生态护岸技术与效益综合评价研究进展

闫建梅，卢 阳，石劲松，魏萧萧，张乾柱，孙 昆

（1.长江水利委员会长江科学院 重庆分院，重庆 400026；2.江西环境工程职业学院 林学院，江西 赣州 341000）

河岸是河道生态系统中非常重要的组成部分，是河道水域边缘的陆地，是河流生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的过渡区域，是明显区别于水域、陆地的异质景观区域，具有明显的边缘效应[1-3]。健康的河岸生态系统需具备防洪保安、调节径流、涵养水源、提供生物栖息地等多重功能。河岸长期处于流水侵蚀和冲刷的状态，加之近年来部分地区工业化、城镇化的迅猛发展，河岸功能逐步退化，各类护岸技术应运而生。传统护岸主要从安全性和耐久性出发，多采用浆砌石、干砌石或混凝土块体等结构形式，较少考虑景观环境和生态效应,导致河流的生态环境遭到破坏，不利于物种多样性的发展，同时影响河流的自净能力[4-6]。生态护岸在传统护岸基础上加入生态学原理，从护岸和生态两方面对护岸工程进行设计，构建符合流域以及地域生态特征的河岸生态系统[7]。随着生态文明建设的不断推进，我国对河岸生态环境保护越来越重视，对生态护岸功能、技术、形式、工程效益评价等方面相关的研究日益增加[4，7-9]，也取得了一定的进展，但生态护岸的功能和综合评价指标体系仍然不够全面，生态护岸技术与形式还不够生态与先进。针对生态护岸相关理论以及综合评价等方面的不足问题，通过对国内外生态护岸的研究现状进行梳理，总结生态护岸的研究理论，了解生态护岸治理技术及综合评价研究最新进展与发展趋势。

1 生态护岸功能

护岸是抵御流水的侵蚀、冲刷，达到保护河岸而建造的构筑物。生态护岸是在传统硬质护岸的基础上结合植物措施对河道坡面进行防护，不仅能稳固河岸、防止河岸坍塌，还具备使河水与土壤相互渗透，增强河道净化能力、改善水质的功能，同时具有一定自然景观效果，主要具有以下几种功能。

1.1 防洪护堤

生态护岸对原有岸坡采用生态性材料进行加固，形成可渗透性坡面，汛期可临时储存水量缓解洪峰，枯水期坡面储存水量可反渗入河流补充水量，不仅可起到抵御洪水灾害的效果，同时可防止波浪水流的侵袭、淘刷和在土压力、地下水渗透压力作用下造成的岸坡坍塌，确保河岸的稳定[10-11]。郦宇琦等[12]研究表明，在浙江省金华江流域利用生态护岸代替水泥堤防，洪水过程线更为平缓，流域内年最大一日洪峰削减率最高可达63%，即生态护岸模式较水泥堤防有良好的洪水削减作用。黄雍等[13]研究表明采用石笼、木材、草皮等生态材料护岸能提高防洪标准，具有防洪护岸功能。

1.2 净化功能

生态护岸的自净功能体现在改善河流水质上，主要包括：一是“可渗透性”岸坡对径流起到过滤的效果，减少径流中的有害物质流入河道，抑制水体富营养化；二是生态护岸配植的水生植物、挺水植物、沉水植物都对化学耗氧量、总氮、总磷等污染物有良好的去除效果；三是生态护岸形成的食物链也能降低污染浓度[14-16]。陈晓育等[17]、王汝健等[18]研究表明，植物、卵石缓坡、山石、生态砖、松木桩等护岸均能通过吸收、降解、吸附、过滤、沉淀氮磷等元素、抑制藻类，达到净化水质的作用。

1.3 生态功能

生态护岸应用了生态交错带理论，具有明显的生态功能。一是生态护岸营造丰富、完整、稳定的生态环境，为动植物的生存繁殖提供栖息地和场所，增加物种多样性。丁飞等[19]研究表明，格宾网片、斜坡式混凝土植草砖护岸均可以新增20种以上植物。二是植物地上部分的枝叶对岸坡表层起到覆盖作用，增加地表粗糙率，进而削减有效降雨量和地表径流冲刷作用，起到水土保持效应。郑雪慧等[20]在永定河北京段研究的生态护岸形式均能有效拦截径流泥沙，达到保持水土的效果。三是生态护岸布设的植物措施进行光合作用可以吸收二氧化碳以及部分有毒有害气体，释放氧气，清洁空气，同时还能起到调节温度和湿度的作用。

1.4 景观功能

生态护岸改变了传统的硬质工程，构建滨水自然植被群落结构，形成与周围环境相协调的河道景观。闫思宇等[21]、王力等[22]、邹帆[23]认为，生态护岸从线性、空间、色彩等多方面进行综合设计，通过植物景观、飞鸟虫鱼、特色建筑、亲水设施等相搭配，由传统的整齐划一、笔直挺立的单调转变为高低起伏、错落有致的动静结合，营造贴近自然的生长环境，体现自然景观美，增加人文内涵，满足了现代人类回归自然的追求。

2 生态护岸技术

2.1 生态护岸技术

生态护岸技术具有表面多孔、材质自然、内外透水的特点，能达到生态环保的效果[24]。目前生态护岸技术主要有3类：传统护岸技术、土工材料复合种植技术、新型植被生长基质护岸技术。传统护岸技术主要是沿用传统护岸工程中能就地取材且相对生态的护岸技术，具有良好护岸效果且经济合理。传统护岸技术最早源于1938年德国提出的“亲自然河溪治理”理念，在莱茵河用芦苇和柳树进行护岸[25-26]。20世纪70年代末，瑞士提出了“近自然工法”理念，即用自然卵石和植物护岸，让河流最大程度地保持自然形态[27]。目前国内应用最多的传统护岸技术是植物、木桩、抛石等护岸技术。

土工材料复合种植技术是将土工合成材料和生态理念相结合，岸坡土与植被根系形成一体的防护体系，满足渗透性、柔韧性的同时具有较高的稳定性。1999年，胡海泓[28]提出将土工网复合植被等技术应用在漓江治理工程中。2001年，陈海波[29]将网格反滤生物的组合护坡技术应用在引滦入唐工程中。随着研究的深入，目前土工格室、生态袋、三维植被网等土工材料复合种植护岸技术大量应用于工程中。

新型植被生长基质植物护岸技术是新型基质与植物共同形成的防护体系，在强度、柔韧性、渗透性、耐久性等多方面具有优越性。该技术较早源于1995年日本混凝土协会提出的生态混凝土，即采用特殊工艺制造的具有特殊结构与表面特性的，与生态环境相协调的混凝土。国内该技术的研究相对较晚，于近几年逐步得到重视，并开始应用，主要包括生态混凝土、土壤固化剂、水泥生态种植基等技术[30]。

2.2 生态护岸形式

生态护岸既要保证岸坡稳定性，也要满足岸坡生态性，一般采用石、木材、生态混凝土、土工合成材料与植物相结合的方式[31-32]。根据护岸材料中天然材料占比，可将生态护岸主要分为自然原型护岸、半自然型护岸、多自然型护岸[33]，各类生态护岸特点与适用范围见表1。

表1 生态护岸类型特点及适用范围Table 1 The characteristics and application range for three types of ecological riverbanks

自然原型护岸利用植物发达的根系固土保沙，达到稳固堤岸、抵抗洪水的目的，且近自然度最高，具有一定的景观效果，满足生态环境的需求[33-35]。郝由之[24]研究表明，狗牙根和连翘均可提高土地黏聚力、抗剪强度20%以上，使岸坡产生间接加筋或锚固作用，乔木可使岸坡整体稳定性增强16%。自然原型护岸常用的植物主要有旱柳、沙棘林、刺槐林、黄檀、池杉、鸢尾、高羊茅、假俭草、龙须草、金银花、油松、黄花、常青藤、蔓草、狗牙根等[7]。

自然型护岸（也称半自然型或人工自然型）[36]是指种植植被以外，还用石材、木材等天然材料保护坡脚，增加岸坡的稳定性[33]。王艳颖等[37]研究表明，木栅栏砾石笼生态护岸对水体有净化作用，可完善河流水生植物和水生动物群落数量、结构。相比自然原型护岸，自然型护岸增加了护脚工程的成本，但是抗冲刷能力显著增强，同时也满足了生态需求[9]。

多自然型护岸（也称自然型与工程类结合护岸）[9]是一种植物与工程措施相结合的复合型护岸技术。工程措施一般采用生态混凝土、土工合成材料等能与动植物和谐共生的生态材料。杨玉宝等[38]、邢振贤等[39]、许春玲[40]研究表明，生态混凝土、生态袋、水土保护毯等材料不仅有很强的抗冲刷能力，还具有生态环保、亲水自然等特性。

3 生态护岸综合评价

影响生态护岸健康的因素众多，单指标评价法无法充分全面地反映生态护岸健康状况的变化。目前，国内大部分采用多指标综合评价法。多指标综合评价法通过运用一系列生态、社会、经济等多种类型指标，从不同角度反映生态护岸的健康状况，有利于全方位揭示生态护岸存在的问题[41-42]。

3.1 指标体系的构建

随着生态护岸综合评价的研究不断深入，不同种类、不同地域、不同河流的生态护岸评价指标体系不断涌现，如城市河道生态护岸指标体系[43]、北京永定河生态护岸指标体系[7]、大沽河生态护岸综合评价指标体系[44]。但是我国幅员辽阔、河流众多、地质地貌条件不尽相同，针对的生态护岸技术也各有差异。在特定环境下的生态护岸综合评价指标体系建立之前，从河流生态河岸的整体性出发，评价生态河岸的健康状况，建立健全河流生态护岸全指标体系很有必要。

健康的生态河岸首先满足以下四个要求：一是基本结构安全，保证堤防的稳定及防洪等安全；二是满足生态平衡要求，提供有利于生物存活的生境条件；三是为人们提供亲水、娱乐休闲的景观环境；四是尽量做到生态护岸形式的经济性、生态性。因此，本文从安全性、生态性、景观性、社会经济性四个方面提出了结构稳定性、物种多样性、亲水性等31个指标，建立了生态护岸综合评价全指标体系。

3.1.1 安全性

防洪排涝能力是反映河岸功能安全性的重要指标。坡面形式、结构稳定性、土体密实度、防冲刷能力、抵抗流速、允许剪应力、渗透系数、抗变形能力、抗撞击性、弯段稳定性、河床冲淤平衡等反映在水流作用下河岸自身安全性的重要指标[45-49]。

3.1.2 生态性

生态护岸的生态性体现在坡面植被、天然材料相比传统护岸更易形成健康的交错带，可以改变水环境以及动植物栖息、繁衍和避难的场所等生态效应。自身结构功能生态状况以及生态护岸对生态系统恢复力是诊断生态护岸生态性是否满足的关键内容。河岸生态状况主要包括材料生态性、涵水性、物种多样性、群落结构、植被覆盖度5个指标；恢复力包括水文调蓄功能、水土保持效益、水质净化度、土壤质量等4个指标[7，44，50]。

3.1.3 景观性

景观性评价是对生态护岸现状的评价，是评价生态护岸对人类生存的适宜性特征。分析对象主要是景观布局、形状、线条、颜色、结构以及景观多样性等景观特征[51]。景观性评价主要选择景观适宜性、亲水性、整体协调度、自然性、文化美学性、休闲娱乐性6个指标进行评价[7，47-49]。

3.1.4 社会经济性

经济性指标主要是对生态护岸建设、后期维护以及带来的社会经济效应等方面进行定量描述。社会经济性主要选择建设成本、管理费用、使用寿命、公众认可度4个指标[9，46，52]。

各个指标采用“优秀”“良好”“一般”以及“差”4个等级，等级标准（分值）、量化方法如表2。

表2 河流综合评价全指标体系Table 2 Index system of comprehensive river evaluation

3.2 综合评价方法

生态护岸的影响因素较多，且各个因素之间具有交叉性、模糊性、不确定性，且涉及生态学、水力学、景观学、土力学等多学科，生态护岸健康评价是一项复杂的工程，难以建立完备、严密的数学模型进行分析。目前，生态护岸健康综合评价是以收集大量的基础数据信息（如植被覆盖率、地质、水文、土壤侵蚀等）为基础，运用传统的经验法，从安全性、生态性、景观性、社会经济性四个方面进行综合评价[7，44]。最常用的评价方法是层次分析法，即将与决策有关的因素分解成目标、准则、指标等层次，形成树状结构，然后根据各指标隶属度关系和内涵范畴建立结构层次模型，对同科目指标的相对重要性运用判断矩阵比较从而得到各参数权重和总排序，樊进娟等[52]、罗伟慰[53]、佟志涛[54]等用层次分析法对不同护岸形式进行了综合评价。其次是灰色关联法，它是以各因素的样本数据为依据用灰色关联度来描述因素间关系的强弱、大小和次序，是衡量因素间关联程度的一种方法，张宇航[50]、金莹等[55]采用灰色关联法对生态护岸进行综合评价，且张宇航在淅川县鹳河城区生态护岸的实例中证明灰色关联法与层次分析法具有基本相似的结论。少部分研究采用模糊综合评价法，即根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，对受到多种因素制约的事物或对象作出一个总体的评价，魏欢[56]用模糊综合评价法对郑州市须水河规划的不同生态护岸形式进行评价，并选出最优护岸形式运用于实际工程中。这三种评价方法均存在一定的优劣性，见表3。针对生态护岸评价指标多且存在大量的定性指标，部分学者将多种方法进行结合，如柴纯纯等[48]在生态护岸评价中采用了模糊层次与主成分分析法相结合的方法，避免了模糊层次法的缺点，同时加入主成分分析，既考虑到指标间的相互关系及差异性，又可以避免权重的均一性而导致的评价非公正性，使评价结果更符合实际。

表3 生态护岸评价方法的比较Table 3 Comparison of ecological revetment evaluation methods

3.3 指标的权重赋值

建立全指标体系时，以生态护岸综合评价为目标层，以安全性、生态性、景观性、社会经济性为准则层，以结构稳定性、物种多样性、亲水性、建设成本等31个指标为指标层，运用层次分析法对各指标进行权重赋值，并进行一致性检验[44]。

3.3.1 构建判断矩阵

通过对全指标体系中的准则层和指标层分别进行重要性判断，并构建判断矩阵，各个指标的重要性按照表4建立1～9标度法判断矩阵。

表4 1～9标度法判断标准Table 4 The judgment standard of 1-9 scaling

3.3.2 权重赋值

对于任意一个判断矩阵，计算其每一行元素的乘积，如式（1）所示。

计算Pi的n次方根Dni，如式（2）所示。

计算第i行对应的指标的权重Wi，如式（3）。

3.3.3 赋值结果

根据式（1）～（3），各项赋值权重系数见表5。

表5 各指标权重系数Table 5 Weight of each index

3.3.4 一致性检验

一致性检验分为层次单排序一致性检验和层次总排序一致性检验。

（1）层次单排序一致性检验

层次单排序一致性检验，即求判断矩阵的特征值和特征向量，以计算对于上一层次某一指标而言，本层次与之相关的指标的重要次序，所求特征向量即各指标权重值。一致性检验计算公式：，其中，，式中CR为检验系数，当CR＜0.1时，判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有一致性；CI为随机一致性指标，当判断矩阵具有完全一致性时，CI=0；CI越小，说明一致性越大。RI为平均随机一致性指标；λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵的阶数。表6所示一致性检验结果表示均通过层次单排序一致性检验。

表6 一致性检验结果Table 6 The result of consistency check

（2）层次总排序一致性检验

层次总排序一致性检验，即根据各层次的单排序进行加权综合，以计算同一层次各指标相对于最高层次的重要排序。各个指标相对于评价总指标的一致性检验为：，其中，式中：Wi为标准层某项指标权重；CIi为某层次单排序随机一致性指标；RIi为某层次单排序平均随机一致性指标。生态护岸全指标体系一致性检验结果为：CI总=0.077，RI总=5.150，CR总=0.015＜0.10，生态护岸综合评价全指标体系通过层次总排序一致性检验。

4 研究展望

近年来，随着生态文明的逐步推进，生态护岸作为河流生态修复重要组成部分越来越受到人们的关注，目前关于生态护岸的理论、技术及综合评价方面的研究取得一定的成果，但生态护岸技术的应用及综合评价缺乏科学性、系统性。在未来的发展中仍需开展以下研究：

（1）多学科多尺度的生态护岸有待深入研究。岸坡作为复杂的生态系统，与周边的生态系统从物理、化学、生物等多方面产生着密不可分的联系。关于生态护岸对周边的生态系统在物质、能量、信息的流动方面产生的影响研究几乎是空白。因此，研究要结合地理学、生态学、植物学、水文学、环境学等多学科进行综合分析，并多尺度、更深入地开展各个生态系统之间相互影响的机制研究。

（2）生态护岸治理技术有待突破。一是自然原型和自然型护岸只用于水流平缓的河道，在对稳定性要求较高的河岸，必须加入硬质护岸技术，因此，研制既满足生态需求又稳定的生态护岸技术刻不容缓。二是在特殊岸坡条件下的护岸技术鲜有研究，如坡面陡立、土壤条件差等条件下的生态护岸技术有待突破。

（3）综合评价体系需进一步完善。影响河岸生态系统健康的因素众多，需要对胁迫因子进行分析，完善评价指标体系。一是目前综合评价的方法多样化但为定性化评价，需研究出定量化的评价方法，提高评价精度。二是不同区域、不同生境下的生态护岸的指标选取及评价方法的差异鲜有研究。

（4）加快管理制度的研究。前期建设固然重要，但后期的管理维护也是维持岸坡良好的生态环境的重要措施，是生态护岸健康综合评价的指标之一，符合岸坡健康可持续发展的重要理念。目前对生态护岸的管理还未起步，未来需加强相关的管理政策、措施、体系以及评判标准的研究。