劉川順，魯曉義，毛北平

（1.武漢大學水利水電學院，430070，武漢；2.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，430012，武漢）

監(jiān)利東港湖崩岸生態(tài)防治措施研究

劉川順1，魯曉義1，毛北平2

（1.武漢大學水利水電學院，430070，武漢；2.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，430012，武漢）

湖泊水質(zhì)惡化和人類活動破壞湖岸植物系統(tǒng)，從而削弱了湖岸抵御風浪侵蝕的能力，在風浪的侵蝕作用下，湖岸逐漸崩塌后退，造成土地資源損失和湖岸建筑物損毀。本文提出沿湖岸種植香根草，利用香根草發(fā)達、強勁的根系加固湖岸土體，防治風浪對湖岸的侵蝕。理論計算和在東港湖的試點應用結(jié)果表明，香根草護岸可使風浪產(chǎn)生的湖岸侵蝕減少90%，而造價不到傳統(tǒng)護岸措施的1/10，并且有多重生態(tài)效益。

湖泊；波浪侵蝕；崩岸；香根草；護岸；生態(tài)

湖岸崩塌造成沿岸耕地損失、建筑物損毀，屬于嚴重的湖泊災害。長江中下游湖泊多為平原沖積型遺跡湖，土質(zhì)疏松，湖岸抵抗風浪侵蝕的能力較弱，加之湖泊水體嚴重污染或人類活動導致湖岸植物消亡，進一步削弱了湖岸的抗侵蝕力，因而這一地區(qū)湖泊崩岸更為常見。

如湖北省監(jiān)利縣東港湖是沖積型地貌湖泊，自從2001年承包給私營業(yè)主養(yǎng)魚，湖泊遭受嚴重污染，湖水又黑又臭，水生植物滅絕，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的破壞導致湖岸崩塌。東港湖是一個面積6.5 km2、湖岸線長12.5 km的小型湖泊，除了1.5 km長的人工湖岸，天然湖岸全都發(fā)生崩塌，每年崩塌后退0.5～1.2 m，局部湖岸一年崩塌后退超過5 m。湖岸四周是肥沃的農(nóng)田和密集的居民房屋，由于崩岸每年損失10畝（1畝=1/15 hm2）以上農(nóng)田，有些居民被迫搬家。

東港湖崩岸的防治，如果采取建造漿砌石或混凝土護岸的傳統(tǒng)措施，施工條件差，造價昂貴，而且不利于湖岸生態(tài)系統(tǒng)修復?？紤]到大部分湖岸高度為1.5～2.5 m，采取沿湖岸種植香根草條帶，利用香根草發(fā)達、強勁的根系加固湖岸土體，以此抵御風浪侵蝕，是比較可行的崩岸防治方案。

一、香根草固土護岸的技術(shù)方案

1.香根草護岸的獨特優(yōu)勢

香根草是生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)的多年生草本植物，用于固土護岸具有獨特的優(yōu)勢。

（1）根系特別發(fā)達強勁

香根草被稱為擁有最長根系的草本植物且根系密集。1年齡以上香根草根長2.2～3 m，近乎豎直向下生長，每簇香根草生長著須根420～620根，根徑0.3～1.5 mm，根系抗拉強度達到40～120 MPa，平均抗拉強度80 MPa，是其他植物根系的3～6倍。

（2）適應環(huán)境能力超強

香根草是一種旱、濕兩棲植物，耐淹、耐旱能力超強：被持續(xù)淹沒2個月仍能恢復生長；成年香根草根系深扎土中，無懼干旱，能在年降雨量少于300 mm的情況下正常生長。香根草具有很強的抗逆性，能在pH值3.0～11.0的土壤、重金屬土壤和貧瘠的土壤中生長，并且具有很強的吸收、消減土壤和水體中各種污染物的能力。

（3）很強的水土保持能力

香根草快速生長和分蘗繁殖，種植3個月后就簇生成叢，1年齡以上的香根草根數(shù)可以分蘗擴大10倍，在湖岸形成茂密的籬笆，使地面降雨徑流流速降低70%，并由此減少90%以上的水土流失到湖泊，從而減少湖泊淤積和面源污染。

2.東港湖崩岸防治實施方案

（1）移植季節(jié)的選擇

在長江中下游地區(qū)，從11月下旬開始至第二年3月中旬為香根草冬眠期，這一階段不能移植香根草；11月上旬移植香根草，草苗也可以立根和長出新葉，但是如果隨后較早出現(xiàn)嚴寒氣候，新根扎土深度不夠，就會被凍死；5～10月份移植香根草雖然可以存活，但移植后一個月內(nèi)如果遇上高溫少雨，或人工澆水不及時，新苗可能會干死。因此，長江中下游氣候地區(qū)最適宜的香根草移植季節(jié)是3月下旬至4月下旬。

東港湖護岸試驗的香根草移植分兩次進行，第一次在2014年10月國慶節(jié)假期，第二次在2015年4月清明節(jié)假期，兩次移植草苗都自然存活，但第一次移植的草苗被不知情農(nóng)民損毀近半，故第二次補種草苗，共形成60 m長香根草護岸試驗段。

（2）移植步驟及方案

①在武漢大學香根草種苗基地，選擇生長年齡1.5年以上的香根草作為移植種苗，剪除上部草莖，保留下部草莖長度15～20 cm，挖出草蔸并保留根系長度10 cm以上，裝進編織袋，運送到移植現(xiàn)場拆分草蔸，將草苗根系剪至5～8 cm。

②按照行距20 cm開挖深度10～20 cm的V形種植溝（氣溫溫和、雨水密集時挖淺溝，氣候干燥、少雨時挖深溝）。如果土壤特別貧瘠，可在種植溝底部墊上5～10 cm厚的肥土層。

③沿溝每隔15 cm種植1叢草苗，每叢栽草苗4～6根，香根草種植帶至湖岸陡坎邊緣距離S取裸土湖岸每年崩塌后退的長度（見圖1）。草苗豎直放置于種植溝中央，回填土并壓實，然后澆水至回填土完全濕潤飽和。

（3）維護與管理

①香根草移植1個月內(nèi)，清除香根草種植范圍內(nèi)快速生長的雜草，如遭遇持續(xù)高溫干旱天氣，應視根區(qū)土壤水分情況決定是否澆水。

②在每年冬眠期收割地表草莖，保留草茬高度10～20 cm，促進來年生長并開發(fā)草莖的利用價值。

二、東港湖香根草護岸效果的計算評估

1.預備工作

湖岸之所以被風浪侵蝕，其實質(zhì)是風浪對岸土產(chǎn)生的剪切力超過了土體的允許剪切力，因此裸土湖岸的侵蝕速率取決于波浪要素和土壤的性質(zhì)。香根草密集、強勁的根系對松散的土壤顆粒體具有很強的團聚作用，增強了土體抵抗風浪剪切侵蝕的能力，根系對土體產(chǎn)生的附加抗剪力取決于根系的密度——單位面積土體中全部根系的橫斷面積。因此，開展香根草護岸效應評估要進行基本資料的收集和前期測試工作。

（1）氣象與湖泊水文資料

湖北省監(jiān)利縣屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，濕潤多雨。根據(jù)1980—2015年的氣象資料，多年平均降雨1 450 mm，主要降雨期為3—8月；多年平均風速2.8～3 m/s，歷年最大風速平均值14.0 m/s，20 m/s以上的極大風速出現(xiàn)在3～8月，該時期5 m/s以上風速出現(xiàn)的頻率也高于其他時期。以降雨量和風速大小為分界標準，分豐水期和非豐水期計算岸坡沖蝕速率。3—8月為豐水期，9月至次年2月為枯水期。豐水期湖泊平均水深取為2.0 m，枯水期湖泊平均水深取為1.5 m，最大風區(qū)長度3.4 km。

（2）湖岸土壤的物理力學性質(zhì)

取3組土樣，在武漢大學土力學實驗室開展常規(guī)土工試驗，測得東港湖岸坡土樣粘聚c=10 kN/m2，內(nèi)摩擦角φ=12°，重度γ=18.31 kN/m3，塑限WP=18.35，液限WL=37.50，塑性指數(shù)IP=19.15，孔隙比e=0.94，平均粒徑d50=0.018 mm，顆粒級配不均勻系數(shù)Cu=8.33，土壤粒徑級配曲線曲率系數(shù)Cc=1.61，級配良好。

（3）香根草根系調(diào)查

選擇3叢代表性香根草，采用開槽掘土法沿每叢草的東、西、南、北4個方向逐層取出25 cm×25 cm×25 cm的含根土塊，測量記錄每塊土的深度和到該草叢中心的水平距離，統(tǒng)計出每塊土中根系的數(shù)量，用游標卡尺測量出根系直徑。由根系調(diào)查得到代表性單叢（平均每叢）香根草的根系分布模型為：根數(shù)513根，根系直徑0.4～2.1 mm，根系水平分布范圍半徑245 mm，最大根深大于2 m。

2.波浪要素計算

東港湖位于平原地區(qū)，波浪要素（波長、波高及波周期）采用我國堤防設(shè)計規(guī)范（GB 50286—2013）推薦的莆田公式計算。分豐水期和枯水期兩種情況，由水深、風區(qū)長度和風速，計算出各自情況下的波浪要素。

圖1 湖岸香根草種植方案橫斷面

3.裸土湖岸風浪侵蝕計算

Osman和Thorne（1988）研究波浪對黏土岸坡側(cè)向侵蝕，提出了計算平均侵蝕速率的側(cè)向侵蝕計算模型：

式中，b為湖岸侵蝕后退距離，m；db/dt為湖岸侵蝕速率，m/s；τ為風浪產(chǎn)生的土壤有效切應力，N/m2；τc為土壤臨界切應力，N/m2；Se為侵蝕速率經(jīng)驗常數(shù)，Osman和Thorne通過開展黏土岸坡侵蝕試驗，給出了侵蝕速率常數(shù)與土壤臨界切應力之間的關(guān)系式：

式中，ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；其他物理量意義及量綱同前。

Temple，et al.（1987）提出了確定各種土質(zhì)土壤臨界切應力的公式，其中黏性土臨界切應力按下式計算

式中，τcb為土壤基本允許切應力，N/m2；Ce為孔隙比修正系數(shù)。黏土孔隙比修正系數(shù)和基本允許切應力由以下公式確定：

式中，e為孔隙比；Ip為塑性指數(shù)。

波浪對湖岸土體產(chǎn)生的有效切應力τ用Parchure（2001）公式進行計算：

式中，fw為波浪摩阻系數(shù)；ub為近底波浪質(zhì)點水平速度，m/s。

根據(jù)微幅波的理論，fw及ub可以采用以下公式計算：

式中，ɑ為波浪振幅，即有效波高的一半，有效波高取最大波高的一半，m；k為波數(shù)，即在波浪傳播方向上2π長度內(nèi)出現(xiàn)的全波數(shù)目，無量綱；h為波浪序列在岸坡影響區(qū)底部的水深，即波高的一半，m；Ks為相對粗糙度，無量綱，根據(jù)Soulsby(1997)推薦的Ks與粒徑間的關(guān)系為Ks=2.5d50；其他各物理量意義及量綱同前。

由土工試驗結(jié)果算得τc、Se和Ks，由波浪要素和Ks算得不同級別風浪對岸土產(chǎn)生的剪切力τ，由τ、τc、Se利用式（1）算得不同級別風浪對裸土湖岸的侵蝕率。

4.香根草生長條件下湖岸風浪侵蝕計算

關(guān)于植草護岸條件下的風浪侵蝕速率，荷蘭學者Seijffert J.W.和Verheij H.J.(1998)通過開展植草條件下岸坡波浪沖蝕模型試驗，提出了相應侵蝕率計算的經(jīng)驗公式：

式中，E2為根土復合體平均沖蝕速率，m/s；Hs為波浪有效波高，m；cE為含根土沖蝕系數(shù)，1/（m·s）。cE代表著植物根系生長岸坡抵抗波浪沖蝕能力的強弱，主要取決于土體含根率：

取表1中根深1m處土體含根率（單位面積土體中的全部根系截面積）RAR（mm2/m2），計算出不同級別風浪對香根草生長條件下湖岸的侵蝕率如表1所示。

由表1中各級風力風浪作用下裸土湖岸、植草湖岸的侵蝕率乘以各級風在1年內(nèi)出現(xiàn)的時間，累加可得到1年間東港湖裸土湖岸、香根草生長湖岸侵蝕崩塌后腿的距離分別為780 mm、70 mm?，F(xiàn)場調(diào)查知種植香根草之前湖岸年侵蝕崩塌后退距離為0.5～1.2 m（大小與不同湖岸段的土質(zhì)和風向有關(guān)），現(xiàn)場觀察到種植香根草之后湖岸沒有明顯的崩塌后退，可見湖岸崩塌的理論估算結(jié)果與實際情況基本相符。

表1 不同級別風浪對裸土湖岸、香根草生長湖岸的侵蝕速率

三、結(jié)語

相對傳統(tǒng)的漿砌石擋墻護岸，香根草護岸不僅實施簡易，更節(jié)省投資。對于2m高的湖岸，建漿砌石擋墻，每延米造價高達658元，而香根草種植方案護岸每延米僅需54元。此外，漿砌石護岸或混凝土護岸破壞湖岸生態(tài)，而香根草護岸不僅能防止湖岸水土流失、減少湖泊淤積，還能減輕湖泊面源污染，有利于兩棲動物繁衍生存?！?/p>

[1] 袁根，張煒.香根草在河坡防護上的應用[J].江蘇水利，2004(3).

[2] 夏漢平,敖惠修.應用香根草對垃圾場進行植被恢復及凈化垃圾污水的研究[J].廣州環(huán)境科學，2002(1).

[3] 夏漢平,等.香根草在土壤改良和水土保持中的作用[J].熱帶地理，1996(3).

[4] Osman AM,Thorne CR.Riverbank stability analysis.I:Theory[J].Journal of Hydraulic Engineering,1988.

[5] Temple D M,K M Robinson,R.M.Ahring,and G.S.Davis.Stability design of grass-lined channels[M].Washington,D C：US.DepartmentofAgriculture,1987.

[6] Parchure T M,McAnally Jr W H,TeeterAM.Desktopmethod forestimating vessel-induced sediment suspension[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001.

[7] Soulsby R.Dynamics of marine sands:a manual for practical applications[M].London:Thomas Telford,1997.

Studies on ecological approach for controlling bank collapse of Donggang Lake in Jianli

//Liu Chuanshun,Lu Xiaoyi,Mao Beiping

Due to the worsening of water quality in Dong gang Lake and damage of lake shore botanical system caused by human activities,the capability of lake shore against wave erosion has been degraded.Under the functioning of wave erosion,lake shore has been back up that has resulted in a great loss of land and damage of structures.However,vetiver grass has deep and strong roots that can consolidate soil of lake shore and prevent erosion of wave.According to theoretical calculation and its applicable results to the pilot project of Dong gang Lake,the revetment formed by vetiver grass can reduce 90%of erosion,with only 1/10 cost of the traditional structural measures.It can also generate a great deal of ecological benefits.

lake;wave erosion;bank collapse;vetiver grass;revetment;ecology

P343.3責任編輯B

1000-1123（2017）18-0014-03

2017-08-10

劉川順，教授。

責任編輯 車小磊