护坡植物减缓地表径流效果研究

2013-09-08王慧子徐得潜王元立

中国水土保持 2013年9期

王慧子，徐得潜，陈慧，王元立

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

生态破坏和环境污染是人类面临的重大社会问题之一。保护生态环境，促进社会经济健康与可持续发展，已成为世界各国所面临的共同任务。采用传统砌石和砼进行护坡，虽对减轻坡面修建初期的不稳定及防止坡面遭侵蚀作用比较显著，但在降雨时，传统的护坡形式对由降雨径流带来的地表泥沙等固体悬浮物的拦截作用较差，会使这些固体悬浮物直接进入水体而造成水体污染。同时，传统砌石和砼等灰色防护破坏原有的表土层及原生植物群落，破坏了自然生态的和谐，且景观效果差［1］。采用生态护坡形式，不但能够防护浅层边坡，有效防止坡面水土流失，而且能够恢复已破坏的植被，美化环境，有效地解决了边坡工程防护和生态环境破坏的矛盾。因此，近年来生态护坡的应用受到了人们的广泛关注。

发达国家对环境污染和生态破坏问题的认识较早，20世纪就开始研究传统的护坡技术对环境和生态的影响，并提出了生态护坡的概念，如:20世纪80年代，德国和瑞士等国家就提出了“自然型护岸”技术［2］，并在90年代拆除已经修建的砼河道，采用自然型护岸对其进行生态恢复。目前，在美国及欧洲的一些国家，常用的生物护岸技术被称为土壤生物工程护岸技术［3-4］。我国对生态护坡的研究起步较晚，但近几年也取得了长足的发展，并在一些实际工程中运用，如在引滦入唐工程中，陈海波［5］提出网格反滤生物组合护坡技术。我国于1997年开始研究生态混凝土净水技术，主要研究方法是在河道修建生态护坡，通过模拟试验，监测一系列水质指标，分析评价生态护坡净化水质的效果，提出合理的生态护坡组合方案，如2008年蔡婧等［6］在上海市进木港生态河道示范区，通过现场模拟径流实验，研究了柴笼、灌丛垫、植草3种不同类型的生态护坡技术对地表径流的延滞作用和污染控制作用。

本研究着重分析护坡植物减缓地表径流的作用机理，并选取3种常用的护坡植物，通过降雨冲刷模拟试验，比较了这3种护坡植物减缓地表径流作用的大小，同时结合经济和景观因素，比选出较优护坡植物。

1 植物护坡作用的机理

在生态护坡中，植物具有截留降雨、削弱雨滴击溅和固结土壤、抑制地表径流产生等多种水文效应。生态护坡正是利用植物的这些水文效应，实现了在满足人们对防洪、航运、景观和生态等需求的前提下，兼具减缓地表径流的功能［7］。护坡植物通过以下几方面减缓地表径流，达到护坡及减轻径流污染的作用。

(1)截留降雨。在降雨过程中，植物茎叶能够将一部分降雨截留并暂时贮存起来，之后再重新蒸发到大气中。植物截留降雨的作用有效地降低了直接到达坡面的降雨量，削弱了雨水对坡面土体的直接侵蚀。

(2)削弱击溅作用。下落的雨滴打击在坡面上，把动能传递给土体，产生的分裂力使土壤颗粒分离飞溅。而植被能拦截高速下落的雨滴，分散雨滴、减少击溅能量及飞溅的土粒。坡面茎叶的缓冲作用不仅消耗雨滴大量的动能，而且能使大雨滴分解为小雨滴，从而降低了雨滴的动能，减少了雨滴对坡面土壤的击溅作用［8］。当植物枝叶茂密时，可以明显地削弱甚至消除雨滴对土壤的击溅破坏。

(3)固结土壤。植物的地上部分能够过滤径流中的泥沙，地下根系则密集分布于土体中，深根起到锚固的作用，浅根起到加筋的作用，有力地固结和约束着土壤颗粒，增加了土壤的抗剪强度［9］，有效地抵御了径流的冲刷，提高了土壤的抗蚀性。

(4)减缓地表径流，削减径流带入河道中的污染物数量［10］。木本植物的根茎和草本植物的茎叶能增加地表的粗糙度，减小地表径流的速度，增加雨水在土壤中的入渗量，有效地减少地表径流量，不但能削减河道的洪峰，而且还可以减少径流带入河道中的污染物数量。此外，生长过程中的植物根系在土体中挤出通道，根系衰老或死亡后收缩而留下来的土体空隙，使地表径流能顺着根土接触面和这些通道、空隙渗入土体，不仅增加了雨水在土壤中的下渗速度，同时也增大了土壤的蓄水容量。植被通过增加地表粗糙度、促渗、截留以及抑制蒸发蒸腾的联合作用，降低了地表径流的速度，减少了地表径流量。

2 护坡植物介绍

根据植物演替及生物多样性理论，生态护坡植物的选择应遵循以下原则:①所选植物最好是乡土类植物，或与当地已有植物种类一致，使之在播种后可以较快地融入当地的自然环境。②适应当地的气候、土壤条件(水分、pH值等)。③根系发达、生长迅速、抗逆性强(抗旱、抗寒、抗病虫害、耐贫瘠)，多年生。④种子易得，栽培管理粗放，成本低［1，11］。根据以上原则并参考工程中常用的护坡植物，选取狗牙根、香根草、麦冬3种植物作为试验研究对象。

(1)狗牙根。狗牙根系禾本科多年丛生的草本植物，广泛分布于我国的华北、西北、西南及长江中下游等地区，具有极发达的根状茎和细长的匍匐茎，匍匐茎扩展能力很强，长可达1～2 m，耐阴性和耐寒性较差，耐践踏，侵占能力强［12］。狗牙根种子的价格为44～64元/kg，播种量为15～28 g/m2(按发芽率为85%计)，草坪价格为2.1～4.5元/m2。

(2)香根草。香根草系禾本科多年丛生的草本植物，在华南、华东、西南等地均有分布。香根草密集簇生、根系粗壮，可深扎土中达3 m，有“世界上最长根系的草本植物”、“神奇牧草”之称［13］，具有水生和旱生两大特点，能抵御极度干旱和长时间的水涝，适应特别广的pH值范围，不管肥力如何，均能在任何类型的土壤上生长，在温度低至-9℃的条件下生长不受影响，被世界上100多个国家和地区列为理想的保持水土的植物。香根草种子价格为50～60元/kg，播种量为15～35 g/m2(按发芽率为85%计)，植株价格为0.05～0.15元/株。

(3)麦冬。麦冬系百合科沿阶草属多年生常绿草本植物，分布于江西、安徽、浙江、福建、四川、贵州、云南、广西等地，须根较粗壮，根的顶端或中部常膨大成为纺锤状的肉质小块，可入药。麦冬草病虫害少，播种一二年后即长势强健，仅靠自然降雨即可正常生长，无需修剪，管理非常方便，可以节约大量的水费和养护费用。麦冬种子价格为28～40元/kg，播种量为35～60 g/m2(按发芽率为 85%计)，植株价格为 38～56元/kg。

3 试验装置与试验方法

3.1 试验装置

试验装置如图1所示。该装置主要通过调节出水管阀门使喷洒管出水，模拟降雨对护坡坡面的冲刷场景，通过测定水中悬浮固体物浓度(SS)并与进水中的SS对比，计算出SS的去除率，以该指标衡量不同护坡植物减缓地表径流能力的大小。模拟护坡的尺寸为780 mm×500 mm，可拆卸更换不同植物护坡，本试验除了选取狗牙根、香根草、麦冬3种植物护坡外，还将传统的砼护坡作为试验的对照。同时模拟护坡的坡度可以在1∶2和1∶3之间进行调节，试验还对比了同种护坡在不同坡度条件下减缓地表径流的作用。

图1 降雨冲刷模拟试验装置

3.2 试验方法

考虑到城市降雨对生态护坡坡面的冲刷作用，查阅《室外排水设计规范》及相关文献，取重现期P=5年［14］，对应合肥地区降雨强度可查设计手册得q5=465 L/(s·hm2)。

装置出水管水量计算公式为

式中:Q为出水管流量，L/s;F为模拟坡面的汇水面积，m2;q5为降雨强度，L/(s·hm2)。

依式(1)计算出装置出水管流量Q=0.018 L/s。

2012年10 月16 日开始降雨冲刷模拟试验。试验开始时，首先在供试水箱中注入100 L预制配水(预制配水由取自沙颍河岸边的自然土壤风干过筛后加入自来水经充分搅拌配置而成)，然后调节出水管阀门使出水流量为0.018 L/s，此时水呈喷射状流出，由导流板流至模拟护坡，通过护坡植物拦截后慢慢流入出水槽，并由集水箱收集，将集水箱中水体搅拌均匀后取适量水样，按照GB/T 11901—1989规定测定水样中的SS含量。同一种模拟护坡类型在同一坡度下进行两次平行试验，测量结果取平均值作为最终结果。更换不同模拟护坡类型并调节不同坡度，继续进行试验直至试验完成。

4 试验结果与分析

降雨冲刷模拟试验数据列于表1。从表1可知，在同等暴雨强度下，不同植物对降雨径流携带的泥沙等悬浮固体污染物的拦截效果存在一定差异:麦冬坡的SS去除率为63.38% ～75.70%，香根草坡的为58.38% ～68.11%，狗牙根的为61.80% ～70.48%，砼坡的为30.61%～38.73%。植物护坡的拦截效果明显优于砼坡，各种植物按拦截效果大小排序为麦冬＞狗牙根＞香根草。出现这种结果的原因可能是由于麦冬植株较高，叶片繁茂并向下散开，在坡面上的覆盖较密，同时麦冬的须根粗壮，固土能力较好，所以麦冬护坡的拦截效果明显优于其他2种植物;狗牙根具有发达的根状茎和细长的匍匐茎，坡面覆盖率也较高，拦截效果次之;香根草地上部分密集丛生，但叶片基本呈直立状，不能很好地覆盖坡面，所以拦截效果要比麦冬和狗牙根差。从表1还可以看出，不同坡面坡度也会影响拦截效果，坡度越小拦截效果就越好。图2为模拟护坡SS去除率柱状图，该图更直观地反映出不同坡面覆盖对SS去除率的效果。

表1 降雨冲刷模拟试验结果

图2 模拟护坡SS去除率

5 结语

(1)生态护坡中的护坡植物，对径流携带的泥沙等悬浮固体污染物有一定的拦截作用，且能够减缓坡面径流。由模拟试验知，麦冬坡的 SS去除率为63.38% ～75.70%，香根草坡的为58.38% ～68.11%，狗牙根坡的为61.80%～70.48%。在试验的3种植物中，按拦截效果大小排序为麦冬＞狗牙根＞香根草。坡度大小对拦截效果也有一定的影响，坡度越小其拦截效果就越好。

(2)在本试验所选取的3种植物中，麦冬为多年生常绿草本植物，具有很好的景观效果，且在减缓坡面径流方面也表现出了良好的性能，但由于其本身具有药用价值，其价格明显高于香根草和狗牙根，就经济因素考虑，不适合作为护坡工程植物。因此，综合各方面因素看，狗牙根更适宜作为首选的护坡植物。

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