基于自然的解決方案在黃土高原重大工程災(zāi)變防控中的理論與實(shí)踐*

許 強(qiáng) 陳婉琳 蒲川豪 袁 爽 劉佳良

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059，中國(guó))

0 引 言

我國(guó)黃土高原面積64×104km2，是中華民族發(fā)源地，共和國(guó)的搖籃，“一帶一路”倡議的核心區(qū)和西部開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵區(qū)，同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境的極度脆弱區(qū)(劉世梁等，2007)，水土流失異常嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對(duì)生產(chǎn)生活造成極大困擾。近年來(lái)，為了緩解黃土地區(qū)人口快速增長(zhǎng)與土地資源緊缺之間的矛盾(張虹波等，2007)，進(jìn)一步促進(jìn)黃土地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速公路、鐵路(王家鼎等，2021)、油氣管線(xiàn)工程以及平山造城、治溝造地、固溝保塬等一系列重大工程項(xiàng)目在黃土地區(qū)開(kāi)工建設(shè)，尤其是從2013年以后，國(guó)家為了城鎮(zhèn)發(fā)展和振興鄉(xiāng)村，針對(duì)不同的發(fā)展需求，采取了不同的工程措施。以蘭州作為典型代表的平山造城工程，因位于黃河侵蝕沖刷形成的大型溝谷中，“兩山夾一溝”的地貌特征不僅使城市建設(shè)用地異常緊張，同時(shí)兩側(cè)山體和黃土斜坡經(jīng)常失穩(wěn)破壞引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，城市安全也難以得到保障，為此蘭州不得不通過(guò)“平山造城”的方式重新選址另建蘭州新區(qū)；以延安市顧屯流域?yàn)榈湫痛淼闹螠显斓毓こ蹋谩吧缴贤烁€林，保生態(tài)，山下治溝造地，保民生”的溝道治理思想，在增加農(nóng)用耕地的同時(shí)，也保障了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境(賀春雄，2013)；以慶陽(yáng)市為典型代表的固溝保塬工程，提出了“塬面徑流調(diào)控、溝頭加固防護(hù)、坡面植被恢復(fù)、溝道水沙集蓄”的四道防線(xiàn)治理保護(hù)模式，治理并搶救性地保護(hù)了33條溝道，1101.8km2塬面面積(段省清，2017)。重大工程的建設(shè)一方面加快了城市和鄉(xiāng)村的發(fā)展速度，帶給人類(lèi)舒適便利的居所與享受，另一方面卻回饋給人類(lèi)環(huán)境污染、生態(tài)惡化、資源浪費(fèi)、災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題(李素清，2004；姚玉璧等，2005；許強(qiáng)等，2020a，2020b)。例如山西地處黃土高原東側(cè)，作為一個(gè)重要的資源型省級(jí)行政區(qū)，挖山填溝、平山造地等工程措施會(huì)在資源開(kāi)采過(guò)程中實(shí)施，人類(lèi)工程活動(dòng)后會(huì)形成大量的高切邊坡、高填方體等潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，加之該區(qū)域地形相對(duì)高差較大，地質(zhì)構(gòu)造相較復(fù)雜，多年來(lái)的煤礦和鋁土礦開(kāi)采，誘發(fā)了較多的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2020年底山西省地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)共計(jì)10340處，全省全境均為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)占全省面積的42%(山西省自然資源廳，2021)。當(dāng)然，除了人類(lèi)工程擾動(dòng)會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，由于地處黃土丘陵和山盆相間地貌區(qū)，自然侵蝕也會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)嚴(yán)重的損害，2019年3月在山西臨汾鄉(xiāng)寧縣衛(wèi)生院由于受到溝道侵蝕的作用，北側(cè)發(fā)生的滑坡致10人死亡、10人失聯(lián)，由此可見(jiàn)，在部分區(qū)域，固溝保塬工程不僅僅可以保護(hù)塬面，還能保護(hù)溝道附近居民的正常生活。因此，工程的實(shí)施常具備雙面性，如何協(xié)調(diào)好人類(lèi)工程活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，既使黃土地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)保持高速、高質(zhì)量發(fā)展，又不至于因此破壞生態(tài)環(huán)境和產(chǎn)生工程災(zāi)變，是一個(gè)值得深入研究和實(shí)踐探索的重大課題。傳統(tǒng)的理念和技術(shù)已不能滿(mǎn)足相關(guān)需求，亟需尋找能讓人類(lèi)與自然和諧共生共處的創(chuàng)新性解決方案，從而實(shí)現(xiàn)人-地協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

基于自然的解決方案(NBS)自2002提出并經(jīng)由世界銀行、世界自然保護(hù)聯(lián)盟、歐盟委員會(huì)等組織機(jī)構(gòu)的積極推動(dòng)后，已成為聯(lián)合國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、糧食安全、生態(tài)和諧發(fā)展等方面全球性重大問(wèn)題的主要工作計(jì)劃，并逐漸成為約束人類(lèi)活動(dòng)，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境應(yīng)遵循的理念和基本行為準(zhǔn)則。為此，本文以NBS為基本理念和指導(dǎo)思想，探討黃土高原在實(shí)施平山造城、治溝造地、固溝保塬等重大工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)如何充分遵循、適應(yīng)、利用、保護(hù)和改造自然，以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)與自然之間的和諧共處，既實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，又達(dá)到保護(hù)自然的目的。

1 基于自然的解決方案的基本思想

基于自然的解決方案(Nature-Based Solutions，簡(jiǎn)稱(chēng)NBS)最早于2002年由Jackson等用于描述農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，人類(lèi)采用“以蟲(chóng)治草”的方式來(lái)替代機(jī)器除草，借助自然力量來(lái)解決生產(chǎn)問(wèn)題的方法。隨后，NBS得到世界銀行(The World Bank)(Mackinnon，2008)、世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature，簡(jiǎn)稱(chēng)IUCN)(IUCN，2009，2012，2016，2020a，2020b)、歐盟委員會(huì)(European Union，簡(jiǎn)稱(chēng)EU)(European，2015a，2015b)等組織和機(jī)構(gòu)的大力推廣，該理念已被聯(lián)合國(guó)作為應(yīng)對(duì)氣候變化、糧食安全、生態(tài)和諧發(fā)展等的主要工作計(jì)劃，并被人們廣泛接受和用于解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。目前針對(duì)NBS較為權(quán)威的定義來(lái)自IUCN和歐盟。IUCN提出NBS是通過(guò)保護(hù)、修復(fù)和管理自然或人工生態(tài)系統(tǒng)，從而有效地、適應(yīng)性地應(yīng)對(duì)社會(huì)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并造福人類(lèi)和維護(hù)生物多樣性。歐盟提出NBS是受到自然啟發(fā)和支持的解決方案，是一種既符合自然規(guī)律，又能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的綠色方案和方法。由此可見(jiàn)，NBS強(qiáng)調(diào)和突出自然的理念和思想，與我國(guó)“道法自然，天人合一”、“以自然之道，養(yǎng)萬(wàn)物之身”、“共建人和自然和諧共生”等思想有著異曲同工之處。

為了實(shí)現(xiàn)黃土地區(qū)人與自然的和諧共生共處，構(gòu)建人地協(xié)調(diào)機(jī)制，本文提出NBS是黃土地區(qū)重大工程建設(shè)全壽命周期中都應(yīng)始終堅(jiān)持的基本原則和理念，具體包括：

(1)選址規(guī)劃階段：突出“順”，即在工程選址和項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分利用和順應(yīng)自然本身所具有資源和地質(zhì)環(huán)境條件，通過(guò)因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)對(duì)自然的最小擾動(dòng)和破壞，并主動(dòng)規(guī)避災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)科學(xué)“避災(zāi)”。

(2)設(shè)計(jì)施工階段：突出“控”，在設(shè)計(jì)施工建設(shè)階段應(yīng)充分考慮自然的資源環(huán)境承載力、韌性和自我恢復(fù)能力，合理控制工程建設(shè)的規(guī)模和進(jìn)度，做到萬(wàn)事有度，最大限度減少工程建設(shè)對(duì)自然環(huán)境的影響和擾動(dòng)，達(dá)到保護(hù)自然的目的。在條件許可的情況下還應(yīng)充分發(fā)揮人的主觀(guān)能動(dòng)性，采取科學(xué)的工程措施適度改造自然以主動(dòng)提升自然環(huán)境的韌性，達(dá)到“減災(zāi)”和“控災(zāi)”的目的。

(3)運(yùn)營(yíng)階段：突出“調(diào)”，在工程運(yùn)營(yíng)階段，應(yīng)充分利用自然的自我恢(修)復(fù)能力，讓工程建設(shè)與自然環(huán)境相互適應(yīng)，若有必要也可通過(guò)適度的人工修復(fù)加快生態(tài)恢復(fù)進(jìn)度，并通過(guò)構(gòu)建天-空-地一體化的多源協(xié)同觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)全面掌握自然環(huán)境和工程建設(shè)的動(dòng)態(tài)變化，一旦發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境惡化和災(zāi)變前兆，及時(shí)調(diào)控應(yīng)對(duì)，做到安全工程、綠色工程，實(shí)現(xiàn)人地協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

2 選址規(guī)劃階段充分利用和順應(yīng)自然

2.1 因地制宜，選取適宜地貌單元實(shí)施重大工程

黃土是一種多孔隙、弱膠結(jié)的第四紀(jì)沉積物，抗侵蝕能力差。根據(jù)黃土臺(tái)塬受地表水流侵蝕的程度，可按其地質(zhì)條件和演化階段的不同，依次將其劃分為6類(lèi)：臺(tái)塬、殘塬、殘塬長(zhǎng)墚溝壑、墚狀丘陵溝壑、墚峁?fàn)钋鹆隃羡?、峁?fàn)钋鹆隃羡?。為了盡量減少土石方量和對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)和破壞，在工程選址階段應(yīng)針對(duì)不同工程的特點(diǎn)和場(chǎng)地要求，選取適宜的地貌類(lèi)型區(qū)作為工程建設(shè)場(chǎng)址(表1)。

表1 黃土地區(qū)典型地貌類(lèi)型區(qū)及其適宜的重大工程類(lèi)型Table 1 Typical landform type areas and suitable major engineering types in the loess area

(1)“平山造城”工程宜選在黃土地貌演化初期的臺(tái)塬、殘塬，以及侵蝕溝谷還較淺的墚狀丘陵溝壑區(qū)域。該工程主要是為了破解黃土地區(qū)大型城市發(fā)展場(chǎng)地受限問(wèn)題，采用削山填溝方式造就大片平地進(jìn)行城市建設(shè)。以延安為例(圖1)，該區(qū)地處黃河中游，老城區(qū)沿河谷地帶呈“Y”字形展布。2012年老城區(qū)人口密度為1.47萬(wàn)人·km-2接近北京和上海，人均建設(shè)用地僅為72m2，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水平，城市發(fā)展嚴(yán)重受限，因此當(dāng)?shù)卣捎谩爸惺柰鈹U(kuò)，上山建城”的城市發(fā)展戰(zhàn)略，也不得不另找地方建設(shè)延安新城(蒲川豪等，2020)。工程建設(shè)的目的是為了解決城市用地問(wèn)題，但通過(guò)“平山造城”新增的土地面積往往較大，為了盡可能減少“平山”和填筑的土石方量及其對(duì)環(huán)境的影響，所以要盡可能選取地勢(shì)相對(duì)平坦、寬闊的地貌類(lèi)型區(qū)作為“平山造城”場(chǎng)址。

(2)“治溝造地”工程宜選在殘塬長(zhǎng)墚溝壑和墚狀丘陵溝壑地區(qū)。該工程是為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的雙贏(yíng)，提出“山上退耕還林保生態(tài)，山下治溝造地保民生”，將山上的坡耕地轉(zhuǎn)換成林地，將山下的溝道整平為耕地，實(shí)現(xiàn)保障生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民提供更多的耕地。工程通過(guò)在黃土溝谷中修建梯級(jí)攔擋壩，使相關(guān)流域水土流失的泥沙停積于壩后形成較為平坦的土地，以此來(lái)緩解黃土地區(qū)農(nóng)業(yè)用地緊張的問(wèn)題。攔擋壩一般就地取材由黃土夯筑而成，具有攔截泥沙新生成土地的功能，所以在當(dāng)?shù)胤Q(chēng)其為淤地壩。為了盡可能多地獲取土地，治溝造地工程一般修建于橫斷面寬緩、呈“U”型，縱向長(zhǎng)度較大但縱向坡度較小的溝谷(圖2)。

(3)“固溝保塬”工程宜選在黃土地貌演化的最初級(jí)階段，即臺(tái)塬和殘塬地區(qū)。該工程是為了防止黃土臺(tái)塬四周溝谷因不斷侵蝕，尤其是溯源侵蝕而使臺(tái)塬面積不斷減小而采取的工程措施，主要措施有海綿城市建設(shè)、蓄水池、護(hù)坡、植樹(shù)造林、攔擋壩等。海綿城市和蓄水池通過(guò)利用植被過(guò)濾和管道截排水作用，充分將水資源回收再利用，減緩塬面上的侵蝕；坡面護(hù)坡和植樹(shù)造林通過(guò)減緩地表徑流對(duì)坡面的沖刷侵蝕作用來(lái)降低坡面侵蝕速率；利用攔擋壩降低溝底徑流的流速、阻攔泥沙來(lái)控制溝谷的侵蝕速率(圖3)。各項(xiàng)工程最終目的是通過(guò)減緩水土流失的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)塬面的保護(hù)，構(gòu)筑塬面的生態(tài)安全屏障。

2.2 構(gòu)建海綿系統(tǒng)，將雨水、污水等廢水變?yōu)樗Y源

黃土具有顯著的水敏性，一方面水是黃土災(zāi)變的“元兇”，黃土地區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流、濕陷、水土流失等絕大多數(shù)是由降雨、灌溉和生活用水的不合理排放引起；另一方面黃土地區(qū)大多為西北干旱地區(qū)，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，水在黃土地區(qū)是稀缺資源。但在降雨尤其是強(qiáng)降雨過(guò)程中往往僅有少部分雨水入滲到黃土內(nèi)部，其余大部分雨水轉(zhuǎn)化為地表徑流在坡面和溝谷流動(dòng)，形成對(duì)黃土的侵蝕和沖刷，成為重要的致災(zāi)因素。隨著城鎮(zhèn)化、城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人口分布越來(lái)越集中，生活用水和污水的排放也越來(lái)越集中，排放量不斷增大，不僅致災(zāi)還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

北京大學(xué)俞孔堅(jiān)教授在《大腳革命》演講中用大量的案例闡述如何通過(guò)充分利用自然、回歸自然，通過(guò)建設(shè)城市海綿系統(tǒng)和濕地公園，來(lái)自然收集雨水和城市生活污水，并通過(guò)海綿系統(tǒng)的凈化、過(guò)濾形成濕地，既起到防治旱災(zāi)、洪澇災(zāi)害、土壤侵蝕和崩滑災(zāi)害的作用，又美化和保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，達(dá)到一舉多得的目的。

甘肅省慶陽(yáng)市位于黃土高原隴東地區(qū)的董志塬上，是黃土高原最大的一片塬面，號(hào)稱(chēng)天下黃土第一塬。近年隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，人口越聚越多，因雨水和生活污水的集中排放，對(duì)塬邊溝谷造成嚴(yán)重侵蝕，并引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害、水土流失、水土污染等問(wèn)題。為了減緩水土流失尤其是溝谷的溯源侵蝕，近年來(lái)一方面實(shí)施了固溝保塬工程，對(duì)大型溝谷源頭進(jìn)行填筑和工程加固；另一措施就是在塬面修建集水池，將雨水、污水作為資源進(jìn)行蓄積，并通過(guò)建設(shè)濕地將雨水和污水凈化再利用。2016年4月，慶陽(yáng)入圍全國(guó)第二批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，到2020年實(shí)現(xiàn)了試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)90.6%的雨水不外排，徑流污染削減率達(dá)62.32%，雨水利用率達(dá)34.35%，有效地緩解了水資源流失和致災(zāi)與水資源短缺之間的矛盾。通過(guò)構(gòu)建海綿系統(tǒng)和濕地公園，將廢水轉(zhuǎn)化為水資源的理念和做法值得在整個(gè)黃土地區(qū)推廣應(yīng)用。

2.3 遵循規(guī)律，科學(xué)合理利用土地資源

2012年4月開(kāi)始的延安平山造城工程，通過(guò)將33座山頭削平并回填至十幾道深溝中，計(jì)劃建造一座占地面積約78.5km2的新城區(qū)。如此超大規(guī)模的挖方和填方工程使得工后沉降尤其是差異沉降變形問(wèn)題顯著?；跁r(shí)序InSAR對(duì)2016～2019年覆蓋延安新區(qū)的Sentinel-1A雷達(dá)影像數(shù)據(jù)的分析表明，工程挖填方區(qū)地表呈長(zhǎng)期持續(xù)的變形特征，其中沉降變形隨時(shí)間逐漸衰減。原山脊部位的挖方區(qū)主要以卸荷回彈造成的隆升變形為主，原溝谷部位的填方區(qū)主要以黃土壓實(shí)造成的沉降變形為主，且填方區(qū)地表形變量和穩(wěn)定時(shí)間都要遠(yuǎn)大于挖方區(qū)(圖4a～圖4c)(蒲川豪等，2020b)。大量的工程案例表明，高填方體工后沉降變形趨于穩(wěn)定的過(guò)程往往需要數(shù)年的時(shí)間，為了加快工程建設(shè)進(jìn)度，延安新區(qū)城市建設(shè)時(shí)充分遵循沉降的時(shí)空變化規(guī)律，提出“先建挖方區(qū)，綠化填方區(qū)”的原則，待填方區(qū)地表變形穩(wěn)定后再統(tǒng)一規(guī)劃利用。第1期建筑物主要布置在地表相對(duì)穩(wěn)定且變形量相對(duì)較小的挖方區(qū)(圖4d)待填方區(qū)沉降變形趨于穩(wěn)定后再修建新的建筑物。

3 設(shè)計(jì)施工階段充分保護(hù)和適度改造自然

在重大工程的方案設(shè)計(jì)和具體實(shí)施階段，首先要樹(shù)立和貫徹保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，最大限度減少對(duì)自然的擾動(dòng)的理念，但工程建設(shè)又不得不實(shí)施一些挖填方工程并布置工程結(jié)構(gòu)，對(duì)原生自然環(huán)境進(jìn)行一定的改造。在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能因地制宜，充分遵從和利用自然環(huán)境條件，最大限度地減少和限制對(duì)自然環(huán)境改造的強(qiáng)度和尺度(規(guī)模)。換句話(huà)說(shuō)就是工程建設(shè)應(yīng)把握好一個(gè)“度”，這個(gè)度就是自然環(huán)境的“韌性”和資源環(huán)境承載力。要保證受工程建設(shè)影響和擾動(dòng)后的自然環(huán)境能夠在自然或人工干預(yù)條件下可恢復(fù)，更應(yīng)避免“災(zāi)變”的發(fā)生。為了防止黃土地區(qū)重大工程建設(shè)災(zāi)變的發(fā)生，盡可能使工程災(zāi)變消失在“萌芽”狀態(tài)，本文提出在NBS理念指導(dǎo)下，通過(guò)“三控”(控水、控變形、控侵蝕)減災(zāi)措施，實(shí)現(xiàn)“三防”(防沉、防滑移、防侵蝕)減災(zāi)目標(biāo)。

3.1 控水：采取綜合控水措施防止重大工程災(zāi)變

平山造城工程因其填方高度達(dá)到數(shù)十米，平面范圍達(dá)數(shù)十平方公里，其主要災(zāi)變?yōu)樯顚踊谱冃魏统两底冃?；治溝造地工程的主要?zāi)變形式為壩體潰決和因繞壩滲漏導(dǎo)致的土壤鹽漬化；而固溝保塬工程的主要災(zāi)變形式為土壤侵蝕和滑移變形。但致使這幾類(lèi)大型工程災(zāi)變的“元兇”和罪魁禍?zhǔn)字饕恰八?，所以在黃土地區(qū)控水是防止工程災(zāi)變的關(guān)鍵措施。不同類(lèi)型災(zāi)變有不同的內(nèi)在機(jī)理和表現(xiàn)形式，應(yīng)采用針對(duì)性的控水措施。但水在黃土內(nèi)部的滲流和地表的流動(dòng)是導(dǎo)致黃土地區(qū)重大工程產(chǎn)生沉降、滑移、侵蝕等主要災(zāi)變形式的關(guān)鍵因素，因此，控水的主要目的和措施就是盡可能防止地表水入滲到黃土體內(nèi)部和減少地表徑流量或地表徑流對(duì)土壤的侵蝕能力。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，在治溝造地工程中，淤地壩前所造土地往往會(huì)因?yàn)榈叵滤裆钐珳\和蒸發(fā)作用強(qiáng)烈而造成土地的鹽漬化，致使相關(guān)土地難以利用。通過(guò)物探測(cè)試表明，造成壩前水位埋深淺并鹽漬化的主要原因?yàn)椋河俚貕螇位蚝粚?shí)不夠密實(shí)其滲透性較好，壩體前后的水頭差致使繞壩滲漏的發(fā)生。為此，在建壩時(shí)應(yīng)進(jìn)一步碾壓夯實(shí)，通過(guò)增加壩基密實(shí)度來(lái)降低其滲透性。同時(shí)也可通過(guò)在壩基的黃土中添加一定的生石灰以降低其滲透性，以此來(lái)阻止繞壩滲漏的發(fā)生(圖6b)。

3.2 控變形：采取科學(xué)的工程措施控制大規(guī)模失穩(wěn)破壞的發(fā)生

在平山造城、治溝造地、固溝保塬3類(lèi)工程中，容易產(chǎn)生變形或?qū)ψ冃伪容^敏感的是平山造城工程。平山造城工程因規(guī)模巨大的填方工程很容易產(chǎn)生沉降和滑移(即滑坡)兩類(lèi)變形。InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，延安和蘭州新區(qū)平山造城、削山填溝建造機(jī)場(chǎng)過(guò)程中填方區(qū)都出現(xiàn)了顯著的沉降變形，但工程完成后地面沉降區(qū)面積在不斷減小，沉降變形量隨時(shí)間也逐漸趨緩，沉降變形總體上處于可控范圍。在工程實(shí)踐中常會(huì)通過(guò)碾壓夯實(shí)等工程措施壓實(shí)土體，減少沉降量和縮短沉降趨穩(wěn)時(shí)間。不同區(qū)域、部位之間的差異沉降往往會(huì)造成建構(gòu)筑物開(kāi)裂、傾斜、管網(wǎng)斷裂失效等問(wèn)題，因此，在工程建設(shè)中應(yīng)采用工程措施防止差異沉降超過(guò)一定的限度和要求。

在高填方工程中最大的災(zāi)變隱患是發(fā)生大規(guī)?；谱冃?趙建軍等，2019)，尤其是滑坡，如呂梁機(jī)場(chǎng)高填方因強(qiáng)夯振動(dòng)和雨水下滲的聯(lián)合作用導(dǎo)致填方沿著原坡面滑移。近年發(fā)生的不少慘痛案例(如2015年深圳光明新區(qū)渣土受納場(chǎng)滑坡、2019年巴西布魯馬迪紐市尾礦庫(kù)潰壩事故等)表明，黃土、砂土、碎屑等松散飽水的顆粒介質(zhì)，具備一定條件可因靜態(tài)液化而發(fā)生大規(guī)模整體坍塌性失穩(wěn)破壞，即潰散性失穩(wěn)(Diffuse failure)。此類(lèi)失穩(wěn)破壞突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、前兆特征不明顯等特點(diǎn)，防范難度極大。在延安、蘭州平山造城之初，業(yè)內(nèi)人士很擔(dān)心黃土地區(qū)的高填方體會(huì)發(fā)生大規(guī)模變形和失穩(wěn)破壞。但通過(guò)大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，潰散性失穩(wěn)需要滿(mǎn)足一定的條件，即：(1)合適的級(jí)配：有利于超孔隙水壓力形成的級(jí)配，一般需要大量的粗顆粒(粉土、砂土、碎屑等)作為材料的主體骨架，并需要一定量的細(xì)顆粒(如黏粒)分布于粗顆粒間對(duì)水流運(yùn)動(dòng)起到一定的阻擋作用，便于在顆粒內(nèi)部快速形成超高孔隙水壓力。但若黏粒含量超過(guò)一定比例又不利于靜態(tài)液化的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土尤其是粉質(zhì)黃土的級(jí)配較容易發(fā)生潰散性失穩(wěn)破壞。(2)松散：試驗(yàn)結(jié)果表明，孔隙度大于0.5的顆粒材料較容易發(fā)生潰散性失穩(wěn)，材料密實(shí)度越高越不容易發(fā)生潰散性失穩(wěn)。而平山造城工程的密實(shí)度一般均超過(guò)90%，因此不利于潰散性失穩(wěn)破壞的產(chǎn)生。(3)必要的水位：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)表明，只有當(dāng)黃土臺(tái)塬地下水位達(dá)到一定高度后，才會(huì)發(fā)生因靜態(tài)液化而產(chǎn)生的潰散性失穩(wěn)破壞。例如，甘肅黑方臺(tái)其物質(zhì)組成為粉質(zhì)黃土，當(dāng)某區(qū)段地下水位上升到黃土厚度的0.4倍左右時(shí)，就開(kāi)始出現(xiàn)潰散性滑坡。因此，只要采取科學(xué)的控水措施，將高填方體內(nèi)的地下水位控制在一定高度，便可消除大規(guī)模潰散性失穩(wěn)的發(fā)生條件。

由上可知，盡管黃土具備發(fā)生潰散性失穩(wěn)破壞的物質(zhì)組成條件，但只要在平山造城工程實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)工程技術(shù)手段提高填方體的壓實(shí)度，并將地下水位控制在一定深度范圍內(nèi)，便可避免大規(guī)模潰散性失穩(wěn)破壞的發(fā)生。

3.3 控侵蝕：多措并舉，實(shí)施流域綜合整治

黃土為風(fēng)積土，又處于半成巖狀態(tài)，膠結(jié)程度差，壓實(shí)度低，很容易遭受流水、風(fēng)和重力等作用的侵蝕。黃土臺(tái)塬的侵蝕一般包括內(nèi)部侵蝕、坡面侵蝕和溝谷侵蝕幾類(lèi)。內(nèi)部侵蝕是當(dāng)?shù)乇硭餮亓严?、管道和孔隙等入滲黃土內(nèi)部的過(guò)程中，沿途攜帶黃土顆粒和可溶鹽分而導(dǎo)致的侵蝕，往往在黃土體內(nèi)形成孔洞、管道和裂隙面，并使其規(guī)模不斷增大。坡面侵蝕主要是流水作用坡面形成小的溝道，以及因地表水或地下水作用產(chǎn)生滑坡崩塌等災(zāi)害。溝道侵蝕主要以側(cè)蝕和底蝕兩種方式使溝道不斷變寬、加深，以及通過(guò)溯源侵蝕使溝道不斷向后延伸變長(zhǎng)。內(nèi)部侵蝕的主要后果是在黃土體內(nèi)部產(chǎn)生管道、空洞甚至導(dǎo)致地面塌陷，但因總體上黃土的滲透性相對(duì)較差，其內(nèi)部侵蝕一般不嚴(yán)重，對(duì)黃土地區(qū)人民生產(chǎn)生活不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。但坡面和溝道侵蝕不僅會(huì)致災(zāi)，而且會(huì)使黃土臺(tái)塬面積不斷縮小，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活甚至安全，需重點(diǎn)防控。

甘肅隴東地區(qū)慶陽(yáng)市的董志塬面積2840km2，是世界上面積和厚度最大的黃土臺(tái)塬，被稱(chēng)為“隴東糧倉(cāng)”。但近年來(lái)董志塬周?chē)鷾瞎炔粩喟l(fā)展，水土流失嚴(yán)重，臺(tái)塬面積逐漸萎縮，臺(tái)塬寬度已從唐代的32.0km減少到目前的17.5km，現(xiàn)在塬面面積僅剩960km2，土地年平均減少約690畝，一些溝谷甚至延伸到臺(tái)塬內(nèi)部，嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)和城市安全。為了減緩溝道侵蝕和崩塌滑坡災(zāi)害，2016年慶陽(yáng)市政府開(kāi)始實(shí)施以溝頭回填加固，防止溯源侵蝕為主的固溝保塬工程。但工程實(shí)施后觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，單一工程措施帶來(lái)的保塬效果并不理想，不僅回填邊坡本身遭受侵蝕，溝谷的底蝕和側(cè)蝕仍在持續(xù)發(fā)生。

為了有效控制流域性的土壤侵蝕，提出了如圖7所示的“蓄固攔排停”多措并舉的流域綜合防侵蝕策略。

“蓄”即塬面蓄水，構(gòu)建海綿體系，典型的措施有蓄水池、海綿城市系統(tǒng)等。這些措施既減少了水對(duì)坡面的沖刷量，也將水資源留存在塬面上，供人們使用。同時(shí)，海綿城市表現(xiàn)出優(yōu)秀的滲水、抗壓、耐磨、防滑以及環(huán)保美觀(guān)多彩、舒適易維護(hù)和吸音減噪等特點(diǎn)，成了“會(huì)呼吸”的城鎮(zhèn)景觀(guān)路面，也有效緩解了城市熱島效應(yīng)，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水釋放并加以利用。海綿城市是推動(dòng)綠色建筑建設(shè)，低碳城市發(fā)展，智慧城市形成的創(chuàng)新表現(xiàn)，是新時(shí)代特色背景下現(xiàn)代綠色新技術(shù)與社會(huì)、環(huán)境、人文等多種因素下的有機(jī)結(jié)合。

“固”即溝頭固坡，防止溯源侵蝕，典型的措施有道路護(hù)坡、梯田等。針對(duì)于黃土臺(tái)塬高原區(qū)和黃土殘塬溝壑區(qū)的主要地貌類(lèi)型為黃土塬，區(qū)域內(nèi)大溝谷深切割裂，多呈“V”型谷，溝頭固坡能夠有效減少坡面的侵蝕量，比如火巷溝的防侵蝕斜坡和防滑坡斜坡比沒(méi)有防護(hù)措施的斜坡分別減少了72.0%和56.4%的侵蝕量。針對(duì)于黃土殘塬長(zhǎng)墚區(qū)和黃土墚峁丘陵溝壑區(qū)的主要地貌類(lèi)型為黃土墚峁和黃土溝壑，塬面較破碎，多條溝谷侵蝕塬面，溯塬侵蝕和重力侵蝕活躍，多呈“U”型谷，梯田能夠有效減少坡面的侵蝕量，美化當(dāng)?shù)丨h(huán)境，增加農(nóng)民收入，使昔日的“三跑田”(三跑即：跑土、跑肥、跑水)變成“三保田”(三保即：保土、保肥、保水)，按照“梯田+科技+節(jié)水+產(chǎn)業(yè)”的綜合開(kāi)發(fā)模式，以整山整川整流域?yàn)閱卧?，發(fā)展特色高效產(chǎn)業(yè)，不斷提升梯田綜合效益。

“攔”即中游攔擋，避免底沖側(cè)蝕，典型的措施有攔擋壩、谷坊壩等。攔擋壩、谷坊壩工程都旨在降低流體速度，消弱運(yùn)動(dòng)能量，同時(shí)還可攔蓄泥沙，使溝底坡度平緩，河床固定，保護(hù)溝道。據(jù)資料，中小型淤地壩每公頃壩地淤積泥沙4.5～6.0萬(wàn)噸。與20世紀(jì)50年代相比，20世紀(jì)70年代黃河泥沙減少了42億噸，20世紀(jì)80年代共減少98億噸，淤地壩及其壩系工程的減沙效益占總攔蓄量60%～70%。淤地壩工程建成后形成平坦的人造平原，土壤濕潤(rùn)肥沃，抗旱能力強(qiáng)，作物產(chǎn)量高，比坡地增產(chǎn)3～10倍?？菟昝抗暜a(chǎn)糧2.2～3.7t，平水年每公頃產(chǎn)糧3.8～5.2t，豐水年每公頃產(chǎn)糧5.3～6.7t。

“排”即下游排導(dǎo)，減少溝道沖刷，典型的措施有排導(dǎo)槽、導(dǎo)流防護(hù)堤等。排導(dǎo)槽和導(dǎo)流防護(hù)堤起到合理排導(dǎo)、保持徑流暢通、固留液走的作用。合理排導(dǎo)泥沙，導(dǎo)向堆積場(chǎng)所，不與人類(lèi)生產(chǎn)生活產(chǎn)生矛盾，不堵塞河流。排導(dǎo)槽是利用已有的自然溝道或由人工開(kāi)挖及填筑形成有一定過(guò)流能力和平面形狀的開(kāi)敞式槽型過(guò)流建筑物，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工及維護(hù)方便、造價(jià)低廉、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)?！芭拧焙汀巴！笔倾暯悠饋?lái)的，“排”把泥沙“?！痹谶m當(dāng)?shù)奈恢?，再妥善處置?/p>

“停”即溝口停淤，控制進(jìn)河造地，典型的措施有停淤場(chǎng)、排導(dǎo)造地等。停淤場(chǎng)的主要作用是將固體堆積于適當(dāng)位置，不排向江河主體，不堵塞河流，部分地區(qū)還可將排導(dǎo)堆積的泥沙用于治溝造地造田。停淤場(chǎng)根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)堆積特點(diǎn)，利用天然有利地形，將流體引入選定的寬闊灘地或跨流域低地，使其自然減速后淤積；或者修建攔蓄工程，迫使其停淤的工程設(shè)施。同時(shí)，針對(duì)于黃土殘塬長(zhǎng)墚溝壑區(qū)的主要地貌類(lèi)型為黃土溝谷和黃土墚，溝谷溯塬侵蝕強(qiáng)烈，重力侵蝕活躍，多呈“U”型谷，溝底寬闊，人們可以利用停淤后的泥沙造地造田，實(shí)現(xiàn)“增良田、保生態(tài)、惠民生”的土地合理開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)建設(shè)為一體的溝道治理新模式。

當(dāng)然并不是任何流域和溝谷都適宜同時(shí)采取上述多種措施，需要根據(jù)實(shí)際情況選用和搭配組合?！靶罟虜r排停”多措并舉的流域綜合整治措施是通過(guò)控水、控變形等手段來(lái)達(dá)到目的，但要實(shí)現(xiàn)人與地和諧共處還需添加調(diào)的部分，比如都江堰水利工程，不是把水全堵住，有些地方堵，有些地方順，把調(diào)和控相結(jié)合。人地協(xié)調(diào)在順應(yīng)自然的前提下，有些地方是調(diào)還是控，調(diào)到它不再變形，根據(jù)現(xiàn)狀怎么去調(diào)就不會(huì)向病害去演化，把調(diào)的思想加到人地協(xié)調(diào)的概念里，是當(dāng)今科學(xué)研究的一大重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

4 運(yùn)營(yíng)階段通過(guò)調(diào)控恢復(fù)自然防止災(zāi)變

在工程運(yùn)營(yíng)階段，主要通過(guò)自然恢復(fù)和人工修復(fù)方式，使受工程影響區(qū)盡可能恢復(fù)到原始自然狀態(tài)或工程與自然和諧相處的狀態(tài)。

大自然具有很強(qiáng)的自我修復(fù)和恢復(fù)能力，即自組織能力。只要工程活動(dòng)的強(qiáng)度和規(guī)模不超過(guò)其承載力，經(jīng)歷一段時(shí)間后相關(guān)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境一般都會(huì)自我恢復(fù)，即現(xiàn)常說(shuō)的韌性和恢復(fù)力(Resilience)。當(dāng)然，也可通過(guò)人工干預(yù)使其快速恢復(fù)，做到安全工程、綠色工程，從而實(shí)現(xiàn)人-地協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

4.1 構(gòu)建天-空-地一體化多源協(xié)同觀(guān)測(cè)體系，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

近年來(lái)，現(xiàn)代遙感和測(cè)繪技術(shù)發(fā)展迅速，可通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)、航空平臺(tái)以及地面觀(guān)測(cè)平臺(tái)，從不同層次、不同角度，運(yùn)用不同的觀(guān)測(cè)技術(shù)和手段，實(shí)現(xiàn)天-空-地一體化的多源協(xié)同觀(guān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握工程建設(shè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境、地表變形等動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展演化，不僅可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和評(píng)估工程建設(shè)本身是否完全按照設(shè)計(jì)要求實(shí)施，是否存在違規(guī)、違章建設(shè)情況；而且還可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和評(píng)估對(duì)工程建設(shè)對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)和影響。更為重要的是，利用天-空-地多源立體觀(guān)測(cè)技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表緩慢變形和宏觀(guān)變形跡象的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和變化檢測(cè)，以此來(lái)提前識(shí)別和發(fā)現(xiàn)災(zāi)變隱患，評(píng)估災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)，并在成災(zāi)前提前預(yù)警(亓星等，2020)，確保工程建設(shè)和人員安全。圖8顯示了基于天-空-地一體化的工程災(zāi)變過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警防控體系基本思路與框架。

4.2 構(gòu)建自然和人工聯(lián)合的調(diào)控機(jī)制，盡快恢復(fù)自然

在工程建設(shè)中，一方面要充分利用自然本身的自我組織和調(diào)整、自我修復(fù)和恢復(fù)的特性和能力，為了加快恢復(fù)自然的進(jìn)度和強(qiáng)度，也可適度地人工干預(yù)和調(diào)控。例如，遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖9)，延安新區(qū)在大規(guī)模平山造城工程實(shí)施期間，其植被覆蓋率(NDVI值)急劇下降(圖中2013年)，表明工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境確實(shí)造成了一定的影響。但隨著時(shí)間的推移，通過(guò)自然恢復(fù)和適度的人工修復(fù)(植樹(shù)種草綠化)，從2013～2020年其N(xiāo)DVI值有了顯著的提高，并逐漸恢復(fù)到工程實(shí)施前的狀態(tài)。再比如，針對(duì)土壤侵蝕問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化和路網(wǎng)建設(shè)會(huì)改變地表水運(yùn)移路徑和方式，加劇侵蝕的發(fā)展，因此在運(yùn)營(yíng)期還需通過(guò)地表蓄、排、截水系統(tǒng)，構(gòu)建城市海綿系統(tǒng)減少水土流失，人為防控侵蝕。

5 結(jié) 論

黃土地區(qū)生態(tài)脆弱，為加快黃土地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來(lái)重大工程建設(shè)紛紛上馬，對(duì)相關(guān)區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成一定影響，并可能引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。為了最大限度地減少重大工程建設(shè)對(duì)自然環(huán)境帶來(lái)的影響和擾動(dòng)，主動(dòng)防控工程災(zāi)變的發(fā)生，本文提出黃土地區(qū)的重大工程建設(shè)全過(guò)程應(yīng)秉持基于自然的解決方案。通過(guò)本文研究，得到以下主要幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)基于自然的解決方案(即NBS)核心思想是通過(guò)保護(hù)、修復(fù)和管理自然或人工生態(tài)系統(tǒng)，有效和適應(yīng)性地應(yīng)對(duì)社會(huì)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。NBS是受到自然啟發(fā)和支持的解決方案，是一種既符合自然規(guī)律，又能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的綠色方案和方法，應(yīng)將NBS理念貫穿于黃土地區(qū)重大工程從規(guī)劃選址到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程、全壽命周期。

(2)在選址規(guī)劃階段充分利用和順應(yīng)自然。本文重點(diǎn)關(guān)注的重大工程主要包括平山造城、治溝造地、固溝保塬。在黃土高原的不同地區(qū)其地貌演化階段不同，表現(xiàn)出截然不同的地貌特征。在重大工程規(guī)劃選址時(shí)應(yīng)秉持充分利用自然和順應(yīng)自然，因地制宜的原則，選取適宜的地貌單元實(shí)施不同類(lèi)型的重大工程建設(shè)。在黃土地區(qū)尤其是人口聚集的城鎮(zhèn)，應(yīng)盡快構(gòu)建海綿系統(tǒng)，將雨水、污水等廢水變?yōu)樗Y源加以利用，即可解決水荒問(wèn)題，更可防災(zāi)和減少水土流失。

(3)在設(shè)計(jì)施工階段充分保護(hù)和適度改造自然。重大工程建設(shè)基于自然環(huán)境的“韌性”和資源環(huán)境承載力，把握好“度”，盡可能控制對(duì)自然環(huán)境改造的強(qiáng)度和規(guī)模，最大限度減少工程建設(shè)對(duì)自然環(huán)境的影響，更應(yīng)防止災(zāi)變的發(fā)生。具體可通過(guò)“三控”(控水、控變形、控侵蝕)的減災(zāi)措施，實(shí)現(xiàn)“三防”(防沉、防滑移、防侵蝕)的減災(zāi)目標(biāo)。

(4)在工程運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)通過(guò)自然和人工調(diào)控措施盡快恢復(fù)到原自然狀態(tài)。通過(guò)構(gòu)建天-空-地一體化多源協(xié)同觀(guān)測(cè)體系，對(duì)相關(guān)區(qū)域?qū)嵤╅L(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握工程建設(shè)進(jìn)程及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表形變，提前主動(dòng)發(fā)現(xiàn)災(zāi)變隱患和及時(shí)預(yù)警，確保工程和人員安全。同時(shí)應(yīng)通過(guò)自然恢復(fù)和適度人工修復(fù)方式，使相關(guān)區(qū)域的自然環(huán)境盡快恢復(fù)到原自然狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)人-地和諧共處。