基于魚類對孔隙選擇性試驗的多孔型生態護岸塊體設計

邢浩翰，周林飛，張 靜

(沈陽農業大學水利學院，沈陽 110161)

長久以來，傳統的舊式護岸工程被建筑在全國許多城市河流當中，對于近些年我國經濟的發展起到至關重要的作用。然而，傳統護岸工程對于防洪、排澇等功能性上的偏重，導致了它并不能很好地融入當地生態環境。與此同時，大多用石料、瀝青等硬性材料建筑的傳統護岸對于自然環境以及生態平衡所產生的負面影響也日益明顯。硬質材料有其自身的優點，例如堅固，耐久性較強，但是僅由它構成的傳統護岸打破了水陸生態的平衡，使護岸本身成為了一個封閉的系統，也破壞了動植物賴以生存的棲息環境，故傳統護岸已不再適合當下中國的生態文明建設的大環境，需要加以手段修復城市河道生態系統。

隨著經濟的發展, 人們認識到河道生態系統的恢復對城市生態環境、城市景觀、城市品味和城市社會經濟可持續發展的重要性[1]。為了彌補傳統護岸的不足，以及改善其對生態環境造成的破壞，生態護岸應運而生，它既具備傳統護岸防洪、抗澇、引水等功能，同時也具備了生態、自凈乃至景觀等功能，是人與自然和諧發展的新要求[2]。隨著國內外學者們對于生態護岸的研究日益加深，許多新的材料和新的技術被應用到生態護岸建設上來，應用較多的有：網石籠結構生態護岸、土工材料復合種植技術、植被型生態混凝土護坡，但多孔結構生態護岸研究并不多。本文所研究的便是多孔結構生態護岸，并以魚類對孔隙的選擇性試驗為基礎，設計出新型式的護岸塊體。

1 魚類對孔隙的選擇性試驗

為給生態護岸塊體設計提供理論基礎，需要進行試驗去觀察魚類更喜歡棲息在何種水下環境中。試驗中分別搭建不同的水下環境，讓魚自由選擇，在控制了室溫、聲音等外界干擾下，進行3組對照試驗。

1.1 材 料

(1)試驗材料。魚選擇3種：船釘子魚(10條)、鯉魚(10條)和草魚(10條)；有孔的混凝土塊體、水生植物、河石、碎磚頭和沙；自來水。

(2) 水槽裝置。規格1.5 m×0.6 m×0.5 m；用2塊玻璃擋板將水槽3等分，稱為A水槽、B水槽和C水槽；每塊擋板上有直徑20 cm的圓洞，可讓魚在3水槽間自由穿梭。

1.2 實驗設計

(1)試驗一。孔隙有無對魚類選擇的影響試驗。3個水槽底部鋪等量底沙，模擬3種水下環境。A水槽：無孔隙，至底部有沙；B水槽：放入少量河石，構成少量孔隙；C水槽：放入大量河石，構成大量孔隙。針對這3種情況，研究在水面紊亂(危險時)和水面靜止條件下，魚對棲息地的選擇。

(2)試驗二。魚類對不同材質孔隙選擇試驗。3水槽中仍鋪等厚度沙，在A水槽放入天河石，B水槽放碎磚塊，C水槽放有孔的混凝土塊體。針對這3種情況，研究在水面紊亂和水面靜止條件下，魚類對棲息地的選擇。

(3)試驗三。水生植物有無對魚類選擇的影響試驗。試驗二中3個水槽原來所放物體不變，水生植物放入A水槽中，觀察在水面紊亂和水面靜止等條件下，A水槽中魚的數量，將其與試驗二中A槽的魚的數量進行對比。

1.3 實驗結論

魚類在水面穩定的情況下更喜歡棲息在具有多孔隙結構的環境當中，而當水面紊亂時魚類意識到危險時，會大量地躲進孔隙結構內或周圍。

(1)孔隙具有很好的集魚效果。魚類喜歡棲息在孔隙結構內及周圍，特別水面紊亂時，即危險時，會大量躲避在孔隙結構內，孔隙對于魚類的生存有著重要的作用。原因在于：孔隙結構可以產生類似人工魚礁的集魚作用，有利于為動植物營造良好的生存環境，為魚類躲避天敵和棲息繁衍提供良好的棲息場所。綜上，孔隙結構成為了本文設計新型式護岸塊體首要考慮的因素。

(2)魚類在孔隙材質的選擇上，更喜歡有孔的混凝土塊體所搭建的孔隙結構中，尤其危險時，會更多躲避其中。原因在于混凝土塊體更容易搭建成孔隙，孔隙空間較大，容易躲藏。因此，本文設計的生態護岸材料選擇混凝土，因為容易構建出適合的孔隙結構，抗沖刷能力好，粗糙率大。

(3)水生植物具有良好的集魚效果。原因在于：水生植物本身能形成更多更密集的孔隙供魚類生存；遇到危險時躲入其中自我保護；水生動物提供更多的有機物，進而形成完整的食物鏈。因此，本生態護岸塊體的設計要設計植生孔，為水生植物的生長提供了一定的位置。

2 設計原則

(1)根據魚類對孔隙的選擇性試驗的結論，本設計要遵循以下3原則：孔隙結構是本文設計新型式護岸塊體首要考慮的因素，為魚類趨利避害以及生存繁衍行為提供良好的場所；設計植生孔，栽植水生植物；材料選擇混凝土。此外，要兼顧生態與景觀等功能[3]。生態型護岸的構建需注意保存與增加生物的多樣性，積極為水生生物和兩棲動物創造棲息、繁衍的環境[4]。

(2)生態護岸設計需符合相關護岸設計規范。要考慮生態護岸的其耐久性，以及建筑生態護岸所使用材料等能否滿足相關規范，應將設計對象空間確認為立體形態，不能僅用平面圖進行護岸設計[5]。

(3)生態護岸的穩定性。在設計護岸同時，需清楚地理解影響現有岸坡穩定性的因素，或者可能影響其穩定性的因素[6]。護岸可以防止水土流失，并且具有防洪泄洪作用，護岸與我國的社會、經濟以及人們的生活息息相關，故其穩定性好壞會在一定程度上影響到人民的生命財產安全。因此，在對生態護岸塊體設計的同時要充分考量其對生態護岸的穩定性的影響。

(4)對于生態護岸塊體設計不宜太過復雜和難于推廣制造，應盡量兼顧功能和制造施工的便捷性。

本文在生態護岸功能的設計上，為魚類提供了趨避場所和供魚類捕食和產卵的場所。為使其粗糙率大，后期會使用混凝土對其進行制作，也讓其形狀盡量規范、平整，易于制作。另外，考慮到生態護岸建設所在地的地理環境不同，在生態護岸塊體之間的連接上還需詳細設計，使其易于在大部分地理環境下易于連接嵌套。

3 多孔型生態護岸塊體的設計說明

3.1 多孔型生態護岸塊體模型外觀說明

本文設計的多孔型生態護岸塊體分為2部分，第1部分形狀為長方體，整個結構由塊體地面的植生孔以及其他面上的過魚孔組成。除此之外，在塊體模型的6個面上，都具有規格一致且不中通的圓柱形凹槽，而且前后、左右、上下兩兩對應面上的凹槽位置是一致的。第2部分的形狀是圓柱體，與第1部分的凹槽的直徑略小(這個差距小于等于3 mm)，但長度為凹槽深度的2倍，稱為連接柱。具體設計見圖1、圖2、圖3。圖2是塊體之間的連接方式，將連接柱插入塊體之間對應的凹槽內(圖示為未全部插入的示意圖)，其他面的連接方式與圖示相同。

圖1 多孔型生態護岸塊體模型外觀圖Fig.1Appearance of porous ecological revetment block model 注：1-圓形凹槽(所有凹槽規格相同，并且對應面凹槽位置相同)；2-上壁通道；3-左壁過魚通道(與右壁完全一致)；4-植生孔；5-前壁過魚通道(與后壁完全相同)；6-連接柱。

圖2 塊體連接Fig.2 Connection of blocks

圖3 多孔型生態護岸塊體模型俯視圖、正視圖和左視圖Fig.3 Planform,front view and side view of porous ecological revetment block model

本多孔型生態護岸塊體的功能有：①塊體的6個壁較厚，若建筑材料選用混凝土，那么單個塊體自身將具有良好的穩定性，從而使它的耐久性得到保證。②下壁的植生孔是中通的，其中不僅可以添加各種建筑材料，而且可以將水生植物栽入與地面連接的塊體當中，為魚類提供所需有機物，從而起到更加良好的集魚效應。③6個壁上都有較大的過魚通道(其中下壁的過魚通道即植生孔)，使塊體內部非常開闊，使魚類及其他小型水生動物在其中穿梭更加暢通無阻，與此同時，下壁與4個角柱連接形成了相對隱蔽的空間，為魚類的棲息、繁衍提供良好的場所。④本生態護岸塊體在連接的設計上借鑒了中國傳統木工榫卯連接結構，使模型塊體模塊化，模型上的6個面均具有同樣規格的凹槽，并且在對應的兩個面上凹槽的位置是一致的，可以用小圓柱對塊體進行連接。塊體模型可以在6個面對應的方向做相應的連接，塊體模型上的大孔隙，在塊與塊連接后依然貫通，從而形成更加寬闊的各類供水生動物所需的場所。小圓柱和塊體模型的連接保證了良好的穩定性，除此之外，也可以根據不同的坡度調整連接方式。這樣做的好處是可以適應大部分的地勢地形，根據不同的地勢地形，選擇所需要嵌插的小圓柱數量，使生態護岸塊體的適應性更強，擴展性更高，后期也可以設計更多樣式的小圓柱或具有小圓柱的類似結構，滿足生態護岸塊體使用上的不同需求，進而發掘塊體在連接、保護和穩定等方面的更多的可能性。

大孔隙所形成的貫通的空間和植生孔為塊體模型增添了生態功能，為魚類以及其他的小型水生動物提供了良好的趨避場所。塊體的外觀設計力求平整，選用粗糙度較大的混凝土材料進行制作，鋪設到岸坡上，可以減緩河道內水流流速，有利于治理各類河道并改善當地河道周圍的生態環境。塊體及小圓柱易于制作，鋪設操作簡單、便捷，結構穩定，可以推廣到各個城市河道及生態護岸建設上。

3.2 多孔型生態護岸塊體模型鋪設說明

3.2.1 水平方向鋪設

鋪設過程中，從一端開始逐塊進行連接。鋪設第1排時，在左右方向上，將小圓柱逐個插入塊體一側壁上對應的8個凹槽內，并與下一個塊體進行連接。在第1排與第2排相連時，將小圓柱插入第1排前壁的2個凹槽內，之后與第2排塊體后壁的凹槽內進行連接。依此類推，每一塊，每一排都由小圓柱將塊體密切連接。而由于第1層會與地面相連接，故在植生孔內填入泥土，并將需要種植的水生植物的草籽埋入其中。水平方向鋪設第1種形式效果見圖4(a)。

若根據當地地形有特殊連接需求，則可以在塊體左右其中一側，即水平鋪設的第2種方式。選擇其中2個凹槽進行連接，例如在鋪設第1排時，第1塊體右側上下前2個凹槽與第2塊左側上下后2個凹槽用小圓柱相連接，第2排左右相連方式與第1排相同。第2排在與第1排相連時，將小圓柱插入塊體之間前后對應的凹槽內。這樣可以使塊體鋪設形成一定角度，以滿足不同的地形。水平方向鋪設的第2種形式鋪設方式見圖4(b)。

第3種鋪設方式與第2種鋪設方式類似，是將第1塊體右側上下后2個凹槽與第2塊左側上下前2個凹槽用小圓柱相連接，第2排左右相連方式與第1排相同。第2排在與第1排相連時，將小圓柱插入塊體之間前后對應的凹槽內。這樣可以使塊體鋪設形成與第2種鋪設方式不同的角度，用來滿足不同的地形。水平方向鋪設的第3種形式鋪設方式見圖4(c)。

圖4 3種方式水平鋪設示意圖Fig.4 Three forms of block model lay out in a horizontal direction

3.2.2 垂直方向鋪設

鋪設過程中，從一端開始逐塊進行連接。鋪設第1層時，左右方向連接，將小圓柱逐個插入塊體一側壁上對應的8個凹槽內，并與下一個塊體進行連接。前后方向連接，將小圓柱逐個插入塊體前后壁的凹槽內，將它們連接。在第2層與第1層相連時，將小圓柱插入第2層下壁的4個凹槽內，之后與第1層塊體上壁的4個凹槽內進行連接。依此類推，每一排、每一層都由小圓柱將塊體密切連接。而與水平鋪設一樣，由于第1層會與地面相連接，故在植生孔內填入泥土，并將需要種植的水生植物的草籽埋入其中。垂直方向鋪設的第1種形式見圖5(a)。

若當地地形有特殊連接需求，則可以在塊體上側，選擇其中2個凹槽進行連接，例如在鋪設第1列時，第1塊塊體上側前2個凹槽與第2塊下側后2個凹槽用小圓柱相連接。第2列在與第1列相連時，將小圓柱插入塊體之間左右對應的凹槽內。這樣可以使塊體鋪設形成一定角度，以滿足不同的地形。垂直方向鋪設的第2種形式見圖5(b)。

第3種垂直鋪設方式與第2種垂直鋪設方式相類似，垂直方向鋪設的第2種形式見圖5(c)。

圖5 3種方式垂直鋪設示意圖Fig.5 Three forms of block model lay out in a vertical direction

3.3 多孔型生態護岸塊體與其他護岸塊體對比

本文設計的多孔型生態護岸塊體是一種新形勢的護岸塊體，它具有較大的孔隙，為魚類等小型水生動物提供了躲避天敵、生存繁衍的場所，也為水生植物提供了生長的植生孔，在水生植物的光合以及呼吸作用下，可以產生大量有機物，從而達到更加良好的集魚效果。除此之外，還具有可操作性較大的連接方式，在保證了多種連接方式的同時，兼具穩定性。下面與其他的護岸塊體進行對比，從比較中觀察它的優點，以及其他塊體的一些不足。

3.3.1 “工”字形護岸塊體

“工”字形護岸塊體(見圖6)造型過于簡單，沒有對水生動物的生存習性進行針對性的設計，且沒有為水生植物的生長提供相應的位置。在此“工”字形護岸塊體之間相連時，內部雖然有供魚類游動的空間，塊體上下部分沒有留出與空氣接觸的孔隙，從而使內部空間過于封閉，從而將水陸環境隔斷。長時間的使用，會對當地的生態環境形成一定的破壞。

圖6 “工”字形護岸塊體Fig.6 I-shaped revetment block model

3.3.2 “日”字形護岸塊體

“日”字形護岸塊體結構也很簡單(見圖7)，長方體結構，內部具有2個較大的凹槽，但并不與地面聯通，在凹槽中種植植物與水中的接觸面積太小，不會起到集魚作用，并且側面的小圓孔也沒有為魚類提供寬敞的通道，從而使護岸塊體太過于封閉，僅僅能夠提供簡單的物質交換，不能形成完整的食物鏈。此外，“日”字形護岸塊體的連接也沒有進行針對性的設計，在連接后不能形成相對穩定的結構。

圖7 “日”字形護岸塊體Fig.7 Shape of “日” revetment block model

3.3.3 多孔型生態護岸塊體的優點

綜上所述，本文設計的多孔型生態護岸塊體具備了親水、生態以及景觀等傳統護岸所不具備的功能。為魚類等小型水生動物提供了生存空間，為植物提供了生長場所，并且能夠據此進行良好的物質交換，形成完整的食物鏈。同時，設計出新式的連接結構，為多孔型生態護岸塊體提供了連接上更多的可能性，可以根據不同地形地勢，設計所需的不同形狀的小圓柱，增強多孔型生態護岸塊體的可擴展性，也可以根據不同需要，將不需要的凹槽在制作時填滿，只預制出需要的凹槽。

4 多孔型生態護岸塊體的穩定性分析

護岸的穩定性直接關系著人民的生命財產安全，因此，護岸結構的穩定十分關鍵。近些年，歐洲、北美以及亞洲等一些國家為了提高河道護岸的穩定性，利用植物的根系穩固護坡的技術來增強河道護岸的穩定性，與此同時，此技術也被較多地利用在河道生態修復工程當中[7]。此外，除了植物的根系可以增強護岸的穩定性外，護岸自身結構的穩定性也十分重要，下面對本文設計的多孔型生態護岸塊體的穩定性進行分析。

多孔型生態護岸塊體的設計尺寸要求：應用人工塊體或經過分選的塊石作為斜坡堤的護坡面層，且滿足斜坡坡率為1.5～5.0時，單個塊體、塊石的質量Q和護面層厚度t，可按下式計算[8]：

(2)

多孔隙生態護岸在滿足穩定情況下(m=1.5～5.0)的單塊重量應>0.004 2 t(m=5.0)或者0.014 t(m=1.5)，單塊厚度應>0.163 m(m=5.0)或0.243 m(m=1.5)。幾種滿足穩定需求的設計尺寸見表3。

表1 穩定系數KDTab.1 Stability coefficient KD

表2 系數cTab.2 Coefficient c

表3 多孔型生態護岸塊體的單塊設計尺寸Tab.3 Design criterion of different size of banks

5 結 語

魚類對孔隙的選擇性試驗結果表明：孔隙結構具有很好的集魚效果；魚類在孔隙材質的選擇上，更喜歡有孔的混凝土塊體所搭建的孔隙結構；水生植物具有良好的集魚效果。在此試驗基礎上所設計的多孔型生態護岸塊體，具備了很多功能及優點：它為魚類等小型的水生動物提供了寬敞的通道，可以自由穿梭；除此之外，多孔型生態護岸塊體還具有供魚類趨利避害的棲息場所，這有利于魚類生存和繁衍；與地面相連的植生孔，為水生植物的生長創造了空間，水生植物會吸引更多的魚類，形成局部小生境；模塊化的連接方式，在保 證塊體連接的穩定性同時，也為塊體的連接提供了更多可能，連接塊體的小圓柱可以針對特殊地形地勢的需要，設計出更多形狀，創造出更多連接形式。

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[1] 樂茂華,劉 軍,胡和平. 深圳市河道生態修復理念及其治理技術[J]. 中國農村水利水電,2010,(2):25-28.

[2] 郭 赟. 淺談河道生態護岸形式及應用[J]. 中國農村水利水電,2011,(7):119-120,122.

[3] 董福平,董 浩.日本楊木縣斧川河道整治工程的幾點啟示[J].浙江水利科技,2002,(3):24-25.

[4] 路 毅,董艷桐,李慶軍. 園林水景生態型護岸設計研究[J]. 北方園藝,2008,(5):152-154.

[5] 張建軍,任美麗,馬述萍. 簡析北方河流景觀護岸設計原則和類型[J]. 內蒙古水利,2008,(2):135-136.

[6] 潘美元,李俊娜,尹崇清. 護岸設計原則和類型綜述[J]. 中國水運(學術版),2006,(11):108-110.

[7] 任 強.新型生態護岸在江蘇省內河航道中的應用(J).中國水運,2013,13(12):228-229.

[8] GB50286-2013，堤防工程設計規范[S].