生態堤防應用現狀及對策分析

張慧琴,歐牛泉

(1.韶關市防洪管理中心,廣東 韶關 512000; 2.重陽鎮政府,廣東 韶關 512000)

0 引 言

堤防是抵御洪澇災害的重要屏障,但隨著現代化城市發展,堤防與城市環境協調問題愈發突顯。傳統堤防大多采用干砌石、漿砌石、混凝土等材料硬化修建[1],很多情況下僅考慮了防洪功能,而忽略了堤防工程對河道生態系統的影響,導致生物多樣性破壞[2-3]。為順應河道生態治理發展趨勢,生態景觀、生態系統、生態堤防等相關研究應運而生。

20世紀起,歐美國家已開始研究生態堤防,提出環境在河道堤防設計中的重要性,提倡自然型護岸。隨著生態文明建設的不斷推進,中國近年也逐步重視堤防岸線作用,從傳統硬化堤防開始轉變為資源節約型、環境友好型生態堤防,更加注重可持續發展[4]。本文主要探索生態堤防應用優勢,通過生態堤防應用對河道行洪的主要影響、材料比選及成本等問題分析,尋找相關對策,并對生態堤防未來發展提出建議。

1 生態堤防概述

1.1 特 點

生態堤防在保證堤身穩定性的基礎上,不再局限于單一防洪功能,而根據需求采用不同的多孔介質基礎材料,滿足植物生長條件,并通過結構設計打造水陸銜接的柔性景觀[5]。生態堤防兼顧防洪安全、生態效益和景觀價值,充分發掘堤防作用。萬里碧道建設是生態堤防建設的典型案例,將治水與治岸結合,統籌生態、安全、文化、景觀和休閑功能,建立了復合型廊道[6]。根據洪水的時空特點,生態堤防在汛期發揮防洪屏障作用,非汛期則作為城市景觀、休閑游憩場所。

1.2 類 型

生態堤防根據河道特征、地理位置、社會需求、經濟條件、國土空間規劃等多方面因素,采用不同的形式建設,主要有自然原型堤防、自然型堤防、人工自然型堤防3種類型[7-8](表1)。自然原型堤防最接近自然,造價相對較低,多用于兩岸人口較少、河道防洪風險較小的地區;自然型堤防造價適中,多用于鄉鎮、縣級堤防;人工自然型堤防造價高,多用于對防洪和景觀要求高的城市。

表1 生態堤防類型Tab.1 Types of ecological levees

2 生態堤防主要優勢

2.1 提高堤防穩定性

植被淺層根系與土壤形成復合體,發揮預應力加固作用[9],伴隨根系生長,與堤身內部基礎材料建立聯系,起到加筋作用,從而達到固土護坡的目的。植被通過吸收和蒸發水分降低邊坡水壓力,從而增強土壤黏結力,提高堤岸的抗沖刷能力[10]。胡其志等[11]研究中發現根系與格柵的復合加筋效果很好,其黏聚力相較于素土、格柵加筋土分別增加了265.0%、33.2%。新孟河延伸拓浚工程中采用生態護坡技術,在坡腳鋪設具有過濾、防滲、提高地基承載能力的素混凝土軟排,坡上鋪筑透水性墊層和草皮護坡,工程建成后通過了汛期檢驗,未出現質量問題[12]。

2.2 保障河道生態系統

生態堤防基于河道生態系統,考慮河道生物原始循環狀態,保留生物多樣性,維持河道生態平衡與生態穩定。生態堤防通過生態混凝土、生態防護袋、混合材料搭配等方式,確保滿足植被生長條件[5]。多孔介質[13]可增強護堤地透水性,使雨水能滲透地下土壤,降低城市內澇風險。植被通過截留、吸附過程可凈化雨水徑流,對COD,TN,TP,SS等污染去除起積極作用,在改善水環境和促進水生態系統良性循環方面具有重要意義[14-15],并且植物光合作用對調節局部微小氣候具有顯著影響。張棟[16]實驗發現:灌叢墊在雨強30,60 mm/h的條件下,對徑流污染物的截留率分別為氨氮62.61%,50.13%、磷酸鹽59.53%,42.70%、硝氮55.61%,42.03%,可在污染物阻控方面起到積極作用。

2.3 提升堤防景觀價值

河流是城市的脈絡,堤防是防治洪澇災害的重要屏障。堤防修建須占用河流岸線,根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》,其中堤防背水側護堤地占5～30 m寬度,且堤防須嚴格按照相關標準建設,因此偶有高出陸域的堤防擋墻出現,與城市景觀相違和,導致附近地塊使用價值降低。

堤防作為水陸交界的開放空間,在保證河道行洪安全的前提下,是作為城市綠地較好的選擇,通過設置植物景觀、親水平臺、特色雕塑等,運用色彩、線條等方法,將單調的堤防打造成城市景觀,構建休閑游憩場所[17-18],改善城市熱島效應,增加了岸線使用價值。復式斷面防洪堤[19]打破了傳統防護形式,淮河蚌埠主城區段[20]結合河道水位變化影響范圍,將行洪斷面沿垂直方向劃分為三級景觀區,根據枯水期、豐水期特征布設相應設施和景觀,打造城市多級彈性空間。

金華市梅溪流域綜合治理工程[21]中采用生態堤防改善河道生態系統,通過放緩堤防坡度、沿河布設景觀等方式使水利、生態、景觀相互協調,在保障行洪安全的前提下,將梅溪流域打造成為了“金華最美河道”。昆山市牛灣涇黑臭河道治理工程[22]中對硬質駁岸進行改造,新建生態石籠墻,并結合控源截污、生態清淤、生態修復工程等治理黑臭水體問題,該工程運行半年后,水質達到地表水Ⅴ類標準,水體自凈能力逐步恢復。

3 生態堤防應用主要問題及解決對策

3.1 對河道行洪的主要影響

3.1.1河道綜合糙率

生態堤防種植植物會使河道綜合糙率發生變化,研究表明[23-24]:河道綜合糙率隨植物高度的增加而增加。而糙率對河道水面線具有一定影響,恒定均勻流的計算式可表示為

(1)

式中:Q為設計流量,m3/s;A為過水斷面面積,m2;n為糙率;R為水力半徑,m;i為水力坡降。

仝道斌等[25]的河工模型試驗結果表明:河道綜合糙率隨著植被糙率的增加而增加,當河道寬深比大于60時,邊坡植被引起的綜合糙率變化不大于10%;當河道寬深比大于100時,邊坡植被引起的綜合糙率變化不大于7%。馬三力[26]的研究同樣發現,在相同條件下,無植被群河段、草或蘆葦河段、樹或稀疏灌木層河段、中密度灌木叢河段的水位標準差分別為0.294,0.301,0.415,0.496,植被群使河道糙率增大,河道水位隨著糙率值增大而抬高。

3.1.2阻水比

生態堤防迎水側植被位于行洪斷面內,如果種植高大植物,將縮窄河道過水斷面面積,植被群疊加效應會引起局部水位壅高,親水平臺等臨水工程同樣會增大阻水比,導致局部水位壅高。仝道斌等[25]的河工模型試驗(河道長度40 m,寬度8～12 m,水深0.04～0.08 m,河床糙率0.018)顯示:與無植被河段對比,種植密集植被使水位壅高0.3～1.3 mm,種植稀疏植被+喬灌木、稀疏植被使水位壅高 0.1～0.4 mm。

3.1.3對策建議

生態堤防對河道行洪影響主要表現在河道綜合糙率和阻水比的增大,因此,生態堤防應根據河道行洪要求選擇對河道綜合糙率影響較小的植被種植,比如臨水側選種矮生草本植被。而且,生態堤防建設前應做洪水影響評價,擬建工程產生的阻水比應滿足規范要求。DB44/T 1661-2021《河道管理范圍內建設項目技術規程》中提出臨水工程外緣不宜伸入主河槽,臨河景觀宜布置在5 a一遇洪水位以上,且不應在行洪河道內種植林木、高桿作物。

3.2 材料比選及成本問題

生態堤防建設材料和種植植被的比選是多學科交叉工作,不同類型的建設材料、植被所需成本具有較大差異,且會產出不同的效果。

3.2.1建設材料

堤防一般要求整體穩定、抗沖刷、耐久,通過純植被岸坡很難實現,因此生態堤防多采用植被與工程材料結合的方式建設。常見的工程建設材料如表2所列,實際建設時常根據地理環境、河道條件、防洪等級、成本控制等因素比選材料。然而,這些材料各有利弊,如生態混凝土[27]具有透水透氣的特點,能保持持續活性,適宜植物生長,且抗沖刷能力良好,但其降堿處理問題仍亟待解決。

表2 生態堤防常用的建設材料[28]Tab.2 Common construction materials for ecological levees

3.2.2植 被

主根粗壯的喬木會增加附加荷載,加大岸坡下滑驅動力,導致岸坡穩定性降低,韓紀坤等[29]發現須根發達的紫荊錨固性能更好,與榆葉梅錨固性能相差5%～25%,且將紫荊種植于坡腳處、榆葉梅種植于坡頂處,其岸坡比素土邊坡安全系數增加61.2%,可達到2.153。因此生態堤防不宜選種高大喬木,宜選種低矮的喬木、灌木及草本植物(表3)。堤防迎水側適合種植根莖蔓延能力強的草本植物,以及布設花卉景觀,但多數草本植物具有季節性,不耐寒,從而導致冬季整體景觀效果不佳。

表3 生態堤防常見植被Tab.3 Common vegetation in ecological dykes

3.2.3成 本

生態堤防建設大致包含前期準備及設計、施工造價、后期管護等方面費用。生態堤防建設質量直接影響后期使用的耐久性,既要保證防洪性能,又要達到城市景觀效果,其建設成本相對較高,并且后期管理維護仍需投入一定的資金。胡閩[30]對比了3種生態護岸工程造價(鉸鏈式混凝土塊為48.86萬/100 m,空心六角塊為26.95萬/100 m,格賓石籠為47.03萬/100 m),空心六角塊造價較低,但其穩定性不如鉸鏈式混凝土塊和格賓石籠,綜合考慮材料特點、經濟性及運用場景的重要性,最終選擇了鉸鏈式混凝土塊進行生態護岸設計。

3.2.4對策建議

生態堤防應根據地理環境、河道條件、防洪等級、成本控制等多方面因素綜合考慮,比選適宜的建設材料及植被,并嚴格把控生態堤防設計環節,確保設計的科學性、合理性。因此,可采用多指標評價法[8],運用生態、社會、經濟、安全等多類型指標,比選出最優設計方案。

4 結論與建議

生態堤防具有顯著的生態效益和景觀價值。生態堤防的應用,可以提高堤防穩定性,保障河道生態系統,提升堤防景觀價值,且對改善城市熱島效應具有積極作用。然而,生態堤防應用及未來發展仍需注意以下幾點。

(1) 生態堤防設計是綜合性、系統性的,應考慮防洪功能、自然條件、社會環境、經濟成本、國土空間規劃等多方面因素,合理布局,統籌發展。

(2) 生態堤防的植被及景觀工程會占用一定的行洪斷面,實際應用前需進行洪水影響評價,保證其設計符合防洪要求。

(3) 生態堤防迎水側選用植被應具備親水、根系發達、生長快、適應力強等特點,但不宜種植高大林木及高桿作物;布設的臨水景觀工程不應妨礙河道行洪。因此,生態堤防設計方案宜采用多指標評價法,運用生態、社會、經濟、安全等多類型指標,比選出最優設計方案。

(4) 目前,國內的生態堤防未大規模應用,主要受到防洪安全、經濟成本、地理位置等多方面因素制約。因此,需進一步深入研究,尋找更為經濟的基礎材料、穩定的結構形式、科學的管護方式,加快推進生態堤防規模化應用。