邊坡生態(tài)工程技術(shù)現(xiàn)狀綜述及展望

李曉飛

(中國(guó)東方電氣集團(tuán)中央研究院系統(tǒng)集成研究所 成都 611731)

范貴隆

(武警水電第二總隊(duì)八支隊(duì) 廈門 361009)

1 引言

邊坡生態(tài)工程(Slope Eco-Engineering，簡(jiǎn)稱 SEE)或邊坡生物工程(Slope Bio-Engineer)是指利用植被的特性進(jìn)行邊坡防護(hù)和控制土壤侵蝕的路徑和方法［1］。從20世紀(jì)三四十年代開(kāi)始，德國(guó)、法國(guó)等西歐國(guó)家逐步開(kāi)展了邊坡生態(tài)工程技術(shù)的研究工作，到20世紀(jì)60年代的中后期，鋪草皮、噴播、植物網(wǎng)格等邊坡生態(tài)工程技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用，在穩(wěn)定邊坡、防止坡面水土流失的同時(shí)，還起到恢復(fù)植被，改善生態(tài)環(huán)境的作用。

隨著人們對(duì)于植被與侵蝕之間相關(guān)性研究的深入以及不同類型植被對(duì)邊坡防護(hù)作用理論研究的增強(qiáng)，邊坡生態(tài)工程越發(fā)凸顯防治水土流失和穩(wěn)定邊坡的優(yōu)越性，漸漸成為邊坡治理的一個(gè)重要手段。本文從基本原理和邊坡結(jié)構(gòu)形式的角度，分析了幾種廣泛使用的生態(tài)工程技術(shù)，探討了其間存在的主要差異，并提出了進(jìn)一步研究發(fā)展的方向。

2 邊坡生態(tài)防護(hù)的原理

2.1 降雨截留

降雨截留是利用植冠所特有的攔截降水和貯存雨水的功能，通過(guò)植物葉面的附著力和表面張力截留水分，當(dāng)水滴的重力超過(guò)葉面與水的附著力，便穿過(guò)枝葉間隙和枝干落至地面。截留伴隨著降雨整個(gè)過(guò)程。降雨停止時(shí)，植冠儲(chǔ)存的水分，大部分重新蒸發(fā)到大氣中，減少坡面有效降雨量。因此，降雨截留是水文循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。此外，地面枯枝落葉層的強(qiáng)吸水性，也為減少坡面徑流的形成、緩解坡面不穩(wěn)定發(fā)揮重要的作用。

2.2 削弱雨滴濺蝕

雨滴濺蝕是降落雨滴打擊土面所造成的分散土粒擊濺躍移的方式［2］。它是土壤侵蝕的主要過(guò)程之一，是降雨侵蝕性和土壤可蝕性相互作用的結(jié)果。降雨雨滴打擊地面，引起土粒分離，濺起并沿坡面向下遷徙，形成松散沉積物，加速地表徑流的形成和流動(dòng)，導(dǎo)致地表徑流紊動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，挾帶含沙量增加，增大了邊坡的失穩(wěn)概率。

植被的植冠和地面的枯枝落葉層在防治雨滴濺蝕的過(guò)程中具有非常重要的作用。高遮蔽度的植冠能夠大范圍地截留高速下落的雨滴，減少雨滴滴落地面的數(shù)量、速度與能量，防止雨滴滴濺土粒，控制土壤的可侵蝕強(qiáng)度?？葜β淙~層達(dá)到一定厚度時(shí)，可以有效地降低雨滴降落地面時(shí)的沖擊力，從根本上消除雨滴濺蝕作用。

土壤的可侵蝕性指根據(jù)土壤的黏性、有機(jī)質(zhì)含量以及其他膠結(jié)物質(zhì)所組成的土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)由黏土組成的土壤團(tuán)粒具有良好的抗沖擊強(qiáng)度，具有分散雨滴濺蝕能量的作用。因此，富含黏粒的土壤一般易于膠結(jié)，形成高強(qiáng)度大體積的團(tuán)粒。邊坡植被的根系不但能夠增加地表水的滲透能力，而且根系分泌的膠黏物質(zhì)和腐殖質(zhì)具有改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤粘黏度，提高土壤的抗侵蝕能力的作用。

2.3 土壤濕度調(diào)節(jié)

土壤濕度即土壤含水量，是表示一定深度土層的土壤干濕程度的物理量。根據(jù)Coulomb公式對(duì)物質(zhì)強(qiáng)度的論證，坡面土壤的水壓力與邊坡的穩(wěn)定性成正相關(guān)性。土壤水分通過(guò)植被的吸收和蒸騰作用，降低土壤的孔隙水壓(未飽和狀態(tài))，減少坡面土體的自重，提高土體的抗剪強(qiáng)度，改善坡體應(yīng)力狀態(tài)，為邊坡的穩(wěn)定創(chuàng)造條件。此外，低含水率的土壤，提高了降雨的入滲率，使土壤水分在分布過(guò)程中濕潤(rùn)鋒面與坡面垂直，減弱土壤水分沿坡面向下移動(dòng)的趨向。

2.4 根系的力學(xué)效應(yīng)

植被的根系具有提高土壤承受風(fēng)力、水力、重力、凍融等外營(yíng)力破壞的抗侵蝕能力。包括深根的錨固和淺根的加筋兩個(gè)方面。

垂直分布的植物根系，穿過(guò)坡面土壤表層，錨固到深處的穩(wěn)定層，與巖體相互作用，形成三維錨桿作用。同時(shí)，通過(guò)植物的根系拱頂和斜向支撐作用，來(lái)穩(wěn)定上坡一側(cè)的土壤。

植物根系(直徑不大于1mm)在土壤中成網(wǎng)狀分布，產(chǎn)生根網(wǎng)效應(yīng)，形成三維加筋材料，從而提高土體抵抗外營(yíng)力侵蝕的能力。蔣定生［3，4］等在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)根徑小于1mm的根系在土體中的分布密度與土壤的抗沖性的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，土壤的抗沖性與根系的分布密度呈指數(shù)關(guān)系。其表達(dá)式為:

式中 S0為土壤抗沖性;x為小于1mm的根系分布密度;r=0.791。

3 邊坡生態(tài)工程技術(shù)的應(yīng)用類型

3.1 鋪草皮技術(shù)

鋪草皮技術(shù)是一種比較傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)措施，是將甲地生長(zhǎng)的優(yōu)良健康的草坪按照一定的規(guī)格大小鏟起，運(yùn)至平整后的邊坡，坡度一般為0.2% ～0.5%，按照一定的大小規(guī)格，逐塊鋪滿整個(gè)栽植地，使之迅速形成新草坪。這種方法具有成坪塊，鋪植簡(jiǎn)便，施工期短，見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是:?成本比較高，工程量較大;?新割的草皮卷根系損傷較大，將經(jīng)歷一段萎蔫期，此期間需要大量的灌溉用水，否則由于土壤根系水分的缺失，植被會(huì)很快枯萎;?由于組成草皮的草種多為外源性草種，根系極短，根須很細(xì)，因此，在邊坡土壤密度較大的情況下，很難扎根并形成自帶泥土的假象存活;?由于邊坡的結(jié)構(gòu)影響，后期的澆灌、人工修剪、病蟲害防治養(yǎng)護(hù)費(fèi)用很高，管理難度大。

3.2 液壓噴播技術(shù)

液壓噴播技術(shù)也稱液力噴播，是一種將植物種子或植物體的一部分經(jīng)過(guò)科學(xué)催芽后，混入水中，并配以一定比例的專用配料(包括:黏著劑、保水劑、纖維覆蓋物、肥料等)，通過(guò)噴播設(shè)備的攪拌，利用高壓泵體的作用，噴播到坡面，從而形成均勻的基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)植生層，使多余的水分滲入土體［5］。噴播的植物纖維和黏合劑形成高強(qiáng)度的半滲透保濕層，能有效地減少水分蒸發(fā)，為植物種子發(fā)芽提供必要的濕度、保溫和養(yǎng)分條件。同時(shí)，纖維膠體和土體黏合，能降低土壤侵蝕，防止植生層流失，具有良好的固土保苗作用。

在植物篩選上，要遵循適地適樹的原則。盡量選用根系發(fā)達(dá)、擴(kuò)張性強(qiáng)、耐貧瘠、抗旱的植被。同時(shí)，采用深根與淺根性、豆科與其他科、發(fā)芽早與晚的植被以及喬灌花草相結(jié)合的方法配置植物。這樣，不僅豐富了群落的生物多樣性，還增強(qiáng)了抵御外界環(huán)境變化的能力［6］。

液壓噴播技術(shù)是一種人工模擬自然演替過(guò)程的綠化手段，具有以下特點(diǎn):?適應(yīng)性廣，不受地帶和地域性限制;?機(jī)械化程度高，可大面積快速噴植，一臺(tái)液壓噴播機(jī)可日噴草8000～10000m2;?綠化效果好。由于噴播所形成的覆蓋層，配有一定比例和數(shù)量的黏合劑、保水劑、營(yíng)養(yǎng)物等配料，能有效防止雨水沖刷，避免種子流失，為植被的生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的人工環(huán)境;?縮短了建植養(yǎng)護(hù)時(shí)間和成本。噴播后采用粗放的管理養(yǎng)護(hù)方法，節(jié)約了大量的人力物力。但由于該技術(shù)對(duì)坡面土體的深度和坡度有一定的要求，制約了該工藝在邊坡類型中的應(yīng)用。

3.3 三維網(wǎng)植草技術(shù)

三維植被網(wǎng)多以聚乙烯、聚丙烯原料為主，采用科學(xué)配方，經(jīng)規(guī)律的刺孔、加熱、拉伸等工序制成高聚合物薄模。它的底層高模量基礎(chǔ)層(雙向拉伸平面網(wǎng))，其強(qiáng)度較高，表層為多層塑料的凹凸網(wǎng)包結(jié)構(gòu)，表層與底層在接點(diǎn)處相互熔合形成穩(wěn)定的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［7］。三維植被網(wǎng)蓬松的網(wǎng)包留有90%的空間用于填充土壤，種植的草籽幫助固土，在植被未形成前能有效防止水土流失，提高植被根系抵抗外界氣候條件的能力。同時(shí)，還能促進(jìn)植物在坡面整齊、均勻的生長(zhǎng)。植被一旦恢復(fù)后，植被的根系與三維網(wǎng)形成立體的嵌鎖結(jié)構(gòu)，與邊坡土壤更好地結(jié)合，從而達(dá)到理想的植被防護(hù)效果，有效地穩(wěn)定邊坡。三維網(wǎng)植草技術(shù)適用于土質(zhì)邊坡且坡度需大于1∶1。

三維網(wǎng)植草技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):?由于網(wǎng)包的作用，能降低雨滴的沖擊能量。植被網(wǎng)表面凹凸不平，起到緩沖消能作用，降低水流和風(fēng)速，從而有效地抵御風(fēng)雨侵蝕;?固土作用十分明顯。網(wǎng)包中的填充物(土壤顆粒、肥料及植物種子等)能被很好地固定、減少雨水沖刷帶來(lái)的流失;?工程造價(jià)大幅度降低，造價(jià)僅為混凝土護(hù)坡和干砌石護(hù)坡的1/7，漿砌塊石護(hù)坡的1/8，而且見(jiàn)效快。既美化了景觀，又降低了養(yǎng)護(hù)費(fèi);?三維網(wǎng)采用高分子材料及UV抗紫外線穩(wěn)定劑，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染。

3.4 客土噴播技術(shù)

客土噴播技術(shù)是以團(tuán)粒劑使植物種子、水、泥炭土、土壤穩(wěn)定劑、纖維覆蓋物及肥料等按比例均勻混合形成客土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，利用客土噴射系統(tǒng)，將其噴播于待播坡面，形成一定厚度的多孔穩(wěn)定土壤層，該結(jié)構(gòu)具有抵御雨水和風(fēng)的侵蝕、牢固透氣、模擬自然淺層土環(huán)境等特點(diǎn)，有利于植被的生長(zhǎng)，可改善邊坡生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。該技術(shù)應(yīng)用于裸露的巖質(zhì)坡面和坡度大于1∶0.75的坡面。

該技術(shù)具有以下特點(diǎn):?植物選擇的多樣性，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝蛶r質(zhì)邊坡的條件，選擇合適的鄉(xiāng)土植物，從而形成良性的生態(tài)植被系統(tǒng)，喬、灌、藤、花、草的有機(jī)結(jié)合，使邊坡植被系統(tǒng)不易退化，有利于生態(tài)系統(tǒng)的重建。將邊坡環(huán)境迅速恢復(fù)成自然狀態(tài)，可大大減輕后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;?相對(duì)于噴錨護(hù)坡及砌片石護(hù)坡，造價(jià)低，施工容易、簡(jiǎn)便，生態(tài)環(huán)保，施工時(shí)不產(chǎn)生建筑垃圾和施工噪聲，可減少對(duì)于生態(tài)環(huán)境的破壞;?噴播作業(yè)時(shí)，能針對(duì)土壤中缺乏的元素成分和養(yǎng)料精確補(bǔ)充，更有利于植被的生長(zhǎng);?在石質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)中，可以為植被生長(zhǎng)提供足夠厚度的土壤環(huán)境。該技術(shù)最大的局限性在于處理未風(fēng)化的巖質(zhì)邊坡時(shí)，客土層與巖石分離的問(wèn)題，容易形成“兩張皮”，引起客土層的脫落，影響坡面生態(tài)恢復(fù)效果。

4 結(jié)論及展望

邊坡生態(tài)工程技術(shù)不同于傳統(tǒng)的圬工結(jié)構(gòu)，是利用生態(tài)學(xué)的基本理論，將植被及其對(duì)坡面穩(wěn)定性的影響及土壤侵蝕過(guò)程結(jié)合起來(lái)，通過(guò)坡面植被的恢復(fù)，在坡面構(gòu)建一個(gè)自然演替的立體植被群落，借助系統(tǒng)自身的屬性和性能來(lái)實(shí)現(xiàn)邊坡抗侵蝕、抗滑動(dòng)和生態(tài)恢復(fù)，達(dá)到穩(wěn)定邊坡、蓄養(yǎng)水源、凈化空氣、減少生態(tài)災(zāi)害的作用。該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，在中國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的今天，邊坡生態(tài)工程技術(shù)已經(jīng)成為邊坡防護(hù)工程領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。

我國(guó)的邊坡生態(tài)防護(hù)工程技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初期，還缺乏系統(tǒng)的理論研究，基本上處于技術(shù)引進(jìn)消化的階段。為了推進(jìn)我國(guó)邊坡生態(tài)工程技術(shù)的發(fā)展，需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究:

a.加強(qiáng)鄉(xiāng)土護(hù)坡植物的選種和配比基礎(chǔ)研究。目前，邊坡防護(hù)多采用國(guó)外草種，對(duì)于鄉(xiāng)土植物的選擇和培育不夠，出現(xiàn)植被適應(yīng)力差、生長(zhǎng)緩慢等現(xiàn)象，還可能會(huì)引發(fā)次生生態(tài)問(wèn)題。所以，應(yīng)該進(jìn)一步研發(fā)新型的植物品種，以適應(yīng)不同區(qū)域地質(zhì)和氣候條件。此外，對(duì)于各類草籽在單位面積撒播量的配比問(wèn)題，也有待進(jìn)一步的研究。由于在植被恢復(fù)的初期，草本植物對(duì)邊坡的適應(yīng)性往往優(yōu)于灌木，因此采用單一或混合草種的情況多于采用草灌結(jié)合的情況，其結(jié)果往往是前期效果不錯(cuò)，但植被系統(tǒng)相當(dāng)脆弱，容易遭到破壞［8］。所以，在強(qiáng)調(diào)植被護(hù)坡的生態(tài)效益和景觀功能的同時(shí)，要綜合考慮藤、草、灌、喬、花等多種植物，形成既有護(hù)坡功能，又能形成自我調(diào)節(jié)的植被生態(tài)群落。

b.致力于生態(tài)材料的研發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)大部分的邊坡生態(tài)工程都是直接引進(jìn)國(guó)外的生態(tài)材料。這樣做帶來(lái)兩個(gè)方面的不利因素:?護(hù)坡成本過(guò)高，生態(tài)工程技術(shù)廣泛推廣受到限制;?受地形、氣候、施工等條件的影響，護(hù)坡效果不佳。因此，我們需要加強(qiáng)在生態(tài)材料配比、孔隙結(jié)構(gòu)、透氣性、黏結(jié)性、保水性等方面的研究，使之更好地適應(yīng)國(guó)內(nèi)的工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境。

c.加強(qiáng)邊坡生態(tài)工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究。盡管越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注邊坡生態(tài)工程這一技術(shù)，其方法和原理也在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，但是到目前為止，它還基本上處在定性的和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展階段，對(duì)它的理論認(rèn)識(shí)還落后于它的工程概念的實(shí)踐［9，10］。因此，我國(guó)需要進(jìn)一步加強(qiáng)邊坡生態(tài)工程的基礎(chǔ)理論研究，為今后的工程建設(shè)作指導(dǎo)。

1 Coppin N.J.＆Richards I.G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，1990:292.

2 Gray D.H.Influence of Vegetation on the Stability of Slopes.Vegetation and Slopes:Stabilization，Protection and Ecology［M］.London:Thomas Telford，1995:2-25.

3 蔣定生.論晉陜蒙接壤地區(qū)土壤的抗沖性與水土保持措施體系的配置［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1995，9(1):1-7.

4 蔣定生，范興科.黃土高原水土流失嚴(yán)重區(qū)土壤抗沖性的水平和垂直變化規(guī)律研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1995，9(2):1-8.

5 Geotechnical Engineering Office(GEO).Geotechnical Manual for Slopes［S］.Second Edition.Hong Kong:Geotechnical Engineering Office，1998:301.

6 Gray D.H.Role of Woody Vegetation in Reinforcing Soils and Stabilizing Slopes［A］.Sydney，1978.253-306.

7 吳彥.植物根系提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒含量的研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997，3(1):45-49.

8 黃小軍，陳兵.高速公路生態(tài)恢復(fù)若干問(wèn)題探討［J］.公路環(huán)境保護(hù)，2003，(?？?:47-48.

9 Coppin N.J.＆Richard I.G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，Butterworths，1990:292.

10 宋林旭，汪婷，周明濤，許文年.灌木在邊坡防護(hù)中的作用［J］. 中國(guó)水土保持，2005，7:34-35.