高緯度寒冷地區巖石坡面植被恢復措施設計
——以黑龍江荒溝抽水蓄能電站工程為例

張 旭,呂向軍,劉錦程

(1.水利部 水利水電規劃設計總院,北京100120; 2.中水東北勘測設計研究有限責任公司,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)

近年來國家基礎設施建設投資力度加大,對改善生態環境、推動經濟社會可持續發展的要求也在逐步提升[1]。伴隨著我國進入新發展階段,“建設人與自然和諧共生的現代化”“經濟社會發展全面綠色轉型”“讓綠色成為高質量發展的鮮明底色”等都為水土保持工作帶來了新的機遇。但我國生態系統較為脆弱和水土流失量大面廣、局部地區嚴重的狀況還沒有得到根本性轉變,水土流失防治成效尚不穩固,水土保持工作中還存在不少薄弱環節[2]。作為落實“碳達峰”“碳中和”目標的重要一環,抽水蓄能電站工程建設規模大、工期長,受地形與地質條件影響大,施工擾動面廣,工程建設過程中會對項目區生態環境產生影響,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生態修復,實現綠色發展,符合我國新發展階段生態文明建設的要求[4]。

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

1 項目區概況

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。項目區位于黑龍江省海林市三道河子鎮,海拔200～700 m,最大高差500 m。屬大陸性季風氣候區,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,除表層有機質含量較高(4%左右)外,土壤養分含量普遍較低且質地較粗,不適宜農墾。項目區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永久道路建設需要大量開挖邊坡,造成大量邊坡裸露,不僅破壞了生態環境,而且引發了嚴重的水土流失。道路建設開挖邊坡多為石質邊坡,根據坡面穩定及征地邊線要求,采取1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5坡比進行預裂孔爆破開挖,造成坡面凸凹不平。填方邊坡均為土石質邊坡,坡度多緩于45°,坡面平順。永久道路施工時在傍山側坡頂及坡腳處分別布設了排水溝,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 邊坡生態修復設計要求

1)以工程措施為先導,保證坡面排水通暢,在地質條件適宜、基礎穩定的前提下進行整個區域的生態修復。

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

3)施工工藝及方法的選擇應考慮利用工程已有材料,包括已剝離的表土、當地鄉土植物等。結合主體工程施工時序和綠化施工時間,生態修復中要做到技術可行、經濟合理。

4)采取國內外先進技術,借鑒類似工程水土保持經驗。植被恢復措施中樹草種以鄉土植物為主,根據項目區植被地帶性分布特征和生態修復原則,最大限度地發揮植物措施的生態效益,實現綠化美化效果,并注重與周邊景觀相協調。

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 邊坡綠化措施設計關鍵技術

4.1 植物品種選擇

按照適地適樹原則,以當地抗性強、易購易成活作為植被選擇的基本要求,喬灌草搭配使用。根據不同植物根系特點,針對不同邊坡立地條件和地質構造特點等采取不同的邊坡植被恢復模式組合[13-14],達到重塑坡面生態、減少水土流失的目的。根據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芽早、生長速度快等特點,盡早實現水土保持效果。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)巖石坡面復綠措施的選擇。目前我國針對巖石坡面的復綠措施主要有厚層基質噴覆、高次團粒噴播、液壓噴播[15]等。根據前期調研結合項目區實際,選擇高次團粒噴播技術進行巖石坡面綠化,選擇三維植被網技術進行土質及土石質邊坡綠化。為滿足工程快速復綠要求,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。項目區內表土砂礫和有機質含量較高,傳統的濕噴工藝在施工過程中要對基材進行罐內加水攪拌,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合后直接進行坡面復綠作業。

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、穩定劑、保水劑、水等。其中:①表土。現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剝離表土+有機肥(農家肥),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。傳統木纖維包括稻殼、粉碎秸稈、木質化纖維物等。項目區地處林區,項目建設前有很多菌類培育基地,菌類養殖產生了大量廢料——菌棒。經現場試驗論證,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構,還減少了廢棄菌棒的環境污染。③高次團粒劑及穩定劑。依據坡面坡度,調整高次團粒劑及穩定劑的配比。

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。錨筋安裝前應將孔內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。

4)鋪網前,按密度9個/m2在坡面打好植生孔,在植生孔內埋入山槐、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,注意網間搭接寬度,間隔30 cm用鐵絲或鋼絲繩綁扎牢固。鍍鋅網按邊坡形狀、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與錨筋交接處連接起來,以保證噴射基材混合物時鍍鋅網穩固。

6)基材中的種子要求選用適應當地氣候環境、根系發達、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芽試驗,保證發芽率達到95%以上方可使用,對于適生品種必要時可進行催芽處理。

7)鍍鋅網必須與坡面保持一定間距,以保證鍍鋅網保護層厚度。

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

9)選擇在雨季前施工,考慮到項目區高寒等氣候特點,噴播截止日期要比當地初霜日期早2個月左右,以便給植物留夠生長時間,并做好植物越冬準備。

5.2 水土保持措施實施效果

噴播作業安排在施工期的春季進行,一般在噴播作業完成后7 d左右植物種子開始發芽。噴播作業完成后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構已初步形成;2 a后復綠坡面已達到免管護的效果,實施水土保持措施的區域水土流失控制比達1.0,林草植被恢復率達98%,人為水土流失得到有效控制,水土資源得到有效保護,生態環境實現良性發展。

6 討論與分析

高緯度寒冷地區抽水蓄能電站工程項目區巖石坡面可利用剝離表土結合高次團粒噴播、坡面打孔綜合措施進行復綠,復綠植物選擇發芽率高、植被生長良好的當地鄉土適生品種,噴射基材可使用當地已有材料實現廢物利用。

1)項目區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;利用當地已有的廢棄菌棒作為噴射基材的木質纖維,有助于減少環境污染,實現綜合利用;植物群落修復體系中,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。結合越冬期養護措施,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,并逐漸恢復到近自然植被群落狀態。

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;對一些較陡的土質或土石質邊坡綠化時,應在坡面上采取一些輔助措施減緩坡度,以免植被種植后發生邊坡垮塌等情況;高緯度寒冷地區氣溫低、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,還應加強植被的越冬期管護,防止凍害的發生。