基于生物基質(zhì)的河道護(hù)岸護(hù)坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)在遼寧地區(qū)的應(yīng)用

楊洪寧

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

基于生物基質(zhì)的河岸護(hù)坡護(hù)岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)近些年在許多區(qū)域得到應(yīng)用，是水利部重點(diǎn)推廣的實(shí)用新技術(shù)(推廣編號為TZ2014089)，并作為遼寧省第一批河道綜合治理和生態(tài)修復(fù)支撐技術(shù)得到推廣。該項技術(shù)可以解決傳統(tǒng)剛性混凝土未能考慮生態(tài)和綠化的綜合效益。基于生物基質(zhì)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)通過配置強(qiáng)度較高的大骨料，使得其混凝土骨料層可以滿足堤防安全的需求，此外其連續(xù)孔隙的混凝土骨料層配合活性菌劑，使得植被生長條件得到明顯改善。混凝土骨料層和生物基質(zhì)的有效結(jié)合可滿足河道堤防安全和生態(tài)功能的雙重需求。該項技術(shù)已經(jīng)在一些省份生態(tài)護(hù)岸護(hù)坡綜合治理、城市河道黑臭水體治理、河湖濱海植被抗沖刷性修復(fù)、山體邊坡生態(tài)修復(fù)等工程實(shí)例中得到應(yīng)用，但在遼寧地區(qū)應(yīng)用還較少，為此本文針對該項生態(tài)修復(fù)新技術(shù)，立足于遼寧地區(qū)河道特點(diǎn)，對技術(shù)指標(biāo)、施工工藝及實(shí)施效果進(jìn)行了介紹，以期為遼寧地區(qū)河流生態(tài)修復(fù)提高重要的技術(shù)參考。

1 試驗方法

1.1 骨料層基礎(chǔ)平臺的試驗方法

在已預(yù)制好的混凝土六棱塊護(hù)岸基礎(chǔ)上，充填多孔骨料并在C20框格梁上進(jìn)行澆筑，不需要對原有的堤防進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的拆除和破壞措施。骨料基礎(chǔ)層采用直徑為45mm的單一石料、標(biāo)號為42.5的水泥以及添水劑和水一起進(jìn)行機(jī)械攪拌120分鐘后，澆筑時間控制在30分鐘內(nèi)完成。

1.2 植被配置方法

經(jīng)過對遼寧地區(qū)實(shí)地調(diào)研分析，地被植物選用適合于寒冷地區(qū)的高冰草、紫羊茅、虉草，這幾類為禾木科，菊科選用了波斯菊，豆科類選用了紫花苜蓿，此外還選用了藜科的駝絨藜作為生態(tài)植物。生態(tài)植被修復(fù)措施配置方案見表1。

1.3 試驗土壤菌群分析

為分析不同植物生長受生物基質(zhì)的綜合影響，將高冰草選為試驗植物，試驗播種面積為30m2，播種的數(shù)量為22g/m2，試驗原底土壤取有機(jī)質(zhì)含量為5.3%，適合于植物生長。試驗土壤和生物機(jī)質(zhì)的養(yǎng)分見表2。

1.4 試驗設(shè)備

試驗現(xiàn)場采用機(jī)械方式對基礎(chǔ)骨料層進(jìn)行攪拌和現(xiàn)場澆筑，骨料層采用的機(jī)械設(shè)備分別為：裝載機(jī)和攪拌機(jī)各1臺，現(xiàn)場基質(zhì)填充和混拌采用機(jī)械結(jié)合人工輔助方式進(jìn)行。無紡布的鋪設(shè)和作物種子的播種均采用人工方式進(jìn)行。

1.5 試驗流程

(1)對達(dá)到試驗標(biāo)準(zhǔn)河段坡面進(jìn)行清理整平和密實(shí)度處理，并對框格梁進(jìn)行支模和澆筑試驗處理；

表1 植被生物基質(zhì)配置方案

表2 試驗區(qū)土壤和生物基質(zhì)的養(yǎng)分和有效菌數(shù)

(2)將水泥、石料、BSC-WY系列添加劑和水生物基質(zhì)混凝土骨料層按配合比加入到攪拌機(jī)進(jìn)行均勻攪拌處理，拌合后出料運(yùn)至試驗工作面澆筑在框格梁內(nèi)整平；

(3)將澆筑作業(yè)面與攪拌機(jī)的距離控制在120m以內(nèi)，如果澆筑作業(yè)面與攪拌地點(diǎn)距離超過120m，則要求攪拌地點(diǎn)和試驗作業(yè)面進(jìn)行轉(zhuǎn)場，以保證試驗質(zhì)量，整個試驗流程操作時間在10分鐘以內(nèi)進(jìn)行控制；

(4)澆筑完畢的拌合料，應(yīng)對表面進(jìn)行整平表面處理，3天內(nèi)禁止人員行走、行車及加載負(fù)荷；

(5)試驗作業(yè)面在3天內(nèi)每天進(jìn)行早晚2次的作業(yè)養(yǎng)護(hù)，3天內(nèi)若遇到陰雨天氣則不需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；

(6)作業(yè)面澆筑完成7天后可以進(jìn)行骨料層內(nèi)生物基質(zhì)層實(shí)施過程試驗；

(7)覆蓋20～50g/m2的無紡布用于初期保墑，無紡布應(yīng)用鉛絲或竹簽扦插固定；

(8)蓋無紡布后28天內(nèi)視天氣情況澆水養(yǎng)護(hù)，晴熱天氣蒸發(fā)量大時應(yīng)在早上7點(diǎn)前澆透水一遍，陰雨天氣則無需澆水。

1.6 質(zhì)量檢驗方法

(1)骨料層的質(zhì)量檢驗：按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計尺寸(本次試驗采用的尺寸為200mm×200mm)制作混凝土骨料層的生物基質(zhì)的試驗?zāi)K，進(jìn)行30天的保養(yǎng)維護(hù)后進(jìn)行試驗備用，各試驗制件方式、維護(hù)方法及模塊的制作尺寸的誤差均嚴(yán)格按照GB/T 50082的要求進(jìn)行規(guī)定。

(2)植被恢復(fù)和生長覆蓋度的檢驗方法

對試驗現(xiàn)場播種的高冰草進(jìn)行現(xiàn)場采樣，對不同處理方式下的植物樣品進(jìn)行采集后進(jìn)行檢測和分析，并對基質(zhì)土壤表層5cm的土樣進(jìn)行采集后，對其酸堿度、孔隙率含水量等物理和化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測定，現(xiàn)場進(jìn)行平行4組的試驗，每個試驗樣品采集的面積為45m2，生物菌劑按照高劑量(10t/hm2)和標(biāo)準(zhǔn)劑量(5t/hm2)進(jìn)行2種比例進(jìn)行摻入。在植物生長試驗時，設(shè)置有機(jī)肥和不施肥兩種方式進(jìn)行，分別按照植物不同生長時期測定的單株重量、分蘗數(shù)以及表層5cm的基質(zhì)土壤的酸堿度以及土壤孔隙水含量等指標(biāo)進(jìn)行測定。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 添加劑用量對骨料層抗壓穩(wěn)定影響試驗結(jié)果

對采用相同配比方案的不同用量添加劑下骨料層的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗分析，分析結(jié)果見表3。

表3 不同型號下添加劑用量對骨料層抗壓強(qiáng)度的影響試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，通過對生物基質(zhì)進(jìn)行添加劑的使用后使得其骨料層的減少功能得到明顯增強(qiáng)，并由于添加劑的粘合和其他成分的調(diào)節(jié)作用，使得其骨料層的抗壓強(qiáng)度逐步得到提升，在水泥用量較少的條件下其抗壓強(qiáng)度提升效果也較為明顯。此外，在相同配比方式下不同型號生物基質(zhì)下的骨料層抗壓強(qiáng)度有不同程度的差異，在實(shí)際施工過程中。應(yīng)結(jié)合不同設(shè)計需求對其對于的型號進(jìn)行選擇，也可以按照施工條件和設(shè)計部門的要求進(jìn)行單獨(dú)定制型號。

2.2 水泥用量對骨料層抗壓強(qiáng)度影響試驗結(jié)果

為分析水泥用量對生物基質(zhì)骨料層的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同水泥用量對骨料層抗壓強(qiáng)度影響分析結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，在同一試驗條件下抗壓強(qiáng)度和水泥用量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，隨著水泥用量的增加，骨料層的抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)的增加，增加水泥使用量可提供骨料試驗樣塊的抗壓強(qiáng)度，但由于水泥用量的增加勢必造成工程造價，因此在實(shí)際施工中要重點(diǎn)考慮水泥用量，優(yōu)化工程造價成本。此外從試驗結(jié)果還可看出，水泥用量和孔隙度成反相關(guān)，隨著水泥用量的增加，骨料模塊的孔隙度逐步減小，當(dāng)水泥配比方案用量為450g/cm3，其試驗孔隙度可以達(dá)到30%，當(dāng)水泥配比方案用量達(dá)到350g/cm3，其試驗孔隙度高于30%，不同水泥用量下其孔隙度具有較為明顯的差異度。

2.3 植物生物量指標(biāo)受生物基質(zhì)的影響試驗結(jié)果

以高冰草為例，探討了生物基質(zhì)不同菌群對植物生物量指標(biāo)的影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 生物基質(zhì)對各植物生物量的影響試驗結(jié)果

植物生物量可以從單株重量和分蘗數(shù)進(jìn)行其葉面和總體草量兩個指標(biāo)的反映，從試驗結(jié)果可看出，采用高劑量的生物基質(zhì)菌落下高冰草的顯著度高于其他試驗組，其他組試驗單株重量差異度較小，正常生物基質(zhì)菌落劑量下，分蘗指標(biāo)和正常施普通有機(jī)肥處于同一個水平，均低于采用高劑量的生物基質(zhì)菌落，分蘗指標(biāo)要高于對照組。從試驗結(jié)果可說明生物基質(zhì)菌落的用量可以將植物生物量進(jìn)行顯著增加。

2.4 骨料層抗凍性能試驗結(jié)果

考慮到北方地區(qū)的氣候寒冷特點(diǎn)，對骨料層模塊進(jìn)行了28天的養(yǎng)護(hù)后，該試驗?zāi)K的骨料層混凝土配比為0.34，對試驗?zāi)K進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗，并對不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失度和強(qiáng)度損失率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見表6。

表6 骨料層的抗凍性能測試結(jié)果

從試驗分析結(jié)果可看出，凍融循環(huán)次數(shù)和骨料層模塊的質(zhì)量損失度和強(qiáng)度損失量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，質(zhì)量損失度和強(qiáng)度損失率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而遞增，尤其是在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次以上時，其質(zhì)量損失度和強(qiáng)度損失率變化較為明顯，抗凍等級可達(dá)到F200標(biāo)準(zhǔn)，在北方地區(qū)要推廣和應(yīng)用該項生態(tài)修復(fù)技術(shù)，需要對其混凝土的抗凍性能進(jìn)行設(shè)計，通過增加活性的礦物摻合料來提高生物基質(zhì)骨料層模塊的抗凍耐久性能。

2.5 植物生態(tài)修復(fù)效果調(diào)查

在試驗區(qū)進(jìn)行了為期3個月的生態(tài)修復(fù)后，對試驗區(qū)各調(diào)查樣范圍內(nèi)播種的植物進(jìn)行了調(diào)查，并對自然恢復(fù)區(qū)植物的品種進(jìn)行了調(diào)查，試驗區(qū)采樣植物品種調(diào)查結(jié)果見表7，對比自然恢復(fù)區(qū)的植物調(diào)查結(jié)果見表8。

表7 試驗區(qū)生物基質(zhì)下植物生態(tài)修復(fù)效果調(diào)查結(jié)果

表8 未采用生物基質(zhì)對比區(qū)植物調(diào)查結(jié)果

圖1 試驗河段生態(tài)修復(fù)效果

試驗區(qū)在進(jìn)行不同植物群的播種后，在同一個自然生態(tài)恢復(fù)區(qū)，設(shè)置了植物生長對比區(qū)，從而對比分析采樣區(qū)植物生態(tài)修復(fù)的效果，通過近3個月的植物生長觀察試驗，對試驗區(qū)內(nèi)播種的植物進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表7，相比于對照區(qū)自然生態(tài)下的植物調(diào)查生物量見表8，采樣生物基質(zhì)進(jìn)行河岸生態(tài)修復(fù)后，植物種類、覆蓋度、以及高度均較自然生態(tài)下的植物有明顯改善，植物種類也到不同程度的豐富，各類植物的單株數(shù)量也得到顯著增加，試驗河道生態(tài)修復(fù)效果如圖1所示，從圖中可看出，采用生物基質(zhì)技術(shù)進(jìn)行河道生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后，植物量增加顯著，此外對試驗骨料層模塊進(jìn)行了采集，經(jīng)過28天的養(yǎng)護(hù)期后，進(jìn)行室內(nèi)抗沖刷的試驗，其總體抗沖刷能力可達(dá)到6m/s。

3 技術(shù)潛力和優(yōu)勢分析

3.1 在遼寧地區(qū)的應(yīng)用潛力分析

通過對生物基質(zhì)下河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行試驗、檢測以及植物生態(tài)修復(fù)效果的試驗分析，該項技術(shù)可結(jié)合遼寧地區(qū)氣候、土壤以及實(shí)際施工條件，在中小河流和城市段河流生態(tài)修復(fù)中得到應(yīng)用和推廣，本文分析的植物組合適合于遼寧地區(qū)的氣候特點(diǎn)，在完成工程措施后可以保持播種植物的生長效果，此外本文試驗分析的骨料層混凝土配比為0.34，其孔隙度可達(dá)到29.6%，抗壓強(qiáng)度7天和20天可分別達(dá)到12.2MPa和14.7MPa，并可達(dá)到抗凍等級可以達(dá)到F200標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足遼寧地區(qū)冬季氣候寒冷、防沖需求。技術(shù)整體在遼寧地區(qū)尤其是東部山區(qū)具備推廣和應(yīng)用的潛力，此外采用BSC-WY03添加劑后，可以用普通水泥用量、骨料配比不進(jìn)行調(diào)整的前提下，其抗凍等級也可達(dá)到F200標(biāo)準(zhǔn)，在北方寒冷地區(qū)工程實(shí)際應(yīng)用能力較好。

3.2 相比于傳統(tǒng)生態(tài)混凝土技術(shù)的優(yōu)勢

基于生物基質(zhì)的河道治理生態(tài)修復(fù)技術(shù)可以有效提高土壤的生物菌落，增強(qiáng)土壤的活性，提升土壤的物理和化學(xué)指標(biāo)。活性菌落在基質(zhì)層中具有較高的豐富度，使得土壤中各類有機(jī)污染物及有機(jī)物可以生產(chǎn)滿足植物生長所需要的的養(yǎng)分，避免采用有機(jī)化肥對水體產(chǎn)生的二次污染，即達(dá)到水質(zhì)環(huán)保要求，也可符合河流生態(tài)景觀的需求，可以維持植物長期良好的生長狀態(tài)，持續(xù)較長的生態(tài)效應(yīng)。針對治理區(qū)域進(jìn)行多樣性和專業(yè)化的生態(tài)植物播種，對區(qū)域植被生態(tài)效果修復(fù)十分有益。由于在生物基質(zhì)上采用多種保水、保肥材料使得植物生長具有良好的效應(yīng)，從試驗區(qū)和對照區(qū)域植物修復(fù)效果對比分析表明生物基質(zhì)技術(shù)對區(qū)域植被修復(fù)具有較明顯的效果，對于河道治理而言，即保障防洪安全的同時又具備了較好的生態(tài)效果。

4 技術(shù)應(yīng)用建議

(1)在實(shí)際工程施工時，骨料層宜采用框格進(jìn)行束縛，施工現(xiàn)場進(jìn)行澆筑方式，從而保持骨料層的整體穩(wěn)定性，此外植物根系可通過骨料層的孔隙度穿透骨料層，并在岸、坡進(jìn)行扎根，與骨料層形成立體的錨固和加筋效應(yīng)，增加河岸、堤防的穩(wěn)定性、抗沖刷以及水保能力。

(2)框格梁式的混凝土充填方式工程造價、施工難度以及植被覆蓋度上好于六棱及工字磚砌方式，建議在實(shí)際工程應(yīng)用時采用框格梁式進(jìn)行混凝土的充填澆筑；

(3)骨料層混凝土配比為0.34，其孔隙度可達(dá)到29.6%，抗壓強(qiáng)度7天和20天可分別達(dá)到12.2MPa和14.7MPa，這種配比方案較為經(jīng)濟(jì)，在實(shí)際工程中也可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。