河流心滩守护中的生态固滩方法研究----以长江倒口窑心滩植入型生态固滩工程为例

李 明

(长江航道规划设计研究院, 武汉 430040)

0 引 言

近年来，开发和应用兼具生态保护、资源可持续利用以及符合工程安全需求的洲滩和岸坡防护生态工程技术，已经成为河流整治工程的创新内容。当前我国河道生态修复措施主要集中于生态护坡和护岸，即以滨河带的重建为主。河漫滩植被在河流生态系统的完整性中占有重要地位。植被的存在能够减小近底水流流速，促进泥沙落淤，有助于河漫滩的稳定，同时落淤的泥沙也将有助于河漫滩的进一步发育。因此，一旦植被丰度达到一定规模，将能够有效增强河道内滩体的稳定性。长江干线航道近年来实施了一系列航道整治工程，生态护岸技术相对成熟，尤其是钢丝网格生态护岸应用较为普遍，而对于江心沙质滩地的守护工程，基本上都采用软体排加抛石压载的工程结构，以确保工程的稳定。这类心滩守护工程对目前的滩地进行硬化，对生物的生境造成很大影响。

与滨河带的生态护坡和护岸工程相比，在河道中游移性较强的洲滩上的生态护滩工程有着不同的特点。心洲滩地面积大、地形复杂、形态各异，为非封闭状态，且水流、水位年内年际变幅大，滩体砂土结构疏松等，对于生态固滩的实施带来很大难度。目前对于河流中稳定性较差的洲滩，开展生态守护工程措施的研究较少。为了确保滩体结构稳定性和安全性并兼顾工程的生态效应，本文提出了一种植入型生态固滩方法，在长江倒口窑心滩的洲滩守护中进行了原位试验，并对其应用效果进行了跟踪分析。

1 试验区基本情况

倒口窑心滩位于长江中游藕池口水道，藕池口水道地处湖北省石首市境内，由一个顺直段和一个弯道段组成，是长江中游重点碍航水道之一。顺直段河道较宽,河道内分布有藕池口心滩和倒口窑心滩两个较大型的滩体。藕池口水道河势见图1。藕池口心滩形成于20世纪90年代，目前滩面植被茂盛，滩体稳定性较好。倒口窑心滩形成于2006年前后，滩面无植被覆盖。近年来倒口窑心滩左缘持续冲刷后退，对文艺村附近航槽稳定性有不利影响。

图1 藕池口水道河势示意图Fig.1 Ouchikou channel river regime schematic diagram

倒口窑心滩守护工程主要是为了确保倒口窑心滩的完整性，防止滩槽格局的不利变化。该项工程为一梳齿形护滩带，含一纵二横共3道护滩带。纵向护滩带上段为半椭圆形，下段为刀形，其中上段长度为400 m、底宽660 m，下段长度为1 810 m、宽度为300 m，其主要功能是防止因水流顶冲与侧蚀造成倒口窑心滩头部及左侧出现冲刷后退；横向护滩带轴长分别为500、640 m，宽度均为180 m，其主要功能为对纵向护滩带的后方滩体进行适当保护，避免滩面发生剥离式冲刷。倒口窑心滩守护工程见图2。现场试验区位于倒口窑心滩梳齿形护滩带第2道横向护滩带两侧的根部拐角处，总面积约2 500 m2，根据倒口窑心滩航道整治模型试验的结果，试验条件下区域内的流速范围约为0.73～1.56 m/s。现场试验区示意图见图2。

图2 现场试验区位置示意图Fig.2 Field test area location diagram

2 植入型生态固滩方法

2.1 倒口窑心滩生态守护的特点

三峡工程蓄水以后，来沙大幅减少，洲滩易冲不易淤，且由于大量冲泻质淤积于库区，坝下游冲泻质大幅减少，蓄水以来落淤形成的滩体的组成物基本都是中细沙。植物徙居于洲滩的重要前提是洲滩能提供必要的养分，中细沙组成的洲滩保水保肥能力差，植物徙居并增殖的难度大。倒口窑心滩，尽管目前高程较高，清水下泄的情况下进一步淤高的难度较大。这是因为在即使洪水期漫滩，由于表层水流含沙量极低，粗砂落淤的可能性很小，较细泥沙落淤的可能性则几乎不存在，该滩体即使维持当前形态，也极难生长出成规模的植被。因此进行生态固滩的主要思路是在分析工程区水文情势的基础上，合理选择用于固滩的先锋植被，并设计相应的培育方案，在试验的基础上，选择必要可行的辅助措施，确保先锋植被的繁育增殖，在试验工程区实现初步的保水保肥，为试验区以后植被的逐步演替以及丰度的逐步提升创造条件。

对倒口窑心滩水文情势进行分析，主要分析心滩淹没情况。以石首站水位近似代表倒口窑心滩附近水位，采用2003年三峡蓄水以来的水位资料计算分析工程区淹没情况，包括最大淹没深度和淹没深度年内年际变化见图3和图4，工程区特征流量下的淹没深度见表1。分析可知，倒口窑心滩淹没时段主要集中在汛期的5-9月，12月至第二年4月无淹没历时出现，心滩年平均淹没历时为61 d/a，一年内最大淹没历时曾达到过93 d。心滩的淹没深度和淹没历时与来水量关系紧密，历年出现最大淹没深度4.2 m，平均淹没深度为0.2～1.6 m，淹没深度及淹没历时均在7月份达到最大值。

图3 历年最大淹没深度变化图Fig.3 Variation diagram of the largest submerged depth over the years

图4 淹没历时年际变化图Fig.4 Interannual variations diagram of flood duration

表1 特征流量下的淹没深度统计表Tab.1 Statistical table of submerged depth under characteristic flows

从植被的生长期来看，倒口窑心滩上具备基本的出露条件。考虑到倒口窑心滩为季节性漫滩，雨季淹没旱季出露，植被物种的选择方面存在较大的难度；同时，该漫滩土壤质地疏松，营养匮乏，表层土壤容易被水流冲刷带走，植物根系难以固定。为此，需解决两方面问题：①固滩植被的选种和培育方案，确保选育植被具有较好的耐淹性，能够在倒口窑心滩滩面存活；②土壤基质的固定技术，通过适当措施，确保在植被生长初期所需的土壤基质稳定，同时所选措施能够满足植物生长空间及环保可降解等方面的需要。

2.2 植被选育

植物群落的配置就是通过人为设计，将拟恢复重建的植物群落，根据环境条件和群落生长特性按一定比例在空间分布、时间分布方面进行安排，高效运行，达到恢复目标，即形成稳定可持续利用的生态系统。一般而言，先锋物种的选择是在对湿生植物生物学特性、耐淹性以及光补偿点的研究基础上，筛选出几种具有一定耐淹性、能适应当地生态环境的物种作为恢复的先锋物种，同时为湿生植物群落的恢复提供建群物种。物种的选择主要有以下几个原则：①适应性原则。所选物种应对该流域气候水文条件有好的适应能力。②本土性原则。优先考虑采用当地的原有物种，尽量避免引入外来物种，以减少可能存在的不可控因素。③强净化性原则。优先考虑对N、P营养物质有较强去除能力的植物。④可操作性原则。所选物种的繁殖、竞争能力较强，栽培管理容易。

从以上原则出发，遴选适宜倒口窑心滩的植物物种，物种既能在干燥土壤中长期生存和繁育，具有正常生命代谢活性，又能耐受长时间的淹没和水涝，具备很好的耐受能力，同时还需要满足上述的其他要求。初步确定物种的具体选择标准如下：①夏天能耐受30～60 d的淹没仍然保持生命活性；②注重生物多样性与生态安全，以本地土著物种为主；③注重人工植被的立体空间层次，确定不同物种的搭配；④注重植被的自然性状和生态功能，依据季节更迭选择不同的植被，确保每个季节均有一定的植被覆盖度，同时，选择根系发达，固土保土能力强的物种；⑤物种有一定的抗水流冲击能力，并可以截留一定的泥沙，有利于洲滩进一步发育。

试验区附近的草地生态系统在河堤和滩地广泛分布，适生植被以水生维管束植物和河滩的灌丛灌草丛为主。前期生态调查共收集到多年生植物14种，主要有狗牙根、牛鞭草、天名精、小蓟等。越年生植物3种，分别是一年蓬、异叶黄鹌菜、卷耳。一年生植物10种，主要有雪见草、荠菜、鸡眼草等。根据前述原则和标准，在工程河段适生植被调研结果，从大量的植物物种中筛选狗牙根、芦苇、三叶草作为适生植被物种用于倒口窑心滩的植被恢复。选择上述三种植物的具体原因如下：狗牙根、三叶草、芦苇三个物种具有空间上的层次，狗牙根匍匐在土壤表层，具有发达的根系，位于最下层，三叶草介于狗牙根和芦苇之间，芦苇株高可达2 m以上，空间层次分明；另外，就土壤表层的狗牙根和三叶草，也分别分布在不同空间上，狗牙根有良好的耐淹能力，一般位于水分充裕地势较低的区域，三叶草有一定的耐旱能力，位于水分较少地势较高的区域。同时，狗牙根和芦苇具有发达的根系，对洲滩土壤有良好的固定作用，尤其是处于地势较低区域的狗牙根，耐水淹，具备良好的抗水流冲击能力和泥沙截留效应；三叶草有一定的土壤改良作用，可以改善土壤肥力。芦苇以其固土整沼、开发荒地、保持生态平衡等多方面的优势，成为具有综合经济用途的资源植物，发挥着巨大的经济和生态作用。此外，三者存在一定的季节更迭，三者混交种植，有助于洲滩植被的稳固和促进未来植被盖度的提高。

2.3 土质改良

倒口窑心滩表层主要淤积物为砂质粗颗粒，粒径大，营养贫瘠，黏连性和稳定性差，易于在外力作用下移动，不利于植被定植生长与成活。针对倒口窑心滩土壤基质的现状和存在的问题，需要对该处土壤基质进行改良。基质改良的技术设计参数上主要需要考虑土壤团聚体稳定性、土壤养分与保墒能力。

土壤团聚体稳定性指标包括粒径级配、团聚体体积质量或团聚体密度等，植被生长良好的土壤基质需要满足的具体指标要求为黏粒(粒径<0.002 mm)占全部团聚体颗粒的比重不低于25%，粉粒(0.05 mm>粒径>0.002 mm)所占比重不低于65%；团聚体的体积质量1.2～1.8 g/m3或者团聚体密度>2.0 g/m3。基于上述要求，结合经济成本的考虑，土壤改良拟就地取材，从附近的农田、林地等选择黏土作为回填的土壤基质，通过测定土壤的粒径级配，按照上述要求计算不同土壤的搭配混合比例，将土壤基质人工或者机械搅拌均匀后敷设到项目区中。

土壤养分方面的主要指标有有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾；植被生长良好的土壤需要满足有机质质量分数20 g/kg、碳酸盐质量分数>85 g/kg、全氮>0.8 g/kg、速效氮>60 mg/kg、速效磷>30 mg/kg、速效钾>100 mg/kg；对按适宜比例混合的土壤基质测定肥力指标，按照植被生长的养分需要通过定期施农家有机肥以确保植物的养分需要，同时可缓慢改变土壤质地。保墒能力方面的要求为土壤质量含水量不低于15 g/kg，按照上述设计要求敷设的土壤基质，如果土壤含水量不够，需要定期浇水，以弥补不足，保障植物生长的充足水分供应。

基于以上要求制定倒口窑心滩土壤基质改良的具体设计方案如下：①采集黏土，运输到项目区；测定级配后计算不同土壤的适宜搭配比例，按照该比例混合均匀后敷设到项目区。②黏土按比例植入项目区，植入土尽量夯实；③植入土层厚度为50 cm；④植入土表层使用农家有机肥进行养分改良，确保农家肥均匀均匀分布在植入土层表面；施肥标准以有利于植被适度生长为宜。⑤接种和培育土壤藻类，将藻种接种到土壤基质表面，每天洒水保持表层土壤湿润，确保土壤藻类的活性和作用发挥。黏土就地取材，农家肥需要从当地采购，土壤藻类需要联系专业部门采购并接种，确保活性与效果。

2.4 临时防冲结构

茂盛的植被不仅能有效的保护土壤基质，同时还能从水体中截留泥沙，促进滩体的淤高。但在滩面植被具备足够的丰度之前，必须采取临时性的工程措施对迁入的客土进行必要的保护。对此，本研究提出了采用可降解草绳网构成的临时防冲结构，如图5所示，在植被生长发育期间起到临时固土防冲刷作用。

图5 临时防冲结构照片Fig.5 Temporary anti-scour structure picture

图6 管道试验系统示意图Fig.6 Pipeline test system diagram

开展了水槽试验，研究防冲结构不同布置方式的固土抗冲作用。出于防冲刷和植被繁育的需要，工程区回填土拟采用黏性土。黏性土的起动不同于散粒体泥沙和一般淤泥的起动，由于其黏性较强，需克服团粒间较强的黏结力才能起动，因此一般情况下都具有较强的起动临界条件。考虑到用来进行冲刷模型试验的普通开敞式无压水槽的流速条件不能满足黏性土试验的要求，另外冲刷试验土体颗粒的黏聚性也很难通过模型模拟，因此在管道内开展临时防冲结构作用下的土体冲刷试验，用以观测分析临时防冲结构的防冲效果。在试验管道内模拟现场试验区的近底流速条件，可视为1∶1的模型比尺，流速和土体以及临时防冲结构均与现场实际情况相同。试验在矩形有机玻璃管道中开展，矩形管道示意图见图6。整个试验装置为封闭管道循环系统，包括进水管道、水泵、阀门、电磁流量计、试验管段、顶土装置、出水管道、水库等几部分。其中试验管段为封闭矩形管道，采用有机玻璃加工而成，内部断面尺寸为50 cm×20 cm，长度为3 m。试验土样放在距进出口等距离处，以保证水流条件的稳定；水泵功率为4.8 kW，最大流量可达150 m3/h，矩形管道有效段最大流速可达2.08 m/s。为了使试验过程中土样表面的水流条件基本一致，考虑在矩形有机玻璃管道底部安装土样升降装置(顶土装置)，下方升降机装置采用电动机及减速装置控制其升降速度。在试验过程中，当土样在水流的冲刷逐渐降低时，适时调整土样高度使其表面与矩形管道底部齐平。

试验是在封闭压力管道中进行的，与明渠中的无压条件有所不同。依据相关研究成果，在有压管道中进行冲刷试验，其压力变化对土样冲刷的影响基本可以忽略，试验结果基本可代表土样在一般开敞水槽中的结果。主要测量内容包括：①流量采用电子流量计测量。②冲刷形态采用高清相机拍摄结合测尺测量冲刷深度。

工程区回填土的来源主要来自附近农田和荒地黏土，在回填土源区内采集了两种代表性土样开展试验。对以上两种土样进行颗粒分析试验，主要包括土样粒径、比重、孔隙率等。土样颗粒级配见图7和图8，土体特征值见表2。

图7 土样A颗粒级配曲线Fig.7 Grain size grading curve of sample A

图8 土样B颗粒级配曲线Fig.8 Grain size grading curve of sample B

用草绳结网的临时防冲结构，从设计方案上的变化主要考虑草绳的直径d和绳间距L。设计了4组临时防冲结构形式，对应尺寸分别为：d1=0.5 cm，L1=10 cm，d2=1 cm，L2=10 cm，d3=0.5 cm，L3=5 cm，d4=1 cm，L4=5 cm。在平滩流量级～洪水流量级范围内，工程部位的最大流速为0.7～1.6 m/s。参考该成果，冲刷试验采用了6组流速条件，分别为0.56、0.69、0.97、1.25、1.53、1.81 m/s，在两种土样下分别开展正交试验。观察泥沙起动情况，并记录两种土样在10 min内的冲刷深度，结果见表3。

表2 土样特征值对比表Tab.2 Soil sample eigenvalues comparison sheet

注：黏粒指的是粒径0.005 mm以下的颗粒。

结合试验结果可知，草绳防冲框架结构在减弱冲刷方面有着明显的作用，且对于土样1的作用更加明显。土样2中粉粒含量较多，土体间孔隙较大，吸水能力更强，随流速的变化所受到的扰动更大。不同结构的防冲结构防冲能力不同，同等条件下，结构的空隙越大，防冲作用越小。土体中黏性颗粒的含量对起动流速的影响较大。细颗粒含量比较多的土样1，中值粒径比较小，黏性颗粒含量较多，颗粒间黏结力比较大，需更强的水流强度才能起动，故使其开始明显冲刷的流速更大，且其冲刷的深度在同等条件下较土样2小。

表3 回填土冲刷深度 cm

试验采用的回填土为新填土，没有经过淤积固结过程，相对冲刷深度较大。考虑工程区的实际情况，土体回填以后会有一定时间的固结过程，密实度会有所增加，因此土样1的成果更接近工程实际情况。对于土样1来说，理论上讲草绳铺设得越密，防冲效果越好。试验对比发现，四种临时防冲结构均有一定的防冲效果，起动流速有所增加。根据试验结果，临时结构能有效提高防护区的起动流速，从而提高回填土的防冲能力，为植被发育期提供顺利过渡条件。因此临时防冲结构的选取应考虑到首先满足工程区的临时防冲需求，在此基础上考虑植株的生长空间需求、种植的可操作性以及临时防冲结构的经济性和使用寿命。

3 原位试验及效果分析

综合考虑种植的可操作性及经济型，确定选用结构II(d=1 cm,L=10 cm)作为现场试验的临时防冲结构体型。生态护滩结构采用浆砌块石形成围墙，并充填土方，通过播撒植物种子的形式进行绿化，在播撒种子之后，在表面每隔间距为10 cm铺设一根1.0 cm直径草绳，草绳采用带勾头的Φ10钢筋固定,钢筋总长为2 m，间距为3 m；在边缘设置透水框架，宽10 m，如图9所示。生态固滩工程于2014年7月开工，2015年初实施了生态护滩区域的回填土工作，至2015年3月，生态护滩结构及主体工程基本实施完成。

图9 生态护滩现场试验结构图(单位：cm)Fig.9 Site structure diagram of ecological channel bar protection tests

图10 生态固滩试验实施2月后的现场照片Fig.10 Scene photos taken after the ecological shoal consolidation method implemented two months

图11 生态固滩试验实施1年后的现场照片Fig.11 Scene photos taken after the ecological shoal consolidation method implemented one year

对试验区进行了2年的跟踪观测，分析生态固滩工程试验实施后的效果，见图10、11。植入基质在运行1年后检测发现粉粒和黏粒占基质的90%以上，团聚体密度达到2.1 g/m3，基质的密实度和稳定性满足固滩项目的要求。种植的狗牙根、三叶草和芦苇在春夏季显示了强劲的长势，生长指标正常。春季，三叶草生长茂盛，实现了对项目区的全覆盖，目测估算植被盖度达到90%以上；狗牙根新芽发育，植株密度达到30 株/m2以上；芦苇高度在1.0～1.5 m之间，平均植株间距1.2 m。单位面积上的植物生物量达到15.7 g/m2以上。夏季，三叶草逐渐枯萎，为土壤提供了养分，狗牙根长势旺盛，植株密度达到60 株/m2以上，植被盖度达到80%；芦苇平均高度2.0 m，平均植株间距0.8 m，密度显著增加。同时，试验区出现很多其他的植物，物种多样性指数增加。单位面积上的植物生物量达到40.3 g/m2。秋季，狗牙根长势旺盛，植株密度达到70 株/m2以上，目测估算植被盖度达到92%以上；芦苇高度在2.4 m以上，平均植株间距0.7 m。单位面积上的植物生物量达到46.7 g/m2。除此以外，试验区还发现了鸟类栖息的痕迹。

4 结 语

本文提出了一种针对河流心滩守护的植入型生态固滩方法，以倒口窑心滩生态守护工程为例，从植被选育、基质改良、临时防冲结构设计等方面进行了分析研究。得到的主要认识如下。

(1)心滩的生态守护应充分分析工程区的来水来沙特性，制定相应的工程实施方案。

(2)通过引入客土，迁入生命力强的先锋植被，只要在先锋植被繁育至足够丰度之前进行临时性的辅助固土，即可达到利用植被进行生态固滩的效果。

(3)对于汛期淹没过水的心滩，在植被具备足够的丰度之前，水流对适合水生植物扎根的迁入客土(软泥)的冲刷作用不容忽视，将影响植物生长发育，必须采取临时性的工程措施对迁入的客土进行必要的保护。

(4)现场试验结果表明，本文提出的生态固滩方法取得了良好的生态固滩效果，可以推广到类似工程中。