植物柔性工程學淺思

畢慈芬，王富貴

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

1 問題的提出

筆者在進行長達十余年之久的砒砂巖地區(qū)沙棘植物柔性壩試驗研究、拓寬與推廣試驗研究和防止砒砂巖地區(qū)溝道土壤侵蝕的水土保持綜合技術(shù)研究的過程中，目睹了砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的顯現(xiàn)，它改變了該區(qū)降雨匯流和產(chǎn)沙輸沙特性，給人一種美好的向往，那就是砒砂巖區(qū)可能會是黃土高原惡劣環(huán)境中最早實現(xiàn)山綠、地肥、水美的好地方。

幾十年的水土保持科學試驗研究和實踐證明，任何單一的剛性工程技術(shù)是不可能解決地貌復雜、千溝萬壑、形態(tài)各異、正在發(fā)育的溝道系統(tǒng)不斷遭受的水力、風力、凍融、重力各種外營力對支毛溝溝頭、溝谷坡面嚴重的土壤侵蝕的。早日實現(xiàn)在產(chǎn)沙源頭“把水喝光把沙吃凈”[1]，是水利前輩林一山的治黃卓見。實際上《砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和建議》提出的是一個剛?cè)峤Y(jié)合的溝道人工生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其實質(zhì)是在以小流域為單元的水土流失治理思想指導下，不僅要控制泥沙移動，就是保住“土”，而且要實現(xiàn)對“水”的控制，就是保住“水”。因為僅?！巴痢辈豢赡苓_到溝道系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，只有既保“土”也?！八?，才能達到錢正英提出的“小流域治理可以發(fā)展成為黃土高原的系統(tǒng)工程”的要求。為此，提出“植物柔性工程學”研究，以補充剛性工程之不足。這是一門水利工程學和植物學等多學科交叉的邊緣新興學科，具體設想是：植物柔性工程學是溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的科學指南和理論基礎，而溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建是進行試驗研究、示范的平臺，是實現(xiàn)溝壑治理和改善干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效途徑，也是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，這是黃土高原基巖產(chǎn)沙區(qū)標本兼治之舉。

選擇皇甫川的納林川沙圪堵以上1 351 km2流域進行溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，不僅因為這里是砒砂巖區(qū)的核心，而且是要實現(xiàn)防治砒砂巖區(qū)溝道土壤侵蝕的水土保持綜合技術(shù)，必須在大空間尺度范圍內(nèi)自上而下進行全方位有序的技術(shù)組裝，以獲得在大系統(tǒng)流域內(nèi)展示各系統(tǒng)的試驗示范模式全貌。更理想的是沙圪堵水文站有較長系列的水文泥沙測驗資料，可對各項試驗成果進行佐證，以取得有價值的科學試驗數(shù)據(jù)，作為植物柔性工程學的科學數(shù)據(jù)基礎。

2 植物柔性工程

2.1 植物柔性工程概念的產(chǎn)生

1992年8月筆者提出沙棘植物柔性壩試驗研究時，就想用剛性工程技術(shù)理念，在砒砂巖區(qū)大比降支毛溝溝頭垂直水流方向按壩工技術(shù)指導沙棘種植，期望能形成沙棘植物柔性壩，這是植物柔性工程的最初設想。

為此，選擇在內(nèi)蒙古準格爾旗西召溝小流域內(nèi)對1.67 km2的東一支溝進行了長達5年的野外試驗，取得了創(chuàng)新成果。東一支溝上游有支毛溝36條，總長2 485 m，占東一支溝溝道總長的86%，平均溝道縱比降1.65%～7.71%。后于2001年在西召溝主溝頭2.305 km2范圍的17條支毛溝內(nèi)進行拓寬試驗，溝道平均比降在4.6%～25%之間，也取得了同樣的可重復性成果。在此基礎上又研究了“防止砒砂巖區(qū)溝道土壤侵蝕綜合技術(shù)”，形成了以小流域為單元自上而下沙棘植物柔性壩+淤地壩+骨干壩+微型水庫協(xié)調(diào)的溝道沙土水治理模式。至此，“植物柔性工程”的概念油然而生。

2.2 植物柔性工程定義及作用

植物柔性工程是在特定的地理地貌條件下，為解決砒砂巖區(qū)正在發(fā)育的支毛溝溝頭、溝谷坡面土壤侵蝕和泥沙輸移問題而提出的。植物柔性工程由活性植物構(gòu)成，它既是植物又是工程，把兩者統(tǒng)一于一體，既是壩體材料又能自動生長形成活性柔性壩，其壩高與時間成正相關(guān)。它把溝坡的產(chǎn)沙就地攔截，淤填成溝田，同時形成土壤水庫，從而協(xié)調(diào)溝坡關(guān)系，充分合理利用當?shù)厮临Y源，是與自然一致的水利工程技術(shù)方法，屬水利生態(tài)工程學范疇。實踐證明，在砒砂巖區(qū)溝道淤地壩實施推廣過程中，如在溝道平均縱比降為1.65%～7.71%的西召溝東一支溝，針對正在發(fā)育的大比降支毛溝溝頭地形，剛性工程達不到安全控制產(chǎn)沙的目的。西召溝東一支溝布設沙棘植物柔性壩之前，0#柔性壩下游839 m處于1991年修建了1#谷坊，谷坊高9 m，右岸布設了1 m寬的溢洪道。每年汛期若遇次降雨量大于30 mm的降水，谷坊就被暴雨洪水沖垮，年年都要補修。自1995年春布設沙棘植物柔性壩，至今谷坊完好未垮。在沙棘植物柔性壩試驗研究和實踐過程中，內(nèi)蒙古準格爾旗西召溝小流域主溝頭布設柔性壩群的17條支毛溝，加上東一支溝，總面積3.975 km2的流域內(nèi)溝道至今無一被沖刷，全部呈淤積狀態(tài)，植物柔性壩工程依然穩(wěn)定如初，而且沙棘不斷生長，足以說明因地制宜的系列植物柔性工程已成為溝道治理系統(tǒng)一個不可缺少的重要組成部分。

2.3 植物柔性工程功能

(1)攔沙效應。植物柔性工程能直接分選固液兩相流，同步攔粗排細，粗沙、細沙、水分治，使淤沙不斷抬高，增強植物柔性工程基礎的穩(wěn)定性，形成連續(xù)不斷的淤積壩體和穩(wěn)固的活性加筋壩基。

(2)調(diào)水效應。在壩體攔沙淤積的同時，植物柔性工程上游的壅水和淤沙共同形成土壤水庫，不僅增加暴雨洪水入滲量，增加土壤含水量，而且不斷抬高溝床侵蝕基準面，植物柔性壩體隨沙棘生長而不斷增加，增強接收降雨、攔沙、蓄水的功能，自然形成溝道海綿人工濕地生態(tài)系統(tǒng)之首，起著溝頭水塔的作用。

(3)生態(tài)效應。壩體不斷增高，促進了植物群落恢復逐漸形成支毛溝溝頭森林生態(tài)系統(tǒng)，給動物營造了天然棲息地。

(4)加筋防護效應。沙棘植物柔性工程的縱根在淤沙中起加筋加固壩基作用，其橫根具有爬坡效應，形成溝谷坡、坡腳坡裙堆積物的防護網(wǎng)。

2.4 植物柔性工程分類

植物柔性工程可分為廣義和狹義兩種。廣義植物柔性工程泛指針對各種地貌類型的植物柔性工程，狹義植物柔性工程專指某種地貌類型的植物柔性工程。

(1)按剛性工程功能分類，針對溝壑地貌植物柔性工程有植物柔性壩、植物柔性泄水孔(洞)、植物柔性溢洪道、植物柔性消力池、植物柔性海漫；針對淤地壩有淤地壩回水末端植物柔性體、淤地壩壩體外坡植物柔性體、淤地壩壩頂植物柔性體；沿溝壑縱向順水流方向有植物柔性圈、植物柔性順壩、植物柔性挑流壩、植物柔性護灘壩、植物柔性導流屏、植物柔性卡口工程和微型水庫庫岸防滑帶、庫內(nèi)景觀休閑美化帶；針對坡地有植物柔性地埂、植物柔性籬等。此為狹義分類。

(2)按地貌類型分類，有植物柔性治坡工程(坡)、植物柔性治溝工程(溝)、植物柔性治沙工程(沙漠)、植物柔性治漬工程(鹽漬)、植物柔性治岸工程(河岸、海岸)、植物柔性防風護路帶(公路、鐵路)、植物柔性景觀帶(城市道路、公園)等。此為廣義分類。

2.5 植物柔性工程作用原理

(1)加糙、增阻、固沙、護坡。植物柔性工程的作用原理主要體現(xiàn)在植物干、枝、葉、根的加糙、增阻、固沙、護坡上，特別是灌木。植物干、枝距地表近，茂密的干、枝、葉形成形態(tài)各異的網(wǎng)狀泄流孔(洞)，枝葉粗糙度的增加既加大了對水流的阻力，也縮小了過水斷面，形成交錯重疊的多孔卡口壅水，因而出現(xiàn)植物柔性壩壩體和壩上游壅水淤積；其縱根可固結(jié)淤沙，似活性加筋壩基，增加壩基固結(jié)應力和壩體抗沖刷能力，橫根可向溝谷坡蔓爬形成護坡防沖網(wǎng)。

(2)消能、減速、入滲、供水。水流的動能和勢能都能被植物柔性工程直接消減。水流受阻后，行進速度減小，溝道股流變成漫流。植物柔性工程壩體和壩上游壅水淤積段形成土壤水庫，呈現(xiàn)流域支毛溝溝頭水塔效應，水流沖擊在植物柔性工程上，其枝葉如同海綿能消減動能，溝頭植物柔性圈可阻止溝頭前進、溝底沖刷。土壤水庫增加土壤含水量、持水保水，增加對溝道長效供水。植物柔性工程符合綜合運用“滲、滯、蓄、凈、用、排”建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿濕地生態(tài)系統(tǒng)的要求。

2.6 植物柔性工程和剛性工程關(guān)系

植物柔性工程仿效剛性工程的結(jié)構(gòu)、功能，與剛性工程合理配置，揚長避短。剛性工程不能替代植物柔性工程，但植物柔性工程可以有限替代剛性工程，具有廣泛的適用性。

2.7 植物柔性工程適宜的地貌形態(tài)

黃土丘陵溝壑地貌總面積22萬km2，占黃土高原水土流失面積43萬km2的51%，基巖出露面積有5.33萬km2，涉及的13條支流基巖產(chǎn)沙區(qū)年均輸沙量5億t，其中大于0.05 mm的粗泥沙量有2.62億t。砒砂巖區(qū)面積1.2萬km2，其輸沙量占基巖產(chǎn)沙區(qū)總輸沙量的22%，粗沙量占基巖產(chǎn)沙區(qū)粗沙量的37%，是典型的溝壑地貌。植物柔性工程無固定外形，適應性強，能“降服”形態(tài)各異的千溝萬壑。在研究植物柔性工程學前，首先要研究溝壑地貌的形成、發(fā)育、形態(tài)和危害，才能有針對性地選擇不同形式的植物柔性工程設計方案。

2.8 植物柔性工程倫理

植物柔性工程是以水生態(tài)和植被生態(tài)為基礎的倫理概念，注重工程行為的道德規(guī)范是其重要的特點。如果工程行為的功能出現(xiàn)與自然發(fā)展不相適應的理念和價值觀，那么從長遠發(fā)展看是不能生存下去的。只有工程結(jié)果符合與自然發(fā)展相適應的理念和價值觀，工程才能長久生存下去，這樣適應自然和諧發(fā)展的過程才符合生態(tài)經(jīng)濟倫理。為此，工程和自然相適應、和諧永續(xù)發(fā)展應作為評價植物柔性工程的自然法則。

2.9 植物柔性工程研究方法

(1)在以小流域為單元，因地制宜、剛?cè)峁こ毯侠砼渲弥卫淼那疤嵯?，必須遵循整體性、系統(tǒng)性、綜合性和協(xié)調(diào)性原則，選擇在中尺度、大尺度大面積野外試驗平臺上研究上述內(nèi)容，還要研究植物柔性工程的規(guī)劃設計準則、應用范圍、實施指南、監(jiān)測管理、哲學基礎及其與區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟的關(guān)系等問題。

(2)進行必要的室內(nèi)模型試驗和數(shù)理分析，以尋找獲得最優(yōu)實用模式，在此基礎上再進行推廣試驗。

3 植物柔性工程學思考

3.1 植物柔性工程學的提出

我們在內(nèi)蒙古準格爾旗西召溝小流域支毛溝進行了長達十年之久的沙棘植物柔性壩野外試驗研究，取得了真實可靠的試驗觀測資料，獲得了植物柔性工程的9項基本資料，涵蓋了多學科知識，在此基礎上提出了植物柔性工程學。這一學科已顯現(xiàn)出很強的生命力，未來要通過大空間尺度的反復實踐，加強總結(jié)和提升。

3.2 植物柔性工程學的性質(zhì)、研究方法

植物柔性工程學是水利工程學和植物學相互滲透的、源于生產(chǎn)實踐過程的、多學科交叉的一門邊緣新興學科，它是在尊重實踐發(fā)現(xiàn)和抽象猜想的“實證”隱性思維指導下的產(chǎn)物。其研究方法是在考慮流域水系地貌單元的整體性、系統(tǒng)性前提下，針對水系的生態(tài)環(huán)境治理，探索一個順其自然的可持續(xù)健康發(fā)展的水土保持生態(tài)恢復綜合技術(shù)。

3.3 植物柔性工程學相關(guān)學科

植物柔性工程學是多學科交叉學科，涉及水工結(jié)構(gòu)、水力學、水文學、河流動力學、土壤學、地理學、地貌學、植物學、森林學、氣象學、生物學、生態(tài)學、生態(tài)經(jīng)濟學等。

4 結(jié) 語

本研究僅給出了植物柔性工程學的思考內(nèi)容，為的是拋磚引玉，有利于開展這門新興學科的探索研究，以指導生產(chǎn)實踐。

隨著人類對改善生態(tài)環(huán)境的迫切要求，植物柔性工程學將是與人類友好的一門學科，將在與人類生命、生存相關(guān)的各個領(lǐng)域發(fā)揮自己的優(yōu)勢，應該是一門有廣闊前途、有實用價值的學科。植物柔性工程學研究必將有益于黃土高原水土流失治理、生態(tài)恢復，對黃河下游防洪減淤、堤防安全起到積極作用，并可緩解區(qū)域水資源短缺，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。