鮑玉海，唐 強(qiáng) ，2，高銀超

(1.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

水庫消落帶是庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，消落帶生態(tài)系統(tǒng)的健康是庫岸穩(wěn)定和水庫安全運(yùn)行的重要保障，直接關(guān)系到庫區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。同時(shí)，消落帶是一種在人為干擾下的特殊生態(tài)環(huán)境，反復(fù)周期性的裸露和浸泡以及水位漲落，會使消落帶的地形、土壤和水分狀況發(fā)生一系列的變化[1]。此外，在大型水庫和湖泊中，風(fēng)浪常常引起庫(湖)岸的侵蝕和崩塌。這種變化使區(qū)內(nèi)原有的植被生態(tài)系統(tǒng)受到毀滅性的破壞，而新的植被生態(tài)系統(tǒng)又很難在短時(shí)間內(nèi)建立起來，造成生態(tài)環(huán)境極端變化，庫岸消落帶植被恢復(fù)已成為世界性難題[2]。

消浪固土是消落帶植被恢復(fù)的關(guān)鍵，而主要依靠植被來保護(hù)土壤的治理措施不能在長期淹沒或持續(xù)波浪沖刷條件下穩(wěn)定發(fā)揮作用。因此，需要借助一定的工程措施來保護(hù)坡面土壤。以保護(hù)堤岸為目標(biāo)的消浪工程技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在海洋、江河、湖泊中應(yīng)用十分廣泛，但以保護(hù)沿岸帶淺水區(qū)免受風(fēng)浪侵蝕的工程技術(shù)卻相當(dāng)貧乏?，F(xiàn)有的幾種都屬于人工剛性結(jié)構(gòu)，如塊石駁岸和混凝土護(hù)堤雖然在一定程度上暫時(shí)解決了沿岸帶侵蝕問題，但是往往成本較高、施工復(fù)雜。此外，剛性結(jié)構(gòu)還阻隔了土壤與外界環(huán)境的有機(jī)聯(lián)系，造成了沿岸帶土壤生態(tài)功能的嚴(yán)重破壞。筆者介紹一種消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，采用生物—工程措施消浪固土護(hù)坡，可以徹底解決現(xiàn)有消落帶生態(tài)護(hù)坡方式帶來的土壤流失問題，可廣泛應(yīng)用于河道邊坡防護(hù)、消落帶植被恢復(fù)等領(lǐng)域，對生態(tài)環(huán)境改善和水土保持工作具有重要的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義，具有顯著的社會和生態(tài)效益。

1 消落帶生態(tài)環(huán)境問題及生態(tài)護(hù)坡研究現(xiàn)狀

1.1 消落帶生態(tài)環(huán)境問題

水庫蓄水后，消落帶原有陸生植被會死亡，進(jìn)而根系腐爛，固結(jié)作用消失;坡地巖土長期受浸泡，重量會增加，強(qiáng)度會降低。在風(fēng)和船舶航行產(chǎn)生的波浪長期拍擊下，土質(zhì)庫岸易遭侵蝕，特別是沒有植物根系固結(jié)的土質(zhì)庫岸，松散堆積物會被分解為單個(gè)的巖土顆粒。在庫水位周期性漲落引起的地下水水位變動(dòng)、波浪的拍岸侵蝕和蓄水后巖土強(qiáng)度降低的共同作用下，消落帶土壤侵蝕異常強(qiáng)烈，侵蝕方式多樣。而消落帶又是庫區(qū)陸域與水庫水體之間的生態(tài)過渡與緩沖帶，這一區(qū)域的侵蝕產(chǎn)沙將直接進(jìn)入水體，直接影響水庫安全運(yùn)行。另外，由于移民后靠政策的實(shí)施，消落帶周邊人口密度劇增，人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)持續(xù)增長，給消落帶帶來的壓力也愈來愈大。如消落帶土地資源的開發(fā)利用、土壤侵蝕、面源污染和水環(huán)境惡化等問題日漸突顯，已經(jīng)成為三峽水庫蓄水后所面臨的嚴(yán)峻生態(tài)問題[3]。因此，開展消落帶土壤保持關(guān)鍵技術(shù)的研究，是保障流域水安全和水利水電工程安全的根本措施，極為緊迫且非常必要。

1.2 消落帶生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水庫消落帶護(hù)坡技術(shù)主要有3種類型:一是單純利用植物護(hù)坡，二是單純使用工程措施進(jìn)行坡面防護(hù)，三是植物、工程措施復(fù)合護(hù)坡技術(shù)?？傮w而言，目前針對水庫消落帶生態(tài)防護(hù)的研究多集中在適合水淹植物種類選擇、控制農(nóng)業(yè)面源污染和植被重建、城鎮(zhèn)區(qū)域消落帶工程防護(hù)等方面，而現(xiàn)有的研究成果難以完全滿足實(shí)際需要。

目前消落帶利用植物護(hù)坡的研究較多，主要集中在耐淹植物的遴選、繁殖和耐水淹機(jī)理研究以及消落帶植被恢復(fù)應(yīng)用技術(shù)體系研究等方面[4]。還有學(xué)者通過對消落帶的特征及其植被作用的研究，提出了庫區(qū)消落帶梯度生態(tài)修復(fù)概念，為構(gòu)建健康運(yùn)行的庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供了一種思路[5]，但是實(shí)踐證明單純的植被護(hù)坡的效果在消落帶并不理想[6]。在波浪沖擊的水道邊用植物護(hù)坡的方法，只能適用于浪高不大(20～40cm)且頻率不高的河道邊坡上[7]。

消落帶單純的工程治理措施多分布在城市邊緣、碼頭等，因考慮到防洪需要，消落帶的處理大部分以硬質(zhì)護(hù)坡為主，主要有漿砌或干砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土塊體、泥灰土等剛性鋪面材料。這些護(hù)坡工程的造價(jià)相對較高，且僅從滿足岸坡的穩(wěn)定性和行洪排澇功能的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，適應(yīng)性較差、容易塌方，而且一旦發(fā)生局部破壞，就容易發(fā)生連鎖式破壞。另外，單純的工程措施忽略了自然環(huán)境的再造恢復(fù)，很少考慮對環(huán)境和生態(tài)的影響，由致密材料制作的防護(hù)體阻斷了土壤與外界的有機(jī)聯(lián)系，進(jìn)而導(dǎo)致土壤生態(tài)功能的喪失，背離了治理的初衷。

隨著對消落帶生態(tài)環(huán)境問題研究的不斷加強(qiáng)，越來越多的學(xué)者認(rèn)識到必須將工程措施和生物措施相結(jié)合[3]，如利用香根草與工程綜合技術(shù)治理消落帶的水土流失、水體富營養(yǎng)化、重金屬污染、固體廢棄物污染和垃圾滲濾液污染等。另外，網(wǎng)狀織物、植被混凝土、防護(hù)墊等柔性鋪面材料也在消落帶坡面防護(hù)上廣泛運(yùn)用。但是柔性材料的防護(hù)措施不能在長期淹沒或持續(xù)流態(tài)條件下穩(wěn)定發(fā)揮作用。此外，土框架種植槽、預(yù)制板護(hù)岸槽、自然式覆土護(hù)岸種植、嵌式護(hù)岸種植、護(hù)岸植草磚、網(wǎng)袋式覆土護(hù)岸種植等生態(tài)護(hù)坡植生技術(shù)也被大量應(yīng)用到護(hù)坡工程中，尤其是生態(tài)護(hù)坡磚更是被廣泛推廣。但是，通過長期的試驗(yàn)觀測和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于沒有對生態(tài)植生磚空心部分填充的土壤做特定的防護(hù)設(shè)計(jì)，易受到雨水沖刷和波浪淘蝕。

2 消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)原理與構(gòu)成要素

2.1 消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)原理

消浪植生型生態(tài)護(hù)坡是既滿足固持消落帶土壤的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，又有利于消落帶土壤—植被—水分系統(tǒng)恢復(fù)生態(tài)平衡的系統(tǒng)工程，體現(xiàn)了人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理念。通過設(shè)計(jì)一種自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件，鉸鏈?zhǔn)狡戒佊谙鋷旅?，在水陸交界面形成一個(gè)連續(xù)的波浪緩沖帶，最大限度地降低波浪沖刷力，保護(hù)消落帶表層土壤。并在構(gòu)件植物栽植孔中種植桑樹、狗牙根、牛鞭草、李氏禾、野地瓜等水土保持植物，灌木和草本植被茂密的莖葉和根系分布在土壤表層，通過它們的水文效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)(根系錨固作用)來實(shí)現(xiàn)坡面的固土性及穩(wěn)定性，從而對消落帶邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固，使之既能滿足對邊坡表層穩(wěn)定的要求，又能恢復(fù)遭破壞的自然生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生物—工程相結(jié)合的消落帶生態(tài)護(hù)坡理念。

2.2 消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件

自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件是從生態(tài)護(hù)坡磚(魚巢磚)延伸出的一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)物，主要是依靠自嵌式磚體干壘而形成的柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)無需砂漿砼施工，僅依靠帶有凸緣的塊與塊之間嵌鎖作用和自身重量來防止滑動(dòng)傾覆。消落帶自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件由基本形狀為正方形的兩種磚體組成(圖1、圖 2)，其中一種磚體的 4個(gè)側(cè)邊上分別設(shè)置有鏈接槽，磚體中部設(shè)置有栽植孔，栽植孔呈四周向上凸起的外翻弧形面槽體，且栽植孔槽體周圍鄰接處均設(shè)置有反弧懸挑凸體。反弧懸挑凸體的截面形狀類似于等腰梯形，其上底大于下底，兩腰為弧形。磚體正面設(shè)有人字形排列的凸棱，磚體底面設(shè)有用作揳入土壤的楔形體，并且磚體上開有滲水透氣孔。另一種磚體的 4個(gè)側(cè)邊上分別設(shè)置有用于與鏈接槽(⑤)嵌接的鏈接楔合塊(⑥)，除此以外，同樣設(shè)置有栽植孔(①)、反弧懸挑凸體(②)、滲水透氣孔(③)、楔形體和凸棱(④)。

2.3 實(shí)施方案

2.3.1 鋪設(shè)自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件

根據(jù)設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行邊坡基礎(chǔ)處理，先清理場地，清除多余的雜草、樹根等，在孔洞、淤泥和凹陷處填土壓實(shí)，使邊坡表面平整，符合設(shè)計(jì)邊坡要求。從坡面下邊沿開始連鎖鋪設(shè)自鎖定護(hù)坡構(gòu)件，用鋼筋制作 U形錨釘，在下沿第一行和上沿最后一行間隔一定距離把U形錨釘插入護(hù)坡構(gòu)件相鄰的栽植孔內(nèi)，同時(shí)在護(hù)坡體下沿隨機(jī)插入木樁或鋼釬并稍微高出護(hù)坡體，使護(hù)坡體與坡面相錨固，并在護(hù)坡構(gòu)件空隙和開孔內(nèi)填滿土壤。

圖3 自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件鋪設(shè)效果示意圖

2.3.2 布設(shè)植物措施

根據(jù)護(hù)坡構(gòu)件栽植孔的不同大小，分別選擇喬灌木和草本植物，采用無性繁殖或有性繁殖后直接種植或移植到工程區(qū)。喬灌木樹種選擇耐淹耐旱的桑樹、柳樹等，草本植物主要為狗牙根、牛鞭草、李氏禾等，這些喬灌木和草本植物均在三峽水庫消落帶通過了篩選試驗(yàn)[8]。種苗質(zhì)量直接影響桑樹和柳樹的成活率與長勢，因此要選用優(yōu)質(zhì)種苗。

2.3.3 消浪固土護(hù)岸系統(tǒng)的形成

栽植的灌木和草本植物經(jīng)過一段生長，根系不斷發(fā)育，形成分布于不同深度的根系層。隨著時(shí)間的推移，其根系在坡面土體中盤根錯(cuò)節(jié)，使土體強(qiáng)度提高;地上部分簇生成叢，形成致密的綠籬帶。通過植物體的根系、莖干，使土體、護(hù)坡構(gòu)件、鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡體形成一個(gè)牢固而致密的生態(tài)護(hù)岸防浪系統(tǒng)。

3 消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)效益分析

3.1 護(hù)坡面穩(wěn)定性高

本技術(shù)采用四面自鎖結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單體構(gòu)件之間的連接，環(huán)環(huán)相扣，其穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的雙面鍵槽結(jié)構(gòu)。而且構(gòu)件與構(gòu)件之間通過相互楔合固定位置而非砂漿襯砌，塊體間允許有一定的位移和變形，因此該系統(tǒng)對坡面小規(guī)模變形具有高度的適應(yīng)性。此外，在護(hù)坡面鋪設(shè)中，構(gòu)件背面均勻分布的小楔形凸體可以揳入土壤之中，從而使構(gòu)件更牢固地固定在坡面上。

3.2 消浪固土效果好

本技術(shù)設(shè)計(jì)的護(hù)坡構(gòu)件栽植孔四側(cè)分布懸挑凸體，凸體內(nèi)(臨栽植孔)外(臨水側(cè))側(cè)面的反弧形設(shè)計(jì)，一方面高效抵消了外側(cè)的波浪能量，另一方面有利于構(gòu)件栽植孔內(nèi)的土壤保持，為水保植物的生長提供穩(wěn)定的土壤環(huán)境。分布于構(gòu)件塊體正面均勻排列的人字形凸棱，大大增加了整個(gè)塊體的粗糙度，可以從不同角度擊碎波浪，極大地消耗了波浪的能量。

3.3 生態(tài)功能強(qiáng)，有利于土壤保持和植被恢復(fù)

本技術(shù)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)相比，突出考慮了原坡面生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡可能為護(hù)坡面上栽植的水保植物提供良好的生存條件。消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件設(shè)計(jì)充分考慮了栽植植物的特性，可有幾種不同孔徑的栽植孔，分別為栽植喬木、灌木及草本植物使用，從而增加了植物措施生態(tài)系統(tǒng)的層次及穩(wěn)定性，利于發(fā)揮更大的生態(tài)防護(hù)效益。同時(shí)，構(gòu)件由高滲水性的粉煤灰、礦渣、煤渣等環(huán)保材料制成，再加上栽植孔四周均勻分布的8個(gè)滲水透氣孔，形成高開孔率滲水型的鋪面結(jié)構(gòu)，可以最大限度地碎波和提高排水能力。

3.4 施工快速、便捷

消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件采用單塊單孔設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)中單個(gè)構(gòu)件體積過大的缺點(diǎn)，利于材料運(yùn)輸與工程施工。在施工應(yīng)用時(shí)無特殊要求，只需注意兩種護(hù)坡磚的正確搭配使用即可。同時(shí)，可根據(jù)水保植物措施方案，選擇不同孔徑的磚體進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)最佳的植物防護(hù)效果。另外，為加快施工進(jìn)度，可以在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)分區(qū)同時(shí)進(jìn)行施工。

3.5 可有效避免生態(tài)破壞

構(gòu)件開孔部分一方面起到滲水、排水的作用，使得整個(gè)構(gòu)件具有良好的通透性，從而保證了原坡面土壤與外界正常的物質(zhì)能量交換，維護(hù)了原土壤的生態(tài)環(huán)境與正常生態(tài)功能的發(fā)揮，另一方面起到增加植被面積、美化環(huán)境的作用。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以作為原坡面土壤水分的“調(diào)節(jié)器”，當(dāng)旱季來臨時(shí)，滲水透氣孔可以預(yù)存儲部分水分，整個(gè)構(gòu)件塊體可以有效防止原土壤水分的蒸發(fā)散失;當(dāng)雨季來臨時(shí)，滲水透氣孔及構(gòu)件塊體可以防止過多水分進(jìn)入土壤，從而有效防止因土壤水分過多所造成的原坡面崩滑等危險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)提供了一種消落帶自鎖定消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件，可顯著強(qiáng)化邊坡防護(hù)面的穩(wěn)定性，能夠適合波浪侵蝕嚴(yán)重的消落帶岸坡防護(hù)，且具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、消浪作用好以及環(huán)境友好的特點(diǎn)。同時(shí)，護(hù)坡構(gòu)件設(shè)計(jì)中配置的喬木、灌木及草本植物使用的栽植孔，利于增加植物生態(tài)系統(tǒng)的層次及穩(wěn)定性，發(fā)揮最大的生態(tài)防護(hù)效益。由高滲水性環(huán)保材料制成的護(hù)坡構(gòu)件，形成高開孔率滲水型的鋪面結(jié)構(gòu)，具有良好的通透性，保證原坡面土壤與外界正常的物質(zhì)能量交換。同時(shí)，工程實(shí)施后可以調(diào)節(jié)坡面土壤水分，旱季可有效防止土壤水分蒸發(fā)散失，雨季滲水透氣孔及構(gòu)件塊體可有效排水防止過多水分進(jìn)入土壤。

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