城市河道生態護岸對河道近岸水質的影響

郭亞晶，呂超鵬，楊怡雯，胡 廣，胡紹慶

(浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

城市河道護岸作為連接水體與陸地的生態交錯帶，生物多樣性豐富，在維持水體生態平衡、控制水土流失、凈化污染物、調節局部小氣候等方面具有重要的功能和價值[1-3]。在全面治理城市河道及其流域水體的同時，河道護岸建設工程往往忽略了河流原有的自然風貌和生態環境，導致河流生態系統遭到損害，河道護岸應有的生態服務功能和價值得不到發揮，保護好城市自身的生態資源，建設可持續的生態護岸逐漸成為國內外護岸建設的發展方向[4]。目前我國在城市河道生態護岸的研究，在理論上主要集中于生態護岸的概念、內涵以及功能等方面的宏觀研究；在實踐上主要集中于護岸的材料、工程技術、綜合評價等方面[5]。關于生態護坡生態服務功能的研究較為有限。本文通過對杭州城市河道生態護岸對近岸水質影響的研究，為構建河道生態護岸結構，建立穩定的生態護岸景觀提供借鑒。

1 研究地概況

杭州是因水而文明的重點風景旅游城市，位于長江三角洲南沿，市區河網密布，包含的8個城區(西湖區、濱江區、上城區、下城區、拱墅區、江干區、余杭區、蕭山區)共有1 100多條河道[6-7]。自2006年起杭州就綜合開展了流域性的河道生態保護工程，護岸技術從原來傳統的硬質護岸技術向生態護岸技術發展，改善河道的生態景觀，把杭州打造成親水宜居城市，延續杭州“因水而生、因水而立、因水而興、因水而強”的歷史[8-9]。

本研究選取杭州市繞城高速公路以內區域運河水系的河道作為調查對象(圖1)。首先按照天然材料在護岸材料中所占的比例將護岸分為自然原型生態護岸、自然型生態護岸和多自然型生態護岸和非生態護岸4個類型[5]。自然原型護岸是指單純的采用植物材料進行固土的護岸，如植草護岸、防護林護岸等；自然型護岸采用種植植被與石材、木材等天然材料相結合，來增強護岸的防洪和抗沖刷能力，如松木樁護岸、石籠護岸等；多自然型護岸是一種植物與工程措施相結合的復合型護岸技術，采用鋼筋混凝土等材料，如植被型生態混凝土護岸、網籠墊塊護岸等[5, 10]。選取杭州城市中具有代表性的余杭塘河及其支流嬰兒港河及西湖茅家埠附近小溪流作為研究河道，在每條河道及河道周圍地塊選取不同類型的生態護岸(自然原型、自然型和多自然型)和非生態護岸的護岸特征和近岸水體水質分別進行調查，研究生態護岸對河道近岸水質的影響。

圖1 調查點的分布

2 研究方法

2.1 外業調查

杭州地區少見多自然型河岸，因此只選擇自然型和自然原型兩種生態護岸及非生態護岸作為調查對象。在余杭塘河及其支流嬰兒港及茅家埠分別選取不同護岸結構的河道，選擇不同護岸類型的典型地段設置樣地15個。使用GPS測量樣地中心點的坐標，并記錄樣方所在地的經緯度及其坡向；使用激光測距儀測量護岸的坡度和寬度。在樣地內隨機選取3點進行重復測量取其平均值。

在樣地范圍內河岸外延5 m內河道隨機選取三處樣點，用便攜式流速儀測量水速。每樣點重復測量3次，取其平均值。

在15個典型護岸類型樣地外延5 m內河道采取水樣。分別于雨天和晴天各取1次，以區分生態護岸在不同徑流量條件下的作用效果。每次在樣方地近岸隨機選取3個樣點采集等量水樣，合并注滿事先準備好的水瓶中，放置于0～4 ℃的冰箱保存。

2.2 室內測量

利用水質多參數分析儀測量水樣的pH值、溶解氧(DO)、電導率(EC)；使用SGZ-200B濁度計測量水濁度(Turbidity)，單位為NTU；根據國家標準，使用鉬酸銨分光光度法測定水樣中的磷含量。每個水樣進行3次重復測量，取其平均值。

2.3 數據分析

利用相關分析研究不同類型護岸結構與周圍環境因子和水質參數之間的相關性；將不同護岸類型的環境因子和水質參數分別繪制成箱圖分析護岸類型對河道近岸水質的影響，并用獨立樣本T檢驗分析不同護岸類型的水文狀況的差異程度是否達到顯著水平。

3 結果與分析

3.1 護岸結構對周圍水質的影響

Spearman 相關分析表明，3種不同護岸類型和不同天氣條件下(晴天、雨天)護岸結構(寬度、坡度)對周圍水質的影響各異，說明降水會對護岸結構與水質參數的相關性造成影響(表1)。在晴天天氣條件下，護岸結構對水體電導率、磷含量和溶解氧的影響比較大。在雨天天氣條件下，對水體濁度、電導率、pH值、溶解氧的影響比較大。

表1 不同天氣條件下護岸結構與周圍水質相關性比較

注：表中僅顯示與護岸結構顯著相關的水質因子。+，顯著正相關；-，顯著負相關。

通過對比不同天氣條件護岸結構對水質參數的影響，發現護岸結構對水體電導率、磷含量、溶解氧的影響較大，其中坡度的影響更大。護岸坡度越大，地表徑流流速越快，在護岸上停留的時間越短，地表徑流在土壤中的滲入量減少，同時與植物的接觸時間也減少，其污染物截留和降解效率也隨之降低[11-12]。因此護岸坡度越大，水體含鹽量和總磷越高，護岸緩沖帶的作用時間變短，使得水溶解氧降低。護岸寬度也會影響地表徑流在護岸上的停留時間，護岸寬度越寬，停留時間越長，護岸緩沖帶截留污染物的能力越好，因此護岸寬度越寬，水體磷含量越少。而晴天和雨天護岸對電導率和溶解氧的影響卻與之相反，可能與土壤機制和徑流量有關。

3.2 不同護岸類型對周圍水質的影響

3種不同護岸類型(自然原型、自然型、非生態型)在不同天氣條件下(晴天、雨天)對周圍水質具有不同的影響(圖2)。對于水體pH值，在晴天和雨天天氣條件下，3種不同護岸類型間均沒有明顯的差異，非生態型護岸和自然原型護岸的河道水體pH值基本維持在 7.2～7.5(弱堿)，其中雨天自然型護岸的河道水體pH值平均值最趨近于7.0，為7.2。對于水體溶解氧，晴天天氣條件下3種不同護岸類型間沒有明顯的差異，但自然原型護岸的河道水體溶解氧相對較高，為6.5 mg·L-1；雨天天氣條件下，自然原型與非生態型護岸河道的水體溶解氧存在顯著差異，自然原型護岸溶解氧高于非生態型護岸。對于水體濁度，晴天天氣條件下自然原型護岸與自然型護岸存在顯著差異，自然原型護岸的河道水體濁度小于自然型護岸，平均值為3種類型中最小；雨天天氣條件下，3種護岸類型間均存在顯著性差異，其中非生態型護岸的河道水體濁度最大，且波動最大，自然原型護岸最小。對于水體電導率，晴天天氣條件下自然原型護岸與非生態型護岸和自然型護岸存在顯著差異，其中自然原型護岸的河道水體電導率最小；雨天天氣條件下自然原型相對較低。對于水體磷含量，晴天天氣條件下自然原型護岸與非生態型護岸和自然型護岸存在顯著差異，其中自然原型護岸的河道水體磷含量最低；在雨天天氣條件下自然原型護岸仍是最低，自然型護岸和非生態型護岸沒有顯著差異。對于水體流速，3種不同護岸類型間均沒有明顯的差異。

通過對比不同天氣件下護岸類型對水質參數的影響，發現護岸類型對水體濁度、電導率、磷含量的影響最大。其中自然原型護岸最佳，非生態型護岸則最差。由于自然原型護岸較非生態護岸來說能更好地保證河流生態系統和陸地生態系統之間的物質能量交換，為水體和陸地的動植物、微生物提供關鍵棲息地，生態護岸與河道水體有更大的接觸面積，透氣透水性能的增強使得生態護岸具有更強的吸附能力，并且為微生物的富集提供良好條件，可以增強微生物凈化水體的功能，使河道水質得到改善。自然原型護岸上的植物群落自身也可吸收、轉化利用水體中的營養鹽，植物根系向河道水體釋放氧氣，為微生物提供營養物質[13-14]。3種不同護岸類型的水速沒有明顯的差異。

4 城市河道生態護岸特征與河道水質的關系

4.1 護岸類型與河道水質的關系

河道工程建設會不同程度改變護岸結構和類型，繼而對河道水體的性質產生影響。總體來說自然原型護岸的近岸水質最好，其次是自然型護岸，人工干預程度最大的非生態護岸則最差。自然原型護岸單純地采用植物材料進行固土護岸，水體和陸地的動植物、微生物構成一個完整的生態系統，生態護岸的廊道功能發揮良好的作用，水陸交錯帶的介質以及植物通過各種物理和化學作用來實現河道凈化功能[15]。自然型護岸采用種植植被與石材、木材等天然材料相結合，沒有完全隔絕陸地和河流生態系統的交流，保證河道水體與岸帶有一定的聯系，有利于水陸動植物及微生物能與周圍環境順利完成物質能量交換，增強微生物凈化水體功能，同時對生物棲息地環境的沖擊較小，使河道水質得到一定的改善。而非生態護岸用鋼筋混凝土、漿砌塊石等材料，完全隔絕了陸地和水生生態系統的交流，生態系統中的食物鏈被斷開，造成關鍵棲息地喪失或連續中斷，生物多樣性喪失，阻隔了地表水與地下水的交換，河流廊道功能發生嚴重退化，沖積物和營養物增加，導致河道水質變差[16]。

4.2 生態護岸結構與河道水質的關系

護岸結構對于水體電導率、磷含量、溶解氧的的影響較大。護岸坡度和寬度是影響生態護岸去除徑流中污染物的重要因素。因為護岸坡度越緩，地表徑流流速越小，流經護岸進入河道的時間越長，增加地表徑流在土壤中的滲入量，同時坡度小意味著護岸和水體接觸更為密切，對水流的阻力更大，從而使得水速減慢。另外護岸緩沖帶的作用時間變長，污染物截留和降解效率也增強，使得河道水體磷含量、電導率降低，水溶解氧升高。除了護岸坡度，護岸寬度也會影響地表徑流在護岸上的停留時間，從而影響污染物截留和降解效率，影響河道水質。另一方面護岸結構影響植物的選擇，護岸上的植物群落是生態護岸發揮功能的關鍵，間接影響了河道護岸的生態服務功能。

圖中的字母標識僅與護岸類型有關，與天氣條件無關；字母標識相同表示兩者沒有顯著差異，不同表示有顯著差異圖2 不同護岸類型對近岸水質的影響

4.3 城市河道生態護岸的構建建議

4.3.1 生態護岸類型優選

在生態護岸設計中，盡可能地選擇自然原型護岸，保持河道原有的自然形態，降低人為干預程度，因為河道護岸人為干預程度越小，護岸的生態服務功能越強。不同的河道采用不同的護岸類型，對于流速較大的河床，則選擇自然型護岸或者多自然型護岸來增強護岸的抗沖刷能力。杭州的一些河道為通航水道，如上塘河和余杭塘河，船只經過時帶起水浪對護岸的沖刷，因此在護岸類型選擇時要考慮固土防沖刷的能力。

4.3.2 生態護岸結構優選

應根據河道水流特點、周邊土質條件、植被帶自然狀況等因素來選擇適宜的結構，還應考慮建設投入、養護管理等因素。

護岸越寬，生態護岸發揮的生態服務功能越強，但考慮到周邊土地利用情況和上下游水文情況，尤其是城市河道受兩岸建筑的限制，護岸的寬度不能無止境大，一般滿足“最小能接受的寬度”這個指標，如果此河段受嚴重侵蝕作用，那么至少延伸至20 m[17]。在生態護岸設計中應減緩護岸的坡度，護岸坡度影響地表徑流在護岸緩沖帶的作用時間及植物的選擇，植物的根系固土作用與生態護岸的穩定性密切相關[18]。

5 小結

不同天氣條件下護岸結構對于水體電導率、磷含量、溶解氧的的影響較大，其中坡度的影響最大；不同天氣條件下護岸類型對水體濁度、電導率、磷含量的影響最大，自然原型護岸對河道近岸水質的作用最佳，人為干預程度最大的非生態型護岸則最差。

生態護岸類型、結構(寬度、坡度)對生態護岸生態服務功能的影響體現在不同方面。據此，我們建議生態護岸的構建要遵循安全穩定性、生態健康性、景觀適宜性的原則；應綜合考慮生態護岸類型、生態護岸結構選擇，以及生態護岸植物群落構建方面，以建設穩定、高效、美觀的生態護岸景觀，為城市河道護岸的建設提供借鑒。