滨岸带生态工程技术研究与应用综述

王 斐

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

随着我国经济快速发展，资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的现象十分严峻，经济发展不平衡、不协调、不可持续的问题日益突出。党的十八大把生态文明建设提到与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列的位置。这就要求我们必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，把生态文明建设融合贯穿到经济、政治、文化、社会建设的各方面和全过程。在滨岸带开发中，容易引发一些生态问题。过度的开发利用水陆资源使得原有河流、湖周、水库和海岸滨岸带坡受到破坏，水土流失、水质恶化、生物栖息地严重破损得众多环境问题相继产生；传统的硬化护岸极大的损害了滨岸带的生态功能，随之而来的滨岸带生态工程技术受到越来越多专家的亲睐。

1 滨岸带生态工程技术

滨岸带处于水生态系统和陆地生态系统之间，是链接两者的纽带，属于水陆生态系统的过渡带，具有明显的边缘效应。一方面发挥着为两者传递物质、能量和信息交流的重要生态作用，可有效缓解水流对岸坡的冲刷，还能发挥净化水体改善水质的作用；另一方面滨岸带植被与周围环境所形成的美丽景观可为人类活动提供舒适的休闲胜地，促进了生态旅游的健康发展。

滨岸带生态工程技术是一个十分宽泛的领域，它包括河流治理生态工程、生态水工学、河流生态恢复技术、海岸带生态修复技术等。滨岸带生态工程技术在滨岸带的应用主要包括岸坡的生态修复与建设、河流水质的生态净化，其中对岸坡的生态研究较多。

2 滨岸带生态护岸

生态护岸是一种结合了生态工程与土木工程技术的新型护岸形式，在与传统护岸一样强调护岸的抗冲刷、抗淘蚀强度的同时，还强调岸坡稳定性、自然景观性、生态性和亲水性的完美结合。

所谓滨岸带生态护岸，是植物或植物与非生命的土木工程材料的结合，具有“可渗透性”的人工护岸。 可以起到过滤水体，去除污染物质增强水体自净能力；同时为动植物及微生物提供栖息场所，实现多种生物的共生与繁衍；具有较好的抗冲强度以保持河岸稳定性、减少岸坡水土流失；可提供丰富的滨岸地貌。

2.1 滨岸带护岸工程的发展

滨岸带生态护岸的概念最早起源于城市滨水护岸。城市护岸的功能随着人们对水的需求和理念的变化而变化。神农时代就开始利用天然材料植物、木和土石等进行护岸，秦汉以后到宋元，出现了由树枝、林秸、石头等捆扎而成的护岸材料；明清时代，护岸形式有抛石、柳树护岸、山石护岸与条石护岸。直到18世纪60年代以前，城市护岸形式遵循自然河岸形态，材料也多采用自然的山石、植物等材料，体现了河道天然河湾和丰富的植物群落，具有良性的生态循环体系。18世纪60年代至20世纪初期，随着工业的发展和经济的快速膨胀，城市护岸开始利用高大硬质的防护堤遏制河水的侵扰，紧束河腰、裁弯取直河道等措施虽然获得了更多的城市用地,但是护岸景观环境却遭到强烈的干扰，以至于滨岸带生态失衡、景色单调、亲水困难，蓄积了生态灾难。

随着社会经济的发展及人类对生态环境的保护意识的增强，在城市护岸的景观设计中，人们更加注重对回归自然、亲水、景观与文化的因素，以景观生态学为基础、追求人与自然和谐发展的护岸景观研究成为国内外研究的热点。国内有很多专家和学者也从不同角度对城市生态护岸景观进行研究和实践。例如胡海泓最初认为生态型护岸是作为永久河岸防护工程的，是结合工程和环境要求提出的;黄岳文则认为生态护岸是适合生物栖息和繁殖的仿自然状态的护岸形式，是现代水利工程学、环境学、生态学、景观学等多学科为一体的水利工程;罗立民等认为生态护岸是结合治水(水利)工程与生态环境保护的一种新型护岸技术。

20世纪80年代末瑞士、德国等国家提出“亲近自然河流”概念和“自然型护岸”技术，欧洲荷兰、英国、丹麦等均把生态堤岸设计与河流形态修复相结合，美国提出的“土壤生物工程”护岸技术，理论与施工方法都已比较成熟，并得到了广泛的应用，常用的土壤生物护岸技术主要有土壤保持技术、地表加固技术以及生物技术与工程技术相结合的综合保护技术，生物技术与工程技术相结合的综合保护技术包括绿化干砌石墙、渗透式植被边坡、绿化土工织物固土结构、绿化栅栏、活性栅栏等技术；20世纪90年代初，日本开展了“创造多自然型河川计划”，多自然型河流治理法是在保护和创造生物良好的生存环境与自然景观的前提下，建设具有抗洪功能的河流水利工程，堤岸尽最大可能使用自然材料，如植物、石头和木材等[1]。

生态型护岸工程必须符合生态工程学和植物学的基本原理以及水文学和工程力学的规律，以确保生态型护岸植物的稳定生长、充分发挥固土护岸的功能，最大限度的确保护岸工程设施的安全、稳定和耐久性。国外河流生态修复工作者曾对某些形式的生态型护岸所能承受的极限水流条件进行了相关研究，得到了一些极具实用价值的研究成果[2]。

与国外的研究相比较，国内在生态护岸研究方面起步较晚。且国内生态护岸技术大致包括两方面的研究，一是水库植物护岸应用，二是河道植物护岸应用研究。其中在水库植物护岸应用中实施效果较好的案例为北大港水库围堤坝坡的植物护坡工程，通过对本地植物的调查筛选、室内栽植试验和野外栽植试验等一系列工作后，最终选定了西伯利亚白刺做护坡植物，推广应用研究结果表明该物种的固坡效果良好，此后又进一步筛选出碱蓬、金娃娃和狗牙根等5种草本植物和柽柳等多年生灌木，种植效果较好，植物长势良好，适合大面积水库种植[3]；辽河干流铁岭段生态治理工程利用灌木柳发达的根系固土护坡，抵御水流对岸坡的冲刷，灌木柳的枝叶能减缓水流速度，增加糙率，避免岸坡冲刷，大大稳定边坡的作用[4]；上海市在黄浦江支流进木港河道生态护坡的工程中，通过现场模拟径流试验，研究柴笼、灌丛垫、植草三种不同类型的生态护坡对地表径流的延滞作用，结果表明，生态护坡的优化组合方案坡顶处设置植草护坡，坡岸中部设置灌丛垫护坡，坡脚设置柴笼护坡，在控制坡面侵蚀、有效稳定和保护坡岸功能上比较显著，试验还发现，优化的植物护坡方案不仅能有效的保护岸坡，还能拦截地表径流悬浮固体和营养盐，进一步达到有效控制地表径流对河流污染的目的[5]。长江中游嘉鱼—燕子窝河段航道生态整治工程包括护滩带、护岸及封堵窜沟工程，其中该护岸采用斜坡式护岸型式，陆上护坡的面层采用绿色环保整治建筑物双绞格网网垫结构型式，工程效果较显著，双绞格网网垫装填块石后能有效的适应护岸不均匀沉降的要求，防止水流对基底的淘刷；工程经历一个水文年后，填石缝隙及表面长出野生植被，有利于水土保持，同时，野生植被还发挥着一定的过滤作用，能够有效的净化河水防止河道水资源受到污染破坏[6]。

2.2 植物护岸研究应用

滨水岸坡修复过程中，植物群落的构建在整个修复过程中发挥着重要的作用，由于滨水岸带具有特殊的水陆两种环境条件的交替，生境条件较为苛刻，确定能够应用的植物种类后，植物护岸设计的问题显得尤为重要。

植物群落的护岸作用是指水流流经岸滩区域时，由于植物的存在，降低了水流和能量，减弱了水流对岸滩土壤的侵蚀冲刷及运移能力的过程[7]。植物护岸作用主要表现在两个方面，一是植物地上部分对水流的消减作用，二是植物地下部分根系对土壤的稳定作用[8]。影响植物地上部分对水流的消减作用的主要因素包括植物类型、植物高度、植物叶片数量、植物迎水面积、植物密度、植物体刚度及韧性等[9]，地下根系对岸滩固岸作用主要受根系在土层中层次分布、根系密度、植物种类等因素的影响[10]。植物护岸设计需要考虑多方面因素。

2.2.1 阻力系数比

植物对水流的阻力系数研究开始于20世纪20年代的美国，研究者通过水槽试验与原型观测的手段[11]提出了计算水流阻力的经验公式

式中：n为与河道边壁物质组成粗糙程度有关的曼宁系数[12]。

自曼宁系数特征的水流阻力提出后，植物阻力系数研究中多数研究者以此为标准。植物生态学也将曼宁阻力系数广泛的应用于植物地上部分对地表径流的拦阻研究中。但是随着新试验研究的不断进行，新的计算方式的不断推导获得，通用的且准确的阻力系数估算模型仍没有得到较好的研究。因此研究某一特定植物类型的阻力系数和公式成为很多研究者的研究重点。

2.2.2 土壤抗侵蚀能力

土壤侵蚀即土壤受水流冲击后分散并随水流移动的过程。土壤水稳性团聚体具有不可逆凝聚的胶体性质，土壤抗侵蚀能力大小可包括土壤本身水稳性系数及植物根系的固岸抗侵蚀能力。

土壤水稳性团聚体具有不可逆凝聚的胶体性质，胶结起来的团聚体在水中受到震荡、侵泡、冲洗等因素的影响而不易崩解，因此土壤团聚体稳定性越高，土壤侵蚀量或侵蚀强度则越低。同一植被种类在相同的养护条件下，用自身抗冲性能较高的土壤种植的草皮具有更好的抗冲性能[14]。

植物根系固岸抗侵蚀主要表现在植物根系的力学效应和水文效应两个方面。对于轻质土壤岸滩，植物增强岸滩稳定方式是通过根系力学作用。植物根系固岸抗蚀主要是通过提高土体抗剪切力，植物根系固岸力学基础在于植物根系分布与延伸对土体剪切强度的影响，有研究指出根系的力学效应增加了土壤团聚体的稳定性，土壤侵蚀量或侵蚀强度与土壤水稳性团聚体呈现负相关关系，团聚体稳定性增强是提高土壤抗剪强度的重要原因。对于重质土壤岸滩，根系对土壤渗透性和含水率的改善是固岸作用的重点，土壤渗透系数随含根量的增加而增大。崇明岛芦苇群落护岸的研究显示，春季是植物萌芽阶段，夏季是植物旺盛生长阶段，植物根系生长的速度超过根系衰退的速度，呈现出根系量大，根长密度长，土壤水稳性指数较高[11]。

2.2.3 河道水位

河道水位的变化对植物的生长会产生直接的作用，进而影响到植物护岸措施的效果，河流的有关特征水位决定植物种类的选择和群落的构建。对于靠近水际线的岸坡位置，主要考虑船行波和风浪流水的侵蚀，因此往往采用长根系耐湿性好的乔木；常水位以下部分的岸坡可采用水生植物护坡，同时又对船行波起到缓冲作用；常水位与洪水位区间的植物，主要考虑坡面雨水的冲刷，兼顾考虑短时间行洪时的水土保持要求，因此可采用灌木结合草本植物的方式；洪水位以上部分岸坡，由于长期处于水位线以上，要考虑耐旱的植物种类[15]。其中水生植物选择按其习性主要分为沉水植物、浮叶植物、漂浮植物以及沼生植物；沼生植物的主要特征是植物生长在水和土壤的过渡地带，植物具有水生和陆生双重习性，典型的代表植物为芦苇。

三峡水库建成后，形成面积高达300 km2的水位季节性涨落的库岸消落带。人工构建植被是控制消落带水土流失、保护三峡库区消落带生态环境的重要措施，在芦苇自然分布的三峡库区嘉陵江岸，对位于不同海拔高度水平江岸的芦苇进行了水淹的形态适应研究，试验设置5个高度水平，分别为172 m、174 m、176 m、178 m和180 m。试验结果显示，随着江岸高度增加，芦苇叶片的叶倾角逐渐增大， 叶片更倾向于直立向上；茎高茎生物量比和叶生物量植株生物量比随江岸海拔高度的增加而降低，表明受水淹影响大的芦苇植株地上部分生物量更多投入到组织上，茎的生物量投资更多分配到茎的高向生长上。芦苇在形态结构上对水淹有明显的适应性反应[16]。

有关研究者将混凝土河岸做为研究对象，在其上构建河岸生境缀块，常水位以下构建以芦苇、菖蒲为主的植物群落，常水位以上构建叶底珠和豆科植物三叶草为主的植物群落，根系最大形变量指标结果表明，芦苇根茎最大形变率随着根茎的平均直径增大而增大呈幂函数关系，具有较好的相关性，随着根茎的平均直径增大曲线逐渐趋于平缓，接近一个定值，从此方面考虑可以得出芦苇地下茎在固土方面较菖蒲和叶底珠强，是较为适合作为受损河岸的修复材料[17]。

3 芦苇的生态利用研究

3.1 芦苇的生态利用价值

3.1.1 芦苇湿地价值

享有“第二森林”美誉的芦苇湿地具有不可替代的生态作用，芦苇在其所处的水体生态系统中处于初级生产者的地位，是水体生态系统的物质和能量流的物质基础，发挥着维持生态系统生物多样性和环境稳定性等多方面的功能[18]。

3.1.2 净化水质

芦苇湿地利用自然生态系统的物理、化学和生物的三种作用，通过发挥单独或是协同作用完成对有害废水的净化。芦苇具有很强的净化污染的能力，对污废水中的重金属具有显著的吸附作用；对造纸废水中有机物的分解也具有良好的效果，芦苇根茎较为发达，有利用微生物生长附着，其植物根区的好氧厌氧微生物是降解有机污染物的主要微生物，一定程度上能将有机物矿化为水、二氧化碳和无机盐等；芦苇湿地净化污水期间，芦苇能够充分利用污水中水肥资源，将污水中氮磷等营养物质吸收利用，供给自身生长发育需要[19]。

芦苇在污染水体修复和岸坡生态修复中得到广泛应用。盘锦芦苇湿地在净化城区污水中发挥了重要的作用，在盘锦118 km的海岸线范围内尚未发生过赤潮现象;在太湖五里湖生态修复工程中被选为主要植物；滇池东北岸生态修复岸段种植了包括芦苇在内的多种挺水植物群落；松子坑水库、月亮湖和獭湖水库消长带生态防护工程中筛选出的适种植物种类中同样有芦苇。

3.1.3 改良土壤

湿地芦苇通过根和根状茎改良土壤主要表现在以下方面：可向地下部基质中输氧，可为根际中好氧和厌氧微生物提供良好的生存环境，增强微生物的新陈代谢活动；具有松动土壤的效果，残留在土壤中的根为土壤环境提供了一定的联通孔道和有机物；稳定根际的导水性，2～5 a即可达到与粗沙相当的导水作用;对土地具有极强的富积能力，芦苇生物量的50%是地下产量，以有机质形式存在于土壤中能不断的改良湿地土壤理化性质。国内刘春红室外实验研究芦苇对石油污染土壤的修复效果，经过123 d的降解，种植芦苇的石油烃降解率明显高于空白对照组，土壤得到有效改善[20]。

3.1.4 保持水土

芦苇能够阻滞水流，降低水体流速，减少流水携沙能力，减弱流水侵蚀作用；沿海湿地内大量生长的芦苇，可以降低海浪、台风和风暴等自然灾害的冲击，降低对海岸的侵蚀作用[19]，在航道岸坡整治、海岸带生态恢复以及海域围海造陆工程的应用愈来愈广泛。

3.2 芦苇生态护岸的应用

基于芦苇的生态利用价值，用做绿化浅水带和河岸生态护岸植物选择已得到广泛应用。

芦苇生态护岸通过芦苇发达的根系使得岸坡具有一定的固土和抗冲刷能力，其与水陆交界带形成的生态系统，既可与周围环境形成相协调的河道景观，又可以改变水体与底泥之间的物质交换平衡，促使悬浮物向底泥转移，澄清水质。

连云港港疏港航道整治工程中，摒弃传统河道护坡的治理方式，综合考虑航运和生态恢复的要求，结合航道冲刷、航道两岸的地形地质条件，航道岸坡的整治工程最终选择了生态护岸设计。生态护岸结构的应用大大增加河流的自洁能力，减少河流的严重污染，改善了水陆交界带生态系统。连云港航道整治工程生态护岸设计中选择的水生植物为芦苇、柳树等。滩地高程的合理确定是水生植物能够成功生长的关键。芦苇适宜生长水深在20～100 cm，本航道滩地高程设置以常水位作为依据，确定常水位以下10～30 cm，即高程1.26～1.46 cm(现有滩地高程1.4～1.7 m)。滩地设缓坡，前沿设置挡墙结构，以免船行波侵蚀滩地[21]。

随着江苏省内航道等级的提升，船舶等级的不断提高，航运繁忙，两岸受船行波冲刷影响较大，省内水流水体污染严重，具有化学需氧量、总氮含量明显较高，磷酸根含量稍高等特性，综合考虑当地环境条件和水流条件，通过力学及种子成活率分析，为达到污水净化、景观美化及最高经济效益的目的，有研究者对江苏省内河航道斜坡式生态护岸植物选择提出了较为优化的选择，其中水位线以下植物的首选即为芦苇。芦苇输氧能力较强，对废水中的化学需氧量、总氮和总磷的去除率分别为43.7%、79.5%和75.2%[22]。

生态护岸是现代河道整治的发展趋势，崇明岛作为生态岛的定位，在河道整治中充分考虑当地的自然、水文等条件，在崇明岛整治的几条环岛水系骨干工程，采用的绿化混凝土护岸形式，在坡面上种植挺水植物芦苇绿化固土和美化环境，既起到消浪防冲刷作用，又可遮挡后面的硬质护岸结构，避免硬质结构露出水面，生态景观效果较好[23]。

加拿大、德国、日本北海道曾采用草芦苇护坡，生态护坡设计中将一排排桩钉于堤坡，桩间夹带棕桐绳，草芦苇种子于棕桐绳中发芽，后于土堤上生根繁殖，对岸坡有较好的防护作用。

4 滨岸带生态护岸工程技术展望

滨岸带生态护岸工程加强了岸坡水土保持功能，为水陆交接带生态保护建设提供了有利保障，对水质净化也起到一定的作用，不仅改善了河道生态环境，也满足了人们对景观生态的需求。

滨岸带生态护岸工程技术在我国滨岸带建设中的前景比较乐观，但国内研究多集中于退化河流滨岸带的恢复和重建，平原河网地区研究相对比较匮乏，尤其对于区域地区极端条件的沿海滩涂滨岸带的研究较少，因此生态护岸工程技术需适应多区域环境条件的应用，朝区域化发展；滨岸带生态护岸区为水陆交错地带，分布着植物、动物和微生物，生物多样性特征较为明显，除了要重视植被在护岸中的作用外，还需要考虑土壤动物及微生物在植物生长初期为其提供必要的养分和有利环境，水生动物和微生物对水体的净化作用等，对护岸的综合生态进行深入的研究。

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