利工程在经济和社会发展中起到了不可替代的作用。具体说来， 水利事业的发展大致经历了以下五个阶段，即以防洪为主、以供水为主、以水资 源保护为主、以景观建设为主和以生态修复为主五个阶段。近年来，随着我国国 民经济的发展和对生态环境认识水平的提高，人们对水利事业的要求也在逐年提 升。同时，传统的水利工程所暴露出来的水环境问题越来越严重，如河道水循环 的短路化、河流形态的单一化及河道生态系统的孤立化等，由此而引起的水环境、 生态问题尤为突出。 六七十年代，由于人们对河流生态系统健康、平衡缺乏足够的认识，采取“截 流”、“裁弯取直”、“渠化”、“硬化”等破坏河相多样化的水利工程，造成了自然河 流渠道化、非连续化，使自然河道的生态系统受到了不同程度的干扰【l 】，对水生 态环境造成了极大的危害，其主要表现为：河岸生物带遭到破坏，造成生物 群落趋于单一化、一些物种缺乏生存或产卵场所而濒临灭绝；河岸生态系统 丧失服务功能，造成水体自净能力下降，水质恶化状况难以缓解；河道生态 系统与陆地生态系统的联系被隔绝，造成河道生态系统严重孤立；河流形态 几何规则化，致使自然景观遭受破坏，影响人与自然的和谐发展【2 1 。 在传统的水利工程当中，对河流生态系统形成危害，河流硬质护坡表现较为 突出。2 0 世纪6 0 年代后期，德国及瑞士认识到传统的水利设计及管理思想是导 河海大学硕士学位论文 致河流自然生态系统受损的根本原因，其中硬质护坡是造成河流生态系统急剧退 化的主要根源之一。河流硬质护坡是指由坚硬的石块或混凝土材料组成的与土体 完全隔绝的结构体，其主要有浆砌或干砌块石护岸、现浇混凝土护岸、预制混凝 土块体护岸等几种型式。这种传统的硬质护岸对河流生态环境造成了极大的危 害，具体表现在：从微生态结构来看，硬质护岸隔断了坡面上下水分、营养 元素、能量等的自然运动和交流，严重地破坏了生物生存、栖息、繁衍的环境； 从河道生态系统来看，硬质护岸隔绝了水域生态系统与陆地生态系统的交流 与联系，造成河流生态系统与非河流生态系统相互绝缘，致使河、湖生态系统遭 到孤立，不利于河流生态系统对水体自净能力的发挥和自然生态系统的恢复； 从景观生态学来看，护岸无植被硬质化、生物多样性单一等严重影响河岸带自然 风貌和生态景观1 3 4 】。 河流护坡是河流生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的一个 重要过渡带，并成为两者相互作用的重要纽带和桥梁，其生物群落的组成、结构 和分布格局对河流生态环境的改善有着重要的作用【6 】。它将陆地高等和低等植物 合成的有机物质、岩石风化物、土壤生成物以及陆生生态系统中转化的物质不断 输入河流，成为河流生态系统的营养物质的藿要来源1 7 - 9 1 ，而且河流护坡生态系 统对增加动植物物种种源、提高生物多样性和生态系统生产力、治理水土流失、 稳定河岸、调节微气候和美化环境、开展旅游活动均有重要的现实和潜在价值。 因此，研究河流硬质护坡生态修复技术，对于恢复受损的河流生态系统和提 高河流的生态景观具有十分重要的技术参考和现实指导意义。 本文主要是结合国家“十五”重大科技专项“水污染控制技术与治理工程”一 “镇江水环境质量改善与生态修复技术研究及示范”中“生态护坡一滨江带一湿地 系统的生态修复和污染控制技术研究及示范工程”的子项目来开展研究的。在滨 江带硬质护坡的基础上，研究生态护坡的构建技术是镇江“8 6 3 ”课题一个重要的 组成部分，这对于恢复滨江带生物多样性、改善滨水区水环境质量和提高滨江带 自然景观均有着不可估量的价值。 镇江位于北纬3 1 0 3 7 r _ 3 2 0 1 9 ，东经1 1 8 0 5 8 一1 1 9 0 5 8 之间，长江与京杭运河 两条黄金水道交汇之处，依山傍水，风景如画，是一座历史悠久的江南名城。随 着城市防洪要求的提高和城市化进程的不断推进，镇江城市内河道自然护坡逐渐 被硬质化护坡所代替。截2 0 0 6 年止，镇江城市河流护坡硬质化程度达到8 0 以 上( 见图1 1 、1 2 ) 。尽管这些传统的水利工程在一定程度上提高了城市的防洪 第一章绪论 图1 - 1 内江滨岸带的基本现状 图1 - 2 虹桥港河流形态的基本现状 功能，但对镇江城市水环境所造成了很大的负面影响。由于该滨岸带护坡均采用 的是石块和混凝土衬砌，植物无法生存，其植被覆盖率几乎为零；生态系统的结 构遭受严重的破坏，生物物种濒临灭绝，生物多样性趋于单一化程度十分严重， 水体自净能力下降显著，致使该区域水环境质量急剧恶化，水景观不堪入目。据 课题长期监测结果显示( 2 0 0 4 年2 0 0 6 年) ，内江沿北固山滨岸带的水体年平 均c o d m n 为6 9 7 m g l 、t n 达到4 2 m g l 、t p 为1 1 9 m g l ，其水质指标全年均 超过类水标准，这与护岸硬质化的结果有着很大的关系。同时，由于长江镇 江段处于长江口至安徽大通感潮河段中部，内江滨岸带受感潮影响，特别在丰水 期水位变化剧烈，年最大水位变化在6 米左右，图1 3 是2 0 0 3 年内江水位与潮 汐和季节变化的关系图。 l234，67891 0 1 11 2 月份 图1 32 0 0 3 年内江水位与潮汐和季节变化的关系图 从图中可以看出，7 月份到9 月份其水位高达5 到6 米，而滨江带硬质护岸 顶面黄海高程仅在4 8 m 左右，这也就是说丰水季节护坡大部分时间都淹在水中， 一般耐淹性较差的植物很难在此类护坡上生长；在枯水季节，内江的水位仅在2 米左右，而据镇江水利部门所提供的资料显示，该区域硬质护岸坡脚的黄海高程 均在2 8 m 左右，比水面高出o 8 m ，水源无法直接给护坡上的植物提供补给，同 焱岳!l攀诺|c蓦督墨镶簿u 河海大学硕士学位论文 时根据该地区水文气候特征可知，其冬春季节多半干旱少雨，由此，在对这种工 况条件下的硬质护坡进行生态修复必须要考虑到坡面基质材料的保水性能。 因此，基于大水位变化条件下硬质护坡的生态修复，须在探明生态护坡概念 与内涵及其构建原理的基础上，一方面要考虑到植物在丰水期间的耐淹性，另一 方面要确保在枯水季节土壤基质的保水性能。本课题就是针对大水位变化条件下 的硬质护坡，围绕着其存在的共同特点及其独特性，对其展开生态修复技术研究。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 生态护坡概念与内涵的研究进展 在探讨生态护坡概念与内涵之前，首先需要了解一下生态修复的概念。早在 1 9 世纪3 0 年代，一些西方学者就开始涉及生态修复方面的研究，但将生态修复 作为生态学的一个分支进行系统研究，则是从1 9 8 0 年c a i r n s 主编的受损生态 系统的恢复过程一书出版以后才开始的【1 0 1 。生态修复涉及到环境、水利、林业、 农业等诸多领域，学科交叉性非常强，因此国内外专家有关生态修复的提法也不 尽相同。 2 0 多年来，国内外许多学者从不同的角度对生态修复概念有不同的理解和 认识，尚未形成统一的看法。1 9 9 7 年，美国俄勒冈州大学教授j b o o n ek a u f f m a n 等将生态修复的概念定义为：生态修复是把陆地生态系统与水域生态系统之间的 过程、功能及生物、化学和物理的关联性重建起来】。日本学者多认为，生态修 复是指通过外界力量使受损生态系统得到恢复、重建或改进，使生态系统接近于 自然【1 2 】，该观点与欧美国家所提倡的生态恢复内涵比较相似。国内水利学者焦居 仁( 2 0 0 3 ) 认为，为了加速被破坏生态系统的恢复，运用辅助人工措施为生态系统 健康运转服务，而加快恢复则被称为生态修复【1 3 l ，作者主要强调生态修复应采用 人工手段来加快生态系统的恢复。杨爱民在前人研究的基础上将生态修复概括 为：在特定的区域、流域内，依靠生态系统本身的自组织和自调控能力的单独作 用，或依靠生态系统本身的自组织和自调控能力与人工调控能力的复合作用，使 部分或完全受损的生态系统恢复到相对健康的状态【1 0 1 ，该概念突出了生态修复应 该结合生态系统本身的自组织和自调控能力，辅以人工调控能力使受损的生态系 统趋于健康。从狭义上对生态修复进行定义的，国内外的研究也略有所见，美国 河溪生态恢复研究组织( t h ef e d e r a li n t e r a g e n e ys t r e a mr e s t o r a t i o nw o r k i n g g r o u p ) 认为”4 】，生态系统的修复需要对河道生态系统的结构、功能，以及影响 第一章绪论 生态系统结构、功能的物理过程、化学过程和生物特征有充分的认识，并提出河 道生态修复是使河道生态系统恢复到与未被破坏前近似的状态，且能够自我维持 动态均衡的复杂过程【”】。多年从事生态修复方面研究的杨海军针对受损河岸生态 系统，提出了生态系统修复的概念，他认为“受损河岸生态系统修复”是根据需要 和可能按照生态学原理设计并建设符合人类文明进步和可持续发展的健康河流 生态系统。即预先对河流护岸工程进行生态设计，实现在生态系统零损失的前提 下，对河流自然资源和环境进行合理的利用 1 6 】，文章在阐述受损河岸生态系统修 复概念中，特别强调了人与自然和谐共处，这是作者对生态修复内涵理解的独到 之处。 国外发达国家在生态护坡技术方面的研究己有很长的历史，并已广泛应用于 高速公路的边坡治理中。国外一般把生态护坡定义为：“用活的植物，单独用植 物或者植物与土木工程措施和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性 和侵蚀【1 7 】”也有学者提出了坡面生态工程( s l o p ee c o e n g i n e e r i n g ，简称s e e ) 或坡 面生物工程( s l o p eb i o e n g i n e e r i n g ) 的概念，指以环境保护和工程建设为目的的生 物控制或生物建造工程【l s l ，也指利用植物进行坡面保护和侵蚀控制的途径与手段 【l9 】。国内对于生态护坡概念的研究也取得了一定的进展，刘秀峰等提出了生物护 坡的概念【2 0 】，所谓“生物护坡工程”即是利用生物( 主要是指植物) 对边坡进行植 被重建，建立一个新的植物群落，以期达到恢复生态环境，治理水土流失之目的。 此外，还有“植被固坡”、“植物护坡”等提法【2 ”。 无论是植被护坡、生物护坡还是坡面生态工程，都带有一定的生态色彩，应 称为生态型护坡，属于生态护坡的范畴，但它们只是从形式上对生态护坡进行了 简单的描述。真正意义上的生态护坡是一个完整的生态系统，它不仅包括植物还 应包括动物及微生物，系统内部之间以及系统与相邻系( 如河流生态系统、陆地 生态系统等) 间均发生着物质、能量和信息的交换，具有很强的动态性；真正意 义上的生态护坡应该是在保证边坡稳定的基础上，以营造河道边坡系统的生物多 样性为目标，在水一土一生物之间形成物质、信息和能量的循环体系，通过良性 的循环来自组织和自我修复，使护坡不仅具有景观效果，还能修复受污染的河流 水体，提高河流的自净能力，从而为城市河流生态系统的健康提供保障。 可见，目前有关生态护坡概念与内涵的研究主要集中在定性方面( 这些定性 的结论操作性难度较大，很难将其应用到实际生产管理中) ，而定量方面的研究 较为宏观，这就导致了河岸生态系统的建设、保护和管理缺乏统一的衡量和评价 河海大学硕士学位论文 标准，给生态河岸带的建设、保护和管理带来了一定的困难，从而造成目前河岸 带生态系统的建设、保护与管理具有一定的片面性和盲目性。 1 2 2 河流硬质护坡生态修复技术的研究进展 目前，国内外对于硬质护岸生态修复方法所倡导的理念可谓“众说纷纭，各 有千秋”。1 9 3 8 年德国的s e i f e r t 首先提出近自然河溪治理的概念，他认为河溪 整治应能够在完成传统河流治理任务的基础上可以达到接近自然、经济并保持景 观美的一种治理方案瞄】，作者所推崇的是一种使人类从物质文明到文化文明、从 工程技术到工程艺术、从实用价值到美学价值的河流治理理念。1 9 6 2 年由h t o d u m 等首次提出生态工程( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) 的概念，并将生态工程定义 为“人运用少量辅助能而对那种以自然能为主的系统进行环境控制”，1 9 8 9 年美 国的m i t s c h 和j o r g e n s n 对h t o d u m 提出e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g 做了进一步 完善“为了人类社会和其自然环境两方面利益而对人类社会和自然环境的设 计”】，从而诞生了生态工程这一理论。上个世纪9 0 年代初期，日本在河道治 理方面做了大量的研究工作，并积累了丰富的经验，对于河川整治方法，日本科 学技术研究所所长福留修文先生提出了“近自然工法( n e a rn a t u r ee n g i n e e r i n g m e t h o d s ) ”的概念，他认为该工法必须考虑到整体河道的安定，并且在容许范围 内设法创造有深潭、急流或浅滩等各式各样的栖地环境；若原有河段如已有深潭、 急流或浅滩等多样性环境，则要尽可能予以保留【2 4 1 。 近年来，我国学者对硬质护岸生态修复方法理论方面的研究做了不少工作【2 2 8 1 。国内水利学者董哲仁等深刻的认识到了传统水利工程对城市水环境所造成的 弊端，在此基础上，他提出了“生态水利工程”的概念，并归纳了生态水利工程的 五项基本原则，它们是：工程安全性与经济性原则：提高河流形态的空间异质性 原则；生态系统自设计与自我恢复原则；景观尺度与整体修复原则；反馈和调整 设计原则【1 1 。 总的来说，到目前为止，基于这些设计理念和方法，国内外学者对于硬质护 坡的生态修复主要从两个方面入手： ( 1 ) 破除硬质护岸后进行生态修复 破除硬质坡面后，再对护坡进行生态修复，其实质与直接在退化的土质护坡 上进行生态化改造所需采用的方法和技术区别不是很大，国内外在此技术方面的 研究已较为成熟。根据其技术针对生态修复的侧重点不同，大致可分为三个方面： 第一章绪论 以恢复河流形态多样性研究为主、以提供生物生长栖息的生物材料研究为主、以 生态景观和亲水机能研究为主。 以恢复河流形态多样性为主的技术研究 河流形态多样性是流域生态系统生境的核心，是生物群落多样性的基础【2 9 1 。 在欧洲如德国、法国、瑞士、奥地利等国，多采用一种近自然工法，在瑞士这种 方法被称为n a t u r a n h ew a s s e r b a u t 3 0 1 ，该方法主要是根据河流形态的自身特点和 生物栖息繁殖的需求，在水岸交接带设置了许多浅滩、深潭以及人工湿地，并在 落差大的断面( 如水坝) 专门设置了为鱼类回游提供的各种类型鱼道，使生态环境 得以良好恢复。著名的塞纳河、多瑙河、莱茵河均运用了这种方法，并取得了良 好的效果。日本在恢复河流形态多样性方面的技术研究起步比较早，9 0 年代初 期开展了“创造多自然型河川计划( p r o j e e lf o rc r e a t i o no f r i c hi n n a t u r e ) ”，并提出 了卓有成效的植石治理法或埋石治理法【3 l 】，该方法是将直径o 8 - - 1 0 米大小的自 然石埋入河床和河滨带，以形成深沟及浅滩。这种方法能为鱼类提供良好的栖息 环境，并能加快鱼的繁殖。 以提供生物生长栖息的生物材料为主的技术研究 近几年，国内外专家多通过研究生物材料来对受损护岸进行生态修复，具有 代表性的有： 生态混凝土护岸技术 该技术是采用动植物及微生物能够和谐共存的生物相容型混凝士作为载体， 利用多孔混凝土空隙的透气、透水等性能，并渗透植物所需的营养。从而恢复河 岸植物群落。但由于对动植物与混凝土相容性的研究比较复杂，该技术配制的基 质中往往导致生态混凝土p h 值偏高，不宜植物的生长，另外长效运行管理费用 颇高； “土壤生物工程”( s o i l - b i o e n g i n e e r i n g ) 护岸技术 该技术是从最原始的柴木枝条防护措施发展而来的，经过多年的研究，现已形 成一套完整的理论体系和施工方法，并在欧美国家得到了广泛应用盼3 3 。土壤生 物工程对于陆地生态系统和河流生态系统的恢复有着良好的促进作用，但在抵抗 暴雨和水流对坡体的冲刷能力方面有所欠缺； 生态种植基生态修复技术 该技术研究的是一种由固体、液体和气体三相物质组成的具有一定强度的多 孔人工材料 3 4 1 ；张季如研究提出一种强度和抗侵蚀能力较高，且草灌植被可生长 河海大学硕士学位论文 的z z l s 绿色生态护坡材料【3 5 1 。该类技术最大的缺点就是水泥在凝固前种植基的 p h 值偏高，植物难以成活，而且其保水性能得不到保证。 以生态景观和亲水机能为主的技术研究 景观型多级阶梯式人工湿地护岸技术 景观型多级阶梯式人工湿地护岸是以无砂混凝土桩板或无砂混凝土槽为主 要构件，在岸坡上逐级设置而成的护岸形式。通过在桩板与岸坡之夹格或无砂混 凝土内填充土壤、砂石、净水填料等物质，并从低到高依次种植挺水植物和灌木， 从而形成岸边多级人工湿地系统。通过系统内植物一填料一微生物的协同作用， 可以起到很好的截留入河面源污染的效果，对河道水体也同样具有一定的净化效 果，种植的美人蕉、风车草、香根草和芦苇等植物，也美化了河道岸坡，呈现出 层层阶梯式绿色景观。镇江“8 6 3 ”课题在镇江运粮河段对这种技术进行了示范， 取得比较好的效果，但该技术前期的成本投资费用比较高，而且后期的长效运营 若没有专人管理，其效果很难得到保证。 景观净污型混凝土组合砌块护岸技术 该技术在继承现有砌块护坡特点的基础上，通过一定形式的预制混凝土砌块 组合可以节省用地，通过组合砌块内种植植物，利于生物栖息生长，砌块内生长 的植物一土壤一微生物系统对污染物质具有去除效应，可以达到对入河面源污染 物的截留去除效果，并形成了多层次的“生态景观”。根据不同的坡度应用条件， 可分为应用于垂直岸坡的景观净污型组合实体砌块护岸和应用于倾斜岸坡的景 观净污型组合空心砌块护岸1 3 6 1 。 ( 2 ) 在硬质护岸基础上进行生态修复 针对直接在硬质护岸上进行生态修复，国内外的研究不是很多，而且一些技 术还不够成熟，有待进一步完善。在经济发达，特别注重吸收国外先进技术并不 断开拓、创新的日本在这方面做了一些探索性的研究，并在日本横滨市南部境内 的岫川针对新槽开挖及辊式植被技术和新槽开挖及抛石技术做了现场示范研究， 结果发现整治后的河岸植被得以恢复，坡面稳定性良好，水土流失较小，河道恢 复了多样的生态景观【3 7 1 。这两种技术对于水位变化较大的河流不太适用，改造后 的河岸植被覆盖度很有限，且该技术造价颇高，在经济不发达的我国不具有推广 性。台湾逢甲大学林武淮( 2 0 0 2 ) 提出了一种坡面打洞及回填技术，该技术是在 原有的混凝土护岸表面打设孔洞或凹巢，并回填碎石与土壤，以提供植物生长所 需的环境，并提供孑l 洞做为昆虫及两栖动物栖息藏匿的场所。由于孔洞间有相通 第一章绪论 的水道，可以达到养分分布、物种流通的小生态环境的效果f 3 8 】。这种技术类似于 景观净污型混凝组合砌块护岸技术，其实质追求的还是一种生态景观效果，而 对于河岸带生态系统的修复效果不是很明显。在硬质护岸基质材料的研究方面， 欧美国家和日本起步比较早，常用的方法有：植生卷铺盖法、客土植生带法、纤 维绿化法等p 9 4 1 】，这类技术存在保水性能差、不耐旱等缺点。基于国外研究的基 础上，国内学者许文年对边坡绿化方法进行了改进，提出了一种护坡绿化技术， 主要是配制出了一种植被混凝土，该基质材料是由水泥、土、腐植质、保水剂、 长效肥、混凝土添加剂及混合植绿种子组成，它不仅能使护坡植被四季常青，而 且能够增强护坡强度和抗冲刷能力，使植被混凝土层不产生龟裂，并营造较好的 植物生长环境 4 2 1 。但由于该植被混凝土材料喷射到硬质坡面上厚度仅为1 0 1 2 c m ，而且质地比较结实，不利于土壤微生物的发育和河岸带底栖动物的生长 栖息，对整个河岸带( r i p a r i a n ) 微生态系统结构的形成有一定的影响。 1 2 3 淹水胁迫下植物耐淹性的研究 在淹水胁迫条件下，植物的根系对水分的吸收速率下降，气孔关闭，蒸腾作 用降低，许多植物叶片发生萎刘4 3 4 4 ，c 0 2 扩散的气孔阻力增加，随淹水时间的 延长，羟化酶活性逐渐降低，叶绿素含量下降，叶片早衰和脱落1 4 5 】；同时在淹水 胁迫下，受植物光呼吸酶活性影响，光呼吸加强，水分胁迫下光呼吸具有特殊的 防止光抑制作用，通过c 0 2 循环有效耗散过剩能量，从而保护植物在逆境下的 光抑帝1 1 4 6 , 4 7 。 宴斌 4 8 】等研究认为，淹水胁迫下玉米体内正常的括性氧代谢平衡破坏，首先 是s o d 活性受抑制，导致d i 增生，故认为叶片的涝渍伤害可能主要是d i 。过 量积累引起伤害产生m d a ，引起蛋白质、核酸分予发生交联反应和变性、破坏 膜和生物大分子物质，加快衰老速度。杨万年等【4 9 】通过分析淹水胁迫下烟草、油 菜的某些生理指标发现，二者过氧化氢酶( c a t ) 活性、超氧化物岐化酶( s o d ) 及丙二醛( m d a ) 含量呈显著性差异，由此可以表明，c a t 、s o d 、m d a 可以 作为植物耐淹性强弱几个重要的评价指标。 靖元孝等 5 0 】研究发现香根革在完全淹水5 个月仍能存活，并得出在淹水3 0 4 0 c m 深的情况下，香根草的净光合速率和叶绿素含量呈明显的上升趋势，淹水 有利于香根草进行光合作用。夏汉平等通过对北江大堤植草护坡效应的研究得出 香根草和百喜草都耐较长时间的水淹，并都有较强的抗逆性1 5 l 】。 河海大学硕士学位论文 1 2 4 护坡基质材料保水性能的研究 土壤的水分保持一直是河流硬质护坡生态修复的瓶颈问题。对于边坡基质土 的保水，国内目前常用的方法是在基质材料中添加定量的保水剂，以此来补给 植物生长所需的水分。不过使用保水剂存在一定的缺陷，保水剂多由高分子生物 材料组成，吸水能力很强，一般可达3 0 0 5 0 0 倍，但使用初期由于蓄水太多， 一些护坡植物会出现烂根现象；另外，这类保水剂的使用寿命也很有限。利用覆 盖层来改善土壤水分状况，这是一种原始而经济的方法，在早地作物保墒领域早 被人们所运用。国内一些学者关于秸秆或其他有机物覆盖层对土壤水分运动变化 的研究作了大量的工作【5 2 5 4 】，南京农业大学的孙进研究得出稻草覆盖层能有效地 减少土壤水分蒸发，土壤含水率可增加1 3 5 5 9 t 5 5 】。但考虑到河流硬质护坡 存在一定的坡度而且水位变化比较大，雨水冲刷和河水淘刷的现象非常严重，使 用秸秆或有机物覆盖层其边坡的稳定性会受到一定的影响。 归结硬质护岸生态修复方法和技术的研究现状，目前国内在硬质护坡生态修 复方面的研究多致力于公路岩石边坡绿化技术的开发，而对于河流硬质护坡生态 修复技术的研究起步比较晚，多限于引进国外先进生态护坡技术，特别是对在大 水位变化的硬质护坡进行生态修复，前人研究的技术可针对性不强。本文拟将在 前人研究的基础上，结合大水位变化条件下硬质护坡生态修复的特点，有针对性 的对硬质护坡生态修复存在的技术难点：覆土厚度；淹水胁迫；水分 保持，展开一系列深入的研究。 1 3 研究的定位与目标 随着社会的快速发展，人们对环境美化的要求不断提高，生态护坡技术，即 在具有防洪抗涝作用的同时，兼具净化水质和美化环境作用的一种护坡技术应运 而生。生态护坡技术在常规河道公路护坡应用较多，但在长江滨江大潮位变化下 应用生态护坡技术还处于尝试阶段。本研究在城市防洪墙的基础上，通过对坡面 的生态构建，形成具有生态效益、环境效益和景观效益的生态型防洪堤岸。 生态护坡首先应满足城市防洪的要求；其次，作为从陆地到水体的过渡带， 在内江水位存在年周期、月周期和日周期变化的水文条件下，其生态系统应具有 较好的水陆两栖适应性；作为污染物进入内江的第一道防线和内江水体的边界， 第一章绪论 生态护坡应具有一定的截污能力和水体净化能力；作为北固山风景区和滨江观光 大道的有机组成部分，生态护坡应具有良好的景观协调性。 生态护坡的构建就是要建立健康的水陆交错生态系统，保护滨江带的生境及 栖息其间的动物群落，保持滨江带生态功能尽可能高的生物多样性。生态护坡的 构建目标是： ( 1 ) 所构建的生态护坡必须具备抗冲刷能力； ( 2 ) 护坡构建必须源于自然优于自然的生态型的滨江堤岸，且特别适合于冬 季干旱、夏季淹水的两栖型植物的选择与栽培； ( 3 ) 所构建的生态护坡不仅适合于植被营造，还要适合于包括水生动物、微 生物物种生物多样性营造； ( 4 ) 生态护坡的构建必须在防止水土流失和雨水侵蚀基础上，确保护坡更加 稳定美观，实现自然生态环境和景观效果兼顾。 本课题针对大水位变化条件下硬质护坡，旨在提出一种切实可行的生态修复 技术，试图恢复硬质护玻的生态系统，沟通水陆生态系统的联系与平衡，增强流 域生态功能的有效途径。为水生态修复工程提供理论依据与技术支持。 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 初步探讨生态型河流护坡构建的基本原理。探讨了生态护坡的概念与内 涵及其基本功能，并由此归纳总结生态护坡构建的基本原则，初步确定出生态护 坡构建的评价指标，其目的是为城市河流硬质护坡生态修复提供理论支持和参考 依据。 ( 2 ) 保水基质一耐淹植物覆土技术的实验研究。针对大水位变化条件下河流 硬质护坡生态修复中，存在的覆土厚度、淹水胁迫及水分保持等技术难点，重点 开展了硬质坡面覆土厚度的研究；在遴选护坡植物的同时着重对所选植物进行了 耐淹性能方面