（水力学及河流动力学专业论文）生态河岸带综合评价理论与应用研究.pdf

摘要 河岸带生态系统将河流生态系统与陆地生态系统紧密地联系起来，是两者间 进行物质、能量、信息交换的生态过渡带，其生态状况的好坏将直接影响陆地与 河流生态系统的生态状况。因此系统地对河岸带生态系统进行研究是非常必要 的。 本文对生态河岸带综合评价的理论和方法进行了较为系统的研究，系统地建 立了生态河岸带综合评价的理论框架，并很好地应用于淮河入江水道沿线河岸带 综合评价中。本文论述了生态河岸带的内涵、特征和功能，提出了较为全面的生 态河岸带的定义。系统地分析了生态河岸带综合评价包括结构稳定性评价、景观 适宜性评价、生态健康性评价、生态安全性评价等评价内容，并分别对各自的影 响因素进行了分析，系统地建立了生态河岸带综合评价的指标体系。针对生态河 岸带评价指标的层次性和模糊性特点，选择了适宜于生态河岸带综合评价的层次 模糊综合评价方法。从评价的概念模型出发，建立了评价的指标层次结构模型、 评语等级模型，初步确定了评价指标的评价标准值，并根据各自的特点选择了适 宜的指标隶属度模型。在此基础上，利用计算机技术和g i s 技术研究开发了生 态河岸带综合评价g i s ( e c o l o g i c a lr i p a r i a n a s s e s s m e n t - g i s ，简称e r a g i s ) 。 将大量地图信息、统计数据、评价模型有机地集成进g i s 的数据库和模型库中， 实现了生态河岸带综合评价理论与g i s 技术有机耦合。本文以淮河下游入江水 道河岸带生态评价为例，收集相关历史数据和现场数据，形成数据库，利用模型 库中的模型，对入江水道沿线河岸带的结构稳定性、景观适宜性、生态健康性、 生态安全性及总体生态状态分别进行评价，并分析存在的主要问题，针对存在的 问题，提出解决措施和策略，为生态河岸带的建设和管理提供理论依据和施工标 准。 关键词：河岸带，生态，综合评价，数据库，模型库，g i s l l a b s t r a c t r i p a r i a nz o n ee c o s y s t e mi st h ei n t e r f a c eb e t w e e nl a n de c o s y s t e ma n dw a t e r e c o s y s t e m ，w h i c hp o s s e s s e sm a n ys p e c i f i cp h y 7 s i c a la n dc h e m i c a la t t r i b u t e s ，b i o t i c p r o p e r t i e sa n de n e r g ya n d m a t e r i a lf l o wp r o c e s s e s i t se c o l o g i c a ls t a t u sh a sd i r e c t l y i n f l u e n c e dt h e e c o l o g i c a l s t a t u so fw a t e re c o s y s t e ma n dl a n de c o s y s t e m s oi ti s n e c e s s a r yt oe v a l u a t et h er i p a r i a nz o n e t h e p a p e r h a sp r e s e n t e dt h ea s s e s s m e n t t h e o r ya n dm e t h o do fe c o l o g i c a lr i p a r i a n z o n e t h ef u l l a r o u n dd e f i n i t i o na n dt h ef u n c t i o no f e c o l o g i c a lr i p a r i a nz o n eh a sb e e n e x p r e s s e da n dd e s c r i p t e d o nt h eb a s eo f t h ef e a t u r eo f e c o l o g i c a lr i p a r i a nz o n e ，t h e c o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n ti n c l u d e ss t r u c t u r e s t a b i l i t ya s s e s s m e n t ，l a n d s c a p e s u i t a b i l i t ya s s e s s m e n t ，e c o l o g i c a lh e a l t ha s s e s s m e n ta n de c o l o g i c a ts a f e t ya s s e s s m e n t t h e r ea r em a n yi n f l u e n tf a c t o r so nt h e s ea s s e s s m e n t s a f t e rt h e s ei n f l u e n tf a c t o r sh a d b e e nk n o w n , t h ea s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mc o u l dh a v eb e e nc o n s t r u c t e d b e c a u s eo f t h eh i e r a r c h ya n df u z z yc h a r a c t e r i s t i co f t h ei n d e xs y s t e m ，t h eh i e r a r c h y - f u z z ym e t h o d h a sb e e na p p l i e d ，a n dt h ea s s e s s m e n tm o d e l sh a v eb e e nf o r m e d e c o l o g i c a lr i p a r i a n a s s e s s m e n t g i s ( e r a - m s ) h a sb e e nd e v e l o p e d ，b yu s eo fw h i c ht h es p a t i a ld a t a ， p r o p e r t yd a t aa n dm a p d a t ah a v e b e e n m a n a g e de f f i c i e n t l y t h es y s t e mh a sb e e n u s e d v e r yw e l li nh u a i h e r u j i a n g s h u i d a o b yu s eo f t h eh i s t o r yd a t aa n dr e a t t i m ed a t ai n d a t a b a s ea n da s s e s s m e n tm o d e l si nm o d e l b a s e ，t h es t r u c t u r e s t a b i f i t y , l a n d s c a p e s u i t a b i l i t y , e c o l o g i c a lh e a l t h ya n de c o l o g i c a ls a f e t yh a v eb e e ne v a l u a t e d ，w h i l et h e m a i n p r o b l e m sh a v e b e e np o i n t e d o u ta n dt h et r e a t i n gm e t h o d sh a v eb e e n p r e s e n t e d k e yw o r d s ：r i p a r i a nz o n e ，e c o l o g i c a l ，c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ，d a t a b a s e ， m o d e l b a s e g i s i l l 日8舌 河流是流水作用形成的主要地貌类型，汇集和接纳地面径流和地下径流，沟 通内陆和大海，是自然界物质循环和能量流动的一个重要通途，人们常常把河流 看作地球动脉。河流生态系统自身内部具有一套完整的信息、物质、能量循环机 制，同时它与相邻生态系统之间也存在着物质、能量、信息交换。其中与陆地生 态系统的相互作用最为显著，水体的很多生物的物质和能量源都来之于陆地生态 系统( 如河流中许多初级消费者以碎屑为食，这主要来源于由陆地植被冲入或落 入的有机物质) 。而两者之间主要是通过河岸带相互作用的，河岸带将两者紧密 地联系起来，它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，成为两者间相互作用的熏要纽带和桥梁，对河流生态系统具有 定的屏障功能。河岸带作为一种生态交错带，具有明显的边缘效应，它对增加动 植物物种种源、提高生物多样性和生态系统生产力、进行水土治理和保护、稳定 河岸、调节微气候和美化环境、开展旅游活动均有着熏要的现实意义和潜在价值。 目前，河岸带生态系统的重要性逐渐为人们所认识，有关学者已开始研究生 态河岸带的有关问题，在理论上和实践上均取得了一定的进展。但是由于人们对 生态河岸带认识的局限性，目前对生态河岸带的认识还非常肤浅，理论研究相对 缺乏。如关于什么是生态河岸带? 什么样的河岸带生态系统才具有生态完整性、 生态安全性、生态健康性? 本文首次将河岸带作为一个完整的生态系统进行研究。从生态河岸带的基本 概念出发，在国内外有关研究的基础上，研究分析生态河岸带的含义、特征和内 涵，分析其主要功能，并对生态河岸带进行功能区划。以生态河岸带的特征为基 础，分析生态河岸带综合评价的内容。在分析生态河岸带的主要影响因素的基础 上，建立一套生态河岸带综合评价指标体系。以评价指标为基础，以生态学、水 力学、土力学以及数学等相关学科为理论依据，建立综合评价模型。利用计算机 技术、数据库技术以及g i s 技术，设计开发生态河岸带综合评价g i s c o l o g i c a l r i p a r i a n a s s e s s m e n t ，g i s ，简称e r a g i s ) 。将大量数据信息存入系统中，利用该 系统对生态河岸带进行综合评价，将评价结果以各种专题图的形式输出。以淮河 入江水道河岸带综合评价为例，研究其河岸带的生态状况，分析其存在的问题， 并提出相应的治理措施，为江苏省河道生态治理提供示范作用。 本课题得到了江苏省水利科技基金( 2 0 0 3 0 3 7 ) 和江苏省研究生创新计划项目 f x m 0 4 4 1 ) 的资助。 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已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( 签名) ：覆键扔对年易月，7 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) ：疆超垒扣订年6 月一日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 河流是流水作用形成的主要地貌类型，汇集和接纳地面径流和地下径流，沟 通内陆和大海，是自然界物质循环和能量流动的个重要通途，人们常常把河流 看作地球动脉口1 。我国是一个河流众多，径流资源十分丰富的国家。据统计，我 国大小河流总长度约4 2 万公里，其中流域面积在1 0 0 平方公里以上的河流达 5 0 0 0 0 多条，1 0 0 0 平方公里以上的河流有1 5 8 0 多条，超过1 0 0 0 0 平方公里的河 流有7 9 条。以径流资源来说，全国径流总量约2 6 0 0 0 亿立方米，占世界河川径 流总量的6 8 ，为亚洲全部径流量的2 0 1 。仅次于巴西和前苏联，居世界第 三位。如此众多的河流，丰富的径流资源，为灌溉、航运、发电、城市供水等提 供了有利条件t “。河流生态系统的形成和演变，是经过漫长的岁月才比较稳定的， 水生生态伴随着湿地生态并极大地影响到两岸的陆地生态。如一条典型河流，从 横断面看，组成上就有河岸、河底、主槽、滩地、湖泊、洪泛平原等。它不仅是 水的载体，通过水位涨落变化、补充地下、滋润两岸土地等形式提供各种生态服 务；而且水陆交错，或依山傍水，或河湖相连，生境丰富，物种繁多，在生物多 样性发生与养育上极富特蝌”。 但是随着人口增长、工业进步和社会发展，土地利用需求快速增加，河流流 域亦受到过度开发，为解决治山防洪及河道整治问题，往往施以拦沙坝或混凝土 河堤等各项工程，造成不透水域扩大，水面与绿地减少，进而破坏了河流生态系 统与景观，使人们因而丧失了亲水空间，降低了生活的品质。过去，人们往往缺 乏对于水资源生态的认识，工程人员亦多沿用传统施工方法，使河道整治工程虽 可达到保障安全的目的，但无形中却失去了亲水的机会，甚至破坏了自然生态景 观，导致河流水质污染日趋严重，水土流失日益加剧，河流断流频繁发生( 有些 河流乃至枯萎) ，河流生态环境严重破坏，甚至出现毁灭性的破坏。据中科院1 9 9 6 年发布的一份国情研究报告，全国5 3 2 条主要河流中，有4 3 6 条受到不同程度的 污染，七大江河流经的1 5 个主要城市河段中，有1 3 个河段水质污染严重【4 j 。据 河海大学博士学位论文 统计，从1 9 7 2 年至1 9 9 8 年的2 7 年中，黄河下游利津水文站有2 1 年发生断流， 断流年份平均断流5 0 天，平均断流长度3 2 1 k m ，而且，断漉时间、断流距离均 呈延长趋势f 4 o 黄河流域多年平均土壤侵蚀3 7 0 0 1 0 4 k m 2 ，年水土流失量为2 3 0 0 1 0 3 k g h m 2 ，居世界首位。 由此可见，河流生态问题已不容忽视，所以保护河流生态是目前人们非常关 注的问题。河流生态系统自身内部具有一套完整的信息、物质、能量循环机制， 同时它也不是独立于周围环境的，而是与其它生态系统之问也存在着物质、能量、 信息交换。其中与陆地生态系统的相互作用最为显著，水体的很多生物的物质和 能量源都来之于陆地生态系统( 如河流中许多初级消费者以碎屑为食，这主要来 源于由陆地植被冲入或落入的有机物质) 。而两者之间主要是通过河岸带相互作 用的，河岸带将两者紧密地联系起来，它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，成为两者闯相互作用的重要纽带和桥梁。 如：河岸带上的植被对水陆生态系统间的物流、能流、信息流和生物流等发挥着 廊道( c o r r i d o r ) 、过滤器( f i l m o 和屏障( b a r r i e r ) 作用功能扣j 。河岸带作为一种生态 交错带，由于受到河水的强烈影响，具有明显的边缘效应，其植物群落组成、结 构和分布格局以及生态王l = 境因子等与远离河流的森林内部的植物群落相比有着 较大的差异7 1 。河岸带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、进行水土污染治理和保护、稳定河岸、调节微气候和美化环境、开 展旅游活动均有着重要的现实意义和潜在价值8 。o 】。所以保持河岸带生态系统的 生态平衡、生态安全、生态健康，对维持河流生态系统的生态功能，保护河流生 态具有十分重要的意义和价值。 目前，河岸带生态系统的这些功能及其重要性逐渐为人们所认识，有关学者 己开始研究生态河岸带的有关问题，并取得了一定的进展。在理论上，主要集中 在生态河岸带定义、功能、管理及保护技术等方面的宏观性研究，己取得了一定 的定性成果。在实践上，主要集中在河岸带保护技术的研究，现在很多城市为了 使河岸建设与城市建设规划发展相一致、与周边生态环境相协调、与城市居民的 需求相符合，在进行河道整治工程中，一些河岸带的生态保护、生态治理以及生 态修复等工程相继实施，对河岸带的生态景观进行了详细周密的设计。如上海市 大富浜、横港河道整治工程【 ，扬州市二道河整治工程【1 2 】，成都市府河整治工 程。这些工程在一定程度上改善了生态，美化了景观。 但是由于人们对生态河岸带认识的有限性，这些工程建设大多是根据设计人 第一章绪论 员自己对生态河岸带的理解来进行的，缺乏一定的规范标准，因此具有一定的片 面性和盲目性。而且由于人们对生态河岸带的认识较肤浅，理论研究相对缺乏。 如关于什么是生态河岸带? 什么样的河岸生态系统才具有生态完整性、生态安全 性? 什么样的河岸生态系统才能保持生态健康等问题目前还存在着很大的争议。 就生态河岸带的含义而言，目前还没有为广大学者统一接受的明确定义和评价标 准，对其内涵的理解更是仁者见仁。生物生态学家对生态河岸带的理解大都仅从 保护生物物种多样性，维持完整食物链的角度来认识。而水利学家对生态河岸带 的理解大都仅从保持河岸稳定，减少水土流失，提高防洪标准的角度来认识。这 两方面的理解都具有一定的片面性，前者对防洪、护岸要求缺乏考虑，后者对河 流生态及物种保护缺乏考虑。而河岸带是水陆交界带，具有水域与陆地双重属性， 既包含了单纯的生态内涵，也包含了水利特性的内涵。所以对生态河岸带内涵的 理解应从这两方面全面地理解。为了全面地掌握生态河岸概念，给河岸带生态建 设和管理提供理论依据和施工标准，必须对生态河岸带进行综合评价。而这方面 的理论目前尚处于空缺状态。鉴于此，本文将从生态河岸带的概念出发，对生态 河岸带综合评价相关理论进行系统研究分析。 1 1 2 研究目的和意义 由于有关生态河岸带定量方面的研究很少，这就给河岸带生态系统的建设、 保护与管理带来了一定的困难，缺乏统一的衡量标准，可操作性较差。所以造成 目前生态河岸带的保护建设的片面性和蛮目性。因此，为了能够给生态河岸带建 设提供统一的衡量标准，必须加强生态河岸带的定量研究。本文通过探究生态河 岸带的概念、内涵、评价内容、影响指标以及评价模型等，让人们从定性的角度 去理解生态河岸带，从定量的角度把握影响生态河岸带的因子，为生态河岸带的 建设提供理论依据和施工标准。从而使河道在满足行洪排涝要求和保证岸坡结构 稳定的前提下，能与周围生态系统( 陆地生态系统、水体生态系统等) 相互和谐、 协同发展，能维持物种多样性、减少对资源的剥夺、保持营养和水循环、提供丰 富的食物链、维持植物生境和动物栖息地的质量、有助于改善人居环境及生态系 统的健康，保持河道生态平衡、水资源的可持续发展。不仅可以保证河道的稳定、 满足河道行洪排涝的要求，而且还可为人们提供了“安全、舒适、优美”的生态 环境，有利于提高水资源的生态承载能力，有利于提高河道生态系统的自我调节、 自我平衡能力，有利于提高水体的自净化能力，提高水环境的自然净化功能、抑 河海大学博士学位论文 制和减轻水质恶化，以维系良好的生态系统，推进水利和经济社会的协同发展。 以淮河入江水道河岸带生态综合评价为侧，研究其生态状况，分析其存在的问题， 并提出相应的治理措施，为江苏省河道生态治理提供示范作用。本课题得到了江 苏省水利科技基金( 2 0 0 3 0 3 7 ) 和江苏省研究生创新计划项目( x m 0 4 4 1 ) 的资助。 1 2 研究现状及趋势分析 1 2 1 河岸带研究现状 国内外对河岸带研究起步较晚。目前有关河岸带的研究主要集中在河岸带的 定义研究、河岸带功能的研究、河岸带管理的研究、河岸带宽度确定的研究以及 河岸带保护技术研究等方面。过去人们大多从提高防洪标准的角度来研究河岸 带，所以对河岸带保护技术已有相当多的研究，如：护岸的结构型式、护岸的材 料等方面的技术已相当成熟。 1 。2 1 。l 河岸带的定义研究 “河岸带”这一词语最早出现在行政管理人员中，后来逐渐被工程技术人员 所采用。直到2 0 世纪7 0 年代末【1 5 - 1 8 1 ，在学术界才出现了河岸带的定义，其最初 定义为陆地上同河水发生作用的植被区域。1 9 8 5 年l o w r a n c er ，等人在此基础上 将其拓展为水流、生物体以及生物体生存环境的集成区域 19 1 。之后，在已有定义 的基础上，河岸带的定义进一步被拓展，主要分为广义和狭义两种。广义是指靠 近河边植物群落( 包括组成、植物种类复杂度) 及土壤湿度等同高地植被明显不 同的地带，也就是受河溪有任何直接影晌的植被【2 0 ；狭义是指河水一陆地交界处 的两边，直至河水影响消失为止的地带【2 l - 2 3 1 。为了便于理解，1 9 9 3 年m a l a n s o n 简明地将河岸带定义为“与河流邻接的生态系统”【2 4 j 。另外，国内对河岸带定义 的研究也取得了一定的进展，陈吉泉认为河岸带是介于河溪和高地植被之间的生 态过渡带，它是最典型的生态过渡带，具有明显的边缘效应 25 1 。徐化成认为河岸 带是指河流两旁特有的植被带，它是陆地生态系统和水生生态系统的交错区【2 “。 这些定义仅仅是从定性的角度进行概括的，仅注重了其影响区域及河岸植物，没 有考虑河岸带的动物及微生物以及河岸带的动态性。由于河岸带是一个完整的生 态系统，它不仅包括植物还包括动物及微生物，而且系统内部和与相邻系统间均 发生着能量和物质交换，具有很强的动态性。可见，目前的河岸带定义还不是太 第一章绪论 完善，还没有广泛被人们所接受的统一定义。 1 2 1 2 河岸带的功能研究 n a i m a n 等人指出生态交错群落区与其相邻的生态系统相比，具有很大的差 异性【2 ”。由于河岸带就是一个典型的生态交错群落区，与相邻的生态系统相比， 在河岸带生态系统中生物物种更加丰富，即具有很强的生物多样性，河岸带生态 系统的这种生物多样性对水文、地貌、生态、社会经济发展均具有较大的影响。 它可以保持良好的水质环境，为野生动物提供良好的栖息地，同时还可以防止洪 水灾害。根据张建春等人的概括，河岸带主要包括以下几方面的功能【1 4 , 2 8 ：f l 、 保护自然河岸廊道以及与之相联系的地表和地下水径流：( 2 ) 拦截径流中的泥沙； 3 稳定岸坡，减少侵蚀；( 4 ) 拦截吸附氮、磷、杀虫剂等污染物；( 5 ) 减缓水流，降 低其破坏性；( 6 ) 维持生物物种多样性，调节水流温度等微气候环境；( 7 ) 提供生 物栖息地，保护野生动植物生境以及其它特殊地和旅行廊道，保持生态系统的动 态稳定性；( 8 ) 美化河流廊道景观；( 9 ) 提供良好的多用途娱乐、教育场所和舒适 的环境。其中对河岸带的廊道、缓冲带和植物护岸功能研究较多。河岸带的这些 功能主要是针对河岸带植被而言的，河岸带植被对岸坡主要有水文和机械两方面 的效应，如表1 1 所示。 表1 1 植被对岸坡的水文效应和机械效应( 引自文献 9 5 】) l 水文效应作用机械效应作用 l 植物枝叶截留降雨，引起根束缚土壤颗粒并穿透土层，引起 1 ) 雨水被吸收和蒸发，减少了产生土壤渗透的水分bl 潲制壤迁移，增加土壤抗蚀性b 2 1 减少雨滴的动能和侵蚀能力 b 2 ) 通过根系提高土壤强度 b 3 ) 通过形成叶滴增加水滴尺寸，因而增加了林下溅蚀a3 ) 表面根系产生根网效应，固持下层土层 b 植物枝叶阻拦地表径流，引起深根穿入深层土层，引起 1 ) 蓄积地袁雨水，导致较高潜在渗透水量 a b 1 ) 把浅层土壤锚固到稳固的土层或基岩t - ，固持土体b 2 耀高气流和水流的阻隔程度，减低两者的流速 b 2 1 通过拱顶和斜向支撑稳定上坡一侧土壤 b 3 ) 簇团植物引起局部增强的水流，增加其侵蚀力 a 生长高大的树木，引起 根穿透土壤，引起 提高坡面负载，增加士体下滑力和正压力a b 1 ) 在土壤中产生空隙，增加土壤渗透 a 2 ) 在有风情况下 树木把风力转变为地面的推力 a 2 ) 吸收土壤水分，降低孔隙水压，提高土壤负压，增强土壤 枝叶覆盖于地表，引起 强度 b 3 ) 加重地表干裂，导致高渗透 a11 保护地表免遭车辆碾压破坏b 2 ) 枝叶削弱湍急水流的冲击力并保护土壤 b 注：b 表示有利影响；a 表示不利影响。 河海大学博士学位论文 1 2 1 3 河岸带的管理研究 过去对河岸带的土地管理和利用只注重其经济效益，而忽视其生态效应。这 导致了水质下降，水土流失加剧，河流物种减少。陈吉泉、邓红兵、尹澄清等人 对加强河岸带管理的必要性进行了研究 2 5 , 3 5 , 3 6 】。他们认为，由于河岸带是物种源 ( 基因库) 和野生动物的重要栖息地，是河溪中粗木质碎屑和养分能量的来源，它 直接影响着河溪的微气候，更保护着河溪的水质，为人类的户外休闲提供场所， 为农、林、牧、渔业的发展提供基地。同时河岸带生态系统也是养分管理、沉积 物和水土流失控制及保护水资源质量综合治理系统中一个关键组成部分，有效发 挥其功能对于流域生态系统而言也是必不可少的，如果河岸带生态系统非常脆弱 或不健康，则就不可能使陆地和水域生态系统保持稳定的。因此，对于河岸带的 管理是极其重要的，将对保护流域内的各种生物多样性、实现河岸带自身的各种 功能具有十分重要的意义。在此基础上，张建春等人提出了河岸带管理的原则。 他认为河岸带管理需要遵循以下原则l “j ：( 1 ) 恢复河岸带生物物理特征，提高自 然资源的利用价值；( 2 ) 保护地表和地下潜水的相互作用对保持水域一河岸带生 态系统的完整性是至关重要的；( 3 ) 允许小溪和河流横向迁移对河岸带生境的发 展是必要的，提高生物生境的异质性；( 4 ) 充分利用自然的河床水流特性，以提 高水域和河岸带生物多样性和恢复力；( 5 ) 保护河岸带物种种源；6 提供和扩大河 岸带的娱乐旅游服务设施以方便居民和旅游者。这些原则对加强河岸带管理具有 一定的指导性，但是这些原则大多是宏观性的，其可操作性不强，甚至某些原则 根本就无法把握。 1 2 1 4 河岸带的宽度确定研究 s w a n s o n 等认为河岸带是陆地生态系统和水生生态系统间的三维交接区，其 范围外至洪水到达的界线，上至河岸带植物林冠的顶端p “。p a u lb e n n e t t 等人认 为河岸带的宽度应从河岸岸趾起算，到河岸顶部的一定距离的范围内 3 9 o 如图 1 1 所示。c h e s t e r r i d l e yc r u m 流域管理委员会认为河岸带宽度大于3 9 米时河岸 带最优，在15 米至3 9 米之间时较好，不能低于7 米 4 0 , 4 1 。这些大多是种定性 的范围划分，至于河岸带向岸上森林延伸多宽以及在河岸顶部的距离为多大等等 都没有给出明确的数据范围，而且这些数据的确定也一直是一个存在争议的问 题。由于影响河岸带宽度的西素很多，它主要取决于河流的类型、地质、土壤、 第一章绪论 水位以及相邻土地的使用情况等，不同的河道其宽度是不同的，小则几米，大到 几百米，甚至几千米，所以不能用统一标准来衡量。 图1 1 河岸带宽度范围( 引自文献 3 9 ) 1 2 1 5 河岸带保护技术的研究进展 以往，由于洪涝灾害非常严重，所以人们就非常重视河岸带的防洪标准的要 求，因此。为了提高河岸带的防洪标准，长期以来人们非常注重河岸带保护技术 的研究。目前相关河岸带保护技术的研究己相当丰富，河岸带保护技术的研究主 要集中中传统护岸型式和现代生态护岸型式的研究。 ( 1 ) 传统的河道护岸型式 传统的河道护岸型式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【4 2 4 8 l ，另外，还有以下几种护岸型式。 a 绳索绞链混凝土板块【4 啦5 0 】 绳索绞链混凝土板块护面具有工程量小，板块厚度薄，抗冲刷、抗风浪能力 强，旋工速度快，造价低等特点。但是由于结构比较复杂，在施工上必需加强管 理，严格控制各个施工质量。另外，工程建成后更要对运用情况进行有计划有目 的的原体观测，如观测风向、风速、气温、冰冻、水位、流量、混凝土板的变形 老化情况等要素，以便进行管理。 b ，导流屏1 5 1 4 3 】 导流屏是一种小型导流结构，用于改变近床流态，重新分布水流与河道横断 面内的泥沙。它们垂直于河床上，与水流成1 5 2 0 。角布置，初设高度为当前 水深的l 5 2 5 。其作用是在水中激起次生环流，用以消除由河道弯段离心力引 起横向环流。次生环流改变原剪应力大小和方向，在导流屏控制区域内引起流速 分布、水深和泥沙运移的变化。单个导流屏的作用比较有限，但多个导流屏组成 的系统作用就非常明显，通过计算布置的导流屏完全可达到所期望的护岸目的。 河海大学博士学位论文 这种导流屏适用于河道的弯道部分岸坡的防护，适用范围较小。 c 机织模袋【5 4 - 5 6 】 机织模袋是利用输送泵将灌注材料输送到成型的模袋内，通过泵压和模袋的 张力挤压使砼的水灰比大幅度降低，它具有不受地形限制、施工机械化程度高、 施工速度快、成形效果好、整体性强、成品充填密实、外形美观等优点。但由于 机织模袋的成品与施工速度直接取决于机械的优劣，在模袋灌注过程中，一旦出 现机械故障，前台对其维修处理工作相当麻烦，因此，在施工前要对机械设备作 严格的检查。 d 四面六边透水框架群 5 7 6 0 】 四面六透水框架群护岸技术的优点在于：( 1 ) 框架群可改岸边局部冲势为不冲 或淤势，起到稳住岸坡，保护河床和根石的作用。( 2 ) 投资省、效果好。( 3 ) 框架 可采用钢筋混凝土或其它材料的预制件，可实现工厂化生产，避免过多采石，有 保护生态环境和地球资源的环境效益。( 4 ) 易保证旌工的质量与数量，因框架在 岸上制作、质检、计量，不象抛石施工，有可能产生很大的虚方。该技术与抛石 等实体护岸固脚技术相比，对减速促淤护岸固脚效果十分理想，而且在工程造价 相当的条件下，具有非常明显的性能优势。但是，由于框架较轻，如果水流流速 过大，则框架容易被水流冲走。不同河道对框架群的布置方式、架空率等的要求 都不一样。而且水流本身也是不断变化的，所以很难确定框架的大小、框架的架 空率以及布置方式。 ( 2 ) 现代河道生态型护岸形式 以往，国内外在河岸防护工程中多采用浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制 混凝土块体等结构型式，如：抛石护岸、机织模袋护岸、软体沉排护岸、硷铰链 沉排、预应力锚杆无底扶壁挡墙等。虽然这些结构型式在保持岸坡的结构稳定 性、防止水土流失以及防洪等方面起到了一定的作用，但是它们在不同程度上对 景观、环境和生态均产生了不良的影响，造成水体与陆地环境恶化和生态破坏， 甚至严重威胁着人们赖以生产、生活的生态环境 6 1 , 6 2 ，可见，这些结构型式已不 能满足社会经济发展和人们生产、生活、生存对生态环境的需要f 6 3 - 6 6 。这一问题 越来越受到人们的重视，国内外工程技术人员已开始研究生态型护岸技术，并己 提出了很多种不同生态型护岸结构形式，但是这些技术只是从保护岸坡结构稳定 的角度来研究问题的，并没有考虑其对环境、生态的影响，这并非是真正意义上 的河道生态护岸。 第一章绪论 a 国内生态型护岸技术 据历史记载，早在公元前2 8 世纪，我国在渠道修整过程中就使用了柳枝、 竹子等编织成的篮子装上石块来稳固河岸和渠道。这种最原始最古老的方法，现 在越来越受到人们的青睐，国内有不少人在此基础上开始研究生态型护岸技术， 并取得了一定的成绩，如：季永兴等人根据上海市河道情况讨论了生态型护岸结 构型式【6 ”，胡海泓等人在广西漓江治理工程中提出了笼石挡墙、网笼垫块护坡、 复合植被护坡等生态型护岸技术【6 8 ；在引滦入唐工程中，陈海波等人提出网格反 滤生物组合护坡技术【6 9 , 7 0 】；另外，云南地理所周跃提出了“坡面生物工程”技术 7 1 - 7 3 ，俞孔坚等人提出水位多变情况下的亲水生态护岸设计 7 4 1 。这些不同的生态 型护岸技术综合起来可以归纳为两种：一种是单纯利用植物护岸，一种是植物护 岸与工程措施相结合的护岸技术。下面介绍几种国内常用的几种生态型护坡技 术。 a ，植草护坡技术 7 5 , 7 6 植草护坡技术常用于河道岸坡及道路路坡的保护上。目前，国内很多河道治 理及道路建设中都使用了这一技术，如在吉林省西部嫩江流域治理工程中，吉林 省水土保持科学研究所许晓鸿、王跃邦、刘明义等人提出了以当地的牛毛革、早 熟禾、翦股颖等草本植物为护坡植物，以河柳等灌木为迎水坡脚防浪林的植物护 坡技术。这一技术主要是利用植物地上部分形成堤防迎水坡面软覆盖，减少坡面 的裸露面积和外营力与坡面土壤的直接接触面积，起消能护坡作用，利用植物根 系与坡面土壤的结合，改善土壤结构，增加坡面表层土壤团粒体，提高坡面表层 的抗剪强度，有效地提高了迎水坡面的抗蚀性，大大减少了坡面土壤损失，不仅 其护坡效果显著，且投资仅为工程护坡的1 0 9 2 2 1 。 b 三维植被网护岸 7 7 , 7 8 三维植被网技术原先多见于山坡及高速公路路坡的保护中，这一技术现在也 开始被用于河道岸坡的防护上。它主要是指利用活性植物并结合土工合成材料等 工程材料，在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统，通过植物的生长对边 坡进行加固的一门新技术，根据边坡地形地貌、土质和区域气候的特点，在边坡 表面覆盖一层土工合成材料并按一定的组合与间距种植多种植物，通过植物的生 长活动达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的，可在坡面形成茂密的植被覆盖，在表 土层形成盘根错节的根系，有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀，增加土体的抗剪强 度，减小孔隙水压力和土体自重力，从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。 河海大学博士学位论文 三维植被网护坡技术综合了土工网和植物护坡的优点，起到了复合护坡的作 用。边坡的植被覆盖率达到3 0 以上时，能承受小雨的冲刷，覆盖率达8 0 以 上时能承受暴雨的冲刷。待植物生长茂盛时，能抵抗冲刷的径流流速达6 m s ， 为一般草皮的2 倍多。土工网的存在，对减少边坡土壤的水分蒸发，增加入渗量 有良好的作用。同时，由于土工网材料为黑色的聚乙烯，具有吸热保温的作用， 可促进种子发芽，有利于植物生长。 c 河岸防护林护岸【7 9 j 在河岸带种植树木或竹子，形成河岸防护林，洪水经过河岸防护林区时，在 防护林的拦截下，流速大大减慢，减小了水流对表土的冲击，减少了土壤流失。 其作用主要体现在以下三方面：首先，茎叶的覆盖作用，避免雨滴、风力对土壤 表面的直接侵蚀作用，减少了水土流失的外营力。同时茎叶的栅栏作用，减缓了 河水的流速，减少了对土壤的冲刷侵蚀，增加了淤泥堆积固定；其次，根系丛生 发达，穿扎力强，增加了土壤抗侵蚀的机械强度，减少了河岸的崩塌量和冲刷量： 再者，根茎叶的生长对土壤具有改良作用，增加了土壤有机质的含量，改善了土 壤结构与性能，提高了土壤持水性，增加了土壤抗侵蚀能力。所以河岸防护林既 保持水土起到固土护岸作用，又提高了河岸土壤肥力，改善了生态环境。 b 国外生态型护岸技术 在国外，对环境、生态退化问露的认识较早，他们很早就开始研究传统护岸 技术对环境与生态的影响，认为传统的混凝护岸会引起生态与环境的退化。为 了能有效地保护河道岸坡以及生态环境，他们提出了一些生态型护岸技术，如： 瑞士、德国等于8 0 年代末就已提出了“自然型护岸”技术m 8 ”，日本在9 0 年代 初提出了“多自然型河道治理”技术【8 2 1 ，并且在生态型护坡结构型式方面做了大 量的实践工作。目前，在美国以及欧洲一些国家较为常用的技术是“壤生物工 程”( s o i l b i o e n g i n e e r i n g ) 护岸技术陋8 6 1 。该项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和施工方法，并得 到了广泛应用。 a “土壤生物工程”技术的发剧8 7 9 6 】 早在公元前2 8 世纪，在欧州，凯尔特人和伊里利来人就开始发展柳枝编织 篱笆的技术。后来罗马人将柳枝柴笼和草捆应用于水利建筑工程防护。到1 6 世 纪，从阿尔卑斯山到波罗的海，土壤生物工程技术己在整个欧州广泛使用。1 7 9 1 年w o l t m a l m 的部著作中记述了关于活性桩用于绿化和稳定河岸的技术。同时 第一章绪论 期，在澳大利亚的水道工程中利用活性促淤技术和柳条剪枝技术等来固沙，使渠 道重新成形。工业革命后，欧洲一些地区出现了大量坡面侵蚀、频繁的山体滑坡 和崩塌以及严重的河岸退化等一系列环境问题，引起了人们的重视。到在二十世 纪初，土壤生物工程师发现古老的乡间技术可以用来处理一些新的环境问题。这 些早期的土壤生物工程师和工程人员开始研究这种传统的技术并出版了他们的 著作。这为后来土壤生物工程技术的发展奠定了基础。2 0 世纪3 0 年代，在欧洲 土壤生物工程技术得到了新的发展。如1 9 3 6 年，在慕尼黑专门成立了一个研究 所来研究开发道路建设中的土壤生物工程技术。尽管这项工作最终失败，但该研 究所所长a r t h u rv o nk m n d e n e r 仍坚持这一方面的研究，为该项技术的发展作出 了很大的贡献( 通常工程技术人员将他看作是中欧地区土壤生物工程技术之父) 。 同时期，在加利福尼亚u s d a 森林局工作的c h a r l e sk m e b e l 开发出一种“轮廓 篱笆”( c o n t o u rw a t t l i n g ) 的技术，主要是应用组合生物技术( 包括复活性桩，复 活性柴捆和植物移植等) 来保护坡的稳定。不久，当时的美国土壤保护局( 即现 在的自然资源保护局) 开始将k r a e b e l 的复活性柴捆和复活性桩等土壤生物工程 技术应用于密西根湖湖岸的稳定保护中。 在此之前出现的各种技术没有统一名词，也没有固定的施工标准。战后，欧 洲对这一技术的研究又重新开始。5 0 、6 0 年代，来自德国、奥地利和瑞典的土 壤生物工程师组成了个委员会，主要是对已出现的技术进行标准化。这为形成 更多的结构方法走出了重要一步，也为发展土壤生物工程专业领域奠定了基础。 另外，直到1 9 5 1 德国人a r t h u r v o d k r u e d e n e r 的工程生物学( i n g e n i e u r b i o l o g i e ) 一书的出版才将这些技术统称为“生物工程”( b i o e n g i n e e r i n g ) 一词，后来，为 了避免与其他学科产生混淆，美国n r c s 将其改为“土壤生物工程”一词。 7 0 年代以来该项技术得到了长足的发展，并形成了大量的文献资料，其中 加拿大人h u g os c h i e c h t l l 9 8 0 年撰写的土地利用与保护的生物工程技术 ( b i o e n g i n e e r i n g f o r l a n d r e c l a m a t i o n ) 以及1 9 9 7 年撰写的另一部著作护坡与 侵蚀控制的地面生物工程技术( g r o u n db i o e n g i n e e r i n gt e c h n i q u e s f o r s l o p e p r o t e c t i o na n d e r o s i o n c o n t r 0 1 ) 对“土壤生物工程技术”作了系统的介绍，为“土 壤生物工程技术”的发展奠定了理论基础，这两部著作可以说是“土壤生物工程 技术”最重要的著作。除此之外还有g r a y 和l e i s e r 的护坡与侵蚀控制的生物 技术、s o t i r 和g r a y 的美国山地护坡与减蚀的土壤生物工程、1 9 9 6 年g r a y 和s o t i r 的坡稳定的生物技术与土壤生物工程以及英国建设工业局和信息协 河海大学博士学位论文 会的土木工程中植物的应用等藿要文献资料。 b “土壤生物工程”技术的主要形式 土壤生物护岸技术主要是利用植物对气候、水文、土壤等的作用来保持岸坡 稳定的，其主要作用包括：降雨截留、径流延滞、土壤增渗、蒸腾、土层固结、 根系土壤的增强、土壤湿度调节、士体支撑、负重、根的楔劈作用和风力传递作 用等。常用土壤生物护岸技术主要包含如下几方面【8 8 _ 1 0 3 l ：( 1 ) 土壤保持技术。 它通过植物对坡面的有效覆盖，使其免受表面侵蚀和土壤退化，从而起到土壤保 持的作用。主要包括：草皮移植( t u r f i n g ) 、草播种( g r a s ss e e d i n g ) 、乔灌树种 直播( d i r e c ts e e d i n go fs h r u b sa n dt r e e s ) 、侵蚀控制网( e r o s i o nc o n t r o ln e t s ) 和活枝灌丛席( 1 i r eb r u s hm a t s ) ；( 2 ) 地表加固技术。它通过植物根系降低土壤 空隙水压来加固土层和提高抗滑力。主要包括：灌丛席( b r u s hm a t ) 、灌丛层 ( b r u s hl a y i n g ) 、原木式椰子壳纤维( c o i rl o g s ) 、根系填塞( r o o tw a d s ) 、活 性淤泥植物( 1i r es i l t a t i o n ) 、草卷( g r a s sr o l l s ) 、活枝扦插( 1 i v ec u t t i n g ) 、 枝条篱墙( w a t t l ef e n c e s ) 、活枝柴捆( f a s c i n e ) 、排水式活枝柴捆( f a s c i n e d r a i n s ) 、垄沟式种植( f u r r o wp l a n t i n g ) 、压枝( 1 a y i n g ) 和枝干篱墙( s t a k e f e n c e s ) 等；( 3