【优选】河道生态修复技术

生态河道修复工程河道是包括土地、动植物、水体的复杂生态系统。具有调节径流、调蓄水量、去除水中有毒有害物质，提供水生、陆生动物栖息地的功能，植被特征明显不同于两侧土地，有较高水平的物种多样性，种群密度和物生产率。我国目前河道修复工程多考虑河道的水利条件，常见的河道整治工程如下：1、加高河堤；2、采用钢筋混凝土和块石结构；3、河道人工化、渠道化；4、清淤。采用以上方法将极大的影响河道生态功能，造成河道生境单一，水生植物缺乏，周边生态食物链断裂，生物多样性减少，河道净化能力较差等后果。河道生态修复以生态手段，使河道生态系统恢复到被破坏前的近似状态，且能够自我维持动态平衡的复杂过程。生态修复需要对生态系统结构和功能，包括水质净化物理过程、化学过程、生物特征有充分的认识。工程设计主要包括河流生态修复设计，河床生态修复设计，河岸生态修复设计和河岸带生态修复设计。一、河流生态修复设计技术河流生态修复主要任务是将人工河道形态修复成近自然的河道形态。自然河流有如下四中类型：1、顺直微弯型：总体顺直并略有弯曲，深槽、浅滩交错分布其中；2、弯曲型：具有外形曲折、蜿蜒蠕动的动态特性，分布范围广，任意两相邻浅滩的间距约为河宽的 57 倍；3、分汊型：又称江心洲型河道，具有一个或几个江心洲，河身呈莲藕状，具有两股以上的汊道，汊道交替消长；4、游荡型：河身顺直宽浅，沙滩众多，汊道交织，河床变形迅速，主槽摆动不定，水流散乱。河流生态修复中，主要应针对河流形态，将沟渠化的河流形态改造成近自然的河流形态。1. 河流断面设计河道断面应设计有深潭和浅滩，断面上植物设计应注意层次，设计时应注意乔木、灌木和水生植物布置的位置和宽度，理想的河道断面图如图 1 所示。图 1 河道剖面理想断面设计对于硬质化现象严重的河道断面，应以河道修复理想剖面为基础，加以改造。硬质化河道生态修复剖面如图 2 所示。图 2 硬质化河道生态修复剖面2. 浅滩和深潭河流结构设计深潭和浅滩是自然河道中常见的较复杂的生境，为浮游生物，鱼类等提供复杂的生活环境，躲避天敌，有利于河道生物多样性的丰富，对于河流生态修复有着重要意义。针对人工河道，应在沿河流方向剖面，塑造地形，形成近自然的深潭和浅滩，深浅变化明显。沿河流方向生态修复剖面如图 3 所示。图 3 沿河道方向生态修复剖面3. 多孔隙河岸结构的设计在河道近水区采用多孔隙结构材料，一方面多孔结构表面积较大，较大的空间可供植物生长，其次河岸疏松的结构为鱼类，微生物提供避难和觅食的场所，丰富河岸周边的物种群落。河道生态修复过程中，多采用植物护岸、植物木材和石料组合护岸、植物袋和混凝土组合护岸、石笼和植物组合护岸，这些护岸与硬质化护岸不同，给河岸周边生物留下了充足的生存空间。常见的河道护岸修复示意图如图 4 所示。图 4 多孔隙河岸结构设计二、河床生态修复设计技术河床生态修复技术主要针对河道内部，在河床上构建构筑物，如丁字坝等，改变河道水力条件，进而形成深潭和浅滩交替的地形特点，恢复底栖动物，构建河流健康的食物链，形成河道食物网，丰富河道及周边的生物多样性。1. 河床深潭与浅滩设计蛇形河道河床生态修复工程在河道生态修复工程的基础上，根据流体力学的一般规律，构建深潭与浅滩共存的河床地形。河流弯道的外侧受河水冲刷，适宜设置结构较牢固的深潭结构，弯道内侧河水流速缓慢，易形成回旋的涡流，宜设置浅滩结构。河床深潭与浅滩设计如图 5 所示。图 5 河床深潭与浅滩设计2. 丁坝设计（1） 桩式丁坝桩式丁坝是在河床内打入木桩，利用木桩减缓水流速度，使河水中的悬浮物沉积，在丁坝周围形成浅滩地形，桩式丁坝具有设计合理、施工简易、坝体内无内压力、可有效减轻局部冲刷、维护方便等优点，可广泛应用于各类河道治理、海塘保护等工程中。桩式丁坝以木桩为原材料，木桩尺寸一般长约 35m，粗约 1215cm，木桩与木桩之间的间隔约为 1m。丁坝尺寸设计应符合水利条件，丁坝宽度为应在1/10 河宽以内，高度应设计为洪水的 0.20.3，丁坝间隔的丁坝长的 24 倍，约为 1030 倍。桩式丁坝断面示意图如图 6 所示。图 6 桩式丁坝断面示意图桩式丁坝布置时，应充分考虑木材的防腐和丁坝的维护。桩式丁坝原材料为木材，易腐烂，不做好防腐工作，将大大减小丁坝的使用寿命；桩式丁坝施工时应交错打桩，上游木桩应略低于下游木桩，使每根木桩受同等的水力冲击力；配置长丁坝时需要充分研究，丁坝建设应与河道治理规划整体结合。（2） 石丁坝石丁坝是使用毛石堆砌或者填土表面用毛石干砌或浆砌的不透水丁坝，常采用的有干砌丁坝、浆砌丁坝、混合砌丁坝和框架结构丁坝，石丁坝适用于河床为砂砾，流速较快的河流。石丁坝多用作减缓洪水，改变水流方向，保护有侵蚀风险的河岸等，并且丁坝间的泥沙堆积可创造近自然的河岸。石丁坝的原材料主要为自然石料，可采用工程施工产生的石料，石料形状和色彩应与周围环境协调，粒径应能维持丁坝稳定。石丁坝宽度为应在 1/10 河宽以内，高度应设计为洪水的 0.20.3，丁坝间隔的丁坝长的 24 倍，约为1030 倍。石丁坝断面示意图如图 7 所示。图 7 石丁坝断面示意图石丁坝修建时应注意丁坝头部取较大的石料，减小坝表面的凹凸面，内部使用水泥砂浆连接，减小丁坝头部集中水平和集中垂直流线的危险。若河流的河床多为砂砾，且冲刷现象较明显，应考虑设置反滤层。若希望在丁坝间形成河湾，应控制丁坝间距离，保证河湾不被埋没。石丁坝根部应种植固岸效果较好的植被，防止河岸受侵蚀。（3） 混凝土丁坝混凝土丁坝是使用不规则的混凝土块体建造丁坝，在其上覆盖当地河床材料，表土和抛石，其中水下部分多采用抛石和河床材料，水上部分采用覆土。混凝土丁坝可减缓水力势能，促使泥沙堆积，丁坝结构在洪水时可成为鱼类的避难所。混凝土丁坝原材料采用不规则混凝土砌块，其上再铺种植土或河床材料，扦插或栽植柳树。丁坝宽度为应在 1/10 河宽以内，高度应设计为洪水的0.20.3，丁坝间隔的丁坝长的 24 倍，约为 1030 倍，在凹岸配置丁坝时，丁坝的间隔通常在长度的 2 倍以内。混凝土丁坝断面示意图如图 8 所示。图 8 混凝土丁坝断面示意图混凝土丁坝设计时应采用不规则且不易被冲走的混凝土块体，采用木沉排和蛇笼作为护脚固槽，若河流的河床多为砂砾，且冲刷现象较明显，应考虑设置反滤层，防止河床砂砾被冲走。3. 护底固槽设计护底固槽设计主要采用较缓的迫降比，利用砌石、混凝土体块等在河床上建设挡水建筑物等方法，加固河槽。传统的护底固槽工程落差较大，鱼类无法洄游，生态护底固槽工程采用较缓的迫降比，将护底固槽工程在河流沿线分为缓流浅滩，急流浅滩和深潭三部分，有利于鱼类洄游。生态护底固槽工程如图9 所示。图 9 生态护底固槽工程示意图4. 城市中小型河床的近自然修复方法城市中小河流治理多采用直线型混凝土河道治理方法，将已建好的混凝土河道拆除进行重建耗费重大，也造成巨大的浪费。河床近自然修复方法主要为深挖河道，一般工程开挖 3040cm，将土方置于河床两侧，河边设置木桩、铺设块石等，构建多空缝隙河岸空间。河床近自然修复设计示意图如图 10 所示。图 9 河床近自然修复设计示意图三、河岸生态修复设计技术我国目前的河岸治理工程多采用混凝土或钢筋混凝土护岸，护岸方法阻隔了陆生生态系统和水生生态系统的有机联系。河岸生态修复应从人与自然和谐相处出发，在满足工程安全的前提下，应采用多种材料组合的护岸结构，构建适于生物栖息与繁衍的生态环境。1. 亲水护岸亲水护岸的河岸设计坡度为 1:61:3，在确保居民安全的前提下，增加亲水护岸的可利用性，材料可采用天然石块和植物材料。在河岸形成河湾和亲水河岸休闲空间，形成缓坡，散步小路、河湾交错的亲水护岸结构。2. 生态系统保护护岸（1）植物护岸自然河岸两侧生长着芦苇、柳树等植物，植物护岸是以修复植物群落为目的，恢复河道两侧原有的植物。一般种植柳枝、芦苇、菖蒲等，国外多白杨树、榛树等。修复植物群落，水中的植物可为鱼类、昆虫等提供产卵，避难和觅食的场所。插柳驳岸：在河岸插栽柳树幼苗，恢复城市近自然河道柳树群落，种植方法包括插栽和铺盖柳树幼苗两种。构建方法如图 10、11 所示。图 10 插栽柳树幼苗示意图图 11 铺盖柳树幼苗示意图柳树栅栏驳岸：为防止水土流失，将木桩成排打入地下，岸边利用柳条编制栅栏状，可有效防止河岸受水流侵蚀。构建方法如图 12 所示。图 12 柳树栅栏工程示意图捆柴驳岸：将萌芽力强的嫩柳条捆成柴，利用木桩固定在河岸坡脚，可有效防止水土流失。构建方法如图 11 所示。图 12 捆柴驳岸工程示意图（2）木材护岸采用圆木等固定河岸坡脚，在柳树根系为发达前起零时保护河岸的作用，防止水土流失，构造图如图 13 所示。图 13 木材驳岸工程示意图（3）抛石护岸根据河流的水流冲刷能力，放置不同的石块，插入柳树，恢复近自然的河岸生态系统，恢复河岸生态系统，增强河流的自净能力。构造图如图 14 所示。图 14 抛石护岸工程示意图（4）石笼护岸石笼护岸是在方形或者圆形的铁丝笼放入直径不太大的天然石块，坡度控制在 1:0.5 或 1:1，石笼护岸是传统的护岸方法之一，填料粒径小，空间密集，施工后不能立刻显现其生态效益，当泥沙逐渐淤积，水生植物生长之后，石笼护岸的生态效益逐渐体现。构造图如图 15 所示。图 15 石笼护岸工程示意图（5）连接混凝土块护岸采用混凝土砌块确保护岸强度，混凝土砌块相互连接，增加护岸的稳定性，同时，混凝土中间有裂纹，可供植物生长，表面覆土，或者覆盖生态袋种植植物。构造图如图 16 所示。图 16 连接混凝土工程示意图（6）不同材料组合护岸为快速修复受损的河岸生态系统，可采用不同材料组合的护岸方法。常见的护岸形式有：铺设石笼护岸、箱式石笼驳岸、垫石笼驳岸、盛土石笼丁坝护岸。铺设石笼护岸：利用桶式沉排沉底，铁丝石笼放在 1:2 的护坡底层，松木和柳条工程放在 1:2 护坡。箱式石笼驳岸：利用巨石沉底，护坡坡度设计为 1:21:4，以箱式石笼固定护坡。垫石笼驳岸：利用巨石沉底，巨石下设置垫石笼结构，砌石护坡设置坡度为 1:11:5 之间，水面以上护坡设置坡度为 1:5，采用垫石笼结构，上层铺草皮，下层设置防砂层。盛土石笼丁坝护岸：在设计河床高程以上设置护脚工程，岸边设置抛石，加固河岸，抛石以上的河岸采用防砂板和大型连接混凝土块体，设计坡度为1:2，丁坝抛石以上设置石笼，其上恢复芦苇群落。3. 景观护岸景观护岸以蛇笼、干砌石、抛石和混凝土块体等方法，针对水陆交错带的陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡地带，采用建筑材料和植物材料组合的方法恢复近自然的景观格局。四、河岸带生态修复技术河岸带是指河流洪水位和低水位之间的河床、洪水位之间的河床及洪水位以上河水影响完全消失为止的地带，河岸带主要有堤岸和河漫滩。河岸带生态修复的过程中应在确保防洪条件的前提下，强化河流生态系统和景观的保护，重视亲水性。河岸带植物群落结构由深至浅依次为：沉水植物、浮叶植物、挺水植物、湿生植物和湿生林，如图 17 所示。图 17 河岸带植物群落示意图1. 生物群落结构的优化植物配置时应合理的配置密度，配置时应视树种、草种不同而定，喜光、速生、干直的乔木树种应稀植，喜阴湿、生长缓慢、干型不直的树种应密植。一般树种株距控制在 12m，行距 24m。河岸带距离河道 05m 内的区域，以本地河岸树和灌木为优势种，辅以其他树种，形成长期稳定的落叶期。距离河道 520m 以内的区域，主要运用河岸树和灌木。距离河道 2027m 以内的区域，可采用各类技术手段，集流变成浅层片流，密植草地和灌木，维持旺盛的生长。2. 景观结构优化河岸带生态修复工程中应注重景观结构优化，考虑景观结构要素，调整原有景观结构，引入新的景观设计，创造优于原有景观的，人工与自然有机协调的生态景观。