高纬度寒冷地区岩石坡面植被恢复措施设计——以黑龙江荒沟抽水蓄能电站工程为例

张 旭,吕向军,刘锦程

(1.水利部 水利水电规划设计总院,北京100120; 2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021;3.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龙江 牡丹江157005)

近年来国家基础设施建设投资力度加大,对改善生态环境、推动经济社会可持续发展的要求也在逐步提升[1]。伴随着我国进入新发展阶段,“建设人与自然和谐共生的现代化”“经济社会发展全面绿色转型”“让绿色成为高质量发展的鲜明底色”等都为水土保持工作带来了新的机遇。但我国生态系统较为脆弱和水土流失量大面广、局部地区严重的状况还没有得到根本性转变,水土流失防治成效尚不稳固,水土保持工作中还存在不少薄弱环节[2]。作为落实“碳达峰”“碳中和”目标的重要一环,抽水蓄能电站工程建设规模大、工期长,受地形与地质条件影响大,施工扰动面广,工程建设过程中会对项目区生态环境产生影响,破坏原生植被,加剧水土流失[3]。因此,加强抽水蓄能电站工程项目区生态修复,实现绿色发展,符合我国新发展阶段生态文明建设的要求[4]。

抽水蓄能电站工程上下水库高差较大,场内道路首尾高差大、里程较长,开挖边坡的生态修复是水土保持工作的重点。国内关于边坡生态修复的研究集中在矿山、高速公路[5]、水电工程[6-7]等多领域。针对高纬度寒冷地区气候寒冷和植被生长周期短、后期生态修复难度大等特点,研究人员提出采取喷播技术[8]、改进植被混凝土组成材料[9]、优化施工工艺[10-11]等建议,但是对于抽水蓄能电站扰动边坡生态修复措施体系的研究成果较少。为贯彻落实绿色生态的工程理念和尽可能恢复开挖岩石边坡植被群落、减少混凝土施工对边坡生态的影响,本研究以黑龙江荒沟抽水蓄能电站为例,总结高纬度寒冷地区抽水蓄能电站扰动区域岩石坡面生态修复的施工工艺和方法,以及岩石坡面复绿的植物选择—施工技术—后期养护措施体系,以利用项目区现有表土资源和可利用材料,快速复绿施工扰动区域,提高植被覆盖率,达到后期免管护的目的,对于表土综合利用、土质及岩石坡面生态修复、黑土地保护等也具有一定借鉴意义。

1 项目区概况

黑龙江荒沟抽水蓄能电站是我国在建的纬度最高的抽水蓄能电站。项目区位于黑龙江省海林市三道河子镇,海拔200～700 m,最大高差500 m。属大陆性季风气候区,夏季湿热多雨,冬季漫长寒冷;年均气温3.2 ℃,最高气温37.5 ℃,最低气温-45.2 ℃,≥10 ℃活动积温2 100～2 500 ℃;年均降水量572.7 mm,降水量年内分配不均,主要集中在6—9月,期间降水量占年降水量的82%;年日照时数2 540 h,太阳总辐射量502 kJ/cm2,年无霜期短,年最大冻土深度191 cm。土壤类型主要为暗棕壤和沼泽土,其中暗棕壤占98%、沼泽土占2%;土层厚度20～40 cm,除表层有机质含量较高(4%左右)外,土壤养分含量普遍较低且质地较粗,不适宜农垦。项目区原土地利用类型为林地,植被种类较少,垂直分布明显,植被种群属长白山植物区系,地带性植被为针阔叶混交林;植被类型既有天然植被又有人工植被[12],天然植被中主要乔木树种有山杨、黑桦、榆树、水曲柳、黄檗、稠李等,主要灌木树种有毛榛、胡枝子、玫瑰、杜鹃、茶条槭等,主要草种有石竹、白莲蒿等,人工植被主要为樟子松、落叶松、红松等。

2 坡面扰动情况

抽水蓄能电站工程项目区永久道路建设需要大量开挖边坡,造成大量边坡裸露,不仅破坏了生态环境,而且引发了严重的水土流失。道路建设开挖边坡多为石质边坡,根据坡面稳定及征地边线要求,采取1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5坡比进行预裂孔爆破开挖,造成坡面凸凹不平。填方边坡均为土石质边坡,坡度多缓于45°,坡面平顺。永久道路施工时在傍山侧坡顶及坡脚处分别布设了排水沟,开挖边坡坡脚的碎落台砌有混凝土护脚,高填方陡坡段建有路肩挡墙。

3 边坡生态修复设计要求

1)以工程措施为先导,保证坡面排水通畅,在地质条件适宜、基础稳定的前提下进行整个区域的生态修复。

2)因地制宜、因害设防、总体规划、合理布局、科学配置。根据坡面情况确定防治措施布局、施工工艺及方法;依据植物垂直分布特征和分布高程,采取相适应的植物配比;注重临时措施的布设。

3)施工工艺及方法的选择应考虑利用工程已有材料,包括已剥离的表土、当地乡土植物等。结合主体工程施工时序和绿化施工时间,生态修复中要做到技术可行、经济合理。

4)采取国内外先进技术,借鉴类似工程水土保持经验。植被恢复措施中树草种以乡土植物为主,根据项目区植被地带性分布特征和生态修复原则,最大限度地发挥植物措施的生态效益,实现绿化美化效果,并注重与周边景观相协调。

5)落实水土保持“三同时”制度,完善工程水土流失防治措施体系,大幅减少施工过程中的人为水土流失。

4 边坡绿化措施设计关键技术

4.1 植物品种选择

按照适地适树原则,以当地抗性强、易购易成活作为植被选择的基本要求,乔灌草搭配使用。根据不同植物根系特点,针对不同边坡立地条件和地质构造特点等采取不同的边坡植被恢复模式组合[13-14],达到重塑坡面生态、减少水土流失的目的。根据植物根系长度及坡面回填土层厚度选择植物组合。为达到坡面植被措施竣工验收后免管护的目的,将豆科植物与禾本科植物搭配使用,同时利用先锋物种发芽早、生长速度快等特点,尽早实现水土保持效果。选择的植物有紫苜蓿、紫羊茅、冰草、胡枝子、紫穗槐、卫矛、花楸、山槐、红花锦鸡儿、沙棘、五味子、皂荚等12个品种,混合种子用量按50 g/m2施用。

4.2 绿化措施及主要施工工艺选择

1)岩石坡面复绿措施的选择。目前我国针对岩石坡面的复绿措施主要有厚层基质喷覆、高次团粒喷播、液压喷播[15]等。根据前期调研结合项目区实际,选择高次团粒喷播技术进行岩石坡面绿化,选择三维植被网技术进行土质及土石质边坡绿化。为满足工程快速复绿要求,在岩石坡面采取挖穴栽植灌草根芽,以达到尽快恢复坡面植被生境、减少水土流失的目的。

2)施工工艺的选择。项目区内表土砂砾和有机质含量较高,传统的湿喷工艺在施工过程中要对基材进行罐内加水搅拌,这样会造成土壤中黏粒与砂砾分层脱离,较重的砂砾会沉积到罐底,堵住喷播口,影响施工的同时还会对喷播质量造成一定影响。为改善喷播效果,本项目考虑工程实际情况,将传统的湿喷工艺改为干喷工艺,利用螺杆空压机将各种基材进行搅拌,在喷播机械出口处将液体基材与拌和种子的土壤结合后直接进行坡面复绿作业。

3)基材配比。喷播基材包括表土、木纤维、混合种子、高次团粒剂、稳定剂、保水剂、水等。其中:①表土。现有边坡表土砂砾含量较高,在使用前需要过筛和拌和有机肥。绿化用土组成为施工区剥离表土+有机肥(农家肥),配制比例为9∶1(表土∶有机肥),即1 m3绿化土中表土0.9 m3、有机肥0.1 m3。②木纤维。传统木纤维包括稻壳、粉碎秸秆、木质化纤维物等。项目区地处林区,项目建设前有很多菌类培育基地,菌类养殖产生了大量废料——菌棒。经现场试验论证,菌棒一般由锯末、玉米粉碎物等组成,粉碎后可作为木纤维使用。将废弃菌棒作为基材之一,增加了喷播后坡面土壤团粒结构,还减少了废弃菌棒的环境污染。③高次团粒剂及稳定剂。依据坡面坡度,调整高次团粒剂及稳定剂的配比。

5 实施及效果

5.1 施工工艺及施工方法

1)施工前对坡面进行清理和平整。将松散的岩渣及危险石块清理干净,拆除坡面障碍物,对局部边坡不稳定处进行清刷、加固等处理。

2)钻孔采用手动干钻施工法,钻孔直径比锚筋直径大15 mm以上,同时要保证灌浆饱满。锚筋安装前应将孔内的岩粉和积水清理干净。

3)喷射基材混合物之前将坡面冲刷干净,以确保喷射基材混合物与坡面之间的良好黏结。

4)铺网前,按密度9个/m2在坡面打好植生孔,在植生孔内埋入山槐、胡枝子、紫穗槐等植物的根芽,用量2株/穴。选用健康、水分充足的根段,根段直径以0.6～1.2 cm为佳,根段长度控制在20～25 cm。

5)在锚筋可受力后进行挂网,注意网间搭接宽度,间隔30 cm用铁丝或钢丝绳绑扎牢固。镀锌网按边坡形状、尺寸取料加工,分布要均匀,绑扎要牢固,采用扣件或其他措施将镀锌网与锚筋交接处连接起来,以保证喷射基材混合物时镀锌网稳固。

6)基材中的种子要求选用适应当地气候环境、根系发达、生根性强的多年生混合乔灌草种。在喷播前进行植被种子发芽试验,保证发芽率达到95%以上方可使用,对于适生品种必要时可进行催芽处理。

7)镀锌网必须与坡面保持一定间距,以保证镀锌网保护层厚度。

8)喷射基材由表土、草炭土、木纤维、有机肥(腐熟)、无机复合肥、高次团粒剂、种子等经严格配方后混合而成,采用专用高次团粒喷播设备进行作业,喷播要求最小厚度不少于12 cm,施工时应注意找平。

9)选择在雨季前施工,考虑到项目区高寒等气候特点,喷播截止日期要比当地初霜日期早2个月左右,以便给植物留够生长时间,并做好植物越冬准备。

5.2 水土保持措施实施效果

喷播作业安排在施工期的春季进行,一般在喷播作业完成后7 d左右植物种子开始发芽。喷播作业完成后1个月左右坡面植被覆盖度达到90%以上,植被群落中的乔灌草结构已初步形成;2 a后复绿坡面已达到免管护的效果,实施水土保持措施的区域水土流失控制比达1.0,林草植被恢复率达98%,人为水土流失得到有效控制,水土资源得到有效保护,生态环境实现良性发展。

6 讨论与分析

高纬度寒冷地区抽水蓄能电站工程项目区岩石坡面可利用剥离表土结合高次团粒喷播、坡面打孔综合措施进行复绿,复绿植物选择发芽率高、植被生长良好的当地乡土适生品种,喷射基材可使用当地已有材料实现废物利用。

1)项目区边坡绿化采取干喷工艺,利用自身工程剥离的表土,无须外购表土;利用当地已有的废弃菌棒作为喷射基材的木质纤维,有助于减少环境污染,实现综合利用;植物群落修复体系中,先是利用速生草种减少初期水土流失,再是胡枝子、紫穗槐等灌木成活后增强固土护坡效果,最后乔木发芽生长完善边坡植被群落体系[13],形成乔灌草立体配置模式,增加植被群落多样性。结合越冬期养护措施,实施效果满足验收要求,成功建立起免维护、不退化的植被系统,并逐渐恢复到近自然植被群落状态。

2)项目实施前需采取工程措施防止施工平台汇水直接冲刷坡面;对一些较陡的土质或土石质边坡绿化时,应在坡面上采取一些辅助措施减缓坡度,以免植被种植后发生边坡垮塌等情况;高纬度寒冷地区气温低、降雨少且相对集中,植被生长期短且初霜较早,除防范人为破坏及牲畜践踏啃咬外,还应加强植被的越冬期管护,防止冻害的发生。