永定河生態護岸模式的適宜性觀測研究

梁淑娟，樊 華，王利軍，楊建英，高甲榮，馮明明

（1.教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京林業大學水土保持學院，北京100083；2.北京市水利規劃設計院，北京100048）

目前河流的治理關注生態性和景觀性，河流生態保護已經成為當前的環境問題[1]。北京市從2002年開始實施生態治河工程，修復河流是生態治河的核心內容。永定河是海河水系最大的一條河流，是首都重要的防洪安全屏障、供水水源河道和水源保護區，近年來河流干涸斷流、生態系統退化嚴重，實現河流“自然景觀、城市景觀和田園景觀”河道建設至關重要。生態護岸利用植物或者植物與土木工程相結合，對河道坡面進行防護、促進河流生態修復[2]，重視河道生態、安全、親水、景觀效果建設，是河道治理的新方法、新趨勢，其應用已經成為一種需求被提上日程[3]。國內外對于生態護岸的研究集中在生態護岸的機理、新型材料開發、護岸技術研發和技術應用方面[4]，主要是根據護岸的結構材料、護岸措施類型和護岸部位劃分護岸形式，常用的護岸技術包括自然型護岸、土壤生物工程護岸、三維植被網護岸、植物護坡技術等。目前研究欠缺的是：根據河流岸坡的特點評價生態護岸效果，研究護岸模式的適宜性以及將示范區的生態護坡模式推廣到護岸。本文在定量分析上辛莊9種護坡措施的土壤抗侵蝕效果，調查永定河“蓮石湖—門城湖”示范段的河岸特點，定性分析11種生態護岸技術的防護效果和配置特點的基礎上，提出永定河不同河段適宜的生態護岸模式和適宜推廣到護岸的護坡措施。其研究結果可為北京市永定河綠色生態走廊建設規劃提供理論依據，為我國防洪河流生態護岸技術的推廣應用提供參考價值。

1 研究方法

1.1 研究區特點

永定河全長747km，流域總面積4.7萬km2，是全國四大重點防洪江河之一，其中北京段長170km，流經門頭溝、石景山、豐臺、大興和房山五個區，地理區位見圖1。北京市永定河“蓮石湖—門城湖”示范段布設了11種生態護岸技術，形成了溪流—湖泊—濕地連通的河流生態系統。其河岸設計特點為：河岸高程為80～100m，流速為1～3m／s，門城湖（三家店—麻峪河段）河道長5.24km，平均寬294m，總面積172hm2，水面面積67hm2。蓮石湖（石景山—京原橋）河道長5.8km，平均寬376m，總面積226 hm2，水面面積105hm2。

北京市延慶縣上辛莊生態示范區以“徑流小區布設不同生態護坡措施”展示了開發建設項目護坡工程的案例和研發的新型生態護坡技術。根據布設的護坡類型和水土流失監測的需要，設計了36個徑流小區，分4組不同的規格，選取北京市滑雪道、濕地、河岸護坡措施的示范小區K1—K9，其基本特征為：土質邊坡，坡向向北，面積5m×11.18m，坡比1∶2（26.5°），具體情況詳見表1。

圖1 永定河及其流域（北京段）與護岸示范段位置

表1 K1－K9號徑流小區的設計情況

1.2 研究方法

在2008—2010年33場出流場降雨條件下，對上辛莊K1—K9號徑流小區進行植被調查和徑流量、泥沙量的采樣測定。植被覆蓋度采取等距不連續采樣，計算出現植被的樣數和總植被樣數，求比值得出。小區泥沙量和徑流量是對K1—K9小區分別采集2個水樣（容積750ml），測出桶內泥水總量，采取水樣含沙量過濾干法測定含沙量，求出平均含沙量進而計算得出。

2011年11月進行了永定河“蓮石湖—門城湖”不同河段護岸措施防護效果的現場勘察。按照從左岸到右岸，下游到上游的路線調查，結合永定河設計資料，得出11種護岸技術配置的河段河流彎曲度、水面朝向、岸坡傾斜度、岸坡抗侵蝕程度、抗水流沖刷度和防護現狀等指標。

2 結果與分析

2.1 生態護坡效果及適宜性分析

2.1.1 植被覆蓋度對護坡效果的影響 生態護坡也稱植物固坡或坡面生態工程，可理解為在坡面上種植植物，達到穩定坡面和防止侵蝕的效果[5]，可見生態護岸是一種特殊的生態護坡。植被具有截留雨量、削減雨滴侵蝕能量和抑制地表徑流等水文功能[6]。植物根系的“加筋”作用可以穩定土壤結構、提高土壤抗沖性、防止土壤侵蝕，莖葉具有截留降雨、削弱濺蝕、抑制徑流的作用。上辛莊示范基地天然分布的植物種類主要有荊條、鐵桿蒿、黃花蒿、米蒿、沙棘、灰菜等，植被調查結果見表2。

3a內各個小區出現了較明顯的植被演替變化，較多的外來種和雜草入侵，與原始植物種形成種間競爭關系。K4號小區沙打旺代替原始播種的早熟禾和紫穗槐，成為優勢種長勢很好。K8號和K9號為相鄰的對照小區，未播種，出現了相同的入侵種，區別是K8號在2010年遭破壞，成為裸地，K9號鐵桿蒿為優勢種（表2）。植被群落特征是描述群落結構和功能復雜性的度量指標，植物種類和數量直接關系植被覆蓋度、生物多樣性和群落結構特征[7]。植被長勢良好的小區，對應的植被覆蓋度較大，植被稀疏、長勢不均、出現裸露的小區植被覆蓋度較小。

表2 2008－2010年徑流小區植被調查情況表

隨著小區護坡年限的增加，平均植被覆蓋度大致呈現逐漸降低的趨勢，K7和K9號小區在2009年的平均植被覆蓋度達到最大。分析其原因為：接近原始設計的護坡年限，植物生長穩定均勻，長勢好；2009—2010年植被演替變化明顯，優勢種退化，植被長勢不均勻，甚至出現裸露。相比2009年，K7號小區草灌植物種類最多，K9號自然恢復程度最好，植被覆蓋度較大。3a內，平均植被覆蓋度較大的小區是K4，K1，K3；相比較小的小區是K8，K7，K9。究其原因，K7等高綠籬埂護坡植物是生長較慢的沙棘和荊條小灌木，綠化后長時間無法形成地表覆蓋；K8和K9號未采取植物措施，自然恢復，且K8小區被人為破壞。說明K1植草護坡＋水平截流溝，K3生態植被毯護坡和K4土工格柵＋客土護坡植物成活率高、長勢好，截水溝、土工格柵可以存儲坡面降水，利于植物生長；植被毯護坡植物的適應性相對較差，植物覆蓋度低。

2.1.2 產流產沙量與護坡效果 根據徑流量和泥沙量測定結果，以8號裸露小區為對照，分別計算出其余8個小區的截留率和減沙率，顯示不同護坡措施的保土和保水性能[8]。用水減沙比表示坡面采取調控措施后，減流量與減沙量之間的比值，反映出不同處理的坡面，減少的徑流流量與減少的泥沙量比值大小及調控能力[9]。K1—K9號小區產流產沙量相關指標值見表3。

立地條件相同的同一規格不同處理的小區，植被截留降水性能和土壤抗沖刷效果差異都很大，體現在不同群落植被和不同防護工藝方面。截留率比較：K4＞K9＞K1＞K6＞K3＞K2＞K7＞K5；減沙率比較：K4＞K6＞K1＞K2＞K3＞K5＞K9＞K7，用水減沙比比較：K4＞K9＞K1＞K5＞K6＞K3＞K2＞K7。可見：K4小區的保土和保水性能最好，徑流攜沙性能最差，蓄水攔沙效果最好；K1和K2小區都布設截流溝和單一植物種，但截留率相差較大；K5和K7號小區抗土壤沖刷和截留降雨效果相對最差，截留率最小值分別為28.06%，54.92%，但K5小區用水減沙比達9.59m3／t；K9號自然恢復小區的植被有灰綠藜、鐵桿蒿和狗尾草，植被截留降雨作用明顯，抗土壤沖刷效果差。其原因是：K4灌草植物群落比K1，K2單一草本群落和K9自然恢復植被的土壤抗沖刷效果好；K1水平截流溝比K2“Y”型截流溝攔截降水和保土的效果都好；K5椰纖植生袋護坡和K7碼石護坡的原始種退化，植被適應性差，出現裸露，說明植物長勢不好，演替退化的邊坡，加速了徑流的攜沙能力，土壤沖刷量和徑流量很大，植物根系對土壤抗沖性有顯著作用[9]。K9自然恢復的植被攔截徑流，防止土壤沖刷效果較好，但無工程措施固土能力差，土壤抗沖效果不好。

表3 K1－K9號徑流小區產流產沙量相關指標值

2.1.3 適宜推廣的護岸模式 生態護坡應是“既滿足河道體系的防護標準，又有利于河道系統恢復生態平衡”的系統工程[10]。草本植物對岸坡的保護效果受岸坡的高度和水位的影響。植被、塊石堆砌等自然原型護岸多用于河岸緩坡型；木樁、石材等工程措施多用于較陡的坡岸或沖蝕較嚴重的地段[11]。根據上辛莊示范區9種不同護坡小區的植被生長狀況、植被覆蓋度和降雨條件下保土保水性能的分析結果，結合河岸的特點，將護坡推廣到較陡（約26.5°）的河岸防護存在的問題和建議模式包括：

（1）K3，K4，K5和K6代表護岸工程，K5椰纖植生毯＋客土護坡，土壤抗沖刷和截留降水效果很差，不適合推廣；K3生態植被毯護坡減沙率99.18%，截留率66.99%，因為植被毯內植物的成活率低、適應性差，采用抗逆性好、繁殖性強的鄉土植物種子可推廣到岸坡較低，流速較小的河岸；K6六棱花飾磚護坡保水性能差，工程防護抗沖刷性能好，選取淺根系、耐旱、繁殖性強的植物可推廣到流速較大、岸坡較高，河流順直的河岸。土工格柵固土種植基護坡，草皮生根后草土格柵形成一體，可增加岸坡的穩定性。K4土工格柵＋客土護坡保土保水性能最好，植被生長良好，是優先的推廣模式，適合親水平臺附近、迎水面、流速較大的岸坡。

（2）K1和K2代表滑雪道道面防護工程，保土保水性能相對都好，K1高羊茅＋水平截流溝的抗土壤沖刷和截留降水效果比K2結縷草＋Y型截留溝好，K2結縷草長勢不好，植被覆蓋度相對較低。K1更適合推廣到河流彎曲的凹面、流速較小、坡岸較低的岸坡。

（3）K7濕地，K8裸露，K9自然恢復小區：K7等高綠籬埂護坡植被長勢不好，保土保水性能差，不適合推廣。K8裸露小區遭到人為破壞，導致產流產沙量很大，造成嚴重的土壤侵蝕，需要人工維護。K9自然恢復小區植被恢復程度較好，減沙效果好，可適用于河岸邊坡較寬，施工復雜的地段，人工播撒草籽，使其自然恢復。

2.2 生態護岸效果及適宜性分析

2.2.1 生態護岸效果及配置分析 永定河護岸措施結構的穩定性、護岸植物的景觀適宜性、護岸平臺的親水性都關乎河流的生態健康安全性，為永定河“河溪—湖泊—濕地”護岸適宜性模式的推廣提供重要的依據。河道斷面形態、河流彎曲形態、河岸的坡度和高度等與河流流速相關[12]。河流的彎曲程度、河床的復雜形態、高程起落變化、河面的迎或背水面特點、河流的流速大小、河岸岸坡的傾角高程、坡岸帶周邊水土保持措施或設施的布設等，都會對護岸模式的配置產生重要的影響，直接關系河岸的防洪和生態功能。所以護岸模式的配置需要綜合考慮河岸設計的特點、河流的生態環境、護岸的適生植物、河岸的親水空間等。永定河11種生態護岸技術在不同河段的配置特點見表4。

生態護岸模式的適宜性需要按照河岸的特點和護岸的功能綜合考慮（表4）。根據2011年11月調查現狀，結合護岸技術的配置特點，綜合評價防護效果的優缺點、防護措施的適用性和適生的植物種，總結如下：

（1）H1，H2和H3工程措施與扦插柳復合護岸比較：SG生態磚護岸無坍塌，但親水性差；沒有塊石扦插的柳枝長勢好，但塊石適合緩坡型河岸；卵石具備天然性、生態性和景觀性的特點，但易被沖刷使岸坡坍塌，適合于流速較小、河流彎曲的凹面。

（2）H4，H5，H6，H7，H10單一措施護岸比較：山石親水性好，栽植水生蘆葦不受阻隔，適合生物的憩息，但無植物凈水的效果，適合流速大，河流形態復雜的河段；塊石與水生鳶尾配置，穩定不易被沖刷，景觀性和生態性較好，但不適合較陡流速大的岸坡；生態磚親水性好，保護岸坡長期穩定不坍塌，但景觀單一，不適合水生生物的生存；柳枝長勢茂盛，根系固持岸坡，適合水生植物生長，但河岸邊坡土壤抗沖刷性能差；卵石護岸景觀性好，減弱水流對岸邊的沖刷，保護近岸的親水平臺。

（3）H8，H9和H11工程、植物復合護岸比較：松木樁扦插柳枝近自然護岸，順河流彎曲布設，景觀性、生態性和穩定性效果好，適宜湖水較深，水流較大，人類難以親近的地段，防止人為破壞；生態袋和仿木樁防止河岸坡面的土壤侵蝕，保護岸坡的穩定，但生態效果和抗水流沖刷效果不好，適合親水平臺水流較小的岸坡；鉛絲石籠和生態袋穩固岸坡，土壤抗侵蝕和水流沖刷效果很好，防護年限很長，但生態袋內未采用活種子，景觀生態效果差，適合流速較大、岸坡較陡的地段。

（4）永定河適生的植物種類：柳枝、結縷草生長良好，水土保持效果明顯，可以有效控制河岸土壤侵蝕，適于湖邊、河岸種植。鳶尾對TN、NH3—N和COD整體去除效果很好，千屈菜和荇菜吸收有害物質、凈化水體，景觀效果好，適合淺水洼地[13]。紫穗槐，豆科落葉灌木，具有根瘤菌，能改良土壤；耐陰、耐旱、耐水濕，適于河岸。狗尾草適應性強，在河岸邊大量種植，可以增加綠化面積以及美化環境，凈化水質。浮萍，多年生細小草本，漂浮水面，水面覆蓋度較大，美化環境效果較好。

2.2.2 適宜推廣的生態護岸模式 生態護岸是集防洪、生態、景觀、自凈功能于一體的恢復后的自然河岸或具有自然河岸可滲透性的人工護岸[14]。根據永定河11種護岸措施在河岸的配置特點和防護效果的對比，發現單純植物護岸、工程護岸、植物工程復合護岸模式存在問題是：（1）單純的植物護岸防止河岸坍塌效果較差，適合于緩坡性的河岸，為了增加景觀異質性和生物多樣性，可配置適宜的水生植物。（2）工程護岸，可以提供良好的親水平臺，穩固河岸抗水流沖刷，但生態景觀效果差，適合于岸坡較陡，河流曲直變化明顯的河段。（3）工程、植物復合護岸，兼顧良好的景觀效果和防護效果，需要合理配置，關注河流的親水功能，注重護岸措施的維護，適合于復雜變化的河岸坡度和河流形態等。可以考慮工程護岸和工程、植物復合護岸間隔布設的形式，最大化的滿足河流的親水、景觀、防護效果。

生物技術與工程技術復合的護岸保證岸坡的安全穩定，提供了生物的棲居空間，景觀層次性好[15]。不同的河段特點適宜于不同的生態護岸模式，基于此，針對11種護岸技術配置存在的問題，建議采用以下8種互補的護岸模式：（1）SG生態磚和扦插柳枝復合護岸與SG生態磚護岸隔段布設，提供親水平臺，適宜于坡度陡、高程大、流速大的岸坡；（2）山石與塊石扦插柳枝隔段布設，美化景觀效果，適宜于陡緩復雜、流速較大的岸坡；（3）卵石扦插柳枝和魚巢磚隔斷布設，增加生物的多樣性，適宜于河流彎曲復雜，坡度較緩的岸坡；（4）栽植蘆葦、鳶尾水生植物與山石或塊石復合護岸，增加生態景觀效果，適宜于坡度陡緩復雜、自然彎曲河流；（5）扦插柳枝與水生植物混合配置模式，利用植被長勢特點，增加人類親水性，適宜于坡度較緩，水流流速較小的岸坡；（6）松木樁攔擋扦插柳復合護岸，生態、景觀、抗沖刷效果好，適宜于河流彎曲多樣化，水位很深、流速較小的岸坡；（7）卵石和水生植物復合護岸，增加生態景觀和植物多樣性，適宜于河流彎曲的凹面、流速較小、坡度較緩的岸坡；（8）活種子植被袋和仿木樁或鉛絲石籠復合護岸，采用成活率高的活種子，增加景觀美，適宜于流速大、河流彎曲變化復雜、坡度較陡、河岸高度較大的岸坡。

3 結論

本文基于國內外對生態護岸防護效果研究的欠缺性，以供水和防洪河道——永定河示范段的生態護岸為研究對象，采用數據定量和調查定性分析相結合的方法，首次提出永定河不同河段特點的適宜的生態護岸模式和適宜推廣到河岸的生態護坡模式，為永定河河岸的治理提供重要的參考價值。

（1）接近原始設計的護坡年限，植被演替變化不明顯，植被覆蓋度隨著護坡年限的增加而降低。生態護坡抗土壤侵蝕效果類比河岸坡的抗土壤沖刷度，坡度26.5°的徑流小區可類比河岸的較陡邊坡，植被配置都可選取生長迅速、成活率高、綠期長的鄉土樹種和多年生草本植物。

（2）根據河流彎曲度、河岸高程、河岸坡度、抗水流沖刷度、岸坡抗土壤侵蝕度等影響防護效果的指標，結合生態護岸的景觀、防洪、生態、親水功能，綜合分析表明8種互補的生態護岸模式和6種植被生長良好、保土保水性能好的護坡措施適宜推廣到相應不同特點的河岸。

（3）工程、植物復合護岸（塊石扦插柳枝護岸）效果最好，彌補了單純植物護岸（扦插柳枝護岸）的防護效果和工程護岸（生態磚護岸）的景觀效果，適宜的護岸模式兼顧河岸特點和生態功能，需要合理搭配。H8松木樁攔擋扦插柳復合護岸近自然、景觀、生態、穩定性好，K4土工格柵＋客土種植灌草護坡，工程和植物復合保土保水性能最好，最適合推廣。

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