3.2 实验材料

3.2.1 模型构建

河湖岸线的多孔混凝土生态护坡实验模型位于上海市黄浦江原水厂临江泵站内，紧邻黄浦江。在构建多孔混凝土护砌河道实验模型时，将实验河道设计为环形构型，以模拟天然水体的自然弯曲特征，并实现了实验模型的可控制性。实验模型由人工开挖的4条结构相同的水体 （河渠）组成，人工水体外侧岸周长54.7m，内侧岸周长29.5m，中泓线长42.1m。河道为梯形断面，底宽1m，上宽4m，深1m，岸坡坡度1∶1.5，工作水位0.8m，4条河渠中均安装功率相同的潜水型水流推进器，以模拟河水流动，水流推进器叶轮直径400m，叶轮中心距河床0.25m，距工作水位约0.55m。每条河道均安装潜水泵1台，河道之间通过管道进行水力联系，可模拟研究多水位多流态条件等不同类型水体的水质改善效果及生态效应。实验模型如图3.1所示。

图3.1 岸线多孔混凝土生境与硬化河渠的实验模型（单位：mm）

实验模型以黄浦江水为实验原水，黄浦江水经水泵抽取均匀配置到4条河道中，也可通过阀门调节向其中任一条河道单独进水。实验结束后，每条河道经潜水泵将实验后的水体排出。在实验模型中，4条河道既保持水力联系，同时又相对独立，水泵的运行和阀门启闭可手动控制或自动控制。

常水位水流运动模拟：抽取黄浦江原水向实验河道进水，当水位达到工作水位时，启动水流推进器，水体在河道中循环流动。

动态变水位水流运动模拟：开启连接任意两条河道的通水阀门和流量调节设施，关闭其他河道的阀门，轮换启动安装在该河道中的潜水泵使河水从一条河道流向另一条河道，从而实现实验河道中水位呈周期性变化，水位变化周期基本等同于黄浦江的潮汐运动周期。

1号河、2号河和3号河分别采用不同构型的多孔混凝土预制砌块进行岸线特定生境建设，4号河采用标号C15的普通混凝土进行河床和岸坡的三面硬化护砌（模拟“三面光”河渠），对照研究不同岸线生境构建模式方式的水质改善效果。

3.2.1.1 1号河

多孔混凝土预制单球组合构建河渠岸线特定生境。单球体直径为250mm，在球中预留x、y、z三维方向的通孔，球成型后用经防锈处理的直径18mm的钢筋进行连接固定，并充当生态护砌面配筋作用，球体之间自然形成了边长约100mm的方孔，如图3.2（a）所示。护砌面连接为整体，稳定性好，空隙率约47%。

3.2.1.2 2号河

多孔混凝土凹凸连锁具孔矩形砌块构建河渠岸线特定生境。砌块的外形为矩形，四周为凹凸锯齿构型，外形尺寸为550mm×300mm×250mm，砌块中间预留3个直径为80mm的圆柱形孔洞，为较大植物的生长预留了空间，砌块之间通过锯齿构型互相咬合，不需连接件，护砌面稳定。如图3.2（c）所示铺装面的空隙率约22%。

3.2.1.3 3号河

多孔混凝土预制四球连体砌块构建河渠岸线特定生境。该砌块的构型由上部的4个半球和下部的4个圆台组成，中间由多孔混凝土自然连接为整体，砌块中央预留直径为80mm的圆柱形孔洞。半球的直径为250mm，砌块平面尺寸为500mm×500mm。岸线砌块组合时，砌块之间通过预留的连接件连接为一体，四球连体砌块质量较大，岸线生境面稳定，铺装面的空隙率约31%，如图3.2（b）所示。

图3.2 实验模型多孔混凝土预制砌块组合方式（单位：mm）

（a）预制球砌块；（b）预制四球连体砌块；（c）预制具孔矩形砌块

3.2.1.4 4号河

采用标号为C15的普通混凝土进行“三面光”护砌，并以防水砂浆抹面，护砌厚度为100mm，能有效隔离水土界面的物质、能量和信息交换通道，以作为前3条多孔混凝土岸线生境修复河渠的实验对照。

3.2.2 多孔混凝土岸线生境植被

实验模型完成多孔混凝土预制砌块及“三面光”河道的铺砌后，抽取黄浦江原水连续通水换水10次，以充分稀释多孔混凝土的碱性。然后挖取附近地表层20cm的种植土壤填充至生态护砌面的空隙及预留空洞，以创建生境基质并诱导植物生根、发芽、生长，覆土的厚度应高于球顶或护坡平面2～5cm，并充分捣实。覆土结束后，自然沉降20d左右，雨水的浇灌以及河道的持续通水使土壤颗粒渗透至多孔混凝土砌块之间的空隙，另外，种植土壤一般呈弱酸性，可有效中和多孔混凝土的释碱，使之更有利于植物的生长。

多孔混凝土覆土结束后，进行岸线植被植生。植物的选择以黄浦江当地品种为主，为增加实验河道微型生态系统容量和生物物种多样性，生态坡面选择4～6种植物混合栽植，并结合黄浦江原水厂的景观绿化要求，选择狗牙根［Cynodon dactylon（Linn.）Pers.］、美人蕉（Canna indica L.）、香蒲（Typha orientalis Presl）、苦草［Vallisneria natans（Lour.）Hara］等植物分区种植，冬季时美人蕉等枯萎收割后，补种黑麦草（Lolium perenne L.）、水芹［Oenanthe javanica（Blume）DC］等，河道生态坡面植物带从上而下可依次划分为陆生的草本植物带、挺水植物带和沉水植物带，实现了岸坡由水生生态向陆生生态的自然过渡。为模拟天然河水流动模式和减少水流阻力，实验沟渠底部不栽植植物。在植物的选择过程中，除了美人蕉为球状根系外，其他植物均为根系发达的须根系，根系遍及生境基层，增加了岸线多孔混凝土护砌面的稳定性，并为富集微生物提供了基质条件。

草本植被狗牙根采用液压喷播的方式种植，将狗牙根种子、保水剂、黏合剂、草木纤维以及复合肥等与水按一定比例混合成喷浆，用液力喷播机喷播至多孔混凝土岸线生境坡面，草本植被的播种范围为生态面上部水位以上0.5m的区域。挺水植物（如美人蕉、香蒲）采用幼苗移栽的方式栽植，紧邻草本植被的下缘栽植，其中美人蕉栽于上部、香蒲栽于下部，植株幼苗移栽时选取根系完整、植物粗壮的幼苗，并截取植株的上部枝叶，保留33cm左右的青苗长度，以减少植物的蒸腾作用，植株间距30cm，栽植密度为6～9株/m²。沉水植物选择苦草，苦草广泛生长于黄浦江岸边的水田里，易于成活。实验模型中的沉水植物幼苗栽植于坡面下部0.3m，栽植间距20cm。

植被植生于7月底结束，8—10月为养护期，此时正值夏季，气温较高，河道生态坡面的温度高于附近的地表温度，对植物生长造成一定的影响。养护期结束后，1号河、3号河草本植被基本覆盖多孔混凝土岸线护砌面的上部，且植物生长旺盛，植物高度为30～50cm；2号河生态护砌面为平面构型，护砌面空隙率低，岸线持水能力较弱，多孔混凝土生境面上部约80%被草本植物覆盖，但狗牙根的植株高度小于1号河、3号河，株高仅为10～30cm。1号河生态护砌面的空隙率为47%，挺水植物美人蕉、菖蒲成活率达90%以上；3号河挺水植物成活率为75%左右；2号河由于生态坡面空隙率较小，持水能力弱，挺水植物成活率仅50%左右。由此可见，生态坡面的空隙率对植物生长的影响较大，因此，在选择河流的生态护砌方式时，要根据河流的水动力特征，尽可能扩大生态护砌面的空隙率。苦草等沉水植物由于处于水面以下，养护期间，水流推进器运行时，水流冲刷生态护砌面覆土的土壤颗粒，河水浊度较大，透光率弱，成活率仅40%左右，而且植株生长较为缓慢。图3.3所示为多孔混凝土护砌河道实验模型的实景图（植被生长的不同阶段）。

图3.3 河道生态护砌实验模型实景图

（a）、（b）、（c）植物生长不同阶段的多孔混凝土护砌河道；（d）“三面光”河道

生态护砌实验河道的多孔混凝土护砌面没有遭到强大水流冲刷和波浪的侵蚀，各种预制砌块的覆土保持能力较好，美人蕉、菖蒲、狗牙根均能较好地适用生态坡面的生境。但由于实验河道护砌面坡度较大，坡面的持水能力较弱，2号河因多孔混凝土预制具孔矩形砌块护砌面的空隙率低于预制球和四球连体砌块护砌面的空隙率，因而坡面上部的植物因缺少水分生长状况稍差，生态坡面经3个月的养护后，至10月下旬水质实验启动时，美人蕉、香蒲植株高1.0～1.5m，狗牙根高0.3～0.5m，1号河生态坡面基本被植被完全覆盖，2号河植被覆盖率为50%左右，3号河植物覆盖率为75%左右。