基于鱼类对孔隙选择性试验的多孔型生态护岸块体设计

邢浩翰，周林飞，张 静

(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161)

长久以来，传统的旧式护岸工程被建筑在全国许多城市河流当中，对于近些年我国经济的发展起到至关重要的作用。然而，传统护岸工程对于防洪、排涝等功能性上的偏重，导致了它并不能很好地融入当地生态环境。与此同时，大多用石料、沥青等硬性材料建筑的传统护岸对于自然环境以及生态平衡所产生的负面影响也日益明显。硬质材料有其自身的优点，例如坚固，耐久性较强，但是仅由它构成的传统护岸打破了水陆生态的平衡，使护岸本身成为了一个封闭的系统，也破坏了动植物赖以生存的栖息环境，故传统护岸已不再适合当下中国的生态文明建设的大环境，需要加以手段修复城市河道生态系统。

随着经济的发展, 人们认识到河道生态系统的恢复对城市生态环境、城市景观、城市品味和城市社会经济可持续发展的重要性[1]。为了弥补传统护岸的不足，以及改善其对生态环境造成的破坏，生态护岸应运而生，它既具备传统护岸防洪、抗涝、引水等功能，同时也具备了生态、自净乃至景观等功能，是人与自然和谐发展的新要求[2]。随着国内外学者们对于生态护岸的研究日益加深，许多新的材料和新的技术被应用到生态护岸建设上来，应用较多的有：网石笼结构生态护岸、土工材料复合种植技术、植被型生态混凝土护坡，但多孔结构生态护岸研究并不多。本文所研究的便是多孔结构生态护岸，并以鱼类对孔隙的选择性试验为基础，设计出新型式的护岸块体。

1 鱼类对孔隙的选择性试验

为给生态护岸块体设计提供理论基础，需要进行试验去观察鱼类更喜欢栖息在何种水下环境中。试验中分别搭建不同的水下环境，让鱼自由选择，在控制了室温、声音等外界干扰下，进行3组对照试验。

1.1 材 料

(1)试验材料。鱼选择3种：船钉子鱼(10条)、鲤鱼(10条)和草鱼(10条)；有孔的混凝土块体、水生植物、河石、碎砖头和沙；自来水。

(2) 水槽装置。规格1.5 m×0.6 m×0.5 m；用2块玻璃挡板将水槽3等分，称为A水槽、B水槽和C水槽；每块挡板上有直径20 cm的圆洞，可让鱼在3水槽间自由穿梭。

1.2 实验设计

(1)试验一。孔隙有无对鱼类选择的影响试验。3个水槽底部铺等量底沙，模拟3种水下环境。A水槽：无孔隙，至底部有沙；B水槽：放入少量河石，构成少量孔隙；C水槽：放入大量河石，构成大量孔隙。针对这3种情况，研究在水面紊乱(危险时)和水面静止条件下，鱼对栖息地的选择。

(2)试验二。鱼类对不同材质孔隙选择试验。3水槽中仍铺等厚度沙，在A水槽放入天河石，B水槽放碎砖块，C水槽放有孔的混凝土块体。针对这3种情况，研究在水面紊乱和水面静止条件下，鱼类对栖息地的选择。

(3)试验三。水生植物有无对鱼类选择的影响试验。试验二中3个水槽原来所放物体不变，水生植物放入A水槽中，观察在水面紊乱和水面静止等条件下，A水槽中鱼的数量，将其与试验二中A槽的鱼的数量进行对比。

1.3 实验结论

鱼类在水面稳定的情况下更喜欢栖息在具有多孔隙结构的环境当中，而当水面紊乱时鱼类意识到危险时，会大量地躲进孔隙结构内或周围。

(1)孔隙具有很好的集鱼效果。鱼类喜欢栖息在孔隙结构内及周围，特别水面紊乱时，即危险时，会大量躲避在孔隙结构内，孔隙对于鱼类的生存有着重要的作用。原因在于：孔隙结构可以产生类似人工鱼礁的集鱼作用，有利于为动植物营造良好的生存环境，为鱼类躲避天敌和栖息繁衍提供良好的栖息场所。综上，孔隙结构成为了本文设计新型式护岸块体首要考虑的因素。

(2)鱼类在孔隙材质的选择上，更喜欢有孔的混凝土块体所搭建的孔隙结构中，尤其危险时，会更多躲避其中。原因在于混凝土块体更容易搭建成孔隙，孔隙空间较大，容易躲藏。因此，本文设计的生态护岸材料选择混凝土，因为容易构建出适合的孔隙结构，抗冲刷能力好，粗糙率大。

(3)水生植物具有良好的集鱼效果。原因在于：水生植物本身能形成更多更密集的孔隙供鱼类生存；遇到危险时躲入其中自我保护；水生动物提供更多的有机物，进而形成完整的食物链。因此，本生态护岸块体的设计要设计植生孔，为水生植物的生长提供了一定的位置。

2 设计原则

(1)根据鱼类对孔隙的选择性试验的结论，本设计要遵循以下3原则：孔隙结构是本文设计新型式护岸块体首要考虑的因素，为鱼类趋利避害以及生存繁衍行为提供良好的场所；设计植生孔，栽植水生植物；材料选择混凝土。此外，要兼顾生态与景观等功能[3]。生态型护岸的构建需注意保存与增加生物的多样性，积极为水生生物和两栖动物创造栖息、繁衍的环境[4]。

(2)生态护岸设计需符合相关护岸设计规范。要考虑生态护岸的其耐久性，以及建筑生态护岸所使用材料等能否满足相关规范，应将设计对象空间确认为立体形态，不能仅用平面图进行护岸设计[5]。

(3)生态护岸的稳定性。在设计护岸同时，需清楚地理解影响现有岸坡稳定性的因素，或者可能影响其稳定性的因素[6]。护岸可以防止水土流失，并且具有防洪泄洪作用，护岸与我国的社会、经济以及人们的生活息息相关，故其稳定性好坏会在一定程度上影响到人民的生命财产安全。因此，在对生态护岸块体设计的同时要充分考量其对生态护岸的稳定性的影响。

(4)对于生态护岸块体设计不宜太过复杂和难于推广制造，应尽量兼顾功能和制造施工的便捷性。

本文在生态护岸功能的设计上，为鱼类提供了趋避场所和供鱼类捕食和产卵的场所。为使其粗糙率大，后期会使用混凝土对其进行制作，也让其形状尽量规范、平整，易于制作。另外，考虑到生态护岸建设所在地的地理环境不同，在生态护岸块体之间的连接上还需详细设计，使其易于在大部分地理环境下易于连接嵌套。

3 多孔型生态护岸块体的设计说明

3.1 多孔型生态护岸块体模型外观说明

本文设计的多孔型生态护岸块体分为2部分，第1部分形状为长方体，整个结构由块体地面的植生孔以及其他面上的过鱼孔组成。除此之外，在块体模型的6个面上，都具有规格一致且不中通的圆柱形凹槽，而且前后、左右、上下两两对应面上的凹槽位置是一致的。第2部分的形状是圆柱体，与第1部分的凹槽的直径略小(这个差距小于等于3 mm)，但长度为凹槽深度的2倍，称为连接柱。具体设计见图1、图2、图3。图2是块体之间的连接方式，将连接柱插入块体之间对应的凹槽内(图示为未全部插入的示意图)，其他面的连接方式与图示相同。

图1 多孔型生态护岸块体模型外观图Fig.1Appearance of porous ecological revetment block model 注：1-圆形凹槽(所有凹槽规格相同，并且对应面凹槽位置相同)；2-上壁通道；3-左壁过鱼通道(与右壁完全一致)；4-植生孔；5-前壁过鱼通道(与后壁完全相同)；6-连接柱。

图2 块体连接Fig.2 Connection of blocks

图3 多孔型生态护岸块体模型俯视图、正视图和左视图Fig.3 Planform,front view and side view of porous ecological revetment block model

本多孔型生态护岸块体的功能有：①块体的6个壁较厚，若建筑材料选用混凝土，那么单个块体自身将具有良好的稳定性，从而使它的耐久性得到保证。②下壁的植生孔是中通的，其中不仅可以添加各种建筑材料，而且可以将水生植物栽入与地面连接的块体当中，为鱼类提供所需有机物，从而起到更加良好的集鱼效应。③6个壁上都有较大的过鱼通道(其中下壁的过鱼通道即植生孔)，使块体内部非常开阔，使鱼类及其他小型水生动物在其中穿梭更加畅通无阻，与此同时，下壁与4个角柱连接形成了相对隐蔽的空间，为鱼类的栖息、繁衍提供良好的场所。④本生态护岸块体在连接的设计上借鉴了中国传统木工榫卯连接结构，使模型块体模块化，模型上的6个面均具有同样规格的凹槽，并且在对应的两个面上凹槽的位置是一致的，可以用小圆柱对块体进行连接。块体模型可以在6个面对应的方向做相应的连接，块体模型上的大孔隙，在块与块连接后依然贯通，从而形成更加宽阔的各类供水生动物所需的场所。小圆柱和块体模型的连接保证了良好的稳定性，除此之外，也可以根据不同的坡度调整连接方式。这样做的好处是可以适应大部分的地势地形，根据不同的地势地形，选择所需要嵌插的小圆柱数量，使生态护岸块体的适应性更强，扩展性更高，后期也可以设计更多样式的小圆柱或具有小圆柱的类似结构，满足生态护岸块体使用上的不同需求，进而发掘块体在连接、保护和稳定等方面的更多的可能性。

大孔隙所形成的贯通的空间和植生孔为块体模型增添了生态功能，为鱼类以及其他的小型水生动物提供了良好的趋避场所。块体的外观设计力求平整，选用粗糙度较大的混凝土材料进行制作，铺设到岸坡上，可以减缓河道内水流流速，有利于治理各类河道并改善当地河道周围的生态环境。块体及小圆柱易于制作，铺设操作简单、便捷，结构稳定，可以推广到各个城市河道及生态护岸建设上。

3.2 多孔型生态护岸块体模型铺设说明

3.2.1 水平方向铺设

铺设过程中，从一端开始逐块进行连接。铺设第1排时，在左右方向上，将小圆柱逐个插入块体一侧壁上对应的8个凹槽内，并与下一个块体进行连接。在第1排与第2排相连时，将小圆柱插入第1排前壁的2个凹槽内，之后与第2排块体后壁的凹槽内进行连接。依此类推，每一块，每一排都由小圆柱将块体密切连接。而由于第1层会与地面相连接，故在植生孔内填入泥土，并将需要种植的水生植物的草籽埋入其中。水平方向铺设第1种形式效果见图4(a)。

若根据当地地形有特殊连接需求，则可以在块体左右其中一侧，即水平铺设的第2种方式。选择其中2个凹槽进行连接，例如在铺设第1排时，第1块体右侧上下前2个凹槽与第2块左侧上下后2个凹槽用小圆柱相连接，第2排左右相连方式与第1排相同。第2排在与第1排相连时，将小圆柱插入块体之间前后对应的凹槽内。这样可以使块体铺设形成一定角度，以满足不同的地形。水平方向铺设的第2种形式铺设方式见图4(b)。

第3种铺设方式与第2种铺设方式类似，是将第1块体右侧上下后2个凹槽与第2块左侧上下前2个凹槽用小圆柱相连接，第2排左右相连方式与第1排相同。第2排在与第1排相连时，将小圆柱插入块体之间前后对应的凹槽内。这样可以使块体铺设形成与第2种铺设方式不同的角度，用来满足不同的地形。水平方向铺设的第3种形式铺设方式见图4(c)。

图4 3种方式水平铺设示意图Fig.4 Three forms of block model lay out in a horizontal direction

3.2.2 垂直方向铺设

铺设过程中，从一端开始逐块进行连接。铺设第1层时，左右方向连接，将小圆柱逐个插入块体一侧壁上对应的8个凹槽内，并与下一个块体进行连接。前后方向连接，将小圆柱逐个插入块体前后壁的凹槽内，将它们连接。在第2层与第1层相连时，将小圆柱插入第2层下壁的4个凹槽内，之后与第1层块体上壁的4个凹槽内进行连接。依此类推，每一排、每一层都由小圆柱将块体密切连接。而与水平铺设一样，由于第1层会与地面相连接，故在植生孔内填入泥土，并将需要种植的水生植物的草籽埋入其中。垂直方向铺设的第1种形式见图5(a)。

若当地地形有特殊连接需求，则可以在块体上侧，选择其中2个凹槽进行连接，例如在铺设第1列时，第1块块体上侧前2个凹槽与第2块下侧后2个凹槽用小圆柱相连接。第2列在与第1列相连时，将小圆柱插入块体之间左右对应的凹槽内。这样可以使块体铺设形成一定角度，以满足不同的地形。垂直方向铺设的第2种形式见图5(b)。

第3种垂直铺设方式与第2种垂直铺设方式相类似，垂直方向铺设的第2种形式见图5(c)。

图5 3种方式垂直铺设示意图Fig.5 Three forms of block model lay out in a vertical direction

3.3 多孔型生态护岸块体与其他护岸块体对比

本文设计的多孔型生态护岸块体是一种新形势的护岸块体，它具有较大的孔隙，为鱼类等小型水生动物提供了躲避天敌、生存繁衍的场所，也为水生植物提供了生长的植生孔，在水生植物的光合以及呼吸作用下，可以产生大量有机物，从而达到更加良好的集鱼效果。除此之外，还具有可操作性较大的连接方式，在保证了多种连接方式的同时，兼具稳定性。下面与其他的护岸块体进行对比，从比较中观察它的优点，以及其他块体的一些不足。

3.3.1 “工”字形护岸块体

“工”字形护岸块体(见图6)造型过于简单，没有对水生动物的生存习性进行针对性的设计，且没有为水生植物的生长提供相应的位置。在此“工”字形护岸块体之间相连时，内部虽然有供鱼类游动的空间，块体上下部分没有留出与空气接触的孔隙，从而使内部空间过于封闭，从而将水陆环境隔断。长时间的使用，会对当地的生态环境形成一定的破坏。

图6 “工”字形护岸块体Fig.6 I-shaped revetment block model

3.3.2 “日”字形护岸块体

“日”字形护岸块体结构也很简单(见图7)，长方体结构，内部具有2个较大的凹槽，但并不与地面联通，在凹槽中种植植物与水中的接触面积太小，不会起到集鱼作用，并且侧面的小圆孔也没有为鱼类提供宽敞的通道，从而使护岸块体太过于封闭，仅仅能够提供简单的物质交换，不能形成完整的食物链。此外，“日”字形护岸块体的连接也没有进行针对性的设计，在连接后不能形成相对稳定的结构。

图7 “日”字形护岸块体Fig.7 Shape of “日” revetment block model

3.3.3 多孔型生态护岸块体的优点

综上所述，本文设计的多孔型生态护岸块体具备了亲水、生态以及景观等传统护岸所不具备的功能。为鱼类等小型水生动物提供了生存空间，为植物提供了生长场所，并且能够据此进行良好的物质交换，形成完整的食物链。同时，设计出新式的连接结构，为多孔型生态护岸块体提供了连接上更多的可能性，可以根据不同地形地势，设计所需的不同形状的小圆柱，增强多孔型生态护岸块体的可扩展性，也可以根据不同需要，将不需要的凹槽在制作时填满，只预制出需要的凹槽。

4 多孔型生态护岸块体的稳定性分析

护岸的稳定性直接关系着人民的生命财产安全，因此，护岸结构的稳定十分关键。近些年，欧洲、北美以及亚洲等一些国家为了提高河道护岸的稳定性，利用植物的根系稳固护坡的技术来增强河道护岸的稳定性，与此同时，此技术也被较多地利用在河道生态修复工程当中[7]。此外，除了植物的根系可以增强护岸的稳定性外，护岸自身结构的稳定性也十分重要，下面对本文设计的多孔型生态护岸块体的稳定性进行分析。

多孔型生态护岸块体的设计尺寸要求：应用人工块体或经过分选的块石作为斜坡堤的护坡面层，且满足斜坡坡率为1.5～5.0时，单个块体、块石的质量Q和护面层厚度t，可按下式计算[8]：

(2)

多孔隙生态护岸在满足稳定情况下(m=1.5～5.0)的单块重量应>0.004 2 t(m=5.0)或者0.014 t(m=1.5)，单块厚度应>0.163 m(m=5.0)或0.243 m(m=1.5)。几种满足稳定需求的设计尺寸见表3。

表1 稳定系数KDTab.1 Stability coefficient KD

表2 系数cTab.2 Coefficient c

表3 多孔型生态护岸块体的单块设计尺寸Tab.3 Design criterion of different size of banks

5 结 语

鱼类对孔隙的选择性试验结果表明：孔隙结构具有很好的集鱼效果；鱼类在孔隙材质的选择上，更喜欢有孔的混凝土块体所搭建的孔隙结构；水生植物具有良好的集鱼效果。在此试验基础上所设计的多孔型生态护岸块体，具备了很多功能及优点：它为鱼类等小型的水生动物提供了宽敞的通道，可以自由穿梭；除此之外，多孔型生态护岸块体还具有供鱼类趋利避害的栖息场所，这有利于鱼类生存和繁衍；与地面相连的植生孔，为水生植物的生长创造了空间，水生植物会吸引更多的鱼类，形成局部小生境；模块化的连接方式，在保 证块体连接的稳定性同时，也为块体的连接提供了更多可能，连接块体的小圆柱可以针对特殊地形地势的需要，设计出更多形状，创造出更多连接形式。

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[1] 乐茂华,刘 军,胡和平. 深圳市河道生态修复理念及其治理技术[J]. 中国农村水利水电,2010,(2):25-28.

[2] 郭 赟. 浅谈河道生态护岸形式及应用[J]. 中国农村水利水电,2011,(7):119-120,122.

[3] 董福平,董 浩.日本杨木县斧川河道整治工程的几点启示[J].浙江水利科技,2002,(3):24-25.

[4] 路 毅,董艳桐,李庆军. 园林水景生态型护岸设计研究[J]. 北方园艺,2008,(5):152-154.

[5] 张建军,任美丽,马述萍. 简析北方河流景观护岸设计原则和类型[J]. 内蒙古水利,2008,(2):135-136.

[6] 潘美元,李俊娜,尹崇清. 护岸设计原则和类型综述[J]. 中国水运(学术版),2006,(11):108-110.

[7] 任 强.新型生态护岸在江苏省内河航道中的应用(J).中国水运,2013,13(12):228-229.

[8] GB50286-2013，堤防工程设计规范[S].