胡志堅(jiān)，萬迪文，趙佳鼎，段 劍

(1.江西省峽江水利樞紐工程管理局，江西 南昌 330000；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；3.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

峽江水利樞紐工程是《全國“十一五”大型水庫規(guī)劃》的重點(diǎn)骨干工程，是江西省重點(diǎn)工程，是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的先導(dǎo)工程。主要建設(shè)內(nèi)容包括樞紐主體工程、庫區(qū)7個(gè)防護(hù)工程和15片抬田工程[1]。工程建成以后，水庫正常蓄水位46 m，死水位44 m，防洪高水位49 m?！疤铩本褪菍\淹沒區(qū)的耕地高程抬升(普遍抬高2～3 m)，高出水庫正常蓄水位0.5 ～1.0 m，再輔以配套完善的灌溉、排水設(shè)施，建成“旱能灌、澇能排”的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。峽江水利樞紐抬田工程總面積約2 500 hm2，共減少淹沒耕地2 519.4 hm2、林地245.2 hm2，減少大量因環(huán)境容量不足而被迫外遷的移民數(shù)量，為全國首例面積最大的“抬田工程”[2-3]。

抬田工程臨江田塊的邊坡為填方土質(zhì)邊坡，長期受水力的作用，可能出現(xiàn)波浪(風(fēng)浪、船行波)淘刷、行洪近岸水流沖刷、雨水沖刷等坡面侵蝕問題，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。提高邊坡的抗侵蝕能力、降低水對邊坡的作用強(qiáng)度是解決邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵[4-5]，然而目前在設(shè)計(jì)上，更多采用混凝土、漿砌石等傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)坡模式，缺乏對環(huán)境與生態(tài)功能的考慮，如傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)坡嚴(yán)重破壞了生物生存、棲息、繁衍的環(huán)境，隔斷了水域生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交流與聯(lián)系，不利于河流水體自凈能力的發(fā)揮和自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[6-7]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，水生態(tài)文明建設(shè)成了當(dāng)今水利改革發(fā)展的重要課題，因此邊坡防護(hù)不僅需要具備防洪、防汛的基本功能，也需要兼顧景觀美學(xué)與生態(tài)效益等功能。生態(tài)護(hù)坡是基于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和生態(tài)學(xué)原則的一種邊坡防護(hù)技術(shù)，具有防護(hù)邊坡、防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境等功能，同時(shí)能夠防控邊坡以上農(nóng)田耕作引起的面源污染。在越來越重視環(huán)境保護(hù)和生活質(zhì)量的今天，生態(tài)防護(hù)已成為土質(zhì)邊坡防護(hù)的一種趨勢，也代表著土質(zhì)邊坡防護(hù)的發(fā)展方向[8-9]。

1 抬田工程概況

峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣上游峽谷河段，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。為保護(hù)庫區(qū)土地資源、減少水庫淹沒損失，對庫區(qū)部分人口密集、耕地集中、具有防護(hù)條件的臨時(shí)淹沒區(qū)或淺淹沒區(qū)采取修筑堤防或抬田措施，主要分布在沙坊、八都、桑園、水田、槎灘、金灘、南岸、醪橋、烏江、水南背、葛山、磚門、吉州區(qū)、禾水、潭西，同江防護(hù)區(qū)、上下隴洲防護(hù)區(qū)、柘塘防護(hù)區(qū)、樟山防護(hù)區(qū)、槎灘防護(hù)區(qū)，共設(shè)有7個(gè)防護(hù)區(qū)，保護(hù)耕地3 700 hm2。對淺淹沒區(qū)實(shí)施抬田措施，將耕地高程抬高至水庫正常蓄水位以上0.5～1.0 m。防護(hù)區(qū)內(nèi)外共設(shè)有20片抬田區(qū)，抬田總面積約2 500 hm2，先期實(shí)施了14.4 hm2作為抬田試驗(yàn)研究區(qū)。

2 抬田區(qū)水位變化特點(diǎn)

峽江水利樞紐工程建成后，水庫在每年10月開始蓄水，至翌年3月(10月1日—3月31日)壩前水位為46.0 m，主汛期(4月1日—6月20日)壩前水位由46.0 m下降至43.0 m，后汛期(6月21日—9月30日)壩前水位為43.0～44.0 m。每年隨著水位在43.0～46.0 m之間變化，在抬田庫區(qū)臨江邊坡上會形成水位漲落高差達(dá)3 m且與水位自然漲落節(jié)律相反的水陸交錯(cuò)帶(區(qū))，抬田庫區(qū)水位變化曲線如圖1所示。

圖1 抬田庫區(qū)水位變化曲線

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 不同水位條件下的靜水邊坡穩(wěn)定性分析

研究區(qū)抬田工程臨江邊坡線長11.77 km，坡比1∶2，為土質(zhì)填方邊坡，相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。取典型斷面進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)水庫運(yùn)行水位為46.0 m(正常蓄水位)、44.0 m(死水位)和43.0 m(施工期水位)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，在不同水位條件下，抬田靜水邊坡安全系數(shù)分別為3.618、3.699、3.510，均大于規(guī)范允許安全系數(shù)(1.2)。因此，在靜水條件下抬田邊坡抗滑穩(wěn)定性滿足要求。

表1 邊坡典型斷面各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 靜水條件下典型斷面邊坡安全系數(shù)

3.2 波浪對邊坡穩(wěn)定性的影響

水庫波浪(以風(fēng)浪為例)對土質(zhì)岸坡的破壞是一種長時(shí)間的淘刷作用，波浪在岸線附近破碎，隨即形成向前的涌浪對直立土坎根部進(jìn)行淘蝕，波浪回落時(shí)在沖刷面上形成的回流不斷將淘蝕的土體帶走，堆積在斜坡上。黏土本身具有一定的黏結(jié)強(qiáng)度，長時(shí)間淘刷后土坡坡腳沿岸線就會形成內(nèi)凹的空洞，內(nèi)凹達(dá)到一定深度時(shí)，空洞上部掛空的土體就會向下坍塌，接著波浪又對新形成的完整土質(zhì)坡面進(jìn)行淘蝕，形成新的內(nèi)凹空洞，掛空土體再次發(fā)生塌落，久而久之，最終表現(xiàn)為整個(gè)土質(zhì)岸坡的坍塌破壞。因此，有必要分析在波浪作用下臨江抬田邊坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)抬田區(qū)的氣象水文數(shù)據(jù)，分析抬田區(qū)水位46.0 m下風(fēng)浪要素，并計(jì)算斜坡上的波流速分布，計(jì)算結(jié)果見表3、4。

由表3、4可知：①抬田邊坡在正常蓄水位條件下(未考慮回水高度)，風(fēng)浪爬高至47.06 m，基本平田埂，但已高出抬田田面；②波流速最大為3.12 m3/s，出現(xiàn)在45.73 m坡面， 土質(zhì)邊坡不足以抵抗沖刷； ③風(fēng)浪水流回落時(shí)產(chǎn)生的滲透反力及風(fēng)浪對坡腳的沖刷降低了土質(zhì)邊坡抗滑力，但穩(wěn)定性滿足要求。因此，采取護(hù)坡形式，需要考慮水位在46.0 m時(shí)風(fēng)浪爬高對抬田區(qū)的影響。

表3 水位46.0 m條件下風(fēng)浪要素

注：數(shù)據(jù)資料來源于吉水站氣象統(tǒng)計(jì)資料。

表4 斜坡上的波流速

注：H0為波峰高出靜水位的高度，d0為令波浪在斜坡上破碎時(shí)的臨界水深，ZB為最大波壓力作用點(diǎn)在靜水位以下的垂直距離，V1、V0、VB、VZ為高程46.8、46.0、45.73、45.05 m處的波流速。

4 邊坡梯級生態(tài)防護(hù)模式

4.1 防護(hù)功能分區(qū)

依據(jù)抬田區(qū)水位變化規(guī)律，將臨江土質(zhì)邊坡劃分為3個(gè)生態(tài)防護(hù)功能區(qū)，詳見表5?？紤]汛期泄洪水流流速較大等因素，將高程43.0～45.0 m劃分為固土抗沖區(qū)，主要功能為固定邊坡土壤，抵御水流淘刷；考慮枯水期正常蓄水位為46.0 m，水流流速相對較小，將高程45.0～46.0 m劃分為消浪減蝕區(qū)，以降低波浪爬高，減小坡面徑流侵蝕為主；對邊坡常露區(qū)46.0～47.8 m劃分為抗蝕景觀區(qū)，以增強(qiáng)土壤抗侵蝕性，提高生態(tài)景觀效益為主。

表5 臨江土質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)功能區(qū)劃分

4.2 不同功能區(qū)生態(tài)防護(hù)措施

根據(jù)水位調(diào)度進(jìn)行邊坡梯級生態(tài)防護(hù)是目前抬田區(qū)臨江土質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)的核心思路，基于水位變動進(jìn)行梯級植被重建分區(qū)設(shè)計(jì)是原則，植被生境創(chuàng)造與改善是保障(見圖2)。

圖2 抬田邊坡梯級生態(tài)防護(hù)模式(單位：m)

4.3 不同功能區(qū)護(hù)坡植物選擇

(1)高程43.0～45.0 m。采用植生混凝土、生態(tài)袋、植生卷材、抗沖毯等生態(tài)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，削弱水流沖刷與風(fēng)浪淘蝕作用，增加邊坡穩(wěn)定性。植物以耐淹耐旱的兩棲草本植物為主，主要有狗牙根、牛鞭草、李氏禾、蘆竹、類蘆、水蓼、空心蓮子草(水花生)、扁穗牛鞭草等。

(2)高程45.0～46.0 m。種植消浪植物籬，降低風(fēng)浪爬高，保障抬田安全。植物需滿足耐旱耐淹與固土消浪等要求，主要有香根草、蘆葦、五節(jié)芒等。

(3)高程46.0～47.8 m。以灌木帶和花草植物為主，防止抬田道路侵蝕泥沙下泄，減少坡面侵蝕。以耐旱抗侵蝕的景觀植物為最佳。灌木選用杜鵑、紅葉石楠、紅花檵木、金邊黃楊、赤楠，草本選用假儉草、狗牙根、金雞菊、波斯菊、石竹、菊科野花組合草種等。

5 研究展望

以恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)，以庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的調(diào)查為基礎(chǔ)，根據(jù)臨江邊坡生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)和植物的生物生態(tài)學(xué)特性，篩選、馴化、培養(yǎng)、繁殖一些適宜不同水位條件下的生態(tài)護(hù)坡植物，并運(yùn)用生態(tài)工程學(xué)方法構(gòu)建臨江護(hù)坡植物的生存環(huán)境，試驗(yàn)性地構(gòu)建與恢復(fù)一定面積的較穩(wěn)定且與環(huán)境相協(xié)調(diào)的植被群落，并提煉防護(hù)措施設(shè)計(jì)合理、種植技術(shù)科學(xué)和效益最大化的臨江土質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)體系，為江西省河流湖庫水陸交錯(cuò)區(qū)邊坡生態(tài)防護(hù)提供技術(shù)支撐，為江西省生態(tài)鄱陽湖流域建設(shè)提供借鑒。

5.1 臨江土質(zhì)邊坡不同水位生態(tài)護(hù)坡植物篩選

植物對水位變動的適應(yīng)性取決于植物耐淹、耐旱的生理特性，臨江土質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)應(yīng)充分體現(xiàn)沉水植物、兩棲植物、挺水植物與陸生植物相結(jié)合的原則，并根據(jù)植物生理學(xué)特性提出適宜水位變化的梯級生態(tài)恢復(fù)模式。

以南方紅壤區(qū)常見護(hù)坡植物為研究對象，采用人工降雨與徑流沖刷試驗(yàn)等技術(shù)，研究不同植物措施下，降雨、徑流對邊坡土壤侵蝕量、土體抗沖刷性能、坡面流速等因素影響規(guī)律，分析不同供試植物的根系分布格局、根系抗拉強(qiáng)度及根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣象水文資料，設(shè)計(jì)植物消浪和波浪沖刷水槽概化模擬試驗(yàn)裝置，研究不同植物措施下的風(fēng)浪爬高與消浪系數(shù)；同時(shí)對供試植物進(jìn)行不同時(shí)間與水深等因素的耐淹耐旱試驗(yàn)。綜合以上三個(gè)方面的研究結(jié)果，分析供試植物的耐淹耐旱、消浪減蝕和固土抗蝕效應(yīng)，綜合考慮篩選適宜臨江土質(zhì)邊坡不同水位區(qū)域的優(yōu)良生態(tài)護(hù)坡植物。

5.2 臨江土質(zhì)邊坡適宜植物繁殖與栽培技術(shù)

為了使庫區(qū)消落帶植被能夠在水位下降后及時(shí)得到重建，應(yīng)根據(jù)植物種類和立地條件的差異，引進(jìn)國內(nèi)外河岸邊坡防護(hù)先進(jìn)技術(shù)，并在臨江土質(zhì)邊坡上進(jìn)行適應(yīng)性研究。植物栽植可通過草本植物丸衣化、草地免耕營建、植苗造林、水生植物栽培等手段，篩選適宜臨江邊坡不同水位區(qū)域的關(guān)鍵種植技術(shù)，以達(dá)到快速綠化、提高成活率的目的。

5.3 臨江土質(zhì)邊坡植被生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與管理技術(shù)

對已構(gòu)建的生態(tài)護(hù)坡模式的植物適應(yīng)性及生長情況、水土保持效益等進(jìn)行分析，主要包括植被物種組成與結(jié)構(gòu)的變化、植被構(gòu)建后對環(huán)境的影響和群落演替的調(diào)控等，并在此基礎(chǔ)上，提出防護(hù)措施設(shè)計(jì)合理、種植技術(shù)科學(xué)和效益最大化的臨江土質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)模式。