李曉飛

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

范貴隆

(武警水電第二總隊八支隊 廈門 361009)

1 引言

邊坡生態(tài)工程(Slope Eco-Engineering，簡稱 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)三四十年代開始，德國、法國等西歐國家逐步開展了邊坡生態(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，還起到恢復(fù)植被，改善生態(tài)環(huán)境的作用。

隨著人們對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)水滴的重力超過葉面與水的附著力，便穿過枝葉間隙和枝干落至地面。截留伴隨著降雨整個過程。降雨停止時，植冠儲存的水分，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，導(dǎo)致地表徑流紊動強(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。枯枝落葉層達(dá)到一定厚度時，可以有效地降低雨滴降落地面時的沖擊力，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)定性評價。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程中濕潤鋒面與坡面垂直，減弱土壤水分沿坡面向下移動的趨向。

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、凍融等外營力破壞的抗侵蝕能力。包括深根的錨固和淺根的加筋兩個方面。

垂直分布的植物根系，穿過坡面土壤表層，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，通過植物的根系拱頂和斜向支撐作用，來穩(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力侵蝕的能力。蔣定生［3，4］等在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對根徑小于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，是將甲地生長的優(yōu)良健康的草坪按照一定的規(guī)格大小鏟起，運至平整后的邊坡，坡度一般為0.2% ～0.5%，按照一定的大小規(guī)格，逐塊鋪滿整個栽植地，使之迅速形成新草坪。這種方法具有成坪塊，鋪植簡便，施工期短，見效快等優(yōu)點。但其缺點是:?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，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，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程的綠化手段，具有以下特點:?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，為植被的生長提供了穩(wěn)定的人工環(huán)境;?縮短了建植養(yǎng)護(hù)時間和成本。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，還能促進(jìn)植物在坡面整齊、均勻的生長。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:?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、減少雨水沖刷帶來的流失;?工程造價大幅度降低，造價僅為混凝土護(hù)坡和干砌石護(hù)坡的1/7，漿砌塊石護(hù)坡的1/8，而且見效快。既美化了景觀，又降低了養(yǎng)護(hù)費;?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，對環(huán)境無二次污染。

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，有利于植被的生長，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:?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)費用;?相對于噴錨護(hù)坡及砌片石護(hù)坡，造價低，施工容易、簡便，生態(tài)環(huán)保，施工時不產(chǎn)生建筑垃圾和施工噪聲，可減少對于生態(tài)環(huán)境的破壞;?噴播作業(yè)時，能針對土壤中缺乏的元素成分和養(yǎng)料精確補充，更有利于植被的生長;?在石質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)中，可以為植被生長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，客土層與巖石分離的問題，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，將植被及其對坡面穩(wěn)定性的影響及土壤侵蝕過程結(jié)合起來，通過坡面植被的恢復(fù)，在坡面構(gòu)建一個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實現(xiàn)邊坡抗侵蝕、抗滑動和生態(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、社會效益和生態(tài)效益，在中國越來越重視環(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。

我國的邊坡生態(tài)防護(hù)工程技術(shù)開始于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)我國邊坡生態(tài)工程技術(shù)的發(fā)展，需要在以下幾個方面進(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)多采用國外草種，對于鄉(xiāng)土植物的選擇和培育不夠，出現(xiàn)植被適應(yīng)力差、生長緩慢等現(xiàn)象，還可能會引發(fā)次生生態(tài)問題。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，對于各類草籽在單位面積撒播量的配比問題，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，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，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，國內(nèi)大部分的邊坡生態(tài)工程都是直接引進(jìn)國外的生態(tài)材料。這樣做帶來兩個方面的不利因素:?護(hù)坡成本過高，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。盡管越來越多的人開始關(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)驗的發(fā)展階段，對它的理論認(rèn)識還落后于它的工程概念的實踐［9，10］。因此，我國需要進(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，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，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，1997，3(1):45-49.

8 黃小軍，陳兵.高速公路生態(tài)恢復(fù)若干問題探討［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］. 中國水土保持，2005，7:34-35.