張 旭,呂向軍,劉錦程

(1.水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,北京100120; 2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021;3.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龍江 牡丹江157005)

近年來國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度加大,對改善生態(tài)環(huán)境、推動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的要求也在逐步提升[1]。伴隨著我國進入新發(fā)展階段,“建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”“經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型”“讓綠色成為高質(zhì)量發(fā)展的鮮明底色”等都為水土保持工作帶來了新的機遇。但我國生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱和水土流失量大面廣、局部地區(qū)嚴(yán)重的狀況還沒有得到根本性轉(zhuǎn)變,水土流失防治成效尚不穩(wěn)固,水土保持工作中還存在不少薄弱環(huán)節(jié)[2]。作為落實“碳達峰”“碳中和”目標(biāo)的重要一環(huán),抽水蓄能電站工程建設(shè)規(guī)模大、工期長,受地形與地質(zhì)條件影響大,施工擾動面廣,工程建設(shè)過程中會對項目區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響,破壞原生植被,加劇水土流失[3]。因此,加強抽水蓄能電站工程項目區(qū)生態(tài)修復(fù),實現(xiàn)綠色發(fā)展,符合我國新發(fā)展階段生態(tài)文明建設(shè)的要求[4]。

抽水蓄能電站工程上下水庫高差較大,場內(nèi)道路首尾高差大、里程較長,開挖邊坡的生態(tài)修復(fù)是水土保持工作的重點。國內(nèi)關(guān)于邊坡生態(tài)修復(fù)的研究集中在礦山、高速公路[5]、水電工程[6-7]等多領(lǐng)域。針對高緯度寒冷地區(qū)氣候寒冷和植被生長周期短、后期生態(tài)修復(fù)難度大等特點,研究人員提出采取噴播技術(shù)[8]、改進植被混凝土組成材料[9]、優(yōu)化施工工藝[10-11]等建議,但是對于抽水蓄能電站擾動邊坡生態(tài)修復(fù)措施體系的研究成果較少。為貫徹落實綠色生態(tài)的工程理念和盡可能恢復(fù)開挖巖石邊坡植被群落、減少混凝土施工對邊坡生態(tài)的影響,本研究以黑龍江荒溝抽水蓄能電站為例,總結(jié)高緯度寒冷地區(qū)抽水蓄能電站擾動區(qū)域巖石坡面生態(tài)修復(fù)的施工工藝和方法,以及巖石坡面復(fù)綠的植物選擇—施工技術(shù)—后期養(yǎng)護措施體系,以利用項目區(qū)現(xiàn)有表土資源和可利用材料,快速復(fù)綠施工擾動區(qū)域,提高植被覆蓋率,達到后期免管護的目的,對于表土綜合利用、土質(zhì)及巖石坡面生態(tài)修復(fù)、黑土地保護等也具有一定借鑒意義。

1 項目區(qū)概況

黑龍江荒溝抽水蓄能電站是我國在建的緯度最高的抽水蓄能電站。項目區(qū)位于黑龍江省海林市三道河子鎮(zhèn),海拔200～700 m,最大高差500 m。屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū),夏季濕熱多雨,冬季漫長寒冷;年均氣溫3.2 ℃,最高氣溫37.5 ℃,最低氣溫-45.2 ℃,≥10 ℃活動積溫2 100～2 500 ℃;年均降水量572.7 mm,降水量年內(nèi)分配不均,主要集中在6—9月,期間降水量占年降水量的82%;年日照時數(shù)2 540 h,太陽總輻射量502 kJ/cm2,年無霜期短,年最大凍土深度191 cm。土壤類型主要為暗棕壤和沼澤土,其中暗棕壤占98%、沼澤土占2%;土層厚度20～40 cm,除表層有機質(zhì)含量較高(4%左右)外,土壤養(yǎng)分含量普遍較低且質(zhì)地較粗,不適宜農(nóng)墾。項目區(qū)原土地利用類型為林地,植被種類較少,垂直分布明顯,植被種群屬長白山植物區(qū)系,地帶性植被為針闊葉混交林;植被類型既有天然植被又有人工植被[12],天然植被中主要喬木樹種有山楊、黑樺、榆樹、水曲柳、黃檗、稠李等,主要灌木樹種有毛榛、胡枝子、玫瑰、杜鵑、茶條槭等,主要草種有石竹、白蓮蒿等,人工植被主要為樟子松、落葉松、紅松等。

2 坡面擾動情況

抽水蓄能電站工程項目區(qū)永久道路建設(shè)需要大量開挖邊坡,造成大量邊坡裸露,不僅破壞了生態(tài)環(huán)境,而且引發(fā)了嚴(yán)重的水土流失。道路建設(shè)開挖邊坡多為石質(zhì)邊坡,根據(jù)坡面穩(wěn)定及征地邊線要求,采取1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5坡比進行預(yù)裂孔爆破開挖,造成坡面凸凹不平。填方邊坡均為土石質(zhì)邊坡,坡度多緩于45°,坡面平順。永久道路施工時在傍山側(cè)坡頂及坡腳處分別布設(shè)了排水溝,開挖邊坡坡腳的碎落臺砌有混凝土護腳,高填方陡坡段建有路肩擋墻。

3 邊坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計要求

1)以工程措施為先導(dǎo),保證坡面排水通暢,在地質(zhì)條件適宜、基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下進行整個區(qū)域的生態(tài)修復(fù)。

2)因地制宜、因害設(shè)防、總體規(guī)劃、合理布局、科學(xué)配置。根據(jù)坡面情況確定防治措施布局、施工工藝及方法;依據(jù)植物垂直分布特征和分布高程,采取相適應(yīng)的植物配比;注重臨時措施的布設(shè)。

3)施工工藝及方法的選擇應(yīng)考慮利用工程已有材料,包括已剝離的表土、當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物等。結(jié)合主體工程施工時序和綠化施工時間,生態(tài)修復(fù)中要做到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理。

4)采取國內(nèi)外先進技術(shù),借鑒類似工程水土保持經(jīng)驗。植被恢復(fù)措施中樹草種以鄉(xiāng)土植物為主,根據(jù)項目區(qū)植被地帶性分布特征和生態(tài)修復(fù)原則,最大限度地發(fā)揮植物措施的生態(tài)效益,實現(xiàn)綠化美化效果,并注重與周邊景觀相協(xié)調(diào)。

5)落實水土保持“三同時”制度,完善工程水土流失防治措施體系,大幅減少施工過程中的人為水土流失。

4 邊坡綠化措施設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

4.1 植物品種選擇

按照適地適樹原則,以當(dāng)?shù)乜剐詮?、易購易成活作為植被選擇的基本要求,喬灌草搭配使用。根據(jù)不同植物根系特點,針對不同邊坡立地條件和地質(zhì)構(gòu)造特點等采取不同的邊坡植被恢復(fù)模式組合[13-14],達到重塑坡面生態(tài)、減少水土流失的目的。根據(jù)植物根系長度及坡面回填土層厚度選擇植物組合。為達到坡面植被措施竣工驗收后免管護的目的,將豆科植物與禾本科植物搭配使用,同時利用先鋒物種發(fā)芽早、生長速度快等特點,盡早實現(xiàn)水土保持效果。選擇的植物有紫苜蓿、紫羊茅、冰草、胡枝子、紫穗槐、衛(wèi)矛、花楸、山槐、紅花錦雞兒、沙棘、五味子、皂莢等12個品種,混合種子用量按50 g/m2施用。

4.2 綠化措施及主要施工工藝選擇

1)巖石坡面復(fù)綠措施的選擇。目前我國針對巖石坡面的復(fù)綠措施主要有厚層基質(zhì)噴覆、高次團粒噴播、液壓噴播[15]等。根據(jù)前期調(diào)研結(jié)合項目區(qū)實際,選擇高次團粒噴播技術(shù)進行巖石坡面綠化,選擇三維植被網(wǎng)技術(shù)進行土質(zhì)及土石質(zhì)邊坡綠化。為滿足工程快速復(fù)綠要求,在巖石坡面采取挖穴栽植灌草根芽,以達到盡快恢復(fù)坡面植被生境、減少水土流失的目的。

2)施工工藝的選擇。項目區(qū)內(nèi)表土砂礫和有機質(zhì)含量較高,傳統(tǒng)的濕噴工藝在施工過程中要對基材進行罐內(nèi)加水?dāng)嚢?這樣會造成土壤中黏粒與砂礫分層脫離,較重的砂礫會沉積到罐底,堵住噴播口,影響施工的同時還會對噴播質(zhì)量造成一定影響。為改善噴播效果,本項目考慮工程實際情況,將傳統(tǒng)的濕噴工藝改為干噴工藝,利用螺桿空壓機將各種基材進行攪拌,在噴播機械出口處將液體基材與拌和種子的土壤結(jié)合后直接進行坡面復(fù)綠作業(yè)。

3)基材配比。噴播基材包括表土、木纖維、混合種子、高次團粒劑、穩(wěn)定劑、保水劑、水等。其中:①表土?，F(xiàn)有邊坡表土砂礫含量較高,在使用前需要過篩和拌和有機肥。綠化用土組成為施工區(qū)剝離表土+有機肥(農(nóng)家肥),配制比例為9∶1(表土∶有機肥),即1 m3綠化土中表土0.9 m3、有機肥0.1 m3。②木纖維。傳統(tǒng)木纖維包括稻殼、粉碎秸稈、木質(zhì)化纖維物等。項目區(qū)地處林區(qū),項目建設(shè)前有很多菌類培育基地,菌類養(yǎng)殖產(chǎn)生了大量廢料——菌棒。經(jīng)現(xiàn)場試驗論證,菌棒一般由鋸末、玉米粉碎物等組成,粉碎后可作為木纖維使用。將廢棄菌棒作為基材之一,增加了噴播后坡面土壤團粒結(jié)構(gòu),還減少了廢棄菌棒的環(huán)境污染。③高次團粒劑及穩(wěn)定劑。依據(jù)坡面坡度,調(diào)整高次團粒劑及穩(wěn)定劑的配比。

5 實施及效果

5.1 施工工藝及施工方法

1)施工前對坡面進行清理和平整。將松散的巖渣及危險石塊清理干凈,拆除坡面障礙物,對局部邊坡不穩(wěn)定處進行清刷、加固等處理。

2)鉆孔采用手動干鉆施工法,鉆孔直徑比錨筋直徑大15 mm以上,同時要保證灌漿飽滿。錨筋安裝前應(yīng)將孔內(nèi)的巖粉和積水清理干凈。

3)噴射基材混合物之前將坡面沖刷干凈,以確保噴射基材混合物與坡面之間的良好黏結(jié)。

4)鋪網(wǎng)前,按密度9個/m2在坡面打好植生孔,在植生孔內(nèi)埋入山槐、胡枝子、紫穗槐等植物的根芽,用量2株/穴。選用健康、水分充足的根段,根段直徑以0.6～1.2 cm為佳,根段長度控制在20～25 cm。

5)在錨筋可受力后進行掛網(wǎng),注意網(wǎng)間搭接寬度,間隔30 cm用鐵絲或鋼絲繩綁扎牢固。鍍鋅網(wǎng)按邊坡形狀、尺寸取料加工,分布要均勻,綁扎要牢固,采用扣件或其他措施將鍍鋅網(wǎng)與錨筋交接處連接起來,以保證噴射基材混合物時鍍鋅網(wǎng)穩(wěn)固。

6)基材中的種子要求選用適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、根系發(fā)達、生根性強的多年生混合喬灌草種。在噴播前進行植被種子發(fā)芽試驗,保證發(fā)芽率達到95%以上方可使用,對于適生品種必要時可進行催芽處理。

7)鍍鋅網(wǎng)必須與坡面保持一定間距,以保證鍍鋅網(wǎng)保護層厚度。

8)噴射基材由表土、草炭土、木纖維、有機肥(腐熟)、無機復(fù)合肥、高次團粒劑、種子等經(jīng)嚴(yán)格配方后混合而成,采用專用高次團粒噴播設(shè)備進行作業(yè),噴播要求最小厚度不少于12 cm,施工時應(yīng)注意找平。

9)選擇在雨季前施工,考慮到項目區(qū)高寒等氣候特點,噴播截止日期要比當(dāng)?shù)爻跛掌谠?個月左右,以便給植物留夠生長時間,并做好植物越冬準(zhǔn)備。

5.2 水土保持措施實施效果

噴播作業(yè)安排在施工期的春季進行,一般在噴播作業(yè)完成后7 d左右植物種子開始發(fā)芽。噴播作業(yè)完成后1個月左右坡面植被覆蓋度達到90%以上,植被群落中的喬灌草結(jié)構(gòu)已初步形成;2 a后復(fù)綠坡面已達到免管護的效果,實施水土保持措施的區(qū)域水土流失控制比達1.0,林草植被恢復(fù)率達98%,人為水土流失得到有效控制,水土資源得到有效保護,生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)良性發(fā)展。

6 討論與分析

高緯度寒冷地區(qū)抽水蓄能電站工程項目區(qū)巖石坡面可利用剝離表土結(jié)合高次團粒噴播、坡面打孔綜合措施進行復(fù)綠,復(fù)綠植物選擇發(fā)芽率高、植被生長良好的當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土適生品種,噴射基材可使用當(dāng)?shù)匾延胁牧蠈崿F(xiàn)廢物利用。

1)項目區(qū)邊坡綠化采取干噴工藝,利用自身工程剝離的表土,無須外購表土;利用當(dāng)?shù)匾延械膹U棄菌棒作為噴射基材的木質(zhì)纖維,有助于減少環(huán)境污染,實現(xiàn)綜合利用;植物群落修復(fù)體系中,先是利用速生草種減少初期水土流失,再是胡枝子、紫穗槐等灌木成活后增強固土護坡效果,最后喬木發(fā)芽生長完善邊坡植被群落體系[13],形成喬灌草立體配置模式,增加植被群落多樣性。結(jié)合越冬期養(yǎng)護措施,實施效果滿足驗收要求,成功建立起免維護、不退化的植被系統(tǒng),并逐漸恢復(fù)到近自然植被群落狀態(tài)。

2)項目實施前需采取工程措施防止施工平臺匯水直接沖刷坡面;對一些較陡的土質(zhì)或土石質(zhì)邊坡綠化時,應(yīng)在坡面上采取一些輔助措施減緩坡度,以免植被種植后發(fā)生邊坡垮塌等情況;高緯度寒冷地區(qū)氣溫低、降雨少且相對集中,植被生長期短且初霜較早,除防范人為破壞及牲畜踐踏啃咬外,還應(yīng)加強植被的越冬期管護,防止凍害的發(fā)生。