水庫消落帶消浪植生型生態(tài)護坡技術(shù)應(yīng)用

鮑玉海，唐 強 ，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)控重點實驗室，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)定和水庫安全運行的重要保障，直接關(guān)系到庫區(qū)社會經(jīng)濟的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。同時，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坡面土壤。以保護堤岸為目標(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堤雖然在一定程度上暫時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)護坡技術(shù)，采用生物—工程措施消浪固土護坡，可以徹底解決現(xiàn)有消落帶生態(tài)護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、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)實和長遠意義，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的巖土顆粒。在庫水位周期性漲落引起的地下水水位變動、波浪的拍岸侵蝕和蓄水后巖土強度降低的共同作用下，消落帶土壤侵蝕異常強烈，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)沙將直接進入水體，直接影響水庫安全運行。另外，由于移民后靠政策的實施，消落帶周邊人口密度劇增，人類活動和經(jīng)濟活動持續(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)護坡技術(shù)的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水庫消落帶護坡技術(shù)主要有3種類型:一是單純利用植物護坡，二是單純使用工程措施進行坡面防護，三是植物、工程措施復(fù)合護坡技術(shù)?？傮w而言，目前針對水庫消落帶生態(tài)防護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)域消落帶工程防護等方面，而現(xiàn)有的研究成果難以完全滿足實際需要。

目前消落帶利用植物護坡的研究較多，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)建健康運行的庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供了一種思路[5]，但是實踐證明單純的植被護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。這些護坡工程的造價相對較高，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)進行設(shè)計施工，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體阻斷了土壤與外界的有機聯(lián)系，進而導(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，越來越多的學(xué)者認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、防護墊等柔性鋪面材料也在消落帶坡面防護上廣泛運用。但是柔性材料的防護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)制板護岸槽、自然式覆土護岸種植、嵌式護岸種植、護岸植草磚、網(wǎng)袋式覆土護岸種植等生態(tài)護坡植生技術(shù)也被大量應(yīng)用到護坡工程中，尤其是生態(tài)護坡磚更是被廣泛推廣。但是，通過長期的試驗觀測和調(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設(shè)計，易受到雨水沖刷和波浪淘蝕。

2 消浪植生型生態(tài)護坡技術(shù)原理與構(gòu)成要素

2.1 消浪植生型生態(tài)護坡技術(shù)原理

消浪植生型生態(tài)護坡是既滿足固持消落帶土壤的防護標(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)計一種自鎖定消浪植生型生態(tài)護坡構(gòu)件，鉸鏈?zhǔn)狡戒佊谙鋷旅妫谒懡唤缑嫘纬梢粋€連續(xù)的波浪緩沖帶，最大限度地降低波浪沖刷力，保護消落帶表層土壤。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)來實現(xiàn)坡面的固土性及穩(wěn)定性，從而對消落帶邊坡表層進行防護、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，實現(xiàn)生物—工程相結(jié)合的消落帶生態(tài)護坡理念。

2.2 消浪植生型生態(tài)護坡構(gòu)件

自鎖定消浪植生型生態(tài)護坡構(gòu)件是從生態(tài)護坡磚(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傾覆。消落帶自鎖定消浪植生型生態(tài)護坡構(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 實施方案

2.3.1 鋪設(shè)自鎖定消浪植生型生態(tài)護坡構(gòu)件

根據(jù)設(shè)計坡比進行邊坡基礎(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，使邊坡表面平整，符合設(shè)計邊坡要求。從坡面下邊沿開始連鎖鋪設(shè)自鎖定護坡構(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形錨釘插入護坡構(gòu)件相鄰的栽植孔內(nèi)，同時在護坡體下沿隨機插入木樁或鋼釬并稍微高出護坡體，使護坡體與坡面相錨固，并在護坡構(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[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。隨著時間的推移，其根系在坡面土體中盤根錯節(jié)，使土體強度提高;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、護坡構(gòu)件、鉸鏈?zhǔn)阶o坡體形成一個牢固而致密的生態(tài)護岸防浪系統(tǒng)。

3 消浪植生型生態(tài)護坡技術(shù)效益分析

3.1 護坡面穩(wěn)定性高

本技術(shù)采用四面自鎖結(jié)構(gòu)來實現(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)計的護坡構(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，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，有利于土壤保持和植被恢復(fù)

本技術(shù)的另外一個優(yōu)點是與傳統(tǒng)邊坡防護技術(shù)相比，突出考慮了原坡面生態(tài)環(huán)境的保護，盡可能為護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)護坡構(gòu)件設(shè)計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)防護效益。同時，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)護坡構(gòu)件采用單塊單孔設(shè)計，克服了傳統(tǒng)邊坡防護技術(shù)設(shè)計中單個構(gòu)件體積過大的缺點，利于材料運輸與工程施工。在施工應(yīng)用時無特殊要求，只需注意兩種護坡磚的正確搭配使用即可。同時，可根據(jù)水保植物措施方案，選擇不同孔徑的磚體進行組合，從而實現(xiàn)最佳的植物防護效果。另外，為加快施工進度，可以在整個工作區(qū)內(nèi)分區(qū)同時進行施工。

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，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，滲水透氣孔可以預(yù)存儲部分水分，整個構(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，滲水透氣孔及構(gòu)件塊體可以防止過多水分進入土壤，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。

4 結(jié) 語

消浪植生型生態(tài)護坡技術(shù)提供了一種消落帶自鎖定消浪植生型生態(tài)護坡構(gòu)件，可顯著強化邊坡防護面的穩(wěn)定性，能夠適合波浪侵蝕嚴(yán)重的消落帶岸坡防護，且具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強、消浪作用好以及環(huán)境友好的特點。同時，護坡構(gòu)件設(shè)計中配置的喬木、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)防護效益。由高滲水性環(huán)保材料制成的護坡構(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，工程實施后可以調(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入土壤。

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