生态岸坡防护工程评价综述与展望

李 婷,周津臣,杨子杰,于来会,丁奠元

(1.扬州大学 水利科学与工程学院,江苏 扬州 225000; 2.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司,浙江 杭州 310000)

0 引 言

早在公元前28世纪,中国将柳枝、竹子等编织成的篮子装上石块来稳固河岸。欧洲起初采用柳枝编织篱笆的技术,后来罗马人将柳枝柴笼和草捆用于水利建筑工程防护中[1]。16,17世纪植物固土护坡应用在河岸的加固和保护中,1633年日本采用铺设草皮、栽种树木的方法治理荒坡。20世纪70年代末,瑞士将德国的生物护岸法发展为近自然工法,80年代末提出自然型护岸技术[2]。植物固土护坡的理论研究与技术应用始于20世纪初,初步发展于20世纪50年代。首次以植物护坡理论为主题的国际会议于1994年9月在英国召开[3],此后植物护坡相关理论与研究进入了一个相对发展较快的时期,90年代后期植被护坡技术得到推广应用。21世纪后,通过引进新技术和大量的理论与试验研究,生态综合防治护坡技术日益成熟[4]。

植物固土护坡涉及岩土工程学、生物学、生态学、植物学、土壤学等多个领域[5-6]。传统河道建设侧重于水力发电、灌溉、航运、排洪泄涝等经济效益较高的工程。传统河岸护坡形式多采用浆砌石、干砌块石和现浇混凝土等硬性材料[7]。在河道治理初期,传统河岸护坡虽然能够提高岸坡稳定性,减轻侵蚀,满足行洪排涝的功能,但是岩石、混凝土等材料易随时间风化,不仅影响岸坡外观质量,而且在一定程度上降低了防护效果,影响了防护功能。此外,硬性材料阻断了水体与岸坡土壤基质之间的物质与能量交换,大大减弱了护坡的生态效果,忽略了河流生态系统及其动植物和微生物的生存环境,阻碍了水生态循环系统,对生态环境危害较大[3,7-9]。

为满足生态文明建设的发展要求,兼顾岸坡稳定性与生态性,生态防护的理念逐渐应用到人工边坡的治理和建设中[2,10]。与传统河岸护坡形式不同,生态岸坡防护技术有效利用了植物深厚的根系,发挥了生物措施固土护坡的作用。研究发现,植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面具有积极作用[11]。生态防护技术还可以将生物措施与工程措施相结合,充分发挥植物茎叶的水文效应与根系的力学效应来固土护坡、防治滑坡[3,12]。在保证边坡稳定的基础上,形成水-土-生物之间的循环体系,增强坡面生物多样性,改善人居环境,保护生态系统[7,13]。目前,国内外生态岸坡防护技术发展迅速,工程项目越来越多,但是相关理论研究发展较为缓慢,理论研究已经滞后于工程实践的发展。在对生态岸坡防护工程评价体系方面,前人研究主要集中在项目后评价,通过对已建工程构建综合评判指标体系,对生态护坡形式进行优选[14],少有研究涉及设计过程的评价。因此,在理论研究方面,需进一步系统梳理工程设计过程的评价体系,以更好地提升生态岸坡防护技术的适用性和可靠性。

鉴于以上研究现状和问题,本研究基于已有研究成果,进一步分析生态岸坡防护技术(工程)研究现状,系统介绍按照属性和时间的生态岸坡防护技术(工程)评价体系的分类、研究现状和存在的问题,以期为生态岸坡防护技术的理论发展、工程比选、结构设计和施工建设提供参考。

1 研究现状

河流是城市贮存水源、防洪排涝和交通航运的重要生态廊道[15]。河岸带为一个独立的自然生态系统。为了更直观全面地评价河流功能,将河流功能分为自然功能、生态环境功能和社会服务功能[16]。河流各功能相互联系、相互影响。生态岸坡防护技术(工程)评价的分类按工程属性评价主要分为功能性评价[17]、经济性评价[18]和生态性评价[19]等;按照评价时间可分为设计过程评价(功能评价)和项目后评价(运行评价)。

1.1 功能性评价

健康的河岸带应具备稳定的结构、完整的功能和良好的自我调节能力。自然功能完整指的是健康的河岸带作为一个生态系统,有较强的防洪排涝抗冲刷等功能[20]。根据河道岸坡防护工程的特点,生态岸坡防护技术(工程)功能性评价体系主要包括防洪计算评价、防冲刷计算评价和抗滑稳定性计算评价3个方面。

1.1.1防洪计算评价

生态护坡的根本目的是提升河道两侧坡地的固土护沙能力,使河堤起到更好的防洪作用。因此,在生态护坡建设中应当分清主次,选择适应当地河堤实际情况的方式进行护坡,避免出现护坡施工对当地河堤产生破坏的现象[21]。在防洪工程中的堤坡应采用生态材料进行岸坡防护,既符合生态要求,又改善沿河景观[22]。现阶段建设项目对河道行洪影响评价主要包括施工期和运行期对河道行洪影响评价[23],对现有防洪标准进行适应性分析[24]。

河道的防洪标准参照GB 50201-2014《防洪标准》,计算公式如下:

式中:Rfl为防洪工程达标率,%;Lq为达到防洪标准的河流长度,km;L为河流总长度,km。

1.1.2防冲刷计算评价

在传统河道整治工程中,护坡以浆砌块石、现浇混凝土和预制混凝土块等刚性结构体为主,虽然可以提高边坡抗水流冲刷的能力,但降低了河道的生态功能,易导致河流渠道化[25]。而护坡植物覆盖边坡的侵蚀率低于无植物覆盖边坡,表明植物护坡能够有效防止或减小降雨作用对土体的水土流失。

侵蚀率是土体坡面在遭受降雨冲刷时侵蚀强度变化的一个重要指标,其计算公式如下[26]:

式中:E为侵蚀率,g/min;Mt为径流过程中收集到的泥沙质量;t为时间。

1.1.3抗滑稳定性计算评价

植物护坡工程中,植物根系源源不断地吸取土壤中的水分,使土壤中的水分减少,孔隙水压力降低,增强了土体的抗剪强度,对保持边坡的稳定性有利[27]。河岸稳定性取决于岸坡倾角、植被覆盖度等多重因素[28]。护坡及护岸形式的选择应根据风浪、水流、地质、地形、施工条件、运用要求等因素综合比选确定[29]。

在生态护坡建设前期,应做好原材料质量的监控管理,并对堤坝的环境、水利防洪工程对堤坝的影响进行实地考察和综合考量,寻求最佳生态护坡建设工程。建设后期,应对工程质量进行评定[30]。分析堤坡稳定性时,分3种工况:① 工况一:临水侧为设计洪水位,背水侧为相应洪水位;② 工况二:临水侧为设计洪水位,背水侧为低水或无水;③ 工况三:洪水降落时对临水侧堤坡最不稳定情况。3种工况条件下规范允许最小安全系数见表1[31]。

表1 不同工况条件下规范允许最小安全系数Tab.1 Minimum safety factors allowed by the specification under working conditions

当计算最小安全系数均大于规范允许最小安全系数时,可满足防洪堤的安全稳定性。河道治理段不良现象多为两岸岸坡受洪水冲淘河岸,岸坎时有崩退,应在保证河道原有的行洪断面、尽量少占沿河两岸耕地的前提下,以减少塌岸、稳定河势、加大河道行洪能力为主要目的,充分利用现有天然岸坎修建护岸工程以求稳定河岸。选择植物时以乔木和灌木相结合的搭配为基础,选择具有顽强生命力、庞大根系的植物,可以有效降低水土流失,提高河堤防洪能力[32]。

1.2 生态性评价

河岸带可以提供一系列生态系统功能和服务,例如生物多样性保护、净化水体和水土保持等。

1.2.1生物多样性评价

生物多样性对于河流生境改善以及河流生态修复工作具有重要的现实意义。一个稳定的植物群落应是种类丰富的混交群落,对于保证坡面人工群落的多样性有着重要实践意义[33]。草本植物能够增强土体的抗剪强度,提高边坡稳定性,改善边坡生态环境。在根系直径和含根量相同时,狗牙根较麦冬草的固土效果更好[34]。香根草为禾本科多年生草本植物,具有适应性广、抗逆性好、抗涝能力强、根系长势迅猛、生长深度大且根系力学性能强等特点,是一种广泛应用的生态护坡与水土保持植物[35]。此外,根据有关试验结果,沙棘、沙打旺、山桃、杞柳、胡枝子、刺槐、油松、柠条、山杏、红豆草可显著提高土壤的抗蚀性能[27]。因此,岸坡工程需要综合考虑草、灌、花、乔等多种类植物,形成优美、协调、稳定的景观。采用“乔、灌优先,草、藤、花结合,坚持生物多样性、近自然性和可持续性”,采用多种技术提高植物成活率和促进植物生根、生长和发育,提高植物的生理机能和抗逆性[36]。

不同地带的适宜物种不同,评价指标不同,结果也将有所差异,部分地区物种选择分析如表2所列。实际工程应用研究发现,豆科草本及灌木植物有较强的抗逆能力,且能改善土壤条件,景观效果好,适合于都汶高速公路边坡生存生长[37]。工程实例证明早熟禾对于大庆地区特殊的气候和环境条件有较强的适应性、抗寒抗旱抗贫瘠能力强,但抗盐碱能力较弱[38]。研究发现狗牙根+黑麦草混播方式能发挥不同草种的环境适应能力,降雨截流作用明显,可以给黄河下游堤坡带来最大的生态效益,但后期管理要根据现场条件和气候变化及时调整[39]。前人研究也发现紫花苜蓿、波斯菊和草木犀在黑龙江省松花江干流治理工程第十五标段可以起到最佳的岸坡防护效果和生态适应性[40]。

表2 物种选择分析Tab.2 Species selection analysis

1.2.2净化作用评价

农业面源污染问题是中国长期存在的生态环境问题,严重破坏了水体的生态平衡[41]。河岸带植物可以对从陆地流向河流的各种有机物、无机物进行过滤和吸收,进一步影响营养元素、泥沙和化学物质等含量的空间分布[42]。建立河岸带植被带对于控制面源污染、改善生态系统质量的功能完整性、控制水体富营养化和沼泽化等方面具有重要意义[4,42]。护坡环境特殊且复杂,分析不同植物的净化作用对于提升护坡景观性与生态性十分必要。不同植物的净化效果见表3。

表3 植物净化效果分析Tab.3 Analysis of plant purification effect

1.2.3水土保持作用评价

护岸植物对于防治水土流失具有重要意义。可以提高土壤的抗冲和抗蚀性能,降低由于径流冲刷造成的水土及养分流失,并减少土壤蒸发,增加水分入渗[47]。Mao等[48]通过仿真试验定量评价了植物根系对边坡稳定和水土保持的作用随着根系结构的时空变化和环境条件变化而变化。郭碧花等[49]研究发现坡度对土壤物理性状有着显著影响,坡度越大,土壤容重和pH值越大而含水率越低,导致植物群落密度和盖度降低,根系保水固土能力下降,加剧水土流失。除了以上土壤自身的理化性质影响之外,影响植被护坡坡面水土流失的因素还包括植被自身因素(植被类型[50]、植被位置和格局[51])与外部环境、气象和地形因素(土地利用方式[52]、坡度[53]、降雨量[54])等。不同地区适宜的护坡草种见表4。

表4 植物水土保持效果分析Tab.4 Effect analysis of plant soil and water conservation

除上述评价之外,生态岸坡防护技术还可以通过组合植被类型调节小气候,生态护坡中应适当增加树木和草本植物的组合[58]。河岸带对于碳固存也同样重要[59],对于实现生态系统碳汇功能[60]有着重要意义。河岸带还可以实现土壤中水体、物质和能量的交换[61]。大量枯枝落叶被河岸带植被和附近相邻的陆地生态系统输入至河流中,通过分解成为河流生物的主要能量来源[42]。

1.3 综合性评价

植物岸坡防护工程的评价指标众多,评价过程涉及了土壤、水分、气候和地形等多种因素,是一项因素复杂且长期持续的工作[6]。一般情况下,植被类型的选择是护坡工程的关键[47]。设计人员通常会选择根系发达、有较强生态适应能力的草本植物,从而发挥其在分散地表径流、保护边坡表层土壤的重要作用[62]。目前,植物岸坡防护工程的评价方法主要包括以下3种。

1.3.1层次分析法

层次分析法最早在20世纪70年代由美国运筹学家沙泰提出,通过构建层次结构,两两比较下层对上层因素的相对重要性并计算权重,对专家的经验判断进行量化,可以清晰地反映出各相关因素的关系,但凭借单个决策者的判断会加大主观因素的影响[63-64]。

1.3.2模糊综合评价法

该方法是一种将主观判断与数理统计相结合,并对被评价对象进行综合评价的方法[65-66]。它可以提高评价结果的准确性,评价结果可以直观反映护坡工程质量,减少了人为因素的影响,但对指标权重矢量确定的主观性较强。

1.3.3主成分分析法

主成分分析法对多维数据进行降维处理,但对指标权重的确定带有主观性[67]。对于植物护坡工程,植被选择是一个多指标问题。采用主成分分析方法对边坡植被进行选择和评价在一定程度上避免了人为评分的主观性,但难以避免评价指标相互之间的相关性[68]。选择科学合理的护坡工程评价方法,才能更好地将植物护坡应用在边坡工程上。护坡方式选择分析见表5。

表5 护坡方式选择分析Tab.5 Analysis on selection of slope protection methods

胡兴等[69]研究证明多层次灰色评价法可以快速准确地评价护坡工程的质量状况,适用性较广,但评价指标选择和模型构建还需要进一步优化。于洋等[70]运用熵权系数评价法避免了单独采用主观经验造成的片面性。由于护坡工程涉及范围广,不确定性因素多,如今越来越多的学者采用两者或以上的评价方法评价护坡工程的质量,评价体系不断优化完善。王松[71]综合运用主成分分析法-模糊层次评价法,有效解决了主成分法评价时权重相同的问题,确保评价结果的客观准确性;张宇航[72]综合运用层次分析法、综合评价指数法和灰色关联度法,克服了以往判断矩阵的主观性与离散型,使评价结果科学可靠;许士国等[63]综合运用层次分析法、德尔斐专家调查法和TOPSIS法,使评价指标体系中既有定量指标又有定性指标时均能得到有效量化。由于主观因素的影响,评价指标各不相同。现有的评价指标多从景观性、生态效益、水土保持等方面入手,忽略了护坡稳定性作为河岸护坡最基本的性质[73]。

2 存在问题

2.1 评价指标不全面

目前关于护岸工程没有统一的评价指标体系。现如今缺乏公认的、相对完整的评价护坡措施标准,只能依靠对护坡措施的主观判断进行判定,难以建立完善的评价指标体系[74]。越来越多的研究学者侧重于生态效益,根系作用下的土体抗剪强度与提高边坡稳定性等方面常被忽略。此外,大多学者只考虑了植物,而忽略了护坡上的微生物及整个生物群落,造成目前对生态护坡评价的盲目性和片面性,不利于生态护坡的建设与管理。在生态指标的选取中,将碳排放的经济价值作为评价生态效益的衡量指标[75],是评价护坡工程的新突破,但具体量化指标尚未明确,以生态效益定量分析各种护坡形式仍具有一定的局限性。

2.2 评价方法不健全

建立护坡工程并确定评价指标后,需要选择合适的评价方法。目前国内学者进行生态护坡评价和方案比选时多采用层次分析法、模糊综合评价法、主成分分析法、灰色评价法和熵权法等[76]。对于建立的评价模型,部分学者采用一种评价方法会带来一定的局限性,易受主观因素的影响,很容易影响评价结果的可靠性,同时也会使评价结果波动很大。此外,现有的生态护坡评价大多只是考虑了护坡绿化,而非整体的生态系统,没有充分考虑护岸上的动物和微生物的影响。

2.3 研究不深入

国内对于护坡工程的研究已从纯工程措施向生态河道技术的趋势发展,但大多学者只从植物护坡技术本身出发,定性描述植物护坡的定义、发展及水文、力学效应,忽略了对护坡工程的适宜性评价[77]。生态护坡技术已逐渐成熟,但关于成本效益研究,尤其是生态效益研究,仍处于初级阶段[78]。

3 前景与展望

3.1 碳排放量化评价

长期以来,中国积极将气候变化问题作为社会经济发展的重大战略[79-80]。水利工程作为国民经济的重要组成部分,是碳排放的重要来源。如何在大力发展水利工程的同时,量化碳足迹实现“双碳”,是一个辩证问题且需要学者持续关注。

河道工程建设需要消耗大量的能源与建筑材料,如何针对河道工程的特点和实际情况,寻找水利工程建设过程中降耗减排的措施和方法,并符合当今绿色低碳发展的要求,是需要持续关注的重要科学问题。

在建立护坡评价体系时,应以增强边坡稳定性为基础,兼顾景观性和生态性,并提高生态效益的权重,构建一个集河道、水流、植物为一体的河流生态系统[81]。在“双碳”目标的背景下,有待进一步深入研究将碳排放量作为生态指标进行岸坡工程评价。工程的碳排放量常常以碳足迹作为量化指标。碳足迹的计量方法主要有实测法、全生命周期法和排放系数法[82],见表6[83-87]。

表6 碳足迹主要计量方法Tab.6 Main measurement methods of carbon footprint

对比3种碳足迹计量方法,全生命周期评价法较适合对水利工程进行碳排放分析。由于水利工程规模大、工程量大、生命周期长,过程分析法难以精确计算碳足迹[84],该方法主要适用于小型水电工程。投入产出法计算较为粗略,因此复杂的大型水电工程采用过程分析与投入产出分析相结合的混合生命周期评价法[85]。所有在建造过程中用到的材料都应该进行碳足迹计算[88]。

过程分析法的计算流程如下[89]:① 建立工程建设流程图,确定主要施工材料;② 确定工程排放碳量边界;③ 收集碳排放因子。

在护坡工程中,主要用到的材料及其碳排放因子见表7。

表7 工程材料及其碳排放因子

在整个水电枢纽工程全生命周期中,运行阶段的温室气体排放量最大,持久时间最长[90-91]。大型水电是清洁能源,能优化能源结构、改善生态环境,大力开发水电有助于减少温室效应[91]。为了应对全球气候变化,应将开发水电与实践减排结合起来。

在全生命周期理论基础上,比较分析不同岸坡防护技术的材料与工艺特点,筛选并确定碳排放因子,然后根据碳排放因子系数计算不同建筑材料的碳排放量。研究发现,在整个水利工程中,建造阶段产生的碳排放量最大,达到66.69%,原材料生产的碳排放量占整个建造阶段的90%[91]。因此,碳足迹的量化评价可对护岸设计进行初步优选,使得断面优化设计过程中,尽量减少工程量,并积极推广使用低碳环保新材料。

3.2 系统可持续性评价

河流岸坡作为陆地与水体的交错区域,是水陆物质、信息、能量循环流通和交换的关键地带,是河道生态系统,乃至城乡生态系统的主要组成部分。从植物生长角度看,植物的适生性是选择防护植物的一个关键要素[92]。选择生命力顽强、根系庞大的植物,有利于促进整个生态系统的持续运行[32];也可以通过添加改良剂改善土壤特性,为植物生长提供水分和养分,延长植物存活周期[93]。从河岸带生态系统角度看,需要综合考虑流域土壤、植被与水文、人类活动之间的耦合关系,预测未来气候下的河岸带生态系统演变规律[42],提高河道岸坡应对灾害的能力,才能实现生态岸坡可持续健康发展。因此,在未来研究中,河道岸坡生态系统灾害应对能力评价和可持续性评价成为重要研究方向。

3.3 推广BIM技术应用

与一般土建工程相比,水利工程的工程规模大、工程周期长、结构复杂、设计与施工易脱节[94-96]。因此BIM技术开始被应用于水利工程的设计、施工和管理等各个阶段中[97],具有标准化、参数化、流程化的特点,打破了传统CAD模式下信息脱节的状况[98],还可以缩短工程建设周期,降低造价[96]。现如今BIM技术被广泛应用于水利行业中,依托BIM技术可以快速获取工程量清单,建立碳足迹评价模型进行快速评价,并提高计算精度[97]。在BIM技术的基础上,对全生命周期进行评估便于优化评价决策[98]。对于河道工程,其长度大、环境复杂,传统造价分析普遍采用人工计算工程量,再导入造价分析软件的方法。若将BIM技术应用于河道工程中,可大幅度提高计算效率与精度[94]。BIM技术起初应用在建筑工程,随着BIM技术的不断优化,现已开始运用到水利工程建设上,为防洪排涝提供了充足的技术支撑。BIM技术贯穿工程建设的全过程,在BIM基础上量化河道工程的碳足迹将是一种新的研究趋势。因此,生态河道岸坡工程应积极推广并应用BIM技术,响应生态水利与智慧水利的战略布局,实现水利减碳、水利固碳,为双碳目标贡献水利智慧[99],进一步完善生态河道岸坡工程评价体系。

3.4 拓展评价时空领域

生态岸坡防护技术的评价,应进一步拓展空间尺度和时间维度。在时间维度上,护坡工程竣工后,研究人员应持续关注岸坡工程的质量、运行管理和维护情况,对相关护坡技术进行长期的动态监测[87];可从多角度分析土壤-根系的相互作用,并适当考虑沿坡入渗和径流、蒸发和根系吸水的共同作用影响[100],评价不同时间步长的动态变化规律。在空间维度上,基于河道的连续性,为进一步发挥生态岸坡防护技术在城市典型空间的生态性和美观性,可构建更大空间内的综合功能评价。此外,居民生活质量、娱乐消遣水平、城市绿化方面,都需在已有评价系统的基础上,进一步引进和完善。

4 结 论

植物护坡工程在防洪排涝、防冲刷及增强边坡稳定性等水利功能方面起着重要作用,还可以提供增加生物多样性、净化水体和水土保持等一系列生态系统功能与服务。

对于评价过程中仍存在的一些问题,例如评价指标不全面、评价方法不健全和研究不深入等,需要因地制宜,细化并完善评价指标,选择合适的评价方法。对于加大生态指标权重,将碳排放量纳入生态指标并在BIM基础上量化护坡工程碳足迹的研究有待进一步深入。可以直接比较碳排放量的大小,确定岸坡防护工程的评价指标的权重,再结合多项评价方法分别从时间和空间维度上进行综合量化。