植物措施在河道整治工程中的应用

植物措施在河道整治工程中的应用

0河道坡岸治理这是河流两岸的共同区域，也是防止河流过度干扰和污染的最后缓冲区。河岸的稳定性直接关系到水环境的质量和洪水的安全。河岸是控制河流形态的物质基础,在天然情况下,河岸总是处在不断的发展与变化之中,河岸后退和淤长是河流横向演变的重要方式。自然河岸多为斜坡式,人工河岸形式多样,但植物护坡仅适用于斜坡式河岸,即本文所称的坡岸。河道整治根据河流生态系统的退化程度和建设目标具体区别为河道恢复、河道修复和河道保育,但共同的一点是,河流生态系统的服务功能是建立在结构完整的河道坡岸之上的,所以河道整治一定程度上就是对坡岸的整治。传统的工程措施整治河道过渡硬化坡岸会隔断水域与陆地之间的物流、能量流和水流通道,减少生物多样性,降低生态系统稳定性和服务功能。浙江省在“万里清水河道”建设中转变观念,采取植物措施治理河道,并建设了试验示范区,立项开展相关研究。本文在该课题试验研究的基础上,对植物措施在河道整治中的固土护坡功能及其观测方法进行简要分析和探讨。1第一阶段:清水期20世纪2020植物护坡技术是指利用植被涵养水分、固土护坡、保护生态的功能,稳定土质边坡、保护河道水质、改善生态环境的一项综合治理措施,是涉及水利工程学、岩土工程学、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多种学科,工程与非工程相结合的综合技术。自然状态下的河道通常都有植物,包括常水位以下的河道水生植物,常水位以上、洪水位以下的河坡植物和河滩植物,以及洪水位以上的河堤植物,植物种类包括低矮的草本和地被植物、密集的灌木以及坚硬的乔木。随着人口的增长,人们对土地也有了更多的需求,对生活环境的要求也发生了变化。在这个阶段,往往出现人、水争地的矛盾,为了缓和矛盾,人们在河道整治中往往铲除河岸植物,取而代之以人工硬化河岸,以便利用尽可能窄的河道,输送人们需要的水资源,宣泄人们不需要的洪水。我国上世纪末的城市河道整治是这一阶段的典型代表,在一些新兴城市,甚至出现了人工渠化的三面光河道。随着经济的发展、生活水平的提高和人们对环境认识的深化,人们逐步改变了对河道功能的认识,出现了对过度硬化河道整治措施的批评。所以在新一轮河道整治过程中,人们开始重视生态治理和拟自然河道建设。浙江省万里清水河道建设工程的目标是“水清、流畅、岸绿、景美”。为了达到这个建设目标,各级财政在5a内投入100亿元资金,通过疏浚、护岸、绿化、截污等综合措施,治理河道10000km。为了配合工程建设,浙江省科技厅、水利厅分别立项,分析研究植物措施在拦污截污、固土护坡、水分涵养、美化环境方面的功能。课题组根据浙江省地理地貌分布情况,在全省范围内选择山区、丘陵区、平原和沿海围垦区等不同区域的河道建设试点工程,进行现场试验观测,以便为课题研究取得第一手资料。共建设7个试点工程,义乌市九都溪代表山区性河道;永康市酥溪、上虞市担山村河代表丘陵区河道;慈溪市新周家路江、海宁市辛江塘港代表平原河道;温岭市松建村南门溪和慈溪市云水浦排涝河代表沿海围垦区河道。针对不同类型河道在河道功能、水利特性、立地条件等各方面的特点和要求,配置了不同的植物群落模式。经过1a的试验和观测,各试点工程的植物长势良好,植物措施在固土护坡、拦污截污、美化环境等方面都发挥了较好的作用。本文仅研究岸坡植物的固土护坡功能,坡岸上群落结构都设计为乔木+灌木+草本。2不同立地条件下植物的机械作用河道坡岸植物重要的功能之一就是保持土壤,即固土护坡。在河岸坡面上的土壤侵蚀一般包括3个基本过程:①坡面土壤表层被雨水溅蚀、动物踩踏或机械耕作后疏松和破坏;②疏松土壤被坡面径流冲刷和搬运;③滑坡或崩塌导致的块体运动。从上游侵蚀到下游沉积,不同的立地条件表现不同的侵蚀方式。最终土壤流失是侵蚀力和土壤抗侵蚀力相互作用的结果,坡岸植物通过机械效用和水文效用减弱侵蚀力或增强抗侵蚀力而保持土壤。植物的机械效应主要是通过浅根的加筋作用和深根的锚固作用增加土壤的抗侵蚀能力,主要表现为根系与土壤的固结作用。植物的生长增加了土壤负荷,根系能加强土壤的聚合力,在土壤本身强度不变的情况下,通过根系的机械束缚增强根际土壤的总体强度,使其固结为一整体。同时,垂直根系把浅层根际土锚固到深处较稳定的土层上,更增强了土体的稳定性。同时植物体的机械作用还表现在对坡上物质起到阻挡和支持的作用,减少了块体运动的可能。植物水文效应主要是通过调节近地面气候、地表和地下水文状况,使植物生长地区的水循环途径发生一定变化,从而影响侵蚀力或坡面抗侵蚀力(表1)。3植物措施的作用河道边坡水土保持观测作为水土流失防治效果检测的依据之一,也是评价河道整治植物措施效果的基本依据。随着植物措施的实施,边坡水土流失在形式、分布、变化速度和强度都与原地貌状况下的自然水土流失存在着显著差别。主要表现在以下几个方面:时空变化速度快。时间上,植物措施的实施,初期需要开挖坡面,机械夷平,后期随着植物生长、根系发育,水土保持能力不断增强,水土流失面积减小、强度不断减弱;空间上,随施工位置和植物配置差异,各部位的水土流失特点各异。形式复杂。除面蚀、溅蚀、沟蚀和部分地段可能存在的重力侵蚀外,还伴随着植物措施建设过程中而产生的特殊形式的水土流失。如在变形受到约束的岸坡,植物根系有可能嵌入土壤,起到楔形嵌入的作用使坡面失去稳定性。在沿海地区河道、砂性土质坡岸,植物的自重和施加在其上的风力也会增加坡面失稳的可能。分布规律特殊。不同于自然水土流失呈规律性分布,而与植物措施实施的特性有关,它可能是点、线、面中的一种,也可能是多种形式的组合。流失强度减小。随着植物措施的实施,边坡坡面水土保持能力逐步增强,水土流失强度不断减小,同时给水土保持观测增加了难度。4坡岸水土保持功能的测量性由于上述特点,以及植被生长发育、工程进度和土壤条件的时空变化,河道坡岸所处位置的特殊性,在某种程度上限制了坡岸水土保持功能的可测量性。下面介绍几种能够用于河道坡岸水土保持观测的方法,并探讨其适用条件。4.1定量观测4.1.1测焊接钢焊接的平面布置河道坡岸植物措施完成后,选择典型坡段,将直径0.5～1cm、长50～100cm、类似钉子状的钢钎,根据坡面面积,按一定距离分上中下、左中右纵横3排、共9根布设。钢钎沿铅直方向打入坡面,钎帽与坡面齐平,并在钎帽上涂上红漆,编号登记入册。坡面面积较大时,适当加大钢钎密度。每次大暴雨后和汛期终了,观测钎帽距地面高度,计算土壤侵蚀厚度和总的土壤侵蚀量。测钎的平面布置示意图见图1(图中黑点部位即为测钎的布设位置;示意图中河道坡面的长度为3m×3m,测钎的布设面积为2m×2m)。计算公式如下A=ZS/1000cosθ式中A为土壤侵蚀量(m3);Z为侵蚀厚度(mm);S为水平投影面积(m2);θ为坡度值。4.1.2侵蚀量的计算经过现场查勘后,如果坡面存在细沟与浅沟,可采用侵蚀沟观测法进行观测。坡面内局部地段的细沟与浅沟蚀可采用样地横断面体积量测法。一个样地(B×L坡长)上等间距取若干个断面,每个断面上量测沟的总断面面积然后采用以下公式进行计算M=12γ∑i=1n(si+si+1)lΜ=12γ∑i=1n(si+si+1)l式中M为样地侵蚀量(t);si为第i个断面侵蚀沟的总断面面积(m2);si+1为第i+1个断面侵蚀沟的总面断面积(m2);l为样地断面间距(m);γ为土壤容重(t/m3)。侵蚀沟的断面面积可根据实际断面以梯形、三角形等断面形式计算。4.1.3坡面的定位和水土流失量的监测现阶段,河道的坡面在整理的过程中多数采用比较标准的断面,坡面比较整齐。坡面在经过降雨、风等因素的作用下会产生水土流失,坡面的地形就会发生变化,通过测量前后两次河道坡面的现状地形就可以量测出坡面的水土流失量。具体方法为:在河道坡面施工结束后,在河道的某一坡面的堤顶和坡脚设置永久性的标志,同时运用GPS进行辅助定位;定位工作结束后,在堤顶和坡脚放置一测绳,并将测绳拉直,然后沿测绳每20cm设置测量点,同时测量每个测量点坡面与测绳之间的距离,并记录。测量工作全部结束后就可以描绘出坡面的地形情况。每隔180d或者发生强降雨的情况下,要及时测量此时坡面的现状地形,经过两次测量结果的比较即可计算出该段时间所产生的水土流失量。布置情况示意图见图2。图2中实线为原坡面线,经过降雨等因素的作用,将会发生水土流失,坡面可能会变为如图中虚线所示。则图中实线和虚线之间的面积即为前后两次观测时段内单位宽度坡面的水土流失量。4.2定性观测4.2.1强度分级的确定目前通过调查只能获取定性的分级状况,要做到定量是很难的,仅仅可以从定性的角度进行强度分级;根据文献,可以采用地面坡度和林草覆盖度两项指标来确定,这两项指标在野外调查时比较容易获取。具体的分级情况见表2。4.2.2高水土流失强度分级对于水土流失比较严重的地区,侵蚀沟比较多的河道坡面,可以采用沟蚀调查的方法进行水土流失强度分级。沟蚀的水土流失强度分级主要采用沟壑密度和地面裂度(坡面上沟谷占坡面面积的比例)两个指标来判断。具体的分级情况见表3。沟壑密度计算公式为dg=Lg/A式中Lg为沟谷总长度;A为形成沟壑的面积。4.3草地植被生长增加利用上述观测方法在试点河道对坡岸水土流失进行了定期观测,随着植物生长,根系网络在坡面逐渐形成,特别是草本植物的快速生长使土壤保持能力得到迅速增强。植物群落郁蔽度的不断增加也为其他生物提供了稳定的生境,调查发现本地草本植物恢复也很快,盖度和多样性呈增加趋势,与种植植物共同发挥水土保持效益。植物的生长还改善了土壤条件,浅层土壤的抗剪强度明显增强。在植物种植初期,坡岸的流失强度高达8000～15000t/km·a,草本植物生长后,强度迅速降低至1200～1800t/km·a,1a以后,乔灌草立体植被形成,除个别河段由于结构不稳定导致重力侵蚀外,其它河段都已经没有明显的流失现象。植物措施的固土护坡功能明显,水土保持效果显著。5传统水土流失监测方法的局限性7个试点工程的观测结果表明,利用植物措施治理河道,保持坡岸土壤效果显著,在生态保护方面具有传统工程措施不可替代的优