護坡植物減緩地表徑流效果研究

王慧子，徐得潛，陳 慧，王元立

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

生態破壞和環境污染是人類面臨的重大社會問題之一。保護生態環境，促進社會經濟健康與可持續發展，已成為世界各國所面臨的共同任務。采用傳統砌石和砼進行護坡，雖對減輕坡面修建初期的不穩定及防止坡面遭侵蝕作用比較顯著，但在降雨時，傳統的護坡形式對由降雨徑流帶來的地表泥沙等固體懸浮物的攔截作用較差，會使這些固體懸浮物直接進入水體而造成水體污染。同時，傳統砌石和砼等灰色防護破壞原有的表土層及原生植物群落，破壞了自然生態的和諧，且景觀效果差［1］。采用生態護坡形式，不但能夠防護淺層邊坡，有效防止坡面水土流失，而且能夠恢復已破壞的植被，美化環境，有效地解決了邊坡工程防護和生態環境破壞的矛盾。因此，近年來生態護坡的應用受到了人們的廣泛關注。

發達國家對環境污染和生態破壞問題的認識較早，20世紀就開始研究傳統的護坡技術對環境和生態的影響，并提出了生態護坡的概念，如:20世紀80年代，德國和瑞士等國家就提出了“自然型護岸”技術［2］，并在90年代拆除已經修建的砼河道，采用自然型護岸對其進行生態恢復。目前，在美國及歐洲的一些國家，常用的生物護岸技術被稱為土壤生物工程護岸技術［3-4］。我國對生態護坡的研究起步較晚，但近幾年也取得了長足的發展，并在一些實際工程中運用，如在引灤入唐工程中，陳海波［5］提出網格反濾生物組合護坡技術。我國于1997年開始研究生態混凝土凈水技術，主要研究方法是在河道修建生態護坡，通過模擬試驗，監測一系列水質指標，分析評價生態護坡凈化水質的效果，提出合理的生態護坡組合方案，如2008年蔡婧等［6］在上海市進木港生態河道示范區，通過現場模擬徑流實驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態護坡技術對地表徑流的延滯作用和污染控制作用。

本研究著重分析護坡植物減緩地表徑流的作用機理，并選取3種常用的護坡植物，通過降雨沖刷模擬試驗，比較了這3種護坡植物減緩地表徑流作用的大小，同時結合經濟和景觀因素，比選出較優護坡植物。

1 植物護坡作用的機理

在生態護坡中，植物具有截留降雨、削弱雨滴擊濺和固結土壤、抑制地表徑流產生等多種水文效應。生態護坡正是利用植物的這些水文效應，實現了在滿足人們對防洪、航運、景觀和生態等需求的前提下，兼具減緩地表徑流的功能［7］。護坡植物通過以下幾方面減緩地表徑流，達到護坡及減輕徑流污染的作用。

(1)截留降雨。在降雨過程中，植物莖葉能夠將一部分降雨截留并暫時貯存起來，之后再重新蒸發到大氣中。植物截留降雨的作用有效地降低了直接到達坡面的降雨量，削弱了雨水對坡面土體的直接侵蝕。

(2)削弱擊濺作用。下落的雨滴打擊在坡面上，把動能傳遞給土體，產生的分裂力使土壤顆粒分離飛濺。而植被能攔截高速下落的雨滴，分散雨滴、減少擊濺能量及飛濺的土粒。坡面莖葉的緩沖作用不僅消耗雨滴大量的動能，而且能使大雨滴分解為小雨滴，從而降低了雨滴的動能，減少了雨滴對坡面土壤的擊濺作用［8］。當植物枝葉茂密時，可以明顯地削弱甚至消除雨滴對土壤的擊濺破壞。

(3)固結土壤。植物的地上部分能夠過濾徑流中的泥沙，地下根系則密集分布于土體中，深根起到錨固的作用，淺根起到加筋的作用，有力地固結和約束著土壤顆粒，增加了土壤的抗剪強度［9］，有效地抵御了徑流的沖刷，提高了土壤的抗蝕性。

(4)減緩地表徑流，削減徑流帶入河道中的污染物數量［10］。木本植物的根莖和草本植物的莖葉能增加地表的粗糙度，減小地表徑流的速度，增加雨水在土壤中的入滲量，有效地減少地表徑流量，不但能削減河道的洪峰，而且還可以減少徑流帶入河道中的污染物數量。此外，生長過程中的植物根系在土體中擠出通道，根系衰老或死亡后收縮而留下來的土體空隙，使地表徑流能順著根土接觸面和這些通道、空隙滲入土體，不僅增加了雨水在土壤中的下滲速度，同時也增大了土壤的蓄水容量。植被通過增加地表粗糙度、促滲、截留以及抑制蒸發蒸騰的聯合作用，降低了地表徑流的速度，減少了地表徑流量。

2 護坡植物介紹

根據植物演替及生物多樣性理論，生態護坡植物的選擇應遵循以下原則:①所選植物最好是鄉土類植物，或與當地已有植物種類一致，使之在播種后可以較快地融入當地的自然環境。②適應當地的氣候、土壤條件(水分、pH值等)。③根系發達、生長迅速、抗逆性強(抗旱、抗寒、抗病蟲害、耐貧瘠)，多年生。④種子易得，栽培管理粗放，成本低［1，11］。根據以上原則并參考工程中常用的護坡植物，選取狗牙根、香根草、麥冬3種植物作為試驗研究對象。

(1)狗牙根。狗牙根系禾本科多年叢生的草本植物，廣泛分布于我國的華北、西北、西南及長江中下游等地區，具有極發達的根狀莖和細長的匍匐莖，匍匐莖擴展能力很強，長可達1～2 m，耐陰性和耐寒性較差，耐踐踏，侵占能力強［12］。狗牙根種子的價格為44～64元/kg，播種量為15～28 g/m2(按發芽率為85%計)，草坪價格為2.1～4.5元/m2。

(2)香根草。香根草系禾本科多年叢生的草本植物，在華南、華東、西南等地均有分布。香根草密集簇生、根系粗壯，可深扎土中達3 m，有“世界上最長根系的草本植物”、“神奇牧草”之稱［13］，具有水生和旱生兩大特點，能抵御極度干旱和長時間的水澇，適應特別廣的pH值范圍，不管肥力如何，均能在任何類型的土壤上生長，在溫度低至-9℃的條件下生長不受影響，被世界上100多個國家和地區列為理想的保持水土的植物。香根草種子價格為50～60元/kg，播種量為15～35 g/m2(按發芽率為85%計)，植株價格為0.05～0.15元/株。

(3)麥冬。麥冬系百合科沿階草屬多年生常綠草本植物，分布于江西、安徽、浙江、福建、四川、貴州、云南、廣西等地，須根較粗壯，根的頂端或中部常膨大成為紡錘狀的肉質小塊，可入藥。麥冬草病蟲害少，播種一二年后即長勢強健，僅靠自然降雨即可正常生長，無需修剪，管理非常方便，可以節約大量的水費和養護費用。麥冬種子價格為28～40元/kg，播種量為35～60 g/m2(按發芽率為 85%計)，植株價格為 38～56元/kg。

3 試驗裝置與試驗方法

3.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。該裝置主要通過調節出水管閥門使噴灑管出水，模擬降雨對護坡坡面的沖刷場景，通過測定水中懸浮固體物濃度(SS)并與進水中的SS對比，計算出SS的去除率，以該指標衡量不同護坡植物減緩地表徑流能力的大小。模擬護坡的尺寸為780 mm×500 mm，可拆卸更換不同植物護坡，本試驗除了選取狗牙根、香根草、麥冬3種植物護坡外，還將傳統的砼護坡作為試驗的對照。同時模擬護坡的坡度可以在1∶2和1∶3之間進行調節，試驗還對比了同種護坡在不同坡度條件下減緩地表徑流的作用。

圖1 降雨沖刷模擬試驗裝置

3.2 試驗方法

考慮到城市降雨對生態護坡坡面的沖刷作用，查閱《室外排水設計規范》及相關文獻，取重現期P=5年［14］，對應合肥地區降雨強度可查設計手冊得q5=465 L/(s·hm2)。

裝置出水管水量計算公式為

式中:Q為出水管流量，L/s;F為模擬坡面的匯水面積，m2;q5為降雨強度，L/(s·hm2)。

依式(1)計算出裝置出水管流量Q=0.018 L/s。

2012年10 月16 日開始降雨沖刷模擬試驗。試驗開始時，首先在供試水箱中注入100 L預制配水(預制配水由取自沙潁河岸邊的自然土壤風干過篩后加入自來水經充分攪拌配置而成)，然后調節出水管閥門使出水流量為0.018 L/s，此時水呈噴射狀流出，由導流板流至模擬護坡，通過護坡植物攔截后慢慢流入出水槽，并由集水箱收集，將集水箱中水體攪拌均勻后取適量水樣，按照GB/T 11901—1989規定測定水樣中的SS含量。同一種模擬護坡類型在同一坡度下進行兩次平行試驗，測量結果取平均值作為最終結果。更換不同模擬護坡類型并調節不同坡度，繼續進行試驗直至試驗完成。

4 試驗結果與分析

降雨沖刷模擬試驗數據列于表1。從表1可知，在同等暴雨強度下，不同植物對降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果存在一定差異:麥冬坡的SS去除率為63.38% ～75.70%，香根草坡的為58.38% ～68.11%，狗牙根的為61.80% ～70.48%，砼坡的為30.61%～38.73%。植物護坡的攔截效果明顯優于砼坡，各種植物按攔截效果大小排序為麥冬＞狗牙根＞香根草。出現這種結果的原因可能是由于麥冬植株較高，葉片繁茂并向下散開，在坡面上的覆蓋較密，同時麥冬的須根粗壯，固土能力較好，所以麥冬護坡的攔截效果明顯優于其他2種植物;狗牙根具有發達的根狀莖和細長的匍匐莖，坡面覆蓋率也較高，攔截效果次之;香根草地上部分密集叢生，但葉片基本呈直立狀，不能很好地覆蓋坡面，所以攔截效果要比麥冬和狗牙根差。從表1還可以看出，不同坡面坡度也會影響攔截效果，坡度越小攔截效果就越好。圖2為模擬護坡SS去除率柱狀圖，該圖更直觀地反映出不同坡面覆蓋對SS去除率的效果。

表1 降雨沖刷模擬試驗結果

圖2 模擬護坡SS去除率

5 結語

(1)生態護坡中的護坡植物，對徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物有一定的攔截作用，且能夠減緩坡面徑流。由模擬試驗知，麥冬坡的 SS去除率為63.38% ～75.70%，香根草坡的為58.38% ～68.11%，狗牙根坡的為61.80%～70.48%。在試驗的3種植物中，按攔截效果大小排序為麥冬＞狗牙根＞香根草。坡度大小對攔截效果也有一定的影響，坡度越小其攔截效果就越好。

(2)在本試驗所選取的3種植物中，麥冬為多年生常綠草本植物，具有很好的景觀效果，且在減緩坡面徑流方面也表現出了良好的性能，但由于其本身具有藥用價值，其價格明顯高于香根草和狗牙根，就經濟因素考慮，不適合作為護坡工程植物。因此，綜合各方面因素看，狗牙根更適宜作為首選的護坡植物。

［1］周德培，張俊云.植被護坡工程技術［M］.北京:人民交通出版社，2003:1-2.

［2］楊蕓.論多自然型河流治理法對河流生態環境的影響［J］.四川環境，1999，18(1):19-24.

［3］保洛·迪·皮特羅.土壤生物工程與生態系統［J］.水利水電快報，2002，23(4):32-33.

［4］戴爾·米勒.美國的生物護岸工程［J］.水利水電快報，2000，21(12):8-10.

［5］陳海波.網格反濾生物組合護坡技術在引灤入唐工程中的應用［J］.中國農村水利水電，2001(8):47-48.

［6］蔡婧，李小平，陳小華.河道生態護坡對地表徑流的污染控制［J］.環境科學學報，2008，28(7):1326-1334.

［7］張清春，劉寶元，翟剛.植被與水土流失研究綜述［J］.水土保持研究，2002，9(4):96-101.

［8］譚少華，汪益敏.高速公路邊坡生態防護技術研究進展及思考［J］.水土保持研究，2004，11(3):81-84.

［9］劉定輝，李勇.植被根系提高土壤抗侵蝕性機理研究［J］.水土保持學報，2003，17(3):34-37.

［10］王玲玲.植被護坡技術的機理分析［J］.山西建筑，2010，36(20):348-349.

［11］段曉明，苗增健，劉連新，等.生態護坡應用及護坡植物群落的選擇［J］.安徽農業科技，2009，37(31):15327-15329，15339.

［12］夏漢平，敖惠修，劉世忠，等.北江大堤植草護坡效應研究［J］.熱帶地理，2002，22(4):359-362.

［13］張宏波，姚環，林燕濱.香根草護坡穩定性效果淺析［J］.土工基礎，2008，22(1):52-55.

［14］余瑞彰，李秀艷，孟飛琴，等.模擬裝置研究綠地系統在暴雨徑流污染控制中的作用［J］.安全與環境學報，2008，8(6):34-38.