生态堤防应用现状及对策分析

张慧琴,欧牛泉

(1.韶关市防洪管理中心,广东 韶关 512000; 2.重阳镇政府,广东 韶关 512000)

0 引 言

堤防是抵御洪涝灾害的重要屏障,但随着现代化城市发展,堤防与城市环境协调问题愈发突显。传统堤防大多采用干砌石、浆砌石、混凝土等材料硬化修建[1],很多情况下仅考虑了防洪功能,而忽略了堤防工程对河道生态系统的影响,导致生物多样性破坏[2-3]。为顺应河道生态治理发展趋势,生态景观、生态系统、生态堤防等相关研究应运而生。

20世纪起,欧美国家已开始研究生态堤防,提出环境在河道堤防设计中的重要性,提倡自然型护岸。随着生态文明建设的不断推进,中国近年也逐步重视堤防岸线作用,从传统硬化堤防开始转变为资源节约型、环境友好型生态堤防,更加注重可持续发展[4]。本文主要探索生态堤防应用优势,通过生态堤防应用对河道行洪的主要影响、材料比选及成本等问题分析,寻找相关对策,并对生态堤防未来发展提出建议。

1 生态堤防概述

1.1 特 点

生态堤防在保证堤身稳定性的基础上,不再局限于单一防洪功能,而根据需求采用不同的多孔介质基础材料,满足植物生长条件,并通过结构设计打造水陆衔接的柔性景观[5]。生态堤防兼顾防洪安全、生态效益和景观价值,充分发掘堤防作用。万里碧道建设是生态堤防建设的典型案例,将治水与治岸结合,统筹生态、安全、文化、景观和休闲功能,建立了复合型廊道[6]。根据洪水的时空特点,生态堤防在汛期发挥防洪屏障作用,非汛期则作为城市景观、休闲游憩场所。

1.2 类 型

生态堤防根据河道特征、地理位置、社会需求、经济条件、国土空间规划等多方面因素,采用不同的形式建设,主要有自然原型堤防、自然型堤防、人工自然型堤防3种类型[7-8](表1)。自然原型堤防最接近自然,造价相对较低,多用于两岸人口较少、河道防洪风险较小的地区;自然型堤防造价适中,多用于乡镇、县级堤防;人工自然型堤防造价高,多用于对防洪和景观要求高的城市。

表1 生态堤防类型Tab.1 Types of ecological levees

2 生态堤防主要优势

2.1 提高堤防稳定性

植被浅层根系与土壤形成复合体,发挥预应力加固作用[9],伴随根系生长,与堤身内部基础材料建立联系,起到加筋作用,从而达到固土护坡的目的。植被通过吸收和蒸发水分降低边坡水压力,从而增强土壤黏结力,提高堤岸的抗冲刷能力[10]。胡其志等[11]研究中发现根系与格栅的复合加筋效果很好,其黏聚力相较于素土、格栅加筋土分别增加了265.0%、33.2%。新孟河延伸拓浚工程中采用生态护坡技术,在坡脚铺设具有过滤、防渗、提高地基承载能力的素混凝土软排,坡上铺筑透水性垫层和草皮护坡,工程建成后通过了汛期检验,未出现质量问题[12]。

2.2 保障河道生态系统

生态堤防基于河道生态系统,考虑河道生物原始循环状态,保留生物多样性,维持河道生态平衡与生态稳定。生态堤防通过生态混凝土、生态防护袋、混合材料搭配等方式,确保满足植被生长条件[5]。多孔介质[13]可增强护堤地透水性,使雨水能渗透地下土壤,降低城市内涝风险。植被通过截留、吸附过程可净化雨水径流,对COD,TN,TP,SS等污染去除起积极作用,在改善水环境和促进水生态系统良性循环方面具有重要意义[14-15],并且植物光合作用对调节局部微小气候具有显著影响。张栋[16]实验发现:灌丛垫在雨强30,60 mm/h的条件下,对径流污染物的截留率分别为氨氮62.61%,50.13%、磷酸盐59.53%,42.70%、硝氮55.61%,42.03%,可在污染物阻控方面起到积极作用。

2.3 提升堤防景观价值

河流是城市的脉络,堤防是防治洪涝灾害的重要屏障。堤防修建须占用河流岸线,根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》,其中堤防背水侧护堤地占5～30 m宽度,且堤防须严格按照相关标准建设,因此偶有高出陆域的堤防挡墙出现,与城市景观相违和,导致附近地块使用价值降低。

堤防作为水陆交界的开放空间,在保证河道行洪安全的前提下,是作为城市绿地较好的选择,通过设置植物景观、亲水平台、特色雕塑等,运用色彩、线条等方法,将单调的堤防打造成城市景观,构建休闲游憩场所[17-18],改善城市热岛效应,增加了岸线使用价值。复式断面防洪堤[19]打破了传统防护形式,淮河蚌埠主城区段[20]结合河道水位变化影响范围,将行洪断面沿垂直方向划分为三级景观区,根据枯水期、丰水期特征布设相应设施和景观,打造城市多级弹性空间。

金华市梅溪流域综合治理工程[21]中采用生态堤防改善河道生态系统,通过放缓堤防坡度、沿河布设景观等方式使水利、生态、景观相互协调,在保障行洪安全的前提下,将梅溪流域打造成为了“金华最美河道”。昆山市牛湾泾黑臭河道治理工程[22]中对硬质驳岸进行改造,新建生态石笼墙,并结合控源截污、生态清淤、生态修复工程等治理黑臭水体问题,该工程运行半年后,水质达到地表水Ⅴ类标准,水体自净能力逐步恢复。

3 生态堤防应用主要问题及解决对策

3.1 对河道行洪的主要影响

3.1.1河道综合糙率

生态堤防种植植物会使河道综合糙率发生变化,研究表明[23-24]:河道综合糙率随植物高度的增加而增加。而糙率对河道水面线具有一定影响,恒定均匀流的计算式可表示为

(1)

式中:Q为设计流量,m3/s;A为过水断面面积,m2;n为糙率;R为水力半径,m;i为水力坡降。

仝道斌等[25]的河工模型试验结果表明:河道综合糙率随着植被糙率的增加而增加,当河道宽深比大于60时,边坡植被引起的综合糙率变化不大于10%;当河道宽深比大于100时,边坡植被引起的综合糙率变化不大于7%。马三力[26]的研究同样发现,在相同条件下,无植被群河段、草或芦苇河段、树或稀疏灌木层河段、中密度灌木丛河段的水位标准差分别为0.294,0.301,0.415,0.496,植被群使河道糙率增大,河道水位随着糙率值增大而抬高。

3.1.2阻水比

生态堤防迎水侧植被位于行洪断面内,如果种植高大植物,将缩窄河道过水断面面积,植被群叠加效应会引起局部水位壅高,亲水平台等临水工程同样会增大阻水比,导致局部水位壅高。仝道斌等[25]的河工模型试验(河道长度40 m,宽度8～12 m,水深0.04～0.08 m,河床糙率0.018)显示:与无植被河段对比,种植密集植被使水位壅高0.3～1.3 mm,种植稀疏植被+乔灌木、稀疏植被使水位壅高 0.1～0.4 mm。

3.1.3对策建议

生态堤防对河道行洪影响主要表现在河道综合糙率和阻水比的增大,因此,生态堤防应根据河道行洪要求选择对河道综合糙率影响较小的植被种植,比如临水侧选种矮生草本植被。而且,生态堤防建设前应做洪水影响评价,拟建工程产生的阻水比应满足规范要求。DB44/T 1661-2021《河道管理范围内建设项目技术规程》中提出临水工程外缘不宜伸入主河槽,临河景观宜布置在5 a一遇洪水位以上,且不应在行洪河道内种植林木、高杆作物。

3.2 材料比选及成本问题

生态堤防建设材料和种植植被的比选是多学科交叉工作,不同类型的建设材料、植被所需成本具有较大差异,且会产出不同的效果。

3.2.1建设材料

堤防一般要求整体稳定、抗冲刷、耐久,通过纯植被岸坡很难实现,因此生态堤防多采用植被与工程材料结合的方式建设。常见的工程建设材料如表2所列,实际建设时常根据地理环境、河道条件、防洪等级、成本控制等因素比选材料。然而,这些材料各有利弊,如生态混凝土[27]具有透水透气的特点,能保持持续活性,适宜植物生长,且抗冲刷能力良好,但其降碱处理问题仍亟待解决。

表2 生态堤防常用的建设材料[28]Tab.2 Common construction materials for ecological levees

3.2.2植 被

主根粗壮的乔木会增加附加荷载,加大岸坡下滑驱动力,导致岸坡稳定性降低,韩纪坤等[29]发现须根发达的紫荆锚固性能更好,与榆叶梅锚固性能相差5%～25%,且将紫荆种植于坡脚处、榆叶梅种植于坡顶处,其岸坡比素土边坡安全系数增加61.2%,可达到2.153。因此生态堤防不宜选种高大乔木,宜选种低矮的乔木、灌木及草本植物(表3)。堤防迎水侧适合种植根茎蔓延能力强的草本植物,以及布设花卉景观,但多数草本植物具有季节性,不耐寒,从而导致冬季整体景观效果不佳。

表3 生态堤防常见植被Tab.3 Common vegetation in ecological dykes

3.2.3成 本

生态堤防建设大致包含前期准备及设计、施工造价、后期管护等方面费用。生态堤防建设质量直接影响后期使用的耐久性,既要保证防洪性能,又要达到城市景观效果,其建设成本相对较高,并且后期管理维护仍需投入一定的资金。胡闽[30]对比了3种生态护岸工程造价(铰链式混凝土块为48.86万/100 m,空心六角块为26.95万/100 m,格宾石笼为47.03万/100 m),空心六角块造价较低,但其稳定性不如铰链式混凝土块和格宾石笼,综合考虑材料特点、经济性及运用场景的重要性,最终选择了铰链式混凝土块进行生态护岸设计。

3.2.4对策建议

生态堤防应根据地理环境、河道条件、防洪等级、成本控制等多方面因素综合考虑,比选适宜的建设材料及植被,并严格把控生态堤防设计环节,确保设计的科学性、合理性。因此,可采用多指标评价法[8],运用生态、社会、经济、安全等多类型指标,比选出最优设计方案。

4 结论与建议

生态堤防具有显著的生态效益和景观价值。生态堤防的应用,可以提高堤防稳定性,保障河道生态系统,提升堤防景观价值,且对改善城市热岛效应具有积极作用。然而,生态堤防应用及未来发展仍需注意以下几点。

(1) 生态堤防设计是综合性、系统性的,应考虑防洪功能、自然条件、社会环境、经济成本、国土空间规划等多方面因素,合理布局,统筹发展。

(2) 生态堤防的植被及景观工程会占用一定的行洪断面,实际应用前需进行洪水影响评价,保证其设计符合防洪要求。

(3) 生态堤防迎水侧选用植被应具备亲水、根系发达、生长快、适应力强等特点,但不宜种植高大林木及高杆作物;布设的临水景观工程不应妨碍河道行洪。因此,生态堤防设计方案宜采用多指标评价法,运用生态、社会、经济、安全等多类型指标,比选出最优设计方案。

(4) 目前,国内的生态堤防未大规模应用,主要受到防洪安全、经济成本、地理位置等多方面因素制约。因此,需进一步深入研究,寻找更为经济的基础材料、稳定的结构形式、科学的管护方式,加快推进生态堤防规模化应用。