城市河道生态护岸对河道近岸水质的影响

郭亚晶，吕超鹏，杨怡雯，胡 广，胡绍庆

(浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

城市河道护岸作为连接水体与陆地的生态交错带，生物多样性丰富，在维持水体生态平衡、控制水土流失、净化污染物、调节局部小气候等方面具有重要的功能和价值[1-3]。在全面治理城市河道及其流域水体的同时，河道护岸建设工程往往忽略了河流原有的自然风貌和生态环境，导致河流生态系统遭到损害，河道护岸应有的生态服务功能和价值得不到发挥，保护好城市自身的生态资源，建设可持续的生态护岸逐渐成为国内外护岸建设的发展方向[4]。目前我国在城市河道生态护岸的研究，在理论上主要集中于生态护岸的概念、内涵以及功能等方面的宏观研究；在实践上主要集中于护岸的材料、工程技术、综合评价等方面[5]。关于生态护坡生态服务功能的研究较为有限。本文通过对杭州城市河道生态护岸对近岸水质影响的研究，为构建河道生态护岸结构，建立稳定的生态护岸景观提供借鉴。

1 研究地概况

杭州是因水而文明的重点风景旅游城市，位于长江三角洲南沿，市区河网密布，包含的8个城区(西湖区、滨江区、上城区、下城区、拱墅区、江干区、余杭区、萧山区)共有1 100多条河道[6-7]。自2006年起杭州就综合开展了流域性的河道生态保护工程，护岸技术从原来传统的硬质护岸技术向生态护岸技术发展，改善河道的生态景观，把杭州打造成亲水宜居城市，延续杭州“因水而生、因水而立、因水而兴、因水而强”的历史[8-9]。

本研究选取杭州市绕城高速公路以内区域运河水系的河道作为调查对象(图1)。首先按照天然材料在护岸材料中所占的比例将护岸分为自然原型生态护岸、自然型生态护岸和多自然型生态护岸和非生态护岸4个类型[5]。自然原型护岸是指单纯的采用植物材料进行固土的护岸，如植草护岸、防护林护岸等；自然型护岸采用种植植被与石材、木材等天然材料相结合，来增强护岸的防洪和抗冲刷能力，如松木桩护岸、石笼护岸等；多自然型护岸是一种植物与工程措施相结合的复合型护岸技术，采用钢筋混凝土等材料，如植被型生态混凝土护岸、网笼垫块护岸等[5, 10]。选取杭州城市中具有代表性的余杭塘河及其支流婴儿港河及西湖茅家埠附近小溪流作为研究河道，在每条河道及河道周围地块选取不同类型的生态护岸(自然原型、自然型和多自然型)和非生态护岸的护岸特征和近岸水体水质分别进行调查，研究生态护岸对河道近岸水质的影响。

图1 调查点的分布

2 研究方法

2.1 外业调查

杭州地区少见多自然型河岸，因此只选择自然型和自然原型两种生态护岸及非生态护岸作为调查对象。在余杭塘河及其支流婴儿港及茅家埠分别选取不同护岸结构的河道，选择不同护岸类型的典型地段设置样地15个。使用GPS测量样地中心点的坐标，并记录样方所在地的经纬度及其坡向；使用激光测距仪测量护岸的坡度和宽度。在样地内随机选取3点进行重复测量取其平均值。

在样地范围内河岸外延5 m内河道随机选取三处样点，用便携式流速仪测量水速。每样点重复测量3次，取其平均值。

在15个典型护岸类型样地外延5 m内河道采取水样。分别于雨天和晴天各取1次，以区分生态护岸在不同径流量条件下的作用效果。每次在样方地近岸随机选取3个样点采集等量水样，合并注满事先准备好的水瓶中，放置于0～4 ℃的冰箱保存。

2.2 室内测量

利用水质多参数分析仪测量水样的pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)；使用SGZ-200B浊度计测量水浊度(Turbidity)，单位为NTU；根据国家标准，使用钼酸铵分光光度法测定水样中的磷含量。每个水样进行3次重复测量，取其平均值。

2.3 数据分析

利用相关分析研究不同类型护岸结构与周围环境因子和水质参数之间的相关性；将不同护岸类型的环境因子和水质参数分别绘制成箱图分析护岸类型对河道近岸水质的影响，并用独立样本T检验分析不同护岸类型的水文状况的差异程度是否达到显著水平。

3 结果与分析

3.1 护岸结构对周围水质的影响

Spearman 相关分析表明，3种不同护岸类型和不同天气条件下(晴天、雨天)护岸结构(宽度、坡度)对周围水质的影响各异，说明降水会对护岸结构与水质参数的相关性造成影响(表1)。在晴天天气条件下，护岸结构对水体电导率、磷含量和溶解氧的影响比较大。在雨天天气条件下，对水体浊度、电导率、pH值、溶解氧的影响比较大。

表1 不同天气条件下护岸结构与周围水质相关性比较

注：表中仅显示与护岸结构显著相关的水质因子。+，显著正相关；-，显著负相关。

通过对比不同天气条件护岸结构对水质参数的影响，发现护岸结构对水体电导率、磷含量、溶解氧的影响较大，其中坡度的影响更大。护岸坡度越大，地表径流流速越快，在护岸上停留的时间越短，地表径流在土壤中的渗入量减少，同时与植物的接触时间也减少，其污染物截留和降解效率也随之降低[11-12]。因此护岸坡度越大，水体含盐量和总磷越高，护岸缓冲带的作用时间变短，使得水溶解氧降低。护岸宽度也会影响地表径流在护岸上的停留时间，护岸宽度越宽，停留时间越长，护岸缓冲带截留污染物的能力越好，因此护岸宽度越宽，水体磷含量越少。而晴天和雨天护岸对电导率和溶解氧的影响却与之相反，可能与土壤机制和径流量有关。

3.2 不同护岸类型对周围水质的影响

3种不同护岸类型(自然原型、自然型、非生态型)在不同天气条件下(晴天、雨天)对周围水质具有不同的影响(图2)。对于水体pH值，在晴天和雨天天气条件下，3种不同护岸类型间均没有明显的差异，非生态型护岸和自然原型护岸的河道水体pH值基本维持在 7.2～7.5(弱碱)，其中雨天自然型护岸的河道水体pH值平均值最趋近于7.0，为7.2。对于水体溶解氧，晴天天气条件下3种不同护岸类型间没有明显的差异，但自然原型护岸的河道水体溶解氧相对较高，为6.5 mg·L-1；雨天天气条件下，自然原型与非生态型护岸河道的水体溶解氧存在显著差异，自然原型护岸溶解氧高于非生态型护岸。对于水体浊度，晴天天气条件下自然原型护岸与自然型护岸存在显著差异，自然原型护岸的河道水体浊度小于自然型护岸，平均值为3种类型中最小；雨天天气条件下，3种护岸类型间均存在显著性差异，其中非生态型护岸的河道水体浊度最大，且波动最大，自然原型护岸最小。对于水体电导率，晴天天气条件下自然原型护岸与非生态型护岸和自然型护岸存在显著差异，其中自然原型护岸的河道水体电导率最小；雨天天气条件下自然原型相对较低。对于水体磷含量，晴天天气条件下自然原型护岸与非生态型护岸和自然型护岸存在显著差异，其中自然原型护岸的河道水体磷含量最低；在雨天天气条件下自然原型护岸仍是最低，自然型护岸和非生态型护岸没有显著差异。对于水体流速，3种不同护岸类型间均没有明显的差异。

通过对比不同天气件下护岸类型对水质参数的影响，发现护岸类型对水体浊度、电导率、磷含量的影响最大。其中自然原型护岸最佳，非生态型护岸则最差。由于自然原型护岸较非生态护岸来说能更好地保证河流生态系统和陆地生态系统之间的物质能量交换，为水体和陆地的动植物、微生物提供关键栖息地，生态护岸与河道水体有更大的接触面积，透气透水性能的增强使得生态护岸具有更强的吸附能力，并且为微生物的富集提供良好条件，可以增强微生物净化水体的功能，使河道水质得到改善。自然原型护岸上的植物群落自身也可吸收、转化利用水体中的营养盐，植物根系向河道水体释放氧气，为微生物提供营养物质[13-14]。3种不同护岸类型的水速没有明显的差异。

4 城市河道生态护岸特征与河道水质的关系

4.1 护岸类型与河道水质的关系

河道工程建设会不同程度改变护岸结构和类型，继而对河道水体的性质产生影响。总体来说自然原型护岸的近岸水质最好，其次是自然型护岸，人工干预程度最大的非生态护岸则最差。自然原型护岸单纯地采用植物材料进行固土护岸，水体和陆地的动植物、微生物构成一个完整的生态系统，生态护岸的廊道功能发挥良好的作用，水陆交错带的介质以及植物通过各种物理和化学作用来实现河道净化功能[15]。自然型护岸采用种植植被与石材、木材等天然材料相结合，没有完全隔绝陆地和河流生态系统的交流，保证河道水体与岸带有一定的联系，有利于水陆动植物及微生物能与周围环境顺利完成物质能量交换，增强微生物净化水体功能，同时对生物栖息地环境的冲击较小，使河道水质得到一定的改善。而非生态护岸用钢筋混凝土、浆砌块石等材料，完全隔绝了陆地和水生生态系统的交流，生态系统中的食物链被断开，造成关键栖息地丧失或连续中断，生物多样性丧失，阻隔了地表水与地下水的交换，河流廊道功能发生严重退化，冲积物和营养物增加，导致河道水质变差[16]。

4.2 生态护岸结构与河道水质的关系

护岸结构对于水体电导率、磷含量、溶解氧的的影响较大。护岸坡度和宽度是影响生态护岸去除径流中污染物的重要因素。因为护岸坡度越缓，地表径流流速越小，流经护岸进入河道的时间越长，增加地表径流在土壤中的渗入量，同时坡度小意味着护岸和水体接触更为密切，对水流的阻力更大，从而使得水速减慢。另外护岸缓冲带的作用时间变长，污染物截留和降解效率也增强，使得河道水体磷含量、电导率降低，水溶解氧升高。除了护岸坡度，护岸宽度也会影响地表径流在护岸上的停留时间，从而影响污染物截留和降解效率，影响河道水质。另一方面护岸结构影响植物的选择，护岸上的植物群落是生态护岸发挥功能的关键，间接影响了河道护岸的生态服务功能。

图中的字母标识仅与护岸类型有关，与天气条件无关；字母标识相同表示两者没有显著差异，不同表示有显著差异图2 不同护岸类型对近岸水质的影响

4.3 城市河道生态护岸的构建建议

4.3.1 生态护岸类型优选

在生态护岸设计中，尽可能地选择自然原型护岸，保持河道原有的自然形态，降低人为干预程度，因为河道护岸人为干预程度越小，护岸的生态服务功能越强。不同的河道采用不同的护岸类型，对于流速较大的河床，则选择自然型护岸或者多自然型护岸来增强护岸的抗冲刷能力。杭州的一些河道为通航水道，如上塘河和余杭塘河，船只经过时带起水浪对护岸的冲刷，因此在护岸类型选择时要考虑固土防冲刷的能力。

4.3.2 生态护岸结构优选

应根据河道水流特点、周边土质条件、植被带自然状况等因素来选择适宜的结构，还应考虑建设投入、养护管理等因素。

护岸越宽，生态护岸发挥的生态服务功能越强，但考虑到周边土地利用情况和上下游水文情况，尤其是城市河道受两岸建筑的限制，护岸的宽度不能无止境大，一般满足“最小能接受的宽度”这个指标，如果此河段受严重侵蚀作用，那么至少延伸至20 m[17]。在生态护岸设计中应减缓护岸的坡度，护岸坡度影响地表径流在护岸缓冲带的作用时间及植物的选择，植物的根系固土作用与生态护岸的稳定性密切相关[18]。

5 小结

不同天气条件下护岸结构对于水体电导率、磷含量、溶解氧的的影响较大，其中坡度的影响最大；不同天气条件下护岸类型对水体浊度、电导率、磷含量的影响最大，自然原型护岸对河道近岸水质的作用最佳，人为干预程度最大的非生态型护岸则最差。

生态护岸类型、结构(宽度、坡度)对生态护岸生态服务功能的影响体现在不同方面。据此，我们建议生态护岸的构建要遵循安全稳定性、生态健康性、景观适宜性的原则；应综合考虑生态护岸类型、生态护岸结构选择，以及生态护岸植物群落构建方面，以建设稳定、高效、美观的生态护岸景观，为城市河道护岸的建设提供借鉴。