曼大公路仙米自然保護區(qū)標(biāo)段取土場邊坡生態(tài)修復(fù)措施

李 虎

(中鐵十六局集團第一工程有限公司, 北京 101300)

中國公路建設(shè)的主戰(zhàn)場已經(jīng)西移，青藏高原及云貴高原是目前公路建設(shè)的熱點地區(qū)，一些公路甚至穿越了高原自然保護區(qū)。在高原自然保護區(qū)修建公路時，為了獲取路基填料，線路沿線須設(shè)置若干取土場。取土場開挖后，形成陡峭邊坡，坡面植被完全剝離，易發(fā)生滑坡和嚴重水土流失等災(zāi)害，對自然保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅[1]。由于高原地區(qū)生態(tài)脆弱，年積溫低，植物生長周期較短，生產(chǎn)力低，新開挖的取土場邊坡自然修復(fù)緩慢，潛在地質(zhì)災(zāi)害威脅大，需要盡快進行人工干預(yù)以加快生態(tài)修復(fù)的進程。目前，關(guān)于高原自然保護區(qū)的生態(tài)修復(fù)工程的報道較少。印建文[2]對青藏鐵路唐南段邊坡進行鋪設(shè)草皮試驗研究，取得了草皮成活率95%以上的效果。孫宏義等[3]在陜北高原地區(qū)的榆林—靖邊高速公路邊坡開展了生態(tài)修復(fù)工程試驗，運用液壓噴播生態(tài)護坡技術(shù)顯著提高了邊坡抗風(fēng)蝕能力(達到95%以上)，也提高了邊坡保水和抗水蝕性能。徐華等[4]在川西高寒高海拔地區(qū)鷓鴣山隧道巖質(zhì)邊坡開展了JYC生態(tài)基材噴射試驗，結(jié)果表明生態(tài)基材具有良好的保水、保肥、耐旱抗凍及抗沖刷能力，能滿足植物生長要求，護坡效果較好。上述研究主要關(guān)注的是某一種生態(tài)修復(fù)技術(shù)在高原道路邊坡的應(yīng)用，還沒有研究報道青藏高原自然保護區(qū)取土場邊坡系統(tǒng)修復(fù)的實踐。本文以穿越仙米國家森林公園自然保護區(qū)的國道569曼德拉至大通高速公路(簡稱曼大公路)NK-SG4標(biāo)段4#取土場為例，系統(tǒng)介紹青藏高原仙米自然保護區(qū)受損生境生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)措施，為青藏高原自然保護區(qū)的鐵路、高速公路邊坡生態(tài)修復(fù)提供借鑒。

1 4#取土場氣候特點及地質(zhì)概況

1.1 氣候特點

4#取土場所在地海北自治州門源縣位于祁連山系東端，隸屬于青藏高原地區(qū)，屬高原大陸性氣候，具有典型的日照時間長、太陽輻射強、溫差變化大以及春季多雪多風(fēng)，夏季涼爽多雨，秋季溫和暫短，冬季寒冷漫長等高原寒溫濕潤性氣候特征。氣溫日較差11.6～17.5 ℃，年平均氣溫0.8 ℃，無絕對無霜期，降雪期一般為10月至第二年4月，凍土深度為183 cm。全年日照時數(shù)在2 440～3 140 h。年降水量300～500 mm，主要集中在7，8月，具有明顯的雨熱同季特點。

1.2 取土場地質(zhì)、土壤、植被概況

4#取土場如圖1所示，位于曼大公路NK-SG4標(biāo)段K64+500左側(cè)150 m，該地區(qū)山地面積占83.1%，盆地面積16.9%，海拔高度在3 200 m以上。土壤主要為高原草甸土，質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土。取土場左側(cè)為無植被土覆蓋的低矮土質(zhì)邊坡，右側(cè)為高陡土質(zhì)邊坡，邊坡高度達20 m，經(jīng)機械開挖后的取土場邊坡坡率為1∶0.5，且表層植被土被完全破壞。公路沿線土壤含氮、鉀和有機質(zhì)豐富，但缺磷較嚴重(也缺鐵和鈣)，pH稍偏堿性(表1)。取土場沿線的植被類型主要為高寒草甸，取土場周圍天然草地主要以禾本科牧草和莎草科牧草為主，如冷地早熟禾(Elymusdahuricus)、披堿草(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)、針茅(StipacapillataLinn)、蒿草(Kobresia)、黑褐苔草(Carexalrofusca)等關(guān)鍵物種，其次分布有金蓮花(TrolliuschinensisBunge)、乳白香青(Anaphalislactea)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)等雜草。

圖1 曼大公路NK-SG4標(biāo)段4#取土場

土壤pH值有機質(zhì)/(g·kg-1)速效氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)質(zhì)地取土場8.2124.44.3513.2244粉砂質(zhì)黏壤

2 取土場生態(tài)修復(fù)的政策要求

青藏高原祁連山自然保護區(qū)是西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和中國生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域，其生態(tài)保護與修復(fù)一直是國家和當(dāng)?shù)卣P(guān)注的焦點[5]。針對祁連山自然保護區(qū)的生態(tài)修復(fù)，國家與地方政府出臺了一系列規(guī)章制度，如《甘肅省加快轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)國家生態(tài)安全屏障綜合試驗區(qū)總體方案》及《祁連山生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理項目規(guī)劃》等，這些規(guī)章制度對祁連山自然保護區(qū)的生態(tài)保護、草原和生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)修復(fù)、工程建設(shè)方面提出了嚴格的要求。尤其是對祁連山自然保護區(qū)內(nèi)的礦山探采、水電站及旅游等項目的審批嚴格把控，對在建及正在使用的工程設(shè)施應(yīng)建立嚴格的生態(tài)保護標(biāo)準(zhǔn)，確保其對環(huán)境造成的污染符合國家要求。遵照這些文件的精神，我們認為處在仙米國家森林自然保護區(qū)的取土場，在停止取土后，必須馬上進行生態(tài)修復(fù)，盡量避免發(fā)生嚴重水土流失。

3 取土場生態(tài)修復(fù)技術(shù)要點

為嚴格遵守相關(guān)生態(tài)環(huán)境保護政策，仙米自然保護路段建設(shè)需要嚴格控制施工開挖創(chuàng)面的水土保持，做好生態(tài)修復(fù)工作。作為大面積裸露的取土場，尤其要盡快恢復(fù)植被覆蓋，修復(fù)邊坡生態(tài)系統(tǒng)。邊坡生態(tài)修復(fù)是借助工程技術(shù)手段，在保證邊坡穩(wěn)定和不發(fā)生嚴重水土流失的前提下，改變邊坡生態(tài)系統(tǒng)的演替方向和速度，通過快速在坡面建立先鋒植物群落，達到逐漸恢復(fù)自然環(huán)境的目的。它是一種集恢復(fù)生態(tài)學(xué)、土力學(xué)、土木工程施工技術(shù)及植物學(xué)等多學(xué)科交叉的綜合工程技術(shù)[6-7]。邊坡的穩(wěn)定是坡面生態(tài)恢復(fù)的前提，只有邊坡不發(fā)生失穩(wěn)破壞，生態(tài)修復(fù)才能順利實施[8]。同時，早期裸露取土場邊坡容易發(fā)生水土流失，后期如果植被生長不良，也會發(fā)生不同程度的水土流失。水土流失不僅影響取土場邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的運用，對整個取土場生態(tài)修復(fù)過程也有重要影響，直接關(guān)系到可持續(xù)生態(tài)修復(fù)的實現(xiàn)。因此減少邊坡的水土流失是生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 取土場穩(wěn)定

為保證取土場開挖邊坡的穩(wěn)定性，按實際地形采取三面削坡，每8 m高留一開挖平臺，平臺寬2 m，坡比為1∶0.75，開挖至取土場邊緣。需進行放坡時，從上至下分層刷坡，刷坡深度大于設(shè)計的0.5 m，盡快用0.5 m的改良土對整個邊坡進行覆蓋，最后對削坡后取土場進行穩(wěn)定性分析，保證邊坡的穩(wěn)定性良好。同時，在邊坡布置排水溝及急流槽等措施，減少雨水對邊坡的侵蝕，進一步保證邊坡的穩(wěn)定。

3.2 水土保持措施

3.2.1 坡頂截水溝 取土場邊坡的邊坡上游匯水面積較大，為減少坡面上游順流而下的雨水，應(yīng)在坡頂設(shè)置截排水溝。截水溝應(yīng)設(shè)置于挖方邊坡坡口以外5 m的位置，截水溝兩邊設(shè)置為向內(nèi)側(cè)傾斜2%的反坡，反坡周圍鋪上10 cm的改良土，然后在改良土上鋪草皮。草皮主要來源于施工初期路基上剝離的天然草皮。根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范(JTG/TD33-2012)》中的截水溝的水力計算公式得到梯形斷面底寬40 cm，高為40 cm滿足要求。

3.2.2 平臺排水溝 平臺上設(shè)置向內(nèi)側(cè)傾斜2%的反坡，反坡周圍鋪上10 cm的改良土，然后在改良土上鋪草皮，最后在平臺與上級邊坡連接處設(shè)排水溝。根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范(JTG/TD33-2012)》中的排水溝的水力計算公式得到矩形斷面底寬為30 cm，深為30 cm滿足要求。

3.2.3 設(shè)置急流槽 坡頂及平臺排水溝距坡底較高，雨水從排水溝自然落下時流速較大，容易侵蝕坡底土壤，造成邊坡的破壞。為了使雨水能順利的排到邊坡外，應(yīng)在取土場的兩側(cè)設(shè)置急流槽。急流槽上方與排水溝自然銜接，轉(zhuǎn)角處應(yīng)設(shè)置成圓弧形，防止雨水因流速過大而脫離急流槽，急流槽底部應(yīng)設(shè)置消力池，使雨水消耗部分動能，降低雨水流速。急流槽末端與地面排水溝連接，將雨水引入附近河流中。根據(jù)《公路排水設(shè)計手冊》中急流槽水力計算公式得到急流槽陡坡寬度為0.60 m，起點斷水深度為0.60 m，槽身正常水深為0.40 m及消能池高度設(shè)計為1.0 m，消力池長度為2.9 m滿足要求。

3.3 取土場生態(tài)修復(fù)技術(shù)

3.3.1 生態(tài)修復(fù)工法選擇 4#取土場表層土壤被完全破壞，生態(tài)修復(fù)時應(yīng)該在坡面覆蓋種植土。對于緩坡且坡頂有道路的情況，覆蓋種植土的操作通常由施工機械直接從坡頂向下傾倒，然后人工整平；隨后在坡面播種。該方法即為“客土綠化法”。取土場左側(cè)低矮邊坡坡率較小，宜采用該法。右側(cè)高陡邊坡坡率較大，可考慮采用“客土噴播技術(shù)”，即先在坡面鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)，再利用噴播機械將基質(zhì)噴射到坡面上。

(1) 客土綠化法。在覆土前對取土場坡面上進行清理，保證坡面無浮石和污染物后，將表層土均勻的覆蓋在取土場表面，覆土厚度為28 cm。對坡面進行平整，使覆土厚度保持一致，然后在表層土上均勻的撒上植物種子，接著將2 cm后表層土覆蓋于種子層上，并適當(dāng)壓實，最后在取土場表面覆蓋綠色防塵網(wǎng)和無紡布，在種子出苗前應(yīng)多次補充水分，保持坪床濕潤。當(dāng)種子全部出苗且達到一定的覆蓋度時，揭去無紡布，使植物自然生長。

(2) 客土噴播技術(shù)。清除取土場坡面的浮石浮根，使取土場坡面基本保持平整，對坡面凹陷處應(yīng)及時用種植土進行填補，對坡面較光滑處做粗糙處理，使基質(zhì)能穩(wěn)定的附著在取土場坡面。然后在取土場坡面自上而下分段鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)，鍍鋅鐵絲網(wǎng)在坡頂延伸50 cm埋入坡頂平臺中，并依次埋入下級平臺中，網(wǎng)片與網(wǎng)片之間的應(yīng)進行搭接，搭接長度不應(yīng)小于10 cm以上，并用扎絲間隔30 cm綁扎連接成整體。坡頂與鍍鋅鐵絲網(wǎng)搭接處用6 mm的U形鋼釘按50 cm等間距布置，取土場坡面其他位置按100 cm×100 cm的間距依次設(shè)置錨釘，使鍍鋅鐵絲網(wǎng)與坡面距離4～6 cm。將植物種子、改良土、有效肥、保水劑、黏合劑和水等充分攪拌，分兩次進行噴射到取土場邊坡上。首先噴射厚度為10 cm的基層(不含植物種子)，然后間隔一段時間后噴射2 cm厚含種子的種植層。噴播時應(yīng)從上往下慢慢噴射，噴口距離坡面為0.8～1.0 m，盡可能讓噴口垂直于坡面，使噴層厚度保持均勻。施工完成后在取土場上覆蓋綠色防塵網(wǎng)后再鋪設(shè)一層無紡布，以減少雨水沖刷和保墑。定期對取土場進行灑水養(yǎng)護。施工中的土壤來自公路沿線剝離表土(在道路路基施工時，地表剝離的表土堆積在公路沿線，待取土場或路基邊坡生態(tài)修復(fù)需要用土?xí)r，就地使用。這不但避免了剝離表土棄土增加運費和水土流失，也避免了生態(tài)修復(fù)時再次取土和對耕地或林地表土的破壞，降低了生態(tài)修復(fù)的成本)。公路沿線表土缺磷嚴重(表1)，應(yīng)對表層土進行改良。改良措施為：每平米土壤施加600～800 g的過磷酸鈣肥料，同時加入50 g的硫酸亞鐵。

3.3.2 植物選擇 取土場邊坡的植被恢復(fù)是整個生態(tài)修復(fù)技術(shù)中的關(guān)鍵。合理的植物種類及配比對邊坡生態(tài)修復(fù)中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及與周圍景觀一致性等具有重要影響[9-10]。4#取土場處于青海高原地區(qū)及仙米國家森林公園自然保護區(qū)境內(nèi)。根據(jù)所在地區(qū)的氣候和當(dāng)?shù)刂脖惶攸c，遵循生態(tài)學(xué)的生態(tài)位原理、生態(tài)適應(yīng)性原理、生物多樣性原理及群落演替理論等采用植物品種搭配。具體的植物配置原則為： ①根據(jù)生態(tài)適應(yīng)性原理選擇耐貧瘠、耐干旱、耐寒耐堿性及根系發(fā)達，同時蒸騰作用小的物種； ②根據(jù)生態(tài)位原理和生物多樣性原理選擇生態(tài)位不同的多種物種，在合理利用資源的同時增加修復(fù)坡面的層次感和景觀效應(yīng)； ③根據(jù)群落演替理論選擇前期生長較快的草本植物作為先鋒植物，在較短時間內(nèi)起到護坡固土的效果，為其他物種繁殖生長創(chuàng)造條件，使植物群落演替順利進行； ④考慮到所在區(qū)域畜牧業(yè)發(fā)達，故優(yōu)先選擇品種優(yōu)良的當(dāng)?shù)啬敛菪臀锓N。因此，本項目物種選擇主要以草本植物為主，多種草種混播，適當(dāng)加入豆科植物及十字花科的方案。每1 m2種子配置及用量詳見表2。

表2 護坡植物種類及用量

4 取土場恢復(fù)效果

本取土場2017年6月中旬停止取土，為避免發(fā)生水土流失，噴播及覆土于2017年6月底完成，施工期間天氣狀況良好?，F(xiàn)場技術(shù)人員于2018年7月8日(距噴播時間1 a剛過)對現(xiàn)場恢復(fù)情況進行觀察。在這一年時間中，降雨天氣較多，早晚溫差較大，經(jīng)歷13次中雨以上強度的降雨(最大降雨為2017年8月16日的46 mm，最大小時降雨量超過10 mm)?，F(xiàn)場考察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然經(jīng)歷過多次雨水沖刷，但排水溝結(jié)構(gòu)保持完整，客土噴播區(qū)域的坡面基質(zhì)基本完好，沒有發(fā)現(xiàn)因雨水沖刷而形成的沖溝和滑塌現(xiàn)象。植物根系及土壤牢固的結(jié)合在一起，很好地抑制了取土場的水土流失。取土場坡底沒有產(chǎn)生積水。而在客土綠化區(qū)域，早期雖有少量的水土流失，但隨著植物根系的生長，水土流失顯著減少。如圖2所示，經(jīng)過1 年的時間，坡面種植的披堿草、冷地早熟禾、星星草、油菜花和豌豆等5種綠化植物均發(fā)芽生長。其中披堿草和草地早熟禾生長較快，能快速的覆蓋取土場表面，有效減弱了坡面水土流失。客土噴播生態(tài)修復(fù)區(qū)域植被長勢好，密度較大，植物覆蓋率達到85%(用數(shù)碼相機對隨機選取的小塊樣地拍照，以數(shù)碼相片為對象，利用Photoshop軟件處理，所選植被覆蓋像素值與整張相片像素值的比值就是植物覆蓋率)以上。長勢良好的油菜花和豌豆對取土場改善了取土場景觀效果。取土場低矮區(qū)域的客土綠化法植物生長平緩，坡面綠化不均勻，植物覆蓋率達到80%以上，也基本滿足取土場恢復(fù)要求。綜合來看取土場生態(tài)修復(fù)效果良好。

圖2 4#取土場恢復(fù)效果

5 結(jié) 論

針對高原自然保護區(qū)年積溫低、植物生長周期較短及地表植被生產(chǎn)能力低等特點，從邊坡生態(tài)修復(fù)的主要影響因素出發(fā)，總結(jié)取土場生態(tài)修復(fù)中的技術(shù)要點并采取相應(yīng)的治理措施，形成了完整的取土場生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系。施工效果表明，削坡后的取土場穩(wěn)定性良好，坡面排水效果較好，坡面保持平整及無水土流失，坡面植物覆蓋率達到恢復(fù)要求。在施工時最大限度地利用剝離表土和當(dāng)?shù)仄渌Y源，不僅降低了生態(tài)修復(fù)的成本，而且避免了獲取材料和資源對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的破壞，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的最大化。