生態(tài)岸坡防護(hù)工程評(píng)價(jià)綜述與展望

李 婷,周津臣,楊子杰,于來(lái)會(huì),丁奠元

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000; 2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310000)

0 引 言

早在公元前28世紀(jì),中國(guó)將柳枝、竹子等編織成的籃子裝上石塊來(lái)穩(wěn)固河岸。歐洲起初采用柳枝編織籬笆的技術(shù),后來(lái)羅馬人將柳枝柴籠和草捆用于水利建筑工程防護(hù)中[1]。16,17世紀(jì)植物固土護(hù)坡應(yīng)用在河岸的加固和保護(hù)中,1633年日本采用鋪設(shè)草皮、栽種樹(shù)木的方法治理荒坡。20世紀(jì)70年代末,瑞士將德國(guó)的生物護(hù)岸法發(fā)展為近自然工法,80年代末提出自然型護(hù)岸技術(shù)[2]。植物固土護(hù)坡的理論研究與技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)初,初步發(fā)展于20世紀(jì)50年代。首次以植物護(hù)坡理論為主題的國(guó)際會(huì)議于1994年9月在英國(guó)召開(kāi)[3],此后植物護(hù)坡相關(guān)理論與研究進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)發(fā)展較快的時(shí)期,90年代后期植被護(hù)坡技術(shù)得到推廣應(yīng)用。21世紀(jì)后,通過(guò)引進(jìn)新技術(shù)和大量的理論與試驗(yàn)研究,生態(tài)綜合防治護(hù)坡技術(shù)日益成熟[4]。

植物固土護(hù)坡涉及巖土工程學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[5-6]。傳統(tǒng)河道建設(shè)側(cè)重于水力發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、排洪泄?jié)车冉?jīng)濟(jì)效益較高的工程。傳統(tǒng)河岸護(hù)坡形式多采用漿砌石、干砌塊石和現(xiàn)澆混凝土等硬性材料[7]。在河道治理初期,傳統(tǒng)河岸護(hù)坡雖然能夠提高岸坡穩(wěn)定性,減輕侵蝕,滿足行洪排澇的功能,但是巖石、混凝土等材料易隨時(shí)間風(fēng)化,不僅影響岸坡外觀質(zhì)量,而且在一定程度上降低了防護(hù)效果,影響了防護(hù)功能。此外,硬性材料阻斷了水體與岸坡土壤基質(zhì)之間的物質(zhì)與能量交換,大大減弱了護(hù)坡的生態(tài)效果,忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)及其動(dòng)植物和微生物的生存環(huán)境,阻礙了水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),對(duì)生態(tài)環(huán)境危害較大[3,7-9]。

為滿足生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求,兼顧岸坡穩(wěn)定性與生態(tài)性,生態(tài)防護(hù)的理念逐漸應(yīng)用到人工邊坡的治理和建設(shè)中[2,10]。與傳統(tǒng)河岸護(hù)坡形式不同,生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)有效利用了植物深厚的根系,發(fā)揮了生物措施固土護(hù)坡的作用。研究發(fā)現(xiàn),植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕方面具有積極作用[11]。生態(tài)防護(hù)技術(shù)還可以將生物措施與工程措施相結(jié)合,充分發(fā)揮植物莖葉的水文效應(yīng)與根系的力學(xué)效應(yīng)來(lái)固土護(hù)坡、防治滑坡[3,12]。在保證邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,形成水-土-生物之間的循環(huán)體系,增強(qiáng)坡面生物多樣性,改善人居環(huán)境,保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)[7,13]。目前,國(guó)內(nèi)外生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速,工程項(xiàng)目越來(lái)越多,但是相關(guān)理論研究發(fā)展較為緩慢,理論研究已經(jīng)滯后于工程實(shí)踐的發(fā)展。在對(duì)生態(tài)岸坡防護(hù)工程評(píng)價(jià)體系方面,前人研究主要集中在項(xiàng)目后評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)已建工程構(gòu)建綜合評(píng)判指標(biāo)體系,對(duì)生態(tài)護(hù)坡形式進(jìn)行優(yōu)選[14],少有研究涉及設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)價(jià)。因此,在理論研究方面,需進(jìn)一步系統(tǒng)梳理工程設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)價(jià)體系,以更好地提升生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的適用性和可靠性。

鑒于以上研究現(xiàn)狀和問(wèn)題,本研究基于已有研究成果,進(jìn)一步分析生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)介紹按照屬性和時(shí)間的生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)評(píng)價(jià)體系的分類、研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,以期為生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的理論發(fā)展、工程比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工建設(shè)提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

河流是城市貯存水源、防洪排澇和交通航運(yùn)的重要生態(tài)廊道[15]。河岸帶為一個(gè)獨(dú)立的自然生態(tài)系統(tǒng)。為了更直觀全面地評(píng)價(jià)河流功能,將河流功能分為自然功能、生態(tài)環(huán)境功能和社會(huì)服務(wù)功能[16]。河流各功能相互聯(lián)系、相互影響。生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)評(píng)價(jià)的分類按工程屬性評(píng)價(jià)主要分為功能性評(píng)價(jià)[17]、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[18]和生態(tài)性評(píng)價(jià)[19]等;按照評(píng)價(jià)時(shí)間可分為設(shè)計(jì)過(guò)程評(píng)價(jià)(功能評(píng)價(jià))和項(xiàng)目后評(píng)價(jià)(運(yùn)行評(píng)價(jià))。

1.1 功能性評(píng)價(jià)

健康的河岸帶應(yīng)具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、完整的功能和良好的自我調(diào)節(jié)能力。自然功能完整指的是健康的河岸帶作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng),有較強(qiáng)的防洪排澇抗沖刷等功能[20]。根據(jù)河道岸坡防護(hù)工程的特點(diǎn),生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)(工程)功能性評(píng)價(jià)體系主要包括防洪計(jì)算評(píng)價(jià)、防沖刷計(jì)算評(píng)價(jià)和抗滑穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)3個(gè)方面。

1.1.1防洪計(jì)算評(píng)價(jià)

生態(tài)護(hù)坡的根本目的是提升河道兩側(cè)坡地的固土護(hù)沙能力,使河堤起到更好的防洪作用。因此,在生態(tài)護(hù)坡建設(shè)中應(yīng)當(dāng)分清主次,選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)睾拥虒?shí)際情況的方式進(jìn)行護(hù)坡,避免出現(xiàn)護(hù)坡施工對(duì)當(dāng)?shù)睾拥坍a(chǎn)生破壞的現(xiàn)象[21]。在防洪工程中的堤坡應(yīng)采用生態(tài)材料進(jìn)行岸坡防護(hù),既符合生態(tài)要求,又改善沿河景觀[22]。現(xiàn)階段建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道行洪影響評(píng)價(jià)主要包括施工期和運(yùn)行期對(duì)河道行洪影響評(píng)價(jià)[23],對(duì)現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適應(yīng)性分析[24]。

河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)參照GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》,計(jì)算公式如下:

式中:Rfl為防洪工程達(dá)標(biāo)率,%;Lq為達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)的河流長(zhǎng)度,km;L為河流總長(zhǎng)度,km。

1.1.2防沖刷計(jì)算評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)河道整治工程中,護(hù)坡以漿砌塊石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土塊等剛性結(jié)構(gòu)體為主,雖然可以提高邊坡抗水流沖刷的能力,但降低了河道的生態(tài)功能,易導(dǎo)致河流渠道化[25]。而護(hù)坡植物覆蓋邊坡的侵蝕率低于無(wú)植物覆蓋邊坡,表明植物護(hù)坡能夠有效防止或減小降雨作用對(duì)土體的水土流失。

侵蝕率是土體坡面在遭受降雨沖刷時(shí)侵蝕強(qiáng)度變化的一個(gè)重要指標(biāo),其計(jì)算公式如下[26]:

式中:E為侵蝕率,g/min;Mt為徑流過(guò)程中收集到的泥沙質(zhì)量;t為時(shí)間。

1.1.3抗滑穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)

植物護(hù)坡工程中,植物根系源源不斷地吸取土壤中的水分,使土壤中的水分減少,孔隙水壓力降低,增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度,對(duì)保持邊坡的穩(wěn)定性有利[27]。河岸穩(wěn)定性取決于岸坡傾角、植被覆蓋度等多重因素[28]。護(hù)坡及護(hù)岸形式的選擇應(yīng)根據(jù)風(fēng)浪、水流、地質(zhì)、地形、施工條件、運(yùn)用要求等因素綜合比選確定[29]。

在生態(tài)護(hù)坡建設(shè)前期,應(yīng)做好原材料質(zhì)量的監(jiān)控管理,并對(duì)堤壩的環(huán)境、水利防洪工程對(duì)堤壩的影響進(jìn)行實(shí)地考察和綜合考量,尋求最佳生態(tài)護(hù)坡建設(shè)工程。建設(shè)后期,應(yīng)對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定[30]。分析堤坡穩(wěn)定性時(shí),分3種工況:① 工況一:臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位,背水側(cè)為相應(yīng)洪水位;② 工況二:臨水側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位,背水側(cè)為低水或無(wú)水;③ 工況三:洪水降落時(shí)對(duì)臨水側(cè)堤坡最不穩(wěn)定情況。3種工況條件下規(guī)范允許最小安全系數(shù)見(jiàn)表1[31]。

表1 不同工況條件下規(guī)范允許最小安全系數(shù)Tab.1 Minimum safety factors allowed by the specification under working conditions

當(dāng)計(jì)算最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)時(shí),可滿足防洪堤的安全穩(wěn)定性。河道治理段不良現(xiàn)象多為兩岸岸坡受洪水沖淘河岸,岸坎時(shí)有崩退,應(yīng)在保證河道原有的行洪斷面、盡量少占沿河兩岸耕地的前提下,以減少塌岸、穩(wěn)定河勢(shì)、加大河道行洪能力為主要目的,充分利用現(xiàn)有天然岸坎修建護(hù)岸工程以求穩(wěn)定河岸。選擇植物時(shí)以喬木和灌木相結(jié)合的搭配為基礎(chǔ),選擇具有頑強(qiáng)生命力、龐大根系的植物,可以有效降低水土流失,提高河堤防洪能力[32]。

1.2 生態(tài)性評(píng)價(jià)

河岸帶可以提供一系列生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù),例如生物多樣性保護(hù)、凈化水體和水土保持等。

1.2.1生物多樣性評(píng)價(jià)

生物多樣性對(duì)于河流生境改善以及河流生態(tài)修復(fù)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。一個(gè)穩(wěn)定的植物群落應(yīng)是種類豐富的混交群落,對(duì)于保證坡面人工群落的多樣性有著重要實(shí)踐意義[33]。草本植物能夠增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度,提高邊坡穩(wěn)定性,改善邊坡生態(tài)環(huán)境。在根系直徑和含根量相同時(shí),狗牙根較麥冬草的固土效果更好[34]。香根草為禾本科多年生草本植物,具有適應(yīng)性廣、抗逆性好、抗?jié)衬芰?qiáng)、根系長(zhǎng)勢(shì)迅猛、生長(zhǎng)深度大且根系力學(xué)性能強(qiáng)等特點(diǎn),是一種廣泛應(yīng)用的生態(tài)護(hù)坡與水土保持植物[35]。此外,根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,沙棘、沙打旺、山桃、杞柳、胡枝子、刺槐、油松、檸條、山杏、紅豆草可顯著提高土壤的抗蝕性能[27]。因此,岸坡工程需要綜合考慮草、灌、花、喬等多種類植物,形成優(yōu)美、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的景觀。采用“喬、灌優(yōu)先,草、藤、花結(jié)合,堅(jiān)持生物多樣性、近自然性和可持續(xù)性”,采用多種技術(shù)提高植物成活率和促進(jìn)植物生根、生長(zhǎng)和發(fā)育,提高植物的生理機(jī)能和抗逆性[36]。

不同地帶的適宜物種不同,評(píng)價(jià)指標(biāo)不同,結(jié)果也將有所差異,部分地區(qū)物種選擇分析如表2所列。實(shí)際工程應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn),豆科草本及灌木植物有較強(qiáng)的抗逆能力,且能改善土壤條件,景觀效果好,適合于都汶高速公路邊坡生存生長(zhǎng)[37]。工程實(shí)例證明早熟禾對(duì)于大慶地區(qū)特殊的氣候和環(huán)境條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性、抗寒抗旱抗貧瘠能力強(qiáng),但抗鹽堿能力較弱[38]。研究發(fā)現(xiàn)狗牙根+黑麥草混播方式能發(fā)揮不同草種的環(huán)境適應(yīng)能力,降雨截流作用明顯,可以給黃河下游堤坡帶來(lái)最大的生態(tài)效益,但后期管理要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和氣候變化及時(shí)調(diào)整[39]。前人研究也發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿、波斯菊和草木犀在黑龍江省松花江干流治理工程第十五標(biāo)段可以起到最佳的岸坡防護(hù)效果和生態(tài)適應(yīng)性[40]。

表2 物種選擇分析Tab.2 Species selection analysis

1.2.2凈化作用評(píng)價(jià)

農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題是中國(guó)長(zhǎng)期存在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重破壞了水體的生態(tài)平衡[41]。河岸帶植物可以對(duì)從陸地流向河流的各種有機(jī)物、無(wú)機(jī)物進(jìn)行過(guò)濾和吸收,進(jìn)一步影響營(yíng)養(yǎng)元素、泥沙和化學(xué)物質(zhì)等含量的空間分布[42]。建立河岸帶植被帶對(duì)于控制面源污染、改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的功能完整性、控制水體富營(yíng)養(yǎng)化和沼澤化等方面具有重要意義[4,42]。護(hù)坡環(huán)境特殊且復(fù)雜,分析不同植物的凈化作用對(duì)于提升護(hù)坡景觀性與生態(tài)性十分必要。不同植物的凈化效果見(jiàn)表3。

表3 植物凈化效果分析Tab.3 Analysis of plant purification effect

1.2.3水土保持作用評(píng)價(jià)

護(hù)岸植物對(duì)于防治水土流失具有重要意義?？梢蕴岣咄寥赖目箾_和抗蝕性能,降低由于徑流沖刷造成的水土及養(yǎng)分流失,并減少土壤蒸發(fā),增加水分入滲[47]。Mao等[48]通過(guò)仿真試驗(yàn)定量評(píng)價(jià)了植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定和水土保持的作用隨著根系結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化和環(huán)境條件變化而變化。郭碧花等[49]研究發(fā)現(xiàn)坡度對(duì)土壤物理性狀有著顯著影響,坡度越大,土壤容重和pH值越大而含水率越低,導(dǎo)致植物群落密度和蓋度降低,根系保水固土能力下降,加劇水土流失。除了以上土壤自身的理化性質(zhì)影響之外,影響植被護(hù)坡坡面水土流失的因素還包括植被自身因素(植被類型[50]、植被位置和格局[51])與外部環(huán)境、氣象和地形因素(土地利用方式[52]、坡度[53]、降雨量[54])等。不同地區(qū)適宜的護(hù)坡草種見(jiàn)表4。

表4 植物水土保持效果分析Tab.4 Effect analysis of plant soil and water conservation

除上述評(píng)價(jià)之外,生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)還可以通過(guò)組合植被類型調(diào)節(jié)小氣候,生態(tài)護(hù)坡中應(yīng)適當(dāng)增加樹(shù)木和草本植物的組合[58]。河岸帶對(duì)于碳固存也同樣重要[59],對(duì)于實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能[60]有著重要意義。河岸帶還可以實(shí)現(xiàn)土壤中水體、物質(zhì)和能量的交換[61]。大量枯枝落葉被河岸帶植被和附近相鄰的陸地生態(tài)系統(tǒng)輸入至河流中,通過(guò)分解成為河流生物的主要能量來(lái)源[42]。

1.3 綜合性評(píng)價(jià)

植物岸坡防護(hù)工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多,評(píng)價(jià)過(guò)程涉及了土壤、水分、氣候和地形等多種因素,是一項(xiàng)因素復(fù)雜且長(zhǎng)期持續(xù)的工作[6]。一般情況下,植被類型的選擇是護(hù)坡工程的關(guān)鍵[47]。設(shè)計(jì)人員通常會(huì)選擇根系發(fā)達(dá)、有較強(qiáng)生態(tài)適應(yīng)能力的草本植物,從而發(fā)揮其在分散地表徑流、保護(hù)邊坡表層土壤的重要作用[62]。目前,植物岸坡防護(hù)工程的評(píng)價(jià)方法主要包括以下3種。

1.3.1層次分析法

層次分析法最早在20世紀(jì)70年代由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家沙泰提出,通過(guò)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu),兩兩比較下層對(duì)上層因素的相對(duì)重要性并計(jì)算權(quán)重,對(duì)專家的經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行量化,可以清晰地反映出各相關(guān)因素的關(guān)系,但憑借單個(gè)決策者的判斷會(huì)加大主觀因素的影響[63-64]。

1.3.2模糊綜合評(píng)價(jià)法

該方法是一種將主觀判斷與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合,并對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法[65-66]。它可以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,評(píng)價(jià)結(jié)果可以直觀反映護(hù)坡工程質(zhì)量,減少了人為因素的影響,但對(duì)指標(biāo)權(quán)重矢量確定的主觀性較強(qiáng)。

1.3.3主成分分析法

主成分分析法對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理,但對(duì)指標(biāo)權(quán)重的確定帶有主觀性[67]。對(duì)于植物護(hù)坡工程,植被選擇是一個(gè)多指標(biāo)問(wèn)題。采用主成分分析方法對(duì)邊坡植被進(jìn)行選擇和評(píng)價(jià)在一定程度上避免了人為評(píng)分的主觀性,但難以避免評(píng)價(jià)指標(biāo)相互之間的相關(guān)性[68]。選擇科學(xué)合理的護(hù)坡工程評(píng)價(jià)方法,才能更好地將植物護(hù)坡應(yīng)用在邊坡工程上。護(hù)坡方式選擇分析見(jiàn)表5。

表5 護(hù)坡方式選擇分析Tab.5 Analysis on selection of slope protection methods

胡興等[69]研究證明多層次灰色評(píng)價(jià)法可以快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)護(hù)坡工程的質(zhì)量狀況,適用性較廣,但評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇和模型構(gòu)建還需要進(jìn)一步優(yōu)化。于洋等[70]運(yùn)用熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)法避免了單獨(dú)采用主觀經(jīng)驗(yàn)造成的片面性。由于護(hù)坡工程涉及范圍廣,不確定性因素多,如今越來(lái)越多的學(xué)者采用兩者或以上的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)護(hù)坡工程的質(zhì)量,評(píng)價(jià)體系不斷優(yōu)化完善。王松[71]綜合運(yùn)用主成分分析法-模糊層次評(píng)價(jià)法,有效解決了主成分法評(píng)價(jià)時(shí)權(quán)重相同的問(wèn)題,確保評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性;張宇航[72]綜合運(yùn)用層次分析法、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度法,克服了以往判斷矩陣的主觀性與離散型,使評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)可靠;許士國(guó)等[63]綜合運(yùn)用層次分析法、德?tīng)栰硨＜艺{(diào)查法和TOPSIS法,使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)時(shí)均能得到有效量化。由于主觀因素的影響,評(píng)價(jià)指標(biāo)各不相同?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)多從景觀性、生態(tài)效益、水土保持等方面入手,忽略了護(hù)坡穩(wěn)定性作為河岸護(hù)坡最基本的性質(zhì)[73]。

2 存在問(wèn)題

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面

目前關(guān)于護(hù)岸工程沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?，F(xiàn)如今缺乏公認(rèn)的、相對(duì)完整的評(píng)價(jià)護(hù)坡措施標(biāo)準(zhǔn),只能依靠對(duì)護(hù)坡措施的主觀判斷進(jìn)行判定,難以建立完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[74]。越來(lái)越多的研究學(xué)者側(cè)重于生態(tài)效益,根系作用下的土體抗剪強(qiáng)度與提高邊坡穩(wěn)定性等方面常被忽略。此外,大多學(xué)者只考慮了植物,而忽略了護(hù)坡上的微生物及整個(gè)生物群落,造成目前對(duì)生態(tài)護(hù)坡評(píng)價(jià)的盲目性和片面性,不利于生態(tài)護(hù)坡的建設(shè)與管理。在生態(tài)指標(biāo)的選取中,將碳排放的經(jīng)濟(jì)價(jià)值作為評(píng)價(jià)生態(tài)效益的衡量指標(biāo)[75],是評(píng)價(jià)護(hù)坡工程的新突破,但具體量化指標(biāo)尚未明確,以生態(tài)效益定量分析各種護(hù)坡形式仍具有一定的局限性。

2.2 評(píng)價(jià)方法不健全

建立護(hù)坡工程并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)后,需要選擇合適的評(píng)價(jià)方法。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡評(píng)價(jià)和方案比選時(shí)多采用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、灰色評(píng)價(jià)法和熵權(quán)法等[76]。對(duì)于建立的評(píng)價(jià)模型,部分學(xué)者采用一種評(píng)價(jià)方法會(huì)帶來(lái)一定的局限性,易受主觀因素的影響,很容易影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性,同時(shí)也會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果波動(dòng)很大。此外,現(xiàn)有的生態(tài)護(hù)坡評(píng)價(jià)大多只是考慮了護(hù)坡綠化,而非整體的生態(tài)系統(tǒng),沒(méi)有充分考慮護(hù)岸上的動(dòng)物和微生物的影響。

2.3 研究不深入

國(guó)內(nèi)對(duì)于護(hù)坡工程的研究已從純工程措施向生態(tài)河道技術(shù)的趨勢(shì)發(fā)展,但大多學(xué)者只從植物護(hù)坡技術(shù)本身出發(fā),定性描述植物護(hù)坡的定義、發(fā)展及水文、力學(xué)效應(yīng),忽略了對(duì)護(hù)坡工程的適宜性評(píng)價(jià)[77]。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)已逐漸成熟,但關(guān)于成本效益研究,尤其是生態(tài)效益研究,仍處于初級(jí)階段[78]。

3 前景與展望

3.1 碳排放量化評(píng)價(jià)

長(zhǎng)期以來(lái),中國(guó)積極將氣候變化問(wèn)題作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略[79-80]。水利工程作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,是碳排放的重要來(lái)源。如何在大力發(fā)展水利工程的同時(shí),量化碳足跡實(shí)現(xiàn)“雙碳”,是一個(gè)辯證問(wèn)題且需要學(xué)者持續(xù)關(guān)注。

河道工程建設(shè)需要消耗大量的能源與建筑材料,如何針對(duì)河道工程的特點(diǎn)和實(shí)際情況,尋找水利工程建設(shè)過(guò)程中降耗減排的措施和方法,并符合當(dāng)今綠色低碳發(fā)展的要求,是需要持續(xù)關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。

在建立護(hù)坡評(píng)價(jià)體系時(shí),應(yīng)以增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性為基礎(chǔ),兼顧景觀性和生態(tài)性,并提高生態(tài)效益的權(quán)重,構(gòu)建一個(gè)集河道、水流、植物為一體的河流生態(tài)系統(tǒng)[81]。在“雙碳”目標(biāo)的背景下,有待進(jìn)一步深入研究將碳排放量作為生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行岸坡工程評(píng)價(jià)。工程的碳排放量常常以碳足跡作為量化指標(biāo)。碳足跡的計(jì)量方法主要有實(shí)測(cè)法、全生命周期法和排放系數(shù)法[82],見(jiàn)表6[83-87]。

表6 碳足跡主要計(jì)量方法Tab.6 Main measurement methods of carbon footprint

對(duì)比3種碳足跡計(jì)量方法,全生命周期評(píng)價(jià)法較適合對(duì)水利工程進(jìn)行碳排放分析。由于水利工程規(guī)模大、工程量大、生命周期長(zhǎng),過(guò)程分析法難以精確計(jì)算碳足跡[84],該方法主要適用于小型水電工程。投入產(chǎn)出法計(jì)算較為粗略,因此復(fù)雜的大型水電工程采用過(guò)程分析與投入產(chǎn)出分析相結(jié)合的混合生命周期評(píng)價(jià)法[85]。所有在建造過(guò)程中用到的材料都應(yīng)該進(jìn)行碳足跡計(jì)算[88]。

過(guò)程分析法的計(jì)算流程如下[89]:① 建立工程建設(shè)流程圖,確定主要施工材料;② 確定工程排放碳量邊界;③ 收集碳排放因子。

在護(hù)坡工程中,主要用到的材料及其碳排放因子見(jiàn)表7。

表7 工程材料及其碳排放因子

在整個(gè)水電樞紐工程全生命周期中,運(yùn)行階段的溫室氣體排放量最大,持久時(shí)間最長(zhǎng)[90-91]。大型水電是清潔能源,能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境,大力開(kāi)發(fā)水電有助于減少溫室效應(yīng)[91]。為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化,應(yīng)將開(kāi)發(fā)水電與實(shí)踐減排結(jié)合起來(lái)。

在全生命周期理論基礎(chǔ)上,比較分析不同岸坡防護(hù)技術(shù)的材料與工藝特點(diǎn),篩選并確定碳排放因子,然后根據(jù)碳排放因子系數(shù)計(jì)算不同建筑材料的碳排放量。研究發(fā)現(xiàn),在整個(gè)水利工程中,建造階段產(chǎn)生的碳排放量最大,達(dá)到66.69%,原材料生產(chǎn)的碳排放量占整個(gè)建造階段的90%[91]。因此,碳足跡的量化評(píng)價(jià)可對(duì)護(hù)岸設(shè)計(jì)進(jìn)行初步優(yōu)選,使得斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,盡量減少工程量,并積極推廣使用低碳環(huán)保新材料。

3.2 系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)

河流岸坡作為陸地與水體的交錯(cuò)區(qū)域,是水陸物質(zhì)、信息、能量循環(huán)流通和交換的關(guān)鍵地帶,是河道生態(tài)系統(tǒng),乃至城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分。從植物生長(zhǎng)角度看,植物的適生性是選擇防護(hù)植物的一個(gè)關(guān)鍵要素[92]。選擇生命力頑強(qiáng)、根系龐大的植物,有利于促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行[32];也可以通過(guò)添加改良劑改善土壤特性,為植物生長(zhǎng)提供水分和養(yǎng)分,延長(zhǎng)植物存活周期[93]。從河岸帶生態(tài)系統(tǒng)角度看,需要綜合考慮流域土壤、植被與水文、人類活動(dòng)之間的耦合關(guān)系,預(yù)測(cè)未來(lái)氣候下的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律[42],提高河道岸坡應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力,才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)岸坡可持續(xù)健康發(fā)展。因此,在未來(lái)研究中,河道岸坡生態(tài)系統(tǒng)災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力評(píng)價(jià)和可持續(xù)性評(píng)價(jià)成為重要研究方向。

3.3 推廣BIM技術(shù)應(yīng)用

與一般土建工程相比,水利工程的工程規(guī)模大、工程周期長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)與施工易脫節(jié)[94-96]。因此BIM技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用于水利工程的設(shè)計(jì)、施工和管理等各個(gè)階段中[97],具有標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、流程化的特點(diǎn),打破了傳統(tǒng)CAD模式下信息脫節(jié)的狀況[98],還可以縮短工程建設(shè)周期,降低造價(jià)[96]。現(xiàn)如今BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)中,依托BIM技術(shù)可以快速獲取工程量清單,建立碳足跡評(píng)價(jià)模型進(jìn)行快速評(píng)價(jià),并提高計(jì)算精度[97]。在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)全生命周期進(jìn)行評(píng)估便于優(yōu)化評(píng)價(jià)決策[98]。對(duì)于河道工程,其長(zhǎng)度大、環(huán)境復(fù)雜,傳統(tǒng)造價(jià)分析普遍采用人工計(jì)算工程量,再導(dǎo)入造價(jià)分析軟件的方法。若將BIM技術(shù)應(yīng)用于河道工程中,可大幅度提高計(jì)算效率與精度[94]。BIM技術(shù)起初應(yīng)用在建筑工程,隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷優(yōu)化,現(xiàn)已開(kāi)始運(yùn)用到水利工程建設(shè)上,為防洪排澇提供了充足的技術(shù)支撐。BIM技術(shù)貫穿工程建設(shè)的全過(guò)程,在BIM基礎(chǔ)上量化河道工程的碳足跡將是一種新的研究趨勢(shì)。因此,生態(tài)河道岸坡工程應(yīng)積極推廣并應(yīng)用BIM技術(shù),響應(yīng)生態(tài)水利與智慧水利的戰(zhàn)略布局,實(shí)現(xiàn)水利減碳、水利固碳,為雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)水利智慧[99],進(jìn)一步完善生態(tài)河道岸坡工程評(píng)價(jià)體系。

3.4 拓展評(píng)價(jià)時(shí)空領(lǐng)域

生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)的評(píng)價(jià),應(yīng)進(jìn)一步拓展空間尺度和時(shí)間維度。在時(shí)間維度上,護(hù)坡工程竣工后,研究人員應(yīng)持續(xù)關(guān)注岸坡工程的質(zhì)量、運(yùn)行管理和維護(hù)情況,對(duì)相關(guān)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[87];可從多角度分析土壤-根系的相互作用,并適當(dāng)考慮沿坡入滲和徑流、蒸發(fā)和根系吸水的共同作用影響[100],評(píng)價(jià)不同時(shí)間步長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在空間維度上,基于河道的連續(xù)性,為進(jìn)一步發(fā)揮生態(tài)岸坡防護(hù)技術(shù)在城市典型空間的生態(tài)性和美觀性,可構(gòu)建更大空間內(nèi)的綜合功能評(píng)價(jià)。此外,居民生活質(zhì)量、娛樂(lè)消遣水平、城市綠化方面,都需在已有評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引進(jìn)和完善。

4 結(jié) 論

植物護(hù)坡工程在防洪排澇、防沖刷及增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性等水利功能方面起著重要作用,還可以提供增加生物多樣性、凈化水體和水土保持等一系列生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)。

對(duì)于評(píng)價(jià)過(guò)程中仍存在的一些問(wèn)題,例如評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面、評(píng)價(jià)方法不健全和研究不深入等,需要因地制宜,細(xì)化并完善評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇合適的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于加大生態(tài)指標(biāo)權(quán)重,將碳排放量納入生態(tài)指標(biāo)并在BIM基礎(chǔ)上量化護(hù)坡工程碳足跡的研究有待進(jìn)一步深入?？梢灾苯颖容^碳排放量的大小,確定岸坡防護(hù)工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,再結(jié)合多項(xiàng)評(píng)價(jià)方法分別從時(shí)間和空間維度上進(jìn)行綜合量化。